武器平台无线数据传输影响因素分析与研究

张 鹏，孟祥欣，边月奎，解伊娜，王 琨

(西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099)

数据传输成功率是武器系统信息传输能力的基础性能指标之一，它反映了武器系统信息传输的正确性和可靠性。无线数据传输成功率试验作为武器系统级试验，受外界地理环境和电磁环境、装备内部电磁环境、接收机灵敏度、发射机功率、线路插损、天馈线系统增益等多种因素影响，试验涉及装备多、规模大，组织困难。为保障试验的顺利进

行，应对试验准备、试验方法、试验数据分析及问题排查进行系统性的研究探讨。

笔者采用系统分析方法，选用了适合超短波频段的电波传播模型进行分析验证，剖析了影响武器系统无线数据传输成功率试验所涉及的各因素，提出了此类试验的系统性方法。

1 指标和影响因素分析

1.1 无线数据传输成功率

武器系统无线数据传输成功率是指武器系统内各节点之间(指挥装备节点与作战装备节点或作战装备节点)在规定距离和环境中进行数据通信的传输准确度。试验中，数据传输成功率统计公式为

(1)

式中：η为传输成功率；Sp为节点发送数据包数目；Rp为节点接收数据包数目；i为各节点。

节点接收数据包的数目主要取决于通信电台的接收效果。通常使用信纳德SINAD作为评价电台接收效果的定量参数，其定义式为

(2)

式中：S为电台接收到有用信号的功率;N为环境噪声，包括车内环境噪声和外界环境噪声;D为信号传输过程中的失真。

因此，武器系统无线数据传输成功率与接收信号的强度、噪音和通信距离有关，不仅涉及通信系统，还涉及结构安装设计、信息处理系统，以及各分系统电磁兼容性能和武器系统电磁兼容性能，试验时的地理环境、电磁环境等。

1.2 试验传输模型

根据武器系统进行无线数据传输成功率试验的过程、使用设备及试验环境，对通信传输网络节点进行了简化分析，构建点对点试验模型，如图1所示。

该模型包含试验中影响无线数据传输成功率的被试设备、外界环境、装备内部环境及天线等各种因素，仅将多个节点简化为2个节点。

1.3 影响因素分析

从模型中分析得出，影响无线数据传输成功率的因素主要有以下5点：

1)信道设备状态，包括信道设备功率、接收灵敏度等。电台的发射功率越大，在固定范围内接收到的功率越大，接收灵敏度越小，越易受到环境噪声的影响。

2)插入损耗，包括馈线、天线合路器、避雷器等。这些损耗主要降低发射电台的发射功率和接收电台接收到的信号功率。

3)外界环境噪声。这些噪声会通过天线进入电台，从而影响接收电台的接收效果。

4)车内环境噪声。车内噪声会通过辐射和传导方式进入电台，从而影响电台的接收效果。

5)地理环境，包括遮挡、天线水平高度等。不同环境对电磁波的损耗不同，并会引起信号传输过程中的不同失真[1]。

2 建模与计算

2.1 电磁传播模型

武器系统无线数据传输成功率试验，通常是通过组织大规模的试验进行测试、结果分析、问题排查、设计改进和再试验等多次循环过程完成。由于影响该项指标的因素错综复杂，涉及因素较多，导致费时、费力、费资金。因此，构建一个关于通信传输、电磁环境相关的试验模型，通过理论分析和试验结合，可以达到事半功倍的作用。

目前常用的电磁波传播模型中，Egli模型适用VHF和UHF低段工作频段，且地形起伏不大的场合，只涉及电台工作频率、收发天线高度参数，符合武器系统进行无线数据传输成功率试验的情况[2]。

Egli 电波传播模型是一种简化的不规则地形上的无线传播模型， 适合于丘陵和乡村条件，它是基于实测数据得出的，电波传播损耗为

Lm=88+20lgf+40lgd-20lght-20lghr-Kh

(3)

式中:Lm为电波传播损耗，dB；f为电波频率， MHz；d为传播距离，km；hr和ht分别为收发天线的高度，m；Kh为地形校正因子，dB。

式(3)的实际适用范围是：距离在1 km以上至视距范围内，频率在40～400 MHz之间，当频率低至25 MHz、高至1 000 MHz，距离不超过60 km时，其预测误差不大。资料表明，地形校正因子，既与测试点周围地形平均起伏高度有关，又与使用频率有关。当地形起伏的高度不大于15 m 时，Kh可以忽略不计。

根据已求出的电磁波传输损耗，在综合考虑移动台馈线损耗、天线损耗时，可求出移动台接收到的信号功率为

Pr=Pt+Gt-Lt-Lm+Gr-Lr

(4)

式中:Pr为接收机收到的有用信号功率，dBm；Pt为发射机输出功率，dBm；Gt为发射天线增益，dB；Lt为发射端馈线损耗，dB；Gr为接收天线增益，dB；Lr为接收端馈线损耗，dB[3]。

2.2 计算与分析

Egli模型所涉及的参数在武器装备试验中可具体量化。某型电台的工作频率范围在30～90 MHz， 电台发射功率为50 W(47 dBm)，电台灵敏度为-112 dBm。取f=35 MHz，d=8 km，2个通信节点采用3 m中馈天线，指挥车天线底座距地面2 m，战车天线底座距地面3 m，因而ht=3.5 m，hr=4.5 m，代入式(3)，可得Lm为131 dB。

