CN105978751A - 一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统 - Google Patents
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Abstract
一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，包含双线程网络数据采集组件和数据库管理与分析组件，所述双线程网络数据采集组件用于采集由外部设备发出的遥测数据在分别到达无人机地面控制站的外网交换机、内网交换机时的时间戳；所述数据库管理与分析组件用于根据双线程网络数据采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的遥测数据时延。本发明可以用来准确评估无人机地面控制站数据传输性能，从而保证地面控制站数据实时高性能传输。
Description
技术领域
本发明涉及无人机地面站测试领域，尤其涉及无人机地面控制站时延特性测试技术，采用通用化的技术实现方式，是一种基于数据接口底层采集技术的时延特性测试评估系统。
技术背景
无人机地面控制站内部的信息流通交互渠道分为内网和外网两个部分，均为双冗余的以太网，内网数据采用DDS中间件技术进行通讯，外网数据采用UDP组播通讯，内网与外网之间由服务器进行隔离和串联，由于现有技术中缺少对多型无人机地面控制站的时延测试，无法准确评估无人机地面控制站数据传输性能，进一步影响地面控制站的设计及开发。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，用于对多型无人机地面控制站的时延特性测试评估，可以用来准确评估无人机地面控制站数据传输性能，反向促进地面控制站设计及开发的迭代，从而保证地面控制站数据实时高性能传输。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，包含双线程网络数据采集组件和数据库管理与分析组件；
所述双线程网络数据采集组件用于采集由外部设备发出的遥测数据在分别到达无人机地面控制站的外网交换机、内网交换机时的时间戳；
所述数据库管理与分析组件用于根据双线程网络数据采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的遥测数据时延。
进一步，无人机地面控制站时延特性测试评估系统还包含鼠标信号分路器、鼠标信号采集组件；
所述鼠标信号分路器将接收到的一路鼠标信号复制成二路信号，一路传输给无人机地面控制站的计算机驻留软件作为遥控指令的触发信号，一路传输到鼠标信号采集组件作为鼠标点击信号，用于记录鼠标点击时间戳；
所述鼠标信号采集组件用于采集鼠标信号分路器输出的鼠标点击信号并传输给数据库管理与分析组件；
所述双线程网络数据采集组件还用于采集遥控指令在分别到达内网交换机、外网交换机时的时间戳；
所述数据库管理与分析组件还用于根据双线程网络数据采集组件和USB鼠标信号采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的遥控指令时延。
进一步，所述双线程网络数据采集组件还用于采集激励软件对遥控指令的回报在分别到达外网交换机、内网交换机时的时间戳；
所述数据库管理与分析组件还用于根据双线程网络数据采集组件和鼠标信号采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的系统闭环时延。
依据上述特征，所述双线程网络数据采集组件针对无人机地面控制站的内网交换机采集DDS格式数据，针对外网交换机采集UDP格式数据，并且通过WinPcap数据采集技术得到相应数据的数据链路层到达时间戳。
本发明实现简单，不需要复杂硬件设备和高昂的成本，工程实现复杂度底，满足多型无人机地面控制站的时延测试需求；通过软件响应的方式实现了鼠标点击信号时间戳的采集，适用范围广泛；能够实现对无人机地面控制站内外网不同网络通讯传输机制下的数据链路层信息到达时间采集，采集精度较高，满足地面站系统的时延测试需求。
附图说明
图1为本发明时延特性测试评估系统与无人机地面控制站交联框图；
图2为本发明中鼠标信号采集组件的原理图；
图3为WinPcap体系结构图；
图4为本发明中遥控指令时延测试流程图；
图5为本发明中遥测数据时延测试流程图；
图6为本发明中系统闭环时延测试流程图；
图7时延特性分析评估
具体实施方式
下面根据附图和实施对本发明作进一步详细说明：
本发明一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统的硬件可分为鼠标信号分路器和时延测试计算机，前者能够实现对鼠标信号的两路分路，后者主要驻留鼠标信号采集组件、基于Wincap的双线程网络数据采集组件、数据库管理与分析组件。本发明可以完成：从鼠标点击触发遥控指令开始，到内网交换机，再到外网交换机的高时间精度采集；对数据从外网交换机进入，到内网交换机的高时间精度采集；测试数据的存储，管理和分析。无人机地面控制站时延特性测试评估系统与无人机地面控制站交联图见附图1。
无人机地面控制站与无人机的信息交互主要分为三个种类，遥控指令、遥测数据和回报信息，无人机地面控制站时延特性测试评估系统将会分别对遥控指令时延、遥测数据时延、系统闭环时延进行测试和评估分析。
一、时延特性测试评估系统工作原理：
1、鼠标信号时间戳采集
参见附图2，采用鼠标信号分路器实现了鼠标信号分路设计，将一路鼠标信号复制成两路，一路传输到被测无人机地面控制站的计算机驻留软件作为遥控指令的触发信号，一路传输到时延测试计算机作为鼠标点击信号，用于记录鼠标点击时间戳。忽略鼠标点击信号在传输过程中的时延和鼠标信号分路器的分路时延，可以认为在时延测试计算机中捕获到的鼠标点击信号的时间戳是遥控指令的触发信号的时间戳。通过鼠标信号采集组件，以软件响应的方式实现了鼠标点击信号时间戳的采集。
2、网络数据时间戳采集
基于WinPcap的双线程网络数据采集组件，实现了在无人机地面控制站的内网和外网中分别采集DDS格式数据和UDP格式数据，并且通过WinPcap数据采集技术得到相应数据的数据链路层到达时间戳。
