基于IP傳輸的空地遙控系統設計

劉滿堂,杜 剛

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

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

電子信息技術的快速發展和在航空產品中的廣泛應用使其功能更加強大,性能更加優越。現代新航空產品的科研試飛、定型試飛不僅任務量大,且試飛難度大,試飛風險高。為降低試飛風險和試飛成本,實現機載電子系統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傳輸的地空遙控技術研究。總體研究思路是:通過無線的TCP/IP網絡將遠程(機載)被控計算機上的軟件界面傳輸到(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,實現機載電子系統試飛地面遙控操作。

2 系統功能和方案設計

2.1 功能及系統組成

系統主要功能:實現機載局域網計算機與地面局域網計算機的互聯互通;實現機載地面寬帶數據鏈接,實現對機載系統遙控;機載被控系統工作狀態能夠實時傳輸到地面遙控系統并顯示。

系統由機載和地面兩部分組成。機載設備包括被控被控計算機、機載網關設備、機載寬帶數傳設備等;地面設備包括遙控計算機、地面網關設備、地面寬帶數傳設備等。系統組成如圖1所示,其中最關鍵的設備是網管設備和寬帶數傳設備。機載網管設備主要功能是將被控計算機送來的TCP/IP格式數據包進行相關處理再送至機載寬帶數傳設備;寬帶數傳設備進行TDMA協議處理、糾錯編碼及調制后通過無線信道發送到地面寬帶數傳設備。

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

2.2 方案設計

以遠程計算機控制技術為基礎,采用Symantec公司的PcAnywhere遠程控制軟件,開發IP網關和寬帶傳輸設備,建立面向連接的TCP/IP無線通道,實現遙控功能。為實現TCP/IP協議數據包通過無線網絡透明傳輸,協調無線網絡與有線以太網之間數據流量的平衡,必須在以太網和無線網絡之間構建一無線網關,實現從以太網截獲的數據包到無線鏈路之間幀格式的平滑轉換以及其逆過程。無線網關與寬帶數傳設備配合,與無線網絡上對等的無線網關進行透明通信,完成機載局域網絡到地面遙控局域網絡的無縫橋接,最終實現地面遠程控制軟件跨越地空無線通信網絡,成功控制遠端載機應用軟件的目的。

本方案設計中,遠程控制軟件服務端程序與被控系統應用程序運行于統一環境——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,無線網關軟件安裝于機載和地面專用工控制計算機。

2.3 工作原理

系統加電工作,啟動被控計算機PcAnywhere服務端軟件,操作人員以給定的用戶名和預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后,PcAnywhere服務端程序將獲取機載被控計算機顯示界面信息,打包形成TCP/IP格式數據包送機載無線網關,機載無線網關進行相關處理再送至機載寬帶數傳設備。寬帶數傳設備進行TDMA協議處理、糾錯編碼及調制后通過無線信道發送到地面寬帶數傳設備。地面寬帶數傳設備將收到的無線信號進行解調、糾錯譯碼及TDMA協議處理后送地面無線網關。地面無線網關對收到的信息進行機載無線網關逆處理,并將重構后TCP/IP格式數據包發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格式數據包恢復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應用軟件圖標,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為相應的操作系統動作,于是啟動機載被控計算機上的系統應用軟件。機載被控計算機上系統應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應用軟件界面后,地面操作人員就如同在本機上一樣對機載任務系統進行操作控制。當地面主控計算機有鍵盤或鼠標指令時,會重復類似于啟動機載被控計算機上系統應用軟件時的工作過程;當地面主控計算機有鍵盤、鼠標指令或機載設備主動上報狀態導致機載被控計算機顯示界面更新,會重復類似于機載被控計算機系統應用軟件界面下傳過程。

2.4 關鍵技術

2.4.1 寬帶數傳設備技術

基于遙控系統需求,進行數據傳輸體制、消息內容與格式、處理與變換等研究,建立穩定可靠的空地寬帶數據鏈接,是實現地空無線遙控功能的關鍵之一。

2.4.2 網關技術

網關是實現機載局域網上計算機與地面局域網上計算機透明TCP/IP傳輸的最關鍵技術[3]。網關的主要功能是在以太網和無線鏈路之間完成幀格式的轉換(截獲TCP/IP協議中IP層輸入數據,按照要求格式打包后送寬帶數傳設備傳輸,數據傳輸時網關還要實現IP數據的緩存、流量控制、自動重傳等,在接收到從無線鏈路來的數據后,還原成IP數據并從指定以太網口發送出去),通過無線鏈路與其他網關進行通信,實現空地局域網計算機的互聯[4]。

