无人机数据链仿真测试平台构建技术的研究

1、第 22 卷第 1 期 2010 年 1 月 系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation Vol. 22 No. 1 Jan., 2010 无人机数据链仿真测试平台构建技术的研究 刘 宁，郭淑霞，罗荣慧，张麟兮 （西北工业大学无人机特种技术国家级重点实验室，西安 710065） 摘 要：针对通常采用飞行试验或野外“拉距离”试验仿真所具有的试验周期长，可重复性难，数据 提取困难和试验成本高的特点，提出一种在暗室实现无人机数据链“拉距离”半实物仿真平台的构 建方法，分析并构建了空间自然衰落，大气环境，飞机飞行姿态角等影响信号传输和接收的模型， 同时

2、采用了暗室链路标校的方法消除仿真试验条件， 暗室试验环境对仿真结果带来的误差影响。 仿 真结果表明，理论计算功率和实际接收功率曲线趋势是一致的，从而验证了平台的有效性。 关键词：无人机；半实物仿真；数据链；链路标校;误差 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010 01-0079-04 Investigation on Construction of Simulator and Test Platform for UAV Data-link LIU Ning, GUO Shu-xia, LUO Rong-hui, ZHANG Lin-xi (Natio

3、nal Key Laboratory of UAV Specialty Technique Northwestern Polytechnic University, Xian 710065, China Abstract: Because of the features that were long experience period, poor repeatability, extracting data difficulty and high cost of experimentation by adopting flight test and “pull distance” in the

4、 field, the method of building a hardware in the loop simulation platform for testing UAV date-link in the darkroom was put forwarded. The models of free-space attenuation, atmospheric environment and the airplane flight attitude were analyzed and constructed, which influenced the signals sending an

5、d receiving. To eliminate the error caused by simulation condition and experiment environment, a method of calibrate-link was utilized. The result shows that the curve of theory calculating power and actual receiving power is consistent, and the platforms effective is validated. Key words: UAV; HILS

6、 (hardware in the loop simulation; data-link; calibrate-link; error 引 言1 无人机数据链按照数据传输方向可以分为： 上行链路和 1 仿真模型研究 自由空间相当于在真空状态下的理性空间， 电磁波在真 1.1 自由空间传播衰落 空状态下传播时，其能量不会被遮挡物吸收，也不会发生散 射或反射现象，这是一种理想的电波传输环境。在实际情况 下，如果地面上空的大气层是各相同性的均匀介质，相对介 质常数和相对导磁率都等于 1，在电波的传输过程上没有障 碍物遮挡， 这样到达接收天线的地面反射信号场强也可忽略 不计。但是，随着传播距离的增大，

7、能量仍会衰落，这是由 于球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量会自然扩 散，反映了球面波的扩散损耗。这样的损耗可称为自由空间 传播衰落。 当发射功率 Pt ，接收功率 Pr ，发射天线增益 Gt ，接收 天线增益 Gr ，发射频率 f ，距离 d ，发射信号波长 。接 收天线处的接收功率为： Pr ( d = PGt Gr t (4 d 2 2 2 下行链路。 上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令的发 送和接收， 下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据以 及红外或电视图像的发送和接收， 并根据定位信息的传输利 用上下行链路进行测距。 数据链性能直接影响到无人机性能 的优劣。 现有对无人机

8、数据链性能的测试方法通常是进行实际 飞行试验或野外“拉距离”试验，这种方法试验周期长，通常 的试验周期多达几个月，而且试验数据提取困难，试验成本 高。 针对这种情况， 本文提出一种数据链半实物仿真测试平 台的构建，通过各种模拟器构成电磁信号的收发终端,并由 数学模型联接成闭环回路。 这一平台可以为无人机数据链路 提供一个仿真测试环境，实现遥测、遥控系统性能参数（如 灵敏度、误码率）测试，遥控距离的测试，可有效缩短研制 开发周期，减少试验成本。本文对平台构成模型进行分析和 仿真，并通过仿真试验验证本平台的合理性和有效性。 收稿时间：2008-09-03 修回时间：2008-11-24 作者简介：

