一种无人机电磁干扰通信环境半物理仿真方法及装置与流程

本发明涉及一种无人机电磁干扰通信环境半物理仿真方法及装置，属于半实物仿真领域，特别针对复杂电磁环境和干扰共同作用下的无人机通信环境半实物仿真方法及装置。

背景技术：

无人机具有体积小、成本低、携带方便等优点，广泛应用于侦察监视、航拍、勘测、安防、环境保护、灾害监测与评估等民用领域。无人机数据链是连接无人机之间以及地面控制站的纽带，是保证无人机系统各设备之间实时通信、信息共享和协同工作的关键。然而，无人机数据链的通信环境往往十分复杂，电波在传播过程中不仅会受到周边地形、天气、飞机姿态等因素的影响，而且还会面临各种形式甚至大功率的人为干扰。在复杂电磁环境和干扰共同作用下，无人机数据链的传输性能会急剧下降，严重时甚至造成整个系统的瘫痪。因此，在无人机数据链的开发与研究过程中，需要对无人机数据链系统抗干扰性能进行测试和评估，以确保无人机系统在复杂电磁环境下的正常通信。

半实物仿真系统结合了数字仿真技术和物理模拟设备，可在实验室内完成系统性能的验证和测试，克服了外场测试受天气等诸多因素的局限，具有周期短、花费少、配置灵活、可重复性强等优点，在各种通信设备的测试中得到了广泛的运用。为了更真实有效的对无人机数据链性能进行测试评估，有必要构建无人机电磁干扰通信环境半物理仿真系统，并据此完成复杂电磁环境和干扰共同影响下的无人机数据链性能的测试和评估。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种针对复杂电磁环境和干扰共同作用下的无人机电磁干扰通信环境半物理仿真方法及装置，可适用于复杂电磁环境下无人机数据链性能的测试和评估。

本发明采用如下技术方案：一种无人机电磁干扰通信环境半物理仿真方法，步骤如下：

第一步，总控单元的系统状态模块自动进行硬件设备的自检，依次检测数据采集记录单元、数据链射频信号模拟单元、信道和干扰模拟单元以及天线滑轨控制单元是否正常连接；

第二步，用户通过总控单元的参数配置模块，首先进行信号和干扰场景的设置，然后进行信号和干扰信道参数的计算，并对计算所得参数进行定点量化，最后参数将通过cpci总线传输到信道和干扰模拟单元，具体方法如下：

(a)总控单元利用用户设置的收发端移动轨迹，获得任意t时刻无人机和地面通信设备的坐标，分别记为ra＝(xa,ya,za)、rb＝(xb,yb,zb)；

(b)分析无线信号传播过程中地面的反射位置rc＝(xc,yc,zc)，计算方法如下

其中re＝6378137m，rp＝6356752m；

(c)分析直射径和反射径的通信距离dlos,dref和略射角ξ，其中，dlos,dref利用欧氏距离公式计算，ξ的计算方法如下

(d)分析地面反射系数rf和粗糙地面因子m，计算方法如下

(e)分析直射径、反射径和散射径的信号传播损耗，计算方法如下

αdir＝32.44+20lgfc+20lgdlos(13)

其中，

(f)模拟产生无人机通信链路的信道冲激响应方法如下

其中β(t)表示由建筑物和山脉导致的阴影衰落，可建模成对数正态分布，γ(t)表示不可分辨散射支路叠加后形成的多径衰落可建模为瑞利、莱斯或nakagami分布；

(g)重复步骤(a)到(f)的方法，计算并仿真获得干扰信道的冲激响应

(h)根据用户输入参数计算热噪声和背景噪声，进而获得等效噪声

第三步，用户通过总控单元的方位调节模块进行抗干扰环境测试单元的设置，具体方法如下：

(a)通过无人机飞行轨迹中方位角、俯仰角和滚转角的数据得到转台的运动参数；

(b)通过发送端和无人机的位置关系计算出发射天线和无人机的方向关系得到发射天线扫描架的运动参数；

(c)通过计算干扰机与无人机的位置关系得到干扰天线扫描架和滑轨的运动参数；

第四步，总控单元通过cpci总线向运动控制模块发出运动指令和控制信号，运动控制模块与电机驱动模块进行通讯，控制信号经电机驱动模块功率放大后驱动电机运动，最后控制抗干扰测试环境中各个设备运转并配置至相应的测试环境；

