CC BY
3619
Mottl Vadim Vyacheslavovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Moscow, Computing Center of the Russian Academy of Sciences,
Razin Nikolay Alexeevich, PhD student, nrmanutd@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Institute of Physics and Technology (State University),
Chernousova Elena Olegovna, PhD student, lena-ezhova@rambler. ru, Russia, Moscow, Moscow Institute of Physics and Technology (State University)
УДК 621.391.6:621.396.13
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОКАНАЛА СВЯЗИ С БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ
А.В. Полынкин, Х.Т. Ле
В настоящее время наблюдается большой интерес к комплексам воздушного наблюдения и мониторинга природной среды и технических объектов с использованием малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эффективность их применения в значительной мере зависит от характеристик устройств радиосвязи БПЛА и наземного пункта управления (НПУ). Поэтому актуальной задачей является оптимизация радиолиний управления и передачи данных, т. к. она способствует увеличению дальности связи и повышению качества передачи информации. Для решения данной задачи необходимо исследование характеристик радиоканала связи с БПЛА.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, наземный пункт управления, целевое оборудование, многолучевость, замирание сигнала.
1. Основные требования к системам связи с БПЛА
Линия радиосвязи летательного аппарата (ЛА) и наземного пункта управления обеспечивает в общем случае двухсторонний обмен информацией между бортовой и наземной аппаратурой. Основными задачами, решаемыми указанной линией связи, являются:
в направлении НПУ-ЛА - передача командной информации для осуществления управления полетом ЛА и работой целевого бортового оборудования;
в направлении ЛА-НПУ - передача телеметрической информации, передача информации, полученной с помощью целевого оборудования (фотоснимки, ТВ изображения и др.).
Радиолинии НПУ-ЛА и ЛА-НПУ существенно различаются по пропускной способности:
Радиолиния НПУ-ЛА представляет собой узкополосный канал свя-
зи, т.к. объем передаваемой информации, даже за полное время полета ЛА и работы его оборудования, невелик. Необходимая скорость передачи информации в этом канале в любом случае не превышает нескольких десятков Кбит/сек.
Радиолиния ЛА-НПУ должна иметь, как правило, значительно большую пропускную способность. Конкретное значение требуемой скорости передачи в значительной мере определяется назначением конкретного аппарата и показателями установленного на нем целевого оборудования.
Некоторые требования к системам связи с БПЛА сведены в таблице
[1, 2].
Требования к системам связи с БПЛА
Тип канала связи Передача команднотелеметрических данных Передача данных полезной нагрузки
Вероятность битовой ошибки (BER) Не более 10-6 Не более 10-3
Скорость передачи данных Не более 56 Кбит/с 1-20 Мбит/с (зависит от назначения аппарата и типа полезной нагрузки)
Направление передачи данных Борт-Земля Земля-Борт Борт-Земля
В системах связи с БПЛА командные и телеметрические данные с высоким приоритетом, а данные полезной нагрузки (видеокамеры, фотокамеры) доставляются на наземную станцию для дальнейшей обработки и использования, поэтому с низким приоритетом. Передача команд управления ведется с наземного пункта управления, а передача телеметрических данных со стороны БПЛА. Требования к передаче команднотелеметрических данных на большие расстояния диктуются необходимостью постоянного контроля ЛА и необходимостью корректировать параметры полета в процессе выполнения летного задания.
2. Анализ канала связи с БПЛА
Канал радиосвязи между БПЛА и наземным пунктом управления относится к авиационному каналу, который описывается многолучевой моделью с явлениями переотражения, рассеивания и дифракции [3].
Отражение имеет место, когда электромагнитная волна сталкивается с препятствием, размеры которого значительно превышают длину волны.
Дифракция происходит, когда трасса распространения между передатчиком и приемником перекрыта плотным препятствием с размерами, которые являются большими по отношению к длине волны сигнала, что приводит к формированию позади препятствия вторичных волн.
Рассеивание происходит, когда распространяющийся сигнал наталкивается на объект, размеры которого порядка длины волны сигнала или менее, что приводит к переизлучению энергии сигнала по всем направлениям.
Эти три эффекта распространения вместе образуют общую картину замираний в канале, достаточно полно представляемую как замираниями крупного масштаба и мелкомасштабными замираниями.
В большинстве случаев БПЛА гражданского назначения работают в пределах прямой видимости наземного пункта управления. При наличии преобладающего по амплитуде прямого луча распределение мгновенных значений огибающей сигнала описывается законом Райса [5]:
Р( х) = “Г • ехР а
2 ехр(-К) •1
2ах ) V
<т
где 10(%) - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка; К - параметр, определяемый как отношение мощности зеркального компонента к мощности многолучевого сигнала; х - компонент мелкомасштабного замирания; аХ - средняя мощность многолучевого сигнала до детектирования
Потери при распространении сигнала. Крупномасштабные замирания представляют собой среднее ослабление мощности сигнала или потери на трассе при прохождении трасс большой протяженности. Потери на трассе и затенение - вот два основных механизма, которые приводят к эффектам замираний крупного масштаба.
