基于IP傳輸?shù)目盏剡b控系統(tǒng)設(shè)計

劉滿堂,杜 剛

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

為了提高機載電子系統(tǒng)試飛效率,降低試飛風險,近年來基于IP傳輸?shù)臒o線遙控技術(shù)逐漸被人們重視。美國最先開展相關(guān)技術(shù)研究并應(yīng)用于工程,可以說美國在空地無線遙控技術(shù)研究處于世界領(lǐng)先地位。美軍E-8飛機早期就實現(xiàn)了地面遠程控制機載雷達工作狀態(tài)的功能,遠程遙控命令其對指定區(qū)域目標進行探測并將探測到的結(jié)果回傳給地面指揮所;美國空軍無人戰(zhàn)斗機UCAV-AF,準備實現(xiàn)可用人工智能自主方式與地面遙控方式交替進行,地面導(dǎo)航員可以交替控制多架無人戰(zhàn)斗機[1]。

電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和在航空產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用使其功能更加強大,性能更加優(yōu)越?，F(xiàn)代新航空產(chǎn)品的科研試飛、定型試飛不僅任務(wù)量大,且試飛難度大,試飛風險高。為降低試飛風險和試飛成本,實現(xiàn)機載電子系統(tǒng)試飛地空無線遙控操作是有效途徑之一。2009年,我們啟動了基于IP傳輸?shù)牡乜者b控技術(shù)研究?？傮w研究思路是:通過無線的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將遠程(機載)被控計算機上的軟件界面?zhèn)鬏數(shù)?地面)遙控計算機;將地面遙控計算機的鍵盤、鼠標等操作指令傳遞到機載被控計算機上,實現(xiàn)機載電子系統(tǒng)試飛地面遙控操作。

2 系統(tǒng)功能和方案設(shè)計

2.1 功能及系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要功能:實現(xiàn)機載局域網(wǎng)計算機與地面局域網(wǎng)計算機的互聯(lián)互通;實現(xiàn)機載地面寬帶數(shù)據(jù)鏈接,實現(xiàn)對機載系統(tǒng)遙控;機載被控系統(tǒng)工作狀態(tài)能夠?qū)崟r傳輸?shù)降孛孢b控系統(tǒng)并顯示。

系統(tǒng)由機載和地面兩部分組成。機載設(shè)備包括被控被控計算機、機載網(wǎng)關(guān)設(shè)備、機載寬帶數(shù)傳設(shè)備等;地面設(shè)備包括遙控計算機、地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備、地面寬帶數(shù)傳設(shè)備等。系統(tǒng)組成如圖1所示,其中最關(guān)鍵的設(shè)備是網(wǎng)管設(shè)備和寬帶數(shù)傳設(shè)備。機載網(wǎng)管設(shè)備主要功能是將被控計算機送來的TCP/IP格式數(shù)據(jù)包進行相關(guān)處理再送至機載寬帶數(shù)傳設(shè)備;寬帶數(shù)傳設(shè)備進行TDMA協(xié)議處理、糾錯編碼及調(diào)制后通過無線信道發(fā)送到地面寬帶數(shù)傳設(shè)備。

圖1 空地無線遙控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of the air-ground remote control system

2.2 方案設(shè)計

以遠程計算機控制技術(shù)為基礎(chǔ),采用Symantec公司的PcAnywhere遠程控制軟件,開發(fā)IP網(wǎng)關(guān)和寬帶傳輸設(shè)備,建立面向連接的TCP/IP無線通道,實現(xiàn)遙控功能。為實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)絡(luò)透明傳輸,協(xié)調(diào)無線網(wǎng)絡(luò)與有線以太網(wǎng)之間數(shù)據(jù)流量的平衡,必須在以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建一無線網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)從以太網(wǎng)截獲的數(shù)據(jù)包到無線鏈路之間幀格式的平滑轉(zhuǎn)換以及其逆過程。無線網(wǎng)關(guān)與寬帶數(shù)傳設(shè)備配合,與無線網(wǎng)絡(luò)上對等的無線網(wǎng)關(guān)進行透明通信,完成機載局域網(wǎng)絡(luò)到地面遙控局域網(wǎng)絡(luò)的無縫橋接,最終實現(xiàn)地面遠程控制軟件跨越地空無線通信網(wǎng)絡(luò),成功控制遠端載機應(yīng)用軟件的目的。

