Создание высоконадежной связи беспилотных летательных аппаратов и алгоритмы управления беспилотными летательными аппаратами

д.) [4].Совместно с используемыми ретрансляционными БПЛА свою эффективность показали и специальные объекты для обеспечения беспроводной коммуникации, которые выполнены на базе современных воздушных шаров, имеющих возможность длительного нахождения в воздухе и реализации функций связи. БПЛА же в сравнении с подобным вариантом развертывания систем связи имеют следующий перечень преимуществ:более высокую мобильность и время развертывания;меньшие материальные затраты на развертывание системы связи;более высокое качество связи, обусловленное возможностью лучшего расположения объектов друг относительно друга и учета текущей помеховой обстановки.Также положительно на качество каналов связи влияет более высокая мобильность БПЛА и возможность адаптироваться к особенностям местности и рельефа. Существует также возможность реализовать адаптацию параметров полета БПЛА от текущего качества обеспечиваемой связи. Например, скорость и высота полета в этом случае будут завесить от текущего режима и параметров радиоканалов. Благодаря данным преимуществам БПЛА могут стать важнейшим компонентом систем беспроводной коммуникации в будущем.Как показано в [5-7] на сегодняшний день сфера применения БПЛА значительно расширилась даже в рамках функционирования в качестве ретранслятора. Беспилотные летательные аппараты применяют и для обеспечения связи при проведении спасательных операций, и для аэрофотосъемки, охраны контролируемых территорий и границ и т.д. Объединяет все рассматриваемые варианты использования дронов значительное удаление от существующих наземных систем коммуникаций. Отдельно следует упомянуть возможность применения БПЛА для обеспечения каналов связи при проведении боевых операций на территории противника. Решение данных задач требует наличия нескольких БПЛА, формирующих ретрансляционную линию связи.В общем виде структура модели коммуникации посредством БПЛА представлена на рисунке 3.3. Как можно видеть, для данной структуры характерно распределённое: состоит она из низкоскоростных каналов управления и высокоскоростных каналов передачи данных[3].Канал управления реализует функцию по управлению режимом полета БПЛА и необходим для обеспечения безопасного функционирования последнего в любых меняющихся внешних условиях. Следовательно, требования к данному каналу определяются перечнем задач, которые он выполняет. Данный канал связи долженобеспечивать высокую надежность при минимальной задержке сигнала, поскольку передаваемая информация является критической для управления режимом полета. При этом скорость передачи данных не является критичным параметром, поскольку объем передаваемых данных, как правило, невелик.Информация. транслируемая по данному канату, может быть разделена на 3 основные категории: команды, передаваемые БПЛА с наземных пунктов управления; отчеты о статуте аппарата, отправляемые с борта БПЛА на землю, и информация о препятствиях и опасностях, передаваемая между БПЛА. Каналы управления необходимы даже в случае использования автономных беспилотных летательных аппаратов. способных выполнять работу, используя бортовые компьютеры и не нуждаясь в постоянном контроле со стороны оператора, так как в экстренных случаях все же возникает потребность ручного управления.Для обеспечения защиты передаваемых данных по каналу правления от несанкционированного доступа для данного канала связи обязательным является использования дополнительных средств обеспечения безопасности. Одним из них является использование защищенных частот для радиообмена, например, диапазонов L (960...977 МГц) или С (5030...5091 МГц) [6].Рисунок 3.3 – Общая архитектура коммуникации с помощью БПЛА:1, 2, 3 – каналы управления соответственно основной, дополнительный и передачи данныхСовременный БПЛА для повышения его надежности и эффективности применения позволяет реализовать как управление с наземных пунктов связи, так и ретрансляцию сигналов управления через спутниковые системы, которые также применяются для решения этих задач. При этом ключевым является, как уже было показано, безопасность данных каналов для исключения возможности «призрачного управления» БПЛА человеком, который получил несанкционированный доступ к данному каналу связи. Как следствие, для получения доступа к системам контроля БПЛА необходимы надежные методы аутентификации.