автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Анализ и разработка алгоритмов синхронизации и многостанционного доступа в системах определения взаимных координат

РГб од

П Г[-'' '"."Н На правах рукописи

Шелудько Евгений Анатольевич

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ СИНХРОНИЗАЦИИ И МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА В СИСТЕМАХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНЫХ КООРДИНАТ

Специальность: 05.12.04- Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Ипатов В. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Голик Ф. В.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Михайлов С. Н.

Ведущая организация - Всероссийский НЙИ Радиоаппаратуры, г. Санкт-Петербург

Защита состоится "¿У " 1997 г. в__час. на заседании

диссертационного совета ССК 063.14.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ

Автореферат разослан " 2 и/юл^ \ 997 г.

Учёный секретарь диссертационного совега

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из нугей повышения эффективности использования военной авиации и авиации специального применения является осуществление полётов плотной группы летательных аппаратов (ЛА). Для их выполнения на борту каждого ЛА необходимо наличие информации об относительном положении других ЛА группы и их взаимных перемещениях при выполнении маневров. Задача обеспечения безопасного полёта большого числа независимых ЛА в последнее время также является актуальной при управлении воздушным движением в районах крупных аэропортов

Обеспечение эффективности и безопасности групповых полётов возложено на системы межсамолётной навигации, одним из основных элементов которых является система определения взаимных координат (ОВК). Круг задач, которые должна решать система ОВК, включает в себя обнаружение всех взаимодействующих ЛА в пределах зоны действия, измерение относительных координат обнаруженных Л А, приём и передача команд на выполнение манёвров и др. Основными характеристиками .систем ОВК являются: зона действия, точность определении координат, пропускная способность.

Точность относительного местоопределения во многом зависит от темпа обновления информации, который характеризуется длительностью временного интервала 1обн между моментами получения информации о координатах одного и того же ЛА с заданной вероятностью (типовое значение 0.95). Под пропускной способностью понимается предельное ч{1Сло Л А в зоне действия, при котором система может обеспечить заданный темп обновления информации. Поскольку зона действия ограничена дальностью радиовидимости, и ЛА могут перемещаться друг относительно друга достаточно быстро, то группа Л А образует в пространстве многопролётную сеть с быстро меняющейся топологией. Из соображений обеспечения требуемой надёжности система ОВК, особенно при специальном применении, должна строиться как автономная система, способная работать пр.» любом составе взаимодействующих Л А.

Существующие в настоящее время системы предупреждения столкновений являются частным случаем систем ОВК и не обеспечивают пилота полной информацией об окружающей воздушной обстановке. Системы группового полета типа А-315 - другая разновидность систем ОВК - обеспечивают определение взаимных координат и обмен нмвипшион-

нымн данными с темпом, достаточный для вождения ЛА в плотных группах, но обладают низкой пропускной способностью. Таким образом, актуальной проблемой является создание системы ОВК, совмещающей высокую точность определения координат с высокой пропускной способностью. Рассмотрение некоторых принципиальных аспектов, связанных с решением этой проблемы, и составляет предмет диссертации.

Наибольшую пропускную способность может обеспечить синхронная система, использующая однопутевой метод измерения дальностей. Однако такое построение системы требует достаточно точной и надёжной синхронизации всех взаимодействующих ЛА, которая должна обеспечиваться за минимально возможное время.

Пропускная способность системы при заданной полосе частот во многом зависит от метода распределения ресурсов радиоканала между взаимодействующими ЛА - метода многостанционного доступа (МД). Простейшие методы МД, такие как случайный доступ и доступ с фиксированным назначением каналов, не отвечают требованиям к пропускной способности современной системы ОВК, в связи с чем необходимы поиски более эффективных методов.

Цель работы - разработка алгоритмов взаимодействия абонентов системы ОВК, обеспечивающих её высокую пропускную способность в различных условиях функционирования (быстро меняющаяся топология, ошибки в каналах связи, дрейф опорных генераторов) и выработка рекомендаций по построению аппаратуры абонента системы.

