無人機數據鏈傳輸時延建模及其補償

潘琢金，陳方瑞，羅振，楊華（沈陽航空航天大學計算機學院，沈陽110136）

?

無人機數據鏈傳輸時延建模及其補償

潘琢金，陳方瑞，羅振，楊華
（沈陽航空航天大學計算機學院，沈陽110136）

摘要：

關鍵詞：

0　引言

近年來，無人機成為軍事領域的研究熱點。無人機通過數據鏈與地面操控人員進行信息通信。數據鏈是保障武器單元、指揮控制單元和傳感器之間戰術信息實時傳遞的關鍵所在，因此信息傳輸的實時性是對數據鏈的關鍵要求。由此，對科學描述數據鏈時延、數據鏈時延補償研究具有重要意義[1-2]。

由于無人機數據鏈真實測量值難于獲取，國內外研究都是把隨機時延轉化為固定時延從而進行分析和研究。這樣處理并不能真實反映無人機數據鏈的時延特性，因此要使用統計模型來模擬報文的產生，同時將數據鏈系統中的各個節點排隊占用各自時隙的過程抽象為一個排隊系統。本文首先分析數據鏈傳輸協議以求取其時延理論上下界，并運用排隊理論對傳輸時延進行建模分析；使用我國周宏仁教授提出的“當前”統計模型[3]對無人機建模，基于自適應卡爾曼濾波對無人機的位移、速度信息進行預測和補償；最后通過仿真進行驗證。

1　數據鏈時延產生及影響

無人機系統的傳輸延遲是指一個指令的產生到無人機系統做出相應動作的一段時間。數據鏈傳輸時延直接影響指令傳輸的實時性。依照時延產生的順序時延主要包括3個部分[4]：

（1）系統處理時延wd：信息的產生、處理到數據進入排隊發送序列之間的時間間隔。

（2）排隊等待時延wq：消息進入緩沖區等待到此消息時隙到達消息被發出之間的時間間隔。

（3）消息傳播時延wp：指信息以電磁信號的形式在介質中傳播產生的時間間隔。

因此數據在數據鏈傳輸過程中產生的時延tD主要由系統處理時延wd、排隊等待時延wq和消息傳播時延wp構成，即：

系統處理時延與系統設備的處理性能有著密切關系，主要包括傳感器時延、運算時延等物理硬件和軟件時延。

消息傳播時延與傳輸距離有很大關系；傳輸距離越遠時延越大；同時是否通過衛星中繼通信也會對信息傳輸產生影響。目前，在無衛星中繼通信下無人機與地面控制站間的物理距離一般在600km范圍內，因此消息傳播時延wP大約為2ms左右。如果無人機速度為550m/s，則在消息傳播時間內產生的位移誤差大約為1.1m。由于此距離遠小于雷達的探測精度，因此消息傳播時延可以忽略不計。

由于數據只能在其分配的時隙內進行傳輸；因此，數據進入發送序列必須等待先到的信息進行發送，同時還必須等待其可用的服務時隙的到來。故消息等待時延wq是無人機數據鏈數據傳輸延遲的主要組成部分。

2　數據鏈傳輸延遲建模

時分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）作為一種有效的多址接入方式在數據鏈系統中得到廣泛的應用。TDMA的工作原理是將一個射頻頻率通道的時間劃分為多個時隙，然后分配時隙給多個用戶。通過這種方式，單個通信頻率可以同時支持多個數據通道。

數據鏈的信息傳輸速率為M bits/s，時隙時間長度為τ。假定一個消息中數據包的數量服從參數為q（0＜q＜1）的幾何分布，則每個消息中平均包含q-1個數據包。每一個數據包僅需一個時隙即可發送完畢，則每個數據包包含μ-1=Mτ（bits）。消息到達控制站的數量是一個隨機序列｛Nn，n≥1｝，Nn表示在第n個時隙時刻到來的消息數量。假定隨機序列｛Nn，n≥1｝是獨立同分布的，令aj=P（Nn=j）（j≥0），α=E[Nn]，則α為每個時隙到達消息的平均長度。消息在時幀內分配有連續多個時隙，假定為N（N≥1）個，同時一個時隙包含有N+L（L≥1）個時隙。如圖1所示。

