無人機通訊系統測試解決方案

近年來,無人機應用領域越來越廣闊,機載通訊裝置作為無人機系統的核心組成部分,是無人機獲取資料或影象的重要手段。本文主要以無人機通訊技術為基礎,介紹各種通訊技術的測試解決方案。

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無人機概述

無人駕駛飛機簡稱無人機UAV(Unmanned Aerial Vehicle),是利用無線電遙控裝置和自備的程式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、程式控制裝置等裝置。地面、艦艇上或母機遙控站人員透過雷達、數傳電臺等裝置,對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數字傳輸。

無人機誕生於20世紀20年代,50年代後有了較大的發展,在軍事和民用領域都得到了廣泛的應用。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,透過攜帶不同的裝置,執行偵察監視、對地攻擊、電子干擾、通訊中繼、目標定位等任務;在民用領域,可應用於場區監控、氣象探測、公路巡視、勘探測繪、水災監視、森林火災防救等。由此可以看出,無人機在軍事和民用領域都具有廣闊的應用前景。

無人機具有體積小、造價低、使用方便等特點,現代資訊科技的發展使無人機的效能和功能有了突破性的提高。然而,隨著各種電子裝置的應用,勢必會增加通訊的干擾,為了提高無人機通訊的可靠性和安全性,對通訊系統的設計和測試提出了嚴格的挑戰。

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無人機系統組成及工作頻段

2.1 無人機系統組成

一個典型的無人機系統,主要由飛行器、地面控制站、有效載荷及通訊鏈路四大部分組成。其中,飛行器是執行任務的載體,它攜帶遙控遙測裝置和任務裝置,到達目標區域完成要求的任務;地面控制站實現人機互動,透過上行通道,實現對無人機的遙控;透過下行通道,完成對無人機狀態引數的遙測,同時回傳影象和資料,並顯示在控制檯螢幕上,也可透過平臺外介面將影片訊號傳至其它顯示、儲存裝置上。

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,為了實現安全飛行,需要給無人機和控制檯之間的通訊鏈路劃分頻率,世界各國在無人機業務頻率使用方面做了大量研究。2015年4月,工信部為了統一頻率使用、減少無線電干擾,根據《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》及我國頻譜使用情況,規定840。5~845MHz用於無人機系統的上行遙控鏈路、1430~1444MHz用於無人機系統的下行遙測與資訊傳輸鏈路、2408~2440MHz頻段用於無人機系統的下行鏈路,同時,確定相關通道配置、裝置發射功率等技術指標。針對高畫質影象傳輸,也有很多無人機廠商採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務造成影響。

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無人機通訊的關鍵技術

無人機與地面計算機、遙控裝置與地面計算機存在著大量的資料交換,這些資料透過一定的方式和規則進行傳輸,將無人機系統連線成為一個整體。無人機與地面控制站資料通訊的目的是傳遞地面遙控指令及控制引數,獲取飛行狀態資訊和感測器資訊,在無人機系統中扮演非常重要的作用,是無人機對外聯絡的神經網路,維繫著空中的無人機與地面站之間的資訊交換,因此,提供有效可靠的通訊技術,是無人機系統的核心所在。

無人機的工作,一般都是透過地面遙控裝置進行控制,也有透過手機App方式控制,其中,手機App控制的模式,無法單獨傳送遙控指令,必須協同數傳、圖傳的方式傳送,遙控裝置則可單獨傳送遙控指令,其工作方式如圖1所示。

無人機通訊系統測試解決方案

圖1無人機通訊方式

因無人機資料鏈的重要性,許多研究單位都選擇一些體積小、質量輕、技術成熟的通訊模組作為無人機的資料鏈,從而保證資料傳輸的可靠性。各通訊鏈路採用的技術、應用和常見技術如表1所示。

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表1 無人機通訊技術一覽

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無人機通訊鏈路測試

不管是地面遙控裝置控制的無人機通訊還是手機App方式控制無人機通訊,都包括了無人機控制指令、資料傳輸和影象傳輸及無人機定位四大通訊功能。其測試如圖2所示。

無人機通訊系統測試解決方案

圖2 無人機通訊鏈路測試框圖

4.1 RC遙控系統測試

4。1。1 無人機ASK/FSK/GFSK調製測試

遙控裝置通常是雙向傳輸,需要測試接收機和發射機。

發射機測試採用R&S公司的FSW/FSV頻譜儀可以非常方便地完成遙控訊號ASK/FSK/GFSK訊號的測試,包括射頻頻譜測試,如鄰道洩漏比ACLR、頻譜發射模板SEM、雜散發射等,調製訊號質量測試如EVM等指標等,以此評估RC遙控系統的訊號特性及質量。

接收機測試採用訊號源產生用於無人機接收的遙控指令,評估無人機的靈敏度、動態範圍等。R&S公司的SMW200A/SMBV100A訊號源可在標配情況下產生ASK/FSK/GFSK等訊號,輸出幅度低至-145dBm,測試內容包括靈敏度、動態範圍、接收機及誤位元速率測試等。