第五步，总控单元的数据链信号设置模块通过cpci总线控制数据链射频信号模拟单元发射无人机数据链射频信号，无人机数据链射频信号进入信道和干扰模拟单元，然后数据链输入信号模块通过ad芯片将模拟信号转化为数字信号，下变频后得到复基带数据链信号；干扰信号模块内置干扰源包括窄带噪声调制干扰、连续噪声干扰和宽带扫频干扰；数据链信号和干扰信号分别通过数据链信道和干扰信道模块叠加信道衰落后通过干信比控制模块进行信号功率和干扰功率的调整；无人机数据链信号和干扰信号分别叠加指定信噪比的噪声模块后进行上变频由da芯片输出到抗干扰环境测试单元；

第六步，待测设备解调仿真系统产生的信号，并将解调数据通过1553b总线传到数据采集记录单元，然后通过cpci总线传给总控单元，总控单元的性能评估模块对解调数据进行误码率、误帧率和丢帧率的计算并给出待测设备的性能结果。

本发明还采用如下技术方案：一种无人机电磁干扰通信环境半物理仿真装置，包括总控单元、数据采集记录单元、数据链射频信号模拟单元、信道和干扰模拟单元、天线滑轨控制单元和抗干扰测试环境模拟单元；

所述总控单元由系统状态模块、设备校准模块、参数配置模块、方位调节模块、数据链信号设置模块和性能评估模块组成；

所述数据采集记录单元用于接收待测设备回传的数据，待测设备接收端天线解调的数据通过1553b总线传给数据采集记录单元，然后通过cpci总线传给总控单元；

所述总控单元将用户设置的数据链信号类型配置参数通过cpci总线载入到数据链射频信号模拟单元，并控制数据链射频信号模拟单元产生对应的数据链模拟信号，最后发送至信道和干扰模拟单元；

所述信道和干扰模拟单元由数据链输入信号模块和干扰信号模块、数据链信道和干扰信道模块、干信比控制模块和噪声模块组成；

所述天线滑轨控制单元由运动控制模块、电机驱动模块和光电编码模块组成；总控单元通过cpci总线向电机驱动模块发出运动指令和控制信号，控制信号经电机驱动模块功率放大后驱动电机运动；运动控制模块直接与电机驱动模块进行通讯，从而控制设备运转；

所述抗干扰环境测试单元由微波暗室、标准天线和电缆、天线方位校准和调节装置构成。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提出的无人机电磁干扰通信环境半实物仿真方法及装置采用软件仿真和硬件模拟相结合的方式，不仅可以支持复杂信道衰落和多种干扰样式，同时还有效模拟了天线及待测设备自身几何结构对辐射信号的影响；

(2)本发明提出的无人机电磁干扰通信环境半实物仿真方法及装置支持发射机、多个干扰机和接收机均处于高速移动的通信场景模拟及待测设备性能评估，同时支持自动化测试和结果分析。

附图说明：

图1半实物仿真装置实现方案。

图2信道和干扰模拟单元实现方案。

图3半实物仿真装置工作流程图。

图4天线滑轨控制单元实现方案。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明无人机电磁干扰通信环境半实物仿真的装置如图1所示，系统首先通过总控单元控制数据链射频信号模拟单元模拟产生并发射无人机数据链射频信号，信号进入信道和干扰模拟单元，利用硬件模拟产生并叠加电磁环境的特定干扰，总控单元控制天线滑轨控制单元配置微波暗室内的设备，然后完成无人机电磁干扰通信环境的模拟，待测设备接收到输出信号后进行解调，并将解调信号回传给数据采集与记录单元进行系统性能分析评估。

