Моделирование применения ДКМВ канала в системах информационного обмена с беспилотными летательными аппаратами

А. В. Ананьев, А. Н. Катруша 
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил ≪Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина≫ 

Введение

В конце 20-го столетия в мире отмечается устойчивый интерес к комплексам беспилотных летательных аппаратов (БЛА) различного назначения. Это проявляется как в сферах гражданского, так и военного применения. Существует классификация БЛА, в которой выделяют отдельно класс БЛА малой дальности (МД) [1], область применения которых ограничивается дальностью 100–120 км. БЛА МД обладают рядом преимуществ по отношению к БЛА других классов, в том числе относительной неприхотливостью эксплуатации, т. к. не требуют взлетно-посадочной полосы, но обладают способностью нести достаточное количество полезной нагрузки. Понятие ≪малой дальности≫ в отношении БЛА МД изначально определялось однозначной взаимосвязью относительно малых габаритов БЛА и их малым радиусом действия, в том числе по причине малой дальности полета.

Однако, согласно данным из открытых источников [2], развитие последних лет БЛА МД, привело к тому, что дальность их автономного полета достигает 600 км, при этом дистанционно управляемый полет по-прежнему возможен только до 100–120 км. Автономный полет обладает рядом недостатков, прежде всего отсутствием контроля местонахождения и технического состояния БЛА МД, что влечет за собой риски потерь БЛА и угрозу для окружающих людей, жилых, производственных сооружений и т. д.

Таким образом, одним из ключевых недостатков каналов информационного обмена с БЛА МД является малая дальность радиосвязи. Это обусловлено рядом причин, прежде всего, недостаточной мощностью бортовой передающей аппаратуры и неэффективностью существующих каналов радиосвязи, что особенно проявляется при полете на малых высотах 200–300 метров, который необходим для детального наблюдения земной поверхности, что также снижает требования к аппаратуре наблюдения, а, следовательно, к ее стоимости.

В работе [3] представлена методика оценки выигрыша по радиодоступности БЛА в типовых ситуациях управления для трасс воздух-воздух (БЛА-БЛА), основанная на геометрической теории дифракции (ГТД), показавшая преимущества ДКМВ канала БЛА с использованием волны, распространяющейся вдоль земной поверхности. В работе [4] представлена разработка малогабаритной контурной антенны ДКМВ диапазона для беспилотных летательных аппаратов, которая позволяет решить проблему излучения электромагнитных волн коротковолнового диапазона с борта БЛА МД. В то же время остаются неучтенными влияние земной поверхности и управление БЛА с наземных дистанционных пунктов управления (НПДУ).

С целью верификации полученных результатов в работе [3] целесообразно провести экспериментальное исследование, в преддверии которого во избежание неоправданных затрат, целесообразно провести моделирование для типовых условий радиосвязи, включаянаправление НПДУ-БЛА, с использованием адекватной модели распространения радиоволн с учетом реального профиля земной поверхности, что и является целью работы.

Обоснование выбора модели распространения радиоволн и ее параметров при сравнительной оценке каналов радиосвязи БЛА Ключевым моментом при сравнительной оценке каналов связи является правильный выбор модели распространения радиоволн (РРВ). В работе для сравнительной оценки каналов была выбрана модель ITM Longley-Rice, реализованная в программном продукте ”Clif” [5] и показавшая достаточно высокую точность при реальных испытаниях БЛА.

Рассмотрим краткое описание использованной модели РРВ. Модель ITM Longley-Rice является полудетерминированной, т. е. сочетает в себе как некоторые эмпирически найденные зависимости, так и строгие формулы и законы РРВ. Модель ITM Longley-Rice описывает процесс распространения (затухания) радиоволн с учетом рельефа, подстилающей поверхности и климатических зон для РЭС диапазона от 20 МГц до 20 ГГц [6], что и требуется для подверждения результатов полученных в работе [3].

В модели ITM Longley-Rice учитываются следующие компоненты затухания:

- затухание при дифракции, которое, в свою очередь, складывается из затухания на двойном клиновидном препятствии (рассчитывается с помощью интеграла Френеля), затухания на скругленной поверхности (рассчитывается по ≪методу трех элементов≫ Воглера) и затухания из-за растительности (рассчитывается по эмпирической формуле);

_ затухание при сложении двух лучей – прямого и отраженного от Земли (находится с помощью расчета коэффициентов отражения и разности фаз лучей);

_ затухание при рассеянии лучей на неоднородностях тропосферы;

_ затухание электромагнитной волны в свободном пространстве.

