復雜電磁環境下航空數據鏈測試系統總體設計

趙亞東

(成都天奧測控技術有限公司,四川 成都 611731)

航空數據鏈系統是應用各種先進的調制解調、糾錯編碼、通信組網及網絡管理、信息融合等技術,采用專用通信協議和消息標準,適合于指揮控制系統、航空武器平臺、情報系統之間傳輸標準化戰術數據,構建的互聯互通的戰術數據通信網絡[1]。航空數據鏈的技術發展趨勢是在復雜電磁環境下組網能力更強、帶寬更寬、實時性更好、網絡可靠性更高。航空數據鏈系統的研制過程貫穿了航空武器平臺的研制全程,包括開發仿真、樣機研制、統型聯試等階段,研制效率要求較高。

為保障航空數據鏈組網協議設計、物理層波形開發、射頻信道測試等模塊級研發,以及組網協議優化、組網性能測試等整機級功能性能驗證,并支撐航電集成聯試、復雜電磁環境下的效能試驗、跨平臺戰術消息互操作驗證等系統級聯試,研制建設多型號共享、跨階段共用、長壽命共存的測試系統,是提高型號裝備研制效率和設計質量的重要手段。

在國內公開的研究中,文獻[2]和文獻[3]給出了面向功能接口測試的數據鏈測試設備方案;文獻[4]分析了軍民用數據鏈測試系統的測試模式和關鍵技術差異,提出了擬真程度更高、支撐全壽命周期迭代優化的發展思路;文獻[5]提出了基于實裝的消息標準和端機,以網絡化架構分階段支持研發與裝備改進的數據鏈網絡測試方案;文獻[6]分析了復雜電磁環境下航空通信效能試飛流程和評估模型。綜上,現有數據鏈測試系統多以滿足內場測試條件為研制目標,主要具備通信協議接口測試、消息類型符合性測試或信道性能測試等專用單一功能,在驗證復雜電磁環境下的組網性能方面缺乏有效手段,更多依靠研制后期的外場實裝掛飛階段評估數據鏈效能。

通過系統架構需求分析和場景設計、歸納數據鏈網絡特性和測試用例需求、面向測試任務流程分解功能線程等設計步驟,本文對支持復雜電磁環境下的航空數據鏈測試系統的能力需求、系統結構進行了梳理和論證,完成了系統功能和實施方案的設計,對關鍵技術選型進行了具體研究,工程化實施合理可行,對提升航空數據鏈測試系統能力、提高數據鏈裝備研制效率有重要意義。

1 需求分析

1.1 航空數據鏈網絡體制分析

航空數據鏈系統為了適應航空器高速移動的特性,以及現代空戰對航空數據鏈的需求,其網絡體制具有以下特點。

(1) 低時延與高數據傳輸速率。

典型的航空平臺協同信息主要是瞬時態勢、位置、武器配置等,對數據時延很敏感,航空數據鏈系統須提供足夠小的端到端時延來滿足數據的時敏性要求,同時必須提供足夠大的傳輸速率。

(2) 抗干擾空中接口波形。

為了增強通信的抗干擾能力,采用抗干擾波形和糾錯編碼;為了降低截獲概率,采用功率控制技術控制發射功率;為了航空通信鏈路的可靠性,采用可以高速切換波束方向的多波束天線,通過多波束天線定向發送數據。

(3) 空中機動組網。

航空器之間的相對位置不斷變化,網絡中的任何節點都可能加入合成新的網絡或退出網絡;航空數據鏈中的節點可及時更新網絡拓撲,并確定網絡路由和鏈路信息交互方式。航空數據鏈網絡拓撲具有動態性、臨時性等特點,一般采用時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)網絡協議和分級網絡結構,具備多個網關和網絡成員,按照TDMA時幀結構的組網協議和物理層波形,實現多個網絡成員空中機動組網。

1.2 航空數據鏈測試系統設計需求分析

為實現可支持復雜電磁環境、可覆蓋數據鏈研制全流程的航空數據鏈網絡集成測試系統,系統體系結構須與航空數據鏈網絡拓撲保持一致,系統設計須重點關注復雜無線信道下對數據鏈進行網絡魯棒性考核和極限性能測試的用例邏輯,應用流程上須覆蓋波形開發仿真、網絡協議一致性測試、互操作性測試、系統集成聯試、效能評估等各階段需求。系統體系結構、關鍵設備配置軟硬件定制開發應重點關注以下方面。

(1) 網絡協議測試需求。

測試系統須實現數據鏈端機組網下,執行數據鏈應用消息、網絡拓撲控制、網絡容量性能、鏈路傳輸性能等測試項目,包含網絡協議一致性驗證、網絡協議互操作性測試、網絡協議性能測試、網絡協議堅固性測試,并支持網絡協議優化比對驗證等用途。