Средние потери радиосигнала на трассе определяются по формуле Щ )[дБ ] = Щ0)[дБ ] + 10у^ш^ / do) + Ха, (1)
где Ь@0) - средние потери на трассе прямой видимости при эталонном расстоянии ^ в свободном пространстве; d - это расстояние между передатчиком и приемником; у - экспонента потери на трассе, которая зависит от окружающей среды; Ха - логарифмически нормальное замирание вследствие затенения.
В беспилотных летательных системах эталонное расстояние d0 выбирается равным рабочей высоте БПЛА.
Средние потери Ь^0) при распространении в свободном пространстве рассчитываются по формуле
Щ0)[дБ] = 10^(4Р0 / Л)2, (2)
где Л - длина волны сигнала.
Если расстояние d0 и частота / (/ = с / Л, с - скорость света) изме-
ряются в километрах и мегагерцах соответственно, то из уравнений (1) и (2), получаем следующее (при Ха = 0)
Щ)[д£] = 10^ (й) + (20 -10у)^(й0) + 20log(/) + 32,45 . (3)
Рассчитаем потери на трассе в зависимости от расстояния между БПЛА и НКУ для разных частот (0,9 ГГц; 2,4 ГГц; 5,8 ГГц).
170 160 150 140 130 120 110 100 эо
ш
С1_
I-
03
X
80
.н ■ >■
у!* ■ ■ '■
/
Г»»*--’ ■- — --- \Г
.V?
1=2 ;=2
\г 1=0.9 1=2,4 Ъ Ьг,
1=5,8 7=3
10 20 30 40 50 60 70 80
Расстояние между БПЛА и НКУ. км
90 100
Рис. 1. Затухание сигнала на трассе в зависимости от расстояния между БПЛА и НКУ для трех разных частот
Из рис. 1 видно, что при расстоянии между БПЛА и НПУ 30 км затухания сигнала в свободном пространстве в диапазонах 0,9 ГГц; 2,4 ГГц и 5,8 ГГц равны 121 дБ, 130 дБ и 136 дБ соответственно. В худщих условиях распространения (у = 3) затухание сигнала сильно увеличивается. Для компенсации такого ослабления сигнала можно использовать различные способы, в том числе повышение коэффициента усиления антенн (главным образом, наземной), использование энергетически выгодных видов модуляции, повышение выходной мощности передачиков (до максимально разрешенной).
Анализ бюджета канала связи с БПЛА. Для цифровой связи вероятность ошибки зависит от отношения энергии бита (Еь) к спектральной плотности мощности шума (И0) в приемнике, определяемого выражением [5]:
Е Р
= я
N N
V Я у
(4)
где Ря - мощность принятого сигнала, N - мощность шума, Ж - ширина полосы пропускания, Я - скорость передачи бита.
101
Одним из важнейших показателей качества канала является зависимость вероятности появления ошибочного бита Pь от Eь / N0. Разность между реальным (принятым) и требуемым отношениями Eь / N0 дает энергетический резерв линии связи (или бюджет канала связи).
M (дБ) = (Eь / No)„„„„ (дБ) - (Eь / N)треб (дБ). (5)
Мощность, принятая приемной антенной определяется выражением
[5]:
PR (й )(дБ) = PT (дБ) + Gя (дБ) + GT (дБ) - Ц (дБ) - Ь0 (дБ), (6)
где GR и Gт - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, Рт - переданная мощность, Ь0 - коэффициент потерь системы, не связанных с распространением (потери в фидере и разъемах НКУ и БПЛА, поляризационное рассогласование антенн).
Из уравнений (4), (5) и (6), получаем следующее М (дБ) = Рт (дБм) + GR (дБ) + Gт (дБ) - ^ (дБ) - Ц (дБ) - Рз (дБм), (7)
где Рз - чувствительность приемника, дБм.
При работе БПЛА в пределях прямой видимости с НКУ диапазон изменений уровня сигнала из-за замираний может достигать 15 дБ [3]. Энергетический запас М используется для компенсании этих замираний.
