CC BY
101
-►
Проблемы передачи и обработки информации
УДК 608.4.
Ю.П. Токарев
ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
При создании системы удаленного управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) в первую очередь возникает задача отыскания рационального решения, учитывающего, с одной стороны, параметры линии передачи данных (ЛПД) и, с другой, требования БПЛА к характеристикам сигналов управления, передаваемых по ЛПД. В настоящее время существует большое количество разнообразных классов БПЛА, различающихся областью их применения, динамическими характеристиками и способами управления [I]. Характеристики ЛПД режима 4 строго определены [2]. Отсюда следует, что для решения задачи из всего разнообразия необходимо выбрать тот класс БПЛА, для управления которым радиолиния АЗН-В режима 4 подходит по своим характеристикам.
Известно, что задержка в контуре управлении БПЛА может быть критичной для устойчивости управления. Поэтому необходимо уделить внимание именно этой характеристике линии передачи данных. Основные причины, вызывающие задержку прохождения сигнала через весь контур управления, - пропускная способность канала и квантование по времени сигналов управления.
Пропускная способность канала определяется пропускной способностью самого медленного сегмента в контуре управления. В случае радиоуправления объектом с использованием ЛПД режима 4 этим узким местом как раз и является радиолиния [2, 4]. Пропускная способность ЛВС в комплексе управления на порядки выше (десятки Мбит/с), сопряжение с ЛПД режима 4 на борту БПЛА происходит непосредственно в блоке радиостанции по высокоскоростной шине данных. Скорость передачи данных по радиолинии режима 4 составляет 19200 бит/с. Вследствие временного разделения канала (разбиения каждой секунды на слоты веща-
ния) и необходимости оформления каждого слота в виде цифрового пакета с заголовком и контролем целостности данных, в каждом слоте вещания (а их в секунде 75) может быть передано порядка 200 бит полезной информации. Исходя из того, что в стандартном режиме работы ЛПД режима 4 каждому участнику радиообмена выделяется не более 1 слота/с, можно говорить об ограничении пропускной способности канала сверху скоростью 200 бит/с. Также следует обратить внимание на то, что данная скорость является усредненным значением, поскольку информационный пакет передается в течение 13,5 мс, а в остальное время радиоканал предоставляется для использования другими участниками радиообмена. Таким образом, при проектировании системы управления можно рассчитывать на быструю доставку коротких команд управления, быструю доставку коротких информационных пакетов, содержащих данные о состоянии управляемого объекта, с обязательным учетом такого ограничения, как невозможность одновременной непрерывной передачи большого объема данных.
Все множество различных вариантов управления [3] БПЛА можно разделить на несколько основных классов. В контуре управления БПЛА сразу выделим два основных элемента. Первый -исполнительный, т. е. это сам планер с силовой установкой и рулевые механизмы. Второй - командный. Это тот элемент, который ставит задачу на полет, принимает решение в случае необходимости изменить программу полета, выполняет коррекцию движения летательного аппарата при его отклонениях от заданной траектории движения. В схеме классического управления пилотируемым летательным аппаратом этим элементом является пилот. Он непосредственно на борту летательного аппарата и в полном объеме полу-
Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2010 Информатика. Телекоммуникации. Управление
чает информацию о параметрах полета и также непосредственно может воздействовать на исполнительный элемент (через органы управления летательным аппаратом). При построении комплекса управления БПЛА командный элемент или его часть выносится за пределы летательного аппарата и связывается с исполнительным элементом линией передачи. В зависимости от того, какая часть командного элемента отделяется от летательного аппарата, и образуется определенный класс управления БПЛА. Далее будем рассматривать расположение командного элемента на удаленном пункте управления. Обычно на нем располагается оператор управления и аппаратура для наблюдения за БПЛА и для передачи на БПЛА команд управления от оператора.
Первый способ управления - пилотажный. В этом случае управление идет непосредственно исполнительными механизмами планера. С пункта управления передаются заданные углы отклонения рулевых аэродинамических плоскостей и режимы работы силовой установки (тягового двигателя). Очевидно, что для БПЛА с высокоскоростными характеристиками и высокой маневренностью требуется очень быстрая доставка команд управления с пункта управления на борт, а также быстрая доставка информации о пространственном положении планера. Такое управление организовать при использовании ЛПД режима 4 весьма проблематично.
Второй способ управления подразумевает наличие на борту БПЛА пилотажно-навигационного комплекса (ПНК). В его задачу и входит пилотажное управление. ПНК летательного аппарата способен управлять рулями планера и тягой силовой установки для устойчивого полета аппарата в воздухе, а также для выполнения предопределенных маневров. Такая схема управления применима для решения определенного класса задач при помощи БПЛА. Далее будем рассматривать именно этот класс БПЛА. Возникает задача формирования команд для ПНК.
