复杂电磁环境下航空数据链测试系统总体设计

赵亚东

(成都天奥测控技术有限公司,四川 成都 611731)

航空数据链系统是应用各种先进的调制解调、纠错编码、通信组网及网络管理、信息融合等技术,采用专用通信协议和消息标准,适合于指挥控制系统、航空武器平台、情报系统之间传输标准化战术数据,构建的互联互通的战术数据通信网络[1]。航空数据链的技术发展趋势是在复杂电磁环境下组网能力更强、带宽更宽、实时性更好、网络可靠性更高。航空数据链系统的研制过程贯穿了航空武器平台的研制全程,包括开发仿真、样机研制、统型联试等阶段,研制效率要求较高。

为保障航空数据链组网协议设计、物理层波形开发、射频信道测试等模块级研发,以及组网协议优化、组网性能测试等整机级功能性能验证,并支撑航电集成联试、复杂电磁环境下的效能试验、跨平台战术消息互操作验证等系统级联试,研制建设多型号共享、跨阶段共用、长寿命共存的测试系统,是提高型号装备研制效率和设计质量的重要手段。

在国内公开的研究中,文献[2]和文献[3]给出了面向功能接口测试的数据链测试设备方案;文献[4]分析了军民用数据链测试系统的测试模式和关键技术差异,提出了拟真程度更高、支撑全寿命周期迭代优化的发展思路;文献[5]提出了基于实装的消息标准和端机,以网络化架构分阶段支持研发与装备改进的数据链网络测试方案;文献[6]分析了复杂电磁环境下航空通信效能试飞流程和评估模型。综上,现有数据链测试系统多以满足内场测试条件为研制目标,主要具备通信协议接口测试、消息类型符合性测试或信道性能测试等专用单一功能,在验证复杂电磁环境下的组网性能方面缺乏有效手段,更多依靠研制后期的外场实装挂飞阶段评估数据链效能。

通过系统架构需求分析和场景设计、归纳数据链网络特性和测试用例需求、面向测试任务流程分解功能线程等设计步骤,本文对支持复杂电磁环境下的航空数据链测试系统的能力需求、系统结构进行了梳理和论证,完成了系统功能和实施方案的设计,对关键技术选型进行了具体研究,工程化实施合理可行,对提升航空数据链测试系统能力、提高数据链装备研制效率有重要意义。

1 需求分析

1.1 航空数据链网络体制分析

航空数据链系统为了适应航空器高速移动的特性,以及现代空战对航空数据链的需求,其网络体制具有以下特点。

(1) 低时延与高数据传输速率。

典型的航空平台协同信息主要是瞬时态势、位置、武器配置等,对数据时延很敏感,航空数据链系统须提供足够小的端到端时延来满足数据的时敏性要求,同时必须提供足够大的传输速率。

(2) 抗干扰空中接口波形。

为了增强通信的抗干扰能力,采用抗干扰波形和纠错编码;为了降低截获概率,采用功率控制技术控制发射功率;为了航空通信链路的可靠性,采用可以高速切换波束方向的多波束天线,通过多波束天线定向发送数据。

(3) 空中机动组网。

航空器之间的相对位置不断变化,网络中的任何节点都可能加入合成新的网络或退出网络;航空数据链中的节点可及时更新网络拓扑,并确定网络路由和链路信息交互方式。航空数据链网络拓扑具有动态性、临时性等特点,一般采用时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)网络协议和分级网络结构,具备多个网关和网络成员,按照TDMA时帧结构的组网协议和物理层波形,实现多个网络成员空中机动组网。

1.2 航空数据链测试系统设计需求分析

为实现可支持复杂电磁环境、可覆盖数据链研制全流程的航空数据链网络集成测试系统,系统体系结构须与航空数据链网络拓扑保持一致,系统设计须重点关注复杂无线信道下对数据链进行网络鲁棒性考核和极限性能测试的用例逻辑,应用流程上须覆盖波形开发仿真、网络协议一致性测试、互操作性测试、系统集成联试、效能评估等各阶段需求。系统体系结构、关键设备配置软硬件定制开发应重点关注以下方面。

(1) 网络协议测试需求。

测试系统须实现数据链端机组网下,执行数据链应用消息、网络拓扑控制、网络容量性能、链路传输性能等测试项目,包含网络协议一致性验证、网络协议互操作性测试、网络协议性能测试、网络协议坚固性测试,并支持网络协议优化比对验证等用途。