(2) 復雜電磁環境無線信道仿真及模擬需求。

航空數據鏈系統頻段高、運動速度快、多徑擴展大,須通過無線仿真模擬復雜衰落信道、切斷信道、注入干擾等網絡實景和故障模擬,測試網絡協議在各種惡劣環境下運行的能力。在實驗室內模擬各種典型的無線信道環境,不易受外界環境影響,可以降低試驗成本,且試驗具有可重復性。

(3) 射頻信道指標測試需求。

射頻信道質量是數據鏈網絡物理層波形的基礎。為測試驗證射頻功放和收發信道模塊的功能與性能,須對發射頻譜、接收機指標及其他指標進行符合性測試,包括功率特性、頻譜特性、調制質量、互調特性、波形質量、信道線性度、接收靈敏度、抗干擾能力等;并對提升數據鏈系統作用性能的重要指標,如接收靈敏度、抗干擾能力等可達到的最佳極限指標進行摸底。

(4) 測試環境管理需求。

航空數據鏈測試系統是常態化運行的網絡化平臺。為適應多種型號的數據鏈裝備研制,并保持相對固化的測試環境,系統結構須與航空數據鏈網絡拓撲保持一致,采用不同類型的消息激勵和被測件控制策略,按照測試用例執行分析檢測,并自動化判定測試結果。須區分測試任務場景,形成標準化的測試用例腳本,并組合化配置管理各測試節點、被測件和測試任務。

(5) 自動化測試執行需求。

須具備從建立測試任務、執行測試任務到測試結果查看分析的全面管理。① 基于測試計劃的任務規劃和執行,測試環境配置和用例調用與測試計劃關聯;用例執行過程中可自動執行,并可人工暫停、恢復、終止測試任務的執行。② 實現協議數據抓包和比對分析,能夠對1553B、FC、RapidIO等不同類型接口數據進行抓包,并自動化判決數據的時刻、類型、字段、賦值的有效性。

2 系統設計

通過系統需求分析,根據測試系統的受試對象、工裝環境、任務執行、數據管理等組織流程,對系統的組成和功能進行劃分與界定,在此基礎上對系統的體系結構設計進行闡述。

2.1 系統體系結構

為適應航空數據鏈網絡多節點接入、自動測試管理和多通道無線信道模擬需求,系統采用集中-分布式結構,劃分為自動測試管理子系統、受試/參試設備和無線信道模擬子系統,實現基于以太網的分布式航空節點接入和集中式測試管理,系統結構示意圖如圖1所示。

2.2 系統關鍵設備

自動測試管理子系統關鍵設備包括航空節點接入終端、自動測試平臺服務端和客戶端等。

無線信道模擬子系統關鍵設備包括復雜電磁環境信道模擬設備和標準/非標準儀器。

2.2.1 航空節點接入終端

為適應現代航空總線標準,適配多種型號平臺標準,航空節點接入終端提供多種真實數據鏈端機總線接入端口,配置1553B、FC、RapidIO等接口模塊,完成端機控制數據和業務數據接入,實現對各種航空總線體制數據鏈端機的控制。測試節點采用通用化架構,可任意作為被測、陪測、基準數據鏈端機組網測試,并具有良好的接口兼容性[7],可支撐未來擴充新型被測裝備。

多臺航空節點接入終端通過局域網組網,以支持多個航空節點的數據鏈端機組網測試,并且具備較好的節點數量擴展能力。航空節點接入終端接口示意圖如圖2所示。

2.2.2 自動測試平臺服務端及客戶端

自動測試平臺服務端及客戶端是系統實施測試任務的管理核心,其功能接口示意圖如圖3所示。

(1) 測試環境管理。

自動測試平臺服務端及客戶端對測試環境中的航空節點接入終端、復雜電磁環境信道模擬設備、標準/非標準儀器等的接入、配置和選用進行集中式管理。對接入儀器儀表,通過封裝的應用程序接口(Application Programming Interface,API),實時采集測量數值和抓取波形,可進行射頻、秒脈沖等信號的時域、頻域分析和比對,支持實時數據展示或事后分析。

(2) 測試任務規劃和控制。

可根據想定的航空數據鏈網絡運行場景編輯規劃測試任務。測試任務包括測試節點配置、測試環境配置、復雜電磁環境信道模擬設備配置、測試項目和被測產品設置、測試腳本配置等。

測試任務的執行階段,網絡實時控制命令、端機實時頻率及控制參數,實時更新位置信息等能通過各節點計算機配置的總線接口下發至被測、陪測和基準數據鏈端機,實現組網動態控制?；诰W絡運行時間進程,數據鏈網絡拓撲、位置信息、組網/編隊情況等網絡運行狀態,以及復雜電磁環境信道模擬設備模擬仿真進程等,與測試任務過程實時關聯呼應,實時展示場景變化和通信效能的動態過程。