4。1。2 無人機跳頻測試

無人機地空通訊鏈路所處的頻段比較擁擠,為了確保在惡劣環境下不失控,通訊技術的可靠性至關重要。抗干擾是衡量一款遙控器好壞的第一指標,而基於跳頻體制的資料鏈通訊即是一種用於無人機抗干擾的方案,相比定頻通訊方式,具有抗干擾性能好,抗衰落、多徑效應能力強。R&S的FSW具有專門的瞬態分析軟體完成干擾訊號的定位和分析。

無人機通訊系統測試解決方案

圖3 無人機的跳頻通訊測試

4.2 無人機數傳和圖傳測試

無人機作為空中機器人,不管在軍事上還是在民用上,大多都希望獲得高畫質影象和資料,因此,在相對較小頻寬的條件下,實現高畫質傳輸,就需要採用更高頻譜利用率的通訊技術。常見的通訊方式是基於自定義OFDM/C-OFDM方式或WiFi等方式的通訊技術。有些場合為了降低干擾,還需要引入跳頻通訊技術。

4。2。1 自定義OFDM/C-OFDM訊號產生與分析

基於OFDM的通訊技術,其頻譜效率高、抗多徑干擾能力強、支援高速資料業務傳輸,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訊任務等特點,越來越多的無人機裝置都傾向於採用自定義的OFDM方式。為了解決影片等大容量訊號的傳輸問題,還會採用一定的諸MPEG2/MPEG4、H。264/H。265等影片編解碼,使得可以利用較小頻寬OFDM技術,完成大容量影片傳輸。

對於發射機測試,R&S公司的FS-K96PC/K196PC結合FSW/FSV等平臺的頻譜儀,可以非常方便地完成自定義OFDM/C-OFMD通訊訊號測試,同時,該軟體可透過星座圖旋轉等功能,完成頻率同步、相位同步及定時同步等問題的查詢。

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圖4 自定義OFDM/C-OFDM通訊方式的無人機發射測試

對於接收機測試,R&S公司的FS-K96PC/K196PC軟體可以用於產生自定義OFDM/C-OFDM訊號,使用者可以借用WLAN、DVB-T等訊號的分析,然後透過軟體自帶的”Configuration File Wizard”功能,方便靈活地產生適合自己裝置傳輸的自定義OFDM/C-OFDM訊號結構。同時,也提供自定義OFMD/C-OFDM的Matlab程式,使用者只需根據程式進行適當的修改,如FFT點數、CP長度、取樣率及Pilot、Data等資料的位置分佈,就可以產生需要的OFDM訊號。

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圖5 自定義OFDM/C-OFDM通訊方式的無人機接收測試

4。2。2 WiFi信令測試

WiFi技術已經很成熟,有相當一部分無人機裝置直接採用基於WiFi通訊的方式,提高裝置的研發效率、降低無人機的研發成本。

信令測試是無線網路維護和最佳化最基本最重要的手段,能夠對網路中執行的協議進行全面的測試,為日常維護提供強有力的測試手段,發現和解決網路中存在的問題,掌握網路的業務分佈和執行狀態。R&S CMW500無線通訊綜測儀支援WLAN標準的功能測試,能模擬WLAN訊號的損傷,如I/Q偏移、通道衰落模型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目前全面支援802。11a/b/g/n/ac標準測試,使得CMW500在WLAN產品的測試上得以延續,是WLAN測試方面價效比最佳的測試儀表。

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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淨的5G WiFi頻段。然而5。25~5。35GHz和5。47~5。725GHz是全球雷達系統的工作頻段,為了避免對雷達系統造成干擾,各國對這些裝置的要求除了功率、頻譜等常規專案以外,還特別增加了對動態頻率選擇DFS(Dynamic Frequency Selection)特性的要求。DFS是為了使無線產品主動探測軍方使用的頻率,並主動選擇另一頻率,以避開軍方頻率。透過這種方式,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。

無人機通訊系統測試解決方案

圖7 基於WiFi的DFS測試解決方案

系統中的訊號源SMW200A/SMBV100A配置K350選件,用於DFS測試的雷達訊號產生,頻譜儀:FSW/FSV的解析度頻寬可以大於3MHz,用於監測被測件對雷達訊號的響應。DFS TOOL軟體用於控制頻譜儀監測被測件在雷達訊號作用下的響應時間等指標。

4.3 導航定位測試

無人機在很多專業應用領域,需要依靠人來指揮遙控,導致很多功能無法實現,給無人機安裝衛星導航定位功能後,無人機就能按照設定的路線飛行,如何模擬無人機的飛行路線,是無人機定位測試的關鍵所在。R&S公司的SMBV100A可以模擬各種衛星導航功能,包括GPS、北斗、Glonass、Galileo等,支援至少24顆衛星,使用者可以任意指定路徑,用於移動場景的衛星導航定位測試。

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圖8 無人機的衛星導航定位測試

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小 結

無人機走進了公眾的視野,而未來的發展方向也成了很多人關心的問題。結合無人機的應用領域和應用潛力,未來無人機將會朝著高效化、定製化和智慧化方向發展。可以預見,未來的無人機市場將會非常迅速,不管如何發展,無人機的通訊技術將會一直成為其發展的核心所在,而無人機的通訊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。

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