劉滿堂,杜 剛

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

為了提高機(jī)載電子系統(tǒng)試飛效率,降低試飛風(fēng)險,近年來基于IP傳輸?shù)臒o線遙控技術(shù)逐漸被人們重視。美國最先開展相關(guān)技術(shù)研究并應(yīng)用于工程,可以說美國在空地?zé)o線遙控技術(shù)研究處于世界領(lǐng)先地位。美軍E-8飛機(jī)早期就實(shí)現(xiàn)了地面遠(yuǎn)程控制機(jī)載雷達(dá)工作狀態(tài)的功能,遠(yuǎn)程遙控命令其對指定區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行探測并將探測到的結(jié)果回傳給地面指揮所;美國空軍無人戰(zhàn)斗機(jī)UCAV-AF,準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)可用人工智能自主方式與地面遙控方式交替進(jìn)行,地面導(dǎo)航員可以交替控制多架無人戰(zhàn)斗機(jī)[1]。

電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和在航空產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用使其功能更加強(qiáng)大,性能更加優(yōu)越?，F(xiàn)代新航空產(chǎn)品的科研試飛、定型試飛不僅任務(wù)量大,且試飛難度大,試飛風(fēng)險高。為降低試飛風(fēng)險和試飛成本,實(shí)現(xiàn)機(jī)載電子系統(tǒng)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?shù)牡乜者b控技術(shù)研究?？傮w研究思路是:通過無線的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)程(機(jī)載)被控計算機(jī)上的軟件界面?zhèn)鬏數(shù)?地面)遙控計算機(jī);將地面遙控計算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)等操作指令傳遞到機(jī)載被控計算機(jī)上,實(shí)現(xiàn)機(jī)載電子系統(tǒng)試飛地面遙控操作。

2 系統(tǒng)功能和方案設(shè)計

2.1 功能及系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要功能:實(shí)現(xiàn)機(jī)載局域網(wǎng)計算機(jī)與地面局域網(wǎng)計算機(jī)的互聯(lián)互通;實(shí)現(xiàn)機(jī)載地面寬帶數(shù)據(jù)鏈接,實(shí)現(xiàn)對機(jī)載系統(tǒng)遙控;機(jī)載被控系統(tǒng)工作狀態(tài)能夠?qū)崟r傳輸?shù)降孛孢b控系統(tǒng)并顯示。

系統(tǒng)由機(jī)載和地面兩部分組成。機(jī)載設(shè)備包括被控被控計算機(jī)、機(jī)載網(wǎng)關(guān)設(shè)備、機(jī)載寬帶數(shù)傳設(shè)備等;地面設(shè)備包括遙控計算機(jī)、地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備、地面寬帶數(shù)傳設(shè)備等。系統(tǒng)組成如圖1所示,其中最關(guān)鍵的設(shè)備是網(wǎng)管設(shè)備和寬帶數(shù)傳設(shè)備。機(jī)載網(wǎng)管設(shè)備主要功能是將被控計算機(jī)送來的TCP/IP格式數(shù)據(jù)包進(jìn)行相關(guān)處理再送至機(jī)載寬帶數(shù)傳設(shè)備;寬帶數(shù)傳設(shè)備進(jìn)行TDMA協(xié)議處理、糾錯編碼及調(diào)制后通過無線信道發(fā)送到地面寬帶數(shù)傳設(shè)備。

圖1 空地?zé)o線遙控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of the air-ground remote control system

2.2 方案設(shè)計

以遠(yuǎn)程計算機(jī)控制技術(shù)為基礎(chǔ),采用Symantec公司的PcAnywhere遠(yuǎn)程控制軟件,開發(fā)IP網(wǎng)關(guān)和寬帶傳輸設(shè)備,建立面向連接的TCP/IP無線通道,實(shí)現(xiàn)遙控功能。為實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)絡(luò)透明傳輸,協(xié)調(diào)無線網(wǎng)絡(luò)與有線以太網(wǎng)之間數(shù)據(jù)流量的平衡,必須在以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建一無線網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)從以太網(wǎng)截獲的數(shù)據(jù)包到無線鏈路之間幀格式的平滑轉(zhuǎn)換以及其逆過程。無線網(wǎng)關(guān)與寬帶數(shù)傳設(shè)備配合,與無線網(wǎng)絡(luò)上對等的無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行透明通信,完成機(jī)載局域網(wǎng)絡(luò)到地面遙控局域網(wǎng)絡(luò)的無縫橋接,最終實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制軟件跨越地空無線通信網(wǎng)絡(luò),成功控制遠(yuǎn)端載機(jī)應(yīng)用軟件的目的。