Основные задачи исследования:

1. Исследование принципов построения систем ОВК и выбор оптимальной архитектуры системы с учётом указанных ограничений.

2. Выбор варианта построения подсистемы синхронизации системы ОВК.

3. Разработка и исследование алгоритмов синхронизации автономной системы ОВК.

4. Разработка и исследование алгоритмов многостанционного доступа в многопролётной сети в условиях ограниченной пропускной способности канала передачи данных.

Методы исследования основываются на положениях теории массового обслуживания, теории сетевых протоколов, теории графов, методах статистического и имитационного моделирования.

Новые научные результаты.

1. Определены основные принципы построения перспективной системы ОВК. Показана предпочтительность её построения как синхронной информационно-измерительнной системы.

2. Проведён анализ статистических свойств топологии сети, образованной ЛА, которые рассматриваются как объекты случайного поля с пуассоновским распределением.

3. Разработаны алгоритмы синхронизации сети со случайной быстро меняющейся топологией, обеспечивающие высокую точность синхронизации смежных узлов при любых изменениях топологии и поддерживающие синхронизм при уходе часов.

Предложены алгоритмы многостанционного доступа, обеспечивающие высокую пропускную способность системы в условиях быстро меняющейся топологии сети и ограничений на объём передаваемой информации. •

5. Разработана примерная структура аппаратуры абонента системы ОВК, а также механизм взаимодействия её элементов.

Практическая ценность. Проведённое исследование можег быть положено в основу опытно-конструкторских разработок систем определения

пзаимиых координат для ЛА различного назначения,, а также использовано при создании автономных радиосетей передачи данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Предпочтительность построения системы ОВК как автономной синхронной информационно-измерительной системы.

2. Предпочтительность построения подсистемы синхронизации системы ОВК по принципу глобального синхронизма.

3. Алгоритм синхронизации многопролётной автономной сети на основе принципа "ведущий-ведомый" с иерархическим методом выбора ведущего и использованием ожидания для предотвращения зацикливания синхросообщений, обеспечивающий непрерывность синхронизма между парой смежных узлов при любом изменении топст^гии сети.

4. Оптимальность МДВР для системы ОВК.

5. Алгоритм планирования передач, основанный на случайном доступе с неявным резервированием и разрешением конфликтов на основе приоритетов.

6. Предпочтительность доступа по расписанию в системе ОВК.

Практическая реализация результатов. Результаты работы были реализованы при разработке подсистемы синхронизации и организации многостанционного доступа модификаций аппаратуры А-315 во Всероссийском НИИ радиоаппаратуры (ВНИИРА) по заказу АНПК "ОКБ им. П. О. Сухого".

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на IX международном координационном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана", С.-Петербург, 1994; 50 и 51 научно-технических конференциях, посвященных дню Радио, С.-Петербург, 1995— 1996 г. г.; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ 1995-1997 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных трудов; из них: 3 статьи и 4 тезиса.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы, включающего 82 наименования, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста. Работа содержит 44 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даётся обоснование актуальности темы, определены цели и задачи исследований.

Первый раздел диссертационной работы посвящен исследованию основных принципов построения систем ОВК.

Учитывая современную интенсивность полётов, а также маневренность ЛА, основные тактико-технические характеристики системы ОВК можно определить следующим образом:

- зона действия - 50...300 км,

- точность определения координат: по дальности - 5...60 м, по азимуту -0.2...6°,

- пропускная способность - до 300 Л А в зоне действия.

Существующие системы ОВК можно разбить на две осчовные группы: гзтономные и неавтономные. Несмотря на многие достоинства неавтономных систем (использование уже существующего оборудования.