2.4.3 遠程遙控技術

遠程遙控技術是實現地空無線遙控3項關鍵技術之一。遠程遙控較常用的兩種協議是專用協議和通用協議。

(1)訂制專用協議

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

(2)使用通用協議

研發遙控系統的目是為了提高試飛訓練效率,降低試飛訓練風險,不影響原有任務系統運行,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網絡傳輸到另一臺計算機的屏幕上,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采用PcAnywhere遠程遙軟件比較合適。

3 關鍵技術測試驗證

確定地空遙控系統基本狀態之后,基于關鍵技術研究成果繼續開展測試驗證,為遠程遙控系統實驗室仿真試驗和機載地面聯試奠定基礎。

3.1 遠程遙控軟件——PcAnywhere

測試PcAnywhere軟件遠程遙控時產生的數據流量,并與網關設備和寬帶傳輸設備能力比較,驗證軟件與硬件適配性。

PcAnywhere數據流量測試環境如圖2所示。

圖2 PcAnywhere數據流量測試環境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網絡監視軟件監視主控端計算機與被控端計算機在遠程遙控時雙向的數據傳輸流量,監視到的數據傳輸流量如表1所示。

表1 PcAnywhere測試數據Table 1 PcAnywhere test data

3.2 網關軟件

測試網關軟件數據處理能力,測試環境如圖3所示。

測試計算機1和測試計算機2上安裝測試軟件,兩計算機通過網關和網關橋接軟件建立IP網絡鏈接。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,在測試軟件上監視到的文件傳輸速率見表2。

表2 網關測試數據Table 2 Transmission rate of gateway

3.3 寬帶數傳設備性能測試

測試寬帶數傳設備數據傳輸的速率、時延,數據傳輸性能測試環境如圖4所示。

圖4 寬帶數傳設備性能測試環境Fig.4 Test environment for broadband data transmission equipment

測試計算機1、測試計算機2安裝專用數傳速率測試軟件,測試計算機1、測試計算機2通過寬帶數傳設備無線連接。使用專用數傳測試軟件進行雙向數據傳輸,最終得到測試結果見表3。

表3 寬帶數傳設備性能測試數據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仿真測試環境,用該仿真測試環境驗證無線網關算法,測試遙控過程上、下行數據流量等。實驗室仿真測試環境主要由機載、地面寬帶數傳設備模擬器等構成。寬帶傳輸設備模擬器具有傳輸速度控制、時延調整和誤碼輸入功能,用這些功能模擬無線網絡的速率、時延和誤碼。實驗室遠程遙控系統仿真測試環境如圖5所示。

圖5 實驗室遠程遙控系統仿真測試環境Fig.5 Simulation environment of the remote control system

主控端計算機、被控端計算機通過網關程序和寬帶數傳設備模擬器連接,并將機載寬帶數傳設備模擬器的發送速率設置為3Mbyte/s,時延設置為100 ms;地面寬帶數傳設備模擬器的發送速率設置為80 kbyte/s、時延設置為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束后,測試結果如下:

(1)主控計算機能夠通過網關和寬帶數傳設備模擬器建立的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,復雜操作(連續移動鼠標、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果有約2 s時延。

5 機載地面聯試

2011年6月,在試飛外場結合某產品試飛,進行機載地面遠程遙控系統聯試,試驗采用全部的實裝設備,驗證在真實環境條件下遠程遙控系統功能。機載地面聯試環境如圖6所示。

圖6 機載地面聯試環境Fig.6 Joint test environment on the ground

外場機載地面聯試試驗結果與實驗室仿真測試環境下測試結果相同。

6 結束語

實驗室模擬聯試和外場機上地面聯試試驗結果表明:基于IP傳輸的地空無線遙控系統基本實現了設計目標,其設計思路和技術實現途徑對于未來工程實現地空無線遙控系統具有參考價值,特別是實時性要求相對較低的試飛試驗領域。系統所采用的網關技術、網絡遙控技術等,在寬帶IP網絡、無人機遙控等方面具有較好的推廣應用前景。對關于復雜操作出現時延的問題,初步分析是由于寬帶數傳設備上行速率較低(只有80 kbyte/s)所致,工程實現上可以適當提高寬帶數傳設備上行速率解決此問題。

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