Evaluation de l'architecture de communication de système de drone
1. Introduction
L'évaluation de l'architecture de communication de système de drone passe par la réalisation d'un modèle générique de cette architecture. Le système étudié est composé d'une plate-forme ou aéronef et d'une station sol, et de son environnement comportant des aéronefs, des centres de contrôle aérien et un centre de commandement des opérations aériennes. L'instanciation de ce modèle générique produit un modèle qui, éventuellement enrichi, permet l'évaluation d'architecture de communication d'un système de drone.
Le modèle générique que nous proposons s'appuie et réalise une synthèse des différents travaux sur les techniques et les outils pour la validation d'architecture de système que nous avons, par ailleurs, menés ces dernières années avec divers industriels, et d'une étude technico-opérationnelle sur la Planification – la Conduite et le Contrôle d'un ensemble de drones affinant le concept d'emploi de drones dans les opérationsaériennes.
La notion de modèle générique repose sur l'aspect de généralisation. Il reprend d'une part, les différentes particularités communes aux différentes architectures étudiées par les industriels d'autre part, les spécificités des organisations, des environnements et des besoins de communications du concept d'emploi d'un ensemble de drones dans une opération aérienne.
Le modèle générique n'est pas directement exploitable. L'utilisateur doit particulariser certains paramètres tels que le nombre, les débits et les latences des canaux de communication qu'il désire utiliser ainsi que les tailles, les fréquences d'acquisition des flux d'information et les délais d'acheminement des informations qui devront être impérativement respectés. L'utilisateur peut aussi enrichir le modèle par de nouvelles interactions.
Nous proposons aussi quelques scénarios permettant d'évaluer la performance de l'architecture de communication et d'estimer les délais d'acheminement des flux d'information. Ces délais évalués sont à comparer aux délais spécifiés.
2. Spécifications du modèle générique de drone
Le modèle générique de système de drone a pour objectif d'être un modèle de base qui, une fois instancié, permet de définir, spécifier ou dériver des modèles d'architecture de système d'information de drone permettant l'étude des interactions et des communications entre les acteurs :
Le commandement des opérations CCAO ou les escadrons PC
Le /les centres de contrôle terrestres ou aéroportés : CdC
Les bases aériennes et les centres de contrôle aérien militaire : CLA
Le drone composé : du porteur et de la charge utile CU
La station sol du drone constituée d'une Station Sol Aéronautique SSA et d'une Station Sol d'Exploitation SSE
Le moyen de traitement d'objectif MTO associé éventuellement à un centre de contrôle CC
Les unités autres Terre / Mer
Les autres aéronefs militaires
Les centres de contrôle civil ATC, les aérodromes et les avions civils.
Figure 24 – Architecture générale du système (plus grand)
Les moyens de communication sont de type :
Phoniques en VHF/UHF entre le porteur et l'ensemble des acteurs déjà cités
Ligne 16 entre le porteur et les acteurs militaires ATC, CLA, PC escadron, MTO et CC, autres aéronefs et unités Terre / Mer
LDTI et data-link dédiés entre le porteur et la station sol d'exploitation SSE
LDHP entre le porteur et la station sol aéronautique SSA.
Toutes les communications phoniques entre la SSA et les autres acteurs militaires ou civils sont relayées par le porteur. De plus si la distance le nécessite, les communications entre le porteur et la station sol peuvent être relayées par un satellite Satcom ou un autre aéronef.
Dans cette architecture, il y a une séparation forte entre le Porteur et la Charge Utile du drone. A la limite, ce sont deux systèmes fonctionnellement dissociés, avec peu d'interactions de l'un sur l'autre. Grossièrement la charge utile reçoit du porteur son état de fonctionnement et sa dynamique (vecteur position fourni par le FMS) et retourne au porteur son état et éventuellement les contraintes de vol qu'elle impose compte tenu de l'orientation des capteurs. Ces interactions sont faibles taille 1-8Kb, indépendantes, dans un seul sens et de fréquences de 1 à 10 par seconde soit une bande passante de l'ordre 1 – 10Kb/s.
Dans l'évaluation, il nous faut prendre en considération les Stations - Sol. Là aussi, il est fait une distinction entre la Station - Sol aéronautique pour le contrôle et la conduite du drone et la Station - Sol d'exploitation de la Charge Utile. Il nous faut aussi tenir compte des autres interactions avec l'environnement à savoir les Centres de Commandement et éventuellement les autres aéronefs et les Centres de Contrôles.
