近年來，無人機應用領域越來越廣闊，機載通信設備作為無人機系統(tǒng)的核心組成部分，是無人機獲取數據或圖像的重要手段。本文主要以無人機通信技術為基礎，介紹各種通信技術的測試解決方案。

1. 無人機概述

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

無人機誕生于20世紀20年代，50年代后有了較大的發(fā)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，通過攜帶不同的設備，執(zhí)行偵察監(jiān)視、對地攻擊、電子干擾、通信中繼、目標定位等任務；在民用領域，可應用于場區(qū)監(jiān)控、氣象探測、公路巡視、勘探測繪、水災監(jiān)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，現代信息技術的發(fā)展使無人機的性能和功能有了突破性的提高。然而，隨著各種電子設備的應用，勢必會增加通信的干擾，為了提高無人機通信的可靠性和安全性，對通信系統(tǒng)的設計和測試提出了嚴格的挑戰(zhàn)。

2. 無人機系統(tǒng)組成及工作頻段

2.1 無人機系統(tǒng)組成

一個典型的無人機系統(tǒng)，主要由飛行器、地面控制站、有效載荷及通信鏈路四大部分組成。其中，飛行器是執(zhí)行任務的載體，它攜帶遙控遙測設備和任務設備，到達目標區(qū)域完成要求的任務；地面控制站實現人機交互，通過上行信道，實現對無人機的遙控；通過下行信道，完成對無人機狀態(tài)參數的遙測，同時回傳圖像和數據，并顯示在控制臺屏幕上，也可通過平臺外接口將視頻信號傳至其它顯示、存儲設備上。

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臺之間的通信鏈路劃分頻率，世界各國在無人機業(yè)務頻率使用方面做了大量研究。2015年4月，工信部為了統(tǒng)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(guī)定》及我國頻譜使用情況，規(guī)定840.5～845MHz用于無人機系統(tǒng)的上行遙控鏈路、1430～1444MHz用于無人機系統(tǒng)的下行遙測與信息傳輸鏈路、2408～2440MHz頻段用于無人機系統(tǒng)的下行鏈路，同時，確定相關信道配置、設備發(fā)射功率等技術指標。針對高清圖像傳輸，也有很多無人機廠商采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(yè)務造成影響。

3. 無人機通信的關鍵技術

無人機與地面計算機、遙控設備與地面計算機存在著大量的數據交換，這些數據通過一定的方式和規(guī)則進行傳輸，將無人機系統(tǒng)連接成為一個整體。無人機與地面控制站數據通信的目的是傳遞地面遙控指令及控制參數，獲取飛行狀態(tài)信息和傳感器信息，在無人機系統(tǒng)中扮演非常重要的作用，是無人機對外聯系的神經網絡，維系著空中的無人機與地面站之間的信息交換，因此，提供有效可靠的通信技術，是無人機系統(tǒng)的核心所在。

無人機的工作，一般都是通過地面遙控設備進行控制，也有通過手機App方式控制，其中，手機App控制的模式，無法單獨發(fā)送遙控指令，必須協(xié)同數傳、圖傳的方式發(fā)送，遙控設備則可單獨發(fā)送遙控指令，其工作方式如圖1所示。

圖1無人機通信方式

因無人機數據鏈的重要性，許多研究單位都選擇一些體積小、質量輕、技術成熟的通信模塊作為無人機的數據鏈，從而保證數據傳輸的可靠性。各通信鏈路采用的技術、應用和常見技術如表1所示。

表1 無人機通信技術一覽

4. 無人機通信鏈路測試

不管是地面遙控設備控制的無人機通信還是手機App方式控制無人機通信，都包括了無人機控制指令、數據傳輸和圖像傳輸及無人機定位四大通信功能。其測試如圖2所示。

圖2 無人機通信鏈路測試框圖

4.1 RC遙控系統(tǒng)測試

4.1.1 無人機ASK/FSK/GFSK調制測試

遙控設備通常是雙向傳輸，需要測試接收機和發(fā)射機。

發(fā)射機測試采用R&S公司的FSW/FSV頻譜儀可以非常方便地完成遙控信號ASK/FSK/GFSK信號的測試，包括射頻頻譜測試，如鄰道泄漏比ACLR、頻譜發(fā)射模板SEM、雜散發(fā)射等，調制信號質量測試如EVM等指標等，以此評估RC遙控系統(tǒng)的信號特性及質量。

