图1
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典型的导弹结构（洛克希德·马丁公司）
泰雷兹先进武器系统公司目前使用的遥测装置需要更换。当前遥测系统的大多数部件都难以采购，现在被认为已经过时，因此需要进行彻底的重新设计。设计和开发新型射频遥测装置是一个昂贵且旷日持久的过程;出于这个原因，有人提议可以使用商用现成组件来提供基于IEEE 802.11通信标准的低成本遥测单元。
过时和降低成本问题一直是导弹发展的重要主题。美国经历了导弹无线电系统子组件的过时问题，并关注降低成本，作为开发替代解决方案的一部分[4]。导弹试验轨迹的高级建模现在很常见，可以提高飞行信息的准确性并减少所需的试验次数[5,6]。 进一步追求降低导弹通信系统成本是通过压缩遥测数据来增加射频通信范围[7]。英国目前正在削减其国防和军事发展预算，削减陆军，海军和空军[8]，而加拿大和欧洲等其他地区正在增加预算[9,10]。 无论预算是减少还是增加，都存在着实现物有所值和尽可能降低成本的持续压力。
在整个导弹开发过程中，需要数十次遥测导弹发射。目前泰雷兹先进武器系统射频遥测单元发射器的成本仅在每个 20 英镑左右;使用商用现成的硬件，有可能将这一成本降低到∼£1k。在导弹研制方案期间，这将积累大量节约，并通过允许进行更多的遥测发射来提高数据捕获的成本/效益比。仅出于这些原因，就值得研究使用商用现成硬件开发Wi-Fi遥测解决方案的可行性。
除了在内部开发导弹遥测系统之外，还有其他选择，可以购买可能满足部分或全部所需标准的火箭遥测系统[11];然而，这些解决方案本质上是业余爱好者，军事测试机构通常会开发自己的专有解决方案，而军事社区以外的人仍然无法获得这些解决方案。这使他们能够保留对更新的完全控制权，并确保系统的详细信息不在公共领域。
在过去的15年中，静态长距离Wi-Fi网络的建立证明了这种未经许可的通信系统的有效性。在大多数情况下，该技术用于提供互联网连接，尤其是在发展中地区。已经研究了使用 IEEE 802.11n/ac 标准提供“实时应用”[12]，在 7.1 公里的距离内吞吐量高达 36 Mbps。此外，Flickenger 等人。[13] 表明，天线、环境和商用设备的战略性使用可用于建立数百公里的点对点链路。在意大利成功建立了一条101公里的Wi-Fi链路，在委内瑞拉成功建立了另外两条超长Wi-Fi链路，分别为279公里和382公里[13]。
[14， 15]的其他工作也强调了高吞吐量长距离Wi-Fi链路在室外网络部署中的潜力。这些研究确立了将Wi-Fi作为一种可行的远距离通信机制的潜力。值得注意的是，这些项目使用高增益发射和接收天线来实现长距离性能并减轻固有的传输损耗。天线安装在大型高架桅杆上，以实现畅通无阻的菲涅耳区域，并且使用精确的天线对准以及使用非常大的天线和固定罗盘方位，从而实现了远程通信。
本文旨在证明这些长距离静态成果可以应用于集成到飞行导弹遥测单元中的移动Wi-Fi发射器。研究了IEEE 802.11g遥测监测在使用退役舰艇作为导弹目标实践时的有效性[16]，在7.49 km的范围内监测导弹撞击的冲击力。这项研究将经历某种形式的动态遥测，因为船只可以自由移动。除了确定天线的选择外，运动的程度及其对遥测系统的影响没有得到显着解决。这些研究的结合为RF 802.11g遥测系统在导弹开发中的应用提供了可信度。虽然802.11g通常用于星形拓扑结构，但点对点链路（Wi-Fi Direct）也是可行的[17]。
新型航空空对地通信链路继续在一系列无线平台上开发。[18]的作者使用多个天线阵列研究了915 MHz的低空链路，[19]对这种天线阵列解决方案进行了建模，[20]研究了无人驾驶飞机与L波段和C波段地面站之间的无线电链路。[21]的作者利用现有的蜂窝网络创建了新型的无人机（UAV）链路，而[22,23]则通过软件定义无线电[23]探索了VHF频段，通过软件实现而不是硬件来实现节省成本。
因此，我们研究了使用RF 802.11g遥测作为传统技术的军用导弹开发的新替代方案的可行性。本文的其余部分组织如下;第 2 节回顾了设备的设计，第 3 节详细说明了设备所需的关键测试规范，第 4 节讨论了测试的结果和讨论，第 5 节给出了结论和进一步的工作。
2 实验设备设计与开发为了验证Wi-Fi遥测的可行性，使用商业硬件和开源软件设计了点对点Wi-Fi发射器和接收器。