(2) 复杂电磁环境无线信道仿真及模拟需求。

航空数据链系统频段高、运动速度快、多径扩展大,须通过无线仿真模拟复杂衰落信道、切断信道、注入干扰等网络实景和故障模拟,测试网络协议在各种恶劣环境下运行的能力。在实验室内模拟各种典型的无线信道环境,不易受外界环境影响,可以降低试验成本,且试验具有可重复性。

(3) 射频信道指标测试需求。

射频信道质量是数据链网络物理层波形的基础。为测试验证射频功放和收发信道模块的功能与性能,须对发射频谱、接收机指标及其他指标进行符合性测试,包括功率特性、频谱特性、调制质量、互调特性、波形质量、信道线性度、接收灵敏度、抗干扰能力等;并对提升数据链系统作用性能的重要指标,如接收灵敏度、抗干扰能力等可达到的最佳极限指标进行摸底。

(4) 测试环境管理需求。

航空数据链测试系统是常态化运行的网络化平台。为适应多种型号的数据链装备研制,并保持相对固化的测试环境,系统结构须与航空数据链网络拓扑保持一致,采用不同类型的消息激励和被测件控制策略,按照测试用例执行分析检测,并自动化判定测试结果。须区分测试任务场景,形成标准化的测试用例脚本,并组合化配置管理各测试节点、被测件和测试任务。

(5) 自动化测试执行需求。

须具备从建立测试任务、执行测试任务到测试结果查看分析的全面管理。① 基于测试计划的任务规划和执行,测试环境配置和用例调用与测试计划关联;用例执行过程中可自动执行,并可人工暂停、恢复、终止测试任务的执行。② 实现协议数据抓包和比对分析,能够对1553B、FC、RapidIO等不同类型接口数据进行抓包,并自动化判决数据的时刻、类型、字段、赋值的有效性。

2 系统设计

通过系统需求分析,根据测试系统的受试对象、工装环境、任务执行、数据管理等组织流程,对系统的组成和功能进行划分与界定,在此基础上对系统的体系结构设计进行阐述。

2.1 系统体系结构

为适应航空数据链网络多节点接入、自动测试管理和多通道无线信道模拟需求,系统采用集中-分布式结构,划分为自动测试管理子系统、受试/参试设备和无线信道模拟子系统,实现基于以太网的分布式航空节点接入和集中式测试管理,系统结构示意图如图1所示。

2.2 系统关键设备

自动测试管理子系统关键设备包括航空节点接入终端、自动测试平台服务端和客户端等。

无线信道模拟子系统关键设备包括复杂电磁环境信道模拟设备和标准/非标准仪器。

2.2.1 航空节点接入终端

为适应现代航空总线标准,适配多种型号平台标准,航空节点接入终端提供多种真实数据链端机总线接入端口,配置1553B、FC、RapidIO等接口模块,完成端机控制数据和业务数据接入,实现对各种航空总线体制数据链端机的控制。测试节点采用通用化架构,可任意作为被测、陪测、基准数据链端机组网测试,并具有良好的接口兼容性[7],可支撑未来扩充新型被测装备。

多台航空节点接入终端通过局域网组网,以支持多个航空节点的数据链端机组网测试,并且具备较好的节点数量扩展能力。航空节点接入终端接口示意图如图2所示。

2.2.2 自动测试平台服务端及客户端

自动测试平台服务端及客户端是系统实施测试任务的管理核心,其功能接口示意图如图3所示。

(1) 测试环境管理。

自动测试平台服务端及客户端对测试环境中的航空节点接入终端、复杂电磁环境信道模拟设备、标准/非标准仪器等的接入、配置和选用进行集中式管理。对接入仪器仪表,通过封装的应用程序接口(Application Programming Interface,API),实时采集测量数值和抓取波形,可进行射频、秒脉冲等信号的时域、频域分析和比对,支持实时数据展示或事后分析。

(2) 测试任务规划和控制。

可根据想定的航空数据链网络运行场景编辑规划测试任务。测试任务包括测试节点配置、测试环境配置、复杂电磁环境信道模拟设备配置、测试项目和被测产品设置、测试脚本配置等。

测试任务的执行阶段,网络实时控制命令、端机实时频率及控制参数,实时更新位置信息等能通过各节点计算机配置的总线接口下发至被测、陪测和基准数据链端机,实现组网动态控制。基于网络运行时间进程,数据链网络拓扑、位置信息、组网/编队情况等网络运行状态,以及复杂电磁环境信道模拟设备模拟仿真进程等,与测试任务过程实时关联呼应,实时展示场景变化和通信效能的动态过程。