本方案設(shè)計中,遠程控制軟件服務(wù)端程序與被控系統(tǒng)應(yīng)用程序運行于統(tǒng)一環(huán)境——機載被控計算機;地面遠程控制軟件客戶端程序安裝于主控計算機,無線網(wǎng)關(guān)軟件安裝于機載和地面專用工控制計算機。

2.3 工作原理

系統(tǒng)加電工作,啟動被控計算機PcAnywhere服務(wù)端軟件,操作人員以給定的用戶名和預(yù)分配密碼從地面主控計算機遠程登錄機載被控計算機。獲得機載被控計算機授權(quán)后,PcAnywhere服務(wù)端程序?qū)@取機載被控計算機顯示界面信息,打包形成TCP/IP格式數(shù)據(jù)包送機載無線網(wǎng)關(guān),機載無線網(wǎng)關(guān)進行相關(guān)處理再送至機載寬帶數(shù)傳設(shè)備。寬帶數(shù)傳設(shè)備進行TDMA協(xié)議處理、糾錯編碼及調(diào)制后通過無線信道發(fā)送到地面寬帶數(shù)傳設(shè)備。地面寬帶數(shù)傳設(shè)備將收到的無線信號進行解調(diào)、糾錯譯碼及TDMA協(xié)議處理后送地面無線網(wǎng)關(guān)。地面無線網(wǎng)關(guān)對收到的信息進行機載無線網(wǎng)關(guān)逆處理,并將重構(gòu)后TCP/IP格式數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面遙控計算機,運行于該計算機上的遠程控制客戶端軟件將收到的TCP/IP格式數(shù)據(jù)包恢復(fù)為機載被控計算機界面顯示信息,并顯示到地面遙控計算機上[2]。此時,操作員就能在地面遙控計算機上看到機載被控計算機的界面了,具備遠程遙控操作機載被控計算機的能力。

在地面遙控計算機顯示的機載被控計算機界面上雙擊系統(tǒng)應(yīng)用軟件圖標,這種情況下PcAnywhere客戶端會將鼠標的點擊動作信息和位置信息收集打包上傳到機載被控計算機,其過程類似機載被控計算機顯示界面的傳輸,僅是傳輸方向不同。當機載被控計算機上的PcAnywhere服務(wù)器端軟件將收到地面遙控計算機上傳的鼠標位置和動作信息恢復(fù)為相應(yīng)的操作系統(tǒng)動作,于是啟動機載被控計算機上的系統(tǒng)應(yīng)用軟件。機載被控計算機上系統(tǒng)應(yīng)用軟件的啟動帶來機載被控計算機畫面的大幅更新,于是又激發(fā)新一輪機載被控計算機顯示界面的下傳過程。

地面遙控計算機更新為機載被控計算機上系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面后,地面操作人員就如同在本機上一樣對機載任務(wù)系統(tǒng)進行操作控制。當?shù)孛嬷骺赜嬎銠C有鍵盤或鼠標指令時,會重復(fù)類似于啟動機載被控計算機上系統(tǒng)應(yīng)用軟件時的工作過程;當?shù)孛嬷骺赜嬎銠C有鍵盤、鼠標指令或機載設(shè)備主動上報狀態(tài)導(dǎo)致機載被控計算機顯示界面更新,會重復(fù)類似于機載被控計算機系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面下傳過程。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 寬帶數(shù)傳設(shè)備技術(shù)

基于遙控系統(tǒng)需求,進行數(shù)據(jù)傳輸體制、消息內(nèi)容與格式、處理與變換等研究,建立穩(wěn)定可靠的空地寬帶數(shù)據(jù)鏈接,是實現(xiàn)地空無線遙控功能的關(guān)鍵之一。