Рассмотрим случай, когда беспилотная летательная система использует диапазон частот 2,4 ГГц для передачи данных, наземную антенну с большим коэффициентом усиления 24 дБи, всенаправленную антенну на борту с коэффициентом усиления 5 дБи, передатчик БПЛА с выходной мощностью 30 дБм (1 Вт), приемник НКУ с чувствительностью -90 дБм, бюжет канала связи 15 дБ. Полагаем, что у = 2 (распространение в свободном пространстве), й0 = 1 км, Ь0 = 6 дБ (потери в фидере и разъемах НКУ равны 1,5 дБ, потери в бортовом фидере и разъемах - 1,5 дБ, поляризационное рассогласование антенн - 3 дБ). В этом случае максимальная дальность связи канала передачи данных с БПЛА на НКУ составляет 12,5 км. При уменьшении значения энергетического запаса на замирания до 10 дБ дальность связи канала передачи данных будет равна 22,2 км.
При применении остронаправленной антенны с большим коэффициентом усиления (более 20 дБ) в НКУ ширина диаграммы направленности мала (менее 10°), что накладывает ограничения на применение их в условиях близкого полета БПЛА. Возможно использование двух типов антенн НКУ для различных дальностей полета БПЛА: всенаправленной антенны с усилением 5-8 дБи для условий ближнего полета и направленной антенны с усилением более 20 дБи для условий дальнего полета. Однако в этом случае необходимо использование опорно-поворотного устройства и системы слежения за БПЛА. Так как к наземному оборудованию не предъявляется жестких требований по массово-габаритным характеристикам, использование в качестве антенны НКУ сканирующей цифровой антенной
решетки (АР) не всегда оправдено ввиду ее большой стоимости, за исключением случая использования АР для одновременного слежения за несколькими БПЛА.
Максимальная дальность связи БПЛА. Рассмотрим возможные ситуации взаимного расположения БПЛА и НКУ (рис. 2). БПЛА может находится в зоне видимости (БПЛА №1), или в зоне полутени (БПЛА №2), или в зоне тени (прием в этой зоне может быть осуществлен только благодаря дифракции сигнала на земной поверхности).
Максимальная дальность радиосвязи опредяется по формуле [6]:
йцоз = 2 • Я3 • И + И2 + -\12 • Я3 • И + И^ , где И1 - высота подъема наземной антенны, м; И2 - высота подъема бортовой антенны, м; - предельная дальность прямой видимости, км; ЯЗ -
радиус Земли (ЯЗ = 6400 км для высоких радиочастот).
БПЛА №1
Зона видимости
3°1Ш ПолУтенИ
(Сс НКУ
Рис. 2. Зоны видимости, полутени и тени
На рис. 3 показана зависимость максимальной дальности радиосвязи от высоты полета БПЛА при некоторых заданных высотах подъема антенны НКУ. Антенна НКУ является мобильной и устанавливается на высоте не более 10 м (типично 2-4 м). При высоте полета БПЛА 1000 м предельное расстояние прямой видимости между БПЛА и НКУ меньше 140 км. Расчёты показывают, что для получения дальности связи 600 км БПЛА должны работать на высоте больше 20 000 м. Следовательно, для большого расстояния связи необходимо использование либо спутниковой связи, либо другого БПЛА в качестве ретранслятора.
Из рис. 3 следует, что зависимость предельной дальности связи от высоты подъема антенны НКУ (в диапазоне 1 - 10 м) слабая, поэтому высота мачты для установки наземной антенны определяется необходимостью снижения влияния многолучевости, с учетом возможных препятствий на пути распространения сигнала (рельеф местности, застройка).
БПЛА №2
'Ч
300
250
200
? 150
100
ш
«=1
50
. -'
И1 = 1 м М = 4 м М = 10 м
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Высота полета БПЛА, м
Рис. 3: Максимальная дальность связи в зависимости от высоты
подъема антенн БПЛА и НКУ
Выбор вида модуляции. Основным требованием при создании системы связи с БПЛА является обеспечение возможности передачи данных с заданной скоростью и вероятностью ошибки при больших расстояниях между ЛА и НКУ. Для сравнения энергетической эффективности, на рис. 4 показано некоторых видов модуляции по каналу с гаусовским шумом.
Рис. 4. Вероятности битовой ошибки для различных видов модуляции
Из рис. 4 следует, что с увеличением позиционности модуляции вероятность битовой ошибки увеличивается, т. е. для поддержания заданного уровня битовой ошибки необходимо увеличивать отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника. Поэтому целесообразным является использование многопозиционной модуляции только при малых расстояниях между БПЛА и НКУ для передачи большего объема информации без изменения ширины полосы частот. Для обеспечения максимальной дальности связи необходимо использовать энергетически наиболее выгодные виды модуляции - такие как двоичная фазовая манипуляция (BPSK) и квадратурная фазовая манипуляция (QPSK).
Как видно из рис. 1, при изменении расстояния между ЛА и НКУ в широких пределах (500 м - 30 км) мощность сигнала с несущей 2,4 ГГц на входе приемника будет изменяться на порядке 35 дБ. Такой большой энергетический запас позволяет использовать различные виды модуляции для повышения скорости передачи данных с БПЛА на НКУ при поддержании вероятности битовой ошибки на заданном уровне. Реализация данного подхода требует создания алгоритмов адаптивного изменения схемы модуляции и кодирования цифровой системы связи.
