無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸時(shí)延建模及其補(bǔ)償

潘琢金，陳方瑞，羅振，楊華（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

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無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸時(shí)延建模及其補(bǔ)償

潘琢金，陳方瑞，羅振，楊華
（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

摘要：

關(guān)鍵詞：

0　引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)成為軍事領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈與地面操控人員進(jìn)行信息通信。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)潜Ｕ衔淦鲉卧⒅笓]控制單元和傳感器之間戰(zhàn)術(shù)信息實(shí)時(shí)傳遞的關(guān)鍵所在，因此信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性是對(duì)數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵要求。由此，對(duì)科學(xué)描述數(shù)據(jù)鏈時(shí)延、數(shù)據(jù)鏈時(shí)延補(bǔ)償研究具有重要意義[1-2]。

由于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈真實(shí)測(cè)量值難于獲取，國(guó)內(nèi)外研究都是把隨機(jī)時(shí)延轉(zhuǎn)化為固定時(shí)延從而進(jìn)行分析和研究。這樣處理并不能真實(shí)反映無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的時(shí)延特性，因此要使用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)模擬報(bào)文的產(chǎn)生，同時(shí)將數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)排隊(duì)占用各自時(shí)隙的過(guò)程抽象為一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)。本文首先分析數(shù)據(jù)鏈傳輸協(xié)議以求取其時(shí)延理論上下界，并運(yùn)用排隊(duì)理論對(duì)傳輸時(shí)延進(jìn)行建模分析；使用我國(guó)周宏仁教授提出的“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型[3]對(duì)無(wú)人機(jī)建模，基于自適應(yīng)卡爾曼濾波對(duì)無(wú)人機(jī)的位移、速度信息進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償；最后通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1　數(shù)據(jù)鏈時(shí)延產(chǎn)生及影響

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的傳輸延遲是指一個(gè)指令的產(chǎn)生到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作的一段時(shí)間。數(shù)據(jù)鏈傳輸時(shí)延直接影響指令傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。依照時(shí)延產(chǎn)生的順序時(shí)延主要包括3個(gè)部分[4]：

（1）系統(tǒng)處理時(shí)延wd：信息的產(chǎn)生、處理到數(shù)據(jù)進(jìn)入排隊(duì)發(fā)送序列之間的時(shí)間間隔。

（2）排隊(duì)等待時(shí)延wq：消息進(jìn)入緩沖區(qū)等待到此消息時(shí)隙到達(dá)消息被發(fā)出之間的時(shí)間間隔。

（3）消息傳播時(shí)延wp：指信息以電磁信號(hào)的形式在介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的時(shí)間間隔。

因此數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)延tD主要由系統(tǒng)處理時(shí)延wd、排隊(duì)等待時(shí)延wq和消息傳播時(shí)延wp構(gòu)成，即：

系統(tǒng)處理時(shí)延與系統(tǒng)設(shè)備的處理性能有著密切關(guān)系，主要包括傳感器時(shí)延、運(yùn)算時(shí)延等物理硬件和軟件時(shí)延。

消息傳播時(shí)延與傳輸距離有很大關(guān)系；傳輸距離越遠(yuǎn)時(shí)延越大；同時(shí)是否通過(guò)衛(wèi)星中繼通信也會(huì)對(duì)信息傳輸產(chǎn)生影響。目前，在無(wú)衛(wèi)星中繼通信下無(wú)人機(jī)與地面控制站間的物理距離一般在600km范圍內(nèi)，因此消息傳播時(shí)延wP大約為2ms左右。如果無(wú)人機(jī)速度為550m/s，則在消息傳播時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的位移誤差大約為1.1m。由于此距離遠(yuǎn)小于雷達(dá)的探測(cè)精度，因此消息傳播時(shí)延可以忽略不計(jì)。

由于數(shù)據(jù)只能在其分配的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸；因此，數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送序列必須等待先到的信息進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)還必須等待其可用的服務(wù)時(shí)隙的到來(lái)。故消息等待時(shí)延wq是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸延遲的主要組成部分。

2　數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲建模

時(shí)分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）作為一種有效的多址接入方式在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。TDMA的工作原理是將一個(gè)射頻頻率通道的時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙，然后分配時(shí)隙給多個(gè)用戶(hù)。通過(guò)這種方式，單個(gè)通信頻率可以同時(shí)支持多個(gè)數(shù)據(jù)通道。

