无人机数据链仿真测试平台构建技术的研究

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第 22 卷第 1 期 2010 年 1 月系 统 仿 真 学 报© Journal of System SimulationVol. 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) 01-0079-04Investigation on Construction of Simulator and Test Platform for UAV Data-linkLIU Ning, GUO Shu-xia, LUO Rong-hui, ZHANG Lin-xi(National Key Laboratory of UAV Specialty Technique Northwestern Polytechnic University, Xi’an 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 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 signal’s sending and 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 platform’s effective is validated. Key words: UAV; HILS (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，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 λ 。接 收天线处的接收功率为：Pr ( d ) = PGt Gr λ t (4π ) d2 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：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 (4π ) d2 2 2λ = 32.45 + 20log f + 20log d= 10log[](2) 79

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第 22 卷第 1 期 2010 年 1 月Vol. 22 No. 1系 统仿真学报Jan., 20101.2 云雨衰落模型降雨对无线电系统性能会带来信号衰减，去极化，同时 降雨的散射还会引起系统间的相互干扰。 在均匀降雨的条件 下，云雨衰减的计算相对简单，在大多数情况下，降雨在时 间和空间是不均匀的，且云雨媒质的不均匀性还具有随机 性，会对云雨衰落的计算带来很大的困难。因此需要寻找一 种精确的数学模型对雨媒质的非均匀性结构描述， 并通过试 验验证和分析建立方便、 实用的经验公式实现对云雨衰落的 仿真。最典型的模型公式就是 ITU-R（国际电信联盟）提供 的雨衰减预报模式，它具有输入参数少，使用方便简单，应 用范围较广的特点。 以 Fedi 提出的模式为基础的 ITU-R 云雨衰减模式，单 位路径衰减（衰减率）乘以经过处理后的路径长度得到实际 测量的云雨衰落。对降雨的非均匀性进行均匀化处理，得到 等效的缩短因子计算得到等效的路径长度。 通过公式 (3) 我们可计算出由于降雨造成的衰减功率得经散射点 i 的相对衰落 Atti 和相对时延 delayi 分别为Atti = Power Poweri(8) (9)delayi = Time Timei1.3.2 多普勒效应 多普勒效应的产生主要是由于接收机的运动产生了频 率偏移。 对多普勒效应的仿真需要知道来波方向上的径向速 度。 根据前一个运行点坐标和当前运行点坐标决定当前速度 矢量方向， 根据当前运行点坐标和强散射点坐标决定来波方 向。示意图如图 1 所示。A （x1,y1,z1） （x,y,z） CB （x2,y2,z2） 图 1 速度与来波方向示意图在接收机当前位置 C(x ,y ,z)点，接收机相对前一点位置Ps 。 其中：αR 为雨衰减率 dB/km） θ 为传播路径仰角 （ ， （弧度） LE 为降雨带有效距离(km)。 ，B(x2,y2,z2)， 强散射点位置 A(x1,y1,z1)， 飞行速度 v ， 波长 λ ，速度与来波方向夹角 ，计算 cos φ = AC BCPs = α R × LE × θ（3）（10） （11）1.3 大气衰落信道模型无线信号在大气环境传输过程中，由于地表、地形与地 物等因素的影响， 接收到的信号是直射波和经地物反射后多 个路径传输信号形成的合成波，会形成多径衰落现象。描述 多径传播的主要参数为：1)传输路径的数目 N ；2)沿每一传 输路径的信号振幅或衰减量 Atti ；3)时延 delayi ；4)多普勒 频移 f d i 。其中 i = 1 N ，表示多径数。 为了较真实地反映某一地理地貌对无线通信系统通信 性能的影响，本系统从传输角度对信号进行研究。根据不同 传输环境的不同强散射点的空间坐标位置和强散射系数 …… 此处隐藏：7264字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……