一种无人机数据链可靠性的仿真系统设计方法与流程

本发明涉及数据链仿真领域，尤其是一种仿真设计方法。

背景技术：

文献“基于vc++的空间电磁环境仿真软件，微计算机信息，2005，vol.21(8-3)，p112-p113”公布了一种基于vc++的空间电磁环境仿真软件系统，该系统根据现代雷达信号调制复杂、参数多变以及日益密集的特点，在用射频脉冲模型对雷达接收机所处环境进行描述的基础上，利用脉冲描述字(pulsedescriptionword，pdw)来描述接收信号的特征和雷达信号的技术特性；以vc++语言为编程设计平台，设计并实现了脉冲描述字中六个参数的数学模型，仿真得到了雷达电磁信号处理输出的全脉冲仿真实验数据。该文献所述方法在对模块对象设计并封装时，只考虑了雷达接收机特性，分析对象不够全面；另外在系统仿真时，也只关注于脉冲描述字的参数特性，没有体现出复杂电磁环境中存在的多种干扰体制。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，解决现有仿真系统设计并未考虑到数据链面临的复杂电磁环境的影响效应，本发明提出了一种基于vc++的复杂电磁环境下无人机数据链仿真系统设计方法，该系统在构建复杂电磁环境场景的基础上，建立电磁环境中多种信号模型库和传播模型库，通过在场景界面中对各要素位置、航迹等参数的设置，实现多元动态的复杂电磁环境再现，同时求解数据链系统性能参数，包括信干比、可靠度、失效率等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤一：建立各要素模型库

复杂电磁环境下的数据链系统主要包括场景设置模块、模型库模块、数据计算模块和人机交互界面模块，其中场景设置模块对测控信号和各干扰信号源的参数进行输入和设置，主要包括信号源名称、信号数量和体制、信号频率、天线增益、信号发射功率、传播环境参数及信号源运动参数，利用mfc类库中cdialog对话框类的domodal()函数创建相应的参数设置对话框，在对话框中利用c++界面控件直接拖拽添加编辑框与组合框作为参数输入入口，利用getitemtext函数可以获取编辑框中的输入并赋值于变量且保存；模型库模块用来展示存在于复杂电磁环境中的信号的频率、波形和幅度值及相应传播模型衰减特性；数据计算模块根据场景设置模块中输入设置的信号频率、天线增益以及信号发射功率，再根据无人机、地面站、干扰源的位置坐标计算接收机处的各信号经过衰减后到达接收机天线口面的功率值，以及测控链路信号功率与干扰信号功率和的比值为信干比；人机交互界面模块加载动态场景信息，接收命令输入和显示仿真计算结果；

建立对应模型库的具体步骤如下：

步骤1.1：通过matlab软件，编写各种通信电磁信号的生成函数和环境传播特性函数，以信号数学模型s(t)和传播特性函数l(f)为生成代码，并将s(t)利用t2f函数做傅里叶变换得到信号的频域表达f(w)，再将整体代码封装为function函数形式，以频率f和幅度a为输入参数，添加matlab中subplot函数作为画出信号和传播特性函数图形的命令，并以m文件保存运行，得到各种电磁信号的时域波形图、频域频谱图和传播衰减特性图，展示信号的波形、幅度及频率特点和传播环境衰减变化曲线；

步骤1.2：将步骤1.1中封装完成的信号生成函数和传播特性函数的m文件在matlab中利用mcc-bcpplib命令编译生成c++语言格式的动态链接库dll文件和h头文件，添加至仿真软件工程目录下；

步骤1.3：在人机交互界面利用c++界面控件添加组合框，利用ccombox类库中addstring函数添加不同要素的名称文本以供选择，在组合框旁边添加按钮button控件，在该控件对应的响应代码中，利用getitemtext函数获取选择的信号类型，调用步骤1.2中生成的h头文件中的函数命令，即可运行生成函数弹出生成的信号图及传播特性图；

步骤二：构建多元、多维电磁环境

利用mfc的交互式界面窗口，实现无人机、地面站、干扰源要素属性的快速配置；

步骤2.1：创建山区、城区和海面的测试环境场景，通过添加作战单元符号和鼠标选取拖拽的方式，实现多元场景中作战单元要素，即无人机、地面站和干扰源的快速放置：

通过crect类的create函数建立正视图和俯视图两个区域，将背景图片添加到工程，利用crect和cpaintdc类的响应函数实现图片的加载，从而展现三维的作战背景；通过crect类中create函数在界面最右边创建作战单元符号区域，并放置所需设置要素的图片，分别为无人机、地面站和干扰源以及传播模型；利用鼠标操作响应函数onlbuttundown和onlbuttundblclk实现对无人机、地面站和干扰源的添加和选择，利用onmousemove函数实现要素的拖拽放置；