接收機測試采用信號源產生用于無人機接收的遙控指令，評估無人機的靈敏度、動態(tài)范圍等。R&S公司的SMW200A/SMBV100A信號源可在標配情況下產生ASK/FSK/GFSK等信號，輸出幅度低至-145dBm，測試內容包括靈敏度、動態(tài)范圍、接收機及誤碼率測試等。

4.1.2 無人機跳頻測試

無人機地空通信鏈路所處的頻段比較擁擠，為了確保在惡劣環(huán)境下不失控，通信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，而基于跳頻體制的數據鏈通信即是一種用于無人機抗干擾的方案，相比定頻通信方式，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(tài)分析軟件完成干擾信號的定位和分析。

圖3 無人機的跳頻通信測試

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，大多都希望獲得高清圖像和數據，因此，在相對較小帶寬的條件下，實現高清傳輸，就需要采用更高頻譜利用率的通信技術。常見的通信方式是基于自定義OFDM/C-OFDM方式或WiFi等方式的通信技術。有些場合為了降低干擾，還需要引入跳頻通信技術。

4.2.1 自定義OFDM/C-OFDM信號產生與分析

基于OFDM的通信技術，其頻譜效率高、抗多徑干擾能力強、支持高速數據業(yè)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信任務等特點，越來越多的無人機設備都傾向于采用自定義的OFDM方式。為了解決視頻等大容量信號的傳輸問題，還會采用一定的諸MPEG2/MPEG4、H.264/H.265等視頻編解碼，使得可以利用較小帶寬OFDM技術，完成大容量視頻傳輸。

對于發(fā)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通信信號測試，同時，該軟件可通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找。

圖4 自定義OFDM/C-OFDM通信方式的無人機發(fā)射測試

對于接收機測試，R&S公司的FS-K96PC/K196PC軟件可以用于產生自定義OFDM/C-OFDM信號，用戶可以借用WLAN、DVB-T等信號的分析，然后通過軟件自帶的”Configuration File Wizard”功能，方便靈活地產生適合自己設備傳輸的自定義OFDM/C-OFDM信號結構。同時，也提供自定義OFMD/C-OFDM的Matlab程序，用戶只需根據程序進行適當的修改，如FFT點數、CP長度、采樣率及Pilot、Data等數據的位置分布，就可以產生需要的OFDM信號。

圖5 自定義OFDM/C-OFDM通信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設備直接采用基于WiFi通信的方式，提高設備的研發(fā)效率、降低無人機的研發(fā)成本。

信令測試是無線網絡維護和優(yōu)化最基本最重要的手段，能夠對網絡中運行的協(xié)議進行全面的測試，為日常維護提供強有力的測試手段，發(fā)現和解決網絡中存在的問題，掌握網絡的業(yè)務分布和運行狀態(tài)。R&S CMW500無線通信綜測儀支持WLAN標準的功能測試，能模擬WLAN信號的損傷，如I/Q偏移、信道衰落模型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目前全面支持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(xù)，是WLAN測試方面性價比最佳的測試儀表。

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凈的5G WiFi頻段。然而5.25～5.35GHz和5.47～5.725GHz是全球雷達系統(tǒng)的工作頻段，為了避免對雷達系統(tǒng)造成干擾，各國對這些設備的要求除了功率、頻譜等常規(guī)項目以外，還特別增加了對動態(tài)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，并主動選擇另一頻率，以避開軍方頻率。通過這種方式，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。

圖7 基于WiFi的DFS測試解決方案

系統(tǒng)中的信號源SMW200A/SMBV100A配置K350選件，用于DFS測試的雷達信號產生，頻譜儀：FSW/FSV的分辨率帶寬可以大于3MHz，用于監(jiān)測被測件對雷達信號的響應。DFS TOOL軟件用于控制頻譜儀監(jiān)測被測件在雷達信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(yè)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(wèi)星導航定位功能后，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(wèi)星導航功能，包括GPS、北斗、Glonass、Galileo等，支持至少24顆衛(wèi)星，用戶可以任意指定路徑，用于移動場景的衛(wèi)星導航定位測試。

圖8 無人機的衛(wèi)星導航定位測試

5. 小 結

無人機走進了公眾的視野，而未來的發(fā)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、定制化和智能化方向發(fā)展?？梢灶A見，未來的無人機市場將會非常迅速，不管如何發(fā)展，無人機的通信技術將會一直成為其發(fā)展的核心所在，而無人機的通信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。