CC BY
158Решетневскуе чтения. 2017
УДК 621.396.933
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ПОДВИЖНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
С. Е. Копылов, Т. Н. Батурин, А. А. Сушков
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Представлен и обоснован выбор оптимального оператора спутниковой связи для организации канала связи с БПЛА. Спроектирована плата сопряжения, приведена структурная схема и трехмерная модель разработанного устройства.
Ключевые слова: спутниковая связь, беспилотные летательные аппараты, Iridium.
DESIGN AND DEVELOPMENT OF MOBILE SATELLITE COMMUNICATION DEVICE
FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES
S. E. Kopylov, T. N. Baturin, A. A. Sushkov
Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article presents and justifies the selection of the optimal satellite communication operator to organize a communication channel with UAVs. The mezzanine printed circuit board is designed; the block diagram and 3D-model of the developed device are presented.
Keywords: satellite communication, unmanned aerial vehicles, Iridium.
Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в различных сферах деятельности ежегодно растёт. Увеличивается время автономной работы в воздухе, это приводит к увеличению покрываемой площади полёта. И в связи с этим возникает проблема организации связи на большие расстояния в сотни километров. Оборудование, на борту БПЛА, позволяющее организовать связь в пределах поверхности земли даёт возможность: вести поиск вышедшего из строя БПЛА более эффективно; получать телеметрию из самых удалённых областей земного шара; подавать команды, корректирующие программу полёта; осуществлять аварийную сигнализацию.
Для решения поставленной проблемы предлагается использовать сети спутниковой связи. Применяется два варианта расположения орбитальных группировок спутников связи. Космические аппараты, находящиеся на геостационарной орбите, высота которой составляет 35 786 км, а период обращения спутника вокруг земли 23 часа 56 минут 4,091 секунды. Спутниковую связь такой конфигурации представляют операторы Thuraya и Inmarsat изначально созданные для обеспечения связью морских судов [1]. Эти операторы предлагают и сухопутную связь, но такая конфигурация спутников над экватором вносит существенный недостаток. Чем дальше БПЛА будет находиться от экватора в сторону одного из полюсов, тем ниже для него окажется положение спутника на горизонте и на пути сигнала могут возникать преграды в виде гор, лесов, строений, оставляющих аппарат без связи. К примеру, на архипелаге Новая Земля с его сложным
рельефом местности и близким расположением к северному полюсу применение данных сетей обречено на провал. Для построения спутниковых сетей связи также используются низкие орбиты [2]. Расположение космических аппаратов вблизи земли на высоте около 1000 км позволяет значительно уменьшить габариты наземных передающих модулей из-за меньшей мощности сигнала, требуемой для связи со спутником и использовать антенны с широкими диаграммами направленности. Данная конфигурация позволяет обеспечить связью всю площадь земли независимо от боковых преград. Такую конфигурацию представляют операторы Globalstar, Iridium, Orbcomm, Гонец. На момент создания устройства только спутниковая сеть оператора Iridium [3] отвечает жёстким требованиям обеспечения бесперебойной связи в любой точке земного шара.
Данная сеть наиболее предпочтительна по той причине, что является единственной системой гражданской спутниковой связи, покрывающей всю поверхность земли с учётом полярных областей, а также продолжает своё развитие, выводя на орбиту новое поколение спутников «Iridium NEXT», тем самым наращивая мощности. Имеет самую многочисленную орбитальную группировку спутников количеством 66 единиц, что даёт минимальную задержку сигнала.
Разработанное устройство состоит из спутникового модема служащего для приёма и передачи данных, платы сопряжения [4] для обработки, формирования данных и взаимодействия с модемом, и интерфейсов обмена данными с автопилотом. Структурная схема устройства представлена на рис. 1.
Системы управления, космическая навигация и связь
Рис. 1. Структурная схема разработанного устройства
Рис. 2. Внешний вид разработанного устройства
В качестве спутникового модема применён модуль Iridium 9603 имеющий компактный размер 30*32*8 мм. В нём не используется модуль идентификации абонента (SIM), распознавание устройства происходит с помощью международного идентификатора мобильного оборудования (IMEI). Данный модуль обеспечивает полудуплексный метод передачи данных с разделением по времени (TDD). Средняя потребляемая мощность 1 Вт. Модуль работает в диапазоне частот 1616-1626,5 МГц.
Плата сопряжения состоит из узла питания, преобразователей уровня интерфейсов, центрального управляющего микроконтроллера. Для питания модуля Iridium 9603 применяется синхронный DC/DC преобразователь с высоким показателем КПД более 90 %. Остальные компоненты платы сопряжения питаются напряжением 3,3 В, данный уровень обеспечивается линейным стабилизатором напряжения. На плате установлены преобразователь интерфейса RS-485 применяемый для связи с автопилотом БПЛА и интерфейса CAN, как резервная линия связи, в том числе для вспомогательных целей.
Управление устройством осуществляется с помощью микроконтроллера STM32 линейки F103 на базе ядра ARM Cortex-M3. Модель устройства без корпуса представлена на рис. 2.
Разработанное устройство отвечает перечисленным критериям и удовлетворяет решению проблемы дальней связи на БПЛА. Устройство оптимизированно по массогабаритным параметрам для БПЛА с малым взлётным весом и потребляемой мощности [5].
Библиографические ссылки
1. Бородич С. В. «Интерспутник» - Международная система спутниковой связи // Электросвязь. 1977. № 11.
2. Низкоорбитальная система спутниковой связи [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/ patent/249/2496233.html (дата обращения: 29.08.2017).
3. Iridium Communications Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.iridium.com/ (дата обращения: 01.09.2017).
4. Лопаткин А. В. Проектирование печатных плат в Altium Designer. М. : Пресс, 2016. 402 с.
5. Батурин Т. Н., Сушков А. А., Боев Н. М. Разработка автономного приемопередающего устройства спутниковой связи с функцией бортового регистратора для беспилотных летательных аппаратов // Современные проблемы радиоэлектроники. 2014. С. 22-25.
References
1. Borodich S. V. "Intersputnik" - International system of satellite communications // Electrosvyaz, 1977, No. 11. (In Russ.)
2. Low-orbital satellite communication system. Available at: http://www.findpatent.ru/patent/249/2496233.html (accessed: 29.08.2017).
3. Iridium Communications Inc. [Electronic resource]. URL: https://www.iridium.com/ (accessed: 01.09.2017).
4. Lopatkin A. V. Designing of printed circuit boards in Altium Designer. Moscow : DMK Press, 2016. 402 р. (In Russ.)
5. Baturin T. N., Sushkov A. A., Boev N. M. Development of the self-contained send-receive unit of satellite communication with function of the onboard registrar for unmanned aerial vehicles // Modern problems of radio electronics. 2014. Р. 22-25.
© Копылов С. Е., Батурин Т. Н., Сушков А. А., 2017