9、刘宁(1976-，女，陕西合阳，硕士，工程师，研究方向为数 据链及系统仿真；郭淑霞(1965-，女，陕西兴平，博士，副教授，研究 方向为数据链及通信工程；罗荣慧(1982-，男，福建清流，学士，助工， 研究方向为数据链及微波通信；张麟兮(1964-，男，重庆，教授，研究 方向为微波通信及通信工程。 (1 当发射天线增益 Gt = 1 ，接收天线增益 Gr = 1 ，发射频 率 f MHz，距离 d Km，自由空间传播衰落 PL 可通过下式计 算得: PL = 10log P t Pr (4 d 2 2 2 = 32.45 + 20log f + 20log d = 10log (2 79 第

10、22 卷第 1 期 2010 年 1 月 z 刘宁， 无人机数据链仿真测试平台构建技术的研究 等： （ < < 2 （ 2） 2 （2 ） Vol. 22 No. 1 Jan., 2010 (14 (x,y,z 1.5 链路标校方法实现 y 南 x 由于暗室“拉距离”仿真试验中， 测控站发射功率的控制 模拟需要依据接收口面的理论接收功率和试验环境链路衰 落仿真实现， 由于不同仿真频率下暗室自由空间衰落和馈线 衰落及天线增益的不一致性， 在作试验前需要针对仿真试验 条件对仿真试验链路进行标校。 链路标校目的就是为了减少 试验链路中诸多环境因素对仿真试验的影响。 系统硬件连接 图如图

11、4 所示： 图 3 平面投影图 由于假定测控站与飞机连线始终为 0 度， 故转台转动角 （ 。 度为 。转台的转动角度范围为 ） 图 4 系统标校硬件连接图 链路标校方法如下： 对矢网进行校准： 将矢网收发直接连接，s21 校至 0。 1） 耗值控制发射功率，接收控制计算机读取接收功率值，传递 给主控并存入数据库中。实现框图如图 5 所示。 发射控制 计算机 主 转台控制 发射 计算机 2）测量测试链路 s21 ，即系统损耗 Ls ，并存储数据。 3）测量接收路径（接收天线输出端至矢网输入端）总 损耗（负值）或增益（正值） ，记为 Lsr 。 数据库 接收 4）测量接收天线增益，记为 Gr 。

12、 5）计算发射路径（矢网输出端至接收天线口面）总损 耗（负值）或增益（正值） ，记为 Lst ： Lst = Ls Lsr Gr 控 接收控制 计算机 (15 图 5 仿真试验框架图 2 仿真试验系统 在仿真试验中， 转台上放置无人机， 靠近无人机的位置 3 仿真结果及分析 在仿真中一直假定发射信号主瓣波束总是对准无人机， 上放置一个全向天线， 实现对通信信号到达无人机所在位置 信号监测功能。 假设当前发射天线对准无人机， 即天线主波 束总是对准无人机。 主控程序设置当前的试验环境并下发给 发射控制计算机和接收控制计算机， 发射控制计算机根据无 人机与测控站位置和无人机飞行方向， 及飞行过程中

13、的大气 情况， 依据模型解算无人机姿态和理论接收功率， 发送指令 给转台控制计算机控制转台运动实现对无人机当前飞行姿 态的模拟， 同时根据理论接收功率和从数据库取得的链路损 根据设定条件计算到达转台上接收天线口面理论功率并测 量出实际接收功率，通过两者的对比，验证模型的正确性。 假设一场景：测控站位置(x,y,z，发射载波频率 f c ，发射功 率 Pt ，天线增益 G ，信号 BPSK ，码元速率 f d 。无人机飞 行初始坐标(x1,y1,z1，终止位置坐标(x2,y2,z2，并控制飞机 按初始设定的飞行轨迹运动。 6 显示仿真测试结果处理图， 图 显示的是到达接收天线口面的理论功率和到达