WinPcap(Windows Packet Capture)提供了一套标准的捕获数据包接口，体系结构图见附图3，包含有三个模块：内核级的数据报过滤器(NPF)是一个虚拟设备驱动程序文件，功能是过滤数据包，并把这些数据包原封不动地传给用户态模块；数据包低级驱动程序库(Packet.dll)为Win32平台提供了一个公共数据接口，包含对不同版本的Windows的兼容，直接映射了内核的调用，完成获取网卡或者机器掩码等操作；数据包高级驱动程序库(Wpcap.dll)提供了更高层的函数调用，提供产生过滤器、用户缓冲以及包注入等功能。其中，网络数据包过滤器(Netgroup Packet Filter，NPF)是WinPcap的核心部分，它绕过操作系统的协议栈来访问在网络上传输的原始数据包(raw packet)，它运行在操作系统核心内部，直接与网络接口驱动交互，并且对用户级提供可捕获(capture)、发送(injection)和分析性能(analysis capabilities)。
WinPcap独立于主机协议而发送和接收原始数据包，直接从数据链路层访问网络上传输的原始数据包，可以独立于TCP协议、UDP协议、DDS协议捕获数据。
3、数据库存储、管理
数据库管理与分析组件采用MySql数据库对数据进行存储管理，按照三种测试内容遥控指令时延测试、遥测数据时延测试和系统指令闭环时延测试分别设计了数据库表单，在每个数据库表单中分别设计了数据记录格式，并对数据表单根据时间日期进行管理。
二、时延特性测试评估实现方法
无人机地面控制站时延特性测试评估主要从以下四个方面来实现：
1、遥控指令时延测试
鼠标点击信号作为遥控指令触发信号经过鼠标信号分路器后，一路进入到的鼠标信号采集组件实现鼠标点击信号时间戳的采集，一路进入被测无人机地面控制站的计算机驻留软件，计算机驻留软件接收到遥控指令触发信号后，将遥控指令从内网交换机输出到综合处理单元，再输出到外网交换机。需要测试的时延为被测计算机驻留软件的处理时延和综合处理单元软件的处理时延，被测信息到达时间戳的位置为鼠标点击时间戳T1、遥控指令到达内网交换机时间戳T2、遥控指令到达外网交换机时间戳T3，参见附图4。
2、遥测数据时延测试
遥测数据的发出需要从接入设备单元到外网交换机，从综合处理单元到内网交换机，再到被测计算机驻留软件。需要测试的时延为综合处理单元软件的处理时延，被测信息到达时间戳的位置为遥测数据到达外网交换机时间戳T1、遥测数据到达内网交换机时间戳T2，参见附图5。
3、系统闭环时延测试
遥控指令的发出需要从鼠标点击到被测计算机驻留软件，从内网交换机到综合处理单元，从外网交换机到激励软件，经过激励软件的解析对遥控指令进行回报，遥控指令回报将从激励软件到外网交换机，从综合处理单元到内网交换机，最终到达被测计算机驻留软件。需要测试的时延为被测计算机驻留软件发出遥控指令的时延、综合处理单元软件转发遥控指令的时延和综合处理单元转发遥控指令回报的时延，被测信息到达时间戳的位置为鼠标点击时间戳T1、遥控数据到达内网交换机时间戳T2、遥控数据到达外网交换机时间戳T3、遥控指令回报到达外网交换机的时间戳T4、遥控指令回报到达内网交换机的时间戳T5，参见附图6。
4、时延特性分析评估
数据库管理与分析组件由数据库操作组件、本地数据库服务器、数据库管理组件和数据库分析组件组成，数据库操作组件将鼠标信号采集组件和双线程网络数据采集组件采集到的时延数据写入本地数据库服务器的对应表中，数据库管理组件用于读取并管理本地数据库服务器中的时延数据，数据分析组件用于将读取的时延数据进行分析与统计。从飞控遥控时延，综处遥控时延，上行遥控时延，综处遥测时延、系统闭环时延五个方面，对测试数据分组并分析了数据的平均值分布，标准差的分布，变异系数的分布、数据的整体波动、数据的整体分布。功能框图参见附图7。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，包含双线程网络数据采集组件和数据库管理与分析组件，其特征在于：
所述双线程网络数据采集组件用于采集由外部设备发出的遥测数据在分别到达无人机地面控制站的外网交换机、内网交换机时的时间戳；
所述数据库管理与分析组件用于根据双线程网络数据采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的遥测数据时延。
2.根据权利要求1所述的一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，其特征在于还包含鼠标信号分路器、鼠标信号采集组件；
所述鼠标信号分路器将接收到的一路鼠标信号复制成二路信号，一路传输给无人机地面控制站的计算机驻留软件作为遥控指令的触发信号，一路传输到鼠标信号采集组件作为鼠标点击信号，用于记录鼠标点击时间戳；
所述鼠标信号采集组件用于采集鼠标信号分路器输出的鼠标点击信号并传输给数据库管理与分析组件；
所述双线程网络数据采集组件还用于采集遥控指令在分别到达内网交换机、外网交换机时的时间戳；
所述数据库管理与分析组件还用于根据双线程网络数据采集组件和USB鼠标信号采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的遥控指令时延。
3.根据权利要求2所述的一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，其特征在于所述双线程网络数据采集组件还用于采集激励软件对遥控指令的回报在分别到达外网交换机、内网交换机时的时间戳；
所述数据库管理与分析组件还用于根据双线程网络数据采集组件和鼠标信号采集组件采集到的时间戳分析无人机地面控制站的系统闭环时延。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种无人机地面控制站时延特性测试评估系统，其特征在于所述双线程网络数据采集组件针对无人机地面控制站的内网交换机采集DDS格式数据，针对外网交换机采集UDP格式数据，并且通过WinPcap数据采集技术得到相应数据的数据链路层到达时间戳。
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