本发明通过如下原理实现无人机电磁干扰通信环境的模拟，

其中，为发射信号；为接收信号；表示均值为0方差为σ²的复高斯噪声；ls,lj表示信号和干扰时延可分辨径数量；τs,l,τj,l表示各条可分辨径的时延；表示由无数条不可分辨散射支路叠加形成的平坦信道衰落。为干扰信号，本系统支持数字调制干扰、瞄准式干扰和阻拦式干扰。

本发明无人机电磁干扰通信环境半物理仿真方法，步骤如下：

第一步，总控单元1-1的系统状态模块1-12自动进行硬件设备的自检，依次检测数据采集记录单元1-2、数据链射频信号模拟单元1-3、信道和干扰模拟单元1-4以及天线滑轨控制单元1-5是否正常连接。

第二步，用户通过总控单元1-1的参数配置模块1-14，首先进行信号和干扰场景的设置，主要包括发射机轨迹、干扰机轨迹、接收机轨迹、传播环境参数、干扰样式等，然后进行信号和干扰信道参数的计算，通过坐标位置、瞬时速度及加速度等飞行参数计算得到路径损耗、多径时延、多径衰落、多普勒功率谱等信道参数，并对计算所得参数进行定点量化，最后参数将通过cpci总线传输到信道和干扰模拟单元1-4，具体方法如下：

(a)总控单元利用用户设置的收发端移动轨迹，获得任意t时刻无人机和地面通信设备的坐标，分别记为ra＝(xa,ya,za)、rb＝(xb,yb,zb)；

(b)分析无线信号传播过程中地面的反射位置rc＝(xc,yc,zc)，计算方法如下

其中re＝6378137m，rp＝6356752m。

(c)分析直射径和反射径的通信距离dlos,dref和略射角ξ，其中，dlos,dref可利用欧氏距离公式计算，ξ的计算方法如下

(d)分析地面反射系数rf和粗糙地面因子m，计算方法如下

(e)分析直射径、反射径和散射径的信号传播损耗，计算方法如下

αdir＝32.44+20lgfc+20lgdlos(22)

其中，

(f)模拟产生无人机通信链路的信道冲激响应方法如下

其中β(t)表示由建筑物和山脉等导致的阴影衰落，可建模成对数正态分布，γ(t)表示不可分辨散射支路叠加后形成的多径衰落可建模为瑞利、莱斯或nakagami分布。

(g)重复步骤(a)到(f)的方法，计算并仿真获得干扰信道的冲激响应

(h)根据用户输入参数计算热噪声和背景噪声，进而获得等效噪声

第三步，用户通过总控单元1-1的方位调节模块1-15进行抗干扰环境测试单元的设置，具体方法如下：

(a)通过无人机飞行轨迹中方位角、俯仰角和滚转角的数据得到转台的运动参数。

(b)通过发送端和无人机的位置关系计算出发射天线和无人机的方向关系得到发射天线扫描架的运动参数。

(c)通过计算干扰机与无人机的位置关系得到干扰天线扫描架和滑轨的运动参数。

第四步，总控单元1-1通过cpci总线向运动控制模块1-17发出运动指令和控制信号，运动控制模块1-17与电机驱动模块1-18进行通讯，控制信号经电机驱动模块功率放大后驱动电机运动，最后控制抗干扰测试环境1-6中各个设备运转并配置至相应的测试环境。

第五步，总控单元1-1的数据链信号设置模块1-15通过cpci总线控制数据链射频信号模拟单元1-3发射无人机数据链射频信号，无人机数据链射频信号进入信道和干扰模拟单元1-4，然后数据链输入信号模块1-7通过ad芯片将模拟信号转化为数字信号，下变频后得到复基带数据链信号；干扰信号模块1-8内置干扰源包括窄带噪声调制干扰、连续噪声干扰和宽带扫频干扰；数据链信号和干扰信号分别通过数据链信道和干扰信道模块1-9叠加信道衰落后通过干信比控制模块1-10进行信号功率和干扰功率的调整；无人机数据链信号和干扰信号分别叠加指定信噪比的噪声模块1-11后进行上变频由da芯片输出到抗干扰环境测试单元1-6。

