ОЦЕНКА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ

++
+

И.В. Макаров


ООО НПП «Автономные аэрокосмические системы – ГеоСервис»

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

 

В статье приведён анализ ключевых задач при управлении беспилотным летательным аппаратом в ручном, и автоматическом режиме. С учётом требований по масштабируемости программного обеспечения предложены структуры протоколов обмена на уровне посылок. На основании требуемых режимов обмена информацией выведен принцип оценки пропускной способности, приведены примеры расчёта.

 

При создании комплекса беспилотного летательного аппарата с взлётной массой до 6 кг, к бортовому оборудованию предъявляются жесткие требования по минимальным габаритам и массе. Для удовлетворения этих требований необходимо обеспечивать максимальную интеграцию ключевых элементов комплекса, например, обеспечить конструктивное исполнение в виде одного блока следующих систем: бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), спутниковой навигационной системы (СНС), системы воздушных сигналов (СВС), а также управляющего вычислителя.

 

Реализация требований по минимизации габаритов и массы, применительно к приёмо-передающей радиоаппаратуре БПЛА, требует решения задач связи с наземным комплексом управления (НКУ) на базе одного радиомодема. Наиболее компактная реализация радиомодема, в рамках фиксированной полосы частот, возможна при временном разделении приёма-передачи, т.е. при реализации полудуплексного режима. Целью данной статьи является анализ задачи управления БПЛА и формулирование требований по пропускной способности приёмо-передатчика, применяемого для организации радиоканала «борт-земля», а также составление рекомендаций к режимам его работы. В данной статье освещены следующие вопросы: особенности задач, решаемых радиоканалом; предложены алгоритмы работы, обеспечивающие одновременное решение основного класса задач на базе одного цифрового радиоканала; приведены результаты оценки минимальной пропускной способности.

 

Сформулируем и проанализируем основные задачи, решаемые штатным радиоканалом, применительно к бортовому комплексу управления (БКУ):

 

1. Приём разовых команд. Разовая команда определяет сущность запрашиваемого к выполнению действия, а также его параметры. Источником разовых команд является оператор. Периодичность формирования разовой команды определяется интенсивностью работы оператора, а также уровнем автоматизации управляемой системы. Периодичность выдачи разовых команд можно оценить как 1 – 10 секунд. Действие оператора является достоверным событием, поэтому для передачи разовых команд необходимо предусматривать механизмы, гарантирующие доставку команды в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

 

2. Приём команд ручного управления. Команды ручного управления являются кодированными сигналами управления БПЛА, это могут быть как, непосредственно положения рулей (ручное управление), так и требуемый крен\тангаж, высота\курс (полуавтоматическое управление). Ручное управление БПЛА осуществляется в реальном времени по видеоинформации с курсовой видеокамеры (от 1го лица) или со стороны наземного наблюдателя (от 3го лица). В обоих случаях угловая стабилизация аппарата выполняется оператором, за счёт чего накладывается требования по темпу выдачи команд ручного управления: 15-50 Гц, в зависимости от динамики исполнительных устройств и управляемого объекта[1]. Можно утверждать, что гарантия доставки каждой посылки команд ручного управления не является обязательной. Каждая последующая посылка делает не актуальными все предыдущие, при этом повышенный темп выдачи требует доставки сбойной посылки в течение периода отправки команд, что невозможно гарантировать в условиях помех на радиолинии.

 

3. Передача телеметрической информации. Данная информация содержит ключевые показатели функционирования аппарата: положение в пространстве, скорость, параметры жизнеобеспечения, режимы работы. Частота выдачи телеметрии диктуется максимально допустимыми задержками на принятие решения оператором. При автономной штатной работе достаточной частотой является 1 – 10Гц. При решении задачи ручного управления может потребоваться частота выдачи до 25Гц. Исследовательские и отработочные задачи предполагают передачу максимально доступного числа параметров с максимально возможной частотой, в данном случае ограничения накладываются пропускной способностью канала и режимом работы аппарата. При рассмотрении целевого предназначения телеметрии будем ориентироваться на задачи управления в реальном времени, в рамках которых единичные потери посылок являются допустимыми.

 

4. Приём или передача произвольного набора исходных данных или результатов работы полезной нагрузки не потокового характера, соответственно. Основной особенностью данной задачи является необходимость в гарантии доставки всего требуемого объёма данных. К данному классу данных можно отнести полётное задание БПЛА, растровые фотоснимки с фотокамер высокого разрешения.