пысокая пропускная способность), предпочтение следует отдать автономным, поскольку при выходе из строя цензов управления неавтономной системы, определение вз;ы. шш координат становится невозможным, а при выполнении полёта над необорудованной. территорией использование неавтономной системы может оказат ься затруднительным.

Системы ОВК могут строиться как синхронные и асинхронные. В асинхронных системах для измерения дальности используется метод "запрос-ответ". Недостатком этого метода является низкий темп обновления информации, так как число передач сигналов, требуемое для получения информации об окружающей воздушной обстановке всеми п Л А в пределах зоны действия, пропорционально п2. Кроме того, высокий уровень внутрисистемных помех за счёт наложения сигналов дополнительно приводит к снижению темпа обновления информации. В синхронных системах возможно использование однопутевого метода измерения дальностей - непосредственно по времени приёма сигнала соответствующего ЛА одновременно всеми ЛА в его зоне действия, то есть требуемое число передач сигналов пропорционально п. В этом случае временная ось разбивается на фиксированные интервалы - кадры, м каждом из которых сигнал передаёт только один Л А (рис. 1), что позволяет исключить влияние внутрисистемных помех.

инф.

43—я

]_/ инф.

XI

и

ък

Зл.

Рис.

Синхронный принцип построения системы требует наличия подсистемы синхронизации, которая включает в себя стабильные источники опорного времени, а также предусматривает передачу специальных снрниюп точного времени и функционирует на основе эффективного алгоритма синхронизации.

Для осуществления синхронизации автономной системы требуется активное измерение смещения временных сеток, для чего помимо

однопугевого метода должна быть предусмотрена возможность обмена сигналами "запрос-отвег" (рис. 1).

Однозначное определение огноенгельного положения всех ЛА предполагает определение их взаимных дальностей и пеленг ов. Увеличение информационной надёжности и точности определения координат требует наличия на боргу каждого из Л А данных о курсе, скорости, высоте, абсолютных координатах и др. информации о взаимодействующих друг с другом объектах, включая ЛА, маяки, центры управления полетом. Таким образом, перспективная система ОВК должна строиться как информационно-измерительная система, причём, как видно из рис. 1, эти данные могут передаваться с помощью тех же сигналов, которые используются для измерений, в тех кадрах, где не производится активный обмен. Наличие указанной информации в принципе .позволяет использовать косвенный метод определения пеленгов, то есть отказаться от применения достаточно сложных и зачастую трудно реализуемых радиопеленгационных устройств.

Таким образом, проведённый в разделе 1 анализ показал, что перспективная система ОВК должна строиться как автономная синхронная информационно-измерительная система. С точки зрения алгоритмов синхронизации и МД топология сети может быть представлена ориентированным графом со статистическим характером рёбер.

Второй раздел посвящен исследованию принципов построения подсистемы синхронизации и разработке алгоритмов синхронизации автономной системы ОВК.

Для осуществления однопутсвого метода измерения дальности абоненты системы должны достаточно точно знать моменты передачи измерительных сигналов всех друг их абонентов, то есть система ОВК должна быть абсолютно синхронной. Анализ меюдов синхронизации, используемых в сетях передачи данных (СПД) показал, что наибольшую точность и минимальное время синхронизации для автономной системы обеспечивает метод "ведущий-ведомый", при котором один абонент выступает в качестве синхронизатора, задающего время другим абонентам. Для сеги с быстро меняющейся (статистической) топологией синхронизация должна осуществляться двухузловым методом: процедура активного измерения смещения временных сеток производится для каждой пары абонентов независимо. При наличии внешнего высокостабильного генератора опорного времени (например, спутниковой системы навигации) сис-

тема ОВК должна иметь возможность легко переключаться на лот источник. Кроме того, имеется возможность осуществления пассивной синхронизации по сигналам па менее 4 синхронизированных абонентов, чю при большом числе Л Л может ускорить вход в сеть новых абонентов.