Un gestionnaire de communication permet de gérer les terminaux de communication :
terminaux imagerie, ligne d'imagerie à haut débit (quelques dizaines de Mbits/s)
terminaux télémesures et télécommandes, messages et requêtes, même des images non cadencées (quelques centaines Kb/s), via la ligne L16 en broadcast ou point à point
Relais de communication radio U /VHF, en broadcast.
Les interactions entre le Porteur et la Charge Utile sont : du porteur vers la charge utile, les paramètres de vol produits par le FMS, et de la charge utile vers le porteur, les contraintes de vol imposées par l'orientation du capteur en activité.
Les équipements du porteurs Tcas et Iff produisent des flux d'information permanents ou à la demande à destination de la Station Sol ou des acteurs : aéronefs, CDC, ATC, CLA.
Les stations - sol contrôle et pilotage et d'exploitation échangent avec le porteur des télécommandes, des télémesures, des messages et des requêtes via les terminaux « télémesures - télécommandes ». Par cette voie, il est aussi possible de transmettre des images traitées ou choisies, n'exigeant pas un délai d'acheminement court, venant d'un centre de commande ou de la station - sol d'exploitation et destination d'un MTO, du CC ou d'une Station Sol. Cette voie permet de transmettre des messages et des requêtes entre le porteur et les stations - sol ou les centres de commandement ou le moyen de traitement d'objectif. Enfin, elle permet de relayer des messages et les requêtes entre un centre de commandement et une station- sol.
Le porteur communique à la station sol d'exploitation des images issues d'un ou de plusieurs capteurs de la charge utile par le terminal de communications à haut débit. Les besoins en communication par la liaison directe sont intégrés dans l'outil mais ne sont pas précisés dans ce rapport pour des raisons de confidentialité.
Parmi les autres équipements du porteur, un DGPS est utilisé lors des phases de décollage et d'atterrissage permettant de préciser l'information du GPS. Le recalage se fait par l'envoi par DGPS, d'un ensemble de mesure de 1Kb par la liaison de données tactique et image descendante mais à ces instants les capteurs sont arrêtés.
La charge utile peut comporter un illuminateur Laser qui ne produit pas de charge de communication ou un dispositif de désignation de cible par coordonnées dont la charge de communication est également connue de la base de données de l'outil.
Enfin, le porteur peut servir de relais de communication radio (UHF/VHF) entre les stations sol, les centres de commandement, les moyens de traitement d'objectif, les centres de contrôle et les autres aéronefs.
Du schéma présenté ci-dessus, il n'est pas possible d'appréhender le délai de réalisation d'une séquence d'interactions. Ainsi par exemple, le Centre de Commandement peut passer une requête à la station d'exploitation de transmettre à un moyen traitement d'objectif (un aéronef) une image traitée par la station sol. Cette requête implique les interactions suivantes :
la montée vers le drone de la requête par la ligne montant du terminal 2 (Télécommandes/Télémesures/Requêtes/Messages)
la descente vers la station- sol de la requête
la recherche de l'image traitée (de quelques centaines de Kb) dans la base images par la station sol
la remontée vers le drone par la ligne montant de terminal 1 (Imageries)
la diffusion vers le moyen de traitement de l'objectif par le terminal 2 (le seul qui peut communiquer avec le MTO)
Cet exemple illustre bien la difficulté pour un concepteur de système d'appréhender le délai d'acheminement des données pour que l'objectif final d'une requête soit réalisé (ici la disponibilité par le moyen de traitement de l'objectif d'une image traitée). Le délai de disponibilité qualifie dans ce cas la performance du système Porteur - Station Sol – Moyen de traitement.
3. Description du modèle générique
Le modèle générique de drone a été conçu sur la base des 3 modèles résultant des études amonts sur les drones et du concept d'emploi de système de drones MALE - HALE - MCMM. Le scénario de référence est une combinaison des missions de surveillance et de désignation d'objectif.
Le modèle est constitué de différentes composantes :
La plate-forme est représentée par la fonction FMS qui reçoit des télécommandes et des messages et produit des télémesures : position et états porteur, Tcas et Iff
La charge utile est représentée par deux senseurs : EOSensor et SARSensor produisant des images haute résolution ou des images vidéo
La station sol est représentée par SCC la station sol de commande et contrôle
Les autres systèmes sont : MTO, CC qui interagissent avec le système drone en phonie sur la fréquence opérationnelle
Le système de communication est représenté par les composants : ComE et ComS,
Le relais de communication phonique VUHF.
