關(guān)于無人機通信系統(tǒng)測試解決方案的分析和應(yīng)用

近年來，無人機應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，機載通信設(shè)備作為無人機系統(tǒng)的核心組成部分，是無人機獲取數(shù)據(jù)或圖像的重要手段。本文主要以無人機通信技術(shù)為基礎(chǔ)，介紹各種通信技術(shù)的測試解決方案。

1. 無人機概述

無人駕駛飛機簡稱無人機UAV（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。機上無駕駛艙，但安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備。地面、艦艇上或母機遙控站人員通過雷達、數(shù)傳電臺等設(shè)備，對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)字傳輸。

無人機誕生于20世紀20年代，50年代后有了較大的發(fā)展，在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。起初無人機是作為試驗靶機使用的，在軍事上，可作為空中偵察平臺和武器平臺，通過攜帶不同的設(shè)備，執(zhí)行偵察監(jiān)視、對地攻擊、電子干擾、通信中繼、目標定位等任務(wù)；在民用領(lǐng)域，可應(yīng)用于場區(qū)監(jiān)控、氣象探測、公路巡視、勘探測繪、水災(zāi)監(jiān)視、森林火災(zāi)防救等。由此可以看出，無人機在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

無人機具有體積小、造價低、使用方便等特點，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使無人機的性能和功能有了突破性的提高。然而，隨著各種電子設(shè)備的應(yīng)用，勢必會增加通信的干擾，為了提高無人機通信的可靠性和安全性，對通信系統(tǒng)的設(shè)計和測試提出了嚴格的挑戰(zhàn)。

2. 無人機系統(tǒng)組成及工作頻段

2.1 無人機系統(tǒng)組成

一個典型的無人機系統(tǒng)，主要由飛行器、地面控制站、有效載荷及通信鏈路四大部分組成。其中，飛行器是執(zhí)行任務(wù)的載體，它攜帶遙控遙測設(shè)備和任務(wù)設(shè)備，到達目標區(qū)域完成要求的任務(wù)；地面控制站實現(xiàn)人機交互，通過上行信道，實現(xiàn)對無人機的遙控；通過下行信道，完成對無人機狀態(tài)參數(shù)的遙測，同時回傳圖像和數(shù)據(jù)，并顯示在控制臺屏幕上，也可通過平臺外接口將視頻信號傳至其它顯示、存儲設(shè)備上。

2.2 無人機工作頻段

無人機與有人駕駛飛機飛行在同一片非隔離空域中，要感知彼此的存在，為了實現(xiàn)安全飛行，需要給無人機和控制臺之間的通信鏈路劃分頻率，世界各國在無人機業(yè)務(wù)頻率使用方面做了大量研究。2015年4月，工信部為了統(tǒng)一頻率使用、減少無線電干擾，根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》及我國頻譜使用情況，規(guī)定840.5～845MHz用于無人機系統(tǒng)的上行遙控鏈路、1430～1444MHz用于無人機系統(tǒng)的下行遙測與信息傳輸鏈路、2408～2440MHz頻段用于無人機系統(tǒng)的下行鏈路，同時，確定相關(guān)信道配置、設(shè)備發(fā)射功率等技術(shù)指標。針對高清圖像傳輸，也有很多無人機廠商采用市場上存在的很多免許可證頻段，如：5.8GHz、5.1GHz等，這些頻段使用率相對較少，可選擇的頻帶較寬。但是，該頻段無人機不得對其它合法無線電業(yè)務(wù)造成影響。

3. 無人機通信的關(guān)鍵技術(shù)

無人機與地面計算機、遙控設(shè)備與地面計算機存在著大量的數(shù)據(jù)交換，這些數(shù)據(jù)通過一定的方式和規(guī)則進行傳輸，將無人機系統(tǒng)連接成為一個整體。無人機與地面控制站數(shù)據(jù)通信的目的是傳遞地面遙控指令及控制參數(shù)，獲取飛行狀態(tài)信息和傳感器信息，在無人機系統(tǒng)中扮演非常重要的作用，是無人機對外聯(lián)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，維系著空中的無人機與地面站之間的信息交換，因此，提供有效可靠的通信技術(shù)，是無人機系統(tǒng)的核心所在。