(3) 测试任务自动/人工执行。

根据各个测试项目的测试逻辑和实现步骤,形成基于Python脚本的测试用例[8],并对仪器SCPI接口采用Python解释器封装[9]。自动测试平台服务端/客户端在规划和执行测试任务时,可调用基于Python脚本的测试用例并执行脚本,实现测试业务逻辑、测试流程控制、测试数据采集、数据处理、结果判定、数据记录等功能。

(4) 协议抓包数据分析。

在测试用例中,接收被测、陪测和数据链基准端机上报的各种内外部数据进行实时解析和比对,并按照测试逻辑对其进行分析、判定。分析的内容包括:数据格式/内容、交互逻辑、时序关系、射频/低频信号波形等。实时数据分析的性能满足多节点组网测试逻辑对时延的要求,确保测试逻辑的实现。

基于以太网总线的协议抓包数据分析过程,是通过在各节点计算机对各总线数据抓包并标定时间戳,实现航空数据链网络多节点端机的消息层、网络层、链路层通信协议的抓包分析。协议抓包数据分析具有并发节点较多、交互数据量较大、实时性要求较高的特点。

通过配置高性能自动测试平台服务端及客户端工作站和PTP时间服务器,使测试系统硬件处理能力能支持多节点高并发实时数据采集、解析处理、集中式比对分析、结果判断、数据事后管理等需求。PTP时间服务器支持10 ns级系统授时,以确保测试系统同一授时精度,并满足航空数据链系统100 ns级时间同步精度和毫秒级延时的组网测试要求。

基于以太网系统搭建的整个测试系统中自动测试平台客户端、服务端和航空节点接入终端均采用基于socket的网络通信,凡涉及有较大的准备数据的情况时,需要提前对客户端、服务端和航空节点接入终端测试数据内容进行同步,以避免因测试执行过程中不必要的大批量测试数据传送而导致的网络拥堵,进而影响到最终测试结果的精准度。

2.2.3 复杂电磁环境信道模拟设备

传统的数据链自动测试系统一般仅通过接口数据采集比对,实现数据链网络协议验证及实验室性能测试。即使采用了如OPNET等网络仿真工具,依然无法模拟受复杂电磁环境影响后的数据链网络性能。在传统航空数据链系统研制过程中,必须在后期通过多架次的实装试飞,才能检验快速时变的地空/空空地形环境和电磁环境下的数据链网络层、链路层和物理层协议的坚固性,数据链网络性能优化迭代研发效率较低、成本高,且一旦发现问题,需要多次循环测试来定位问题。

多节点组网下的航空数据链自动测试系统,必须在实验室内还原真实的无线通信环境,采用射频接口互联互通的方式,高效地验证和优化无线网络体制。

集成了复杂电磁环境信道模拟设备的数据链测试系统具有以下优势和特点[10]:

① 高效率:能够自定义多种航空平台网络拓扑和链路信道环境,实时地处理信号传播与注入干扰,全程动态闭环模拟航空平台飞行中时空路径下的电磁环境变化特征,可按预案执行或临时调整仿真参数,极大地提高了测试效率。

② 可重复性:在相同参数配置条件下仿真过程可准确再现复杂电磁环境信道特征,可在相同的场景下对数据链网络系统进行多次重复测试。

③ 准确性:无线信道模拟设备基于已经验证的模型,可仿真各种外场环境(平原、丘陵、山区、城市等)、不同的运动状态(高速、低速等)、不同方向角的入射以及不同的通信制式。