14、接收天线口 面的实际测量结果比较。 81 第 22 卷第 1 期 2010 年 1 月 -56 -56 -58 -58 Vol. 22 No. 1 系 统 拉距离仿真结果 理论值 实测值 仿 真 学 报 Jan., 2010 的衰落仿真，大气环境对信号传播的影响仿真，无人机飞行 姿态进行分析并模拟， 提出并通过链路标校方法补偿试验环 境和仿真条件对仿真结果产生的影响，建立仿真试验平台。 通过仿真试验验证了本平台建立的有效性。 这一仿真平台不 仅可应用于无人机的数据链性能测试， 同样可以应用于大多 无线通信链路的测试。 该平台对参与仿真的设备接口具有很 大的灵活性，有利于今后系统功能的升级和扩展

15、。 接收天线口面功率/dBm 接收天线口面功率（dBm） -60 -60 -62 -62 -64 -64 -66 -66 -68 -68 最大误差 1.77dB 平均误差 1.33dB 均方误差 0.06dB -70 -70 -72 -72 20 20 参考文献: 1 30 30 40 40 50 50 王斌华，薛敏彪，胡永红，李铜川. 无人机无线电数据链自动测试 系统方案设计J. 计算机测量与控制, 2005, 13(2. 樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯. 通信原理 M. 第 5 版. 北京： 国防工业出版社, 2001. 宋祖勋，余卞章. 无人机数据链对雷达电磁干扰的适应性研究J. 系统工

16、程与电子技术, 2004. 刘敏. 无人机数据链自动测试系统研究D. 西北工业大学, 2003. 杨红卫. 平流层通信系统电波传输特性的研究D. 上海交通大学 电子信息学院, 2001. Michel C Jeruchim, Philip Balaban, K Sam Shanmugan. 通信系统仿 真M. 周希元, 等译. 北京：国防工业出版社，2004. 70 距离/km 距离（ km） 60 60 70 80 80 90 90 100 110 100 110 2 3 4 5 6 图 6 理论接收功率和试验实际接收功率曲线 从图中可以看出， 理论数值和实际数值平均误差值相差 1.33dB

17、，且两条曲线整个轨迹趋势是一致的，这种误差通过 功率补偿进行修正，从而保证试验仿真正确。 4 结论 数据链半实物仿真试验平台主要为了克服外场做试验 的缺点，实现暗室内类开阔场仿真，满足无人机数据链“拉 距离”仿真试验。本方法通过对无线信号在自由空间传播中 (上接第 70 页 表 3 本文模型和传统方法的计算误差对比 喷嘴全关 误差 1 测试面 1 测试面 2 测试面 3 测试面 4 测试面 5 18.46 8.60 13.48 15.11 16.42 误差 2 46.90 23.52 38.39 26.11 29.71 喷嘴全开 误差 1 12.20 20.73 12.38 17.09 14.

18、28 误差 2 24.75 27.87 42.96 20.08 18.31 (3 实验验证的结果表明，采用本文介绍的供气流动边 界条件计算模型模拟所得速度场与实验结果的误差约为 15%，而采用传统的假设供气孔等流量供气边界条件模拟所 说明本文模型的模拟 得速度场与实验结果的误差约为 30%， 精度远高于传统方法，从而进一步证明了该模型的有效性。 参考文献： 1 2 3 陈江平, 孙召璞, 阙雄才, 等. 轻型客车室内通风的数值模拟与实 验研究J. 应用科学学报, 2002, 20(2: 169-172. 赵彬, 李先庭, 彦启森. 室内空气流动数值模拟的N点风口动量模 型J. 计算力学学报, 2003, 20(1: 64-70. Skovgaard M, Nielsen P V. Modeling complex inlet geometries in CFD-applied to air flow in ventilated rooms C/ 12th AIVC Conference, Ottawa, Can