Важным моментом также является выбор электронной карты, включающей карту высот местности. Так как моделирование радиосвязи осуществлялось на территории Российской Федерации (РФ), были использованы ”Яндекс.Карты”, характеризующиеся наибольшей точностью для РФ.

Сравнительная оценка каналов информационного обмена НПДУ-БЛА

При сравнении учитывались три радиочастоты 2400 МГц, 915 МГц и 20 МГц, параметры установок приведены в табл. 1.

Рассмотрим порядок моделирования для случая радиосвязи: антенна НПДУ поднята на 5 метров, высота полета БЛА 300 метров.

Рассматриваемая точка стояния антенны БЛА в Липецкой области, соответствует достаточно распространенной местности РФ. Высота поднятия антенны НПДУ 5 метров позволяет в достаточной мере исключить влияние земной поверхности, что особенно критично для ДКМВ канала. Высоты антенн НПДУ для каналов 2400 МГЦ и 915 МГц также заданы равными 5 метрам для постановки в равные условиях по мобильности комплексов связи. Антенная мачта (тренога) высотой 5 метров достаточно просто реализуема.

Высоты полета БЛА выбраны дискретными от 300 до 5000 метров, нижняя граница обусловлена относительно высокой безопасностью для БЛА, а верхняя граница – соответствует тактико-техническим характеристикам наиболее распространенных БЛА МД [2].

Таблица 1

Параметры моделирования каналов связи НПДУ-БЛА

 
Дальность радиосвязи 400 км выбрана исходя из некоторого упреждения максимально достижимой (600 км при автономном полете БЛА МД [2]), при условии возможности барражирования на максимальном удалении. Высота растительности, тип местности, тип климата выбраны для средней полосы России, что соответствует точке стояния. Тип поляризации выбран исходя из логики конформного размещения антенн на БЛА и образования круговой диаграммы направленности антенны (ДНА) в азимутальной плоскости. Так антенны высокочастотных диапазонов целесообразно размещать в киле БЛА МД, поэтому поляризация излучаемых ими радиосигналов – вертикальная. Для излучающей магнитной ДКМВ антенны конформное размещение возможно по контуру в плоскости планера БЛА самолетного типа [3, 4], поляризация при этом – горизонтальная.

Значение мощности передатчика НПДУ задано 2 Вт, которое также может быть реализовано на борту БЛА МД, что при некотором допущении о симметрии канала радиосвязи дает возможность предполагать, о возможности двусторонней радиосвязи.

Потери в фидере приняты равными во всех случаях равными 0 дБ, т.е. сделано допущение о совместном размещении передатчика и антенны, что справедливо как для НПДУ, так и для БЛА. Однако стоит отметить, что это является некоторым шагом в пользу высокочастотных диапазонов, так, например, при размещении передатчика НПДУ на земле, потери при использовании ДКМВ канала радиосвязи будут несравнимо меньше по сравнению с высокочастотными диапазонами.

Коэффициент усиления антенн, задаваемый в установках программы ”Clif” выбирался из условия реализации на борту БЛА для всех типов антенн равным единице, а для наземных из условия реализуемости антенной типа ≪волновой канал≫ для УКВ (2400, 915 МГц) и ненаправленной антенны для КВ (20 МГц).

Для постановки в равные условия по оценке дальности радиосвязи в работе принято допущение о том, что все каналы работают при уровне –7.447 дБм, что согласно известной формулы

где U – напряжение в мкВ, P – мощность в дБм, равно 3 мкв. Значение 3 мкВ выбрано на основе Рекомендации ≪Радиошумы≫ МСЭ-R P.372-11 [7], при условии работы в КВ диапазоне частот не ниже 15 МГц.

Для визуализации (расчета) всей зоны покрытия радиосвязью из точки стояния НПДУ сделано допущение о слежение за БЛА направленной антенной НПДУ, т. е. антенна НПДУ способна поворачиваться в сторону летящего БЛА, а ДНА, как следствие – всенаправленная.

