无人机数据链暗室拉距测试方法*

赵 凯，黄 璇，徐华伟，刘斌辉

(1.工业和信息化部电子第五研究所 质量安全检测中心，广州 511370；2.智能产品质量评价与可靠性保障技术工业和信息化部重点实验室，广州 511370)

0 引 言

无人机是智能无人装备未来发展的重要方向，在军工和民用领域均有广泛的应用前景[1]，而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[2]。无人机数据链路系统的主要功能是实现地面与空中无人机之间、空中无人机与无人机之间，包括遥控遥测指令和数据图传信息在内的实时传输[3]。在使用数据链系统时，最迫切的需求是如何准确把握数据链系统的应用边界，从而保证无人机开展飞行业务的顺利进行。

无人机的有效通信距离是一项确定应用边界的重要系统指标，也是一项综合性指标，需要发射功率、接收机灵敏度、天线方向性、天线增益、线缆衰减、频率、带宽、使用环境等多方面的协调统一才能达到指标要求[4]。这项指标实际检测涉及环节众多，测试方法复杂。为更严谨准确地测试无人机的有效通信距离，国军标提出了许多模拟和实际相结合的测试方法[5]。在无人机执行任务时，其通信距离通常与实际业务类型有很大相关性[6]，但当前多种测试方法更多是从无线信道的角度测试通信距离，并未与无人机实际业务状态相结合。验证通信距离应用边界的方式也较为简单，主要通过观察无人机功能状态是否异常进行判定，这在测试环境不可控的情况下具有偶发性，难以准确明晰应用边界。

本文在综合考虑无人机数据链测试要求的基础上，以程控衰减器和全电波暗室为核心仪器构建自动化测试系统，重点对数据链系统的有效通信距离指标进行测试，并基于吞吐量讨论了有效通信距离与实际业务类型间的关系，旨在解决传统无人机数据链性能指标测试所用仪器设备多、测试方法复杂、对测试人员要求高和与实际业务相脱节等问题。

1 无人机数据链传输损耗分析

无人机数据链完整数据传输过程如图1所示。

图1 无人机数据链传输损耗

如图1所示，无人机数据链包括无人机地面站、地面站端馈线、发射天线、接收天线、飞机端馈线和无人机飞机端。基本的通信方程为

(1)

式中：Pt为 发射机功放末端输出的信号功率(W)；Pr为接收机前端低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)输入接收到的信号功率(W)；Ltc为发射机至发射天线之间的馈线损耗；Gt为发射天线增益；Ltp为发射天线指向损耗；Ls为电磁波在空间传播的路径损耗；La为电磁波穿过地球大气层的大气损耗；Lp为发射天线和接收天线之间电波极化不匹配引起的极化损耗；Lrp为接收天线指向损耗；Gr为接收天线增益；Lrc为接收天线至接收机之间的馈线损耗；Sf为系统设计时预留的安全裕量，一般取2～4倍。

无线信号从数据链系统发出到接收经历的总损耗包括基本传输损耗加上两端的馈线损耗，其中极限基本传输损耗可以通过测量最大发射功率和最小灵敏度得到，基本传输损耗中又包括发射和接收天线的增益、天线效率和空口传输损耗，空口传输损耗又包含自由空间传输损耗和受空间传播媒质的能量损耗。从上述损耗组成可以看出，无人机数据链通信距离取决于极限空间传输损耗。

2 无人机数据链通信距离测试方法

目前，针对无人机数据链通信距离主要分为实验室测试和外场测试两大类，有四种测试方法。

2.1 分解测试计算法

使用无线测试设备测试无人机的接收系统灵敏度、发射机最大发射功率、无线通信中心频率，然后通过式(2)估算出最大通信传输距离R。

(2)

式中：R为遥控遥测站和无人机之间的距离(km)；λ为无线电波工作波长(km)；Pt为发射功率(W)；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；Pr为接收门限功率，即接收系统灵敏度。