AT-808、AT-8036天线增益为-6～1 dB，取均值-3 dB，故Gt=Gr=-3 dB；馈线、接插件和避雷器件损耗为1 dB，天线合路器插入损耗4 dB，故发射天馈系统损耗Lt为5 dB，接收天馈系统损耗Lr为1 dB。

将上述取值代入式(4)，在35 MHz频率下， 8 km到达接收端的信号强度Pr为-96 dBm，信道设备接收要求为信号高于背景噪声3 dBm以上可正常检测解码，故信道设备某频点下的背景噪声应小于-99 dBm。

3 试验问题分析

某项目通信能力试验过程中，战车与指挥车相距8 km布置于试验场，无线建链成功后互相发送数据，记录发送和接收数据，通过计算判断数据传输成功率。试验结果发现超短波电台工作在频段30～35 MHz时通信不达标，结合上述建模计算进行分析。

3.1 原因分析

3.1.1 设备状态确认

进行单体设备性能指标检测，包括测量各测试电台天线在该频点的驻波比是否满足指标：AT-808电压驻波比≤3.5，个别点不大于4；AT-8036电压驻波比≤4。测量各测试电台在该频点的发射功率(50 W±1.5 dB)是否满足指标。测量各测试电台在该频点的接收灵敏度是否满足指标。检测天线合路器在该频点的插入损耗是否满足指标：平均≤3.5 dB，最大≤5 dB。

3.1.2 外部环境噪声监测

采用频谱仪实时监测试验场环境噪声值，测量试验场30～35 MHz的环境背景噪声，作为试验条件。根据建模与计算分析，背景场强大于-99 dBm，则该频点就难以达到指标要求。

采用频谱仪连续多日对试验场环境频谱场强进行了检测，测量了试验场30～90 MHz频点的环境背景场强。检测结果表明，试验场环境下30～35 MHz低频段存在较大干扰，其环境场强超过-90 dBm，在此条件下，8 km距离无法正常通信。试验期间试验场环境场强如图2所示。

3.1.3 车内电磁干扰检测

如图3所示，采用频谱仪连接在指挥车宽带天线，检测并记录指挥车上装各设备开机后频谱仪检测的场强；再打开战车超短波电台，然后依次打开装备内各设备，检测并记录各设备开机后频谱仪检测的场强。

按此查找装备上对电台影响最大的设备及影响强度，尤其是提升背景场强大于-99 dBm的。监测时发现高速有线数话同传设备及车通开机后背景场强提升较大，最高达15 dB，且主要集中在30～40 MHz以内的低频点。频谱扫描如图4所示。

3.2 问题定位

寻找良好环境进行监测，排除外界环境干扰后，针对问题现象进行分析研究，重点从以下两个方面进行了故障定位[4]。

3.2.1 干扰源确定

根据车内电磁干扰检测，可确定为高速有线数话同传设备及车通为主要干扰源。

3.2.2 干扰点确定

高速有线数话同传设备及数字式车内通话系统工作后，由于其配套的高速有线设备电源电缆W508、高速有线设备数据电缆W527和车通数据电缆W525、W537辐射较大，且靠近AT-808宽带天线的馈线电缆W550，通过辐射干扰影响到W550电缆接收到的信号，导致背景场强提高。

指挥车宽带天线座至四合一天线合路器的射频电缆W550(点划线)与干扰源电缆W508、W527、W525和W537(黑粗实线)的电缆敷设，如图5所示。

3.3 采取措施

对于上述问题，对车内电磁干扰采取降低干扰源干扰强度的同时，提高受干扰点的抗干扰能力[5]；对于外界电磁环境，无法改变，但进行检测并记录，作为试验条件提供。

3.3.1 降低干扰源干扰

对干扰源进行了防护措施，重新加工W508、W525、W527和W537电缆，做好环接屏蔽；并增加外层屏蔽套，将单层屏蔽改为双层屏蔽。

3.3.2 加强抗干扰措施

对受干扰点采取抗干扰措施，采用弯头插头对W550电缆重新进行了加工制作。增加零件“固定夹”(零件号00-35)，利用车内装饰板安装螺钉，对W550电缆按照新电缆敷设图重新安装固定，防止设备拆卸维护后W550电缆走向改变，使其远离干扰源电缆W527、W525、W537及W508等，减小信号电缆被干扰的强度。按照敷设图电缆走向重新安装敷设后的W550电缆(点划线)，如图6所示。

3.4 验证情况

在试验场用指挥车和1号车再次进行了8 km通信试验。在背景场强基本良好时，指挥车全系统开机后观察超短波电台1的背景场强指示，记录如表1所示。

表1 重新布置电缆后的背景场强 dBm

通过上述对比可以看出，在外界环境良好的情况下，车内采取的两项措施效果良好，超短波电台低频段部分背景场强比改造前下降了大约5 dB，可以满足8 km通信要求。

指挥车及3辆战车、3台战车模拟工装在试验场进行了8 km无线通信低频点验证试验。选择频率30.025、31、32、33、34、35 MHz进行定频工作。在每一频点指挥车发送3 000帧、各车发送2 000帧，所有装备均全系统工作，数据传输成功率均达98%以上。

4 结束语

影响无线通信数据传输成功率的因素较多，经过分析与试验验证，形成了系统的测试排查方法，以便高效地完成试验和排查问题。其中车内设备电磁干扰和外界电磁环境干扰引起的背景噪声场强超过电台正常通信背景噪声为主要因素。通过建模分析和试验结合，验证了影响武器系统数据传输成功率的分析和排查方法的系统性和准确性，可指导武器系统数据传输成功率试验的准备、组织、试验和故障排查，提高试验效率，保障试验的顺利进行。