Программный модуль фреймворка
для работы с трассировщиком циклограммы полета БПЛА
по заданной траектории
для работы с трассировщиком циклограммы полета БПЛА
по заданной траектории
О проекте
Наблюдаемое в настоящее время развитие беспилотной авиации имеет по большей части стихийный характер. Это приводит к возникновению множества проблем и противоречий. Часть их видна уже сейчас, но большинство проявит себя в будущем и потребует для разрешения больших экономических затрат. Одной из ключевых проблем является разработка доступных технологических решений на применяемые линии передачи данных (ЛПД), что потребует выработки единых подходов к определению необходимого состава оборудования/комплектующих для обеспечения управления, контроля и связи с БПЛА.
Актуальной является передача видеоинформации высокого качества, получаемой от бортовых датчиков. При этом можно выделить две подзадачи, требующие разных подходов: пилотирование БПЛА по данным бортовых видеокамер и обработка (в том числе апостериорная) полученных фото– и видеоданных. В первом случае требуется обеспечить минимальную задержку передачи видеоинформации при сохранении удовлетворительного качества изображения. Во втором случае важно передать информацию с максимально возможным качеством, при этом ужесточаются требования к скорости ЛПД (время задержки становится не столь критичным). Так или иначе, общие рекомендации могут быть сведены к выбору видеокамер с прогрессивной разверткой и квадратными пикселями, современных алгоритмов сжатия видеоинформации.
Актуальной является передача видеоинформации высокого качества, получаемой от бортовых датчиков. При этом можно выделить две подзадачи, требующие разных подходов: пилотирование БПЛА по данным бортовых видеокамер и обработка (в том числе апостериорная) полученных фото– и видеоданных. В первом случае требуется обеспечить минимальную задержку передачи видеоинформации при сохранении удовлетворительного качества изображения. Во втором случае важно передать информацию с максимально возможным качеством, при этом ужесточаются требования к скорости ЛПД (время задержки становится не столь критичным). Так или иначе, общие рекомендации могут быть сведены к выбору видеокамер с прогрессивной разверткой и квадратными пикселями, современных алгоритмов сжатия видеоинформации.
В зависимости от решаемой задачи для передачи качественного видео необходима минимальная пропускная способность 5…50 Мбит/с для одного источника сигнала.
Требуемое качество передаваемого сообщения (с учетом ошибок, вносимых самим каналом связи) может оцениваться количеством пиксельных артефактов на один кадр. Целесообразно принять допустимый уровень искажений как 1 пиксельный артефакт на передаваемый кадр. При этом вероятность ошибочного распознавания изображения составит 10–7…10–6.
Требуемое качество передаваемого сообщения (с учетом ошибок, вносимых самим каналом связи) может оцениваться количеством пиксельных артефактов на один кадр. Целесообразно принять допустимый уровень искажений как 1 пиксельный артефакт на передаваемый кадр. При этом вероятность ошибочного распознавания изображения составит 10–7…10–6.
Таким образом для коммерческих малых БПЛА, направления «вверх»/«вниз» (Up/Down) линии передачи данных организуются в фиксированных частотных диапазонах, которые, как правило, соответствуют использованию на БПЛА одной или нескольких коммерческих технологий связи:
1
частоты типовых каналов нелицензированных средств радиосвязи: 20–80, 135–174, 400–470 МГц.
