无人机数据链自动测试系统设计

梁于胜，王洪琳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

无人机数据链是整个信息传输系统中链接各任务平台、优化信息资源的核心单元。它采用网络通信技术和应用协议，实现机载、陆地和舰载信息数据系统之间的数据信息交换［1］，正朝着高速数传、网络化、多功能的宽带数据链以及一体化的通用宽带数据链的方向发展，其功能复杂、性能指标要求高。相应的，数据链自动测试技术的发展也非常迅速。以前的测试方法适合小批量型研生产，自动测试技术应用直接影响到大批量的数据链电子系统验收及性能状态的确立，这就需要在真正的应用试验环境中进行测试。然而外场测试中缺乏大动态、多径和精确跟踪等关键性能的标准试验环境，系统性能模糊，数据链系统不能主动发现问题。在无人机全系统联试过程中会经常出现发现问题、解决问题和试验验证的插曲，延长了试验时间，增加了系统定型成本。作为系统研制的最后环节，自动测试技术在未来的数据链系统研制过程中，能显著减少使用误差、人身误差，提高系统生产、研制效率，降低成本，并且具有测试功能全、性能指标真实，使用状态明确的优点。

1 总体设计

测试目的是为了验证测控与信息传输系统设备功能的正确性和指标的合格性，同时对部分分机难以单独检验的功能进行验证。用于系统平面联试阶段的设备性能指标及功能检验。在复杂电磁环境下，高速数传、网络化、抗干扰是通用宽带数据链的3个发展方向，主要测试内容包含3部分:①数据链设备性能指标及功能检验;②复杂电磁环境下高速数传性能测试;③ 复杂电磁环境下的抗干扰性能测试。

经过以上3方面测试就能够完成系统全性能测试、功能验证及系统在复杂电磁环境下的状态评估，主要指标包括:作用距离、系统功率、灵敏度、传输误码率和系统电平余量。复杂电磁环境适应性评估信道模型数量包括:城市、山地、丘陵、森林、沙漠和水面等，衰落模型包括:恒参、瑞利、莱斯、对数正态、纯多普勒、平坦、高斯和巴特沃兹等。配合网络测试、调制解调特性测试、误码性能测试和干扰适应性测试等，完成全系统指标测试，达到系统效能评估的要求，极大地减少了野外试验场的试验时间。野外试验的目的从原来的发现问题、解决问题，转变为对系统效能的评估与验证，包括空中接口性能的测试与比较，也包含复杂电磁环境中的模拟和仿真。自动测试系统软件通过COM接口与Office软件进行通讯，利用Office软件强大的文档处理功能，在软件中实现Office文档的绘制，自动生成所需要的各种测试数据报表。

1.1 硬件设计

以信号源、频谱仪为基本仪器，利用开关矩阵和网络技术，将参试设备联接在一起，通过计算机软件控制仪器的状态和参数，实现无人机数据链系统(机载设备和地面设备)分机的设计指标上、下行发射功率，接收灵敏度等的自动测试［2］。通过计算机控制数控衰减器、误码仪，进行数据传输误码率等系统指标测试。

发射功率测试原理如图1所示。将参试设备参照图1正确连接，采用有线连接方式，衰减器置于保护频谱仪正常测试状态，随后进行指标测试;信号源输出信号接入开关矩阵1，依次接入发射机，开关矩阵2同步选择相对应的发射机，输出信号，经衰减器后由频谱仪读取送入计算机显示并存储。

图1 发射单元测试原理

接收灵敏度测试原理如图2所示。由地面发射端输出加调制射频信号经数控衰减器将信号衰减至机载接收灵敏度接入开关矩阵1，依次接入机载接收机，开关矩阵2同步选择相对应的机载接收机，输出信号送终端解码转422串口送入计算机显示并存储。同样，用机载发射端作输入信号，就可以测试地面接收灵敏度。

