Programming complex for modeling cyber-physical systems of drones: architecture and analysis of the communication protocols

Abstract

Сучасні літальні об’єкти представляють собою складні кіберфізичні системи, що інтегрують обчислювальні модулі, комунікаційні протоколи, системи навігації та керування в єдину
програмно-апаратну архітектуру. Аналіз надійності кіберфізичних систем БпЛА в умовах електромагнітних завад є актуальною задачею комп'ютерної інженерії, що потребує розробки спеціалізованого програмного забезпечення для моделювання комунікаційних протоколів. Метою дослідження є розробка програмного комплексу для моделювання та аналізу надійності кіберфізичних систем БпЛА з урахуванням архітектури комунікаційних протоколів та статистичної невизначеності параметрів каналу.

Представлено програмний комплекс UAV-CPS-Analyzer для моделювання та аналізу надійності кіберфізичних систем безпілотних літальних апаратів в умовах електромагнітних завад. Архітектура програмного забезпечення побудована за модульним принципом на мові Python з використанням бібліотек NumPy, SciPy та multiprocessing для паралельної обробки даних. Реалізовано обчислювальний алгоритм Монте-Карло для статистичного аналізу комунікаційних протоколів з підтримкою технології псевдовипадкового перелаштування робочої частоти. Розроблено модуль емуляції протоколу OcuSync для оцінки стійкості каналу керування. Програмний комплекс включає підсистеми моделювання поширення сигналу, емуляції частотних стрибків та аналізу кіберфізичних систем. Результати моделювання дозволяють оцінити надійність комунікаційного каналу з формуванням довірчих інтервалів. Проаналізовано архітектуру багаторівневої системи захисту з інтеграцією різнотипних сенсорів та алгоритмів машинного навчання для класифікації загроз. Окремо розглянуто особливості оптоволоконної архітектури комунікаційних систем безпілотних літальних апаратів (БпЛА) та їх вплив на методи детектування.