Безпілотні літальні апарати та їх характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обґрунтування актуальності розробки системи приймання інформації з БПЛА на основі технології SDR

1.1 Аналіз тактико-технічних характеристик малих БПЛА

Розрізняють безпілотні літальні апарати:

безпілотні некеровані

безпілотні автоматичні

безпілотні дистанційно пілотовані літальні апарати (ДПЛА)

Безпілотні літальні апарати прийнято ділити по таким взаємопов'язаним параметрами, як маса, час, дальність і висота польоту. Виділяють наступні класи апаратів:

-«Мікро» (умовна назва) масою до 10 кілограмів, часом польоту близько 1 години і висотою до 1 кілометра,

-«Міні» - масою до 50 кілограмів, часом польоту кілька годин і висотою до 3 - 5 кілометрів,

-середні («міді») - до 1 000 кілограмів, часом 10-12 годин і висотою до 9-10 кілометрів,

-важкі - з висотами польоту до 20 кілометрів і часом польоту 24 години і більше.

Для визначення координат і земної швидкості сучасні БПЛА як правило використовують супутникові навігаційні приймачі (GPS або ГЛОНАСС). Кути орієнтації і перевантаження визначаються з використанням гіроскопів і акселерометрів. Програмне забезпечення пишеться зазвичай на мовах високого рівня, таких так Сі, Сі ++, Модула-2, Оберон SA або Ада95. В якості апаратного забезпечення як правило використовуються спеціалізовані обчислювачі на базі цифрових сигнальних процесорів або комп'ютери формату PC / 104, MicroPC. Також можуть застосовуватися операційні системи реального часу, такі як QNX, VME, VxWorks, XOberon.

Безпілотний авіаційний комплекс призначений для вирішення наступних завдань:

Аерофотозйомка об'єктів. Це найбільш затребуваний вид робіт виконуваних з повітря. Розрізняють планову і панорамну (видову) аерофотозйомку. Планова фотозйомка виконується вертикально по відношенню до фотографується. Панорамна фотозйомка проводиться під кутом до горизонту, в результаті чого виходить панорамний Аерознімок.

Аеровідеос'емка об'єктів. У зв'язку з збільшилася роздільною здатністю сучасних відеокамер і відмінною якістю картинки, безпілотну аеровідес'емку застосовують не рідше, ніж звичайну фотозйомку з повітря. Надалі, вийшов відеоролик, при необхідності, нарізають на окремі кадри, вибирають найбільш цікаві та використовують їх як окремі аерознімки. Повітряна відеозйомка нерідко застосовується для отримання красивого відеозвіту про урочистих заходах та подіях, для рекламних цілей. Це можливість зняти захоплюючий репортаж про спортивному змаганні з повітря і відобразити на пам'ять барвисту шоу програму.

Проектування ділянки. Складання кадастру земель є складною і затребуваною завданням. Застосування дистанційно пілотованого літального апарату дає можливість малозатратного та ефективного вирішення для кадастрової аерофотозйомки. ДПЛА часто використовується для визначення меж земельних ділянок, оцінки вартості забудови. Від вибору ракурсу зйомки залежить видимість ділянки на аерофотографіях по відношенню до прилеглих водних ресурсів, лісових масивів, транспортних магістралей і розв'язок. Безпілотний апарат дозволяє дистанційно виставити необхідний ракурс зйомки і спостерігати за знімається ділянкою з повітря в режимі реального часу на моніторі оператора. Це дає можливість найбільш ефективно розмітити ділянки землі під промислове та цивільне будівництво.

Контроль периметра території, що охороняється. БПЛА здатний без участі людини в роботизованому режимі піднятися в повітря, облетіти територію по заданому маршруту з включеною відеокамерою або фотокамерою і повернутися на місце старту. У разі виявлення порушника (людини або транспортного засобу) проник на охоронювану територію або наближається до неї, безпілотник подає сигнал тривоги на станцію (НСУ). Оператор може в будь-який час взяти управління апаратом на себе, виконати необхідні дії і також повернути його до виконання поставленого завдання.

Допомога в пошуково-рятувальних роботах. Під час проведення пошуково-рятувальних робіт допомога безпілотного літального апарату складно переоцінити. Це пристрій здатний надати необхідну першочергову інформаційну підтримку службам порятунку при роботах на море, в пустелі, на території непрохідних боліт, в зонах стихійного лиха або техногенної катастрофи. безпілотний літальний апарат приймач

Виявлення об'єктів. Роботизований комплекс авіанаблюденія забезпечує пошук, виявлення та ідентифікацію об'єктів в режимі реального часу. Визначення їх точного місця розташування за допомогою супутникових систем GPS або ГЛОНАСС і передачу даних на наземну станцію управління. Об'єктами пошуку можуть бути: групи людей, окремі люди, транспорт, осередки пожеж, затоплень, об'єкти нерухомості, мости, дороги та інші споруди. Комплекс дозволяє вести пошук і виявлення об'єктів, як у денний, так і в нічний час доби.