2.1 传输协议在设计发射器之前，必须定义传输协议。这将决定数据包大小和传输速率、时间和可靠性方面的系统开销。由于传输时间短，基于∼30秒的导弹飞行，发射器和接收器之间的握手时间（传输协议中的确认）很少。
此过程会减少数据传输之间的宝贵时间。尽管传输控制协议等协议中的握手确保了数据包的可靠传输，使用确认来确认交付和订购（包括通过重新传输任何未确认的丢弃或延迟数据包来确保可靠性），但这会减少每秒可用数据量，这是这种特定时间限制应用程序中的一个根本缺点。
用户数据报协议 （UDP） 是 RFC 768 中定义的一种非常轻量级的协议，它被选中用于在发送器和接收方之间传输数据，因为 UDP 消息（数据报）不使用握手，不依赖于接收方的确认，并且不重新传输延迟的数据报。UDP 在 IP 协议之上工作，因此提供低延迟和容失连接，以在应用程序之间传递消息，这在数据来自短飞行时间遥测导弹时最为重要。但是，数据报的可靠性、排序或重复性需要在收到后确认。这对于这样的应用是可以接受的，因为从导弹遥测单元传输的数据是离线分析的，但如果丢失太多数据包，那么数据就会被截断并且无法使用。
UDP 数据包结构包含一个 8 字节标头，详细说明了源端口、目标端口、数据包长度和校验和。传输的数据大小最终决定了总数据包大小，并受到最大传输单元的约束，这与以太网通信接口的参数有关。笔记本电脑上的 UDP 接收器软件记录了数据包传输时间 （ms）、数据包计数、接收信号强度指示器 （RSSI） 和一条短信。通过分析数据包计数和时间来识别丢失的数据包，从而确定链路的数据包错误率 （PER）。PER 是接收方错误数据包数与发送的数据包数之比。它通过以下关联与误码率 （BER） 相关，其中 n 表示数据包中的位数：
(1)
PER 和 RSSI （dBm） 可以很好地指示已建立的 Wi-Fi 链路的数据吞吐率和可靠性。通常预计，随着RSSI的降低，给定调制方案的PER将随着信噪容限的减小而增加。RSSI表示在2.4 GHz时连接所达到的等效数据速率（以Mbps为单位）[24]。
2.2 遥测发射器导弹遥测单元的Wi-Fi发射器（编程为UDP发射器）被设计为独立且便携，以方便测试。发射器由 Arduino Due 和 Wi-Fi 扩展板 （IEEE 802.11g） 和 Siretta 2.4 GHz PCB 天线 （https://www.arduino.cc/documents/datasheets/X000006-Antenna_Wifi-Echo1_%28Rev1.0%29.pdf） 构建而成。发射器设计为在与接收器的接入点 （AP） 建立 Wi-Fi 链路后立即传输数据。
发射器被编程为运行“设置”并建立与笔记本电脑基站提供的软接入点的网络连接。一旦建立了成功的网络连接，发射器就会进入一个环路并连续广播UDP数据包，直到它被关闭（或在导弹撞击时被摧毁）。发射器封装有连接到本机 USB 端口以提供电源的锂离子电池，如图所示。2. 发射机增加了半波偶极子微带 2.4 GHz 天线，以提高增益和范围。
图2
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Arduino Wi-Fi 发射器（基于 Arduino Due）与电池一起包装
UDP 数据包中包含的数据限制为 51 字节（408 位），包括标头和数据。传输时间也设置为 10 ms，以确保 UDP 发射器的稳定性，因此吞吐量为 40.8 Kbps。由于吞吐量是固定值，因此吞吐量性能无法提供系统的良好指标。相反，RSSI 级别和数据包错误率可以适当地充当系统性能指标。
2.3 遥测接收器接收器使用带有高增益定向天线（2.4 GHz 24 dBi 网格抛物面定向天线 （TL-ANT2424B））的笔记本电脑以及 150 Mbps 无线高增益 USB 适配器 （TL-WN722N – https://www.tp-link.com/uk/products/details/TL-WN722N.html） 为发射器创建临时接入点。由于其高增益，该天线和适配器有助于与发射器的远距离连接。基站笔记本电脑上的 AP 为发射器提供了 Wi-Fi 网络，用于发送 UDP 数据包。然后，接收到的数据包由笔记本电脑上运行的 UDP 接收器记录。UDP 接收器和 GUI 是使用 Microsoft C# 编程语言开发的，并在运行 Windows 8.1 的笔记本电脑上实现。GUI 提供有关接收的遥测数据的实时反馈。
