謝 輝，李建中，任國全，胡敬坤

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200）

0 引言

小型地面機(jī)器人可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地形地貌環(huán)境下的區(qū)域搜索、檢測和目標(biāo)搜尋，常常采用無線鏈路通信方式，實(shí)現(xiàn)移動平臺與控制終端之間的雙向信息交互。在進(jìn)行小型地面機(jī)器人綜合性能評定時(shí)，其無線鏈路通信距離也是一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，美軍在地面無人車輛試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定，必須進(jìn)行視距和非視距條件下的通信距離測試［1］。而目前國內(nèi)關(guān)于無人裝備無線鏈路通信距離的測試方法只在文獻(xiàn)［2］中有提及，主要采用模擬拉距法、有線拉距法和現(xiàn)場實(shí)測法3 種方式，這些方法均未考慮無線鏈路近地傳播的工作特點(diǎn)，和復(fù)雜地形地貌下各種遮擋和反射引起的多徑衰落，因此，無法為復(fù)雜環(huán)境下小型地面機(jī)器人鏈路通信能力的測評提供方法支撐。

1 傳統(tǒng)鏈路通信距離測試方法分析

通信距離是表征機(jī)器人系統(tǒng)在規(guī)定環(huán)境條件下無線鏈路保持穩(wěn)定工作的重要性能指標(biāo)之一。GJB5200-2003《無人機(jī)遙控遙測系統(tǒng)通用規(guī)范》中對無線鏈路最大通信距離測試方法進(jìn)行了規(guī)范，其中模擬拉距法和有線拉距法均以自由空間中無線電傳播模型為設(shè)計(jì)依據(jù)，具體分析如下。

1.1 模擬拉距法

該方法是在無線鏈路收發(fā)天線的一端設(shè)置步進(jìn)式信號衰減器，通過在近距離r0處正常收發(fā)無線鏈路信號，測得其路徑損耗最大允許值A(chǔ)測，最后將A測與由式（1）計(jì)算的衰減量Amax進(jìn)行比較，也可通過式（2）計(jì)算出模擬測試得到的Rmax。依據(jù)測試和計(jì)算結(jié)果，評定被測鏈路最大通信距離是否達(dá)到指標(biāo)要求，當(dāng)A測≥Amax或Rmax≥R0時(shí)判定為合格。

其中，R0為技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的最大通信距離，r0為鏈路收發(fā)天線之間的距離。

1.2 有線拉距法

該方法通過在收發(fā)天線兩端端口設(shè)置固定信號衰減器A線（模擬線損）和步進(jìn)信號衰減器A預(yù)，并將兩端有線連接形成信號閉環(huán)，通過測試得到最大衰減量A測，并將所測值與最大通信距離等效衰減量Amax進(jìn)行比較評定。測試時(shí)步進(jìn)信號衰減器按式（3）計(jì)算預(yù)置值。

其中，Pt為發(fā)射功率，Sr為接收靈敏度。

1.3 現(xiàn)場實(shí)測法

該方法是將在正常工作（飛行）條件下測控鏈路可靠通信的最大有效距離Rmax，與指標(biāo)規(guī)定的最大通信距離R0進(jìn)行比較評定。

1.4 存在問題分析

比較上述3 種測試方法可以看出，傳統(tǒng)鏈路通信距離測試方法，主要采用自由空間傳播模型進(jìn)行傳播距離和路徑損耗的等效換算，這種方法對于無人機(jī)測控鏈路地空傳播方式基本適用，但在地面機(jī)器人測控鏈路通信距離測試時(shí)存在以下兩方面問題：

1）傳播損耗模型不通用。自由空間傳播模型默認(rèn)路徑損耗衰減速率因子n=2，地面機(jī)器人測控鏈路屬于近地傳播無線信道，受植被、地形、建筑物遮擋和地面多徑效應(yīng)影響，信號衰落嚴(yán)重［3］，通常情況下路徑損耗衰減速率因子n＞2，因此，不能采用自由空間傳播模型進(jìn)行表征；

2）路徑損耗衰減影響程度不明確。自由空間傳播模型不考慮復(fù)雜地表環(huán)境對路徑損耗的影響，實(shí)測法雖然引入了地形、地貌、地物等影響因素，但無法通過測試數(shù)據(jù)提取表征環(huán)境影響程度的衰減速率因子n，也就很難保證測試結(jié)果的一致性和可復(fù)現(xiàn)性。

2 機(jī)器人鏈路通信環(huán)境與RF 傳播損耗模型分析

2.1 機(jī)器人鏈路通信環(huán)境特點(diǎn)