(3) 測試任務自動/人工執行。

根據各個測試項目的測試邏輯和實現步驟,形成基于Python腳本的測試用例[8],并對儀器SCPI接口采用Python解釋器封裝[9]。自動測試平臺服務端/客戶端在規劃和執行測試任務時,可調用基于Python腳本的測試用例并執行腳本,實現測試業務邏輯、測試流程控制、測試數據采集、數據處理、結果判定、數據記錄等功能。

(4) 協議抓包數據分析。

在測試用例中,接收被測、陪測和數據鏈基準端機上報的各種內外部數據進行實時解析和比對,并按照測試邏輯對其進行分析、判定。分析的內容包括:數據格式/內容、交互邏輯、時序關系、射頻/低頻信號波形等。實時數據分析的性能滿足多節點組網測試邏輯對時延的要求,確保測試邏輯的實現。

基于以太網總線的協議抓包數據分析過程,是通過在各節點計算機對各總線數據抓包并標定時間戳,實現航空數據鏈網絡多節點端機的消息層、網絡層、鏈路層通信協議的抓包分析。協議抓包數據分析具有并發節點較多、交互數據量較大、實時性要求較高的特點。

通過配置高性能自動測試平臺服務端及客戶端工作站和PTP時間服務器,使測試系統硬件處理能力能支持多節點高并發實時數據采集、解析處理、集中式比對分析、結果判斷、數據事后管理等需求。PTP時間服務器支持10 ns級系統授時,以確保測試系統同一授時精度,并滿足航空數據鏈系統100 ns級時間同步精度和毫秒級延時的組網測試要求。

基于以太網系統搭建的整個測試系統中自動測試平臺客戶端、服務端和航空節點接入終端均采用基于socket的網絡通信,凡涉及有較大的準備數據的情況時,需要提前對客戶端、服務端和航空節點接入終端測試數據內容進行同步,以避免因測試執行過程中不必要的大批量測試數據傳送而導致的網絡擁堵,進而影響到最終測試結果的精準度。

2.2.3 復雜電磁環境信道模擬設備

傳統的數據鏈自動測試系統一般僅通過接口數據采集比對,實現數據鏈網絡協議驗證及實驗室性能測試。即使采用了如OPNET等網絡仿真工具,依然無法模擬受復雜電磁環境影響后的數據鏈網絡性能。在傳統航空數據鏈系統研制過程中,必須在后期通過多架次的實裝試飛,才能檢驗快速時變的地空/空空地形環境和電磁環境下的數據鏈網絡層、鏈路層和物理層協議的堅固性,數據鏈網絡性能優化迭代研發效率較低、成本高,且一旦發現問題,需要多次循環測試來定位問題。

多節點組網下的航空數據鏈自動測試系統,必須在實驗室內還原真實的無線通信環境,采用射頻接口互聯互通的方式,高效地驗證和優化無線網絡體制。

集成了復雜電磁環境信道模擬設備的數據鏈測試系統具有以下優勢和特點[10]:

① 高效率:能夠自定義多種航空平臺網絡拓撲和鏈路信道環境,實時地處理信號傳播與注入干擾,全程動態閉環模擬航空平臺飛行中時空路徑下的電磁環境變化特征,可按預案執行或臨時調整仿真參數,極大地提高了測試效率。

② 可重復性:在相同參數配置條件下仿真過程可準確再現復雜電磁環境信道特征,可在相同的場景下對數據鏈網絡系統進行多次重復測試。

③ 準確性:無線信道模擬設備基于已經驗證的模型,可仿真各種外場環境(平原、丘陵、山區、城市等)、不同的運動狀態(高速、低速等)、不同方向角的入射以及不同的通信制式。