本方案設(shè)計中,遠(yuǎn)程控制軟件服務(wù)端程序與被控系統(tǒng)應(yīng)用程序運(yùn)行于統(tǒng)一環(huán)境——機(jī)載被控計算機(jī);地面遠(yuǎn)程控制軟件客戶端程序安裝于主控計算機(jī),無線網(wǎng)關(guān)軟件安裝于機(jī)載和地面專用工控制計算機(jī)。

2.3 工作原理

系統(tǒng)加電工作,啟動被控計算機(jī)PcAnywhere服務(wù)端軟件,操作人員以給定的用戶名和預(yù)分配密碼從地面主控計算機(jī)遠(yuǎn)程登錄機(jī)載被控計算機(jī)。獲得機(jī)載被控計算機(jī)授權(quán)后,PcAnywhere服務(wù)端程序?qū)@取機(jī)載被控計算機(jī)顯示界面信息,打包形成TCP/IP格式數(shù)據(jù)包送機(jī)載無線網(wǎng)關(guān),機(jī)載無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相關(guān)處理再送至機(jī)載寬帶數(shù)傳設(shè)備。寬帶數(shù)傳設(shè)備進(jìn)行TDMA協(xié)議處理、糾錯編碼及調(diào)制后通過無線信道發(fā)送到地面寬帶數(shù)傳設(shè)備。地面寬帶數(shù)傳設(shè)備將收到的無線信號進(jìn)行解調(diào)、糾錯譯碼及TDMA協(xié)議處理后送地面無線網(wǎng)關(guān)。地面無線網(wǎng)關(guān)對收到的信息進(jìn)行機(jī)載無線網(wǎng)關(guān)逆處理,并將重構(gòu)后TCP/IP格式數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面遙控計算機(jī),運(yùn)行于該計算機(jī)上的遠(yuǎn)程控制客戶端軟件將收到的TCP/IP格式數(shù)據(jù)包恢復(fù)為機(jī)載被控計算機(jī)界面顯示信息,并顯示到地面遙控計算機(jī)上[2]。此時,操作員就能在地面遙控計算機(jī)上看到機(jī)載被控計算機(jī)的界面了,具備遠(yuǎn)程遙控操作機(jī)載被控計算機(jī)的能力。

在地面遙控計算機(jī)顯示的機(jī)載被控計算機(jī)界面上雙擊系統(tǒng)應(yīng)用軟件圖標(biāo),這種情況下PcAnywhere客戶端會將鼠標(biāo)的點(diǎn)擊動作信息和位置信息收集打包上傳到機(jī)載被控計算機(jī),其過程類似機(jī)載被控計算機(jī)顯示界面的傳輸,僅是傳輸方向不同。當(dāng)機(jī)載被控計算機(jī)上的PcAnywhere服務(wù)器端軟件將收到地面遙控計算機(jī)上傳的鼠標(biāo)位置和動作信息恢復(fù)為相應(yīng)的操作系統(tǒng)動作,于是啟動機(jī)載被控計算機(jī)上的系統(tǒng)應(yīng)用軟件。機(jī)載被控計算機(jī)上系統(tǒng)應(yīng)用軟件的啟動帶來機(jī)載被控計算機(jī)畫面的大幅更新,于是又激發(fā)新一輪機(jī)載被控計算機(jī)顯示界面的下傳過程。

地面遙控計算機(jī)更新為機(jī)載被控計算機(jī)上系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面后,地面操作人員就如同在本機(jī)上一樣對機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行操作控制。當(dāng)?shù)孛嬷骺赜嬎銠C(jī)有鍵盤或鼠標(biāo)指令時,會重復(fù)類似于啟動機(jī)載被控計算機(jī)上系統(tǒng)應(yīng)用軟件時的工作過程;當(dāng)?shù)孛嬷骺赜嬎銠C(jī)有鍵盤、鼠標(biāo)指令或機(jī)載設(shè)備主動上報狀態(tài)導(dǎo)致機(jī)載被控計算機(jī)顯示界面更新,會重復(fù)類似于機(jī)載被控計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面下傳過程。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 寬帶數(shù)傳設(shè)備技術(shù)