無人機的工作，一般都是通過地面遙控設(shè)備進行控制，也有通過手機App方式控制，其中，手機App控制的模式，無法單獨發(fā)送遙控指令，必須協(xié)同數(shù)傳、圖傳的方式發(fā)送，遙控設(shè)備則可單獨發(fā)送遙控指令，其工作方式如圖1所示。

圖1無人機通信方式

因無人機數(shù)據(jù)鏈的重要性，許多研究單位都選擇一些體積小、質(zhì)量輕、技術(shù)成熟的通信模塊作為無人機的數(shù)據(jù)鏈，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。各通信鏈路采用的技術(shù)、應(yīng)用和常見技術(shù)如表1所示。

表1 無人機通信技術(shù)一覽

4. 無人機通信鏈路測試

不管是地面遙控設(shè)備控制的無人機通信還是手機App方式控制無人機通信，都包括了無人機控制指令、數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸及無人機定位四大通信功能。其測試如圖2所示。

圖2 無人機通信鏈路測試框圖

4.1 RC遙控系統(tǒng)測試

4.1.1 無人機ASK/FSK/GFSK調(diào)制測試

遙控設(shè)備通常是雙向傳輸，需要測試接收機和發(fā)射機。

發(fā)射機測試采用R&S公司的FSW/FSV頻譜儀可以非常方便地完成遙控信號ASK/FSK/GFSK信號的測試，包括射頻頻譜測試，如鄰道泄漏比ACLR、頻譜發(fā)射模板SEM、雜散發(fā)射等，調(diào)制信號質(zhì)量測試如EVM等指標等，以此評估RC遙控系統(tǒng)的信號特性及質(zhì)量。

接收機測試采用信號源產(chǎn)生用于無人機接收的遙控指令，評估無人機的靈敏度、動態(tài)范圍等。R&S公司的SMW200A/SMBV100A信號源可在標配情況下產(chǎn)生ASK/FSK/GFSK等信號，輸出幅度低至-145dBm，測試內(nèi)容包括靈敏度、動態(tài)范圍、接收機及誤碼率測試等。

4.1.2 無人機跳頻測試

無人機地空通信鏈路所處的頻段比較擁擠，為了確保在惡劣環(huán)境下不失控，通信技術(shù)的可靠性至關(guān)重要。抗干擾是衡量一款遙控器好壞的第一指標，而基于跳頻體制的數(shù)據(jù)鏈通信即是一種用于無人機抗干擾的方案，相比定頻通信方式，具有抗干擾性能好，抗衰落、多徑效應(yīng)能力強。R&S的FSW具有專門的瞬態(tài)分析軟件完成干擾信號的定位和分析。

圖3 無人機的跳頻通信測試

4.2 無人機數(shù)傳和圖傳測試

無人機作為空中機器人，不管在軍事上還是在民用上，大多都希望獲得高清圖像和數(shù)據(jù)，因此，在相對較小帶寬的條件下，實現(xiàn)高清傳輸，就需要采用更高頻譜利用率的通信技術(shù)。常見的通信方式是基于自定義OFDM/C-OFDM方式或WiFi等方式的通信技術(shù)。有些場合為了降低干擾，還需要引入跳頻通信技術(shù)。

4.2.1 自定義OFDM/C-OFDM信號產(chǎn)生與分析

基于OFDM的通信技術(shù)，其頻譜效率高、抗多徑干擾能力強、支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，具備“非視距”、“繞射”傳輸特點和良好穿透能力，能夠滿足無人機無線通信任務(wù)等特點，越來越多的無人機設(shè)備都傾向于采用自定義的OFDM方式。為了解決視頻等大容量信號的傳輸問題，還會采用一定的諸MPEG2/MPEG4、H.264/H.265等視頻編解碼，使得可以利用較小帶寬OFDM技術(shù)，完成大容量視頻傳輸。

對于發(fā)射機測試，R&S公司的FS-K96PC/K196PC結(jié)合FSW/FSV等平臺的頻譜儀，可以非常方便地完成自定義OFDM/C-OFMD通信信號測試，同時，該軟件可通過星座圖旋轉(zhuǎn)等功能，完成頻率同步、相位同步及定時同步等問題的查找。

