无人机数据链系统性能指标检测设备设计与实现

刘有才，闫云斌 ，裴薇薇，侯瑞博

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；2.陆军工程大学石家庄校区 无人机工程系，河北 石家庄 050003；3.石家庄信息工程职业学院，河北 石家庄 050001；4.中国人民解放军第32126部队，辽宁 沈阳 110113)

0 引言

无人机系统属于大型复杂高技术武器装备，而数据链分系统是其核心部分，综合运用了无线通信、电子技术、计算机控制和遥控遥测等多种技术手段，主要功能是实现地面与空中无人机之间测控信息的实时传输[1-4]。

无人机数据链路系统庞大、技术复杂、信号频段高、带宽大和调制特性多样[5-7]。使用数据链设备时，最迫切的需求是如何准确把握数据链系统的技术状态，做到设备“不带病”飞行，从而保证无人机全系统的安全[8]。

数据链系统的故障可分为有外在表象的和无外在表象两大类[9]。有外在表象的故障包括链路失锁、误码增大、接收信号AGC电压减小和设备供电电压不稳定等，可通过使用操作、经验判断和分机替换等手段进行判定。随着数据链系统的持续使用，会发生由器件老化等原因导致系统性能指标降低，此类故障无明显外在表象，主要表现为频率漂移增大、输出功率减小和灵敏度降低等[10]。若发生了此类故障，当作用距离较近时数据链系统仍能正常工作，且不能通过常规的技术手段和地面整机联调等发现故障。只有在无人机飞出一定距离后，才会表现出数据链系统的信号强度偏低甚至链路失锁，严重影响任务达成度并严重威胁系统安全。因此，如何及时发现、正确处理和合理规避数据链系统的此类故障，对提升链路系统的可靠性、保障无人机全系统正常运行和确保任务完成率，具有非常重要的意义。

本文在综合考虑无人机数据链系统测试要求的基础上，以便携式频谱分析仪为核心仪器构建检测设备，重点对数据链系统进行整机性能指标测试，包括发射功率、发射频率和接收灵敏度等指标的测试，旨在解决传统无人机数据链系统性能指标测试所用仪器设备多、测试方法复杂和对测试人员要求高等问题[11-15]。

1 传统测试方法

1.1 发射功率测试

发射功率测试是指发射机功率放大器输出信号的功率测试，测试原理如图1所示[5]。

图1 发射功率测试原理

发射机功率放大器输出的大功率信号，经同轴衰减器衰减后输出小功率信号，功率测量模块对其测量，并在完成功率测量修正后输出测量结果。对同一部发射设备而言，发射功率测量应为10个工作频道的输出功率测量。功率测量修正是对测量系统及测试附件所引入测量误差的修订，应考虑同一条测试电缆在不同工作频率下所引入的不同测量衰减等。

1.2 工作频率测试

工作频率测试是指发射系统输出射频信号的频率测量。射频信号是指发射机直接输出未经功率放大器放大的信号。工作频率测试类同于发射功率测试，测试原理如图2所示。

图2 工作频率测试原理框图

1.3 接收灵敏度测试

灵敏度测试是指接收系统正常工作时对其输入端最小信号电平的测试，测试原理如图3所示。

图3 接收灵敏度测试原理

灵敏度测试基本过程为：采用有线方式连接发射系统与接收系统，并设置可调衰减器的衰减量为零，系统应工作正常。设置发射系统工作于“去调制” 状态，断开接收系统输入端的信号电缆，测量其信号电平并记为A(dBm)。恢复接收系统输入端的信号连接，设置发射系统工作于“工作”状态，逐渐加大可调衰减器的衰减量，直至接收系统工作异常，记录此时可调衰减器的衰减量为B(dB)。则接收系统灵敏度为P(dBm)=(A-B) dBm。

2 检测设备设计

2.1 系统组成

无人机数据链系统性能指标检测设备主要由系统软件、控制模块和测试仪器等组成。设备全系统组成如图4所示。

图4 无人机数据链系统性能指标检测设备组成

在系统软件作用下，PC104主控制器模块控制与管理性能测试和故障诊断的全过程。射频测量组件完成数据链路系统的整机指标测试中被测射频信号的功率测量、频率测量、信号切换和电平测量与调节等，其中，频谱分析仪用于观察信号频谱及调制信息。

2.2 工作原理

数据链系统被测信号由性能指标测试设备面板“射频入”端输入，经过K1射频开关可切换至功率、频率和灵敏度等测量通道。小功率信号经过K2开关可直接进入功率探头通过射频测量组件进行电平大小测量；大功率信号经过同轴衰减器衰减后再进行测量；频率信号直接进行测量；灵敏度测量通过K3开关先切入射频测量组件进行基础电平测量，然后再切入射频输出通道，调整可调程控衰减器衰减量最终测出灵敏度值。设计原理如图5所示。