2.4.2 網(wǎng)關(guān)技術(shù)

網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)機載局域網(wǎng)上計算機與地面局域網(wǎng)上計算機透明TCP/IP傳輸?shù)淖铌P(guān)鍵技術(shù)[3]。網(wǎng)關(guān)的主要功能是在以太網(wǎng)和無線鏈路之間完成幀格式的轉(zhuǎn)換(截獲TCP/IP協(xié)議中IP層輸入數(shù)據(jù),按照要求格式打包后送寬帶數(shù)傳設(shè)備傳輸,數(shù)據(jù)傳輸時網(wǎng)關(guān)還要實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的緩存、流量控制、自動重傳等,在接收到從無線鏈路來的數(shù)據(jù)后,還原成IP數(shù)據(jù)并從指定以太網(wǎng)口發(fā)送出去),通過無線鏈路與其他網(wǎng)關(guān)進行通信,實現(xiàn)空地局域網(wǎng)計算機的互聯(lián)[4]。

2.4.3 遠程遙控技術(shù)

遠程遙控技術(shù)是實現(xiàn)地空無線遙控3項關(guān)鍵技術(shù)之一。遠程遙控較常用的兩種協(xié)議是專用協(xié)議和通用協(xié)議。

(1)訂制專用協(xié)議

制定專用的地空遙控協(xié)議(類似無人機測控協(xié)議),優(yōu)點是相對于通用協(xié)議可以適當降低遙控信道傳輸速率,但需要開發(fā)適于被遙控系統(tǒng)的嵌入式軟件、可擴展性差,需要對機載原有系統(tǒng)進行升級改造,開發(fā)成本較高。

(2)使用通用協(xié)議

研發(fā)遙控系統(tǒng)的目是為了提高試飛訓練效率,降低試飛訓練風險,不影響原有任務(wù)系統(tǒng)運行,采用PcAnywhere遠程遙控軟件成本低,但信道傳輸速率相對較高。

PcAnywhere遠程遙控簡單來說就是將完整的窗口界面通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪慌_計算機的屏幕上,并能將鼠標鍵盤指令傳回被控計算機,并具有跨平臺的特性。綜合分析后作者認為地空遙控系統(tǒng)采用PcAnywhere遠程遙軟件比較合適。

3 關(guān)鍵技術(shù)測試驗證

確定地空遙控系統(tǒng)基本狀態(tài)之后,基于關(guān)鍵技術(shù)研究成果繼續(xù)開展測試驗證,為遠程遙控系統(tǒng)實驗室仿真試驗和機載地面聯(lián)試奠定基礎(chǔ)。

3.1 遠程遙控軟件——PcAnywhere

測試PcAnywhere軟件遠程遙控時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量,并與網(wǎng)關(guān)設(shè)備和寬帶傳輸設(shè)備能力比較,驗證軟件與硬件適配性。

PcAnywhere數(shù)據(jù)流量測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 PcAnywhere數(shù)據(jù)流量測試環(huán)境Fig.2 Data flow test environment of PcAnywhere

主控端計算機與被控端計算機通過本地局域網(wǎng)建立鏈接,用遠程控制客戶端程序操作被控計算機,采用360網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視軟件監(jiān)視主控端計算機與被控端計算機在遠程遙控時雙向的數(shù)據(jù)傳輸流量,監(jiān)視到的數(shù)據(jù)傳輸流量如表1所示。

表1 PcAnywhere測試數(shù)據(jù)Table 1 PcAnywhere test data

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件

測試網(wǎng)關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理能力,測試環(huán)境如圖3所示。

測試計算機1和測試計算機2上安裝測試軟件,兩計算機通過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)橋接軟件建立IP網(wǎng)絡(luò)鏈接。使用測試軟件在測試計算機1和測試計算機2之間進行雙向傳輸文件,在測試軟件上監(jiān)視到的文件傳輸速率見表2。