该方法通过测量无人机数据链的发射机和接收机的λ、Pt、Pr，搭配不同增益的天线可估算出数据链系统的最大通信距离。其分解测试原理如图2所示。

图2 分解测试原理示意图

但该方法需对发射端和接收端分开测试，未能准确模拟无人机数据链真实工作情况，且天线效率、天线指向损耗和极化损耗等影响未严谨考虑，应用边界难以明确。

2.2 传导牵引距离法

分别将无人机地面端和飞机端置于相应的屏蔽装置内，在两个屏蔽室之间设置一个程控衰减器，并通过传导与无人机地面端和飞机端相连接；调节从信号发送设备发送至信号接收设备的信号强度至符合预设标准；调节幅度可调的程控衰减器的衰减量，得到预设标准下的信号发送设备与信号接收设备之间通信能够承受的信号衰减极限，根据此时程控衰减器的极限衰减量可得到无人机的有效通信距离。该方法原理如图3所示。

图3 传导牵引距离法测试示意图

无人机有效通信距离可通过下面的无线通信距离公式得到：

(3)

式中：R为遥控遥测站和无人机之间的距离(km)，F为无线电波工作频率(MHz)，A为极限衰减量(dB)。

此方法同时对无人机地面站和飞机端进行测试，只利用程控衰减器就可以测出无人机数据链正常工作情况下最大的衰减值，有效降低了测试成本。但此方法测量得到的极限衰减量并非为无人机数据链的最大空间传输损耗，而是无人机数据链完整数据传输过程中的基本传输损耗，也未能准确模拟无人机数据链真实工作情况。

2.3 外场拉距测试法

外场拉距法是GJB 2922A-2018《无人侦察机测控系统通用规范》推荐方法之一，属于外场测试。选择开阔平坦、无遮挡物和反射物的测试场，将飞机端和地面站分别置于距离为r的两个位置进行通信，其通信模型可用图1表示，则电磁波在自由空间传播的路径损耗为

Ls=32.45+20lgf+20lgr。

(4)

式中：Ls为电磁波在空间传播的路径损耗(dB)，f为无线电波工作频率(MHz)，r为地面站和飞机端之间的距离(km)。

在发射机和天线之间串入衰减器，并持续加大衰减量直到无人机功能出现异常。此时衰减器的值为LA，则无人机数据链的极限衰减量A为

A=32.45+20lgf+20lgR=

32.45+20lgf+20lgr+LA。

(5)

换算至无人机的极限通信距离R为

R=r·10(LA/20)。

(6)

式中：R为无人机数据链极限通信距离(km)，LA为衰减器额外增加的衰减量(dB)，r为地面站和飞机端之间的距离(km)。

通过改变衰减器的衰减量，观察通信链路是否正常，从而得到无人机数据链的最大通信距离。由于外场测试的电磁环境较为复杂，不可确定因素较多，测试质量和一致性较难保证[7]；同时，也难以实现自动化测试，测试时间、人员、设备等综合成本较高。

2.4 实际飞行测量法

将无人机整机在外场进行试飞实测，通过RTK(Real-time Kinematic)实时三维定位实时确定飞机端和地面站之间的距离R；飞机端与地面站之间要求无线电通视，周围电磁干扰要较小，且为了减少多径干扰，飞机端相对于地面站的俯仰角应在2°～12°之间；通过改变距离R观察无人机数据链通信状态，从而判断出系统的通信距离能不能达到指标的要求。但是在实际的测试工程中，由于缺少标准稳定的试验环境，系统性能测试界限模糊，往往很难准确地测试出最大的飞行距离，所以通常首先采用外场拉距法测试出最大的通信距离，然后用试飞的方法验证指标距离。

3 室内拉距测试方法

传统实验室测试虽然稳定高效，但很难完全贴合无人机实际应用环境；外场测试虽然还原了无人机的实际应用情况，但测试环境的不可控导致测试结果的不确定性大大增加。为了使拉距实验的测试环境稳定可控，在实验室中复现外场空口传播环境十分关键[8]。本文设计了室内拉距测试方法，利用全电波暗室模拟外场的无线传播环境，对无人机数据链的遥控遥测有效通信距离和信息传输有效通信距离进行了测试。

