CC BY
3
УДК 621.39
О СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ ДЛЯ МАЛЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
Д.М. Кадочников*, В. В. Уткин Научный руководитель - А.Н. Флеров
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д.1
*E-mail:i49116@voenmeh.ru
Рассмотрена возможность построения бюджетной цифровой системы связи для БПЛА. Предложеноиспользование возможностей коммерческих радиомодемов.
Показанвариантструктуры такой системы и приведены результаты натурных испытаний макета.
Ключевые слова:система связи,цифровая связь, беспилотные летательные аппараты RADIO COMMUNICATION SYSTEM FOR SMALL UNMANNED AERIAL VEHICLES
D. M. Kadochnikov*, V. V. Utkin Scientific supervisor- A.N. Flerov
Baltic State Technical University named after D.F. Ustinov 1,1stKrasnoarmeyskaya, Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation *E-mail:i49116@voenmeh.ru
This article discusses the possibility of building a budget-friendly digital communications system for UAVs. Design is using the capabilities of commercially available radio modems. Design option for such system and trial results are shown.
Keywords: communication system, digitalcommunication , unmanned aerial vehicles
В настоящее время с развитием технологий, малые беспилотные летательные аппараты (БПЛА)находят применение в различных сферах, таких как фото-видео съемка, доставка малых грузов по воздуху, прототипирование и проверка концепций больших летательных аппаратов.
Одной из задач при разработке БПЛА является создание системы связи аппарата с наземным пунктом управления. Обеспечение передачи изображения на большое расстояние без применения коммерческих сетей передачи данных - сложная задача ввиду высоких требований к характеристикам канала связи и необходимости обеспечение низкой задержки для возможности прямого управления аппаратом в режиме вида от первого лица (FPV). Цифровые системы на основе специальных радиомодемов лишены недостаткованалоговых , однако они очень дороги (1000$ комплект из приемной станции и бортового передатчика), что не позволяет задействовать их в малобюджетных ЛА.[3]
Требуемая дальность и канальная скорость определяются характеристиками ЛА и качеством передаваемой видеоинформации. Однако, для большинства малых ЛА мультироторного типа она составляет не более 5 км при высоте полета около 150 м, для передачи с разрешением 1280*720 пикселей и 30 к/с требуемая полоса с учетом телеметрического сигнала составляет 5,5 Мбит/с
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
В качестве передающей антенны на ЛА целесообразно применять слабонаправленные антенны такие как штыревые, дипольные (для самолетного типа) и антенны круговой поляризации, такие как «клевер» или 2 диполя с фазовращателем на мультироторных и иных высокоманевренных ЛА. [5]
Приемопередающая часть может строиться на базе микросхем радио интерфейсаWi-Fi, имеющих специальные драйверы, позволяющие работать с ними в режиме прямого доступа к приемопередатчику. Из выпускаемых в настоящее время наиболее подходящей для выполнения поставленных задач является микросхема RealtekRTL8812AU.[4]Также, поддерживаются и иные серии микросхем для сетей беспроводного доступа производства Ralink ( в настоящее время Mediatek) и Qualcomm Atheros 9 серии (ath9k).[2]
В качестве наземного, так и бортового вычислителей могут применяться одноплатные компьютеры на базе систем-на-кристалле.Основным требованием являетсяналичие блока аппаратной обработки видеопотока и высокая производительность шин ввода. Платформа современных IP-видеокамер представляет собой достаточно мощные микропроцессоры с системами аппаратной обработки видеоинформации, и поэтому такая камера может объединить в себе часть обеспечивающую как получение информации об окружающем мире через светочувствительный сенсор ,так и ее обработку (сжатие видеопотока и формирование пакетов) собственными вычислительными мощностями.[2]