小型地面機(jī)器人鏈路通信的收發(fā)天線高度低，屬于近地傳播無線信道，作戰(zhàn)使用場景包括開闊野外、山地洞穴、城鎮(zhèn)街區(qū)和建筑物內(nèi)，常處于非通視條件，容易受到山坡、房屋、車輛、土堆、雜草、灌木等地面障礙物的遮擋［4］，這些因素導(dǎo)致機(jī)器人鏈路通信時(shí)會產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑效應(yīng)和陰影效應(yīng)，使信號傳播產(chǎn)生快速的衰落。這種自然環(huán)境隨機(jī)因素雖然很難進(jìn)行定量描述，但卻是機(jī)器人在復(fù)雜使用條件下無法回避的。為了合理設(shè)計(jì)機(jī)器人鏈路通信距離測試方法，有必要對比分析現(xiàn)有RF 傳播模型，選取適用于小型地面機(jī)器人使用環(huán)境的無線電波傳播模型。

2.2 RF 傳播損耗模型分析

對于被測的機(jī)器人鏈路通信系統(tǒng)而言，其信道的技術(shù)參數(shù)已由設(shè)計(jì)方案確定，影響其通信距離的主要是路徑損耗。在自由空間中，RF 傳播路徑損耗可由式（4）得到。

上述公式只是理想環(huán)境下的路徑損耗計(jì)算模型，在實(shí)際工程實(shí)踐中，研究人員針對不同使用環(huán)境，通過增加經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，建立了更多的路徑損耗計(jì)算模型，如Okumura-Hata 模型、COST231-Hata模型、Walfisch-Ikegami 模型、Egli 模型、Lee 模型、PlaNET 通用模型等［5］。這些模型主要針對現(xiàn)代蜂窩通信特點(diǎn)，適用于收發(fā)天線高度在數(shù)米到數(shù)十米范圍之間、信號覆蓋范圍在1 000 m 以上的無線通信場景，但無法滿足貼近地表、高度在數(shù)十厘米左右、傳播范圍在1 000 m 內(nèi)的收發(fā)天線路徑損耗估算的精度要求。為此，科研人員對于近地和近距離條件下無線傳播路徑損耗計(jì)算方法進(jìn)行了深入的研究，建立了更加微觀化和精確化的分析模型，如Motley模型、對數(shù)距離路徑損耗模型等。研究驗(yàn)證表明［5-6］，對數(shù)距離路徑損耗模型可適用于小范圍（半徑為km級別）內(nèi)的無線鏈路室內(nèi)外近地傳播場景，其路徑損耗計(jì)算公式為：

PL（d）=PL（d0）+10nlg（d/d0）+Xσ（5）其中，d0和PL（d0）分別為參考距離和參考距離處的路徑損耗，由實(shí)測決定，d 為收發(fā)天線之間的距離，n為衰減速率，表示路徑損耗隨距離增長的速率，取值范圍為2～5，Xσ表示標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ 的正態(tài)隨機(jī)變量，取值范圍為4～10［7］。對數(shù)距離路徑損耗模型表述簡潔，近地傳播條件下的適用性好，可作為小型地面機(jī)器人無線鏈路通信距離測試的基礎(chǔ)模型。

2.3 路徑損耗影響因素分析

常用路徑損耗模型均是基于無線電傳播特性進(jìn)行適當(dāng)簡化的經(jīng)驗(yàn)公式，其適用范圍根據(jù)測試系統(tǒng)和環(huán)境條件而定，估算精度則取決于對環(huán)境參數(shù)的識別精度。這些模型雖然不能完全適用于地面機(jī)器人通信距離測試，但可以根據(jù)一些定性的變化規(guī)律，確定影響無線鏈路傳播路徑損耗的敏感因子，這對于小型地面機(jī)器人無線鏈路通信距離測試方法的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)條件的控制，都具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究表明，影響小型地面機(jī)器人無線鏈路路徑損耗的主要影響因素如下：

1）收發(fā)天線距離。該距離的對數(shù)與路徑損耗成正比，T-R 距離越大，路徑損耗越大；

2）天線離地高度。對于近地?zé)o線傳播，收發(fā)臺天線離地高度的對數(shù)與路徑損耗成反比，天線越高，則路徑損耗越??；

3）收發(fā)天線之間的遮擋物。收發(fā)天線之間的障礙物遮擋，會產(chǎn)生繞射路徑損耗，遮擋物越多，損耗越大；

4）傳播區(qū)域內(nèi)的地貌。無線鏈路覆蓋區(qū)域內(nèi)地貌越復(fù)雜，傳播路徑損耗越大；

5）收發(fā)天線功率。無線鏈路系統(tǒng)發(fā)射天線功率越大，覆蓋區(qū)域信號越強(qiáng)，有效傳播距離越遠(yuǎn)，而接收天線功率越低，信號接收單元越敏感，鏈路有效距離越遠(yuǎn)。其中收發(fā)功率取決于鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元件篩選質(zhì)量、電源功率分配、使用壽命等因素。