Борьба с частотно-селективными искажениями сигнала. Канал связи с БПЛА является частотно-селективным из-за многолучевости распространения сигналов. Для борьбы с многолучевостью сигналов была разработана технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) [4], которая эффективно применяется в беспроводных сетях Wifi и WiMax.
Основная идея OFDM заключается в том, что полоса пропускания канала разделяется на группу узких полос (субканалов), каждая со своей поднесущей. На всех поднесущих сигнал передается одновременно, что позволяет обеспечить практически сколь угодно большую общую скорость передачи информации при небольшой скорости передачи в каждом отдельном субканале. По сути, данная технология трансформирует широкополосный частотно-избирательный канал во множество параллельных неизбирательных по частоте узкополосных каналов. Такая схема успешно компенсирует влияние многолучевости, если временная протяженность символов на всех поднесущих превышает наибольшую задержку распространения сигнала.
Высокая спектральная эффективность OFDM модуляции обеспечивается достаточно близким расположением частот соседних поднесущих колебаний, которые генерируются совместно так, чтобы сигналы всех поднесущих были ортогональны.
Как правило, чем больше число поднесущих, тем меньше влияние замираний сигнала, обусловленных многолучевым распространением. Однако это приводит к усложнению аппаратуры и к увеличению искажений сигнала за счет доплеровского эффекта. В некоторых случаях при большом
доплеровском сдвиге OFDM теряет свои преимущества (в этом случае лучшим вариантом является использование одночастотной модуляции для передачи сигнала). Следовательно, необходимо выбрать оптимальное количество поднесущих при применении OFDM для передачи данных с БПЛА.
Выводы
Изменение параметров работы систем связи с БПЛА, вызванное изменением взаимного расположения ЛА и НПУ и влиянием среды распространения сигнала, приводит к необходимости адаптивного изменения основных параметров системы (вид модуляции, кодирование, скорость передачи данных и др.) в зависимости от условий прохождения сигнала, которое позволяет более эффективно использовать энергетический ресурс канала связи и многократно повышать эффективность работы системы.
Дальность связи БПЛА зависит от многих факторов, в том числе высоты ЛА, мощности передатчика ЛА, чувствительности приемника НПУ, типов антенн на борту ЛА и на НПУ, вида модуляции и др. Для увеличения дальности действия малоразмерных БПЛА необходимо использование энергетически выгодных видов модуляции и наземной антенны с высоким коэффициентом усиления. В некоторых случаях для обеспечения устойчивой связи с удаленным БПЛА нужно использовать другой БПЛА в качестве ретранслятора сигнала.
Для передачи данных (фотоснимков, видеоизображений) с БПЛА на наземный пункт управления в реальном времени требуется большая скорость передачи. Одним из наиболее эффективных подходов к повышению скорости передачи данных с борта БПЛА является применение модуляции OFDM.
Список литературы
1. Bianchi L., Battaini C., Scuzzola G.L., Crovari E. Integrated Data Link for UTA Applications: Design Considerations and Development Results// MARCONI S.p.A, Defence Division - Guided Systems Via Negrone 1 A -16153 GENOA ITALY.
2. Barnard J. Small UAV command-control and communication issues// IEEE on communicating with UAV’s. 2007. P. 75-85.
3. Haas E. Aeronautical channel modeling// IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2002. V. 51. № 2. P. 254-264.
4. Richard V.N., Prasad R. OFDM wireless multimedia communication. Artech House Boston London. 2000. 260 p.
5. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. / Б. Скляр. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. 1104 c.
6. Austin R. Unmanned Aircraft Systems: UAVS Design, Development
and Deployment. John Wiley & Sons Ltd. 2010. 372 p.
Полынкин Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., avipolatnla.net, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ле Хыу Туан, аспирант, letuan211@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF UAV COMMUNICATION LINK
A. V. Polynkin, H. Т. Le
There is currently a great interest to the creation of complexes for air surveillance and monitoring environment and technical objects with the use of small unmanned aerial vehicles (UA V). Their performance is highly dependent on the characteristics of the communication devices of the aircraft and ground control station. Therefore, an urgent task is to optimize the radio control and data links, because it helps to increase the communication range and quality of information transmission. To solve this problem it is needed to carry out a research on the characteristics of UA V radio communication link. This paper discusses the requirements of UAV communication systems and makes an analysis of UAV communication channel.
Key words: unmanned aircraft, ground control station, payload, multipath propagation, signal fading.
Polynkin Aleksandr Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, avipol atnla. net, Russia, Tula, Tula State University,
Le Huu Tuan, post-graduate student, letuan211@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