具体测试方法如下：

Step1 将无人机数据链的接收端放置在全电波暗室中，其发射端置于暗室外侧，通过传导的方式与暗室内的程控衰减器相连；程控衰减器通过发射天线与接收端建立空口连接。遥控遥测有效通信距离测试具体连接方式如图4所示。

图4 室内拉距测试连接示意图

Step2 计量发射天线到接收端的空间距离r(km)，空口传输需保证为远场条件。

Step3 开启无人机数据链，设置无人机接收端的接收信道频率为f，发射端的发射信道频率为f。

Step4 控制无人机数据链进行通信，以0.5 dB步进增加程控衰减器衰减量，计量此时的通信链路吞吐量以及程控衰减器的衰减量LA，查看信息数据接收状态，监测通信链路误码率和吞吐量，直到无人机数据链功能异常，结束测试。

Step5 根据公式(6)计算无人机数据链的有效通信距离R。

Step6 绘图得到通信链路吞吐量和距离R的关系，确定无人机数据链的极限有效通信距离。

判断无人机数据链功能是否异常，需明确无人机通信能力是否满足业务需求，依据具体业务情况而定，但不管何种方式的信息交互和业务应用，都离不开底层数据的高速传输，无人机数据链的数据吞吐量性能是一切上层应用的底层保障，通过测试通信链路吞吐量和有效通信距离之间的关系，更能准确地把控无人机实际业务应用边界。需要注意的是，从式(6)来看，衰减器无论加在发射端还是接收端都是一样的，但实际情况并非如此，若衰减器加在接收端会增大接收机前端的等效噪声温度，即增加了接收机前端的入口噪声。故在实际测试时需将发射端置于暗室外与衰减器进行连接，相应地，在进行上行链路有效通信距离测试时应该将地面站作为发射端、将飞机端作为接收端，在进行下行链路有效通信距离测试时应该将飞机端作为发射端、地面站作为接收端。

4 室内拉距测试结果分析

本文根据室内拉距测试方法，分别针对7套数据链系统进行了测试，包括3套遥控遥测数据链系统、3套信息传输数据链系统以及1套综合性数据链系统(包含遥控遥测和信息传输)。在逐步增加衰减量的过程中，记录链路实时通信速率，并标记首次出现功能异常的位置(在图中以红色点表示)，此时对应衰减换算的通信距离为有效通信距离。在本文的测试中，信息传输业务为实时视频传输业务，其判断功能异常的条件为图像出现卡顿，遥控遥测功能异常的判定条件为地面端发送遥控指令后飞机端未正确执行。

3套遥控遥测数据链系统测试结果如图5所示。

图5 遥控遥测数据链系统测试结果

3套信息传输数据链系统测试结果如图6所示。

图6 信息传输数据链系统测试结果

综合性数据链系统遥控遥测和信息传输有效通信距离测试结果如图7所示。

图7 综合性数据链系统测试结果

经整理，测试结果如表1所示。

表1 测试结果汇总表

表2给出了无人机数据链通信距离测试方法的对比。室内拉距测试法可在实验室自动化完成，人力成本较低，测试效率较高；同时，测试链路的空口环节处在全电波暗室，测试环境可控性较高，具有很高的测试可重复性；而且可利用吞吐量量化表征通信业务的实际需求，相对其他测试方法更能贴近实际业务应用时的真实情况。

表2 测试方法对比表

5 结 论

本文通过室内拉距测试得到了无人机数据链吞吐量与通信距离的关系，可看出当无人机发生功能异常时，吞吐量并非为零，且与具体业务情况有很大关系；遥控遥测传输数据较小，相应极限吞吐量较低，信息传输数据量较大，相应极限吞吐量较高[9-10]：故在设计无人机数据链通信距离时，应根据具体业务情况需求预留充足的设计余量，建议设计通信距离目标值应小于“有效通信距离-吞吐量”关系图的下降平台拐点值。