基于遙控系統(tǒng)需求,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸體制、消息內(nèi)容與格式、處理與變換等研究,建立穩(wěn)定可靠的空地寬帶數(shù)據(jù)鏈接,是實(shí)現(xiàn)地空無線遙控功能的關(guān)鍵之一。

2.4.2 網(wǎng)關(guān)技術(shù)

網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)機(jī)載局域網(wǎng)上計算機(jī)與地面局域網(wǎng)上計算機(jī)透明TCP/IP傳輸?shù)淖铌P(guān)鍵技術(shù)[3]。網(wǎng)關(guān)的主要功能是在以太網(wǎng)和無線鏈路之間完成幀格式的轉(zhuǎn)換(截獲TCP/IP協(xié)議中IP層輸入數(shù)據(jù),按照要求格式打包后送寬帶數(shù)傳設(shè)備傳輸,數(shù)據(jù)傳輸時網(wǎng)關(guān)還要實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的緩存、流量控制、自動重傳等,在接收到從無線鏈路來的數(shù)據(jù)后,還原成IP數(shù)據(jù)并從指定以太網(wǎng)口發(fā)送出去),通過無線鏈路與其他網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)空地局域網(wǎng)計算機(jī)的互聯(lián)[4]。

2.4.3 遠(yuǎn)程遙控技術(shù)

遠(yuǎn)程遙控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地空無線遙控3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。遠(yuǎn)程遙控較常用的兩種協(xié)議是專用協(xié)議和通用協(xié)議。

(1)訂制專用協(xié)議

制定專用的地空遙控協(xié)議(類似無人機(jī)測控協(xié)議),優(yōu)點(diǎn)是相對于通用協(xié)議可以適當(dāng)降低遙控信道傳輸速率,但需要開發(fā)適于被遙控系統(tǒng)的嵌入式軟件、可擴(kuò)展性差,需要對機(jī)載原有系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,開發(fā)成本較高。

(2)使用通用協(xié)議

研發(fā)遙控系統(tǒng)的目是為了提高試飛訓(xùn)練效率,降低試飛訓(xùn)練風(fēng)險,不影響原有任務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行,采用PcAnywhere遠(yuǎn)程遙控軟件成本低,但信道傳輸速率相對較高。

PcAnywhere遠(yuǎn)程遙控簡單來說就是將完整的窗口界面通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪慌_計算機(jī)的屏幕上,并能將鼠標(biāo)鍵盤指令傳回被控計算機(jī),并具有跨平臺的特性。綜合分析后作者認(rèn)為地空遙控系統(tǒng)采用PcAnywhere遠(yuǎn)程遙軟件比較合適。

3 關(guān)鍵技術(shù)測試驗(yàn)證

確定地空遙控系統(tǒng)基本狀態(tài)之后,基于關(guān)鍵技術(shù)研究成果繼續(xù)開展測試驗(yàn)證,為遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn)和機(jī)載地面聯(lián)試奠定基礎(chǔ)。

3.1 遠(yuǎn)程遙控軟件——PcAnywhere

測試PcAnywhere軟件遠(yuǎn)程遙控時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量,并與網(wǎng)關(guān)設(shè)備和寬帶傳輸設(shè)備能力比較,驗(yàn)證軟件與硬件適配性。

PcAnywhere數(shù)據(jù)流量測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 PcAnywhere數(shù)據(jù)流量測試環(huán)境Fig.2 Data flow test environment of PcAnywhere

主控端計算機(jī)與被控端計算機(jī)通過本地局域網(wǎng)建立鏈接,用遠(yuǎn)程控制客戶端程序操作被控計算機(jī),采用360網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視軟件監(jiān)視主控端計算機(jī)與被控端計算機(jī)在遠(yuǎn)程遙控時雙向的數(shù)據(jù)傳輸流量,監(jiān)視到的數(shù)據(jù)傳輸流量如表1所示。

表1 PcAnywhere測試數(shù)據(jù)Table 1 PcAnywhere test data

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件

測試網(wǎng)關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理能力,測試環(huán)境如圖3所示。

測試計算機(jī)1和測試計算機(jī)2上安裝測試軟件,兩計算機(jī)通過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)橋接軟件建立IP網(wǎng)絡(luò)鏈接。使用測試軟件在測試計算機(jī)1和測試計算機(jī)2之間進(jìn)行雙向傳輸文件,在測試軟件上監(jiān)視到的文件傳輸速率見表2。

