CC BY
185
Разработка и исследование нового поколения высотных привязных телекоммуникационных платформ
Рассматриваются вопросы проектирования и реализации нового поколения привязных высотных платформ, обеспечивающих оперативное создание современной телекоммуникационной инфраструктуры на обширных территориях. Описывается архитектура высотной платформы, включающей: винтокрылый летный модуль, наземный комплекс и кевларовый кабель-трос с оптоволокном для высокоскоростной передачи информации земля-борт и тремя медными жилами для электроснабжения двигателей летного модуля. Исследуются вопросы создания бортового комплекса широкополосной беспроводной связи для реализации региональной сети передачи мультимедийной информации в радиусе до 50 км. Рассматриваются проблемы стабилизации положения приемо-передающих антенных устройств и разработки системы управления винтокрылым высотным модулем. Длительное функционирование высотной привязной платформы может быть реализовано только путем разработки системы энергоснабжения, обеспечивающей передачу с земли на борт большой мощности (до 20 кВт) для работы электродвигателей винтокрылого летного модуля и бортового оборудования. Приводится описание оригинальной системы энергоснабжения летного модуля, обеспечивающей передачу по медным проводам малого сечения неКлючевые слова: высотные привязные об*ЭДимой Мощности и шспюгающисз мшюгабзрятные ^ртоиью преобразователи топряж^я. телекоммуникационные платформы, В заключении описывается расширение возможностей привязных высотныхтелекоммуникацион-
летный модуль. ных платформ для решения проблем видеонаблюдения, радиолокации и тд
Вишневский В.М., Терещенко Б.Н. Введение
В последние годы во всем мире ведутся интенсивные разработки широкополосных беспроводных региональных сетей с использованием высотных платформ. Несмотря на обилие возможных областей применения высотных платформ, телекоммуникационная направленность является неотъемлемой принадлежностью и важнейшей составляющей любой ВТП. Именно поэтому здесь и в дальнейшем будет использоваться термин высотная телекоммуникационная платформа (ВТП).
Эффективность применения ВТП в различных гражданских и оборонных отраслях, их экономичность по сравнению со спутниковыми системами [1] предопределили огромное внимание, которое уделяется разработкам ВТП во всех развитых странах мира. Выделяют два класса ВТП, отличающихся областями применения: — свободнопилотируемые и привязные платформы. К первому классу относятся платформы на базе свободных (не связанных механически с землей) аэростатов и дирижаблей, пилотируемых и беспилотных самолетов и вертолетов, а также спутниковых систем. Ко второму — платформы, включающие в себя высотные комплексы на базе аэростатов или аэродинамических летательных аппаратов, соединенных с наземным модулем привязным кабелем-тросом. Электропитание летного модуля с земли по кабелю-тросу, идея которого была высказана Александром Лодыгиным в 1869 г., обеспечивает практически неограниченное время функционирования ВТП. Попытки реализации такой идеи предпринимались советским ученым Иосепьяном в 1930-х годах (электролет Иосепьяна) и в 1950-х годах немецкими учеными в опытах с альтернативным энергоснабжением вертолета "Кибиц" с Земли.
Свободнопилотируемым ВТП на базе пилотируемых, а также беспилотных, дирижаблей, самолетов и вертолетов посвящено значительное количество публикаций. В тоже время описание принци-
пов построения и архитектуры привязных телекоммуникационных ВТП практически отсутствует. В данной работе сделана попытка восполнить этот пробел.
В первой части доклада описывается концепция построения привязных ВТП на базе аэростатов и винтокрылых платформ. Рассматриваются структура и принципы построения наземного и летного модулей ВТП.
Во второй части приводится сравнительный анализ и выбор аппаратуры базовой станции для построения высокоскоростных региональных, а также телекоммуникационных сетей общего доступа на базе ВТП. Рассматриваются различные виды антенн, вопросы стабилизации направления излучения антенн, а также вопросы энергетики радиосоединений для обеспечения надежности радиоканала и достоверности передаваемой информации.
В третьей части работы рассматриваются некоторые вопросы стабилизирования местоположения летного модуля ВТП над Землей.