數據鏈端機信號進入復雜電磁環境信道模擬設備的簡化處理流程如圖4所示。

圖4 數據鏈端機信號處理流程框圖

① 外部射頻采集信號輸入,設定輸入信號中心頻點、信道帶寬信息,完成射頻信號模擬下變頻、濾波和信號幅度調理,滿足模數轉換模塊(ADC)的采樣要求。

② 模擬信號轉換為數字零中頻信號后,在數字信號處理模塊中進行數字濾波和抽取。

③ 各通道按照組網拓撲設置進行轉發、數據路由交換和傳輸。

④ 各通道對接收的各路信號進行信道仿真處理,包括由距離變化帶來的傳輸時延、大尺度衰減、多徑時延、多徑衰減、多普勒頻移及擴展、噪聲干擾疊加等。

⑤ 進行接收端信號合成,包括多徑信號的疊加、多輸入單輸出信號的疊加,然后經數模轉換模塊(DAC)輸出模擬信號。

⑥ 完成模擬信號上變頻、功率調節等功能后輸出信號。

3 測試任務流程及用例邏輯

3.1 測試任務流程

航空數據鏈組網測試是從任務場景想定出發,分階段完成測試任務規劃和控制、復雜電磁環境無線信道實時模擬、數據鏈協議抓包分析。組網測試任務流程圖如圖5所示。

3.2 測試用例邏輯

系統支持航空數據鏈網絡層、鏈路層協議驗證,支持復雜電磁環境下多節點組網運行和網絡性能測試。列舉常見的測試用例邏輯和實現原理如下。

(1) 網絡層、鏈路層協議驗證。

傳輸可靠性、單播/組播路由:采用總線協議抓包,比對網絡層、鏈路層報頭控制字。

(2) 多節點組網運行測試。

入網、退網、建立編隊、修改編隊成員:采用總線協議抓包,比對網絡層狀態控制字。

功率/速率自適應控制:無線信道模擬設備改變信道衰減或注入干擾,總線抓包解析物理層速率、功率參數,統計子網成員之間數據率,用功率計查看功率調整。

頻率自適應控制:無線信道模擬設備加入時變頻率干擾總線抓包解析頻點信息,用頻譜儀查看頻點切換功能。

(3) 網絡性能測試。

網絡節點數:系統配置最大節點數,根據網絡協議棧最大網絡容量,模擬鏈路資源分配和競爭邏輯,總線持續抓包,驗證網絡協議棧邏輯的正確性。

網絡建立時間、遲入網時間、退網時間:總線持續抓包,比較網絡層組網狀態控制字改變的時間間隔。

網絡吞吐量:總線持續抓包,統計點對點固定時間內的數據量,并進行均值和峰值統計。

用戶速率:配置節點數量和業務帶寬,總線持續抓包,統計節點之間用戶數據收發速率。

(4) 鏈路物理層性能測試。

發射頻譜框架測試:設置端機發射參數、設置頻譜儀、功率計、示波器等標準測試儀器工作參數,啟動被測端機發射無線信號,采集儀器測試數據并判讀測試結果。

接收信道性能測試:設置接收信道參數、設置衰減網絡鏈路差損、設置定制化非標準信號源或陪測端機發射無線信號,統計解調數據誤碼率并判讀測試結果。

4 集成測試環境實現及應用

4.1 自動測試平臺架構

自動測試平臺采用面向對象的思想,遵循高內聚低耦合的原則,采用C/S架構,通過運行自動測試腳本,實現自動測試中的被測件管理、測量儀表控制、用例開發/調試、測試計劃生成、測試執行、測試結果查看與報表生成、數據導入導出等功能。

平臺數據庫主要分為平臺基礎運行數據庫和抓包分析數據庫,由于數據庫存儲的數據是標準的結構化數據,因此選擇MySQL、SQL Server等關系型數據庫。平臺基礎運行數據庫由信道模擬設備數據、儀器數據、測試產品數據、測試節點數據、測試用例數據、測試計劃數據和測試結果記錄數據等基礎運行管理數據組成;抓包分析數據庫由抓包統計模型庫、試驗效果分析模型庫等組成。平臺數據庫結構關系示意圖如圖6所示。

4.2 測試用例腳本實現示例

以數傳靈敏度測試為例,在測試用例中,由用戶輸入參數(信號頻率、信號起始電平、信號結束電平、誤碼率門限等)做參數校驗后,交由業務模塊進行處理與計算。逐級遞減輸入電平,通過比對信號源原始數據和信號處理模塊輸出的解調數據,可以計算得到誤碼率,通過與誤碼率門限進行對比和判斷,確定被測模塊靈敏度。數傳靈敏度測試用例腳本代碼UML類圖如圖7所示。

圖7 數傳靈敏度測試用例腳本代碼UML類圖

4.3 交互界面設計

主交互界面體現平臺前端/后端設計思想。以測試計劃管理和執行為操作主線,測試項目和被測產品可任意組合編輯為測試任務。測試用例(腳本)、測試環境配置、測試對象均可進行常態化維護并隨任務調用。主交互界面如圖8所示。

圖8 主交互界面

5 結束語

通過優化頂層結構和功能設計,系統適用于面向算法開發、型號研制、小批試產、不同廠家型號產品驗證(入網測試)的各階段需求,可提高檢測覆蓋率、提高維護便捷性、降低人為誤差,提升測試保障效率,全壽命服務于航空數據鏈研制過程。

系統采用分布式節點接入,結合集中式任務調度、平臺配置管理和測試執行等處理流程,構建了易迭代、易擴展、彈性化的航空數據鏈集成測試環境,方案設計具有較好的先進性,也為研究其他大型航空電子系統的綜合檢測手段提供了較好的借鑒意義。