GPS信息傳遞控制方式研究

陳紅賓 黃炳越

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

GPS信息傳遞控制方式研究

陳紅賓 黃炳越

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

論文通過建立數學模型對GPS信息報知方式進行定量分析。運用排隊論的M/M/1(m)模式對突擊車分隊的無線電通信進行分析求解,計算插入GPS信息后對通信的影響。同時通過編程,運用計算機模擬方法計算出定時報告對整個通信的影響。通過數據的比較分析出定時報告和呼叫索取兩種方式的優缺點。最后提出GPS信息傳遞控制方式的改進方案。

GPS信息; 傳遞控制方式; 排隊論; 計算機模擬

Class Number TN943

1 引言

隨著軍事科技的不斷發展,戰場數字化的程度越來越高。戰場控制將朝著力度更強、精確度更高、實時性更好的方向發展。為了適應這種發展趨勢,信息化成為未來戰場的重要特征。信息量的急劇膨脹給未來數字化部隊的信息傳輸造成巨大的壓力,如何處理好信息傳輸問題成為影響未來戰場作戰指揮的一個重要因素。GPS信息作為數字化部隊信息的一種,對未來的戰場指揮控制將起到重要作用。為此本文將主要論述有關GPS信息的傳遞問題。

2 問題的提出

Globe Position System(全球定位系統)簡稱GPS,是美國第二代衛星導航系統,它由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三部分組成,其基本功能是為用戶提供高精度的三維地理位置坐標和基準時間。利用其基本功能可以對用戶進行定位和導航,因此GPS系統在部隊中得到廣泛的應用。裝備有GPS系統的突擊車分隊在作戰中,不僅能夠實現單車定位和導航,還可以為分隊提供本車的定位導航信息,增加戰場的可視性和可控性。數字化部隊要充分應用裝甲車輛定位導航功能,就必須傳遞GPS信息,傳遞的GPS信息主要有基準時間和三維地理位置坐標的數據。傳遞GPS的數據信息時,就必定要占用信道。隨著信息技術的不斷發展,戰場信息量急劇增加,通信系統的負擔越來越重。對通信系統來說,為了更有效地利用其通信能力,希望能夠利用有限的信道傳遞更多更有價值的信息,也就希望GPS信息盡量少地占用信道資源;而對指揮員來說,為了更加有效和及時地控制部(分)隊則希望能夠獲得屬車更多的GPS信息。這二者形成一對矛盾,為了解決這個矛盾,就需要尋找一種合適的位置信息傳遞控制方式,既能為指揮員提供最及時、最有效的GPS信息又能盡量少地占用信道。

3 問題的分析

為了便于分析,本文以數字化突擊車連作為研究對象。突擊車連的主要通信工具是突擊車電臺,利用突擊車電臺進行的通信是單信道的無線電通信。數字化突擊車連GPS信息的傳輸也依靠突擊車電臺,為此首先研究無線電電臺通信的問題。

一個擁有多部電臺的突擊車連,在進行無線電通信過程中必定會產生“排隊”現象。因此可以運用“排隊論”對此進行分析。

突擊車電臺通信一般是一部電臺主動發信,其他電臺回答或者不回答,為了便于討論,將一次主動發信稱為一次顧客到達,其一次通話過程稱為服務一次,通話時間為服務時間。由于一個無線電網路中的電臺數量是一定的,因而顧客源是有限的;且是單信道傳輸,因此又是單服務臺。因此可以用有限顧客源、單服務臺的排隊理論對這個問題進行建模和求解。

4 模型的建立與求解

首先分析沒有GPS信息時電臺的通信情況。在突擊車連中,通常由十部電臺組成一個無線電網路,各電臺的主動發信時機是隨機的,符合泊松流分布,服務時間也是隨機的,滿足負指數分布。因而可以用M/M/1(m)模式對突擊車連通信中的“排隊”現象進行分析。

(1)

(2)

(3)