图2 接收机测试原理

数据链系统关键指标之一是通信距离，通过无线电波在大气空间的传播损失公式L=20lgf+20lgd+32.4式中f为工作频率，d为作用距离。可计算在系统工作频段传播距离d时的总传播损耗为L［3］。总传播损耗小于发射功率与接收灵敏度之和，就符合通信距离技术要求。

自动测试系统也可以生成单载波信号和多载波信号，每个载波都可以单独定义，如设置OFDM的所有参数，从基带数据、包一直到帧，定义用户自己的OFDM体制;支持RS(Reed-Solomon)编码、卷积和加扰;可以在信号加入诸如相位噪声、多径或量化等损伤;加入跳频和选通噪声等，满足电磁环境中的发射通道任意波形的应用。

在复杂电磁环境的接收通道，实时信号分析仪的实时频谱观测功能，以及实时频谱概率密度统计功能可以实现频谱的实时观测和实时统计，从而完成频谱占用度和频谱重合度的测量，对于数字/模拟解调、矢量分析和眼图等测量，将解调后的基带信号与实际数据链信息数据进行统计比对。

图3 信道仿真测试原理

1.2 软件设计

无人机数据链自动测试软件是自动测试系统的核心，在软件设计的时候不仅要考虑到软件对当前测试需求的支持，还要易于在未来发展中对软件进行扩充，并灵活适应自动测试系统用户多变的需求。所有这些都要求通用化自动测试平台系统的软件需要采用一个适当的软件体系结构统一进行设计规划，进而保障软件设计实现的顺利进行。采用了分层的软件体系结构，将自动测试软件划分为3层:通信层、控制层和测试应用层。

通信层主要包括仪器的驱动、网络和串口等的通信。对于网络和串口等通信接口，通信接口比较成熟，尽量使用成熟、稳定的通信功能模块［4］。

对于仪器的驱动，选用仪器本身提供的驱动软件。这些软件往往是通用的，如VISA、IVI－COM等。这样即使更换了不同厂家的仪器或测试总线，驱动程序也可以使用。

控制层主要实现控制测试仪器管理，对常用仪器的控制接口进行抽象，以实现自动测试软件仅了解通用接口即可对多个同类型的仪器进行控制的目的。

测试应用层包括测试应用模块和校零数据管理。测试应用模块应符合用户的需求，不同的测试对象需求不同，设计对应的应用模块。校零数据管理模块是管理测试系统中的校零数据，如射频线缆、连接器的插入损耗等。大部分自动测试系统的校零数据保存在计算机的硬盘中，因为大部分自动测试系统进行一次校准产生的校零数据是可以使用一段时间的，所以再次启动自动测试软件时不用再次输入校零数据，当然需要实时校准的自动测试系统除外［5］。

对照人工测试和系统自动化测试，可以知道，数据链自动测试技术减少了对设备的介入，可以用数据、图形、表格和其他希望的方式给出，结果一目了然。与人工测试相比，测试结果完全相同，但所花时间是人工测试的百分之一，甚至千分之一，极大地提高了测试效率。

无人机数据链自动测试技术是一种先进的测试验收技术，能够实现系统性能指标测试、功能验证及系统状态评估等，实现全自动化，满足无人机数据链系统技术应用［6］。

2 需要解决的问题

无人机数据链功能复杂、性能指标要求高，在传统验收测试中，缺乏大动态、多径、精确跟踪等关键性能的试验环境，系统性能模糊，采用常规的人工方法，数据链系统不能主动发现问题，只能被动解决问题，没有形成数据系统性和专家系统，缺乏经验增长途径。在无人机全系统试验时会经常出现发现问题、解决问题和试验验证的重复过程，延长了试验时间，增加了系统研制定型成本，并且数据的可靠性差，有非常大的离散性，无法充分利用。采用系统自动化测试技术，能够固化设备状态，显著减少测试时间、降低成本，并且提高测试数据与实际应用环境使用性符合度。