В качестве видеокамеры для такой системы может применяться широкая номенклатура устройств.При использовании в качестве вычислителя Г?камеры,ее сенсор будет является основным источником изображения для передачи, однако для подключения тепловизоров или дополнительных камер будет использоваться интерфейс USB или Ethernet, что создает дополнительную нагрузку на вычислитель в случае отсутствия в камере аппаратного блока кодирования видео. [2]
Передающая Приемная
антенна антенна
Рис. 1. Структурная схема системы
В процессе работы по созданию малого БПЛА мультироторного типа был изготовлен и испытан макет системы,структурная схема которого представлена на рисунке 1. Он состоит изштыревой передающей и панельной приемной антенн , усилителя мощности на базе SkyworksSE5002L, малошумящего усилителя на базе SkyworksSKY85601 , Ш-видеокамеры в качестве сенсора и кодера, RTL8812AUв качестве модулятора и демодулятора, персонального компьютерав роли наземной станции связи с БПЛА. Выходная мощность передатчика31 дБм ,минимальная мощность на входе приемника -90 дБм ,коэффициент усиления передающей антенны 2.15 дБи и коэффициент усиления приемной антенны9 дБи. Расчетная дальность в свободном пространстве на частоте 5745 МГцсоставила 7,5 км , а
реальная на высоте полета 5 м. ( для моделирования худшего случая) - 3,1 км. На расстоянии в 7500 м потери на распространение в свободном пространстве составили 125 дБ. На расстоянии в 3100 м - 117 дБ.Мощность на входе приемника в идеальном случае, то есть полном совпадении плоскостей поляризации обеих антенн и отсутствии «потерь» на поглощение препятствиямиравна ,
Рпрм = Р прд + Спрд - ¿прд - Lcв - ¿пр + Спрм - ¿прм,
Рпрм = 31 + 2,15 + 3- 125 + 9- 3 = -89 дБм,
где Спрм - коэффициент усиления приемной антенны в дБи ,Спрд- коэффициент усиления передающей антенны в дБи , Lсв- «потери» на распространение в свободном пространстве в дБ , Lпрд- «потери» в аппаратуре передачи в дБ, Lпрм- «потери» в аппаратуре приема в дБ , Рпрд - мощность передатчика в дБм. Рпрм - мощность на входе приемника в дБм.
Разница между экспериментальным и расчетным уровнем сигнала составила около -8дБ , это во многом обусловлено «грязными» зонами Френеля и несовпадением плоскостей поляризации из-за применения антенн линейной поляризации и изменениями пространственного положения ЛА.
По итогам система связи с применением'^-Б 1радиооборудования показала возможность применения её для целей связи с наземной станцией малых БПЛА. Она совмещает в себе преимущества цифровых систем и имеет более низкую цену, что позволит ей оставаться конкурентоспособной, предоставляя более высокий уровень сервиса в сравнении с аналоговыми системами. Иные варианты цифровых систем обладают более высокой ценой или жесткими требованиями к свободному объему ЛА и его тяговооруженности.
Библиографические ссылки
1. Рэндл У. Биард, Тимоти У. МакЛэйн, Малые беспилотные летательные аппараты. Теория и практика М.: ТЕХНОСФЕРА, 2021. -312 с.
2. Open.HD Система передачи видеосигнала и телеметрии [Электронный ресурс] // Github; URL: https://github.com/OpenHD/Open.HD/ (дата обращения: 16.12.2021)
3. DJILightbridge [Электронный ресурс] // DJI; URL: https://www.dji.com/ru/dji-lightbridge. (дата обращения: 20.03.2022).
4. RTL8812AUДрайвер для микросхемы беспроводного доступа [Электронный ресурс] // Github; URL: https://github.com/aircrack-ng/rtl8812au (дата обращения: 16.12.2021)
5. Исследование клеверных антенн как основы для разработки инновационных антенных устройств [Электронный ресурс] // Nauka21; URL: http://nauka21.ru/wp-content/uploads/2018/10/11-2018-article-2.pdf (дата обращения: 01.04.2021)
© Кадочников Д.М., Уткин В. В., 2022