P0為信道的空閑概率;Lq為等待發信的電臺數;Wq為電臺等待發信的時間;m為網路中電臺數;λ為單位電臺單位時間平均主動發信次數;μ為單位時間信道中平均發信次數。

現在引入傳遞GPS信息時的情況。目前我軍裝備的數字化突擊車,其GPS信息傳遞有兩種方式:一種是主動索取式,另一種是定時報告式,所以分兩種情況進行討論。

4.1 主動索取式

主動索取式是在指揮員需要某車的GPS信息時,主臺主動呼叫該車,該車就立即發出GPS信息,這種呼叫是隨機的。但是作為指揮員要掌握部屬的情況,一般平均每隔一定時間就需要獲得屬車的位置信息。不妨假設每部電臺平均每隔ΔT秒被呼叫一次。系統反應時間是固定的,我們假設呼叫反應時為t0。插入GPS信息后網路中的λ和μ就要發生變化,代入ΔT和t0可以得出:

(4)

(5)

(6)

根據式(1)～(6)可以求出當改變ΔT和t0時P0、Lq、Wq值的變化情況。由于t0是固定的,因而只研究ΔT變化時對P0、Lq、Pq值的影響情況。

首先計算沒有GPS信息時,P0、Lq、Wq的值。

假設λ=0.005,μ=0.05，調用程序一計算得出:

P0=0.2148,Lq=1.36,Wq=34.64

再計算有GPS信息時改變ΔT,P0、Lq、Wq值的變化情況調用程序二代入不同的ΔT計算見表1。

表1 信道空閑概率統計表

由表1中的數據可以看出:

1)ΔT值的變化對P0、Lq、Wq的影響比較顯著。當ΔT在區間(0s～60s)時信道空閑概率很小,信道顯得非常繁忙。

2) 當ΔT>200s時,P0>0.1,ΔT越大,P0就越接近沒有GPS信息時信道的空閑概率。

3) 當ΔT=200s時,電臺等待發信時間最短。

因此主動索取式的GPS信息報告模式在運用過程中不能次數太頻繁。

4.2 定時報告式

定時報告式是指數字化突擊車的GPS系統可以自動利用電臺定時報告本車的位置,其定時時間可以自行設定?？梢约僭O每部電臺每隔ΔT時間發送一次位置信息。網路中有m部電臺,則在ΔT的時間段里就發送了m次位置信息。因此,在網路中平均每隔ΔT/m秒信道內就要傳遞一次GPS信息。由于每輛車的GPS信息每隔一定長時間輸入一次,其輸入時間間隔分布是定長分布,因此網路中GPS信息輸入時間間隔分布也是定長分布的。為了便于計算假定網路中每隔ΔT/m秒發送一次GPS信息其時間間隔分布函數為

由時間間隔分布函數可以看出在(T+n*ΔT/m)(T為首次發出位置信息時刻)時刻時,電臺必定會發送GPS信息,不管信道是否被占用。因而在該時刻只有信道是空閑時才不會造成網路干擾。在沒有GPS信息時信道的空閑率為P0,所以電臺在傳遞GPS信息時只有P0的概率不被干擾。GPS信息輸入速率為

在T的時間段內:傳遞的GPS信息次數為n=Δλ*T;

網路中傳遞的GPS信息未受干擾的次數:

n1=n*P0=Δλ*T*P;

網路遭到干擾概率為

Δλ*(1-P0)

根據分析可以得出:

定時報告GPS信息的方式,必定會造成網內的自身干擾,而其干擾次數與ΔT成反比。

為了驗證分析和結論的正確性,通過編程進行模擬計算。程序設計的思路是:通過產生隨機數的辦法模擬通話時間和每個電臺發信間隔時間,GPS信息輸入和服務時間分布為定長分布,服務原則是隨到隨服務,其他信息按照先到先服務的原則。模擬時間是100小時。

網路中傳遞GPS信息的時間間隔為Δt:

Δt=ΔT/m

代入不同的ΔT調用程序三模擬得到不同的結果(見表2)。

表2 定時報告或發送信道干擾情況統計表

說明:表2中的發信總數指的是網路中非GPS信息總數。

從表2可以看出Δt的變化對發信總數幾乎沒有影響,而干擾次數則變化顯著,對空閑率的影響也不是很大。干擾次數與無干擾次數的比值幾乎不變,其干擾次數與發送的GPS信息總數的比值接近于沒有GPS信息時的空閑概率P0。當Δt較小時,干擾次數非常多,平均每發送一個非GPS信息可能受到數次,甚至數十次干擾。因此,定時報告式雖然對信道空閑率的影響不大,但造成的信道干擾是不可避免的。

4.3 兩種方式的優缺點

從模型的建立和求解的結果,可以看出,主動索取與定時呼叫各有優缺點。主動呼叫可以隨機對屬臺進行呼叫,可控性好,能夠做到近實時指揮。但是這種方式不能作為指揮員獲取屬車GPS信息的主要方式,因為一方面,呼叫太頻繁會造成信道擁擠,另一方面,呼叫次數太多對于指揮員來說也是非常繁瑣的,不符合數字化戰場指揮快捷、簡便的要求,更不符合指揮自動化的要求,這種方式只能作為指揮員獲取信息的輔助手段。

表3 主動索取與定時呼叫優缺點對比表

定時報告每隔一段時間能夠給指揮員發出本車的位置信息,便于指揮員掌握全連的態勢。由于定時報告的非等待性即無論信道是否被占用電臺都要發送GPS信息,必然會造成網路中的自身干擾。因此這種方式必須要進行改進。

5 對定時報告方式的改進

由前面的分析已經知道,定時報告的工作方式會造成網路的干擾,這種干擾與發出的GPS信息次數有關,次數越多則干擾越多。產生干擾的根本原因是它發信的不等待性。也就是說在輸入GPS信息時,不管信道是否被占用,電臺都要將本車的GPS信息發出。因此要對此進行改進就要從改變其不等待性入手,使得電臺在傳遞GPS信息時能夠判斷信道是否空閑。根據這種改進思想,提出定時段發信的報告方式。

定義:定時段發信是每部電臺在規定的時間段發送GPS信息,在該時間段的起始時刻,GPS的報告系統啟動,電臺處于待發信狀態,一旦信道空閑,電臺就立即發出GPS信息。如果在該段時間內,電臺未能發送GPS信息,則等到下一個時間段再發送該車的GPS信息。

這種傳遞方式既有定時報告便于指揮員指揮控制的優點,同時又可以有效克服定時發信所造成的網內干擾的不足。

由定時段發信的定義可知:電臺在進行無線電通信過程中時間被分成若干段,每段時間長為Δt,在每個時間段內至多有一個GPS信息經電臺發送出去?，F以突擊車連為例:

將10部電臺編為1號～10號。以建立無線電聯絡為起始時刻,1號電臺在(0～Δt)時間段內待機發出一個GPS信息,如果未能在這個時間段內發出GPS信息,則只能在下一個時間段(10Δt～11Δt)內發出。即n號電臺只能在(10*m*Δt+(n-1)*Δt～10*m*Δt+n*Δt)(m為自然數)的時間段內發送GPS信息。這樣,在整個通信過程中,每部電臺的GPS信息只能在一些規定的時間段發出,而在該時間段內GPS信息享有優先服務權。

根據這個優先服務權,可以通過編程來進行模擬計算。代入不同的Δt調用程序四,得到不同的數據列表如表4所示。

電臺等待時間為發送非GPS信息的等待時間,Pg為Δt與實際發出GPS信息間隔時間的比值由表4可以看出:

表4 定時段報告或發送信息統計表

1) 當設定相同的Δt時定時段報告式發送的GPS信息遠比定時報告發送的無干擾信息多。當Δt=50時,定時段報告式發送的GPS信息數為6664個,P0=0.1848;而定時報告式發送的GPS信息為779個,P0=0.2076。在發送有效的GPS信息的次數相近時,定時段報告式的空閑概率大,當定時報告式發送的GPS信息為6104個時,P0=0.1338,小于定時段報告式發送的GPS信息數為6664個時的空閑概率。由此看出:在同等條件下,定時段報告式的空閑概率比定時報告式的空閑概率大,而無干擾。同時電臺發送的其他信息次數幾乎不變,對通信影響不大。