Рассмотрим частный вариант моделирования на примере канала связи НПДУ-БЛА, при высоте полета БЛА равном 300 метров. Результаты моделирования РРВ для рабоче частоты (РЧ) 2400 МГц представлены на рис. 1.

Рис. 1. Измерение минимального расстояния радиосвязи НПДУ-БЛА при РЧ 2400 МГц
 

По результатам измерений минимальная дальность связи составила 22 км. Для постановки в равные условия оценки дальности радиосвязи, направление, обозначенное на рис. 1. ≪первая точка≫ – ≪вторая точка≫ зафиксировано и для него же при аналогичном моделировании для РЧ 915 МГц получено минимальное расстояние 32 км, результаты которого представлены на рис. 2.

Для уяснения характерного снижения напряженности поля в рассматриваемом направлении был проанализирован профиль рельефа, результаты анализа представлены на рис. 3. Синяя линия (см. рис. 3) означает направление прямого луча, который пересекается с препятствием (увеличенная область на рис. 3).

Увеличение дальности радиосвязи при переходе от РЧ 2400 МГц к РЧ 915 МГц свидетельствует о правильности моделирования, т. к. дифракционные свойства усиливаются при снижении РЧ. Результаты моделирования для РЧ 20 МГц представлены на рис. 4.

При моделировании радиосвязи НПДУ-БЛА при РЧ 20 МГц было учтено соотношении между длиной волны (20 МГц соответствует 15 метрам) и высотой поднятия антенны НПДУ на 5 метров, чем обеспечивается коэффициент усиления 6 дБ по результатам расчетов методом моментов [8]. Отображенная зона радиосвязи на рис. 4 показывает минимальную дальность радиосвязи при ДКМВ канале порядка 74 км. Кроме того, следует
 

Рис. 2. Измерение минимального расстояния радиосвязи НПДУ-БЛА при РЧ 915 МГц

Рис. 3. Профиль рельефа для направления максимальной дальности радиосвязи при РЧ 915 МГц

отметить (см. рис. 4) существенное увеличение общей площади радиосвязи и максимальной дальности.

По аналогии с приведенными результатами моделирования проведены исследования для других высот полета БЛА, представленных в табл. 1. По результатам моделирования получены зависимости минимальной дальности радиосвязи, представленные на рис. 5.

Зависимости дальности связи от высоты полета БЛА (см. рис. 5) подтверждают правильность замысла использования радиоканала ДКМВ для закрытых трасс в интересах увеличения радиодоступности за счет дифракции [3, 4]. Из графиков рис. 5 следует, что наибольшая эффективность применения ДКМВ канала достигает при маловысотном полете БЛА. При полете на высоте порядка 5000 метров, выигрыш по дальности становится незначительным. Выигрыш по дальности связи за счет ДКМВ канала составляет порядка
 

Рис. 4. Измерение минимального расстояния радиосвязи НПДУ-БЛА при РЧ 20 МГц

Рис. 5. Зависимости дальности связи от высоты полета БЛА канала связи НПДУ-БЛА

100: : :20 км по мере увеличения высоты полета БЛА Примечательно, что для высокочастотных каналов связи на высотах полета БЛА до 1000 метров также имеет место дифракционный эффект: дальность связи канала 915 МГц несколько больше по отношению к каналу 2400 МГц.

Сравнительная оценка каналов информационного обмена БЛА-БЛА Выигрыш по дальности радиосвязи за счет ДКМВ канала наблюдается также между БЛА. В работе было проведено моделирование различных вариантов радиоканалов для случая полета 2-х БЛА на равных высотах. Данные для моделирования канала БЛА-БЛА были использованы такие же как для канала НПДУ-БЛА (см. табл. 1), за исключением того, что коэффициент усиления антенны БЛА-передатчика для всех РЧ был принят равным единице. Результаты измерений приведены на графиках рис. 6.