圖4 自定義OFDM/C-OFDM通信方式的無人機發(fā)射測試

對于接收機測試，R&S公司的FS-K96PC/K196PC軟件可以用于產(chǎn)生自定義OFDM/C-OFDM信號，用戶可以借用WLAN、DVB-T等信號的分析，然后通過軟件自帶的”Configuration File Wizard”功能，方便靈活地產(chǎn)生適合自己設(shè)備傳輸?shù)淖远xOFDM/C-OFDM信號結(jié)構(gòu)。同時，也提供自定義OFMD/C-OFDM的Matlab程序，用戶只需根據(jù)程序進行適當(dāng)?shù)男薷?，如FFT點數(shù)、CP長度、采樣率及Pilot、Data等數(shù)據(jù)的位置分布，就可以產(chǎn)生需要的OFDM信號。

圖5 自定義OFDM/C-OFDM通信方式的無人機接收測試

4.2.2 WiFi信令測試

WiFi技術(shù)已經(jīng)很成熟，有相當(dāng)一部分無人機設(shè)備直接采用基于WiFi通信的方式，提高設(shè)備的研發(fā)效率、降低無人機的研發(fā)成本。

信令測試是無線網(wǎng)絡(luò)維護和優(yōu)化最基本最重要的手段，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中運行的協(xié)議進行全面的測試，為日常維護提供強有力的測試手段，發(fā)現(xiàn)和解決網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，掌握網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分布和運行狀態(tài)。R&S CMW500無線通信綜測儀支持WLAN標準的功能測試，能模擬WLAN信號的損傷，如I/Q偏移、信道衰落模型Fading及高斯白噪聲AWGN等功能，使得WLAN的測試變得更加靈活。另外，CMW500目前全面支持802.11a/b/g/n/ac標準測試，使得CMW500在WLAN產(chǎn)品的測試上得以延續(xù)，是WLAN測試方面性價比最佳的測試儀表。

圖6 WiFi信令測試

4.2.3 5G頻段的DFS測試

2.4G頻段的WiFi干擾較多，因此很多無人機選擇相對純凈的5G WiFi頻段。然而5.25～5.35GHz和5.47～5.725GHz是全球雷達系統(tǒng)的工作頻段，為了避免對雷達系統(tǒng)造成干擾，各國對這些設(shè)備的要求除了功率、頻譜等常規(guī)項目以外，還特別增加了對動態(tài)頻率選擇DFS（Dynamic Frequency Selection）特性的要求。DFS是為了使無線產(chǎn)品主動探測軍方使用的頻率，并主動選擇另一頻率，以避開軍方頻率。通過這種方式，也可避免其它頻段WLAN，最高效地利頻譜。R&S公司提供全面的WiFi DFS測試解決方案，如圖7所示。

圖7 基于WiFi的DFS測試解決方案

系統(tǒng)中的信號源SMW200A/SMBV100A配置K350選件，用于DFS測試的雷達信號產(chǎn)生，頻譜儀：FSW/FSV的分辨率帶寬可以大于3MHz，用于監(jiān)測被測件對雷達信號的響應(yīng)。DFS TOOL軟件用于控制頻譜儀監(jiān)測被測件在雷達信號作用下的響應(yīng)時間等指標。

4.3 導(dǎo)航定位測試

無人機在很多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，需要依靠人來指揮遙控，導(dǎo)致很多功能無法實現(xiàn)，給無人機安裝衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能后，無人機就能按照設(shè)定的路線飛行，如何模擬無人機的飛行路線，是無人機定位測試的關(guān)鍵所在。R&S公司的SMBV100A可以模擬各種衛(wèi)星導(dǎo)航功能，包括GPS、北斗、Glonass、Galileo等，支持至少24顆衛(wèi)星，用戶可以任意指定路徑，用于移動場景的衛(wèi)星導(dǎo)航定位測試。

圖8 無人機的衛(wèi)星導(dǎo)航定位測試

5. 小 結(jié)

無人機走進了公眾的視野，而未來的發(fā)展方向也成了很多人關(guān)心的問題。結(jié)合無人機的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用潛力，未來無人機將會朝著高效化、定制化和智能化方向發(fā)展。可以預(yù)見，未來的無人機市場將會非常迅速，不管如何發(fā)展，無人機的通信技術(shù)將會一直成為其發(fā)展的核心所在，而無人機的通信測試也必將變得越來越重要，R&S公司能夠提供完整的、成熟的測試解決方案。