Рассмотрение принципов построения подсистемы синхронизации показало, что возможны три варианта: на основе синхронизма со смещением времени, зонального и глобальною синхронизма. В первом случае временная сеп:а каждого абонента остаётся всегда пешмениой, и дли использования однопутевого метода ему необходимо измерить смешение временных еегок всех абонентов в пределах юны действия, что замедляет' синхронизацию. Кроме того, эни меюд имеет более низкую пропускную способность по сравнению с другими методами за счет более высокой вероятности наложения сигналов во времени (конфликтов МД). И варианте с зональным синхронизмом (сотовый принцип) вся поверхность Земли ризбппаси'.т на ряд зон, диаметром не более радиуса действия системы, в каждой из которой имеется своё время, п передача ведётся на своей частоте (всею необходимо не менее 7 члеютпых каналов, чю является главным недостатком :тно меты). При т.юба пятом синхронизме синхронизация всех абонентов сет и прои ¡воли I ся о I пшнч . > глобального синхронизатора (ГС), время которою ретранслируется веем абонентам сети. Этот метод позволяет получшь максимальную пропускную способность и осуществим на основе лини, одного частотного канала. Вариант с глобальным снилроннзмом был выбран за основу построении подсистемы синхронизации системы ОВК. Однако для его использования необходим эффективный алгоритм синхронизации, быстро адаптирующийся к изменению топологии. В противном случае из-та переходных процессов при изменении топологии система может оказаться неработоспособной.

В ходе исследований было установлено, чю алгоритм синхрони>а-нпн должен репкиь следующие задачи:

1. выбор ГС;

2. построение маршрутов распространения точного .времени ( ! И/ выбор каждым абонентом своею локального синхрони та тора (Л С!:

3. контроль связности с ГС (при потере связности перетапуо-алгоритма).

Проведённое исследование методов распространения информации (вешания), используемых в ( !1Д покатало, что для выбора [С в септ с не-

известной топологией (системы ОВК) можно использовать только метод лавинной адресации, при котором каждый узел, получив сообщение, пере-даёг его всем своим соседям. Для построения оптимальных маршрутов распространения точного времени могут быть применены два метода маршрутизации, используемые в СПД: лавинный и кратчайшего пути.

Первая задача синхронизации автономной системы может быть решена путём иерархического выбора ведущего (ГС). Каждый абонент имеет свой идентификационный номер, определяющий его приоритет в системе. В качестве ГС выбирается абонент с минимальным среди абонентов группы номером. При убытии его из группы, функции ГС переходят следующему за ним по иерархии. Выбор ЛС (вторая задача алгоритма синхронизации) производится одновременно с выбором ГС по минимуму ранга синхронизации — номера ГС, в соответствии с которым данный абонент установил своё время (исходно ранг устанавливается равным номеру абонента).

Трегью задачу предложено решать следующим образом. При потере связи с ЛС, то есть если от него не принято ни одного сигнала в течение некоторого времени (тайм-аута) длительностью Т0 кадров, абонент сбрасывает свой ранг, то есть устанавливает его равным собственному номеру, и затем приступает к выбору нового ЛС (или ГС). Аналогично, если ЛС сбросил свой ранг, то все синхронизируемые им абоненты, приняв его сигнал, тоже сбрасывают свой ранг. Таким образом обеспечивается восстановление исходного приоритета абонентов после разрыва маршрута распространения ТВ.

Было установлено, что при разрыве связи с ЛС возможно образование циклических маршрутов распространения ТВ (зацикливание ранга), что из-за ухода часов может привести к расхождению времени между абонентами, входящими в этот цикл и другими абонентами, синхронизируемыми от ГС, н, следовательно, к увеличению ошибок измерения дальности. В работе показано, что эта проблема может быть решена путём введения врёмени ожидания Т}У кадров после потери связи с ЛС, в течение которого информация об этом событии распространится по циклу:

' Т„-=ЬчХахГ0+1, (1)

где Ьцтах - максимальная длина (число рёбер) цикла в сети.