数据链端机信号进入复杂电磁环境信道模拟设备的简化处理流程如图4所示。

图4 数据链端机信号处理流程框图

① 外部射频采集信号输入,设定输入信号中心频点、信道带宽信息,完成射频信号模拟下变频、滤波和信号幅度调理,满足模数转换模块(ADC)的采样要求。

② 模拟信号转换为数字零中频信号后,在数字信号处理模块中进行数字滤波和抽取。

③ 各通道按照组网拓扑设置进行转发、数据路由交换和传输。

④ 各通道对接收的各路信号进行信道仿真处理,包括由距离变化带来的传输时延、大尺度衰减、多径时延、多径衰减、多普勒频移及扩展、噪声干扰叠加等。

⑤ 进行接收端信号合成,包括多径信号的叠加、多输入单输出信号的叠加,然后经数模转换模块(DAC)输出模拟信号。

⑥ 完成模拟信号上变频、功率调节等功能后输出信号。

3 测试任务流程及用例逻辑

3.1 测试任务流程

航空数据链组网测试是从任务场景想定出发,分阶段完成测试任务规划和控制、复杂电磁环境无线信道实时模拟、数据链协议抓包分析。组网测试任务流程图如图5所示。

3.2 测试用例逻辑

系统支持航空数据链网络层、链路层协议验证,支持复杂电磁环境下多节点组网运行和网络性能测试。列举常见的测试用例逻辑和实现原理如下。

(1) 网络层、链路层协议验证。

传输可靠性、单播/组播路由:采用总线协议抓包,比对网络层、链路层报头控制字。

(2) 多节点组网运行测试。

入网、退网、建立编队、修改编队成员:采用总线协议抓包,比对网络层状态控制字。

功率/速率自适应控制:无线信道模拟设备改变信道衰减或注入干扰,总线抓包解析物理层速率、功率参数,统计子网成员之间数据率,用功率计查看功率调整。

频率自适应控制:无线信道模拟设备加入时变频率干扰总线抓包解析频点信息,用频谱仪查看频点切换功能。

(3) 网络性能测试。

网络节点数:系统配置最大节点数,根据网络协议栈最大网络容量,模拟链路资源分配和竞争逻辑,总线持续抓包,验证网络协议栈逻辑的正确性。

网络建立时间、迟入网时间、退网时间:总线持续抓包,比较网络层组网状态控制字改变的时间间隔。

网络吞吐量:总线持续抓包,统计点对点固定时间内的数据量,并进行均值和峰值统计。

用户速率:配置节点数量和业务带宽,总线持续抓包,统计节点之间用户数据收发速率。

(4) 链路物理层性能测试。

发射频谱框架测试:设置端机发射参数、设置频谱仪、功率计、示波器等标准测试仪器工作参数,启动被测端机发射无线信号,采集仪器测试数据并判读测试结果。

接收信道性能测试:设置接收信道参数、设置衰减网络链路差损、设置定制化非标准信号源或陪测端机发射无线信号,统计解调数据误码率并判读测试结果。

4 集成测试环境实现及应用

4.1 自动测试平台架构

自动测试平台采用面向对象的思想,遵循高内聚低耦合的原则,采用C/S架构,通过运行自动测试脚本,实现自动测试中的被测件管理、测量仪表控制、用例开发/调试、测试计划生成、测试执行、测试结果查看与报表生成、数据导入导出等功能。

平台数据库主要分为平台基础运行数据库和抓包分析数据库,由于数据库存储的数据是标准的结构化数据,因此选择MySQL、SQL Server等关系型数据库。平台基础运行数据库由信道模拟设备数据、仪器数据、测试产品数据、测试节点数据、测试用例数据、测试计划数据和测试结果记录数据等基础运行管理数据组成;抓包分析数据库由抓包统计模型库、试验效果分析模型库等组成。平台数据库结构关系示意图如图6所示。

4.2 测试用例脚本实现示例

以数传灵敏度测试为例,在测试用例中,由用户输入参数(信号频率、信号起始电平、信号结束电平、误码率门限等)做参数校验后,交由业务模块进行处理与计算。逐级递减输入电平,通过比对信号源原始数据和信号处理模块输出的解调数据,可以计算得到误码率,通过与误码率门限进行对比和判断,确定被测模块灵敏度。数传灵敏度测试用例脚本代码UML类图如图7所示。

图7 数传灵敏度测试用例脚本代码UML类图

4.3 交互界面设计

主交互界面体现平台前端/后端设计思想。以测试计划管理和执行为操作主线,测试项目和被测产品可任意组合编辑为测试任务。测试用例(脚本)、测试环境配置、测试对象均可进行常态化维护并随任务调用。主交互界面如图8所示。

图8 主交互界面

5 结束语

通过优化顶层结构和功能设计,系统适用于面向算法开发、型号研制、小批试产、不同厂家型号产品验证(入网测试)的各阶段需求,可提高检测覆盖率、提高维护便捷性、降低人为误差,提升测试保障效率,全寿命服务于航空数据链研制过程。

系统采用分布式节点接入,结合集中式任务调度、平台配置管理和测试执行等处理流程,构建了易迭代、易扩展、弹性化的航空数据链集成测试环境,方案设计具有较好的先进性,也为研究其他大型航空电子系统的综合检测手段提供了较好的借鉴意义。