 

При рассмотрении сущности каждой из перечисленных задач, можно разделить их на две группы: с гарантией доставки и без гарантии доставки. Корректное выполнение задачи управления БПЛА требует распределения пропускной способности радиоканала канала между несколькими потокамиинформации. Данное требование, при унификации радиоканала, предъявляется программному обеспечению, решающему задачи связи для конечного программного обеспечения. Целью алгоритма, решающего задачу распределения ресурса радиоканала, является отправка информации согласно сформулированным приоритетам. В таблице 1 сведены проанализированные задачи в порядке убывания приоритета.

 

Таблица 1. Классификация задач радиоканала «борт-земля» по требованию гарантии доставки информации, с указанием требуемого приоритета отправки

Приоритет
Характер передаваемой информации
Требуется гарантия доставки
Не требуется гарантия доставки
4
 
Команды ручного управления
3
 
Телеметрия
2
Разовые команды
 
1
Исходные/целевые данные
 

 Приоритет команд ручного управления и телеметрии диктуется минимизацией задержек на пути доставки сигналов, участвующих в радиоуправлении.

 

Рассмотрим принцип построения алгоритма приёма\передачи, используемого для интерпретации и формирования кадров, транслируемых на радиомодем. Для унификации программного обеспечения, а также для масштабируемости системы необходимо предусмотреть следующие особенности:

  • формирование программных каналов передачи данных: отдельно для гарантированной доставки, отдельно для не гарантированной доставки;
  • абстракцию от исполнения средств передачи данных;
  • оптимизация работы для сохранения данных при временном разделении приёма и передачи (полу-дуплекс).

Сформулируем требования к структуре кадра (рис. 1). Синхронизирующие символы отвечают за кадровую (пакетную) синхронизацию, определяя начало заголовка посылки. Контрольная сумма заголовка сокращает вероятность ложной синхронизации, а также гарантирует достоверность данных заголовка. Поле «тип посылки» определяет характер её обработки. Длина посылки определяет размер данных, передаваемых на уровень обработки данной информации согласно типу посылки.


Заголовок посылки

Синхрони-
зирующие
символы, 2 байта
Контрол. сумма заголовка, 4 бита
Тип посылки, 4 бита
Длина посылки, 2 байта
Контрол. сумма данных посылки, 2 байта
Данные


Рис.1. Базовая структура кадра унифицированного протокола передачи данных

 

Проанализируем задачу автоматической передачи данных с гарантией доставки. Типовым подходом в данном случае является циклическая отправка фиксированной посылки до получения квитанции от удалённой стороны, с повторением вышесказанного для следующей посылки.

 

Такой способ является наиболее простым в реализации, однако возрастает суммарная продолжительность простоя полу-дуплексного радиоканала, при многократном переключении с приёма на передачу (для приёмника данных). Для устранения данной не оптимальности предлагается ввести формирование группы посылок, в дальнейшем именуемой последовательностью. Суть оптимизации заключается в формировании квитанции на последовательность в целом, с указанием отсутствующих корректно принятых посылок из последовательности. Данный способ усложняет алгоритм передачи дополнительными условиями формирования посылки, однако позволяет повысить скорость передачи в условиях помех на радиолинии.

 

Поля протокола достоверной передачи транслируются в составе поля «данные» базовой посылки. На рисунках 2,3 представлены структуры посылки целевых данных и квитанции соответственно. Поле «номер программного канала» определяет принадлежность посылки к тому или иному каналу прикладной части программного обеспечения. Номер соединения идентифицирует сессию передачи, тем самым позволяя многопоточным прикладным программам передавать через один программный канал отдельные информационные блоки. Данная функция оптимизирует реализацию прикладного ПО, которому нет необходимости анализировать доступность канала для передачи.

Номер програм-много канала, 1 байт
Номер соединения, 1 байт
Кол-во посылок в последова-
тельности, 4 бита
Номер посылки в последова-
тельности, 4 бита
Номер последова-
тельности в передачи, 4 байта
Целевые Данные посылки

 Рис. 2. Структура посылки целевых данных для протокола гарантированной доставки


Номер программного канала, 1 байт
Номер соединения, 1 байт
Номер последова-
тельности в передаче, 4 байта
Флаги принятых посылок в последова-
тельности, 2 байта


Рис. 3. Структура посылки подтверждения (квитанции) для протокола гарантированной доставки

 

Для протокола, не гарантирующего доставку, в составе посылки достаточно иметь идентификатор программного канала (рис.4). Посылка данных протокола не гарантированной доставки после её идентификации транслируется всем читателям программного канала.