接收器是使用 GUI 中的启动按钮启动的，如果发射器正在传输，则会显示一条消息（类似于“Got Data 611036”）。接收到的数据包存储在内存中，并写入文本文件以供离线分析。录制将继续进行，直到按下“停止”按钮或传输终止。
3 指定的系统参数出于安全原因，原军用射频遥测单元规格无法完全公开;然而，修订后的Wi-Fi遥测单元通用规范的摘要包括高带宽（2 Mbps是可取的），最小通信链路范围为5 km（7到10 km之间更可取），接收站天线位于地面以上<5 m，99.9%的可靠性，在30 s飞行期间丢失<60个数据包，数据包传输间隔为0.5 ms， 以及承受导弹发射和飞行振动的能力。评估该概念潜力的主要决定因素是能够在 ∼1-2 分钟的短时间内提供远距离、可靠的 Wi-Fi 通信。这段时间超过了导弹的总发射和飞行时间，即 ∼30 秒，射程为 7 公里。系统必须能够传输大量数据，由于捕获遥测数据的机会窗口很短，因此很少出错。
3.1 数据采集在导弹飞行过程中捕获的数据用于更新仿真模型，从而开发和优化导弹制导的控制系统。将真实世界的遥测数据与建模数据进行比较，以确定模型的准确性。模型和遥测数据之间的任何偏差都经过严格调查，以确保导弹按预期运行，尤其是在进行任何实弹射击之前。精确的模拟是开发新型导弹系统的重要辅助手段。
3.2 系统链路预算参数为了了解是否可以达到符合要求 1 和 2 的 7 公里的理论范围，计算了系统的链路预算。该系统基于一个客户端（UDP 发射器）和一个主机（笔记本电脑 AP），具有清晰的 LOS。导弹遥测飞行通常保证清晰的视线（LOS），但这并不能确保清晰的菲涅耳区[25]。就本项目而言，菲涅耳区最宽处的半径可以通过以下方式计算
(2)
其中r是菲涅耳带的半径，单位为米（m），d是链路的距离，单位为km，f是频率，单位为GHz[25]。因此，在 7 公里处，菲涅耳区将为 14.8 m。
当 2.4 GHz 射频信号在天线之间所需的 7 km 距离上传播时，系统的自由空间损失也可以通过以下公式计算
(3)
其中 L 司 司长是以 dB 表示的自由空间损耗，f 是以 MHz 为单位的频率，d 是以 km 为单位的距离。因此，在 7 km 处，自由空间路径损耗为 116.96 dB。菲涅耳区半径和自由空间路径损耗表可以在0.1至7 km的所需范围内生成，如表1所示。
表 1. 全导弹射程的菲涅耳区半径和路径损耗
范围，km
菲涅耳带半径，m
自由空间路径损耗，dB
0.1
1.77
80
0.5
3.95
93.98
1
5.58
100
2
7.9
106.02
3
9.67
109.54
4
11.17
112.04
5
12.49
113.98
6
13.68
115.56
7
14.77
116.9
发射器连接到 Siretta 2.4 GHz PCB 天线，电压驻波比 （VSWR） 为 2.5：1，增益为 2.6 dBi。Wi-Fi 扩展板的传输功率为 14 dBm，假设电缆损耗为 0.5 dB。笔记本电脑接收器 （AP） 通过 TP Link 2.4 Mbps 高增益 USB 适配器连接到增益为 24 dBi 的 TP Link 150 GHz 网格抛物面天线。该适配器在11 Mbps时的接收器灵敏度为−85 dBm，最大可能发射功率为20 dBm。天线随附的三米延长电缆的插入损耗为 2.2 dB。计算系统链路预算（图 1）。3），并预测 7 km 处的链路裕度为 9.0 dB。
图3
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链路预算 – 传输单元到接入点
4 实验、结果和分析
4.1 范围测试UDP发射器和接收器的范围测试在位于北爱尔兰莫恩山脉的寂静谷进行。该位置提供了一个无 Wi-Fi 的环境，LOS 范围可达 7 公里，如图所示。4. 这被用作了解长期潜力的初始测试平台。封装好的UDP发射器安装在2 m高的三脚架上，接收器天线也安装在2 m高的三脚架上，如图所示。5.测试的天气条件干燥，湿度小。在100 m、150 m、250 m、300 m、400 m、450 m、680 m、1 km、2 km、3 km、5 km和8 km处收集数据。这些测试点通常反映了导弹随着飞行的进行而增加的速度，以及地理上有利的测试位置。这些范围使用激光测距仪进行验证。
图4
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在英国寂静谷进行范围测试