Координація дій. Постійна пожежонебезпечна ситуація в лісах призвела до колосального матеріального збитку, катастрофи, стихійні лиха та інші надзвичайні ситуації вимагають наявності у служб порятунку та ліквідації аварій ефективних технічних засобів оперативної координації дій. Таким засобом є дистанційно пілотовані літальні апарати з встановленими на них новітніми відеокамерами, тепловізорами, камерами нічного бачення. Вся інформація з ДПЛА надходить в режимі реального часу на наземну станцію (НСУ) і в головний центр управління, що дозволить оперативно координувати дії наземних сил.

Спостереження за ходом робіт. Не рідко виникають ситуації, коли необхідно проконтролювати хід виконання робіт, наприклад, на споруджуваному висотній будівлі. Щоб піднятися пішки на верхні споруджувані поверхи і проінспектувати роботу потрібно досить багато часу. А безпілотний літальний апарат з встановленою камерою для аеровідеос'емкі зможе це зробити за лічені хвилини. Причому він може облетіти всю будівлю цілком і записати інформацію в архів або передавати відео в масштабі реального часу на дисплей оператора. Спостереження за допомогою БПЛА може вестися по всій території будмайданчика або іншого об'єкта.

Контроль температури на об'єкті. Роботизований авіаційний комплекс із встановленими тепловізором і пірометром здатний проводити дистанційний контроль температури в реакторах на таких складних об'єктах, як АЕС. Апарат здатний зависати над об'єктом і проводити, при необхідності, більш ретельний аналіз. В інший час БПЛА може обстежити обладнання станції в режимі патрулювання за заданою програмою.

Контроль вмісту токсичних речовин. На багатьох небезпечних виробництвах, навіть при дотриманні всіх заходів безпеки, не виключені аварійні ситуації з можливим викидом в атмосферу токсичних речовин. Для раннього виявлення та оповіщення персоналу про витік отруйних речовин вже зараз на деяких підприємствах застосовуються надлегкі безпілотні літальні апарати з встановленими на них датчиками і газоаналізаторами. Обліт території і контроль вмісту в повітрі токсичних викидів може здійснюватися в автоматичному режимі по заданому маршруту з можливістю переходу на напівавтоматичне управління БПЛА. Всі дані з датчиків літального апарату будуть постійно передаватися на станцію управління.

Якщо з яких-небудь причин порушується зв'язок між БПЛА і станцією управління, то автоматично включається режим повернення і безпілотний літальний апарат летить в точку запуску для штатної посадки. При відновленні зв'язку під час повернення апарату оператор може відновити виконання поставленого завдання. Швидка підготовка до польоту БПЛА дозволяє оперативно реагувати в будь-яких ситуаціях.

Безпілотні літальні апарати -- літальні апарати (ЛА), керування якими здійснюється без екіпажу. До них належать дистанційно пілотовані літальні апарати (ДПЛА), ЛА літакової схеми, керування якими здійснюється автономно (БПЛА), а також автоматичні космічні апарати. ДПЛА і БПЛА можуть бути бойовими (ударними), розвідувальними та як мішені одно- й багаторазового застосування. У широкому розумінні до БПЛА належать також і керовані ракети різного призначення [11].

Існують і використовуються також такі визначення:

дистанційно пілотований літальний апарат - це БПЛА, безперервне керування яким здійснюється тим або іншим способом з нерухомого або рухомого пункту управління;

ДПЛА - це автоматичний ЛА, здатний виконувати політ за заданим маршрутом і підтримувати свою орієнтацію у просторі без залучення людини, але водночас готовий невідкладно реагувати на керуючі впливи людини-оператора.

Деякі фахівці пропонують ввести термін безпілотний автоматичний літальний апарат - БПЛА, який реалізує своє функціональне призначення в автоматичному режимі згідно з закладеними в нього алгоритмами і проірамами функціонування (крилаті ракети, літаки-розвідники тощо).

