GPS信息传递控制方式研究

陈红宾 黄炳越

(海军陆战学院 广州 510430)

GPS信息传递控制方式研究

陈红宾 黄炳越

(海军陆战学院 广州 510430)

论文通过建立数学模型对GPS信息报知方式进行定量分析。运用排队论的M/M/1(m)模式对突击车分队的无线电通信进行分析求解,计算插入GPS信息后对通信的影响。同时通过编程,运用计算机模拟方法计算出定时报告对整个通信的影响。通过数据的比较分析出定时报告和呼叫索取两种方式的优缺点。最后提出GPS信息传递控制方式的改进方案。

GPS信息; 传递控制方式; 排队论; 计算机模拟

Class Number TN943

1 引言

随着军事科技的不断发展,战场数字化的程度越来越高。战场控制将朝着力度更强、精确度更高、实时性更好的方向发展。为了适应这种发展趋势,信息化成为未来战场的重要特征。信息量的急剧膨胀给未来数字化部队的信息传输造成巨大的压力,如何处理好信息传输问题成为影响未来战场作战指挥的一个重要因素。GPS信息作为数字化部队信息的一种,对未来的战场指挥控制将起到重要作用。为此本文将主要论述有关GPS信息的传递问题。

2 问题的提出

Globe Position System(全球定位系统)简称GPS,是美国第二代卫星导航系统,它由空间部分、地面监控部分和用户接收机三部分组成,其基本功能是为用户提供高精度的三维地理位置坐标和基准时间。利用其基本功能可以对用户进行定位和导航,因此GPS系统在部队中得到广泛的应用。装备有GPS系统的突击车分队在作战中,不仅能够实现单车定位和导航,还可以为分队提供本车的定位导航信息,增加战场的可视性和可控性。数字化部队要充分应用装甲车辆定位导航功能,就必须传递GPS信息,传递的GPS信息主要有基准时间和三维地理位置坐标的数据。传递GPS的数据信息时,就必定要占用信道。随着信息技术的不断发展,战场信息量急剧增加,通信系统的负担越来越重。对通信系统来说,为了更有效地利用其通信能力,希望能够利用有限的信道传递更多更有价值的信息,也就希望GPS信息尽量少地占用信道资源;而对指挥员来说,为了更加有效和及时地控制部(分)队则希望能够获得属车更多的GPS信息。这二者形成一对矛盾,为了解决这个矛盾,就需要寻找一种合适的位置信息传递控制方式,既能为指挥员提供最及时、最有效的GPS信息又能尽量少地占用信道。

3 问题的分析

为了便于分析,本文以数字化突击车连作为研究对象。突击车连的主要通信工具是突击车电台,利用突击车电台进行的通信是单信道的无线电通信。数字化突击车连GPS信息的传输也依靠突击车电台,为此首先研究无线电电台通信的问题。

一个拥有多部电台的突击车连,在进行无线电通信过程中必定会产生“排队”现象。因此可以运用“排队论”对此进行分析。

突击车电台通信一般是一部电台主动发信,其他电台回答或者不回答,为了便于讨论,将一次主动发信称为一次顾客到达,其一次通话过程称为服务一次,通话时间为服务时间。由于一个无线电网路中的电台数量是一定的,因而顾客源是有限的;且是单信道传输,因此又是单服务台。因此可以用有限顾客源、单服务台的排队理论对这个问题进行建模和求解。

4 模型的建立与求解

首先分析没有GPS信息时电台的通信情况。在突击车连中,通常由十部电台组成一个无线电网路,各电台的主动发信时机是随机的,符合泊松流分布,服务时间也是随机的,满足负指数分布。因而可以用M/M/1(m)模式对突击车连通信中的“排队”现象进行分析。

(1)

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P0为信道的空闲概率;Lq为等待发信的电台数;Wq为电台等待发信的时间;m为网路中电台数;λ为单位电台单位时间平均主动发信次数;μ为单位时间信道中平均发信次数。

现在引入传递GPS信息时的情况。目前我军装备的数字化突击车,其GPS信息传递有两种方式:一种是主动索取式,另一种是定时报告式,所以分两种情况进行讨论。

4.1 主动索取式

主动索取式是在指挥员需要某车的GPS信息时,主台主动呼叫该车,该车就立即发出GPS信息,这种呼叫是随机的。但是作为指挥员要掌握部属的情况,一般平均每隔一定时间就需要获得属车的位置信息。不妨假设每部电台平均每隔ΔT秒被呼叫一次。系统反应时间是固定的,我们假设呼叫反应时为t0。插入GPS信息后网路中的λ和μ就要发生变化,代入ΔT和t0可以得出:

(4)

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根据式(1)～(6)可以求出当改变ΔT和t0时P0、Lq、Wq值的变化情况。由于t0是固定的,因而只研究ΔT变化时对P0、Lq、Pq值的影响情况。

首先计算没有GPS信息时,P0、Lq、Wq的值。

假设λ=0.005,μ=0.05，调用程序一计算得出:

P0=0.2148,Lq=1.36,Wq=34.64

再计算有GPS信息时改变ΔT,P0、Lq、Wq值的变化情况调用程序二代入不同的ΔT计算见表1。

表1 信道空闲概率统计表

由表1中的数据可以看出:

1)ΔT值的变化对P0、Lq、Wq的影响比较显著。当ΔT在区间(0s～60s)时信道空闲概率很小,信道显得非常繁忙。

2) 当ΔT>200s时,P0>0.1,ΔT越大,P0就越接近没有GPS信息时信道的空闲概率。

3) 当ΔT=200s时,电台等待发信时间最短。

因此主动索取式的GPS信息报告模式在运用过程中不能次数太频繁。

4.2 定时报告式

定时报告式是指数字化突击车的GPS系统可以自动利用电台定时报告本车的位置,其定时时间可以自行设定。可以假设每部电台每隔ΔT时间发送一次位置信息。网路中有m部电台,则在ΔT的时间段里就发送了m次位置信息。因此,在网路中平均每隔ΔT/m秒信道内就要传递一次GPS信息。由于每辆车的GPS信息每隔一定长时间输入一次,其输入时间间隔分布是定长分布,因此网路中GPS信息输入时间间隔分布也是定长分布的。为了便于计算假定网路中每隔ΔT/m秒发送一次GPS信息其时间间隔分布函数为

由时间间隔分布函数可以看出在(T+n*ΔT/m)(T为首次发出位置信息时刻)时刻时,电台必定会发送GPS信息,不管信道是否被占用。因而在该时刻只有信道是空闲时才不会造成网路干扰。在没有GPS信息时信道的空闲率为P0,所以电台在传递GPS信息时只有P0的概率不被干扰。GPS信息输入速率为

在T的时间段内:传递的GPS信息次数为n=Δλ*T;

网路中传递的GPS信息未受干扰的次数:

n1=n*P0=Δλ*T*P;

网路遭到干扰概率为

Δλ*(1-P0)

根据分析可以得出:

定时报告GPS信息的方式,必定会造成网内的自身干扰,而其干扰次数与ΔT成反比。

为了验证分析和结论的正确性,通过编程进行模拟计算。程序设计的思路是:通过产生随机数的办法模拟通话时间和每个电台发信间隔时间,GPS信息输入和服务时间分布为定长分布,服务原则是随到随服务,其他信息按照先到先服务的原则。模拟时间是100小时。

网路中传递GPS信息的时间间隔为Δt:

Δt=ΔT/m

代入不同的ΔT调用程序三模拟得到不同的结果(见表2)。

表2 定时报告或发送信道干扰情况统计表

说明:表2中的发信总数指的是网路中非GPS信息总数。

从表2可以看出Δt的变化对发信总数几乎没有影响,而干扰次数则变化显著,对空闲率的影响也不是很大。干扰次数与无干扰次数的比值几乎不变,其干扰次数与发送的GPS信息总数的比值接近于没有GPS信息时的空闲概率P0。当Δt较小时,干扰次数非常多,平均每发送一个非GPS信息可能受到数次,甚至数十次干扰。因此,定时报告式虽然对信道空闲率的影响不大,但造成的信道干扰是不可避免的。

4.3 两种方式的优缺点

从模型的建立和求解的结果,可以看出,主动索取与定时呼叫各有优缺点。主动呼叫可以随机对属台进行呼叫,可控性好,能够做到近实时指挥。但是这种方式不能作为指挥员获取属车GPS信息的主要方式,因为一方面,呼叫太频繁会造成信道拥挤,另一方面,呼叫次数太多对于指挥员来说也是非常繁琐的,不符合数字化战场指挥快捷、简便的要求,更不符合指挥自动化的要求,这种方式只能作为指挥员获取信息的辅助手段。

表3 主动索取与定时呼叫优缺点对比表

定时报告每隔一段时间能够给指挥员发出本车的位置信息,便于指挥员掌握全连的态势。由于定时报告的非等待性即无论信道是否被占用电台都要发送GPS信息,必然会造成网路中的自身干扰。因此这种方式必须要进行改进。

5 对定时报告方式的改进

由前面的分析已经知道,定时报告的工作方式会造成网路的干扰,这种干扰与发出的GPS信息次数有关,次数越多则干扰越多。产生干扰的根本原因是它发信的不等待性。也就是说在输入GPS信息时,不管信道是否被占用,电台都要将本车的GPS信息发出。因此要对此进行改进就要从改变其不等待性入手,使得电台在传递GPS信息时能够判断信道是否空闲。根据这种改进思想,提出定时段发信的报告方式。

定义:定时段发信是每部电台在规定的时间段发送GPS信息,在该时间段的起始时刻,GPS的报告系统启动,电台处于待发信状态,一旦信道空闲,电台就立即发出GPS信息。如果在该段时间内,电台未能发送GPS信息,则等到下一个时间段再发送该车的GPS信息。