Номер программного канала
Данные посылки

 Рис. 4. Структура посылки данных для протокола не гарантированной доставки

 

Минимальные размеры посылок, содержащих данные, определяются объёмом служебной информации, необходимой для однозначной интерпретации. Данные рисунков 1, 2, 3, 4 сведены в таблицу 2.

 

Таблица 2. Размеры посылок радиоканала «борт-земля»

Тип посылки
Минимальный размер посылки, байт
Максимальный размер посылки, байт
Базовый заголовок
7
Данные не гарантированной доставки
9 (1 байт данных)
65000
Данные с гарантированной доставкой
15 (1 байт данных)
65000
Квитанция на посылку данных гарантированной доставки
15
15

 Оценка требуемой пропускной способности унифицированного радиоканала сводится к вычислению максимального потока информации, обеспечивающего штатное функционирование БПЛА во всех предусматриваемых режимах. Наиболее загруженным режимом является радиоуправляемый полёт с трансляцией телеметрической информации, при этом осуществляется передача набора исходных данных по протоколу, гарантирующему доставку (рис 5).

Pic5_Acceptance chart data in the channel air-ground.png

 Рис. 5. Диаграмма приёма-передачи данных в радиоканале «борт-земля»

 

s – минимально допустимая задержка на переключение аппаратуры с приёма на передачу и наоборот; lm– длина посылки телеметрических данных; lc – длина посылки команды ручного управления; Tc– период выдачи команд ручного управления; Tm – период выдачи посылок телеметрической информации.

 

Пропускная способность радиоканала в режиме, в котором осуществляется радиоуправление, оценивается как:

V=vc+vm+I,

где vc – поток данных команд ручного управления, vm – поток данных телеметрии, I – простой радиоканала, являющийся в текущей постановке задачи, параметром для оптимизации.

 

Пропускная способность канала, необходимая для передачи команд ручного управления оценивается как:

vc=(lc+s)1/Tc,

исходя из задержки на переключение режима приёмопередатчика , периода выдачи команд , длины посылки с командами . Аналогично для телеметрии:

vm=(lm+s)1/Tm,

где lm – длина посылки телеметрии, Tm – период выдачи телеметрии.

 

С учётом информации в таблице 1, первоочередной задачей для обеспечения безопасной штатной работы является достижение стабильного значения периода передачи команд ручного управления( )и телеметрии ( ). Описание алгоритма, за счёт которого достигается адаптивное распределение времени использования радиоканала, выходит за рамки данной статьи. Дальнейший анализ строится на допущении, что алгоритм автоматически исключает вытеснение высокоприоритетной посылки менее приоритетной. Это достижимо в случае, когда продолжительность передачи низкоприоритетной посылки меньше, чем интервал передачи высокоприоритетных посылок. Для простоты оценки дополнительным допущением является равенство периодов выдачи телеметрической информации и команд ручного управления. Таким образом, получаем:

V=μ/T+I,

где μ - совокупная длина пересылаемых данных для жизнеобеспечения БПЛА и определяется как:

μ=lc+lm+2s

По условиям задачи, кроме обеспечения ручного управления требуется осуществлять гарантированную доставку информации, например исходных данных для работы БПЛА. Считается, что время для передачи требуемого объёма информации много больше, чем период обеспечивающий обмен сигналами ручного управления. Соответственно необходимо обеспечить разделение исходных данных на посылки, длина которых удовлетворяет неравенству ldd – длина посылки исходных данных, а определяется как:

τ=VT-μ.

Таким образом, для расчёта минимально необходимой пропускной способности радиоканала (V) необходима оценка допустимой эффективности передачи исходных данных, который формулируется из требований по оперативности доставки.

 

Выражение для оптимального распределения ресурсов радиоканала между обменом для жизнеобеспечения и передачи исходных данных формулируется как:

ld=VT-μ.

Отсюда требуемая пропускная способность рассчитывается как:

V=(ldλ+μ)1/T, λ=(nd+na)/nd, (1)

где ld – выбирается исходя из требований по оперативности доставки исходных данных;

λ – параметр, характеризующий накладные расходы передачи через число квитанций na, на nd число посылок исходных данных.

 

Требуемая длина посылки исходных данных, исходя из времени Td, требуемого для доставки общего объёма данных Ld, оценивается как:

ld= LdT/td, (2)

Длина посылки исходных данных это совокупность технологического заголовка (h) и непосредственно содержимого посылки (d):

ld=h+d.