第六步，待测设备解调仿真系统产生的信号，并将解调数据通过1553b总线传到数据采集记录单元1-2，然后通过cpci总线传给总控单元，总控单元1-1的性能评估模块1-17对解调数据进行误码率、误帧率和丢帧率的计算并给出待测设备的性能结果。

本发明无人机电磁干扰通信环境半物理仿真装置包括总控单元1-1、数据采集记录单元1-2、数据链射频信号模拟单元1-3、信道和干扰模拟单元1-4、天线滑轨控制单元1-5和抗干扰测试环境模拟单元1-6。

其中总控单元1-1分为6个模块：总控单元1-1由系统状态模块1-12、设备校准模块1-13、参数配置模块1-14、方位调节模块1-15、数据链信号设置模块1-16和性能评估模块1-17组成；系统状态模块1-12可以单独设置和查看设备连接状态并对所有硬件设备是否正常运行进行检测；设备校准模块1-13是在系统测试前进行信号功率、天线位置的校准，保证数据测试评估的可靠性和有效性；参数配置模块1-14根据实际测试场景对信道和干扰进行相应的配置；方位调节模块1-15根据实际测试场景调整微波暗室中各个天线的位置和角度；性能评估模块1-17接收待测设备解调数据进行无人机数据链抗干扰性能的分析。

其中数据采集记录单元1-2用于接收待测设备回传的数据，待测设备接收端天线解调的数据通过1553b总线传给数据采集记录单元，然后通过cpci总线传给总控单元1-1，总控单元1-1的性能评估模块1-17接收回传数据后进行误码率、误帧率和丢帧率等性能指标计算，从而获得待测设备的性能评估。

其中数据链射频信号模拟单元1-3用于模拟无人机数据链信号，总控单元1-1将用户设置的数据链信号类型等配置参数通过cpci总线载入到数据链射频信号模拟单元1-3，并控制数据链射频信号模拟单元1-3产生对应的数据链模拟信号，最后发送至信道和干扰模拟单元1-4。

其中信道和干扰模拟单元1-4用于模拟干扰信号和信道特性，信道和干扰模拟单元1-4由数据链输入信号模块和干扰信号模块、数据链信道和干扰信道模块、干信比控制模块和噪声模块组成。数据链输入信号模块和干扰信号模块通过ad芯片接收外部数据链射频信号输入，同时根据用户设置在内部产生不同样式的干扰信号；数据链信道和干扰信道模块完成无人机数据链和干扰信道效应的施加；干信比控制模块根据用户设置的干信比输出指定功率的数据链信号和干扰信号；噪声模块根据用户设置的信噪比叠加指定功率的噪声；数据链信号和干扰信号经da芯片转换后由信号天线和干扰天线发射注入抗干扰环境测试单元。

其中天线滑轨控制单元1-5用于控制抗干扰环境测试单元内转台、滑轨和扫描架；天线滑轨控制单元1-5由运动控制模块1-18、电机驱动模块1-19和光电编码模块1-20组成；总控单元1-1通过cpci总线向电机驱动模块1-19发出运动指令和控制信号，控制信号经电机驱动模块1-19功率放大后驱动电机运动；运动控制模块1-18可以直接与电机驱动模块1-19进行通讯，从而控制设备运转。

其中抗干扰环境测试单元1-6用于模拟外场的测试环境，可模拟发射机、干扰机和接收机之间的不同空间位置关系；抗干扰环境测试单元主要由微波暗室、标准天线和电缆、天线方位校准和调节装置构成；微波暗室用于构建外场的测试环境，屏蔽箱可屏蔽外部的电磁干扰，吸波材料能够将入射的电磁波转化为热能吸收，从而在暗室内形成纯净的无回波的电磁环境；方位校准和调节装置用于对标准天线位置、角度的精确控制，模拟发射机、干扰机和接收机之间的空时位置关系；标准天线与电缆用于发射或接收信号，信号天线放置于天线扫描架上，可沿滑轨作直线运动；干扰天线1和干扰天线2放置在扫描架上，干扰天线3放置在滑轨上，可沿圆弧做圆弧运动；转台上可放置待测无人机数据链设备，并且转台的方位角、俯仰角以及滚转角均可调。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。