Статистическое моделирование топологии сети, образованной случайным полем с пуассоновским распределением, показало, что вероятность узла войти в цикл длиной более 3 пролетов достигает максимум?

при средней плотности А = 5.5 ЛЛ в зоне действия. В этом случае узел с вероятностью 0.99 не войдёт в цикл длиной более 18 пролётов, а циклы длиннее 30 в сеги практически никогда не возникают (рис. 2). Таким образом, доказано, что возможна выбрать такое время ожидания, которое гарантирует отсутствие зацикливания ранга.

' II тах 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00

1 1

\ 1 \

1 1

\г 1 • 1 ' -

1 \ -1 с * _'

\ А- Э.о) 1 ! 1

\

V» 1 (

1 1

10

15 20

Рис. 2.

25

30 «.

Проблему поддержания синхронизма при смене ГС предложено решать путём слежения каждым абонентом за относительным положением временных сеток всех его соседей и передачи значения сдвига своей сетки после коррекции часов. Доказано, что это правило гарантирует отсутствие перерывов в синхронизме при любой смене топологии (в том числе и смене ГС) за исключением разрыва данной связи. Однако интервал времени между образованием связи и установлением синхронизма может быть достаточно большим, что, правда, не вызывает трудностей при большой зоне действия системы.

Поскольку точность установки частоты опорных генераторов конечна, то для поддержания синхронизма с достаточной точностью требуется периодическое повторение процедуры синхронизации (коррекция часов). Максимальный интервал между коррекцией часов не Может быть меньше Т1У, и максимально допустимая нестабильность часов должна удовлегворять неравенству

' йдоп

( 2с(Т1г + Т0])1к

где аилм - допустимая погрешность измерения дальности, с - скорость распространения радиоволн, 1К - длительность кадра, То{- число кадров, необходимое для обнаружения однонаправленной связи (тайм-ауг при активном ответе).

Например, при 18, '„=7,2 с, /„, = ТоГ1к = 4 с и при

о1)0м— 5 м, ¿> не должна превышать 2х,0-"), то есть необходим аюмиын эталон частоты.

•Алгоритм синхронизации обладает стоимостью цребует для своей работы передачи)

J =]1оу2 бнг, (3)

где ]л" 1_- наименьшее целое, большее, либо равное .V.

Например, при числе пользователей Л',„.,,.= 5С00, 7.8 и а/;(,0„= 5 м требуется ./ = 32 бита, которые в установившемся режиме могут быть использованы для передачи другой информации.

Поддержание оптимальных маршрутов распространения ТВ, обеспечивающих минимальную ошибку установки часов относительно ГС, как следует из анализа методов маршрутизации в СПД, может быть осуществлено как с помощью периодически посылаемых обновляющих сообщений лавинным методом, так и по методу кратчайшего пути. Были разработаны алгоритмы синхронизации реализующие оба варианта. Ограниченность длины циклов позволяет осуществить пересчёт номеров обновляющих сообщений по модулю М. Показано, что при современно!! динамике топологии сети оптимальное значение М =2, то есть лавинный метод обновления маршрутов увеличивает стоимость алгоритма синхронизации всего на 1 бит. Метод кратчайшею пути обладает большим быстродействием, но при тех же условиях имеет стоимость 7 бит.

Таким образом, разработанные алгоритмы синхронизации способны решать все поставленные перед ними задачи и легко мог у т быть использованы в реальной системе в силу своей низкой стоимости.

и третьем разделе рассматриваются методы МД и мути повышешп; его эффективности.

Проведённый анализ различных методов МД показал, что для системы ОВК наиболее эффективным с точки зрения энергетики является многосчанционный доступ с временным разделением (МДВР). Так, много-пашшонний доступ с частотным разделением проигрывает МДВР по

отношению сигнал/шум примерно в ?п2 раз, где т - число каналов доступа. Доступ с кодовым разделением из-за технологических трудностей и данной системе использовать затруднительно, поскольку при этом методе абонент должен одновременно принимать и передавать сигналы в одном частотном диапазоне.