步骤2.2，对多元场景中各要素的属性参数进行输入设置，通过鼠标右键消息函数onrbuttundown弹出菜单列表menu，选择相应菜单项并弹出对话框，在相应编辑框edit位置输入各个信号源的发射功率、中心频率、天线增益及运动速度和加速度；根据实际场景和任务剖面绘制作战单元运行轨迹，即利用mfc画线函数cdc类中的moveto和lineto函数双击图片位置画线，即规定航迹；根据步骤2.1中创建的三个测试环境场景，点击步骤2.1中作战单元符号区域中的传播模型图片，在鼠标消息响应函数onlbuttondown中添加cdialog类的domodal()函数，弹出传播模型选择对话框，选择相应的传播模型，即山区场景对应egli模型、城区场景对应okumura模型、海上场景对应海面传播模型，为后续计算确定程序中调用的传播模型；

步骤三：动态的复杂电磁环境仿真

步骤3.1：明确系统中的坐标转换，窗口显示的场景为设备逻辑坐标即显示屏的像素点坐标，在步骤二中的程序中分别设定x、y、z三个方向的比例尺变量分别为fxratio、fyratio和fzratio，该比例尺变量值自由设定，即在步骤2.1中创建正视图和俯视图区域时，create函数中设定区域大小的长宽高分别为a、b、c，正视图和俯视图区域的坐标为设备的逻辑坐标，步骤2.1中所述测试环境场景的实际区域大小分别为a、b、c，则fxratio＝a/a、fyratio＝b/b、fzratio＝c/c，在计算各要素距离时首先利用代码plane.x、plane.y、plane.z得到无人机逻辑坐标，再将该坐标乘以相应比例尺即可转换为大地坐标系，按此步骤对无人机、地面站和干扰源的坐标进行转换；

步骤3.2：设定定时器的事件和步进时长，在mfc工程中利用ontimer方法和settimer方法设置，其中ontimer方法中规定要循环执行的事件casei，在需要执行定时器事件的代码处添加settimer(i,t，null)即可执行第i个事件，其中settimer函数的第一个参数i对应ontimer中的事件序号i，第二个参数t代表循环执行时间，单位为毫秒，第三个参数默认为null；无人机在仿真开始后按照无人机实际飞行速度与加速度运动，在正视图与俯视图区域窗口中移动至下一个仿真节拍点，该节拍点利用自己定义的getnextpoint函数，即根据无人机的速度和加速度，计算出在循环执行时间内无人机的飞行距离，除以比例尺即可换算为逻辑坐标距离，根据原点坐标计算经循环执行时间循环一次之后的无人机坐标，使无人机在循环执行时间后移动至该点坐标处；

步骤3.3：在每个节拍点处，根据步骤2.2中所设置的各信号源发射参数以及无人机、地面站和干扰源在这一时刻的距离，利用所选择的传播模型，计算出各信号的功率衰减值，由地面站发射功率减去功率衰减值得到数据链信号功率值，由各干扰源发射功率值减去功率衰减值得到各干扰信号功率值，利用描点画线的方式，即利用mfc中的coscopectrl类函数，在人机交互界面上利用crect类方法确定显示区域，创建coscopectrl类对象与rect关联，并设置曲线横纵坐标oscopectrl.range()，动态将每秒的变量值画在rect区域内，以此实现动态的复杂电磁环境仿真过程。

复杂电磁环境是一定空间内，时域、频域、能域和空域上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成。而无人机数据链系统是无人机系统的重要组成部分，其性能决定着无人机的整体作战水平。因此，必须对复杂电磁环境的构成和影响作用进行深入分析，采取更有效的建模和仿真方法，研究其对无人机数据链系统可靠性的影响作用。