3 关键技术

无线链路自动测试系统的关键技术，为信道仿真仪，共由3大部分组成:发信机、接收机及无线链路信道。要求信道仿真仪适应性高、模式种类多，对真实的电磁应用环境匹配性好。主要指标包括:①工作波段:L、S、C;② 射频带宽:最高300 MHz;③ 输入信号功率:－30～0 dBm;④ 输出信号功率:－116～－16 dBm;⑤传播时延最大处理能力:1300 ms;⑥多谱勒频移:最高±1．25 MHz;⑦ 衰落模型:恒参、瑞利、对数正态、纯多普勒、平坦、高斯和巴特沃兹等。

信道仿真仪可以重建路径损耗、遮挡、多径衰落、延迟扩展、多谱勒扩展、角扩展和极化影响等［7］，也可以加入噪声和干扰。可以创建不同测试环境，如室内、城市、郊区和山地等基于几何随机模型的信道模型，其仿真原理是基于文件仿真原理，即只要该信道模型可以描述出来并写入文件，就可以使用信道仿真仪进行无人机数据链系统的空间动态仿真验证。

4 结果分析

对照有线人工测试和系统无线自动化测试可知，数据链无线自动测试技术减少了对设备的介入，显著减少测试时间、降低了成本，生成的数据与实际应用环境使用性符合度高。通过自动测试软件，可以实现对仪器的控制，自动完成复杂、繁琐的测试工作，减少人为因素造成的误差，最大程度地保证测试结果准确、真实。通过计算机完成大量的统计、计算工作，测量结果可以用数据、图形、表格和其他希望的方式给出，结果一目了然。采用有线人工测试方法至少需要两人配合搭好测试环境，每测试一套都必须记录测试数据、更换被测设备从新连接。而无线自动测试系统只需首次测试前搭好测试环境，依据测试项目选用适合的应用模块，并自动记录测试结果。

为了对比测试，使用了一套通用数据链系统，采用有线人工测试和无线自动化测试2种方法。测试项目对照如表1所示。

表1 人工、自动测试对照

在升级或增加系统功能时，只需针对射频控制单元和软件的测试应用模块即可，成本低、速度快。并且随着计算机网络技术的发展，还可通过计算机网络实现自动测试的远程监控。

5 结束语

无人机数据链自动测试技术可以实现全自动化测试，测试结果与人工测试结果完全相同，并且有效避免了人工测试条件下长时间重复劳动导致的人身误差，满足性能稳定、控制方便的要求。计算机接口兼容性好、重复性好。提高了无人机测控系统的生产测试效率，通过自动测试的数据链系统，能够在不同的地点、不同的环境下，实现高速、抗干扰、宽带数据传输功能。对这些不同环境的测试结果进行比较和综合分析，可以很客观地展示无人机数据链在复杂电磁环境下的工作性能。对于无人机测控系统的生产、调试、验收过程有着重大的促进作用。因此该无线自动测试技术具有非常好的应用前景。

［1］ 费 川，何宝民，刘 栋．数据链自动测试系统综合效能评估［J］．四川兵工学报，2010，31(9):105 －128．

［2］ 邱建东，胡永红，麻远洋．通用无线电数据链自动测试系统软件可靠性设计［J］．计算机测量与控制，2006(11):1 563－1 565．

［3］ 樊昌信，詹道庸．通信原理［M］．北京:国防工业出版社，1997．

［4］ 刘素蝉．自动测试软件的通用化设计［J］．计算机与网络，2010，36(1):45 －47．

［5］ 吴健田 环境试验自动测试系统［J］．无线电工程，2007，37(8):46 －50．

［6］ 杜丽霞，刘 军．通用无线电数据链自动测试系统可靠性设计［J］．兰州交通大学学报，2007，26(4):97 －101．

［7］ 朱永松，张海勇，汲万峰．跳频通信抗干扰分析［J］．现代防御技术，2005，33(5):37 －41．

［8］ 段吉海，黄智伟．基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计［M］．北京:电子工业出版社，2004．

［9］ WILSON S G．数字调制与编码［M］．北京:电子工业出版社，2002．

［10］梁振兴．相干扩展频谱系统［M］．蔡开基，译．北京:国防工业出版社，1991．