Четвертая часть работы охватывает вопросы практического энергообеспечения ВТП. Рассматриваются проблемы, возникающие при передаче мощности по привязному кабелю-тросу, и описывается система энергообеспечения ВТП.
Архитектура привязных ВТП
С точки зрения архитектуры, привязная ВТП представляет собой (рис. 1) систему, состоящую из летного и наземного модулей, объединенных друг с другом гибкой связью (кабелем-тросом), информационно и механически соединяющей наземный и летный модули.
Летный модуль (ЛМ) удерживает установленное на его борту специальное оборудование в заданной точке над Землей и включает в себя аппарат создания подъемной силы, платформу для размещения оборудования, бортовой источник электропитания, систему управления положением и ориентацией ЛМ. Наземный модуль (НМ) предназначается для энергоснабжения ЛМ через соединительный кабель-трос, наматываемый на барабан специальной лебедки, с помощью которой производят подъем и опускание ЛМ, управления работой ЛМ человеком-оператором, и хранения ЛМ в
наземных условиях. НМ ПВТП включает в себя наземный пункт управления высотной платформой (НПУ), наземный преобразователь напряжения (НПН), лебедку привязного троса высотной платформы и причальное устройство. Кабель-трос (КТ) предназначается для осуществления гибкой механической удерживающей связи между НМ и ЛМ, энергоснабжения ЛМ от НПН, организации высокоскоростного канала связи между НМ и ЛМ. Для аэростатных ЛМ основная функция КТ — реализация механической удерживающей связи, а для аэродинамических ЛМ — реализация энергоснабжения.
Анализ вариантов построения специализированной бортовой телекоммуникационной системы.
Радиус зоны покрытия ВТП составляет порядка 50 км, поэтому число абонентов, которые могут подключаться к ее базовой станции (БС) велико. Расположение БС на борту ВТП и большое число обслуживаемых абонентов выдвигают ряд требований, которым должна удовлетворять БС:
• Малые габариты и масса БС;
• Максимально возможная скорость передачи данных в обоих направлениях;
• Максимальная распространенность используемой абонентской аппаратуры;
• Минимальная стоимость абонентской аппаратуры;
• Минимальная стоимость аппаратуры БС.
В настоящий момент наиболее современными и быстродействующими видами оборудования, на основе которого можно построить телекоммуникационную систему для обслуживания большого количества абонентов, является аппаратура, работающая по стандартам LTE, WiMAX и Wi-Fi [1]. Скорость передачи данных по стандарту LTE может достигать 1000Мбит/с в нисходящем канале и 500 Мбит/с — в восходящем канале от абонента к базовой станции. Телекоммуникационная технология WiMAX, обеспечивает универсальную беспроводную связь на больших расстояниях, в том числе пользователям, передвигающимся со скоростью до 120 км/ч. Аппаратура Wi-Fi обеспечивает построение беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11.x (802.11a, b, c, n), теоретически способная обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
Анализ перечисленного оборудования, показал, что в настоящий момент аппаратура LTE и WiMAX не может быть взятой за основу при построении БС ПВТП по следующим причинам:
• масса и габариты оборудования LTE-ready слишком велики для использования на ПВТП (~55кг, ~3-unit, [11];
• стоимость оборудования велика (составляет десятки тысяч долл.);
• ограниченная распространенность оборудования;
• аппаратура WiMAX, как и оборудование LTE имеет высокую стоимость (15-60 тыс. долл.) и массу базовой станции до 100 кг.
Аппаратурой, удовлетворяющей приведенным выше требова-
ниям к БС ВТП на сегодняшний день является наиболее распространенное в России оборудование Wi-Fi. Данное оборудование имеет небольшую массу (0,5-1,5 кг) и значительно меньшую стоимость (менее 2000 долл. и для аппаратуры БС, и для абонентской аппаратуры), чем оборудование LTE или WiMAX. Конкуренцию Wi-Fi в ближайшее время может составить оборудование lightRadio компании Alcatel-Lucent [12] (демонстрационные образцы которого появились в конце 2012 г), интегрирующее технологии LTE, WiMAX и Wi-Fi в одном устройстве, имеющем малые габариты и массу.