Используемый во многих современных системах ОВК доступ с фиксированным назначением каналов (в частности в А-315) приводит к недопустимо низкому темпу обновления информации при большом числе пользователей Ытах, в то время как реальное число взаимодействующих Л Л существенно меньше Н,,,^. Следовательно, необходим механизм распределения ресурсов капала только между активными пользователями. В терминах СПД систему ОВК можно рассматривать как многопролётную сеть с регулярным широковещательным трафиком без задолженности сообщений, число которых в каждом узле бесконечно. Из анализа методов назначения каналов в СПД следует, что для таких сетей могут быть использованы метод случайного доступа и метод доступа по расписанию.

Был разработан адаптивный алгоритм случайного доступа, поддерживающий оптимальную (близкую к 1) интенсивность попыток передач абонентов, а также обеспечивающий справедливость (отсутствие эффекта подавления одного абонента другим) за счёт усреднения вероятностей передач смежных абонентов. Стоимость этого алгоритма равна

J =\ 1о§2 п„;ах [, (4)

где птах - максимальное число Л А в зоне действия.

Моделирование показало, что этот 'алгоритм обеспечивает темп обновления информации, близкий к теоретически достижимому.

При доступе по расписанию временная ось разбивается на циклы обмена по т кадров, где т <№тах. Назначение конкретного канала кадра конкретному абоненту производится алгоритмом планирования передач, который строит бесконфликтное расписание. Низкая пропускная способность служебного канала передачи данных системы ОВК, а также быстро меняющаяся топология, не позволяют использовать детерминированные централизованные алгоритмы планирования передач. Были разработаны алгоритмы планирования на основе случайного доступа с неявным резервированием. Разрешение конфликтов, неизбежных при построении расписания этим методом, производится на основе приоритетов, в качестве которых выступают номера абонентов. Абоненты, обнаружившие конфликт, передают в своём сообщении номер конфликт-

mu о кадра и помер старшего из конфликтующих абонентов MAIN (если номера возможно различить, иначе - MAIN- 0). Приняв такое сообщение, все абоненты, кроме старшего, освобождают конфликтный кадр и случайным образом занимают новый'кадр среди свободных.

Простейший (неадаптивный) алгоритм доступа по расписанию, при котором каждый абонент может занимать только один кадр, обеспечивает существенно более высокий темп обновления информации но сравнению со случайным доступом, но только при правильном выборе числа кадров т. С увеличением числа кадров темп обновления информации снижается обрашо пропорционально m, а при малом числе - наблюдается пороговый эффект, заключающийся в резком снижении темпа при перегрузке системы (когда число J1A в зоне действия оказывается больше числа кадров), поскольку расписание при этом не может быть бесконфликтным и алгоритм переходит в режим случайного доступа. С помощью имитационной модели было определено оптимальное число кадров шипт. минимизирующее время обновления информации. Стоимость алгорнтма равна

^JlogzA^L+JlogzwL. ' (5)

Например, при Л'„шх= 5000 и т — 64 (что при tk =7.8 мс соответствует to6r~ 0.5 с) J =19 бит.

От порогового эффекта свободен разработанный адаптивный алгоритм доступа по расписанию, в котором используется достаточно большое число кадров, а каждый абонент может занимать необходимое ему число кадров К в соответствии с его рангом маневренности Qht и загрузкой системы (ожидаемым суммарным числом сигналов G за цикл), что позволяет повысить пропускную способность системы при высокой плотности JIA различного класса. Алгоритм планирования построен таким образом, чтобы распределить кадры, занимаемые одним абонентом по возможности равномерно на временной оси. При перегрузке все абоненты уменьшают число занимаемых ими кадров, поддерживая бесконфликтность расписания. Алгоритм обладает стоимостью

■ J =J log2 Л'„и,л1+] log2 m L+J log2 QM L+J log2 G L. (6)

Например, при Nnux= 5000, nmax= 300, m = 512, Kmax= 8 и 8 храдацнях Qu J— 37 бит. Следует отметить, что эта информация передаётся только при переходных процессах в сети.