图5 性能指标检测设备设计原理

2.3 测量方法

无人机数据链系统的整机指标包括发射系统的发射功率、工作频率和接收系统的接收灵敏度等三大类，共计十余项。若采用传统的测量方法，需要使用功率计、频率计、频谱分析仪、同轴衰减器和可调衰减器等多种仪器、设备，而且需花费大量的测试时间。

为了实现快速测量，该检测设备设计有多参数、单过程的快速测量方法，通过简单地更改测试连接，即可实现无人机数据链系统整机指标的快速测量，测量过程以图像化方式进行引导，人机交互友好，操作简便，整机指标多参数、单过程快速测量原理如图6所示。

多参数快速测试方法主要运用了程控自动测试技术，将所要测量的射频信号送入大带宽多路射频开关，经过控制器的切换，可分别送入频率测量模块和电平测量模块，进而完成频率和电平的指标测试。“射频入”信号先切换至频率测量模块可以完成工作频率指标的测试；“大功率”信号经过衰减器后送至电平测量模块可以完成发射功率指标的测试；“射频入”信号切换至电平测量模块测得基础电平，然后切换至射频衰减模块，经衰减后送至数据链接收系统，通过控制器控制衰减量的大小，可完成接收灵敏度的指标测试。这三类指标的测试，只通过“射频入”和“射频出”一对测试接口及“大功率”测试接口即可完成，测试连接简单、方便，测试控制自动、高效，测试数据一致性好。

图6 整机指标多参数、单过程快速测量原理

3 系统软件设计

无人机数据链系统检测软件组成如图7所示。

图7 系统软件组成

该软件主要包括通用虚拟仪器库、专用仪器库、测试库、故障定位模块及维修训练知识库，可分为管理软件和测试软件两大部分。

管理软件负责测试程序与数据库程序之间信息的传递与通讯、人机交互和结果处理与分析；测试软件完成具体项目测试过程的控制。基于动态链接库(DLL)与数据库技术，对测试软件、测试信息和测试仪器进行模块化设计，实现了对无人机装备分系统的测试。软件的设计采用模块化结构，各部分之间相互独立，具有开放性，便于代码的重用和更新。

在整机性能测试中，首先选取测量指标类型，按照系统提示的连接方法和步骤连接被测对象。在完成装备类别和被测项目选择后，进入项目测试。在对指定项目测试完毕后，获取测试结果并输出测试日志。当有其他测试项目时，返回测试项目并重复以上检测过程，直到测试完毕并结束测试。性能指标测试软件流程如图8所示。

图8 性能指标测试软件流程

性能指标测试软件通过触控人机交互界面实现对性能指标测试设备的管控，完成发射功率、工作频率和接收灵敏度三大类整机指标的测试。图9、图10和图11分别为发射功率、工作频率和接收机灵敏度测试软件界面图。

图9 发射功率测试界面

图10 工作频率测试界面图

图11 接收机灵敏度测试界面

4 效果分析

为了验证测试系统的有效性，针对某通用型数据链设备，分别采取常规测试方法和利用测试系统进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1 自动测试与常规测试对照

测试项目CH1CH2功率/dBm频率/MHz灵敏度/dB功率/dBm频率/MHz灵敏度/dB测试时间常规40.621436.000561-9440.761439.000587-941 h/3人测试系统40.591436.000513-9440.711436.000529-9415min/1人

在对不同型号、大批量数据链设备测试后，得出比较结果，如表2所示。

表2 自动测试与常规测试比较结果

内容测试系统常规测试检测手段定量定性测试方式自动人工检测结果一致性好较好测试效率高低人机交互界面友好无对测试人员的要求低高测试数据可追溯电子版,自动存储较困难测试结果分析有无测试数据记录自动手动

上述测试数据表明，自动测试精度等同于常规测试，测试效率明显提高；自动测试覆盖测试全过程，测试效果明显优于常规测试。

5 结束语

本文针对现今无人机数据链设备使用单位因缺乏必要的检测与诊断设备而难以形成数据链路系统保障能力的现状，从提高无人机维修保障能力的实际需求出发，设计开发了无人机数据链系统整机性能指标测试系统，提出了数据链系统指标多参数、单过程的快速测试方法，开发了数据链系统性能指标测试设备，解决了传统测试所需仪器种类多、操作步骤繁和测试效率低等问题，保证了测试效率和测试准确度，该系统具有模式多样、适应性强、接口通用、扩展性好、操作简单和使用方便等优点，为无人机数据链设备使用单位的维修保障提供了重要的技术手段。