Канал передачи данных. Данный канал передачи данных, в отличие от канала управления, применяется для передачи данных, которые БПЛА получает в ходе своего функционирования. Эти данные могут быть представлены как фото и видеоматериалами полученным при съемке поверхности в ходе наблюдения, иными данными полученными в ходе мониторинга территории и т. п. Как правило, эти данные транслируются наземным станциям связи, которые могут быть реализованы различным образом: наземные станции связи, сети сотовой связи, беспроводные ретрансляционные станции и т.д.В соответствии с выполняемым перечным задач радиоканалы, используемые для передачи данных должны иметь возможность функционировать в следующих режимах:– прямые радиоканалы связи между БПЛА и расположенными в зане радиовидимости наземными станциями связи;– каналы радиосвязи между БПЛА и наземными станциями, функционирующая посредством ретрансляторов (мобильных или стационарных);– каналы связи между отдельными БПЛА.Требования к скорости передачи данных определяются перечнем решаемых задач. В случае передачи фото и видеоданных требования к скорости передачи информации могут достаточно жесткими и доходить до нескольких Гб/с. Однако при этом, в отличие от радиоканалов управления, нет критичных требований по надежности связи или возможным задержкам, возникающим при передаче данных. Решаемые задачи акже определяют и частотный диапазон, в котором функционируют радиоканалы передачи данных. При организации связи посредством систем сотовой связи будут задействованы частоты стандартов LTE/4G. В случае организации канала связи между отдельными БПЛА может быть использован диапазон миллиметровых волн, что обеспечит устойчивую связь [7].Характеристики каналов связиТаким образом, для радиоканалов связи с БПЛА будет характерно наличие нескольких каналов связи с разными параметрами: БПЛА-земля и БПЛА-БПЛА, которые определяются задачами, которые решает используемый БПЛА.Радиоканал БПЛА-земля. В отличие от пилотируемых ЛА, которые поддерживают связь с наземными пунктами связи, расположенными на открытой местности и имеющим сложные антенные системы достаточной мощности, БПЛА зачастую функционируют в условиях сложного земного рельефа. Подобные препятствия в виде зданий, построек и т. д. могут значительно ослаблять радиосигналы.В работах [24,25] приводятся данные, что задержка сигнала при передче, которая формируется из-за препятствия в виде, например, другого БПЛА может достигать нескольких секунд. Очевидно, что данный момент должен быть учтен при планировании задач БПЛА. Помехи для БПЛА, движущимся на низкой высоте могут быть рассеивания и отражения сигнала от гор, земной поверхности, листвы деревьев и т.д. Так, для описания затуханий сигнала в канале связи может быть применена райсовая модель [11]. Данная модель распространения радиосигнала и его затуханий позволяет выполнить моделирование радиоканала связи между двумя объектами при наличии привой видимости и влиянии рассеивания сигнала. Параметры модели зависят от характристик местностив пределах которой происходит распространение радиосигнала. Отношение уровней сигнала и его рассеянных компонент может достигать 25-30 дБ в зависимости от частотного диапазона и наличия значительного количества препятствий. [6].3.3.Опенка основных характеристик прототипа-аналога исследуемой системы и выработка направления исследованияДля эффективного выполнения поставленных задач БПЛА должен иметь возможность передавать значительные объемы данных с необходимыми временными промежутками.Как было показано выше, радиоканалы управления БПЛА представляют собой системы реального времени, для которых ошибки при передаче данных приводят к некорректным командам управления, что в конечном счете может привести к повреждению БПЛА, его падению или столкновению с препятствием. Особенно это актуально для БПЛА, построенным по самолетному принципу, которые имеют высокую скорость полета.