Проведённое сравнение разработанйых алгоритмов с точки зрения максимального (при доверительной вероятности 0.95) времени обновления информации при различном среднем числе ЛА в зоне действия Л (рис. 3) показало, что' алгоритм случайного доступа является по этому критерию наихудшим, и его использование нецелесообразно. Пропускную способность, обеспечиваемую этим алгоритмом, можно считать нижней границей пропускной способности для алгоритме^ доступа по расписанию. Верхняя граница может быть обеспечена идеальным для сети со случайной топологией расписанием, при котором максимальное время обновления информации равно среднему числу абонентов в зоне действия.

Рис.,3.

Как видно рис. 3, адаптивный алгоритм доступа по расписанию несколько проигрывает неадаптивному нри оптимальном числе кадров, но обеспечивает лучшие характеристики во всех других случаях. Таким образом, для применения в перспективной системе ОВК может быть рекомендован адаптивный алгоритм доступа по расписанию.

Четвёртый раздел посвящён имитационному моделированию разработанных алгоритмов с целью их верификации и получения статистических характеристик, а также определению примерной структуры аппаратуры абонента системы.

Подобно оборудованию современных СПД, аппаратура абонента системы ОВК по характеру выполняемых функций может быть разбита на несколько иерархических уровней, работу которых координирует хрони-

затор (часы). Такая структура позволяет легко осуществлять модернизацию блоков одного уровня, не затрагивая другие. Предложен один из вариантов межблочного интерфейса. Алгоритмы синхронизации и МД в системе ОВК могуг быть отнесены к сетевому уровню иерархии.

Моделирование системы проводилось методом сканирования активности с дискретом времени равным кадру. Модель реализована на языке Borland Pascal версии 7.0 с использованием языка ассемблера и предназначена для работы в среде ДОС IBM PC. Ряд отладочных функций программы позволил легко обнаружить и устранить ошибки в алгоритмах на этане их разработки.

Моделирование показало рс1богоспособность представленных алго-pujMOB, их быструю адаптируемость к изменению топологии. Так в сферической зоне с периметром, равным четырём дальностям действия системы, синхронизм устанавливается в среднем за 10 циклов обмена и мало зависит от числа ЛА. Модель показала, что периодическая коррекция часов относительно ЛС позволяет поддерживать синхронизм в сети с точностью, достаточной для решения задач ОВК, при дрейфе опорных генераторов и при любых изменениях топологии. Моделирование алгоритмов МД позволило исследовать пропускную способность системы при различном числе Л А в зоне действия.

В ходе моделирования отрицательных эффектов взаимодействия алгоритмов синхронизации .и МД не наблюдалось.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результата проведённых в рамках данной диссертационной работы исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1. Показано, что перспективная система ОВК должна строиться как автономная информационно-измерительная система, способная использовать информацию от друг их бортовых радионавигационных систем для определения взаимных координат.

2. О ¡мечено, что наиболее высокая пропускная способность системы ОВК может быть обеспечена при использовании однонугевого метода измерения дальностей. Однако этот метод требует высокоточной и надёжной синхронизации взаимодействующих абонентов.

3. Исследованы различные варианты построения подсистемы синхронизации системы СВК. Предпочтение отдано варианту с

глобальным синхронизмом, обеспечивающему наибольшую скорость синхронизации и максимальную пропускную способность системы и осуществимому на основе единственного частотного канала. При этом наиболее подходящим методом проведения синхронизации для системы ОВК является двухузловой метод "ведущий-ведомый" с иерархическим выбором ведущего (глобального синхронизатора) и возможностью синхронизироваться от внешнего источника.