本发明的有益效果是通过构建一个多元的复杂电磁环境，动态地展示出了无人机数据链的性能水平。相比于外场实际飞行测试，该系统对任意环境下任务剖面的配置和仿真基本可以在较短时间内完成，提高了仿真的效率；相比于其他学者的研究，该系统在动态展示多元复杂电磁环境的同时，还可以在短时间内迅速对数据链性能水平完成解算。本发明相比于某侦察任务规划系统，仿真飞行高度提高了4倍，而仿真时间仅为该系统的1/8；相比于某数据链路连通性仿真软件，仿真飞行高度提高了10倍以上，仿真时间仅为该系统的35％。因此，本发明的仿真系统基本准确地完成了对无人机数据链所面临的特定场景下的干扰分析，也为数据的进一步挖掘提供了有力的支撑，具有一定的灵活性和高效性。

附图说明

图1是本发明的干扰信号特性展示图。

图2是本发明的传播模型特性展示图。

图3是本发明的建立多元复杂电磁环境示意图。

图4是本发明的仿真结果参数显示图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

现结合实施例对本发明作进一步描述：

步骤一：建立各要素模型库

复杂电磁环境下的数据链系统主要包括场景设置模块、模型库模块、数据计算模块和人机交互界面模块，其中场景设置模块对测控信号和各干扰信号源的参数进行输入和设置，主要包括信号源名称、信号数量和体制、信号频率、天线增益、信号发射功率、传播环境参数及信号源运动参数，利用mfc类库中cdialog对话框类的domodal()函数创建相应的参数设置对话框，在对话框中利用c++界面控件直接拖拽添加编辑框与组合框作为参数输入入口，利用getitemtext函数可以获取编辑框中的输入并赋值于变量且保存；模型库模块用来展示存在于复杂电磁环境中的信号的频率、波形和幅度值及相应传播模型衰减特性；数据计算模块根据场景设置模块中输入设置的信号频率、天线增益以及信号发射功率，再根据无人机、地面站、干扰源的位置坐标计算接收机处的各信号经过衰减后到达接收机天线口面的功率值，以及测控链路信号功率与干扰信号功率和的比值；人机交互界面模块加载动态场景信息，接收命令输入和显示仿真计算结果；

建立对应模型库的具体步骤如下：

步骤1.1：通过matlab软件，编写各种通信电磁信号的生成函数和环境传播特性函数，以信号数学模型s(t)和传播特性函数l(f)为生成代码，并将s(t)利用t2f函数做傅里叶变换得到信号的频域表达f(w)，再将整体代码封装为function函数形式，以频率f和幅度a为输入参数，添加matlab中subplot函数作为画出信号和传播特性函数图形的命令，并以m文件保存运行，得到各种电磁信号的时域波形图、频域频谱图和传播衰减特性图，展示信号的波形、幅度及频率特点和传播环境衰减变化曲线；

步骤1.2：将步骤1.1中封装完成的信号生成函数和传播特性函数的m文件在matlab中利用mcc-bcpplib命令编译生成c++语言格式的动态链接库dll文件和h头文件，添加至仿真软件工程目录下；

步骤1.3：在人机交互界面利用c++界面控件添加组合框，利用ccombox类库中addstring函数添加不同要素的名称文本以供选择，在组合框旁边添加按钮button控件，在该控件对应的响应代码中，利用getitemtext函数获取选择的信号类型，调用步骤1.2中生成的h头文件中的函数命令，即可运行生成函数弹出生成的信号图及传播特性图；

步骤二：构建多元、多维电磁环境

仿真的复杂电磁环境具有多样性、时频域复杂交叠、空间分布多样等特点，各个辐射源在不同的任务剖面中，和不同的自然环境要素综合影响，构成了数据链所面临的多元多维电磁环境，利用mfc的交互式界面窗口，可以实现无人机、地面站、干扰源要素属性的快速配置。

步骤2.1：创建山区、城区和海面的测试环境场景，通过添加作战单元符号和鼠标选取拖拽的方式，实现多元场景中作战单元要素，即无人机、地面站和干扰源的快速放置：

通过crect类的create函数建立正视图和俯视图两个区域，将背景图片添加到工程，利用crect和cpaintdc类的响应函数实现图片的加载，从而展现三维的作战背景；通过crect类中create函数在界面最右边创建作战单元符号区域，并放置所需设置要素的图片，分别为无人机、地面站和干扰源以及传播模型；利用鼠标操作响应函数onlbuttundown和onlbuttundblclk实现对无人机、地面站和干扰源的添加和选择，利用onmousemove函数实现要素的拖拽放置；