數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸速率為M bits/s，時(shí)隙時(shí)間長(zhǎng)度為τ。假定一個(gè)消息中數(shù)據(jù)包的數(shù)量服從參數(shù)為q（0＜q＜1）的幾何分布，則每個(gè)消息中平均包含q-1個(gè)數(shù)據(jù)包。每一個(gè)數(shù)據(jù)包僅需一個(gè)時(shí)隙即可發(fā)送完畢，則每個(gè)數(shù)據(jù)包包含μ-1=Mτ（bits）。消息到達(dá)控制站的數(shù)量是一個(gè)隨機(jī)序列｛Nn，n≥1｝，Nn表示在第n個(gè)時(shí)隙時(shí)刻到來(lái)的消息數(shù)量。假定隨機(jī)序列｛Nn，n≥1｝是獨(dú)立同分布的，令aj=P（Nn=j）（j≥0），α=E[Nn]，則α為每個(gè)時(shí)隙到達(dá)消息的平均長(zhǎng)度。消息在時(shí)幀內(nèi)分配有連續(xù)多個(gè)時(shí)隙，假定為N（N≥1）個(gè)，同時(shí)一個(gè)時(shí)隙包含有N+L（L≥1）個(gè)時(shí)隙。如圖1所示。

圖1　時(shí)幀結(jié)構(gòu)示意圖

令Xk表示在時(shí)隙k時(shí)刻站緩存區(qū)內(nèi)消息長(zhǎng)度，消息發(fā)送過(guò)程中｛Xk，k≥1｝并不是馬爾科夫過(guò)程。為獲得馬爾科夫過(guò)程增一個(gè)變量Yk，Yk為時(shí)隙序號(hào)，其取值范圍為1≤Yk≤N+L；構(gòu)成二維馬爾科夫過(guò)程｛（Xk，Yk），k≥1｝。當(dāng)單位時(shí)隙達(dá)到的消息數(shù)小于單位時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)南?shù)時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。即：

在穩(wěn)定條件下，｛Xk｝的分布是不存在的；然而｛Xk｝在給定條件Yk=j下的分布在Cesaro意義下是存在的。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，給定Yk=j條件下｛Xk｝的條件概率分布為：

在穩(wěn)定狀態(tài)下，Cesaro意義[5]下｛Xk｝的概率分布為：

在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下可以得到系統(tǒng)消息平均長(zhǎng)度的嚴(yán)格上下界為[6]：

進(jìn)一步根據(jù)文獻(xiàn)[6]，作戰(zhàn)單元在每個(gè)時(shí)幀中分配多個(gè)時(shí)隙，并且分配時(shí)隙位置在時(shí)幀中是均勻分布時(shí)，系統(tǒng)平均消息長(zhǎng)度取得下界值。即：E（X）=QL。

假設(shè)作戰(zhàn)單元中消息生成服從參數(shù)為λ的Poisson過(guò)程，則有：

再根據(jù)Little公式LS=λWS[7]，可以得出在消息傳輸延遲為：

將消息傳輸過(guò)程抽象為一個(gè)先到先服務(wù)的排隊(duì)系統(tǒng)，故可以利用排隊(duì)論分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲。假定消息到達(dá)服從泊松分布（Poisson），參數(shù)為λ；且一個(gè)消息僅含有一個(gè)數(shù)據(jù)包，即q=1；得到：

根據(jù)式（11），可得到消息到達(dá)率λ和服務(wù)率μ（服務(wù)時(shí)間的倒數(shù)）與傳輸延遲時(shí)間的變化情況，如圖2、圖3所示。由圖可以得到無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸時(shí)延與消息的服務(wù)率μ和到達(dá)率λ有關(guān)：當(dāng)消息到達(dá)率λ值為定值時(shí)，數(shù)據(jù)鏈信息傳輸延時(shí)隨著消息服務(wù)率μ的增大而降低；而當(dāng)消息服務(wù)率μ值為定值時(shí)，數(shù)據(jù)鏈信息傳輸延時(shí)隨著消息到達(dá)率λ的增大而增大；當(dāng)消息到達(dá)率λ與消息服務(wù)率μ值相等時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間延遲急劇增大。

圖2　延遲時(shí)間與消息服務(wù)率μ關(guān)系圖

圖3　延遲時(shí)間與消息到達(dá)率λ的關(guān)系圖

3　數(shù)據(jù)鏈延遲補(bǔ)償方法

以周宏仁博士提出的“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型[8]為基礎(chǔ)建立無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)跟蹤模型。由于目標(biāo)的隨機(jī)機(jī)動(dòng)加速度在x、y、z方向上的運(yùn)動(dòng)分量是相互獨(dú)立的，因此僅對(duì)x方向進(jìn)行分析[9]：

基于“當(dāng)前”模型的標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波算法存在狀態(tài)噪聲的方差Q（k）[10]：

其中，Q0是與α和采樣周期T有關(guān)的常量矩陣。為“當(dāng)前”加速度的方差。

利用速度預(yù)測(cè)估計(jì)和速度濾波估計(jì)間的偏差進(jìn)行加速度方差的自適應(yīng)調(diào)整，從而自動(dòng)調(diào)整過(guò)程噪聲方差。則可得到：

這樣，即可得自適應(yīng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噪聲方差陣Q （k），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤。則量測(cè)方程為：

