空地遥控设计思路与实现路径

本文作者：刘满堂、杜刚 单位：中国西南电子技术研究所

1（略）

2（略）

2.1功能及系统组成

系统主要功能:实现机载局域网计算机与地面局域网计算机的互联互通;实现机载地面宽带数据链接,实现对机载系统遥控;机载被控系统工作状态能够实时传输到地面遥控系统并显示。系统由机载和地面两部分组成。机载设备包括被控被控计算机、机载网关设备、机载宽带数传设备等;地面设备包括遥控计算机、地面网关设备、地面宽带数传设备等。系统组成如图1所示,其中最关键的设备是网管设备和宽带数传设备。机载网管设备主要功能是将被控计算机送来的TCP/IP格式数据包进行相关处理再送至机载宽带数传设备;宽带数传设备进行TDMA协议处理、纠错编码及调制后通过无线信道发送到地面宽带数传设备。

2.2方案设计

以远程计算机控制技术为基础,采用Symantec公司的PcAnywhere远程控制软件,开发IP网关和宽带传输设备,建立面向连接的TCP/IP无线通道,实现遥控功能。为实现TCP/IP协议数据包通过无线网络透明传输,协调无线网络与有线以太网之间数据流量的平衡,必须在以太网和无线网络之间构建一无线网关,实现从以太网截获的数据包到无线链路之间帧格式的平滑转换以及其逆过程。无线网关与宽带数传设备配合,与无线网络上对等的无线网关进行透明通信,完成机载局域网络到地面遥控局域网络的无缝桥接,最终实现地面远程控制软件跨越地空无线通信网络,成功控制远端载机应用软件的目的。

本方案设计中,远程控制软件服务端程序与被控系统应用程序运行于统一环境———机载被控计算机;地面远程控制软件客户端程序安装于主控计算机,无线网关软件安装于机载和地面专用工控制计算机。

2.3工作原理

系统加电工作,启动被控计算机PcAnywhere服务端软件,操作人员以给定的用户名和预分配密码从地面主控计算机远程登录机载被控计算机。获得机载被控计算机授权后,PcAnywhere服务端程序将获取机载被控计算机显示界面信息,打包形成TCP/IP格式数据包送机载无线网关,机载无线网关进行相关处理再送至机载宽带数传设备。宽带数传设备进行TDMA协议处理、纠错编码及调制后通过无线信道发送到地面宽带数传设备。地面宽带数传设备将收到的无线信号进行解调、纠错译码及TDMA协议处理后送地面无线网关。地面无线网关对收到的信息进行机载无线网关逆处理,并将重构后TCP/IP格式数据包发送至地面遥控计算机,运行于该计算机上的远程控制客户端软件将收到的TCP/IP格式数据包恢复为机载被控计算机界面显示信息,并显示到地面遥控计算机上[2]。此时,操作员就能在地面遥控计算机上看到机载被控计算机的界面了,具备远程遥控操作机载被控计算机的能力。

在地面遥控计算机显示的机载被控计算机界面上双击系统应用软件图标,这种情况下PcAnywhere客户端会将鼠标的点击动作信息和位置信息收集打包上传到机载被控计算机,其过程类似机载被控计算机显示界面的传输,仅是传输方向不同。当机载被控计算机上的PcAnywhere服务器端软件将收到地面遥控计算机上传的鼠标位置和动作信息恢复为相应的操作系统动作,于是启动机载被控计算机上的系统应用软件。机载被控计算机上系统应用软件的启动带来机载被控计算机画面的大幅更新,于是又激发新一轮机载被控计算机显示界面的下传过程。

地面遥控计算机更新为机载被控计算机上系统应用软件界面后,地面操作人员就如同在本机上一样对机载任务系统进行操作控制。当地面主控计算机有键盘或鼠标指令时,会重复类似于启动机载被控计算机上系统应用软件时的工作过程;当地面主控计算机有键盘、鼠标指令或机载设备主动上报状态导致机载被控计算机显示界面更新,会重复类似于机载被控计算机系统应用软件界面下传过程。

2.4关键技术

2.4.1宽带数传设备技术

基于遥控系统需求,进行数据传输体制、消息内容与格式、处理与变换等研究,建立稳定可靠的空地宽带数据链接,是实现地空无线遥控功能的关键之一。

2.4.2网关技术

网关是实现机载局域网上计算机与地面局域网上计算机透明TCP/IP传输的最关键技术[3]。网关的主要功能是在以太网和无线链路之间完成帧格式的转换(截获TCP/IP协议中IP层输入数据,按照要求格式打包后送宽带数传设备传输,数据传输时网关还要实现IP数据的缓存、流量控制、自动重传等,在接收到从无线链路来的数据后,还原成IP数据并从指定以太网口发送出去),通过无线链路与其他网关进行通信,实现空地局域网计算机的互联[4]。