4. На основе сетевых алгоритмов лавинной адресации и маршрутизации, а также используя результаты проведённых исследований статистических свойств топологии сети Л А, разработаны эффективные алгоритмы синхронизации автономной системы ОВК, способные быстро обеспечивать синхронизм и поддерживать его при любых изменения топологии сети. Среди представленных алгоритмов синхронизации наиболее предпочтительным при современных скоростях ЛА является лавинный алгоритм с периодическим обновлением маршрутов.

5. Исходя из соображений энергетики, а также учитывая технологические трудности развязки приёмных и передающий цепей, показано, что среди различных методов многостанционного доступа для системы ОВК наиболее предпочтительным является МДВР.

6. На основании анализа методов назначения каналов доступа (кадров МДВР) показано, что в системе ОВК, как многопролётной сети без задолженности пакетов, возможно использование двух методов доступа -случайного доступа и доступа по расписанию. Указаны верхняя и нижняя границы пропускной способности для алгоритмов доступа по

,расписанию.

7. Разработаны алгоритмы МД, быстро адаптирующиеся к изменению топологии сети и обладающие низкой стоимостью. Разработан оригинальный алгоритм планирования передач на основе случайного доступа с. неявным резервированием и разрешением конфликтов с использованием приоритетов.

8. Показано, что среди представленных алгоритмов. МД наиболее предпочтительным для перспективной системы ОВК является адаптивный алгоритм доступа по расписанию, в котором число каналов, занимаемых одним абонентом определяется исходя из его маневренности и общей загрузки системы.

9. Предложена примерная структура агщаратуры абонента системы ОВК, организованной как многоуровневая иерархическая системы, а также разработан примерный механизм взаимодействия блоков различного уровня.

10.С помощью имитационной модели подтверждена работоспособность разработанных алгоритмов, а также свойственная им быстрая адаптируемость к изменению топологии, нарушениям в каналах связи и дрейфам опорных генераторов.

Опубликованные работы по теме диссертации:

1. Иванов Г1. Е., Шелудько Е. А. Робастный алгоритм фильтрации предварительно сжатых данных// Известия ГЭТУ. - 1994. - Вып. 473. -С. 32-37.

2. Навигационное обеспечение группы летательных аппаратов при действии в чрезвычайных ситуациях/ П.Е.Иванов, В.К.Орлов, А. Г. Чернявский, Е. А. Шелудько// Тез. докл. IX международ, коорд. совещания "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования мирового океана",. Санкт-Петербург, 22-24 ноября 1994 г. - С. 58-59.

3. Орлов В. К., Чернявский А. Г., Шелудько Е. А. . Пропускная способность многоабонентной дальномерной системы при различных методах многостанционного доступа II Материалы всеросс. конф. "Цифровая обработка многомерных сигналов", - Марийск. гос. техн. ун-т. Йошкар-Ола, 1996. - С. 69-70.

4. Орлов В. К., Чернявский А. Г., Шелудько Е. А. Адаптивный алгоритм планирования передач в сети с МДВР// Тез. докл. 51-й науч.-техн. конф., - Санкт-Петербург, апрель 1996 г. - С. 22.

5. Орлов В. К., Шелудько Е. А. Распределение каналов МДВР на основе случайного доступа // Тез. докл. 50-й науч.-техн. конф., посвященной 100-легию изобретения радио.- Санкт-Петербург, апрель 1995 г.-С. 21-22.

6. Чернявский А. Г., Шелудько Е. А. Усовершенствованный алгоритм синхронизации // Известия ГЭТУ. - 1996. - Вып. 499. - С. 19-21.

•7. Шелудько Е. А. Протокол синхронизации сети с неизвестной топологией // Извесии ГЭТУ. - 1995. - Вып. 487. - С. 66-72.