Другим важным элементом БС является антенная система. Суммарное усиление антенн БС и абонентского устройства, при работе на максимальном удалении как будет показано ниже, должно быть не менее 50 дБ. Использование на БС всенаправленной антенны, с усилением 2дБ требует установки абонентами антенны с усилением 48 дБ. Таких промышленно выпускаемых антенн в настоящее время нет. Поэтому, для обеспечения энергетики соединения на БС необходимо использовать несколько антенн с большим усилением. Оптимальным решением проблемы является использование антенных решеток (АР) [4], имеющих большое усиление и управляемую диаграмму направленности. При использовании АР абоненты могут обслуживаться по схеме пространственно-временного пол-линга [3], реализуемого с помощью БС и управляемой АР БС назначает наземным абонентам временной интервал, в течение которого абоненты обмениваются информацией с базой. По истечении временного интервала БС переходит к обслуживанию следующего участка зоны связи, меняя соответствующим образом направление излучения АР
Использование АР позволяет решить проблему обеспечения связи в 90о секторе с помощью одной антенны, и обеспечить связь во всей области покрытия ВТП с помощью 4-х АР Кроме того, использование АР позволяет отказаться от использования систем стабилизации, поскольку угловые отклонения ВТП можно "мгновенно" компенсировать соответствующими корректирующими отклонениями излучения АР
Энергетические параметры системы телекоммуникации
При проектировании любой беспроводной сети требуется решать задачу обеспечения заданной дальности связи. Для ВТП предельную дальность можно определить как расстояние прямой (гео-
Рис. 2
метрической) видимости между антеннами передатчика и приемника. Расстояние прямой видимости (рис. 5) для ровной сферической поверхности вычисляется как
Ь = >/ (Я + Н)2 - Я2 + у](Я + Н 2)2 - Я2 (1)
где Я — радиус земли, а Н1 и Н — высоты подвеса антенн.
\ I /
Рис. 3
Для ВТП, работающей на высоте 300 м и абонентской антенны, расположенной на высоте 6 м дальность составит 50-70 км. Для работоспособности сети на заданной дальности суммарное усиление системы должно быть больше потерь энергии при распространении сигнала в пространстве. Потери энергии в пространстве FSL (Free Space Loss) (дБ) вычисляют по инженерным формулам потерь [6]:
FSL = 33 + 20(lg F + lg D) (2)
где F — центральная частота канала, на котором работает система связи, МГц; D — расстояние между двумя точками, км.
Суммарное усиление системы вычисляется следующим образом:
y = р - p2+G + g2 - l - L2 (3)
где Р] — мощность передатчика; Р2 — чувствительность приемника; G, и G2 — усиления передающей и приемной антенн; ^ и ^2 — потери в передающем и приемном трактах (разъемы, кабели, рассогласования). Размерность, дБ.
Чувствительность приемников сигнала составляет для небольших скоростей —92 дБ (для 1 Мб/c), а для высоких —66 дБ (для 54 Мб/ c). Для обеспечения практической надежности связи суммарное усиление системы при расчетах уменьшают на величину SOM (System Operating Margin) — запас по энергетике (обычно берется равным 10 дБ), учитывающий возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи:
• температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;
• всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;
• рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом.
При дальности 70 км для обеспечения работоспособности системы телекоммуникаций суммарное усиление системы должно быть не менее 154 дБ. Предполагая мощность передатчика 27 дБ (600 мВт), суммарные потери в антенно-фидерных устройствах 10 дБ, и чувствительность приемника -66дБ, получаем, что суммарное усиление передающей и приемной антенн, в соответствии с (3), должно составлять 71 дБ при чувствительности радиомодуля -66 дБ, и 50 дБ при чувствительности радиомодуля -87 дБ.