式中，H（k）=[1 0 0]是觀測(cè)矩陣；V（k）是均值為0，方差為R（k）的觀測(cè)噪聲。

根據(jù)前一時(shí)刻的目標(biāo)狀態(tài)信息的最優(yōu)估算值和求得的遲滯信息，預(yù)估出當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)信息；將預(yù)估值和遲滯狀態(tài)信息一同發(fā)出，對(duì)于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)男畔ⅲ舆t間隔可以預(yù)估在一定范圍之內(nèi)。

目標(biāo)狀態(tài)信息的預(yù)測(cè)值為：

加入在延遲間隔td內(nèi)目標(biāo)移動(dòng)的狀態(tài)信息得到補(bǔ)償值：

Z（k+td）為k+td時(shí)刻延遲補(bǔ)償后的目標(biāo)狀態(tài)信息。

4　仿真驗(yàn)證與分析

仿真條件設(shè)定為：目標(biāo)初始位置為[10；6；8]km，初始速度VX=200m/s，VY=300m/s，VZ=0m/s，機(jī)動(dòng)頻率α= 0.125，采樣周期T=0.1s，仿真時(shí)間70s。

表1　目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表

采用機(jī)動(dòng)目標(biāo)3個(gè)方向的位置、速度和加速度作為目標(biāo)狀態(tài)變量，對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。以X方向?yàn)槔瑢⒀a(bǔ)償前、后的目標(biāo)測(cè)量值與目標(biāo)真實(shí)值的測(cè)量值之差作為目標(biāo)信息的測(cè)量誤差，仿真結(jié)果如下見(jiàn)圖4～6。

圖4　飛行軌跡對(duì)比圖

圖5　飛行軌跡局部放大對(duì)比圖

圖6　補(bǔ)償前后誤差對(duì)比圖

由對(duì)比圖4～6可以看出，目標(biāo)的軌跡明顯偏離真實(shí)軌跡，經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償后，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡能更好地?cái)M合真實(shí)軌跡。由圖可知，在補(bǔ)償之前位移誤差較大；經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償后，位置誤差明顯減小，最大減少達(dá)到326.328m；經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理后目標(biāo)的位移與真實(shí)位移能保證在50m以?xún)?nèi)。使監(jiān)控單元得到的無(wú)人機(jī)狀態(tài)信息與真實(shí)信息更加接近。

5　結(jié)語(yǔ)

本文首先研究了造成無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延的因素；在分析數(shù)據(jù)鏈傳輸協(xié)議基礎(chǔ)上，運(yùn)用排隊(duì)論對(duì)無(wú)人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈報(bào)文傳輸進(jìn)行時(shí)延建模；提出一種基于“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型的改進(jìn)自適應(yīng)卡爾曼濾波時(shí)延誤差補(bǔ)償方法。仿真結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)傳輸延遲誤差補(bǔ)償方法可以明顯降低目標(biāo)測(cè)量誤差。不足在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)目標(biāo)發(fā)生大機(jī)動(dòng)時(shí)刻的仿真誤差較大，還需要優(yōu)化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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潘琢金（1962-），男，吉林通化人，碩士研究生，教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制

陳方瑞（1986-），男，山東德州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)

羅振（1981-），男，山東淄博人，博士，講師，研究方向?yàn)橐蕴W(wǎng)路由技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)

楊華（1974-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、智能人機(jī)交互、仿人機(jī)器人、機(jī)載計(jì)算和智能控制收稿日期：2016-02-17修稿日期：2016-04-28

Transferring Time Delay Model of UAV Data Link and Its Compensation

PAN Zhuo-jin，CHEN Fang-rui，LUO Zhen，YANG Hua
（School of Computer Science，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136）

Abstract：

Analyzes the time delay transmission properties of UAV data link，and studies the factors that cause the delay of information transmission.By analyzing the data link transmission protocol，creates a delay model based on queuing theory for packet transmission of UAV airground data link.Based on the "current" statistical model，the Kalman filter algorithm is improved to compensate the delay of information transmission.The simulation results show that the error compensation method of the data transmission can significantly reduce the target measurement error compared with the measured data.

Keywords：

分析無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延傳輸特點(diǎn)，研究造成信息傳輸延遲的因素；在分析數(shù)據(jù)鏈傳輸協(xié)議基礎(chǔ)上，運(yùn)用排隊(duì)論對(duì)無(wú)人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈報(bào)文傳輸進(jìn)行時(shí)延建模；基于“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型，改進(jìn)卡爾曼濾波算法對(duì)信息傳輸時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)傳輸延遲誤差補(bǔ)償方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比可以明顯降低目標(biāo)測(cè)量誤差。

無(wú)人機(jī)；數(shù)據(jù)鏈；時(shí)延建模；排隊(duì)論；延遲補(bǔ)償

基金項(xiàng)目：

航空科學(xué)基金（No.2014ZC54012）、遼寧省自然科學(xué)基金（No.2013024002）、遼寧省教育廳基金（No.L2013063）

文章編號(hào)：1007-1423（2016）14-0010-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.14.002

作者簡(jiǎn)介：

UAV；Data Link；Time Delay Model；Queuing Theory；Delay-Time Compensation