Требования к временным задержкам и пропускной способности командного канала в десятки раз меньше, чем к контуру пилотажного управления. При стабильном выдерживании ПНК заданных режимов полета время между управляющими командами в данном канале сравнимо с временем исполнения предопределенных маневров. Для рассматриваемого класса БПЛА время переходных процессов между устойчивыми режи-
мами полета (например, горизонтальным полетом и разворотом или набором высоты и снижением) находится в пределах нескольких секунд (1-3 с). Соответственно, в управляющем командном канале для предсказуемого и устойчивого управления достаточно передавать команды не чаще, чем раз в несколько секунд. Данные требования по частоте передачи радиолиния режима 4 гарантированно удовлетворяет. Также ЛПД режима 4 удовлетворяет требованиям по пропускной способности канала. Управляющие команды кодируются короткими сообщениями. Достаточно одного байта для кодирования набора из 256 предопределенных команд управления ПНК.
Для передачи на пункт управления состояния летательного аппарата и его пространственного положения, также достаточно временных и скоростных характеристик ЛПД режима 4. Оператору управления не требуется совершать корректирующие действия чаще, чем раз в несколько секунд. Не требуется компенсировать отклонения летательного аппарата от заданного режима полета (эту задачу решает ПНК на борту БПЛА). Эксперименты как лабораторные, так и натурные показали, что в пилотажном канале проходят десятки команд в секунду, в то время как в командном канале фиксируется прохождение одной команды в 3-5 с. При этом удовлетворяются требования по выдерживанию допустимых отклонений от заданной траектории полета летательного аппарата. Становится очевидным, что радиолиния режима 4 пригодна для организации командного управления БПЛА.
Командное управление позволяет реализовать также и более сложную и эффективную схему по управлению БПЛА: программное управление. Для пояснения эффективности программного управления рассмотрим некоторые недостатки командного. Наглядным примером может служить выполнение аппаратом разворота. С наземного пункта управления для аппарата, выполняющего прямолинейный горизонтальный полет, передается команда на совершение разворота. ПНК устанавливает режим крена, и аппарат входит в разворот. Оператор контролирует местоположение и ориентацию аппарата и в нужный момент дает команду на выход в прямолинейный полет. Между фиксированием бортовой аппаратурой местоположения и углов ориентации планера и отображением этих параметров на экране пункта управления, а также
Проблемы передачи и обработки информации
между выдачей оператором команды и приемом ее на борту, проходит некоторое время. Оно складывается как из фиксированной задержки (обусловленной квантованием по времени в канале и прочими систематическими задержками в контуре), так и из случайной задержки. Природа случайной задержки состоит, во-первых, в возможности пропадания в эфире информационного пакета. При пропадании одного пакета задержка увеличивается на 1 с (в стандартном режиме работы ЛГТД режима 4). Это возможно вследствие наличия помех в радиоэфире. Во-вторых, передача информационного пакета происходит хотя и с определенным периодом (раз в секунду), но положение его в пределах этого интервала времени оператору неизвестно (и оно в процессе работы канала может меняться). Таким образом, по этой причине разница во времени между двумя сгенерированными командами на комплексе управления и разница между этими же принятыми командами на борту БПЛА теоретически может различаться на время до 2 с в максимуме. При наличии помех в эфире это время случайным образом также может быть увеличено. Применительно к рассматриваемому классу БПЛА задержка в 2 с при совершении разворота приводит к погрешности в установке направления аппарата до 5-10°.
Задать фиксированное время между управляющими командами можно путем посылки этих команд с привязкой их к абсолютному времени. При генерации такого набора команд в установившемся режиме полета можно с достаточной точностью спрогнозировать положение летательного аппарата на время выполнения маневра и после него. Этот набор команд с привязкой ко времени и называется программой. При выработке таких задач для программного управления в комплексе должны учитываться задержки в канале АЗН при передаче данных. Иными словами, объекту не должна ставиться задача, которую он не сможет выполнить, т. к. момент для начала выполнения программы наступает раньше, чем данная программа будет принята. Из моделирования контура управления и из реальных полетов была установлена верхняя граница для времени упреждения генерации программы. При времени начала исполнения первой команды не ранее чем через 4 с после ее генерации па комплексе управления обеспечивается доставка программы на борт вовремя и выдерживаются заданные для данного класса БГТЛА отклонения от заданной траектории полета.
На пункте управления [4] известны характеристики движения БПЛА в каждом из режимов полета. Соответственно, появляется возможность прогнозировать его движение на некоторое время вперед. Это позволяет создавать программы, содержащие несколько команд управления протяженностью в несколько десятков секунд.
При случайном отклонении аппарата от заданной траектории (из-за воздушных возмущений), которые не могут быть скомпенсированы ПНК, комплекс управления способен выработать новую скорректированную программу управления для устранения отклонений. Данные коррекции также удовлетворяют требованиям по выдерживанию допустимых отклонений от заданной траектории полета.
