无人机通信系统测试解决方案

无人机 2019-03-25 17:07

【摘要】近年来,无人机应用领域越来越广阔,机载通信设备作为无人机系统的核心组成部分,是无人机获取数据或图像的重要手段。本文主要以无人机通信技术为基础,介绍各种通信技术的测试解决方案。


关键词】无人机,UAV,WLAN,OFDM,C-OFDM,DFS


1. 无人机概述


无人驾驶飞机简称无人机UAV(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱,但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达、数传电台等设备,对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。


无人机诞生于20世纪20年代,50年代后有了较大的发展,在军事和民用领域都得到了广泛的应用。起初无人机是作为试验靶机使用的,在军事上,可作为空中侦察平台和武器平台,通过携带不同的设备,执行侦察监视、对地攻击、电子干扰、通信中继、目标定位等任务;在民用领域,可应用于场区监控、气象探测、公路巡视、勘探测绘、水灾监视、森林火灾防救等。由此可以看出,无人机在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。


无人机具有体积小、造价低、使用方便等特点,现代信息技术的发展使无人机的性能和功能有了突破性的提高。然而,随着各种电子设备的应用,势必会增加通信的干扰,为了提高无人机通信的可靠性和安全性,对通信系统的设计和测试提出了严格的挑战。


2. 无人机系统组成及工作频段


2.1 无人机系统组成


一个典型的无人机系统,主要由飞行器、地面控制站、有效载荷及通信链路四大部分组成。其中,飞行器是执行任务的载体,它携带遥控遥测设备和任务设备,到达目标区域完成要求的任务;地面控制站实现人机交互,通过上行信道,实现对无人机的遥控;通过下行信道,完成对无人机状态参数的遥测,同时回传图像和数据,并显示在控制台屏幕上,也可通过平台外接口将视频信号传至其它显示、存储设备上。


2.2 无人机工作频段


无人机与有人驾驶飞机飞行在同一片非隔离空域中,要感知彼此的存在,为了实现安全飞行,需要给无人机和控制台之间的通信链路划分频率,世界各国在无人机业务频率使用方面做了大量研究。2015年4月,工信部为了统一频率使用、减少无线电干扰,根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》及我国频谱使用情况,规定840.5~845MHz用于无人机系统的上行遥控链路、1430~1444MHz用于无人机系统的下行遥测与信息传输链路、2408~2440MHz频段用于无人机系统的下行链路,同时,确定相关信道配置、设备发射功率等技术指标。针对高清图像传输,也有很多无人机厂商采用市场上存在的很多免许可证频段,如:5.8GHz、5.1GHz等,这些频段使用率相对较少,可选择的频带较宽。但是,该频段无人机不得对其它合法无线电业务造成影响。


3. 无人机通信的关键技术


无人机与地面计算机、遥控设备与地面计算机存在着大量的数据交换,这些数据通过一定的方式和规则进行传输,将无人机系统连接成为一个整体。无人机与地面控制站数据通信的目的是传递地面遥控指令及控制参数,获取飞行状态信息和传感器信息,在无人机系统中扮演非常重要的作用,是无人机对外联系的神经网络,维系着空中的无人机与地面站之间的信息交换,因此,提供有效可靠的通信技术,是无人机系统的核心所在。


无人机的工作,一般都是通过地面遥控设备进行控制,也有通过手机App方式控制,其中,手机App控制的模式,无法单独发送遥控指令,必须协同数传、图传的方式发送,遥控设备则可单独发送遥控指令,其工作方式如图1所示。


图1无人机通信方式


因无人机数据链的重要性,许多研究单位都选择一些体积小、质量轻、技术成熟的通信模块作为无人机的数据链,从而保证数据传输的可靠性。各通信链路采用的技术、应用和常见技术如表1所示。


表1 无人机通信技术一览


4. 无人机通信链路测试


不管是地面遥控设备控制的无人机通信还是手机App方式控制无人机通信,都包括了无人机控制指令、数据传输和图像传输及无人机定位四大通信功能。其测试如图2所示。


图2 无人机通信链路测试框图


4.1 RC遥控系统测试


4.1.1 无人机ASK/FSK/GFSK调制测试


遥控设备通常是双向传输,需要测试接收机和发射机。


发射机测试采用R&S公司的FSW/FSV频谱仪可以非常方便地完成遥控信号ASK/FSK/GFSK信号的测试,包括射频频谱测试,如邻道泄漏比ACLR、频谱发射模板SEM、杂散发射等,调制信号质量测试如EVM等指标等,以此评估RC遥控系统的信号特性及质量。


接收机测试采用信号源产生用于无人机接收的遥控指令,评估无人机的灵敏度、动态范围等。R&S公司的SMW200A/SMBV100A信号源可在标配情况下产生ASK/FSK/GFSK等信号,输出幅度低至-145dBm,测试内容包括灵敏度、动态范围、接收机及误码率测试等。


4.1.2 无人机跳频测试


无人机地空通信链路所处的频段比较拥挤,为了确保在恶劣环境下不失控,通信技术的可靠性至关重要。抗干扰是衡量一款遥控器好坏的第一指标,而基于跳频体制的数据链通信即是一种用于无人机抗干扰的方案,相比定频通信方式,具有抗干扰性能好,抗衰落、多径效应能力强。R&S的FSW具有专门的瞬态分析软件完成干扰信号的定位和分析。