Решением данной проблемы реализации высокоскоростной передачи данных при обеспечении заданных параметров по задержкам и надежности канала связи в соответствии с [21,34] является использование механизма адаптации скорости передачи данных в зависимости от текущего режима функционирования БПЛА. Так, в случае движения БПЛА мо маршруту с заданной скоростью ли перемещения к указанной точке скорость передачи команд управления или телеметрических данных может быть снижена. Однако в случае возникновения боевой обстановки скорость подачи команд самолетам должна быть существенно увеличена, при условие обеспечения надежностиканала связи и длительности задержек [16].Применение централизованного управления группами БПЛА требует обеспечение своевременного и высокоскоростного обмена данными между всеми участниками. Данный обмен данными может быть выполнен посредством организации полносвязной сети передачи данных, что позволит как повысить надежность подобной сети, так и увеличить скорость передачи данных.Полносвязная сеть передачи данных позволяет организовать значительно более устойчивую и управляемую среду при организации связи как с отдельными БПЛА, так и с группами. Но использование подобных систем связи требует применения дополнительных механизмов по адаптивному управлениюиспользуемыми ресурсами. В [15] показано, что конечная интенсивность объема передаваемых данных определяется, в том числе, итекущем состоянием, а также этапом полета. Очевидно, что механизмы адаптивного управления используемыми радиоресурсами должны учитывать данные зависимости и факторы.В настоящее время частотно-временные ресурсы ССВС распределяются независимо от интенсивности входящего трафика и этапа полета. Каждый канал управления БПЛА имеет постоянную пропускную способность и единые параметры в рамках ССВС (идентификатор соединения, данные о размере поля, основная частота, тип используемой структуры кода сигнала, пауза в ожидании CMD и т. д.).Анализируя фактические значения интенсивности трафика, можно сделать вывод, что трафик в канале управления БПЛА не является фиксированным и значения интенсивности трафика изменяются в зависимости от этапа полета (рисунок 3.4)Рисунок 3.4 – Зависимость интенсивности трафика БПЛА от стадии полетаНа рисунке 3.4 номера на оси абсцисс соответствуют следующим этапам полета БПЛА:Этап взлета БПЛА и последующее занятие места в строю.Этап подключения управления БПЛА, и оценка поставленной задачи на вылет.Перемещение БПЛАв заданное место с целью выполенния поставленной задачи.Проведении информационной оценки поставленной задачи.Этап захвата и наведения БПЛА на указанную цель, а также процедура управления БПЛА в ходе выполнения маневра или воздушного боя.Анализ степени выполнения поставленной задачи, получение новых данных и формировнаие новой задачи, передача полученных данных.Возвращение БПЛА до указанного места расположения.Снятие БПЛА с управления ПУ, передача управления на ПУ аэродрома.Посадка БПЛА.Приведенные значения интенсивности трафика являются ориентировочными, поскольку могут существенно изменяться в зависимости от текущей выполняемой задачи. Наиболее значимым фактором, который определяет объем передаваемой информации, является текущая тактическая обстановка, определяемая числом используемых БПЛА, их взаиморасположением, а также заданных целей и задач, и иных факторов, оказывающих влияние на текущие пермеаметры полета БПЛА.Значения времени задержки передачи трафика, представленные на рис. 4 показывают значительный разброс во времени доставки по ССВС. Для расчета времени задержки сообщений, поток которых имеет нестационарную природу, была использована методика представления нестационарного потока стационарными интервалами (соответствующими этапам полета БПЛА) изложенной в [31].Математическое моделирование процесса передачи трафика управления БПЛА в ССВС позволяет сделать вывод о том, что не учет нестационарного характера трафика ведет к появлению дополнительных неучтенных задержек передачи команд на этапах 3-6 полета БПЛА сверх тех задержек, которые рассчитанны в предположении о стационарном характере трафика управления БПЛА. Эта неучтенная задержка (АТзад) передачи трафика управления БПЛА представляет значительные трудности при формировании исходных требований к ССВС, которая должна обеспечивать процессы управления БПЛА со стороны АСУ авиацией при жестких ограничениях на боевую эффективность БПЛА по показателю вероятности наведения БПЛА на цель. Ошибки при определении длительности передачи команд управления приводят к снижению вероятности наземного наведения БПЛА(Рнн) при их управлении в режиме реального времени.3.4.