Описание проекта
Проект направлен на проведение натурных испытаний с целью сбора эмпирических данных для разработки проекта предварительного национального стандарта (ПНСТ) «Междоменные коммуникации автономных морских робототехнических систем. Требования к обмену данными и телеметрии».
В рамках проекта под междоменными коммуникациями понимается обмен данными между разными физическими средами (доменами): подводный (АНПА, ТНПА), надводный (БЭК), воздушный (БПЛА морского базирования) и наземный/береговой (пункт управления).
Основная научно-техническая проблема заключается в отсутствии унифицированных протоколов и интерфейсов, обеспечивающих сквозную передачу телеметрии и команд управления через разнородные каналы связи (гидроакустический, радиоканал, оптоволокно) между аппаратами разных типов и производителей.
В качестве экспериментальной платформы предполагается использование подводного сегмента: телеуправляемые и автономные необитаемые подводные аппараты (в т.ч. разработки СевГУ) и надводного/воздушного сегмента: безэкипажный катер и/или БПЛА в качестве коммуникационных ретрансляторов для обеспечения связи между подводным аппаратом и берегом.
В ходе испытаний будут проверяться механизмы трансляции данных, эффективность предлагаемой архитектуры обмена и совместимость программных интерфейсов, что напрямую ляжет в основу конкретных разделов ПНСТ. Полученные результаты позволят сформулировать требования не только к протокольному уровню, но и к унифицированным физическим интерфейсам соединения (типы разъёмов, кабели, уровни сигналов) и условиям межмодульного электропитания, что является необходимым условием интероперабельности разнородных систем. Эти аспекты будут учтены в виде рекомендаций для последующей стандартизации, даже если их прямая проверка выходит за рамки данного эксперимента.
Полученные в ходе испытаний данные, используемые протоколы обмена и программные средства регистрации должны лечь в основу требований к междоменным коммуникациям, интерфейсам соединения, межмодульной связи и телеметрии беспилотных надводных и подводных систем. Предполагаемые разделы стандарта, наполняемые результатами эксперимента: структура телеметрического сообщения; правила трансляции данных между гидроакустическим каналом, последовательным интерфейсом и IP-контуром; требования к временным меткам, подтверждению доставки, журналированию и расчету параметров оценки качества.
1. Цель проведения эксперимента
Получение экспериментально подтвержденных количественных характеристик (задержки, вероятность доставки, совместимость протоколов) междоменного обмена данными в связке «подводный аппарат – надводный ретранслятор – береговой пункт управления», а также сформировать предварительные требования к физической совместимости интерфейсов (электрические параметры, конструктив разъёмов) на основе анализа полученных данных и опыта эксплуатации, для обеспечения интероперабельности аппаратов различных производителей..
Достижение цели будет подтверждено:
- Сформированной базой экспериментальных данных с фиксированными значениями задержек и потерь для разных сценариев.
- Разработанным проектом структуры сообщений (формат пакета) для телеметрии.
- Актом о передаче данных для включения в проект ПНСТ.
2. Задачи эксперимента
Задача 1. Оценить сквозную задержку и устойчивость доставки телеметрических сообщений при передаче через гидроакустический сегмент и надводный шлюз в цепи «подводный аппарат – БЭК – берег».
Ожидаемый результат: экспериментальные зависимости задержки Round Trip Time (RTT) и вероятности доставки пакетов Paintless Dent Repair (PDR) от дальности и волнения моря. Эти данные будут использованы при подготовке требований к допустимым задержкам и тайм-аутам.
Задача 2. Проверить применимость единой структуры телеметрического сообщения для передачи навигационных, служебных и статусных данных между разными физическими средами.
Ожидаемый результат: перечень обязательных и рекомендуемых полей сообщения, включая идентификатор узла, время измерения, координаты или локальную позицию, глубину, статус доставки и показатели качества приема. Дополнительно будет составлен перечень технических условий для физического подключения (напряжение питания, типы интерфейсных кабелей, требования к заземлению), полученный из анализа штатных режимов работы оборудования, для последующего включения в разделы стандарта по интерфейсам соединения и электрооборудованию.
Задача 3. Сопоставить процедуры обмена и ретрансляции для используемых протокольных сценариев, включая пакетный режим гидроакустического обмена, подтверждение доставки и сетевую передачу через промежуточный узел.