图3 无人机的跳频通信测试 


4.2 无人机数传和图传测试


无人机作为空中机器人,不管在军事上还是在民用上,大多都希望获得高清图像和数据,因此,在相对较小带宽的条件下,实现高清传输,就需要采用更高频谱利用率的通信技术。常见的通信方式是基于自定义OFDM/C-OFDM方式或WiFi等方式的通信技术。有些场合为了降低干扰,还需要引入跳频通信技术。


4.2.1 自定义OFDM/C-OFDM信号产生与分析


基于OFDM的通信技术,其频谱效率高、抗多径干扰能力强、支持高速数据业务传输,具备“非视距”、“绕射”传输特点和良好穿透能力,能够满足无人机无线通信任务等特点,越来越多的无人机设备都倾向于采用自定义的OFDM方式。为了解决视频等大容量信号的传输问题,还会采用一定的诸MPEG2/MPEG4、H.264/H.265等视频编解码,使得可以利用较小带宽OFDM技术,完成大容量视频传输。


对于发射机测试,R&S公司的FS-K96PC/K196PC结合FSW/FSV等平台的频谱仪,可以非常方便地完成自定义OFDM/C-OFMD通信信号测试,同时,该软件可通过星座图旋转等功能,完成频率同步、相位同步及定时同步等问题的查找。


图4 自定义OFDM/C-OFDM通信方式的无人机发射测试


对于接收机测试,R&S公司的FS-K96PC/K196PC软件可以用于产生自定义OFDM/C-OFDM信号,用户可以借用WLAN、DVB-T等信号的分析,然后通过软件自带的”Configuration File Wizard”功能,方便灵活地产生适合自己设备传输的自定义OFDM/C-OFDM信号结构。同时,也提供自定义OFMD/C-OFDM的Matlab程序,用户只需根据程序进行适当的修改,如FFT点数、CP长度、采样率及Pilot、Data等数据的位置分布,就可以产生需要的OFDM信号。



图5 自定义OFDM/C-OFDM通信方式的无人机接收测试


4.2.2 WiFi信令测试


WiFi技术已经很成熟,有相当一部分无人机设备直接采用基于WiFi通信的方式,提高设备的研发效率、降低无人机的研发成本。


信令测试是无线网络维护和优化最基本最重要的手段,能够对网络中运行的协议进行全面的测试,为日常维护提供强有力的测试手段,发现和解决网络中存在的问题,掌握网络的业务分布和运行状态。R&S CMW500无线通信综测仪支持WLAN标准的功能测试,能模拟WLAN信号的损伤,如I/Q偏移、信道衰落模型Fading及高斯白噪声AWGN等功能,使得WLAN的测试变得更加灵活。另外,CMW500目前全面支持802.11a/b/g/n/ac标准测试,使得CMW500在WLAN产品的测试上得以延续,是WLAN测试方面性价比最佳的测试仪表。


图6 WiFi信令测试


4.2.3 5G频段的DFS测试


2.4G频段的WiFi干扰较多,因此很多无人机选择相对纯净的5G WiFi频段。然而5.25~5.35GHz和5.47~5.725GHz是全球雷达系统的工作频段,为了避免对雷达系统造成干扰,各国对这些设备的要求除了功率、频谱等常规项目以外,还特别增加了对动态频率选择DFS(Dynamic Frequency Selection)特性的要求。DFS是为了使无线产品主动探测军方使用的频率,并主动选择另一频率,以避开军方频率。通过这种方式,也可避免其它频段WLAN,最高效地利频谱。R&S公司提供全面的WiFi DFS测试解决方案,如图7所示。



图7 基于WiFi的DFS测试解决方案


系统中的信号源SMW200A/SMBV100A配置K350选件,用于DFS测试的雷达信号产生,频谱仪:FSW/FSV的分辨率带宽可以大于3MHz,用于监测被测件对雷达信号的响应。DFS TOOL软件用于控制频谱仪监测被测件在雷达信号作用下的响应时间等指标。


4.3 导航定位测试


无人机在很多专业应用领域,需要依靠人来指挥遥控,导致很多功能无法实现,给无人机安装卫星导航定位功能后,无人机就能按照设定的路线飞行,如何模拟无人机的飞行路线,是无人机定位测试的关键所在。R&S公司的SMBV100A可以模拟各种卫星导航功能,包括GPS、北斗、Glonass、Galileo等,支持至少24颗卫星,用户可以任意指定路径,用于移动场景的卫星导航定位测试。


图8 无人机的卫星导航定位测试


5. 小 结


无人机走进了公众的视野,而未来的发展方向也成了很多人关心的问题。结合无人机的应用领域和应用潜力,未来无人机将会朝着高效化、定制化和智能化方向发展。可以预见,未来的无人机市场将会非常迅速,不管如何发展,无人机的通信技术将会一直成为其发展的核心所在,而无人机的通信测试也必将变得越来越重要,R&S公司能够提供完整的、成熟的测试解决方案。


6. 参考文献

[ 1 ] Vector Signal Generator R&S SMW200A/SMBV100A Specifications

[ 2 ] Spectrum Analyzer R&S FSW/FSV Specifications

[ 3 ] 张冬辰,无人机测控系统综述,无线电通信技术,1997年第23卷第5期

[ 4 ] 王明远,空间遥感数据压缩编码技术的发展,中国航天,2003,6:20-22.

[ 5 ] WLAN test According to standard 802.11a/b/g/n/ac 

[ 6 ] 马大玮,杨士中.基于卫星中继的无人机图像传输系统,电讯技术,2003,3:6-9.

[ 7 ] 王永寿,无人机的通信技术,飞航导弹.2005,2:20-27


注:该文章刊登于《中国电子报》2017年9月特刊


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