3 鏈路通信距離測試方法設(shè)計(jì)

小型地面機(jī)器人鏈路通信距離測試的目的是通過試驗(yàn)獲取機(jī)器人在典型使用環(huán)境和工作方式下的鏈路通信極限能力。為了兼顧標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的達(dá)標(biāo)性測試，和極限邊界條件下的摸底性測試要求，在試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)時(shí)，必須將影響機(jī)器人無線鏈路路徑損耗的主要因素作為試驗(yàn)控制的關(guān)鍵條件。

根據(jù)上述分析，GJB5200-2003《無人機(jī)遙控遙測系統(tǒng)通用規(guī)范》中的模擬拉距法屬于半開放式的測試方法，其試驗(yàn)思想本質(zhì)上是將無線鏈路傳播環(huán)境假設(shè)為自由空間，無需高標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)場地和條件控制，試驗(yàn)結(jié)果直觀，便于對環(huán)境影響因素進(jìn)行分析，因此，可作為機(jī)器人鏈路通信距離測試參考方法。在此基礎(chǔ)上作如下試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)。

3.1 試驗(yàn)條件

1）封閉測試場地，清理與試驗(yàn)預(yù)置環(huán)境條件無關(guān)的人員、遮擋物、反射物等；

2）通過電波監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行掃頻，確保試驗(yàn)場域內(nèi)不存在與被測鏈路頻點(diǎn)接近的干擾信號。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1）在被測鏈路通道發(fā)射天線輸出端連接步進(jìn)式信號衰減器，機(jī)器人系統(tǒng)開機(jī)并檢測信道是否通暢；

2）根據(jù)測試場地條件和鏈路最大通信距離指標(biāo)R0確定一個(gè)合理的最大測試距離dmax，在此距離內(nèi)按照等距確定不少于7 個(gè)測試點(diǎn)di=idmax/k（i=1，2，3，…，k，k≥7），或按照對數(shù)等距取di=2i-kR0（i=1，2，3，…，k，k≥7）；

3）根據(jù)式（1）分別計(jì)算出測試點(diǎn)di處步進(jìn)式信號衰減器預(yù)置值A(chǔ)預(yù)i=20 lg（R0/di）。

3.3 試驗(yàn)方法及步驟

1）選定典型試驗(yàn)環(huán)境，將機(jī)器人移動平臺放置在距離機(jī)器人控制站di（i=1，2，3，…，k，k≥7）處，并將步進(jìn)式信號衰減器衰減值設(shè)置為A預(yù)i。發(fā)送遙控指令，使其任務(wù)載荷工作，同時(shí)接收遙測信息；

2004年末，鶴壁市的城市規(guī)劃局也頒布了關(guān)于建筑外部造型和市面色彩規(guī)劃的管理通知。同年，南京市也召開了城市色彩建設(shè)研討會，最后把淡綠色定為南京城市的基礎(chǔ)色調(diào)。

2）操縱控制站向機(jī)器人發(fā)送遙控指令，使其任務(wù)載荷工作，同時(shí)接收遙測信息。按1 dB～2 dB 的步幅增大（或減小）衰減值，觀察機(jī)器人指令收發(fā)情況和遙測信息。直至其中一個(gè)鏈路的誤碼率或丟包率超出指標(biāo)規(guī)定值，記錄此時(shí)衰減值A(chǔ)ij，轉(zhuǎn)動機(jī)器人移動平臺方位，重復(fù)采樣不少于40 次。

3.4 數(shù)據(jù)處理方法

將測試所得的各位置點(diǎn)處的信號衰減值A(chǔ)ij取算術(shù)平均得Aˉi，然后得到一組數(shù)據(jù)（di，Aˉi），（i=1，2，3，…，k，k≥7），由于在鏈路最大通信距離實(shí)測值Dmax處，鏈路接收端的信號強(qiáng)度剛好達(dá)到天線接收靈敏度，此時(shí)信號衰減器衰減值為0，由式（5）可以得到：

最后代回計(jì)算，可以得到路徑損耗衰減速率n=-a/10 和鏈路最大通信距離實(shí)測值Dmax=10-b。

3.5 結(jié)果評定

在指標(biāo)評定時(shí)，可根據(jù)指標(biāo)規(guī)定的環(huán)境條件下最大通信距離實(shí)測值Dmax與指標(biāo)值R0的比較判定結(jié)果是否達(dá)標(biāo)。

在復(fù)雜條件下通信距離摸底時(shí)，可根據(jù)典型任務(wù)剖面構(gòu)建不同的測試環(huán)境，通過測試各種典型環(huán)境下的Dmax，分析機(jī)器人無線鏈路通信的極限能力。

