某型無人機(jī)指令丟失原因分析與概率估算

王成軍 米陽

（遼寧興城92419部隊(duì) 125106）

0 概述

某型無人機(jī)是靶場的一種重要的空中靶標(biāo)。該型無人機(jī)價(jià)格較高，技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間長，按照以往的要求，在地面中，不能出現(xiàn)任何問題。但是，在為一項(xiàng)重要任務(wù)的技術(shù)準(zhǔn)備過程中，該型無人機(jī)出現(xiàn)了三次丟失指令的現(xiàn)象。在移動(dòng)站發(fā)送指令后，顯示指令發(fā)射成功，但飛控系統(tǒng)未顯示收到該指令，對(duì)于之前或之后的其他指令均能顯示收到并執(zhí)行。由于任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間緊，再重新準(zhǔn)備一架無人機(jī)的時(shí)間難以保證。為了確保試驗(yàn)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，并且盡可能的確保安全，必須分析這一問題能否影響無人機(jī)空中飛行。

1 無人機(jī)測控系統(tǒng)組成與工作原理

無人機(jī)測控系統(tǒng)由移動(dòng)式測控站、靶載設(shè)備等組成。移動(dòng)式測控站中的測控電子設(shè)備包括遙測接收天線、遙測接收解調(diào)組合、仿真器、遙控發(fā)射天線、功放、遙控組合、遙控校驗(yàn)組合、指令盤、GPS 外測處理計(jì)算機(jī)、GPS 天線、GPS 授時(shí)儀、時(shí)碼器等。靶載測控設(shè)備包括遙測天線、遙測發(fā)射機(jī)、采編器、遙控天線、遙控接收解調(diào)設(shè)備、信號(hào)變換器、GPS 天線、GPS 接收機(jī)、電源變換器等。

安裝在無人機(jī)上的GPS 接收設(shè)備通過GPS 天線始終接收空中的GPS 衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出無人機(jī)的位置數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)送到遙測采編器。靶載遙控接收設(shè)備通過遙控接收天線接收地面發(fā)出的遙控信號(hào)，解出遙控指令，并將遙控指令變換后送到無人機(jī)飛控設(shè)備用來控制無人機(jī)的飛行狀態(tài)。同時(shí)將要返回的遙控指令送給遙測的采編器。靶載遙測設(shè)備將無人機(jī)的位置數(shù)據(jù)、遙控返回指令、遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，經(jīng)變頻、放大后通過遙測天線向地面測控站發(fā)送。

遙控分系統(tǒng)采用擴(kuò)頻體制向無人機(jī)發(fā)送遙控信號(hào)，不同無人機(jī)占用相同的上行遙控信道的點(diǎn)頻，依靠偽碼加地址碼識(shí)別。地面設(shè)備在同一時(shí)間只能有一個(gè)遙控發(fā)射設(shè)備工作，向無人機(jī)發(fā)射遙控指令。遙控分系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)度指揮禁止2個(gè)遙控指令盤發(fā)令，從而進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)，遙控分系統(tǒng)發(fā)射空指令填充幀，停止指令驗(yàn)證工作。地面遙控分系統(tǒng)一旦進(jìn)入工作狀態(tài)即不間斷的發(fā)送連續(xù)的指令幀編碼、偽碼和載波，在無指令發(fā)射期間，指令幀為固定的填充幀，保證靶載設(shè)備始終處于同步狀態(tài)。遙控指令盤通過串口與UHF 遙控終端通信，指令盤發(fā)出一條指令后，UHF 遙控終端根據(jù)指令編碼規(guī)則產(chǎn)生相應(yīng)的指令編碼填入對(duì)應(yīng)無人機(jī)的指令幀，通過上行遙控信道和功放發(fā)射出去。同時(shí)通過遙控功放輸出端的定向耦合器耦合出微量的遙控信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)HF遙控校驗(yàn)器，完成變頻、解擴(kuò)、解調(diào)等處理，獲得遙控指令幀，并將指令幀數(shù)據(jù)通過串口送給UHF 遙控終端進(jìn)行小環(huán)指令驗(yàn)證。UHF遙控終端同時(shí)還通過以太網(wǎng)接收遙測接收解調(diào)分系統(tǒng)返回的遙測全幀數(shù)據(jù)，挑路遙控指令返回?cái)?shù)據(jù)完成大環(huán)比對(duì)驗(yàn)證。

上行遙控指令幀連續(xù)發(fā)射，以保證機(jī)載設(shè)備同步。在無指令時(shí)，遙控指令幀中的指令字為空指令。地面遙控設(shè)備接收到一條指令后，上行信道連續(xù)發(fā)送該指令字，直到滿足下列條件之一，改發(fā)空指令：指令大環(huán)驗(yàn)證正確或指令大環(huán)驗(yàn)證超時(shí)（2S）。兩條指令之間必須用空指令間隔，空指令持續(xù)時(shí)間必須大于500ms。

地面遙控設(shè)備發(fā)出一條指令后，即開始進(jìn)行指令大環(huán)驗(yàn)證。地面設(shè)備的指令驗(yàn)證實(shí)行3判2機(jī)制。當(dāng)滿足下列所有條件時(shí)，指令大環(huán)驗(yàn)證正確：遙控回令數(shù)據(jù)中的地址碼、指令字、數(shù)據(jù)字比對(duì)正確；遙控回令數(shù)據(jù)中的輸出狀態(tài)字譯碼正確。地面遙控設(shè)備從發(fā)出一條指令開始，經(jīng)2秒未能驗(yàn)證大環(huán)正確，則指令大環(huán)驗(yàn)證超時(shí)。