表2 網(wǎng)關(guān)測試數(shù)據(jù)Table 2 Transmission rate of gateway

3.3 寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試

測試寬帶數(shù)傳設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、時延,數(shù)據(jù)傳輸性能測試環(huán)境如圖4所示。

圖4 寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試環(huán)境Fig.4 Test environment for broadband data transmission equipment

測試計算機(jī)1、測試計算機(jī)2安裝專用數(shù)傳速率測試軟件,測試計算機(jī)1、測試計算機(jī)2通過寬帶數(shù)傳設(shè)備無線連接。使用專用數(shù)傳測試軟件進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,最終得到測試結(jié)果見表3。

表3 寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試數(shù)據(jù)Table 3 Performance of the broadband data transmission equipment

4 實(shí)驗(yàn)室仿真測試

2011年5月,在實(shí)驗(yàn)室搭建了遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境,用該仿真測試環(huán)境驗(yàn)證無線網(wǎng)關(guān)算法,測試遙控過程上、下行數(shù)據(jù)流量等。實(shí)驗(yàn)室仿真測試環(huán)境主要由機(jī)載、地面寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器等構(gòu)成。寬帶傳輸設(shè)備模擬器具有傳輸速度控制、時延調(diào)整和誤碼輸入功能,用這些功能模擬無線網(wǎng)絡(luò)的速率、時延和誤碼。實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境Fig.5 Simulation environment of the remote control system

主控端計算機(jī)、被控端計算機(jī)通過網(wǎng)關(guān)程序和寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器連接,并將機(jī)載寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器的發(fā)送速率設(shè)置為3Mbyte/s,時延設(shè)置為100 ms;地面寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器的發(fā)送速率設(shè)置為80 kbyte/s、時延設(shè)置為100 ms;主控端計算機(jī)使用PcAnywhere客戶端軟件控制被控端計算機(jī)。在主控端計算機(jī)遠(yuǎn)程控制操作結(jié)束后,測試結(jié)果如下:

(1)主控計算機(jī)能夠通過網(wǎng)關(guān)和寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器建立的TCP/IP通道鏈接到被控計算機(jī)上;

(2)主控計算機(jī)能夠通過PcAnywhere客戶端程序遠(yuǎn)程控制被控端計算機(jī);

(3)主控計算機(jī)遠(yuǎn)程遙控被控計算機(jī)時,簡單操作(移動一下鼠標(biāo)、鍵盤的一個輸入)主控計算機(jī)上遠(yuǎn)程遙控客戶端軟件的反應(yīng)速度很快,基本感覺不到延時;

(4)主控計算機(jī)遠(yuǎn)程遙控被控計算機(jī)時,復(fù)雜操作(連續(xù)移動鼠標(biāo)、或者是有新的界面彈出)主控計算機(jī)上的遠(yuǎn)程遙控客戶端軟件界面操作結(jié)果有約2 s時延。

5 機(jī)載地面聯(lián)試

2011年6月,在試飛外場結(jié)合某產(chǎn)品試飛,進(jìn)行機(jī)載地面遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)聯(lián)試,試驗(yàn)采用全部的實(shí)裝設(shè)備,驗(yàn)證在真實(shí)環(huán)境條件下遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)功能。機(jī)載地面聯(lián)試環(huán)境如圖6所示。

圖6 機(jī)載地面聯(lián)試環(huán)境Fig.6 Joint test environment on the ground

外場機(jī)載地面聯(lián)試試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室仿真測試環(huán)境下測試結(jié)果相同。

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)室模擬聯(lián)試和外場機(jī)上地面聯(lián)試試驗(yàn)結(jié)果表明:基于IP傳輸?shù)牡乜諢o線遙控系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo),其設(shè)計思路和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑對于未來工程實(shí)現(xiàn)地空無線遙控系統(tǒng)具有參考價值,特別是實(shí)時性要求相對較低的試飛試驗(yàn)領(lǐng)域。系統(tǒng)所采用的網(wǎng)關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遙控技術(shù)等,在寬帶IP網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)遙控等方面具有較好的推廣應(yīng)用前景。對關(guān)于復(fù)雜操作出現(xiàn)時延的問題,初步分析是由于寬帶數(shù)傳設(shè)備上行速率較低(只有80 kbyte/s)所致,工程實(shí)現(xiàn)上可以適當(dāng)提高寬帶數(shù)傳設(shè)備上行速率解決此問題。

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