Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

Стремительное развитие систем беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и развитие радиоэлектроники заставляют постоянно пересматривать требования к каналу связи и наземным комплексам управления (НКУ). На сегодняшний день стало возможным управление автопилотом при полном отсутствии связи между бортом летательного аппарата и наземным комплексом управления. Тем не менее, это не говорит о том, что радиолиния связи может быть исключена из состава БПЛА. Из-за повышенной сложности и самой стоимости комплекса, при его эксплуатации, требуется постоянный контроль за состоянием находящихся в воздухе летательных аппаратов. Кроме того, иногда возникает необходимость корректировки параметров полета БПЛА.

1. Актуальность темы

Разработка БПЛА – одно из наиболее перспективных направлений развития современной авиации [1]. Беспилотники всё больше набирают популярность. Их используют для аэрофотосъёмки, патрулирования, геодезических изысканий, мониторинга различных объектов, поддержка поисково-спасательных операций, охрана границ частной собственности и даже для доставки покупок на дом. Все эти задачи могут решаться беспилотными аппаратами круглосуточно практически в любых погодных условиях и без риска для жизни человека[7].

Возможность обеспечения устойчивой связи является одной из важнейших характеристик, определяющих эксплуатационные возможности комплекса управления БПЛА и обеспечивает доведение сведений, полученных БПЛА, в режиме «реального времени» до оперативного персонала[1]. Кроме этого, актуальной задачей также является передача данных полезной нагрузки летательного аппарата на НКУ. В этом случае требуется предоставить передачу большого объёма данных при заданных требованиях по полосе пропускания, вероятности битовой ошибки и др.

2. Цель и задачи исследования

Целью данной диссертации является исследование и поиск новых возможностей внедрения системы связи БПЛА для использования на промышленных объектах.

Для достижения результатов были определены следующие задачи:

Основные проблемы при решении поставленных задач:

3. Обзор системы связи

Многие современные комплексы БПЛА требуют наличия высокоскоростных линий передачи данных для выполнения поставленных задач[2]. Распространенная на сегодняшний день технология передачи информации заключается в непрерывной трансляции изображения по мере его поступления в цифровом или аналоговом формате, структура которого не меняется в течение всего полета.

Необходимо учесть, что непрерывная трансляция изображений имеет следующие особенности:

Как правило, на борту БПЛА имеется как минимум две системы связи: дуплексная/полудуплексная аппаратура служит для передачи командно-телеметрической информации и симплексная система – передачи информации полезной нагрузки [3]. Передача командно-телеметрической информации с НКУ на борт БПЛА производится за частую на низкой скорости, так же, как и передача телеметрической информации с борта БПЛА на НКУ. Аппаратура передачи информации полезной нагрузки предназначена для односторонней высокоскоростной передачи информации полезной нагрузки с борта БПЛА на НКУ. На рис. 1 показаны возможные варианты реализации систем связи комплексов БПЛА [3].

Рис. 1 – Системы связи комплексов БПЛА.

Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БПЛА широко используются остронаправленные антенные системы [4].

4. Обзор радиомодуля для создания системы связи

В настоящее время на рынке предоставлен обширный выбор радиомодулей способных обеспечить решение интересующих нас задач. Далее будет рассмотрен один из модулей, который и предлагается для достижения поставленной цели.

Для обеспечения связи беспилотника с НКУ будет использоваться технология LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks). LoRaWAN – это открытый энегоэффективный сетевой протокол связи, обеспечивающий значительное преимущество перед Wi-Fi и сотовыми сетями благодаря возможности развёртывания межмашинных коммуникаций. На основе этого протокола создан простой в использовании аппаратно-программный комплект, позволяющий создавать системы с возможностью беспроводной передачи данных [5].

Скорость передачи данных по протоколу LoRaWAN в системе LoRa лежит в диапазоне 0,3 - 11 кбит/с. Для Европы доступен один GFSK-канал (Gaussian Frequency-Shift Keying, GFSK) для передачи информации с подтоком данных в 50 кбит/с. В Северной Америке из-за ограничений, накладываемых FCC (Federal Communications Commission – Федеральная комиссия по электросвязи США), минимальная скорость передачи данных составляет 0,9 кбит/с, но оконечный чип или так называемый PHY (интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI) способен предоставить больше вариантов. Так, ИМС SX1272 поддерживает скорости передачи данных от 0,3 до 37,5 кбит/с, а SX1276 – от 0,018 до 37,5 кбит/с [5].

