Сеть связи с бпла на аэростате. Конкурсная работа. Беспроводная сеть связи для низковысотных бпла с использованием ретранслятора на аэростате
 Скачать 1.6 Mb.
|
|
БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ СВЯЗИ ДЛЯ НИЗКОВЫСОТНЫХ БПЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕТРАНСЛЯТОРА НА АЭРОСТАТЕ Для разведывательных БПЛА военного типа или БПЛА, предназначенных для наблюдения на больших расстояниях гражданского типа, использование прямого канала управления ограничено радиогоризонтом. Это точка, в которой радиоволны становятся слишком слабыми для эффективной передачи информации. Радиогоризонт зависит от высоты полёта БПЛА и кривизны Земли. Беспилотный летательный аппарат вынужден подниматься выше, чтобы пролететь дальше и оставаться под контролем оператора из-за ограничений радиогоризонта. Беспилотник может столкнуться с проблемами из-за облачных помех. По мере того как беспилотник поднимается на большую высоту, повышается вероятность столкновения с облаками, что может повлиять на качество видеопотока, передаваемого камерой, установленной на борту. Исходя из частоты облачной погоды следует, что БПЛА, высота полёта которого 200м и более, очень часто может наблюдать только обратную сторону облаков, а не объекты, за которыми нужно следить. Исходя из расчётов, чтобы дрон летал на расстояния дальше 80 км, находился на приемлемой высоте, с точки зрения обзора и мог передавать видеоинформацию в хорошем качестве, нужно придумать альтернативу каналу прямой видимости. Полеты беспилотных летательных аппаратов на малых высотах дают значительные преимущества с точки зрения качества изображения и скрытности, что делает их ценным средством для военного применения. Также, в случае с БПЛА, предназначенных для мониторинга и разведки, с военной точки зрения, выделяются два основных преимущества: улучшенное качество изображения с камер и уменьшенная видимость для средств противовоздушной обороны (ПВО) противника. Чтобы преодолеть эти ограничения, беспилотные летательные аппараты для дальней разведки и мониторинга могут использовать спутниковые системы связи. Эти системы позволяют осуществлять связь за пределами радиогоризонта и не подвержены влиянию облачного покрова. Однако использование спутниковых систем связи может увеличить стоимость и сложность БПЛА, затрудняя его эксплуатацию и техническое обслуживание. Также необходимо иметь инфраструктуру спутниковой связи, которая позволит управлять БПЛА по запросу пользователя. В странах запада уже появилась возможность использовать спутниковую сеть Starlink для контроля БПЛА на дальние расстояния, в Российской Федерации такая возможность на данный момент отсутствует. Концепция: система связи для беспилотных летательных аппаратов на аэростате. Использование аэростатов с ретрансляторами для создания системы связи для БПЛА имеет ряд преимуществ и может быть реализовано с использованием существующих технологий. Эта система может позволить беспилотным летательным аппаратам летать на меньших высотах и покрывать большие расстояния, не полагаясь на спутниковую связь или наземные ретрансляторы (рис. 1, 2). Преимущества. Такая система позволит беспилотным летательным аппаратам летать на меньших высотах за пределами прямой видимости без потери связи. Это позволяет осуществлять разведку и наблюдение на больших расстояниях, оставаясь при этом незаметным для большинства комплексов ПВО. Системы связи на аэростате более доступны по цене, чем спутниковые системы, что делает их экономичной альтернативой для связи с беспилотниками на большие расстояния. Аэростаты могут быть развернуты проще и быстрее, чем установка стационарных наземных ретрансляторов или запуск спутников. Это позволяет быстрее внедрять сети связи в отдаленных или труднодоступных районах. Систему на базе воздушных шаров можно легко масштабировать, добавляя или удаляя воздушные шары по мере необходимости, что делает ее адаптируемой к изменяющимся коммуникационным потребностям. Для этого нужно оборудовать аэростат таким образом, чтобы оставалась возможность управления с земли, т.е. аэростат сам является БПЛА и одновременно основным элементом системы связи. Система связи может быть адаптирована для обеспечения покрытия в определенных районах или вдоль определенных маршрутов, в зависимости от требований миссии беспилотника. Также данная система не требует сложных механизмов запуска, таких как спутники. Они проще и дешевле в развертывании и эксплуатации. Аэростаты могут быть временно развернуты и перемещены по мере необходимости. Они более гибкие и мобильные по сравнению с наземными базовыми станциями или спутниками. Ретрансляторы на базе воздушных шаров могут обеспечивать связь с меньшей задержкой по сравнению со спутниковыми системами, что выгодно для управления в режиме реального времени и передачи данных. Аэростаты, работающие на меньших высотах (<10 