圖1 無人機(jī)飛控系統(tǒng)組成示意圖

機(jī)載設(shè)備接收到的上行遙控指令實(shí)行轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。遙控回令數(shù)據(jù)中的地址碼、指令字、數(shù)據(jù)字為當(dāng)前遙測幀開始前接收到的最近一次上行遙控信道中的相應(yīng)數(shù)據(jù)。遙控回令數(shù)據(jù)中的輸出狀態(tài)字為當(dāng)前遙測幀時(shí)刻采集的執(zhí)行脈沖輸出編碼值。機(jī)載設(shè)備的指令譯碼實(shí)行5判3機(jī)制。譯碼正確后輸出相應(yīng)指令的執(zhí)行脈沖。

2 飛控系統(tǒng)基本組成和指令接收?qǐng)?zhí)行基本過程

無人機(jī)的飛行控制分系統(tǒng)是由原模擬式駕駛儀升級(jí)為數(shù)模混合式駕駛儀，即穩(wěn)定信號(hào)仍由模擬式直接傳輸，而指令執(zhí)行的控制邏輯、時(shí)間程序設(shè)置和操縱給定信號(hào)由數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高靜態(tài)控制精度、抗干擾能力和可靠性。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

飛控程序在接收到遙控指令幀后，先將該指令存入緩沖區(qū)。飛控程序在間隔20毫秒左右的時(shí)間內(nèi)會(huì)查看一次緩沖區(qū)，如果有指令幀則將其取出。如果飛控程序取到指令幀，則將該指令回傳給靶載遙測終端，并執(zhí)行。

3 指令丟失原因分析

根據(jù)大環(huán)比對(duì)成功，可以認(rèn)為指令由移動(dòng)站成功發(fā)出，靶載遙控終端成功接受并傳送給采編器，最后由靶載遙測設(shè)備成功發(fā)出并被移動(dòng)站成功接收。這樣可以排除測控系統(tǒng)造成這一現(xiàn)象的原因。

根據(jù)飛控系統(tǒng)的工作原理，飛控程序在接收到遙控指令幀后，先將該指令存入緩沖區(qū)。飛控程序在間隔20毫秒左右的時(shí)間內(nèi)會(huì)查看一次緩沖區(qū)，如果有指令幀則將其取出。如果飛控程序取到指令幀，則將該指令回傳給靶載遙測終端，并執(zhí)行。由于在地檢計(jì)算機(jī)上能夠顯示其他指令并且能正確執(zhí)行，可以認(rèn)為飛控程序在取得指令后能夠正確顯示并執(zhí)行。

基于上述分析，可以認(rèn)為指令丟失發(fā)生在測控設(shè)備和飛控程序取指令之間。根據(jù)緩沖區(qū)的指令取出規(guī)則，在緩沖區(qū)內(nèi)存放兩個(gè)指令幀的條件下，飛控程序只取最新的指令幀。由于測控設(shè)備每1秒給飛控發(fā)一條心跳指令幀，那么當(dāng)心跳指令幀在其他指令幀后發(fā)出，并且與其同時(shí)存在于緩沖區(qū)中時(shí)，飛控程序?qū)⑷〕鲂奶噶顜鴮⑵渌噶钋宄@樣就造成了該指令的丟失。

從遙測存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來看，這四次丟失指令現(xiàn)象中，都是在遙控指令幀后緊接著心跳指令幀。由于心跳指令幀緊跟在其他指令幀之后的概率較小，從而可以判斷出指令丟失是由于指令幀后緊接著心跳指令幀造成的。

4 指令丟失概率估算

假設(shè)在t=0時(shí)刻，一條非心跳指令剛好進(jìn)入緩沖區(qū)中。根據(jù)每個(gè)指令幀未8×10=80bit，碼速率為19200bps，則每條指令幀的傳輸時(shí)間為80/19200=0.0045s=4.5ms

假設(shè)飛控程序從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間為Δtms，那么如果在Δt－4ms 之前有心跳指令幀接受的話，該指令就能在Δt時(shí)刻之前進(jìn)入緩沖區(qū)，此時(shí)緩沖區(qū)中有兩條指令幀，則該非心跳指令幀將丟失。根據(jù)心跳指令每1000ms 發(fā)一次，則丟失概率為

經(jīng)過實(shí)際統(tǒng)計(jì)，在總共的測控設(shè)備發(fā)出的指令中，大環(huán)比對(duì)成功的有500條，其中丟失的指令為3條。由于這500條中有測控單元測試的指令，在單元測試中飛控系統(tǒng)是不參與的。按照單元測試的指令為3×30=90條來估計(jì)，則實(shí)際上有飛控系統(tǒng)參與的指令共有500－90=410條。則該現(xiàn)象實(shí)際統(tǒng)計(jì)的發(fā)生概率為Plr=3/410=0.0073.理論估計(jì)值與實(shí)際統(tǒng)計(jì)值大致相當(dāng)。

5 結(jié)束語

由于指令丟失的原因分析清楚，并且根據(jù)分析進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證性試驗(yàn)。驗(yàn)證性試驗(yàn)表明，如果在指令后緊接心跳，該指令確實(shí)會(huì)丟失。后續(xù)的準(zhǔn)備工作中也出現(xiàn)一次同樣的丟失指令現(xiàn)象，經(jīng)檢查數(shù)據(jù)，同樣也是緊接了一個(gè)心跳。這樣，充分說明了原因分析的正確性。由于發(fā)生的概率較小，還不到1%，并且可以通過補(bǔ)發(fā)指令進(jìn)行彌補(bǔ)，所以可以繼續(xù)進(jìn)行無人機(jī)技術(shù)準(zhǔn)備。該原因分析與概率估算具為試驗(yàn)決策提供了可靠的依據(jù)，確保了試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，而且對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。

[1]Roy Blake，現(xiàn)代通信系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社，2003.

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