圖1　時幀結構示意圖

令Xk表示在時隙k時刻站緩存區內消息長度，消息發送過程中｛Xk，k≥1｝并不是馬爾科夫過程。為獲得馬爾科夫過程增一個變量Yk，Yk為時隙序號，其取值范圍為1≤Yk≤N+L；構成二維馬爾科夫過程｛（Xk，Yk），k≥1｝。當單位時隙達到的消息數小于單位時隙內傳輸的消息數時系統是穩定的。即：

在穩定條件下，｛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。

在穩定狀態下，給定Yk=j條件下｛Xk｝的條件概率分布為：

在穩定狀態下，Cesaro意義[5]下｛Xk｝的概率分布為：

在穩態狀態下可以得到系統消息平均長度的嚴格上下界為[6]：

進一步根據文獻[6]，作戰單元在每個時幀中分配多個時隙，并且分配時隙位置在時幀中是均勻分布時，系統平均消息長度取得下界值。即：E（X）=QL。

假設作戰單元中消息生成服從參數為λ的Poisson過程，則有：

再根據Little公式LS=λWS[7]，可以得出在消息傳輸延遲為：

將消息傳輸過程抽象為一個先到先服務的排隊系統，故可以利用排隊論分析數據傳輸的時間延遲。假定消息到達服從泊松分布（Poisson），參數為λ；且一個消息僅含有一個數據包，即q=1；得到：

根據式（11），可得到消息到達率λ和服務率μ（服務時間的倒數）與傳輸延遲時間的變化情況，如圖2、圖3所示。由圖可以得到無人機數據鏈信息傳輸時延與消息的服務率μ和到達率λ有關：當消息到達率λ值為定值時，數據鏈信息傳輸延時隨著消息服務率μ的增大而降低；而當消息服務率μ值為定值時，數據鏈信息傳輸延時隨著消息到達率λ的增大而增大；當消息到達率λ與消息服務率μ值相等時，系統時間延遲急劇增大。

圖2　延遲時間與消息服務率μ關系圖

圖3　延遲時間與消息到達率λ的關系圖

3　數據鏈延遲補償方法

以周宏仁博士提出的“當前”統計模型[8]為基礎建立無人機機動跟蹤模型。由于目標的隨機機動加速度在x、y、z方向上的運動分量是相互獨立的，因此僅對x方向進行分析[9]：

基于“當前”模型的標準卡爾曼濾波算法存在狀態噪聲的方差Q（k）[10]：

其中，Q0是與α和采樣周期T有關的常量矩陣。為“當前”加速度的方差。

利用速度預測估計和速度濾波估計間的偏差進行加速度方差的自適應調整，從而自動調整過程噪聲方差。則可得到：

這樣，即可得自適應的調節系統的噪聲方差陣Q （k），從而實現對機動目標的自適應跟蹤。則量測方程為：

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

根據前一時刻的目標狀態信息的最優估算值和求得的遲滯信息，預估出當前時刻狀態信息；將預估值和遲滯狀態信息一同發出，對于無人機數據鏈傳輸的信息，延遲間隔可以預估在一定范圍之內。

目標狀態信息的預測值為：

加入在延遲間隔td內目標移動的狀態信息得到補償值：

Z（k+td）為k+td時刻延遲補償后的目標狀態信息。

4　仿真驗證與分析

仿真條件設定為：目標初始位置為[10；6；8]km，初始速度VX=200m/s，VY=300m/s，VZ=0m/s，機動頻率α= 0.125，采樣周期T=0.1s，仿真時間70s。