4 實(shí)測驗(yàn)證與結(jié)果分析

某小型地面機(jī)器人遙測頻率為580 MHz，最大通信距離設(shè)計(jì)值為1 200 m，為驗(yàn)證上述方法，以該機(jī)器人遙測鏈路為測試對象，按該方法測試其在典型環(huán)境下的鏈路通信能力。

4.1 測試條件設(shè)置

根據(jù)小型地面機(jī)器人的工作環(huán)境特點(diǎn)，分別設(shè)置開闊道路、街區(qū)和室內(nèi)3 種典型環(huán)境測試，同時(shí)兼顧其使用方式，確定以下3 種測試條件：

1）開闊道路條件

主要考慮在光學(xué)通視條件下，對比不同天線高度和不同地物下的鏈路信號傳播差異性。試驗(yàn)時(shí)移動平臺在地面行駛，天線基座高度為0.3 m，而操控端電臺根據(jù)工作方式的不同，分別設(shè)置將電臺置于地面和直立背負(fù)電臺兩種方式，對應(yīng)天線基座高度為1.5 m 和0.4 m。地物影響主要考慮在通視條件下，水泥道路兩側(cè)為低矮草叢和中等密度樹木兩種情況的對比，按照100 m 等距選擇測試點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 開闊道路條件下測試示意圖

2）街區(qū)條件

主要考慮普通多層建筑物遮擋的影響，分析建筑物遮擋對路徑損耗的影響。限于測試場地條件，選擇南北方向連續(xù)排列的6 棟磚混砌體結(jié)構(gòu)居民建筑物進(jìn)行測試，按照等樓間距選取測試點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 街區(qū)條件下測試示意圖

3）室內(nèi)條件

主要考慮多層建筑內(nèi)樓層遮擋的影響，分析間隔樓層數(shù)對路徑損耗的影響，選擇11 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)居民建筑物進(jìn)行測試，按照等樓層間距選取測試點(diǎn)，如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)條件下測試示意圖

4.2 測試結(jié)果分析

將測試數(shù)據(jù)按3.4 中的方式進(jìn)行處理，并按式（5）計(jì)算出各種典型環(huán)境條件下測試點(diǎn)的路徑損耗值，將其與距離對數(shù)對應(yīng)，顯示如下頁圖4 所示。

圖4 典型環(huán)境下的路徑損耗圖

計(jì)算可以得到各種典型環(huán)境下的傳播模型參數(shù)如表1 所示。

通過表1 可以看出，通視條件下該機(jī)器人遙測鏈路最大通信距離基本都能達(dá)到指標(biāo)值，只有在道路兩側(cè)有高大樹木時(shí)對鏈路傳播影響明顯，通信距離未達(dá)到設(shè)計(jì)值；同時(shí)，電臺高度對無線通信距離測試結(jié)果影響明顯，不同環(huán)境下路徑損壞衰減因子變化也十分顯著。

表1 典型環(huán)境下的回歸參數(shù)歸納表

通過驗(yàn)證試驗(yàn)表明：

1）環(huán)境條件對機(jī)器人無線鏈路通信距離測試結(jié)果影響顯著，本文設(shè)計(jì)的測試方法能夠通過測試數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同環(huán)境條件下路徑損耗衰減速率因子n，可用于分析無線鏈路通信距離測試時(shí)不同環(huán)境的復(fù)雜性，并定量表征出其差異性；

2）新方法測得不同環(huán)境下的衰減速率因子變化顯著，且正態(tài)隨機(jī)變量Xσ波動符合模型要求，證明該測試方案和擬合方法合理可行，不僅能夠用于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下機(jī)器人無線鏈路最大通信距離測試，也可用于復(fù)雜環(huán)境條件下的無線鏈路通信距離極限能力摸底測試。

5 結(jié)論

本文圍繞小型地面機(jī)器人鏈路通信距離測試問題，通過對比傳統(tǒng)測試方法，結(jié)合RF 傳播損耗模型特點(diǎn)及路徑損耗主要影響因素分析，指出了傳統(tǒng)測試方法無法適用于地面機(jī)器人鏈路通信距離測試的原因。根據(jù)地面機(jī)器人鏈路通信近地傳播的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)測試方法的基礎(chǔ)上，選取對數(shù)距離路徑損耗模型，設(shè)計(jì)了適用于地面機(jī)器人的鏈路通信距離測試方法。利用新方法在某型機(jī)器人樣機(jī)上進(jìn)行了開闊道路、街區(qū)和室內(nèi)3 種典型環(huán)境下的實(shí)地測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法合理可行，衰減速率因子的變化，可定量表征出被測機(jī)器人在不同環(huán)境下鏈路通信環(huán)境的差異性，新方法可適用于復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人鏈路性能測試評估。