步骤2.2，对多元场景中各要素的属性参数进行输入设置，通过鼠标右键消息函数onrbuttundown弹出菜单列表menu，选择相应菜单项并弹出对话框，在相应编辑框edit位置输入各个信号源的发射功率、中心频率、天线增益及运动速度和加速度；根据实际场景和任务剖面绘制作战单元运行轨迹，即利用mfc画线函数cdc类中的moveto和lineto函数双击图片位置画线，即规定航迹；根据步骤2.1中创建的三个测试环境场景，点击步骤2.1中作战单元符号区域中的传播模型图片，在鼠标消息响应函数onlbuttondown中添加cdialog类的domodal()函数，弹出传播模型选择对话框，选择相应的传播模型，即山区场景对应egli模型、城区场景对应okumura模型、海上场景对应海面传播模型，为后续计算确定程序中调用的传播模型；

步骤三：动态的复杂电磁环境仿真

步骤3.1：明确系统中的坐标转换，窗口显示的场景为设备逻辑坐标即显示屏的像素点坐标，在步骤二中的程序中分别设定x、y、z三个方向的比例尺变量分别为fxratio、fyratio和fzratio，该比例尺变量值自由设定，即在步骤2.1中创建正视图和俯视图区域时，create函数中设定区域大小的长宽高分别为a、b、c，正视图和俯视图区域的坐标为设备的逻辑坐标，步骤2.1中所述测试环境场景的实际区域大小分别为a、b、c，则fxratio＝a/a、fyratio＝b/b、fzratio＝c/c，在计算各要素距离时首先利用代码plane.x、plane.y、plane.z得到无人机逻辑坐标，再将该坐标乘以相应比例尺即可转换为大地坐标系，按此步骤对无人机、地面站和干扰源的坐标进行转换；

步骤3.2：设定定时器的事件和步进时长，在mfc工程中利用ontimer方法和settimer方法设置，其中ontimer方法中规定要循环执行的事件casei，在需要执行定时器事件的代码处添加settimer(i,t，null)即可执行第i个事件，其中settimer函数的第一个参数i对应ontimer中的事件序号i，第二个参数t代表循环执行时间，单位为毫秒，取值1000则为1秒，第三个参数默认为null；无人机在仿真开始后按照无人机实际飞行速度与加速度运动，在正视图与俯视图区域窗口中移动至下一个仿真节拍点，该节拍点利用自己定义的getnextpoint函数，即根据无人机的速度和加速度，计算出在循环执行时间内无人机的飞行距离，除以比例尺即可换算为逻辑坐标距离，根据原点坐标计算经循环执行时间循环一次之后的无人机坐标，使无人机在循环执行时间后移动至该点坐标处；

步骤3.3：在每个节拍点处，根据步骤2.2中所设置的各信号源发射参数以及无人机、地面站和干扰源在这一时刻的距离，利用所选择的传播模型，计算出各信号的功率衰减值，由地面站发射功率减去功率衰减值得到数据链信号功率值，由各干扰源发射功率值减去功率衰减值得到各干扰信号功率值，利用描点画线的方式，即利用mfc中的coscopectrl类函数，在人机交互界面上利用crect类方法确定显示区域，创建coscopectrl类对象与rect关联，并设置曲线横纵坐标oscopectrl.range()，动态将每秒的变量值画在rect区域内，以此实现动态的复杂电磁环境仿真过程。

复杂电磁环境是一定空间内，时域、频域、能域和空域上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成。而无人机数据链系统是无人机系统的重要组成部分，其性能决定着无人机的整体作战水平。因此，必须对复杂电磁环境的构成和影响作用进行深入分析，采取更有效的建模和仿真方法，研究其对无人机数据链系统可靠性的影响作用。

如图1所示，设定仿真场景中包含的干扰信号体制类型，干扰信号频率与数据链信号频率相同，得到信号特性展示图；如图2所示，选定场景传播模型并得到信号衰减特性图，信号频率设置为2ghz。

如图3所示，建立多元多维的复杂电磁环境，场景选择为海面，通过鼠标点击拖拽操作设定无人机、地面站及多个干扰源的位置，并在正视图和俯视图区域中明显标出地面站、无人机和干扰源的位置，规划出无人机在该任务剖面下的航迹，速度设置为250m/s。

设置地面站为数据链信号发射端，无人机为数据链信号接收端，输入并保存各要素信号参数。

启动系统，仿真开始，得到无人机机载接收机在每一仿真节拍处的接收信号信干比，保存并显示在主界面，如图4所示。