Таким образом, условием работоспособности телекоммуникационной сети на расстоянии 70 км является выполнение неравенства:
G1 + G2>50 - 71, дБ (4)
Стабилизация высотных платформ
Основную часть стоимости телекоммуникационных сетей составляет стоимость абонентского оборудования ввиду большого числа пользователей этих сетей. Поэтому для сетей на базе ВТП местоположение ЛМ в пространстве необходимо фиксировать, чтобы для абонентского оборудования не требовалась система слежения за БС, иначе стоимость и абонентского комплекта и суммарная стоимость сети значительно увеличатся.
Таким образом, одной из важных проблем при создании ВТП является решение задачи стабилизации местоположения ЛА в заданной точке пространства в течение длительного промежутка времени. Задача по переводу объекта из возмущенного состояния в исходное решается методами теории оптимального математического управления [10], позволяющими найти оптимальное, управление u(t), удовлетворяющее некоторому функционалу (заданным критериям), и переводящее систему (объект) из возмущенного состояния в исходное. Заданными критериями при выборе управления, могут быть минимум времени для перевода из одного состояния в другое, минимум энергии затрачиваемой на изменение состояния или другие.
В настоящее время для управления маломерными беспилотными ЛА используются автопилоты ряда фирм, лучшими из которых считаются ROBBE (Германия), WeControl (Швейцария) и Micropilot (Канада). Автопилоты этих фирм позволяют обеспечить режим "ви-сения" винтокрылых ЛА в заданной точке. Стабилизация траектории объекта производится по схеме пропорционально дифференциального (ПД) регулятора по критерию минимума произведения ошибки регулирования на время устранения отклонения системой. Корректирующий момент вычисляется по формуле:
u(t) = Мр = dx'+ к (x - XJ,
где d и к — параметры регулятора.
При данном выборе регулятора уравнение движения объекта принимает вид:
x" + (d/M)x + (k/M)(x - Хст) = 0 (5)
В теории модального управления [7] показано, что для получения решения (5), оптимизированного по критерию минимума произведения ошибки регулирования на время устранения отклонения системой, необходимо, чтобы коэффициенты d/M и k/M соотносились между собой как 1,4ю и Ю2. Для управления обычно используют релейный тип ПД регулятора, реализующий управление по алгоритму:
u(t) = RTHs/gn(1,4x'+ ю(х - XJ) где Ю — собственная частота системы с обратной связью; R — коэффициент передачи между сервисным механизмом коррекции и объектом управления; Тн — номинальное управляющее воздействие двигателя коррекции.
Большое значение для управления объектом имеет точность измерений и вычислений фазовых переменных объекта — смещений, скоростей и ускорений, а также учет возможных погрешностей. Например, винтокрылые ЛА характерны повышенным уровнем вибрации и показания датчиков искажаются вибрационным шумом от двигателей ЛА. Для качественного управления объектом все навигационные данные от датчиков необходимо освобождать от известных систематических ошибок, а затем обрабатывать с помощью алгоритма фильтрации Калмана [9], обеспечивающего получение средневзвешенного значения навигационного параметра от нескольких источников. Такая обработка уменьшает погрешность измерений, что позволяет получить высокое качество управления объектом.
Электроснабжение винтокрылых летных модулей с электрическим приводом.
К настоящему времени нет ни одного, практически используемого, действующего образца ЛА, получающего энергию с Земли для осуществления полета. Это объясняется тем, что на настоящий момент отсутствует практически работающая система энергоснабжения, которая удовлетворяла бы ограничению на суммарную массу бортового источника энергии, и кабеля-троса.
Суммарная масса должна составлять не более половины массы максимального полезного груза, поднимаемого ЛА.
В ЗАО НПФ "ИНСЕТ" выполнены работы [3] по проектированию и макетированию системы электропитания (СЭП) нового поколения, удовлетворяющей указанному ограничению. При проектировании был произведен анализ и выбор вариантов различных схем по передаче электроэнергии на основе критериев:
• минимальная масса;
• минимальные габариты;
• схемотехническая надежность;
• оеализуемость на основе существующей электронной элементной базы;
• минимальная стоимость.