З розвитком безпілотних засобів різниця між БПЛА та ДПЛА поступово зникла. По-перше, сучасні зразки цієї техніки (крім, наприклад, деяких типів крилатих ракет),,як правило, передбачають можливості реалізації як автономного керування за програмами, так і втручання в процес керування людини-оператора [65]. Тобто обидва основні принципи керування поєднані. По-друге, ці літальні апарати можуть будуватися за різними схемами і залежно від цільового навантаження виконувати різні завдання. І хоча існуючі проекти БПЛА розроблені або розробляються здебільшого для виконання завдань розвідки, широкий спектр технологічних напрацювань з високим ступенем уніфікації і модульності побудови надає можливість створення систем (комплексів) БПЛА для виконання практично будь-яких завдань [85, 1], у тому числі:

збирання інформації, яка забезпечує ухвалення політичних рішень у кризових ситуаціях;

оптичну, радіометричну, радіолокаційну, радіо- і радіотехнічну, радіаційну, хімічну і бактеріологічну розвідку вдень і вночі;

протиракетну оборону , включаючи виявлення і знищення відповідних цілей;

виявлення мін і мінних полів та дій щодо їх установлення;

РЕБ (постановку активних і пасивних радіоелектронних завад радіо- і радіотехнічним засобам противника);

лазерну дальнометрію і лазерні цілевказання системам ВТЗ;

керування вогнем і цілевказання наземній і морській артилерії;

завдання ударів по наземних цілях, ураження високозахищених цілей (у перспективі боротьба з повітряними цілями); виявлення й ураження РЛС; придушення засобів ГШО противника; оцінювання результатів ударів, завданих по противнику; ретрансляцію повідомлень і даних; збирання метеорологічної інформації тощо.

Тому питання цільового призначення і принципів керування (дистанційного або автономного) слід вилучити із назви БПЛА і передбачити в класифікації цих засобів. Найголовнішою відмітною рисою БПЛА є фізична відсутність людини на борту.

Виходячи із зазначених особливостей, можна запропонувати таке визначення - під БПЛА (ЕЛЛА) розуміється будь-який ЛА без людини на борту, призначений для вирішення будь-яких завдань, керований дистанційно, за програмою або комбіновано.

Основними складовими БПЛА є: повітряна платформа з системою посадки (за необхідності спеціальна система запуску), силова установка, джерело живлення для силової установки, система електроживлення, бортове радіоелектронне обладнання, до якого належить бортове обладнання керування й електронні елементи цільового навантаження.

До складу бортового обладнання керування входять бортова електронно-обчислювальна машина або спеціальні обчислювачі чи спеціальні процесори, приймач сигналів радіонавігаційної системи, висотомір, гіровертикаль, бортова система зв'язку і передачі даних, рульові машинки.

Отже, БПЛА є складним інтегрованим комплексом, який, у свою чергу, є складовою так званих безпілотних авіаційних комплексів.

Під БПАК слід розуміти сукупність одного або декількох БПЛА, засобів забезпечення їх запуску, керування і зв'язку, отримання і обробки цільової, службової та спеціальної інформації, технічного обслуговування і транспортування.

Тобто основними елементами БПАК, крім БПЛА, є наземний (морський, повітряний) пункт уігравління та засоби забезпечення (підготовки до запуску, виконання запуску, транспортування, обслуговування тощо).

Пункт управління -- це система, обов'язковими елементами якої є: засоби керування повітряною платформою (пілотування) із командним радіоканалом, система керування цільовою апаратурою із засобами, які забезпечують отримання поточної розвідувальної інформації та виконання інших цільових завдань, система обробки результатів розвідки і їх підготовки до використання, засоби зв'язку і передачі даних користувачам.

У системах керування безпілотних засобів різного призначення можуть використовуватися як принципи програмного керування, так і методи командного радіокерування або телекерування [1].

Під телекеруванням розуміється керування ЛА з ПУ шляхом вироблення і передавання на борт керованого об'єкта команд для впливу на положення рульових елементів. При цьому дані про об'єкт, на який здійснюється наведення (цілі), можуть бути отримані або безпосередньо на ПУ (телекерування 1-го роду), або на борту безпілотних засобів різного призначення і передані на ПУ для вироблення відповідних команд (телекерування 2-го роду).

Комплексна система керування безпілотних засобів різного призначення, як правило, являє собою сукупність функціональних вузлів (окремих систем) і містить [1]: інерційні навігаційні засоби; космічні навігаційні засоби; засоби автономного керування (за програмою); засоби дистанційного (ручного) керування; апаратуру передавання даних.

Особливу роль у комплексній системі керування займає система зв'язку і передачі даних. Ця система є основною для телекерованих безпілотних засобів різного призначення і складається, як правило, з трьох радіоканалів: командного, телеметричного й інформаційного, утворених відповідними радіолініями і апаратурою прийому, обробки і передачі даних.

Командний радіоканал призначений для передачі сигналів керування БПЛА з пункту управління на його бортову апаратуру, яка відпрацьовує отримані команди керування. За цими командами БПЛА робить різного роду маневри, змінює висоту, курс і швидкість польоту, а також відпрацьовується зміна режимів роботи розвідувальної та іншої апаратури.