Формулируется параметр γ, характеризующий эффективность передачи исходных данных, который определяется как:

γ=d/(h+d)=(ld-h)/ld, (3)


Таблица 3. Типовое содержимое посылки телеметрии

Название параметра
Размер, байт
Тип данных
Масштабный коэффициент и единицы измерения
1
Широта
4
float
1,0; градус
2
Долгота
4
float
1,0; градус
3
Высота
2
int16
0,1; метр
4
Крен
2
int16
0,1; градус
5
Тангаж
2
int16
0,1; градус
6
Курс
2
int16
0,1; градус
7
Приборная скорость
2
int16
0,1; метр/секунда
8
Напряжение маршевых аккумуляторных батарей
1
int8
0,1; вольты
9
Режимы работы и флаги состояний
2
uint16
ИТОГО
21
 

В таблице 3, 4 представлены типовые структуры содержимого посылок телеметрии и команд ручного управления.

 

Приведённые структуры не являются оптимальными с точки зрения сжатия информации, однако работа программного обеспечения в данном случае упрощена.

 

Таблица 4. Типовое содержимое посылки команды ручного управления

Название параметра
Размер, байт
Тип данных
1
Руль высоты
1
int8
2
Элероны
1
int8
3
Руль направления
1
int8
4
Тяга двигателя
1
int8
5
Флаги управления
2
int16
ИТОГО
6
 

По данным таблиц 2, 3, 4 определяется:

lc=15, lm=30. (4)

Для примера расчёта продолжительность переключения с передачи на приём (s), выраженное в байтах, определяется как 1, как минимально достижимое. Период формирования телеметрии, а также команд ручного управления, с учётом требования задачи равен 40мс, что соответствует темпу выдачи в 25Гц. Требуемый для передачи массив исходных данных в 1 МБайт, т.е. 1048576 Байт. По формулам (1), с учётом (4) получено:

V=(1048576·0.04/td·17/16+47)·1/0.04

Время передачи исходных данных td является параметром для оптимизации, при условии технической реализуемости получаемой в результате расчёта пропускной способности канала, а также минимально приемлемой эффективности передачи оцениваемой в (3), которая в данном расчётном случае берётся равной 0,8. С учётом последнего, формулы (3), а также таблицы 2 получено:

ld=h/(1-γ)=75,

для данной длины посылки время для передачи требуемых исходных данных, согласно формуле (2) составляет:

td=Ld·T/ld=1048576·0.04/75≈560 c.

На рисунке 6 представлена зависимость требуемой пропускной способности радиоканала для передачи 1Мбайт исходных данных в течение промежутка времени от 1 до 560 секунд, при штатной передаче команд ручного управления на БКУ и передаче телеметрии на НКУ.

Pic6_The results of the calculation of the required bandwidth of the radio channel.jpg


Рис. 6. Результаты расчёта требуемой пропускной способности радиоканала (в координатах десятичного логарифма) БПЛА при трансляции массива исходных данных размером 1Мбайт за промежуток времени от 1 до 560 секунд с учётом приёма и передачи данных управления


При требовании передачи данных объёмом 1Мбайт требуется пропускная способность радиоканала в 1115287 байт / секунду. Подобные требования могут формулироваться для разведывательных или боевых систем (получение растровых исходных данных целеуказания). Пропускная способность в 3168 байт / секунду пригодна для формулирования маршрута при осуществлении аэрофотосъёмочных работ или визуального наблюдения в реальном времени, где трансляция видеоданных осуществляется отдельной симплексной радиосистемой.


Рассмотренный анализ, а также полученная зависимость позволяют сформулировать требования к пропускной способности полудуплексного радиоканала используемого для решения основного спектра задач управления БПЛА, в зависимости от требований по оперативности доставки исходных данных или получения данных полезной нагрузки (таких как фотоизображения, измерения физических полей и прочих разведывательных данных).


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Меркулов В.И., Канащенков А.И., Чернов В.С., Дрогалин В.В., Антипов В.Н., Анцев Г.В. и др..Авиационныесистемырадиоуправления. Т.3 Системы командного радиоуправления. Автономные и комбинированные системы наведения. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова – М.: «Радиотехника», 2004 – 320с.:ил.



АДРЕС:

660025, Россия, г. Красноярск,
ул. Электриков, 156/1

номер телефона: +7 (391) 286-61-09