Проведенный анализ показал, что СЭП ВТП можно выполнить только на основе переменного тока частотой порядка 80 кГц и выше. Анализ также показал целесообразность использования резонансных схем преобразователей, как обеспечивающих максимально достижимое значение частоты, и максимальную схемотехническую надежность. Таким образом, задача синтеза СЭП (рис. 4) была сведена к расчету и проектированию схем резонансного высокочастотного преобразователя, выпрямителя переменного тока и трансформаторов.
Рис. 4
Длина электромагнитной волны частотой 80 кГц равна 3750 м. Поэтому соединительную линию длиной 300 м уже надо считать электрически длинной и учитывать волновые процессы, происходящие в ней. Наиболее важным из них является факт возникновения отраженной волны при отсутствии согласованной нагрузки линии. Это приводит к повышению (до удвоения) напряжения на некоторых участках линии, сравнительно с входным напряжением, потерям энергии и возможности пробоя изоляции проводов. Условием, при котором отраженная волна будет отсутствовать является согласованность волнового сопротивления линии и сопротивления нагрузки, вы-
9 10 11 12
Рис. 6
текающее из решения уравнения телеграфных линий Хэвисайда, описывающего распространение энергии в длинной линии:
На рис. 5 приведена функциональная схема СЭП для ПВТП.
Наибольшую трудность при проектировании СЭП вызывает согласование входного сопротивления бортового преобразователя с сопротивлением линии, вследствие того, что ПВТП является динамической системой, в которой уровень потребляемой мощности и сопротивление нагрузки изменяются во времени. Например, при запуске ПВТП режим потребления мощности меняется от холостого хода до номинального. При этом сопротивление нагрузки изменяется от 500 до 0,4 Ом. На рис. 6 приведена диаграмма изменения входного сопротивления выпрямителя при изменении сопротивления нагрузки в диапазоне от 0,1 до 256 Ом.
Монотонный характер изменения входного сопротивления выпрямителя позволяет синтезировать простую схему согласования нагрузки и линии с помощью гиратора (ЬС цепи), включаемого между трансформатором и выпрямителем БП. Параметры гиратора вычисляются по формулам:
где К] и /?2 — активные составляющие согласуемых сопротивлений; X и X, — реактивные составляющие согласуемых сопротивлений; О = К2/К1.
Указанные решения позволили построить высоконадежную СЭП с КПД ~0,98 (преобразователей) и низкими потерями в соединительной линии а ~2,5 10-4 [неп/м] (для проводов сечением 0,35 мм2), при фазной мощности до 14 кВт (42 кВт по трем фазам).
Расширение области применения привязных высотных платформ.
Сфера применения ПВТП легко расширяется за счет установки на ее борту оборудования, решающего другие функциональные задачи. Ими могут быть задачи охраны протяженных объектов или ко-
РИс. 5.
1 — наземный источник электроэнергии; 2 — выпрямитель; 3 — преобразователь напряжения и частоты;
4 — повышающий высокочастотный трансформатор; 5 — понижающий трансформатор; 6 — выпрямитель;
7 — соединительная линия (3-х фазный кабель); 8 — согласователь сопротивлений (гиратор); 9 — блок управления согласованием сопротивлений
мандно-информационного обеспечения работ в очагах чрезвычайных ситуаций в интересах МЧС. Например, обеспечение многодиапазонного (видео, инфракрасного и РЛС) наблюдения, управления робототехническими средствами, обеспечения персонала локальной связью. В подобных ситуациях мобильные ПВТП являются идеальным средством, позволяющим предельно оперативно организовывать указанные сервисы. Для перечисленных задач возможно использование различной аппаратуры:
Тепловизор дальнего наблюдения GUIDIR IR2107 [13] компании Wuhan Guide Infrared Co., Ltd имеет малую массу и большую дальность (5 км). Масса 5,9 кг, потребляемая мощность 8 Вт. Муль-тисервисная система дальнего (до 25 км) наблюдения PHAROS XLR3+ компании Cedip [14] с тепловизором дальнего действия для ночного наблюдения и высококачественной телекамерой с телеобъективом для дневного наблюдения. Масса прибора 5 кг.