这种传递方式既有定时报告便于指挥员指挥控制的优点,同时又可以有效克服定时发信所造成的网内干扰的不足。

由定时段发信的定义可知:电台在进行无线电通信过程中时间被分成若干段,每段时间长为Δt,在每个时间段内至多有一个GPS信息经电台发送出去。现以突击车连为例:

将10部电台编为1号～10号。以建立无线电联络为起始时刻,1号电台在(0～Δt)时间段内待机发出一个GPS信息,如果未能在这个时间段内发出GPS信息,则只能在下一个时间段(10Δt～11Δt)内发出。即n号电台只能在(10*m*Δt+(n-1)*Δt～10*m*Δt+n*Δt)(m为自然数)的时间段内发送GPS信息。这样,在整个通信过程中,每部电台的GPS信息只能在一些规定的时间段发出,而在该时间段内GPS信息享有优先服务权。

根据这个优先服务权,可以通过编程来进行模拟计算。代入不同的Δt调用程序四,得到不同的数据列表如表4所示。

电台等待时间为发送非GPS信息的等待时间,Pg为Δt与实际发出GPS信息间隔时间的比值由表4可以看出:

表4 定时段报告或发送信息统计表

1) 当设定相同的Δt时定时段报告式发送的GPS信息远比定时报告发送的无干扰信息多。当Δt=50时,定时段报告式发送的GPS信息数为6664个,P0=0.1848;而定时报告式发送的GPS信息为779个,P0=0.2076。在发送有效的GPS信息的次数相近时,定时段报告式的空闲概率大,当定时报告式发送的GPS信息为6104个时,P0=0.1338,小于定时段报告式发送的GPS信息数为6664个时的空闲概率。由此看出:在同等条件下,定时段报告式的空闲概率比定时报告式的空闲概率大,而无干扰。同时电台发送的其他信息次数几乎不变,对通信影响不大。

2) 并不是每个时间段都能发出GPS信息,在实际通信中,平均每段时间长为Δt/Pg。由每部电台平均间隔时间ΔT=10*Δt/Pg,可以计算出ΔT的值如表5所示。

表5 时段频率变化统计表

当Δt=6时,实际上在信道中平均18s发送一个GPS信息。平均每部电台每隔180s发送一次GPS信息。Pg是随Δt的增大而减少的,当Δt很小时Pg却很大,Δt也就比较大,因此将Δt设置很小并没有多大实际意义;当Δt比较大时Pg虽很小,由于Δt大ΔT也就比较大,因而将Δt设置太大,也将使得报告的间隔时间太长,从而GPS系统失去了存在的意义。因此Δt设置应该恰当,Δt既不应大也不应小,一般在(10～30)的范围内比较适合。

6 评价与总结

6.1 合理性分析

在对模型进行改进时,假设GPS信息享有优先服务权,即在同样的等待条件下,电台优先发出GPS信息,现在对此进行分析。由分队通信的规则可知:在通信过程中,通信者不准抢发信,当有电台发信时,其它电台只有在该电台发信完毕后方可发信。在由等待状态转化为发信状态过程中有一个时间差,由于电台是自动转发GPS信息,由电子门控制,这个时间差就很短;而通信者在转发时要经过一个思维的判断过程,这个时间差就较长。因此在同样的等待条件下,当信道空闲时,GPS信息抢先发信,也即GPS信息享有优先服务权。因此本文的假设是合理的。

6.2 传输控制的方案

从模型的求解结果可以得出:定时报告式虽然能够自动报告GPS信息,但是由于对电台存在着不可避免的干扰,为了减少干扰次数,电台报告GPS信息的次数必将减少,因而这种报告方式并不能适合未来数字化战场的要求。定时段报告式能够自动报告GPS信息,同时又具有对信道的空闲概率影响小、占用信道时间短,不影响网路的正常工作,能够适应未来战场的自动化指挥的要求,因而是一种很好的传输方式。主动索取式便于指挥员随机索取,便于控制,是一种很好的辅助传输方式。

综上所述,GPS信息的传输控制方式可以以定时段报告式为主,主动索取式为辅。

6.3 实现定时段控制的技术要求

在前面的模型改进中,主要是改定时报告的不等待性为定时段报告式的等待性,也就是说电台在信道空闲时才传送GPS信息。这要求电台在传送GPS信息前要判断信道是否空闲,在技术上要求电台在收信时能够判断信道内是否有信号,因此在设计制造中要增加逻辑电路,同时还要求电台在满足条件的情况下能够自动转发。

7 结语

本文仅仅对GPS信息传输的时间控制进行了分析,而没有对其它方面进行分析。例如还可以根据车辆运行的距离进行控制;不同的战斗阶段运用不同的方式进行控制等。在未来战争中,信息量将是现在战场的信息量的几倍、几十倍甚至更大。因此,信道资源是非常宝贵的。尽量减少不必要的发信是解决信息泛滥的一个基本方法。优化信息将是数字化战场取胜的一个关键。

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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

陈红宾,男,硕士研究生,讲师,研究方向:作战指挥与装备保障指挥。

TN943

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.011