Комплекс с программным управлением, реализованным на ЛПД режима 4, становится устойчивым в работе с достаточно зашумленным эфиром. Программное управление допускает несколько большее количество пропаданий информационных пакетов, поскольку в этом случае на борт передаются только корректирующие программы. При нормально работающем ПНК и допустимых атмосферных возмущениях достаточно передачи корректирующей программы на борт раз в 10-15 с. Становится очевидным, что ЛПД режима 4 позволяет осуществлять радиоуправление рассматриваемым классом БПЛА. К тому же, имеется возможность одновременного управление сразу несколькими аппаратами.
Помимо программного управления рассмотрим еще один способ управления, который назовем навигационным. В нем управление аппаратом осуществляется не передачей ему команд для исполнения маневров, а путем задания точек маршрута относительно земной поверхности. Данный способ управления требует переноса части вычислений с пункта управления на борт летательного аппарата. Все вычисления по обнаружению отклонений в движении от заданной траектории выполняются уже на борту. Соответственно, еще больше снимается нагрузка с радиолинии. По ней теперь передаются только изменения навигационной программы (изменение маршрута движения относительно ранее запланированного). В этом случае при возникновении каких-либо отклонений от заданной траектории навигационный вычислитель способен сам без участия внешнего пункта управления выработать набор команд для коррекции движения. Такой способ позволяет вы-
Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2010 ^ Информатика. Телекоммуникации. Управление
полнять и управление группой, т. к. коррекция местоположения в строю тоже будет выполняться бортовыми комплексами. Однако данное управление повышает требования к аппаратуре навигационного вычислителя (к памяти, производительности и сложности программного обеспечения).
Проведенный выше анализ показывает возможность использования радиолинии АЗН-В режима 4 в качестве командного канала для управления полетом определенным классом БПЛА. Существенное достоинство применения данной ЛПД — повышение безопасности полетов [4]. Дей-
СПИСОКЛ
1. Сурков, A.M. Беспилотные летательные аппараты [Текст]/А.М. Сурков//Лего Business. —1998. —№1. —С. 35—37
2. Minimum Aviation System Performance Standards For Automatic DependentSurveillance Broadcast (ADS-B). RTCA/DO-242A. [Текст]ЖТСА, Inc. 2002. (Минимальные требования стандартов к характеристикам авиационных систем — автоматическое зависимое наблюдение в вещательном режиме (АЗН-В).
3. Кулик, А.С. Проблематика разработки пер-
ствительно, принцип построения систем автоматического зависимого наблюдения вещательного режима позволяет на борту каждого летательного аппарата (пилотируемого и беспилотного), оснащенного ЛПД АЗН-В, и пунктов управления (БПЛА и УВД) получить полную информацию обо всех объектах, контролируемых в области полетов. Таким образом, применение ЛПД АЗН-В режима 4 позволяет сделать шаг к использованию БПЛА в зонах полетов авиации общего назначения, что существенно расширит круг выполняемых БПЛА задач при сохранении высокого уровня безопасности полетов.
спективных малогабаритных летающих роботов [Текст]/А.С. Кулик, А.Г. Гордин, В.В. Нарожный [и др.]. -Национальный аэрокосмический университет имени Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт». -Украина, 2006. -33 с.
4. Ахмедов, P.M. Автоматизированные системы управления воздушным движением. Новые информационные технологии в авиации: Учеб. пособие[Текст]/ Р.М.Ахмедов, А.А.Бибутов, А.В.Васильев [и др.]; Под ред. С.Г.Тятко, А.И.Красова.-СПб.Лолитехника, 2004.-444 с.
УДК 004.8.032.26, 681.513.8
Е.Н. Бендерская, С.В. Жукова
АНАЛИЗ ФРАКТАЛЬНОСТИ В ХАОТИЧЕСКОМ НЕЙРОННОЙ СЕТИ С ФРАГМЕНТАРНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ
Феноменология хаотических нейронных сетей все чаще становится объектом исследования. Выявление условий возникновения коллективной динамики в системе взаимосвязанных хаотических осцилляторов, проявляющейся в форме внутренней синхронизации отдельных элементов в отсутствии внешнего управляющего воздействия, является актуальной задачей. Ее решению посвящены многие научные междисциплинарные проекты ведущих университетов мира, т. к. эффект сохранения стабильности синхронных кластеров при условии нестабильности динамики каждого из нейронов может быть использован во множестве приложений при решении различных задач кластеризации [1, 2]. Поскольку колебательные
кластеры по своему составу не зависят от начальных условий, то под странным аттрактором понимается синхронный кластер [3, 4].
В подавляющем большинстве научных работ рассматриваются гомогенные хаотические сети с одинаковой силой связи между нейронами. Такое структурное упрощение позволяет значительно снизить сложность исследования динамики сотен взаимосвязанных хаотических элементов в системе. При этом задача решается методами компьютерного моделирования и сводится к установлению факта перехода колебательной системы в тот или иной синхронный режим в зависимости от силы связи между нейронами. Однако при таком подходе практическая значимость частных
