无人机通信系统测试解决方案

无人机通信系统测试解决方案

01

无人机概述

无人驾驶飞机简称无人机UAV(UnmannedAerial

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。

02

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。

03

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

表1无人机通信技术一览

04

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

4.1RC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0FW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-OF血通信

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

FileWizard”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

4.2.2WiFi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&SCMW500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.lla/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6WiFi信令测试

4.2.35G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5GWiFi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(DynamicFrequency

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WiFiDFS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