某型無人機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 125106）

0 概述

某型無人機是靶場的一種重要的空中靶標。該型無人機價格較高，技術準備時間長，按照以往的要求，在地面中，不能出現任何問題。但是，在為一項重要任務的技術準備過程中，該型無人機出現了三次丟失指令的現象。在移動站發送指令后，顯示指令發射成功，但飛控系統未顯示收到該指令，對于之前或之后的其他指令均能顯示收到并執行。由于任務準備時間緊，再重新準備一架無人機的時間難以保證。為了確保試驗任務的節點，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空中飛行。

1 無人機測控系統組成與工作原理

無人機測控系統由移動式測控站、靶載設備等組成。移動式測控站中的測控電子設備包括遙測接收天線、遙測接收解調組合、仿真器、遙控發射天線、功放、遙控組合、遙控校驗組合、指令盤、GPS 外測處理計算機、GPS 天線、GPS 授時儀、時碼器等。靶載測控設備包括遙測天線、遙測發射機、采編器、遙控天線、遙控接收解調設備、信號變換器、GPS 天線、GPS 接收機、電源變換器等。

安裝在無人機上的GPS 接收設備通過GPS 天線始終接收空中的GPS 衛星信號，計算出無人機的位置數據并把數據送到遙測采編器。靶載遙控接收設備通過遙控接收天線接收地面發出的遙控信號，解出遙控指令，并將遙控指令變換后送到無人機飛控設備用來控制無人機的飛行狀態。同時將要返回的遙控指令送給遙測的采編器。靶載遙測設備將無人機的位置數據、遙控返回指令、遙測數據進行編碼、調制，經變頻、放大后通過遙測天線向地面測控站發送。

遙控分系統采用擴頻體制向無人機發送遙控信號，不同無人機占用相同的上行遙控信道的點頻，依靠偽碼加地址碼識別。地面設備在同一時間只能有一個遙控發射設備工作，向無人機發射遙控指令。遙控分系統可根據調度指揮禁止2個遙控指令盤發令，從而進入待機狀態。在待機狀態，遙控分系統發射空指令填充幀，停止指令驗證工作。地面遙控分系統一旦進入工作狀態即不間斷的發送連續的指令幀編碼、偽碼和載波，在無指令發射期間，指令幀為固定的填充幀，保證靶載設備始終處于同步狀態。遙控指令盤通過串口與UHF 遙控終端通信，指令盤發出一條指令后，UHF 遙控終端根據指令編碼規則產生相應的指令編碼填入對應無人機的指令幀，通過上行遙控信道和功放發射出去。同時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進入UHF遙控校驗器，完成變頻、解擴、解調等處理，獲得遙控指令幀，并將指令幀數據通過串口送給UHF 遙控終端進行小環指令驗證。UHF遙控終端同時還通過以太網接收遙測接收解調分系統返回的遙測全幀數據，挑路遙控指令返回數據完成大環比對驗證。

上行遙控指令幀連續發射，以保證機載設備同步。在無指令時，遙控指令幀中的指令字為空指令。地面遙控設備接收到一條指令后，上行信道連續發送該指令字，直到滿足下列條件之一，改發空指令：指令大環驗證正確或指令大環驗證超時（2S）。兩條指令之間必須用空指令間隔，空指令持續時間必須大于500ms。

地面遙控設備發出一條指令后，即開始進行指令大環驗證。地面設備的指令驗證實行3判2機制。當滿足下列所有條件時，指令大環驗證正確：遙控回令數據中的地址碼、指令字、數據字比對正確；遙控回令數據中的輸出狀態字譯碼正確。地面遙控設備從發出一條指令開始，經2秒未能驗證大環正確，則指令大環驗證超時。

圖1 無人機飛控系統組成示意圖

機載設備接收到的上行遙控指令實行轉發機制。遙控回令數據中的地址碼、指令字、數據字為當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數據。遙控回令數據中的輸出狀態字為當前遙測幀時刻采集的執行脈沖輸出編碼值。機載設備的指令譯碼實行5判3機制。譯碼正確后輸出相應指令的執行脈沖。

2 飛控系統基本組成和指令接收執行基本過程

無人機的飛行控制分系統是由原模擬式駕駛儀升級為數模混合式駕駛儀，即穩定信號仍由模擬式直接傳輸，而指令執行的控制邏輯、時間程序設置和操縱給定信號由數字計算機來實現，進一步提高靜態控制精度、抗干擾能力和可靠性。其系統組成如圖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。飛控程序在間隔20毫秒左右的時間內會查看一次緩沖區，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，并執行。

3 指令丟失原因分析

根據大環比對成功，可以認為指令由移動站成功發出，靶載遙控終端成功接受并傳送給采編器，最后由靶載遙測設備成功發出并被移動站成功接收。這樣可以排除測控系統造成這一現象的原因。

根據飛控系統的工作原理，飛控程序在接收到遙控指令幀后，先將該指令存入緩沖區。飛控程序在間隔20毫秒左右的時間內會查看一次緩沖區，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，并執行。由于在地檢計算機上能夠顯示其他指令并且能正確執行，可以認為飛控程序在取得指令后能夠正確顯示并執行。

基于上述分析，可以認為指令丟失發生在測控設備和飛控程序取指令之間。根據緩沖區的指令取出規則，在緩沖區內存放兩個指令幀的條件下，飛控程序只取最新的指令幀。由于測控設備每1秒給飛控發一條心跳指令幀，那么當心跳指令幀在其他指令幀后發出，并且與其同時存在于緩沖區中時，飛控程序將取出心跳指令幀，而將其他指令清除，這樣就造成了該指令的丟失。

從遙測存儲數據來看，這四次丟失指令現象中，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

假設在t=0時刻，一條非心跳指令剛好進入緩沖區中。根據每個指令幀未8×10=80bit，碼速率為19200bps，則每條指令幀的傳輸時間為80/19200=0.0045s=4.5ms

假設飛控程序從緩沖區中取數據的間隔時間為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時刻之前進入緩沖區，此時緩沖區中有兩條指令幀，則該非心跳指令幀將丟失。根據心跳指令每1000ms 發一次，則丟失概率為

經過實際統計，在總共的測控設備發出的指令中，大環比對成功的有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是不參與的。按照單元測試的指令為3×30=90條來估計，則實際上有飛控系統參與的指令共有500－90=410條。則該現象實際統計的發生概率為Plr=3/410=0.0073.理論估計值與實際統計值大致相當。

5 結束語

由于指令丟失的原因分析清楚，并且根據分析進行了相應的驗證性試驗。驗證性試驗表明，如果在指令后緊接心跳，該指令確實會丟失。后續的準備工作中也出現一次同樣的丟失指令現象，經檢查數據，同樣也是緊接了一個心跳。這樣，充分說明了原因分析的正確性。由于發生的概率較小，還不到1%，并且可以通過補發指令進行彌補，所以可以繼續進行無人機技術準備。該原因分析與概率估算具為試驗決策提供了可靠的依據，確保了試驗節點，而且對后續的設計改進具有指導意義。

[1]Roy Blake，現代通信系統，電子工業出版社，2003.

[2]楊滌等，飛行器系統仿真與CAD，哈爾濱工業大學出版社，2005.

[3]申安玉等，自動飛行控制系統，國防工業出版社，2003.

[4]盛驟等，概率論與數理統計，高等教育出版社，1989.