Ожидаемый результат: таблица условий применимости процедур, задержек, успешности доставки и ограничений для включения в разделы стандарта.
Задача 4. Сформировать требования к программному журналированию и синхронизации записей на разных участках цепочки обмена.
Ожидаемый результат: состав обязательных логов, структура записи, требования к временным меткам и правилам сопоставления телеметрии с событиями передачи.
Задача 5. Подготовить предложения к разделам ПНСТ по междоменным коммуникациям, интерфейсам соединения, межмодульной связи и телеметрии.
Ожидаемый результат: перечень требований и рекомендуемых диапазонов параметров, обоснованных экспериментальными данными.
3. Ожидаемый результат
Ключевым результатом проекта является получение репрезентативного набора эмпирических данных, достаточного для научно-обоснованной разработки национального стандарта в области междоменных коммуникаций.
В ходе и по итогам эксперимента будут получены следующие конечные продукты:
- База экспериментальных данных (Data Set): структурированный массив данных, содержащий количественные характеристики передачи информации (задержки, потери, SNR) для различных сценариев «подводный-надводный-воздушный-берег». Эта база станет основой для верификации будущих нормативных требований.
- Проект структуры ПНСТ: разработанный и апробированный на практике перечень разделов стандарта, включающий: архитектуру взаимодействия гетерогенных систем, требования к структуре телеметрических сообщений (состав обязательных полей) и процедуры трансляции данных между каналами связи разных физических сред.
- Рекомендуемые численные значения параметров QoS: обоснованные пороговые значения для вероятности доставки, максимальной задержки и допустимого уровня потерь, которые будут заложены в нормативную документацию.
- Методика проведения испытаний: отработанный регламент и сценарии натурных испытаний для оценки междоменной совместимости, который может быть использован другими разработчиками и испытательными центрами.
- Открытый набор данных (опционально): в случае одобрения заказчиком, анонимизированные данные будут подготовлены для публикации с целью стимулирования дальнейших исследований в области морской робототехники.
4. Тип применения беспилотного аппарата
Основной тип применения проекта – связной, подразумевающий собой ретрансляцию и передачу данных, обмен телеметрии и обеспечение информационного взаимодействия между подводным и надводным сегментом. Дополнительный сценарий может относиться к роевому типу применения, если в испытания включается взаимодействие двух и более подводных или надводных узлов через общий ретранслятор.
5. Проверяемая гипотеза
Использование единой архитектуры сообщений и динамической маршрутизации через надводный ретранслятор обеспечит вероятность успешной доставки команд управления с берега на подводный аппарат не менее 95% при дальности гидроакустического канала до 2 км и снизит вариативность задержки не менее чем на 20% по сравнению со стандартной прямой передачей без ретрансляции, что позволит обосновать нормативы QoS для ПНСТ. Кроме того, будет обоснована необходимость унификации физических интерфейсов для упрощения интеграции ретрансляторов разных типов, что станет основой для дальнейших нормативных требований по интероперабельности.
6. Планируемые экспериментальные данные
В ходе испытаний планируется зафиксировать следующие параметры:
- Параметры канала: SNR, BER, PDR, пропускная способность акустического модема.
- Сетевые параметры: сквозная задержка (берег-БЭК-АНПА), Jitter, время установления соединения, загрузка канала ретранслятора.
- Телеметрия: координаты, глубина, скорость, курс, энергопотребление узлов сети.
- Логи взаимодействия: полные логи передачи данных на всех уровнях стека (подводный-надводный-берег) с метками времени для расчета сквозных характеристик.
- Верификационные материалы: видеозаписи испытаний с наложением телеметрии.
- Итоговые материалы для стандартизации: таблицы расчетных метрик, описание формата сообщения, перечень обязательных логов, схема интерфейсов обмена, рекомендации по процедурам подтверждения доставки и диапазоны параметров для последующей экспертной оценки, а также предварительные рекомендации по унификации физических интерфейсов и требований к электропитанию для обеспечения интероперабельности, которые могут быть включены в соответствующие разделы ПНСТ после дополнительной верификации.
7. Предполагаемая акватория
Внутренняя акватория Севастопольской бухты (закрытая акватория) для базовой отработки, с последующим выходом в открытую акваторию Черного моря для испытаний на больших дальностях и при различных гидрологических условиях.