Разработка метода (модели), алгоритма, методики реализующей цель исследования с учетом оценки основных характеристик прототипаИсследование материалов работ и публикаций по теме данной выпускной работе [4-9] дают возможность сделать вывод, что для построения современных систем связи будут использованы высокоскоростные каналыпередачи данных, которые имеют скорость до 34 МБит/с. Это достигаетсяв том числе и применением алгоритма случайного множественного доступа абонентов к каналу.Алгоритм работы канала связи может быть представлен в виде следующей последовательности действий:в том случае, если на текущий момент времени канал свободен от передачи данных, то абонент имеет возможность передает пакет данных;в том случае, если на данный момент времени канал занят, то передача пакета данных от абонента может быть отложена на время открытия канала связи для передачи данных. Время ожидания в этом случае не может превышать время задержки при передаче. По истечение данного времени происходит очередная проверка канала связи на возможность передачи данных.В обобщённом виде схема работы рассматриваемых систем связи может быть представлена в виде алгоритма на рисунке 3.4.Рисунок 3.4 – Общая схема функционирования алгоритма множественного доступа к каналу связиРисунок 3.5 – Общая схема функционирования алгоритма множественного доступа к каналу связиРассмотрим модель сети воздушной радиосвязи, посредством которой происходит управления отдельным БПЛА или их группави в составе эскадры. Данный алгоритм построен на принципах случайного множественного доступа.Выделим перечень параметров, которые будут исходными данными при построении рассматриваемой модели:M–общее число пользователей рассматриваемой сети котрые совокупно используют канал связи для передачи данных;–размер пакета передачи данных. В данном случае этот размер выражается через продолжительность передачи пакета;–коэффициент, характеризующий среднестатистическую величина, характеризующая возможность корректного передачи и приема пакета данных. Данный коэфициент нормируется протяженностью окна передачи данных;–величина, которая характеризует величина, характеризующая возможность корректной передачи пакетов в течение всего окна; - величина, характеризующая возможность , что m-ый абонент передает пакет в каком-либо окне;- общее число передач пакетов за время окна ;– среднее время, в числе окон, за которое пакет будет успешно принят; - величина, характеризующая возможность корректной передачи пакета анных; - усредненное количество требуемых попыток установления связи, которые могут возникнуть в случае возникновения каких-либо ошибок; - предельная продолжительность распространения электромагнитных волн по направлению к СРВН;- средняя величина задержки, которая формируется в случае повторной передачи пакета; - величина, характеризующая норму времени, которое пройдет прежде получения подтверждения об успешные передачи данных - средний объем пакета данных в одном коне; - наибольшая теоретическая пропускная способность, характерная для рассматриваемого канала. - наибольшая пропускная способность канала в случае организации его работы по указанному выше алгоритму для ситуации множественным доступом; - максимальное времясуществования пакета данных. Указанный параметр является стандартным при описании различных систем массового обслуживания; - продолжительность существенная пакета данных; - среднее время, затраченное на передачу данных по всему каналу связи; - усредненная величина эффективности потока данных, которые поступают абоненту; - совокупная усредненная величина трафика в системе; - коэффициент, который характеризует величину транзитного трафика; - параметр, определяющий процентное отношения трафика, отдаваемого на передачу технических сообщений (доставка пакетов, возникновение ошибок и т.д.)