Чтобы продлить срок службы батареи/аккумулятора в конечном устройстве и общую пропускную способность сети, сетевой сервер LoRaWAN управляет скоростью передачи данных и радиочастотным выходом каждого конечного устройства по отдельности [5]. Управление осуществляется с помощью алгоритма адаптивной скоростью передачи данных (Adaptive Data Rate, ADR) [5]. Это имеет решающее значение для высокой производительности сети и позволяет осуществлять ее необходимую масштабируемость. Сеть может быть развернута с минимальными инвестициями в ее инфраструктуру и с той ее емкостью, которая необходима для данного конкретного применения. Если развернуто много шлюзов, то технология ADR будет смещать скорость передачи данных в сторону повышения, что обеспечит масштабирование емкости сети в пределах от 6 до 8 раз [5].

Адаптивная скорость передачи данных (ADR) представляет собой метод, при котором фактическая скорость передачи данных регулируется таким образом, чтобы обеспечить надежную доставку пакетов данных, обеспечить оптимальную производительность сети и необходимый масштаб для ее загрузки. Так, например, узлы, более близкие к шлюзу, будут использовать и более высокую скорость передачи данных (следовательно, время активной передачи по радиоканалу сократится) и меньшую выходную мощность [6]. Только самые удаленные узлы будут использовать низкую скорость передачи данных и высокую выходную мощность передатчика. Технология ADR может внести необходимые изменения в сетевую инфраструктуру и компенсировать таким образом различные потери на трассе передачи сигнала. Чтобы увеличить срок службы батареи конечных устройств и общую пропускную способности сети, сетевая инфраструктура LoRa управляет скоростью передачи данных, а радиочастотный выход подстраивается посредством использования технологии ADR для каждого конечного устройства индивидуально.

Технология LoRa значительно повышает чувствительность приемника и, аналогично другим методам модуляции с расширенным спектром, использует всю ширину полосы пропускания канала для передачи сигнала, что делает его устойчивым к канальным шумам и нечувствительным к смещениям, вызванным неточностями в настройке частот при использовании недорогих опорных кварцевых резонаторов. Модем LoRa на совмещенном GMSK-канале имеет возможность подавления помех до 19,5 дБ (за счет Гаусовой фильтрации). Говоря иными словами, он может принимать и демодулировать сигналы на 19,5 дБ ниже уровня помех или шумов. Этот иммунитет к помехам позволяет использовать простую и недорогую систему с LoRa модуляцией в тех местах, где имеется тяжелая спектральная обстановка, или в гибридных системах связи. В этих случаях использование технологии LoRa позволяет расширить диапазон покрытия связи, в то время как другие варианты модуляции тут оказываются бессильны.

Выходная мощность непосредственно на выходе чипа равна +20 дБм, а на антенне, после согласования и фильтрации, в результате неизбежных потерь она составляет уже +19 дБм ±0,5 дБ. Различные государства и даже их регионы имеют разные правила для максимально допустимой мощности. Чтобы достичь разрешенного максимума и, соответственно, максимальной зоны покрытия, протокол LoRaWAN позволяет установить различные значения выходной мощности, приемлемые для различных мест использования системы [5].

Благодаря своей высокой чувствительности технология LoRa подходит к устройствам с требованиями низкого потребление энергии и высокой устойчивости связи на больших расстояниях.

Рис. 2 – Связь между НКУ и БПЛА посредством протокола LoRa
(анимация: 11 кадров, 7 циклов повторения, 29 килобайт).

Выводы

Таким образом, внедрённая система связи, на основе протокола LoRaWAN, сможет обеспечить большой радиус связи с беспилотником и предоставит непрерывную передачу больших объёмов данных.

На текущем этапе исследования получены следующие результаты:

При написании данного реферата магистерская диссертация ещё не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Антонов О. Е. Настоящее и будущее БПЛА [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://flot.com/...
  2. Боев Н.М. Анализ командно-телеметрической радиолинии связи с беспилотными летательными аппаратами // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева. – 2012. – Вып. 2 (42). – С. 86-91.
  3. Боев Н.М. Адаптивное изменение параметров цифровых систем связи комплексов беспилотных летательных аппаратов // 22-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", 10–14 сент., 2012 г.: Материалы конф.: в 2 т. – Т. 1.
  4. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учеб. пособие для вузов. – М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989. – 432 с.
  5. lora-alliance [Электронный ресурс]: LoRaWAN For Developers – электронные данные, – режим доступа https://www.lora-alliance.org/ – дата доступа: ноябрь 2017.
  6. MIT Technology Review [Электронный ресурс]: Six Ways Drones Are Revolutionizing Agriculture – электронные данные, – режим доступа https://www.technologyreview.com/ – дата доступа: ноябрь 2017.
  7. ZALA AERO GROUP [Электронный ресурс]: Применение беспилотников (беспилотных летательных аппаратов, БПЛА) – электронные данные, – режим доступа http://zala.aero/primenenie/