Для наблюдений в отсутствие оптической и инфракрасной видимости на борту ВТП В можно размешать РЛС, например, российскую ФАРА-1 [15], имеющую дальность 3-6 км. Масса 21,5 кг, потребляемая мощность 30 Вт.
Для контроля состояния воздушной среды в зоне мониторинга на платформу ПВТП могут устанавливаться газоанализаторы для измерения концентрацию взрывоопасных и токсичных газов.
В заключение, даже исходя из ограниченного списка перечисленного выше оборудования, пригодного для установки на борту ЛМ, необходимо отметить, что область применения ВТП многообразна и расширяема. При этом эффективность использования оборудования, устанавливаемого на ВТП, существенно увеличивается.
Литература
1. В. Вишневский, С. Портной, И. Шахнович. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. Москва. Техносфера, 2010, 470 с.
2. Вишневский ВМ, Терещенко Б.Н. Система энергообеспечения с высокими уровнями КПД и надежности для удаленных потребителей, через соединительную линию малых сечений и масс. Proceedings of the International Workshop "Distributed Computer and Communication Networks (DCCN-2011)". Moscow, Russia, M.: VINITI, 2011, pp. 158-163
3. V V/shnevsky, O. Semenova. "Polling Systems: Theory and Applications for Broadband Wireless Networks". LAMBERT Academic Publishing, 2012, 317p.
4. Проектирование фазированных антенных решёток // Под ред. Д.И. Воскресенского. — М.: Радиотехника, 2003. — 631 с.
5. Пролетарский А.В, Баскаков И.В., Чирков Д.Н., Федотов Р.А., Бобков А.В., Платонов В.А. Беспроводные сети Wi-Fi // Интернет-университет информационных технологий — ИНТУИТ.ру, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 216 с.
6. Mojol/ L.F, Menga/i U. Propagation in line of sight radio links. Part 1,2/ Supplement to Telettra Rewiew No 37, Spesial Edition, Milano, 1983, pp. 266
7. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. — М.: Машиностроение, 1976. — 184 с.
8. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. — Спб. Изд-во "Профессия", 2004. — 752 с.
9. Поддубный В.В. Рестриктивная фильтрация в навигационных системах. www.tsu.ru/webdesign/tsu/Library.nsf/designobiects/vestnik275/$file/ VPodd1.pdf.
10. Специальные разделы теории управления. Оптимальное управление динамическими системами: учеб. пособие / Ю.Ю. Громов, Н.А Земской, А.В. Лагутин, О.Г Иванова, В.М. Тютюнник. — 2-е изд., стереотип. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. — 108 с.
11. http://ru-4g.liveiournal.com/143096.html.
12. http://next-generation-communications.tmcnet.com/topics/service-prov'der/articles/321229-heterogeneous-network-hetnet-quality-experience-enhanced-via-lightradio.htm.
13. http://www.guideinfrared.rui/3-b13-stationary-camera.html.
14. http://www.procctv.ru/images/file/its-news_%204.pdf.
15. http://www.npostrela.com/ru/products/75/190.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF NEW GENERATION OF TELECOMMUNICATION TETHERED HIGH-ALTITUDE PLATFORMS Vishnevsky V.M., Tereshchenko B. N. Abstarct
The problems of design and realization of a new generation of high-altitude tethered platforms for the quick establishment of a modern telecommunications infrastructure in large areas. Describes the architecture of high-altitude platform consisting rotary-wing flight module, ground complex and Kevlar cable with an optical fiber for high speed data transmission between Earth and a flight module, and three copper wires for the power supply module of the flight engine. Investigate questions of a complex onboard wireless broadband for the implementation of a regional network of multimedia information in a radius of 50 km. The problems of stabilization of receiving and transmitting antenna systems and the development of the control system of rotary-wing module are considered. Long operation of the tethered high-altitude platform could only be realized through the development of the power system, providing from the ground on the board of high power energy (up to 20 kW) for rotary wing flight module electric motor and onboard equipment. Therefore, a description of the original power system flight module providing energy over the copper wires of small cross section of necessary capacity and include small onboard voltage converters. Finally describes empowerment for the tethered high-altitude platforms to video surveillance, radar-location, etc.