Из зависимостей рис. 6 следует, что дальность радиосвязи для РЧ 915 МГц и РЧ 2400 МГц составляет в среднем 108 и 40 км соответственно, и практически не зависит от высоты
 

Рис. 6. Зависимости дальности связи от высоты полета БЛА канала связи НПДУ-БЛА

полета БЛА для условий моделирования представленных в табл. 1. Такие результаты обусловлены прежде всего двумя факторами. Первое, согласно известного выражения для определения дальности прямой видимости в км

где h1; h2 – высоты приемной и передающей антенн в метрах, при одновременном полете БЛА на высоте от 300 метров и более дальность прямой видимости составляет не менее 142,7 км. Второе, для рассматриваемых условий для 915 МГц и уж тем более 2400 МГц высота прямого луча на уровнем Земли существенно превышает диаметр первой зоны Френеля. Исходя из рассмотренных условий РРВ, дальность связи на рассматриваемых частотах 915 МГц и уж тем более 2400 МГц в основном определяется затуханием в свободном пространстве, чему и соответствуют расстояния 108 и 40 км, определяемые мощностью используемых передатчиков 2 Вт.

В части касающейся ДКМВ канала наблюдается многократное увеличение дальности связи по отношению к наиболее высокочастотным каналам, что обусловлено дифракцией коротких волн. При этом (см. рис. 6) при высоте полета БЛА 3000 метров для условий табл. 1 и коэффициента усиления антенн 1 дБ дальность связи превышает 400 км.

Сохранив установки (см. табл. 1) и постепенно уменьшая мощность передатчика, в работе определен уровень 90 мВт, при котором ДКМВ каналом обеспечивается дальность связи 400 км, результаты моделирования представлены на рис. 7.

Увеличение дальности ДКМВ канала обусловлено во-первых тем, что при высоте полета БЛА равной 3000 метров над поверхностью Земли для рассматриваемого района России, не менее 60 % первой зоны Френеля находится в свободном пространстве (см. рис. 7), во-вторых выигрышем за счет увеличения действующей длины приемной антенны при увеличении рабочей длины радиоволны [3].

Выводы

Проведенное моделирование показало существенное преимущество канала ДКМВ прямой волной по дальности радиосвязи по отношению к традиционным радиоканалам УКВ диапазона, как для условий закрытой, так и открытой трасс. Приняв во внимание существующие стандарты по радиосвязи РФ, ограничивающие полосу в КВ диапазоне 12 кГц, можно обеспечить при наиболее устойчивом виде модуляции – относительной фазовой модуляции, техническую скорость передачи данных до 3000 бит/сек, а также стандартный
 

Рис. 7. Обеспечение дальности радиосвязи 390–400 ДКМВ каналом связи

закрытый телефонный канал с полосой частот 3,1 кГц с четырехкратной частотной избыточностью. При сохранении традиционных дальностей применения – до 100: : :120 км и использовании ДКМВ приемопередатчика могут быть существенно снижены затраты энергии по отношению к каналам УКВ. 

Литература

1. Боевое применение беспилотных летательных аппаратов: Военное обозрение. Электрон. журн. – Режим доступа: https://topwar.ru/27536-boevoe-primenenie-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov.html.

2. Российский беспилотник ≪Орлан-10≫: Новости высоких технологий, науки и техники. Техкульт Электрон. журн. – Режим доступа: https://www.techcult.ru/technics/2736-bespilotnik-orlan-10.

3. Ананьев, А. В. Разработка контурных антенн декаметрового диапазона волн беспилотных летательных аппаратов работающих в составе аэромобильной сети связи / А. В. Ананьев, А. Н. Катруша // Технологии информационного общества: сб. тр. участников XI Международной отраслевой научно-технической конф. ≪Технологии информационного общества≫ (Москва, 15–16 марта 2017 г.). Москва, 2017. – С. 21–22.

4. Катруша, А. Н. Контурная антенна ДКМВ диапазона для беспилотных летательных аппаратов / А. В. Ананьев, А. Н. Катруша // Антенны. – 2017. – № 8. – С. 45–52.

5. Программа расчета зон радиовидимости ”Clif\’. – Режим доступа: https://cliff.okocenter.ru.

6. Расчетно-аналитический модуль оценки местности и радио-доступности объектов (РЭС) R&S PCT. Режим доступа http://www.eskomp.ru/UFiles/ins/PCT.pdf.

7. Рекомендация МСЭ-R P.372-11. Радиошум: электронный документ / Международный союз электросвязи. - Режим доступа: http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/RREC-P.372-11-201309-S!!PDF-R.pdf

8. Гончаренко, И. В. Антенны КВ и УКВ / И. В. Гончаренко. – Москва : Радиософт, 2016. – 744 с.