Les canaux de communication sont :
LDM : les télécommandes des liaisons de données tactiques. ( Message, requête, consignes)
LDD : les télémesures des liaisons de données tactiques (x_porteur, etat_porteur, Tcas, Iff, …)
LDTICU : les données tactiques et d'imageries (Images haute résolution, vidéo, SAR, MTI,…)
LDTIB : les données tactiques et d'imageries diffusées (broadcast) Tcas, Iff
Fop : la fréquence opérationnelle diffusant les dialogues phoniques en mode broadcast.
Un flux de donnée est représenté par son nom et par une liste de couples (attribut valeur). Les valeurs des attributs ont un sens pour la simulation en Sahara. Ils permettent au niveau de la description comportementale des composantes d'initialiser des paramètres, d'évaluer la charge des canaux, de dater des flux et d'évaluer des durées d'acheminement.
4. Paramétrage du modèle générique
Nous avons vu que le modèle générique n'est pas directement utilisable et que l'utilisateur devait le paramétrer pour l'adapter à son besoin. Les paramètres à spécifier concernent la longueur et la fréquence d'acquisition, les débits et les latences des canaux de communication. Les valeurs de ces paramètres dépendent de la base de temps : 20 millisecondes, et des unités utilisées : longueur de donnée en Kb et débit des canaux en Kb/s. Nous donnons ci-après un aperçu de la liste des paramètres à particulariser. La liste en contient une trentaine. Les valeurs numériques ont été omises dans ce rapport pour des raisons de confidentialité.
Nom paramètre
Valeur
Commentaire
*periodeEO1*
6
Période d'acquisition image vidéo optronique
*periodeTCTM*
5
Période télécommandes et télémesures porteur
*periodeEtat*
15
Période d'acquisition des états systèmes porteur et charge utile
*delaiLDD*
3
Délai de latence du canal LDD liaison de données descendante porteur - SCC
*delaiLDM*
1
Délai de latence du canal LDM liaison de données montante SCC - porteur
*lgImageEO*
980
Longueur image avec un taux compression 3
*lgTM*
1
longueur des télémesures 1K (1k a 10hz)
*lgEtatSysteme*
1
longueur des états systèmes 1K
*lgXporteur*
1
longueur Xporteur 1K
*debitLDD*
160
Débit de la liaison de données et image porteur – SCC autre possibilité xKb/yms soit zMb/s
*debitLDM*
2
Débit de la liaison de données montante de télémesure (états et X porteur)
5. Exemple de scénario utilisant deux senseurs et la liaison tactique
Ce scénario consiste en une mise en marche de la plate-forme et de la charge utile, puis par la fréquence opérationnelle suivie de l'acquisition d'image SAR. Au temps 101, on arrête le SAR et on lance l'acquisition d'image EO avec un taux de réduction de 20 et une période d'acquisition de 25i/s. Au temps 201, on lance l'acquisition d'images haute résolution à la fréquence d'une image/s avec utilisation de la liaison tactique pour transférer vers CC. Au temps 301, on arrête les images tactiques pour reprendre les images EO en mode standard avec un taux de réduction de 20. Au temps 401, on lance l'acquisition d'image SAR en mode standard et parallèlement d'images EO standard à 25i/s mais avec un taux de réduction de 70. On arrête le senseur EO en 501 et enfin le senseur SAR en 601.
Figure 26 : charge de la liaison de donnée imagerie
Figure 27 - Charge sur la liaison tactique
Les deux pics correspondent aux transferts des deux images EO haute résolution qui nécessitent 1s pour transiter par le canal. Ce délai de transit correspond bien à la fréquence d'acquisition des images. Ainsi le canal LTI n'est pas saturé et les images EO ne prennent pas de retard.
6. Le modèle générique et la plate-forme Halerte
La plate-forme Halerte permet de fédérer dans un même environnement informatique les outils de l'Onera permettant d'évaluer un système de drone. Le modèle générique d'un système de drone que nous proposons, et l'outil logiciel Sahara permettent d'évaluer en particulier l'architecture de communication du système de drone. Cependant le logiciel Sahara fonctionne à l'heure actuelle sous l'environnement Le_Lisp disponible sur une station SUN de DTIM/IOR. Aussi l'intégration du modèle générique et son emploi au travers de la plate-forme Halerte passe par une interface Excel. La procédure est donc la suivante :
Sur la plate-forme Halerte, l'expert au travers d'une interface Excel prépare et spécifie les paramètres définis dans le tableau de paramétrage qu vient d'être décrit. Il peut définir plusieurs ensembles de paramètres correspondant à différentes configurations de son architecture ou réutiliser des configurations déjà définies. Une configuration correspond à une page Excel. Chaque configuration est transformée en un fichier de paramètres au format Sahara et envoyée à la station Sahara.