表1　目標運動狀態表

采用機動目標3個方向的位置、速度和加速度作為目標狀態變量，對目標的狀態進行估計。以X方向為例，將補償前、后的目標測量值與目標真實值的測量值之差作為目標信息的測量誤差，仿真結果如下見圖4～6。

圖4　飛行軌跡對比圖

圖5　飛行軌跡局部放大對比圖

圖6　補償前后誤差對比圖

由對比圖4～6可以看出，目標的軌跡明顯偏離真實軌跡，經過延時補償后，目標的運動軌跡能更好地擬合真實軌跡。由圖可知，在補償之前位移誤差較大；經過延時補償后，位置誤差明顯減小，最大減少達到326.328m；經過補償處理后目標的位移與真實位移能保證在50m以內。使監控單元得到的無人機狀態信息與真實信息更加接近。

5　結語

本文首先研究了造成無人機數據鏈時延的因素；在分析數據鏈傳輸協議基礎上，運用排隊論對無人機地空數據鏈報文傳輸進行時延建模；提出一種基于“當前”統計模型的改進自適應卡爾曼濾波時延誤差補償方法。仿真結果表明，該數據傳輸延遲誤差補償方法可以明顯降低目標測量誤差。不足在于實驗過程中對目標發生大機動時刻的仿真誤差較大，還需要優化改進。

參考文獻：

[1]陳占海，祝小平.無人作戰飛機數據鏈延時對攻擊決策的影響及其補償[J].科學技術與工程，2011，11（9）：2043-2047.

[2]周忠寶，任培，馬超群，周經倫.數據鏈系統消息傳輸時間延長及其影響因素仿真分析[J].計算機科學，2010，37（9）：44-47.

[3]周宏仁，敬忠良，王培德.機動目標跟蹤[M].北京：國防工業出版社，1991：134-153.

[4]馮忠華，王新龍，王彬.一種數據鏈傳輸延遲建模及其補償方法[J].北京航空航天大學學報，2012，38（8）：1106-1110.

[5]汪進，楊衛國.m重非齊次馬氏鏈的Cesaro平均收斂性[J].純粹數學與應用數學，2008，24（4）：752-758.

[6]Izhak Rubin，Zhensheng Zhan.Message Delay Analysis for TDMA Schemes Using Contiguous Slot Assignment[J].IEEE Transactions and Communication，1992，40（4）：730-737.

[7]楊光，姚路，任培.基于排隊論的TDMA數據鏈報文傳輸時延分析[J].計算機科學，2014，41（3）：120-123.

[8]潘平俊，馮新喜，趙曉明.機動目標模型研究與發展綜述[J].指揮控制與仿真，2006，28（3）：12-15.

[9]樊宗臣，吳曉燕.機動目標跟蹤的自適應卡爾曼濾波算法實現[J].戰術導彈技術，2009（1）：79-81.

[10]張安清，文聰，鄭潤高.基于當前統計模型的目標跟蹤改進算法仿真分析[J].雷達與對抗，2012，32（1）：24-27.

潘琢金（1962-），男，吉林通化人，碩士研究生，教授，研究方向為嵌入式系統、計算機檢測與控制

陳方瑞（1986-），男，山東德州人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統

羅振（1981-），男，山東淄博人，博士，講師，研究方向為以太網路由技術、嵌入式系統

楊華（1974-），男，遼寧沈陽人，博士，副教授，研究方向為計算機系統結構、智能人機交互、仿人機器人、機載計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：

分析無人機數據鏈時延傳輸特點，研究造成信息傳輸延遲的因素；在分析數據鏈傳輸協議基礎上，運用排隊論對無人機地空數據鏈報文傳輸進行時延建模；基于“當前”統計模型，改進卡爾曼濾波算法對信息傳輸時延進行補償。仿真結果表明，該數據傳輸延遲誤差補償方法與實測數據相比可以明顯降低目標測量誤差。

無人機；數據鏈；時延建模；排隊論；延遲補償

基金項目：

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

文章編號：1007-1423（2016）14-0010-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.14.002

作者簡介：

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