Одним из базовых моментов при разработке модели является этап формирования ограничивающих требований. На данном этапе примем, чтов рассматриваемой модели не производится учет возможность воздействия на канал передачи данных средств радио электронной борьбы;абоненты сети связи располагаются друг от друга в предалеах прямой радиовидимости;квитанции об успешной доставке пакетов прибывают надежно и безпотерь;в ССВС присутствует большое число равномерно «слабых» абонентов,ни один из которых не вносит весомый вклад в нагрузку сети.В работах [30, 31] приводится описание вычисления усредненного числа передач данных, которые были завершены успешно и имеют объем . Данную величину можно определить по следующему выражению:(3.1)Вычислим среднее значение продолжительности задержки пакета данных. Определим данную величину посредством среднего числаокон [28].(3.2)Выполним расчет характеристик канала связи посредством нескольких абсолютные величины показателей. Величина в (3.1) и (3.2) может быть вычислена на основании дальности расположения объекта связи (предельная дальность установления связи между наиболее удаленными абонентами) [29]:(3.3)где: – скорость света; – предельное удаление наиболее далекого объекта, км.На основании приведенных выше формул произведем высисление следующих величин:и от , . Параметры окна связи могут быть выражены посредством размера пакета данных, а также величины пропускной способности канала:(3.4)Зависимость среднего количества пакетов данных, которые были приняты от абонента пропорциональна числу пакетов, готорые сгенерированы данным абонентом, длиной бит, за время длительности окна. Определим данную величину через выражение:(3.5)откуда следует(3.6)Далее необходимо учесть в объеме данных, передаваемых по каналу радиосвязи и объем дополнительноготранзитный трафик. Объем данного трафика зависит от параметра , который был показан выше. Таким образом, суммарный объем переданного трафика может быть вычислен по следующему выражению:.В том случае, если при в системе связи предусмотрена трансляция квитанция, которые подтверждают факт получения пакета данных, то, соответственно, объем полезного трафика буде снижен на долю данных квитанций() Определим объем суммарного трафика, передаваемого по радиоканалу по выражению:,(3.7)тогда (3.8)Действительная пропускная способность радиоканала связи может быть определена путем вычисления отношения числа передач, которые были закончены (прошли успешно) к средней длине пакета бит, в течение времени по следующему выражению:(3.9)Подставляя (3.1), (3.3), (3.5) в (3.9), учитывая при этом соотношение (3.7) может быть получена формула, посредством которой можно рассчитать усредненное числоэффективных передач пакетов данных в течение одного окна. Если при этом будет учтено, что параметр представляет собой величину эффективно передачи данных через канал связи, которая выражается через параметр, то будет получено следующее выражение: (3.10)Вычислим продолжительностьожидания передачи пакета данныхиз формулы (3.2). В этом случае величина, которая определяет передачу квитанции об успешной передаче и не зависит от характеристикканала радиосвязи в рассматриваемой модели[27], что характеризуется заданными изначально ограничивающими факторами. Если же в рассматриваемой модели исключить предположение, что Если из модели, представленной в работе [27] убрать ограничение, что квитанции доставляются надежно по отдельному каналу и без затрат, получим, что квитанции доставляются по тому же каналу. В этом случае из (2) с учетом выражения (3.6) получим в, как задержку пакета квитанции, который, в свою очередь уже не требует пакета-квитанции:(3.10)Тогда выражение для времени задержки пакета, выраженной в секундах будет определятся из выражений (3.2) и (3.10): (3.11)где: – определяется из выражения (3.7), - выражением (3.3), определяется равенством:(3.12)Если же в работе системы передачи данных функция квитирования не предусмотрена, то предыдущее выражение (3.11) примет следующий вид:с учетом того, что в выражении (12) для значение .Для систем управления в реальном масштабе времени накладывается ограничение на «время жизни» пакета в ССВС - . Так как для выражения (3.10) параметр К является варьируемым, в этом случае необходимо наложить условие, при котором соблюдается требования к «времени жизни» пакета. В том случае, если продолжительность «жизни» пакета будет превышать длительность существования в сетиt, очевидно, что передача пакета теряет смысл:Учитывая выражение (3.4) сформируем критерий соответствия своевременности доставки пакетов трафика в ССВС ее оперативной ценности: (3.13)Очевидно, что объем передаваемых данных об успешной доставке информационных пакетов (квитанции) существенно меньше, нежели объем полезного трафика, который передается по каналу связи.