图5
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安装在三脚架上的接收器天线
分析了在距离测试期间从UDP发射机记录的数据，以确定60秒内每个范围的RSSI值和PER。该数据的结果已总结在图中。6. 测试表明，该设备无法可靠地保持 680 m 以上的稳定链路。需要注意的是，天线对准依赖于LOS调整;未来的工作将利用远程激光链路来提高天线对准的精度。市盈率从100 m处的0.14%变化到680 m处的1.98%，450 m处的市盈率峰值为2.87%。这些结果还表明，未达到 0.10% 的最大 PER （期望的 99.9% 可靠性，即在 30 秒的传输中以 0.5 毫秒的间隔丢失 <60 个数据包）。图中报告的接收信号强度。6 低于链路预算分析预测的理论计算的信号强度值（表 2）。
图6
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RSSI 和 PER 与接入点的距离
表 2. 使用链接预算将测量的 RSS 与计算的 RSS 进行比较
d、m
录制的 RSS，dBm
RSS（链路预算），dBm
100
−77
−39.66
150
−88
−40.90
250
−98
−45.34
300
−88
−46.92
400
−87
−49.42
450
−82
−50.44
680
−89
−54.03
据认为，发射机单元的有限天线仰角是导致意外结果的主要限制因素。作者[26]展示了天线高度如何直接影响菲涅耳区引起的路径损耗，Alam和Khan[27]探讨了在菲涅耳区运行的通信如何随着天线高度的增加而显示路径损耗的降低。在开放区域内，当在第一菲涅耳区内工作时，发射机和接收机之间的直射光线会受到地面反射光线的强烈干扰，当发射机和接收机高度相应较低时，这会影响测量的路径损耗，从而增加发射机-接收机的间隔。
考虑到天线不会产生单射线电磁辐射，TL-ANT2424B的接收器辐射方向图表明垂直半功率波束宽度为14°。为了解决有限的链路功率，可以将发射器放置在高处，使天线之间的仰角大于接收天线的垂直波束宽度。据认为，发射天线和接收天线的相对较低的高度产生了强烈的地面反射，其到达角在接收天线的主瓣内为14°，这可能导致多径衰落效应 - 无线电链路中的主要限制因素。
对于给定的排列，可以使用双射线模型来描述信号路径;关于图的双射线模型的有效数学描述。7定义为[28]，其中λ为工作频率波长（0.12m），ɛ r是介质的相对介电常数，距离 d1、d 2和 d 3详见图。7
(4)
哪里
(5)
和
(6)
对于轮廓的几何形状，到达角和到达角处的接收天线增益如图所示。7 一个。在测试过程中，理想情况下，发射器可以固定在无人机上，以增加发射器单元的有效高度。然而，随着发射机-接收机距离的增加，发射机的高度也需要增加。事实上，对于 7 公里的链路距离，所需的无人机高度将大大高于英国和美国规定的 120 米（400 英尺）限制。对于导弹试验活动来说，这不是问题，因为导弹的飞行距离为数百米。此外，无人机的振动和运动将对结果产生不确定的影响。如果提高发射器单元的高度，几何形状将更类似于图。7 b，接收天线与发射器单元对齐。由于接收辐射方向图的相应角度，反射光线会弱得多。
图7
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导弹通信链路的几何形状
（a） 发射机和接收机高度为2米，（b） 发射机明显高于接收机
根据实证测试，使用双射线模型（4）–（6）为Wi-Fi导弹遥测系统创建2D仿真，其接收机高度为2 m，发射机高度为2 m。对于2 m的接收器高度和2000 m高度的发射机，模拟了相同的系统设计 - 选择这个高度是因为它大于1693 m的最小高度，以避免垂直半功率波束宽度的强烈地面反射。此外，还开发了自由空间路径损失模型，并在整个 7 公里的距离内进行了三次模拟比较，并重点关注前 1000 米。这些模拟考虑了在菲涅耳区操作的影响，可以作为所提出的经验结果的比较。
模拟（图 1）。8） 显示 RSSI 与距离的关系，系统参数如图所示。3 已整体实现，如图 3 所示。图8a表示完整的测试距离和图8。8 b 侧重于 100-1000 m 部分（反映收集的经验测试结果）。仿真显示了2000 m高度的发射机如何确保系统在菲涅耳区之外运行，结果与自由空间仿真直接可比。发射机高度为2 m的模拟表明，系统在菲涅耳区内运行良好，与自由空间相比，在7 km处的损耗增加了约30 dB。