表2 網(wǎng)關(guān)測試數(shù)據(jù)Table 2 Transmission rate of gateway

3.3 寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試

測試寬帶數(shù)傳設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、時延,數(shù)據(jù)傳輸性能測試環(huán)境如圖4所示。

圖4 寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試環(huán)境Fig.4 Test environment for broadband data transmission equipment

測試計算機1、測試計算機2安裝專用數(shù)傳速率測試軟件,測試計算機1、測試計算機2通過寬帶數(shù)傳設(shè)備無線連接。使用專用數(shù)傳測試軟件進行雙向數(shù)據(jù)傳輸,最終得到測試結(jié)果見表3。

表3 寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試數(shù)據(jù)Table 3 Performance of the broadband data transmission equipment

4 實驗室仿真測試

2011年5月,在實驗室搭建了遠程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境,用該仿真測試環(huán)境驗證無線網(wǎng)關(guān)算法,測試遙控過程上、下行數(shù)據(jù)流量等。實驗室仿真測試環(huán)境主要由機載、地面寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器等構(gòu)成。寬帶傳輸設(shè)備模擬器具有傳輸速度控制、時延調(diào)整和誤碼輸入功能,用這些功能模擬無線網(wǎng)絡(luò)的速率、時延和誤碼。實驗室遠程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 實驗室遠程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境Fig.5 Simulation environment of the remote control system

主控端計算機、被控端計算機通過網(wǎng)關(guān)程序和寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器連接,并將機載寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器的發(fā)送速率設(shè)置為3Mbyte/s,時延設(shè)置為100 ms;地面寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器的發(fā)送速率設(shè)置為80 kbyte/s、時延設(shè)置為100 ms;主控端計算機使用PcAnywhere客戶端軟件控制被控端計算機。在主控端計算機遠程控制操作結(jié)束后,測試結(jié)果如下:

(1)主控計算機能夠通過網(wǎng)關(guān)和寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器建立的TCP/IP通道鏈接到被控計算機上;

(2)主控計算機能夠通過PcAnywhere客戶端程序遠程控制被控端計算機;

(3)主控計算機遠程遙控被控計算機時,簡單操作(移動一下鼠標、鍵盤的一個輸入)主控計算機上遠程遙控客戶端軟件的反應(yīng)速度很快,基本感覺不到延時;

(4)主控計算機遠程遙控被控計算機時,復(fù)雜操作(連續(xù)移動鼠標、或者是有新的界面彈出)主控計算機上的遠程遙控客戶端軟件界面操作結(jié)果有約2 s時延。

5 機載地面聯(lián)試

2011年6月,在試飛外場結(jié)合某產(chǎn)品試飛,進行機載地面遠程遙控系統(tǒng)聯(lián)試,試驗采用全部的實裝設(shè)備,驗證在真實環(huán)境條件下遠程遙控系統(tǒng)功能。機載地面聯(lián)試環(huán)境如圖6所示。

圖6 機載地面聯(lián)試環(huán)境Fig.6 Joint test environment on the ground

外場機載地面聯(lián)試試驗結(jié)果與實驗室仿真測試環(huán)境下測試結(jié)果相同。

6 結(jié)束語

實驗室模擬聯(lián)試和外場機上地面聯(lián)試試驗結(jié)果表明:基于IP傳輸?shù)牡乜諢o線遙控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了設(shè)計目標,其設(shè)計思路和技術(shù)實現(xiàn)途徑對于未來工程實現(xiàn)地空無線遙控系統(tǒng)具有參考價值,特別是實時性要求相對較低的試飛試驗領(lǐng)域。系統(tǒng)所采用的網(wǎng)關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遙控技術(shù)等,在寬帶IP網(wǎng)絡(luò)、無人機遙控等方面具有較好的推廣應(yīng)用前景。對關(guān)于復(fù)雜操作出現(xiàn)時延的問題,初步分析是由于寬帶數(shù)傳設(shè)備上行速率較低(只有80 kbyte/s)所致,工程實現(xiàn)上可以適當提高寬帶數(shù)傳設(shè)備上行速率解決此問題。

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