км), будут имеют низкое радиолокационное сечение и тепловую заметность, особенно если они изготовлены из материалов с низким уровнем отражения и изоляции. Это затрудняет их обнаружение с помощью радара дальнего действия. Реализация. Следует оборудовать аэростаты радиочастотными передатчиками и приемниками для передачи сигналов между друг другом, беспилотным летательным аппаратом и наземной станцией управления. Нужно включить компоненты управления полетом и стабилизации на аэростатах для удержания положения и высоты. Воздушные шары можно перемещать в оптимизированные места для обеспечения наилучшего охвата. Следует установить метку GPS/ГЛОНАСС и механизмы удержания положения, а также возврата в указанную точку на земле. Следует разработать беспилотные летательные аппараты и воздушные шары с сетевыми коммуникационными возможностями, чтобы они могли динамически формировать новые пути передачи сигналов, если существующие пути заблокированы или воздушные шары уносятся прочь в силу погодных условий. Это делает систему надежной и избыточной. Вот основные моменты, на которых следует сосредоточиться при разработке системы ретрансляционной связи на аэростате для беспилотных летательных аппаратов. Распределение частот и управление помехами: необходимо убедиться, что частоты связи, используемые воздушными шарами и беспилотными летательными аппаратами, не создают помех другим системам. Потребуется надлежащий интервал между частотами и координация. Управление питанием: ретрансляторам на воздушных шарах и беспилотных летательных аппаратах потребуется мощность, которая ограничена. Необходимо разработать энергоэффективные компоненты и протоколы передачи данных, чтобы максимально увеличить время автономной работы. Топология сети: следует определить, сколько воздушных шаров необходимо, их оптимальные высоты и положения, а также то, как беспилотные летательные аппараты будут направлять сообщения по сети. Топология ячеистой сети может быть наиболее надежной. Задержка передачи данных: передачи через несколько узлов (аэростатов) могут привести к значительной задержке. Следует выбрать компоненты системы связи и установить протоколы, чтобы свести к минимуму задержки при управлении беспилотником и передаче данных. Вес и габариты полезной нагрузки: радиооборудование, антенны, аккумуляторы и вспомогательное оборудование должны соответствовать грузоподъёмности воздушных шаров. Весовая эффективность имеет решающее значение. Проблемы с прямой видимостью: низкая высота полета беспилотных летательных аппаратов и аэростатов может привести к потере прямой видимости в определенных местах. Можно использовать схемы разнесенных антенн. Расчёт зоны покрытия. Чтобы рассчитать радиус зоны покрытия для системы радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), использующей аэростаты с ретрансляторами, нужно следовать следующим шагам. Определите высоту нахождения аэростата. Определите высоту, на которой будут развернуты воздушные шары с ретрансляторами. Эта высота должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить хорошее покрытие и свести к минимуму помехи для других объектов, но достаточно низкой, чтобы соответствовать авиационным правилам. Определите расстояние прямой видимости (LOS). Расстояние LOS – это максимальное расстояние между двумя точками, в пределах которого возможна прямая радиосвязь. Это расстояние зависит от высоты нахождения аэростата и кривизны Земли. Далее следует определить характеристики приемопередатчиков системы аэростатов и беспилотных летательных аппаратов. Более высокая мощность обеспечит больший радиус покрытия. Для воздушных шаров она может составлять от нескольких ватт до сотен ватт. Для дронов это зависит от их размера, но обычно составляет несколько ватт. Следует учитывать, что данная область не регламентирована законами РФ. Допустим, для теоретического расчёта мы выбираем -101 дБм чувствительность приёмника и 10 Вт мощность передатчика для аэростата, 1 Вт мощность передатчика для наземного пункта управления (НПУ) и чувствительность приёмника -101 дБм на БПЛА, а также КУ антенн 15 на аэростате и 7 дБи у НПУ и БПЛА. Таблица 1. Теоретический расчёт радиуса покрытия одним аэростатом
Расчёт выполнен в виде диаграммы уровня радиосигнала с учётом характеристик оборудования и пролёта сигнала от НПУ к аэростату и от аэростата до БПЛА для двух разных частот и двух модуляционно-кодирующих схем – Quadrature Amplitude Modulation -16 (QAM-16) и Binary Phase-Shift Keying (BPSK) и с учётом помехоустойчивого кодирования Low-density parity-check code (LDPC) с разной скоростью кода.  Рисунок 1 – Вариант организации сети связи с использованием аэростатов  Рисунок 2 – Преодоление радиогоризонта и снижение высоты полёта БПЛА за счёт аэростата с ретранслятором  Рисунок 3 – Зависимость воздействия радиогоризонта на радиус покрытия от высоты подъёма аэростата |