Как показывают результаты рассмотренной модели [28], то при ее использовании транзитного трафика, в том случае, если БПЛА могут выступать в роли ретрансляторов при передаче данных, происходит существенное увеличение пропускной способности до 20 -25%, при этом своевременность передачи пакетов в ССВС снижается в 2-2.5 раза.Такое снижение своевременности передачи пакетов делает актуальным разработку научно обоснованных технических решений по ретрансляции трафика в КРБ на ТВД. а также внедрения децентрализованных принципов информационного обмена в КРБ.В данной главе показано, что одним из методов повышения надежности систем связи, используемых для управления БПЛА, является применение ретрансляции потока данных. В этом случае происходит значительное повышение нагрузки на КРБ. Для компенсации этого предлагается модель канала связи с множественным доступом, учитывающая текущий этап функционирования БПЛА и соответствующий приоритет трафика. ЗаключениеВ представленной выпускной квалификационной работе представлен анализ и разработка методов повышения надежности радиоканала связи с БПЛА. Приставленный в работе анализ существующих решений, которые могут применяться увеличения качества каналов связи с БПЛА в том числе и в условиях ведения боевых действий и возможного воздействия средств и систем противовоздушной обороны противника, позволяет сделать вывод, что данная тема актуальна и востребована. Как показали исследования на сегодняшний день существует проблема несоответствия требования по обеспечению высокой эффективности применения БПЛА, в том числе и для функционирования в условиях ведения военных операций, и недостаточными параметрами радиоканалов связи иуправления, которые могут иметь недостаточную надежность в условиях воздействия внешних факторов, низкую скорость передачи данных, отсутствие адаптации параметров канала, в том числе и частотно-временного ресурса к уровню и объему, транслируемых по каналу связи данных.Для разрешения данного противоречия предложено использовать прогнозирование интенсивности передачи данныхБПЛА, с возможностью упреждающего распределения частотно-временного ресурса ССВС по каналам управления БПЛА. При этом эти принципы адаптивного распределения частотно-временного ресурса по отношению к современным ССВС применяются впервые.В работе показано, что эффективным решением задачи повышения качества связи с БПЛА является использование ретрансляции данных для соответствия сетецентрическим принципам управления конечными БПЛА. Сформированная в этом случае единая сеть радиосвязи фактически будет представлять единую информационную структуру, которая характеризуется сложной структурой. Предложенное решение позволяет сформировать систему радиосвязи между БПЛА и ПУ, отвечающую заданным требованиям качества и скорости передачи данных.Результаты исследования показали, что использование рассматриваемой модели организации связи влечет увеличение транзитного трафика. В свою очередь приросте объемов транзитного трафика на 10-20% задержки при передаче пакетов данных могут возрастать до 2 раз. Для решения этой проблемы в работе предложен алгоритм адаптивного управления параметрами канала связи.Таким образом, в результате исследования и моделирования предложенных решений выявлен положительный эффект, заключающийся в повышение эффективности работы сети воздушной радиосвязи за счет адаптивного использования энергетического, сигнального и частотного сетевого ресурса. Качество и надежностьфункционирования радиоканала связи БПЛА зависит от многих факторов: параметров работы РПдУ БПЛА, типов антенн, местоположения БПЛА и т.д. Для повышения надежности работы радиоканала связи с БПЛА при невозможности изменения параметров работы целесообразным представляется использование других БПЛА в качестве ретрансляторов.Таким образом, в результате выполнения выпускной работы, выполнены все поставленные задачи.Список литературы