图8
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用于两种不同发射机高度的模拟遥测系统，用于自由空间通信
（a） 0 至 7 公里的距离， （b） 100 至 1000 米的距离
比较模拟结果（图 1）。8）与实证结果（图8）。从图6和表2可以看出，模拟的损耗小于测试期间测得的损耗。在300 m处，模拟和实测结果分别为−53和−88 dBm，在680 m处分别为−66和−89 dBm。需要注意的是，对于非常短的天线间隔距离（100 m），模拟和测量值之间仍然存在显着差异（分别为-42和-77 dBm），这表明天线之间存在对准问题或额外的内部损耗。使用35 dB的差异作为调整偏移，仿真结果和经验结果具有更大的可比性。在经验结果中观察到的其他波动，而不是模拟结果，通常是由于模型的局限性，无法有效描述实际测试环境的许多特征。这些假设包括平滑的地面环境、在 680 m 距离内一致的反射系数、由于测试环境的 3D 性质而来自附近物体的额外反射，以及发射和接收天线的不完美对齐。
4.2 振动测试从发射到撞击的整个飞行过程中，遥测设备都会受到多频振动的影响。为了了解该解决方案的稳健性，将封装好的UDP变送器安装在泰雷兹测试实验室（贝尔法斯特）的振动台上，如图所示。9. 允许UDP发射器在2 m的范围内发射一分钟，然后在40至2000 Hz的频率下进行8秒的随机振动测试，功率谱密度（PSD）为0.04 g2/赫兹。振动曲线如图所示。10;控制线是来自设备的测量值，报警边界是触发声音警报的上限和下限，中止边界是自动关闭测试的上限和下限触发。该测试代表了导弹飞行过程中经历的低水平振动[29]。
图例 9
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UDP变送器安装在振动台上
图 10
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40–2000 Hz 时的振动曲线，PSD 为 0.04 g2/赫兹
分析振动测试的数据以确定 RSSI 和 PER。RSSI在2 m范围内为−44 dB。在传输的最初一分钟内，PER为0%。施加振动曲线后，PER 增加到 45%。这低于要求的标准，通常是由于测试板上的振荡器质量低下。在未来对电子电路进行内部重新旋转时，用高级振荡器替换应该有望解决这个问题。此外，可以将设备封装在减少对传输特性的振动影响的形式中，例如将其包装在有机硅弹性体、环氧树脂或聚氨酯包装中。需要进行测试，以了解封装可能对发射机天线的传播特性产生的影响。值得注意的是，在振动测试完成后，变送器继续按预期工作，这表明所选电路在振动测试期间没有失效，并增加了信心，即通过更好的封装和所选关键组件的坚固性提高，该解决方案可能具有军事测试的操作价值。
5 结论这项工作调查了现成硬件的潜力，可以作为军事供应商目前使用的通常昂贵的导弹测试遥测技术的低成本替代品，以降低开发成本并增加给定预算的导弹测试次数。此类测试对于正确模拟和开发导弹的飞行控制至关重要，以确保每次发射的准确性，整个飞行过程中的稳定性，并将导弹击中意外目标的可能性降至最低。从理论上讲，该设备的链路预算计算表明，有足够的余量在所需的 7 公里范围内建立链路。为了研究这种假设，测试分为两大类;航程测试和飞行抗振测试。测试结果表明，以目前的形式，现成的设备尚不符合所需任务的规格。发射器单元未达到距接收器 7 公里的所需通信范围。此外，在多频抗振测试期间，发射机没有保持所需的数据包错误率。
有几个因素可能归因于这种性能不足，包括所选设备的成本非常低（<200英镑），Arduino Wi-Fi扩展板固件的限制限制了UDP数据吞吐量，天线的对准和仰角不理想（可能因测试现场存在窄带水而加剧）[30]，以及变送器组件的欠阻尼包装。未来的工作建议定制的Wi-Fi扩展板，更好的发射机天线（可能具有显着的方向性和使用MIMO天线技术），更高的发射机高度（可能使用气球或其他空中平台）以更好地模拟飞行中导弹的操作高度，以及定制发射器的包装以降低数据包错误率。接收机解决方案被认为足以进行测试，并将继续作为接收传入遥测数据的安排，尽管使用多接收天线技术可能有助于增加操作范围和链路稳定性。总而言之，Wi-Fi无线电解决方案仍然可以提供合适的遥测替代品，这将为未来几年的导弹开发节省大量资金。