2) 并不是每個時間段都能發出GPS信息,在實際通信中,平均每段時間長為Δt/Pg。由每部電臺平均間隔時間ΔT=10*Δt/Pg,可以計算出ΔT的值如表5所示。

表5 時段頻率變化統計表

當Δt=6時,實際上在信道中平均18s發送一個GPS信息。平均每部電臺每隔180s發送一次GPS信息。Pg是隨Δt的增大而減少的,當Δt很小時Pg卻很大,Δt也就比較大,因此將Δt設置很小并沒有多大實際意義;當Δt比較大時Pg雖很小,由于Δt大ΔT也就比較大,因而將Δt設置太大,也將使得報告的間隔時間太長,從而GPS系統失去了存在的意義。因此Δt設置應該恰當,Δt既不應大也不應小,一般在(10～30)的范圍內比較適合。

6 評價與總結

6.1 合理性分析

在對模型進行改進時,假設GPS信息享有優先服務權,即在同樣的等待條件下,電臺優先發出GPS信息,現在對此進行分析。由分隊通信的規則可知:在通信過程中,通信者不準搶發信,當有電臺發信時,其它電臺只有在該電臺發信完畢后方可發信。在由等待狀態轉化為發信狀態過程中有一個時間差,由于電臺是自動轉發GPS信息,由電子門控制,這個時間差就很短;而通信者在轉發時要經過一個思維的判斷過程,這個時間差就較長。因此在同樣的等待條件下,當信道空閑時,GPS信息搶先發信,也即GPS信息享有優先服務權。因此本文的假設是合理的。

6.2 傳輸控制的方案

從模型的求解結果可以得出:定時報告式雖然能夠自動報告GPS信息,但是由于對電臺存在著不可避免的干擾,為了減少干擾次數,電臺報告GPS信息的次數必將減少,因而這種報告方式并不能適合未來數字化戰場的要求。定時段報告式能夠自動報告GPS信息,同時又具有對信道的空閑概率影響小、占用信道時間短,不影響網路的正常工作,能夠適應未來戰場的自動化指揮的要求,因而是一種很好的傳輸方式。主動索取式便于指揮員隨機索取,便于控制,是一種很好的輔助傳輸方式。

綜上所述,GPS信息的傳輸控制方式可以以定時段報告式為主,主動索取式為輔。

6.3 實現定時段控制的技術要求

在前面的模型改進中,主要是改定時報告的不等待性為定時段報告式的等待性,也就是說電臺在信道空閑時才傳送GPS信息。這要求電臺在傳送GPS信息前要判斷信道是否空閑,在技術上要求電臺在收信時能夠判斷信道內是否有信號,因此在設計制造中要增加邏輯電路,同時還要求電臺在滿足條件的情況下能夠自動轉發。

7 結語

本文僅僅對GPS信息傳輸的時間控制進行了分析,而沒有對其它方面進行分析。例如還可以根據車輛運行的距離進行控制;不同的戰斗階段運用不同的方式進行控制等。在未來戰爭中,信息量將是現在戰場的信息量的幾倍、幾十倍甚至更大。因此,信道資源是非常寶貴的。盡量減少不必要的發信是解決信息泛濫的一個基本方法。優化信息將是數字化戰場取勝的一個關鍵。

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GPS Information Transmission Control

CHEN Hongbin HUANG Bingyue

(Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

In this paper, the GPS information transmission method is quantitatively analyzed through establishment of mathematical models. Firstly, the M/M/1(m) queuing theory is used to analyze the radio communication of the assault vehicle, and calculate the effect of inserting GPS information on the communication. Secondly, the computer simulation method is used to calculate the influence of the regular reporting on the whole communication. Thirdly, the advantages and disadvantages of regular reporting and call retrieval are analyzed through data comparison. Finally, an improved scheme of GPS information transmission control is proposed.

GPS information, transmission control mode, queuing theory, computer simulation

2016年8月11日,

2016年9月26日

陳紅賓,男,碩士研究生,講師,研究方向:作戰指揮與裝備保障指揮。

TN943

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.011