Sur la station Sahara, l'expert réalise l'exploitation du modèle générique pour la configuration donnée et produit les fichiers résultats correspondant qui sont renvoyés à la plate-forme Halerte. L'expert peut enrichir aussi le modèle générique de drone en définissant de nouvelles interactions, de nouveaux canaux de communication et de nouveaux scénarios. Dans ce cas, ces nouveaux composants devront être gérés avec le fichier de configuration.
Sur la plate-forme Halerte, l'expert réalise la récupération des fichiers résultats et leur transformation en fichier Excel pour une exploitation et une interprétation des résultats. L'archivage des fichiers de configuration et des fichiers résultats est aussi réalisé sur cette plate-forme.
Figure 28 : utilisation de Sahara dans Halerte
7. Conclusion
Avec le modèle générique de drone, nous disposons d'une base permettant de produire très rapidement un modèle spécifique à un drone permettant la simulation à l'aide de Sahara. La production du modèle spécifique peut être réalisée :
en modifiant seulement les paramètres du modèle générique comme les tailles et les fréquences d'acquisition des flux, les latences et les débits des canaux de communication
ou, par une extension du modèle générique, en introduisant de nouveaux composants système ou de nouveaux flux de données
Les études sur les communications du drone avec les autres partenaires : SCC, CC et MTO montrent la nécessité de maîtriser les charges instantanées des canaux de communication. Les canaux ayant des capacités limitées en débit et les besoins opérationnels en imagerie ne pouvant qu'augmenter, la maîtrise des communications passe par une intelligence embarquée et son dual au sol. C'est à dire de deux modules logiciels gérant et adaptant les flux d'information en fonction du contexte opérationnel et de la charge instantanée des canaux de communication.
Tous les opérateurs collaborant à la mission en cours voient au travers des yeux du drone. Le décalage entre la situation réelle et la situation perçue dont les opérateurs humains n'ont pas toujours conscience, peut induire un défaut de fiabilité de la mission : cible non atteinte, dégâts collatéraux… La maîtrise de ce décalage semble passer par des moyens de traitements embarqués et terrestres jouant sur trois dimensions.
La taille des flux d'informations par différentes techniques de compression et d'amélioration d'image : compression image classique : mpeg, ondellette, mixte, compression sélective de contour et d'objets, compression de séquences d'images et amélioration de la résolution locale par accumulation d'images. Le module de traitement peut mettre en oeuvre une ou plusieurs de ces techniques et disposer d'une fonction gérant les changements de modes de fonctionnement tenant compte de la charge de communication. La durée de compression / décompression doit être compatible avec les vitesses d'acquisitions des images. Les techniques de compression doivent tenir compte des types de capteurs : OE, IR, MTI, SAR.
Le nombre, la quantité et la diffusion des informations dans le système : drone - station sol, CC et autres aéronefs. Ce module de traitement réalise une gestion intelligente des communications par une diffusion des flux images aux différents participants adaptée aux débits disponibles des canaux et en fonction de la précision, de la dynamique des objets, et la priorité des flux d'information. Le principe est que l'information doit arriver à temps à son destinataire.
Le niveau décisionnel c'est à dire sur la conduite de la procédure de mission par exemple une mission de désignation d'objectif. Il s'agit de disposer d'une ou plusieurs procédures de la mission et d'une fonction permettant de choisir entre ces différentes procédures. Les procédures seront construites en tenant compte entre autres : des modes opératoires (opérateurs et systèmes) des moyens (senseurs et autres équipements), le nombre, la nature, la résolution, le champ des images, l'utilisation d'images de natures différentes, les moyens logiciel et matériel de pistage de la cible durant la durée de la procédure de mission.
Le modèle générique que nous proposons fait apparaître en partie cette intelligence embarquée par les trois composants : ComE, ComS et LiaisonTactique. De plus, le langage Lada utilisé pour modéliser un système dispose d'une primitive d'interrogation d'une ressource canal permettant ainsi de décadencer les flux images ou d'adapter leur taille au contexte. Nous disposons ainsi d'un ensemble d'outils et de modèles permettant de mener des évaluations d'architecture de communication de système de drone.