2.4.3远程遥控技术

远程遥控技术是实现地空无线遥控3项关键技术之一。远程遥控较常用的两种协议是专用协议和通用协议。

(1)订制专用协议

制定专用的地空遥控协议(类似无人机测控协议),优点是相对于通用协议可以适当降低遥控信道传输速率,但需要开发适于被遥控系统的嵌入式软件、可扩展性差,需要对机载原有系统进行升级改造,开发成本较高。

(2)使用通用协议

研发遥控系统的目是为了提高试飞训练效率,降低试飞训练风险,不影响原有任务系统运行,采用PcAnywhere远程遥控软件成本低,但信道传输速率相对较高。PcAnywhere远程遥控简单来说就是将完整的窗口界面通过TCP/IP网络传输到另一台计算机的屏幕上,并能将鼠标键盘指令传回被控计算机,并具有跨平台的特性。综合分析后作者认为地空遥控系统采用PcAnywhere远程遥软件比较合适。

3关键技术测试验证确定地空遥控系统基本状态之后,基于关键技术研究成果继续开展测试验证,为远程遥控系统实验室仿真试验和机载地面联试奠定基础。

3.1远程遥控软件———PcAnywhere

测试PcAnywhere软件远程遥控时产生的数据流量,并与网关设备和宽带传输设备能力比较,验证软件与硬件适配性。PcAnywhere数据流量测试环境如图2所示。主控端计算机与被控端计算机通过本地局域网建立链接,用远程控制客户端程序操作被控计算机,采用360网络监视软件监视主控端计算机与被控端计算机在远程遥控时双向的数据传输流量,监视到的数据传输流量如表1所示。

3.2网关软件

测试网关软件数据处理能力,测试环境如图3所示。测试计算机1和测试计算机2上安装测试软件,两计算机通过网关和网关桥接软件建立IP网络链接。使用测试软件在测试计算机1和测试计算机2之间进行双向传输文件,在测试软件上监视到的文件传输速率见表2。

3.3宽带数传设备性能测试

测试宽带数传设备数据传输的速率、时延,数据传输性能测试环境如图4所示。测试计算机1、测试计算机2安装专用数传速率测试软件,测试计算机1、测试计算机2通过宽带数传设备无线连接。使用专用数传测试软件进行双向数据传输,最终得到测试结果见表3。

4实验室仿真测试

2011年5月,在实验室搭建了远程遥控系统仿真测试环境,用该仿真测试环境验证无线网关算法,测试遥控过程上、下行数据流量等。实验室仿真测试环境主要由机载、地面宽带数传设备模拟器等构成。宽带传输设备模拟器具有传输速度控制、时延调整和误码输入功能,用这些功能模拟无线网络的速率、时延和误码。实验室远程遥控系统仿真测试环境如图5所示。主控端计算机、被控端计算机通过网关程序和宽带数传设备模拟器连接,并将机载宽带数传设备模拟器的发送速率设置为3Mbyte/s,时延设置为100ms;地面宽带数传设备模拟器的发送速率设置为80kbyte/s、时延设置为100ms;主控端计算机使用PcAnywhere客户端软件控制被控端计算机。在主控端计算机远程控制操作结束后,测试结果如下:

(1)主控计算机能够通过网关和宽带数传设备模拟器建立的TCP/IP通道链接到被控计算机上;(2)主控计算机能够通过PcAnywhere客户端程序远程控制被控端计算机;

(3)主控计算机远程遥控被控计算机时,简单操作(移动一下鼠标、键盘的一个输入)主控计算机上远程遥控客户端软件的反应速度很快,基本感觉不到延时;

(4)主控计算机远程遥控被控计算机时,复杂操作(连续移动鼠标、或者是有新的界面弹出)主控计算机上的远程遥控客户端软件界面操作结果有约2s时延。

5机载地面联试

2011年6月,在试飞外场结合某产品试飞,进行机载地面远程遥控系统联试,试验采用全部的实装设备,验证在真实环境条件下远程遥控系统功能。机载地面联试环境如图6所示。外场机载地面联试试验结果与实验室仿真测试环境下测试结果相同。

6结束语

实验室模拟联试和外场机上地面联试试验结果表明:基于IP传输的地空无线遥控系统基本实现了设计目标,其设计思路和技术实现途径对于未来工程实现地空无线遥控系统具有参考价值,特别是实时性要求相对较低的试飞试验领域。系统所采用的网关技术、网络遥控技术等,在宽带IP网络、无人机遥控等方面具有较好的推广应用前景。对关于复杂操作出现时延的问题,初步分析是由于宽带数传设备上行速率较低(只有80kbyte/s)所致,工程实现上可以适当提高宽带数传设备上行速率解决此问题。