2
частоты каналов СРНС: GPS (L1 – 1575,42 МГц / L2 – 1227,6 МГц / L5 – 1176,45 МГц), ГЛОНАСС (L1 – 1602 МГц / L2 – 1246 МГц), BeiDou (B1 – 1561,098 МГц / B2 – 1207,14 МГц / B3 – 1268,52 МГц), Galileo (E1 – 1575,42 МГц / E6 – 1278,75 МГц / E5 – 1191,79 МГц)
3
частоты типовых каналов коммерческих систем связи: 430–460, 860–880, 902–928 МГц, CDMA800 (850–894 МГц), GSM900 (890–915, 935–960 МГц), GSM1800 (1710–1880 МГц), 3G (2110– 2170МГц), 4G (725–770, 780–960, 925–960МГц; 1,7–2,2, 2,5– 2,7 ГГц), Wi–Fi (2,4–2,5, 4,9–6,425 ГГц)
4
частоты каналов «вниз» спутниковых систем связи (ССС) L–диапазона: Инмарсат (1518–1660,5 МГц), Иридиум (1616– 1626,5 МГц)
5
частоты типовых каналов авиационной радиосвязи в диапазоне 220–400 МГц
Используемые типовые частоты, ширина типовых каналов, типы сигналов и помехоустойчивого кодирования, мощности передатчиков и параметры приемных средств определяются соответствующими стандартами на вышеуказанные технологии связи. Данные по наиболее распространённым стандартам Wi–Fi, используемым для управления малыми коммерческими БПЛА, представлены в таблице 1
Таблица 1 – Данные по наиболее распространенным стандартам Wi–Fi, используемым
для управления коммерческими малыми БПЛА (* шифрование данных в коммерческих БПЛА может не использоваться)
Таблица 1 – Данные по наиболее распространенным стандартам Wi–Fi, используемым
для управления коммерческими малыми БПЛА (* шифрование данных в коммерческих БПЛА может не использоваться)
Отметим, что компактные радиоустройства (КРУ)
для БПЛА также работают в режиме прямой видимости с наземным комплексом управления (НКУ) или с узлом–ретрансляции:
для БПЛА также работают в режиме прямой видимости с наземным комплексом управления (НКУ) или с узлом–ретрансляции:
- каналы в L (1,4–1,85 ГГц), S (2,2–2,5 ГГц), С (4,4–5,85 ГГц), и Ku (15,15–15,35 / 14,4–14,83 ГГц) диапазонах – основные каналы КРУ
- в УКВ диапазоне (220–400 МГц) – резервные каналы КРУ
- спутниковый канал (как правило используется низкоорбитальная ССС Iridium обеспечивающая возможность использованиям небольших антенн) L–диапазона (1,616–1,6265 ГГц) – резервный канал КРУ, устанавливаемый опционально на отдельных БПЛА
Ширина каналов:
- канал «вверх» в L, S, С и Ku диапазонах: в режиме фиксированной частоты – 300–700 кГц; в режиме ШПС – 0,7–28 МГц
- канал «вниз» в L, S, С и Ku диапазонах: 3–20 МГц
- каналы «вверх»/«вниз» в УКВ диапазоне: 25 кГц
Скорости передачи данных в КРУ:
- до 20 кбит/с – в линии «вверх»; 200 кбит/с – в линии «вниз» (при передаче только телеметрической информации (ТМИ)); 1,6–12 Мбит/с – в линии «вниз» (при передаче ТМИ совместно с данными от БПЛА для визуального управления оператором) в L, S, С и Ku диапазонах
- 2,4–16 кбит/с в линиях «вверх»/«вниз» в УКВ диапазоне
- до 2,4 кбит/с в линиях «вверх»/«вниз» по спутниковой линии L диапазона (для СCC Iridium)
Мощности передатчиков:
- в L, С, S, Ku диапазоне в каналах «вверх»/«вниз»: 0,5–15 Вт.
- в УКВ диапазоне в каналах «вверх»/«вниз»: 0,15–25 Вт.
Используемые типы сигналов: BPSK, QPSK (DQPSK, SOQPSK), 2FSK, GMSK. Примеры параметров аппаратуры различных КРУ малых коммерческих БПЛА представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Примеры параметров аппаратуры различных КРУ малых коммерческих БПЛА, (н/д – нет данных)
Таблица 2 – Примеры параметров аппаратуры различных КРУ малых коммерческих БПЛА, (н/д – нет данных)
Специальная аппаратура и технические средства полезной нагрузки, размещенные на БПЛА, формируют потоки данных значительного объема (таблица 3), при этом, в большинстве случаев передачу этих данных необходимо вести в режиме времени близком к реальному (например, видеоданные от БПЛА зачастую используются оператором для управления БПЛА в ручном режиме).
Таблица 3 – Приблизительные оценки интенсивности потоков данных, формируемых аппаратурой полезной нагрузки БПЛА
Таблица 3 – Приблизительные оценки интенсивности потоков данных, формируемых аппаратурой полезной нагрузки БПЛА
Основным типом данных, передаваемых по каналу «вниз» являются видеоданные, поступающие
от БПЛА и предназначенные для визуального управления со стороны оператора. Формат передаваемых видеоданных: MPEG– 2/4, MPEG–TS, H.264.
Для передачи видеоданных, а также мультиплексирования видеоданных и ТМИ, помимо радиолиний на основе Wi–Fi могут использоваться радиолинии на основе стандартов DVB, предназначенных
для цифрового телевизионного вещания: DVB–T1/T2 или DVB–S2 представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Параметры радиолиний на основе стандартов DVB
от БПЛА и предназначенные для визуального управления со стороны оператора. Формат передаваемых видеоданных: MPEG– 2/4, MPEG–TS, H.264.
Для передачи видеоданных, а также мультиплексирования видеоданных и ТМИ, помимо радиолиний на основе Wi–Fi могут использоваться радиолинии на основе стандартов DVB, предназначенных
для цифрового телевизионного вещания: DVB–T1/T2 или DVB–S2 представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Параметры радиолиний на основе стандартов DVB
Для передачи высокоскоростных потоков основным требованием является энергетическая эффективность, поэтому в условиях многолучевого распространения, в последнее время, предпочтение отдается технологии DVB–T2 (с использованием OFDM), как наиболее устойчивой
к межсимвольной интерференции, потери от которой могут достигать 10 дБ. При этом значительный пик–фактор, свойственный радиосигналу DVB–T2 с множеством ортогональных несущих, компенсируется умеренными требованиями к средней выходной мощности передающего устройства.
к межсимвольной интерференции, потери от которой могут достигать 10 дБ. При этом значительный пик–фактор, свойственный радиосигналу DVB–T2 с множеством ортогональных несущих, компенсируется умеренными требованиями к средней выходной мощности передающего устройства.
Рисунок 1 – Алгоритм обработки измерений, применяемый в разработанном ПО
На рисунке 1 представлен применяемый алгоритм обработки измерений для БПЛА
в разработанном ПО:
в желтых блоках – исходные данные
для обработки,
а в зеленых блоках – результаты обработки.
Параметры Земли:
ε ‒ относительная диэлектрическая постоянная Земли;
μ ‒ проводимость Земли;
σ ‒ относительная магнитная проницаемость Земной поверхности.
DLOS ‒ расстояние луча прямой видимости между антенной НКУ и антенной БПЛА;
GT ‒ КУ антенны передатчика;
GR ‒ КУ антенны приемника;
GLNA ‒ КУ малошумящего усилителя;
PT ‒ мощность передатчика;
LC ‒ потери в кабеле;
PL (от англ. Propagation Loss) – потери распространения (оцениваются
по двухлучевой модели).
в разработанном ПО:
в желтых блоках – исходные данные
для обработки,
а в зеленых блоках – результаты обработки.
Параметры Земли:
ε ‒ относительная диэлектрическая постоянная Земли;
μ ‒ проводимость Земли;
σ ‒ относительная магнитная проницаемость Земной поверхности.
DLOS ‒ расстояние луча прямой видимости между антенной НКУ и антенной БПЛА;
GT ‒ КУ антенны передатчика;
GR ‒ КУ антенны приемника;
GLNA ‒ КУ малошумящего усилителя;
PT ‒ мощность передатчика;
LC ‒ потери в кабеле;
PL (от англ. Propagation Loss) – потери распространения (оцениваются
по двухлучевой модели).
В итоге «Программный модуль фреймворка для работы с трассировщиком циклограммы полета БПЛА по заданной траектории» исходя из перечисленных выше особенностей оборудования/компонентов и каналов связи различных БПЛА по представленной блок-схеме позволяет разработчику дрона взаимодействовать с базой данных координат полета для описания реального вектора тяги по трем составляющим [углы курса/рыскания (Yaw), тангажа (Pitch), крена (Roll)].