Телеметричний канал призначений для передачі квитанцій про виконання команд, що надходять на борт. Передавання сигналів від бортових інформаційних датчиків здійснюється по інформаційному каналу. Як правило, інформаційний і телеметричний канали об'єднані в один зворотний радіоканал, на відміну від командного -- прямого каналу [1].

Ефективність бойового застосування безпілотних засобів різного призначення багато в чому визначається якістю функщонування командного та інформаційного каналів як найбільш уразливих з погляду РЕГІ ланок системи керування.

Найважливішим елементом командного та інформаційного каналів є супутникові лінії зв'язку і канали навігаційного забезпечення. Для високоефективного застосування безпілотних засобів різного призначення широко використовується інформація від розвідувальних систем та систем метеорологічного і топогеодезичного забезпечення космічного базування.

Безпілотні авіаційні комплекси для виконання завдань можуть поєднуватися у безпілотні авіаційні системи.

Під безпілотною авіаційною системою слід розуміти сукупність функціонально взаємозв'язаних БПАК та технічних засобів, які дозволяють організувати їх застосування за єдиним замислом і планом. Система обслуговується спеціально підготовленим особовим складом і узгоджено функціонує з метою виконання поставлених завдань.

Надзвичайно важливим з практичної точки зору є питання класифікації БПЛА.

В основу класифікації, прийнятій в НАТО, покладено поділ БПЛА за висотою і тривалістю польоту. За цими ознаками клас БПЛА з великою тривалістю польоту, у свою чергу, поділяється на такі різновиди:

висотні БПЛА з великою тривалістю польоту НАТЕ;

середньовисотні БПЛА з великою тривалістю польоту.

Тактичні БПЛА за підходами, які прийняті в НАТО, класифікуються за дальністю дії на БПЛА ближньої дії та БПЛА малої дальності .

Крім того, у зазначеній класифікації окремо виділяються БПЛА корабельної категорії та мікробезпіпотні ЛА (МБПЛА).

Зважаючи на те, що класифікація має спрощувати та полегшувати процес вибору командиром того або іншого способу застосування БПЛА, визначення його ролі і місця під час планування та проведення бойових дій (операцій), слід враховувати, крім вищезазначених показників, і такі, що дадуть змогу чітко визначити, які саме БПЛА потрібні для виконання конкретних бойових завдань. Вперше класифікація безпілотних засобів була надана у [74]. Нижче надається загальна класифікація безпілотних засобів у доповненому та уточненому вигляді.

Класифікувати БПЛА доцільно за такими ознаками:

за масштабом вирішуваних завдань -- тактичні (ближньої дії (до 80.км)), оперативно-тактичні (малої дальності (до 300 км)), оперативно-стратегічні (середньої дії (до 700 км), великої дальності (понад 700 км));

за рівнем і ланкою використання - бригада, батальйон; армійський корпус, дивізія; оперативне управління СВ; оперативне управління збройних сил;

за характером завдань -- розвідники, РЕБ; забезпечувальні (зв'язок, управління, метео-, мішені); комбіновані; бойові (ударні);

за вагою - малорозмірні (мікро - до 5 кг, міні - 5-200 кг), середньороз-мірні (200-2000 кг), великорозмірні (2000-5000 кг), важкі (понад 5000 кг);

за тривалістю польоту - малої тривалості (і < 6 год), середньої тривалості (6 < і < 12 год), великої тривалості (t> 12 год);

за практичною стелею польоту - маловисотні (H < 1 км), середньовисотні (1 <Н<4 км), висотні (4 <Н< 12 км), стратосферні (H> 12 км);

за типом ЛА - за літаковою аеродинамічною схемою; за вертолітною аеродинамічною схемою; легші за повітря (прив'язані, вільнолітаючі);

за типом двигуна -- з електричним, з поршневим, з турбореактивним, з турбовальним і турбогвинтовим;

за базуванням -- наземного базування, космічного базування, морського базування;

за кратністю застосування -- одноразові, багаторазові;

за принципом керування - дистанційно пілотовані, автономно (за програмою) пілотовані, комбіновано пілотовані

1.2 Обґрунтування необхідності розробки системи приймання інформації з БПЛА на основі технології SDR

Розвиток технологій відбувається весь час, і з кожним роком комп'ютер все більше і більше входить в наш побут. Застосування комп'ютера в радіоаматорській практиці протягом останніх 15 років обмежувалося веденням апаратного журналу, управлінням трансивера по RIG-інтерфейсу та обробкою сигналу в цифрових видах зв'язку. Зі стрімким збільшенням обчислювальних потужностей і мініатюризацією інтегральних схем, стало можливо вбудовувати мікрокомп'ютери, в класичні трансивера. Спочатку обробляли НЧ сигнал, потім стали оцифровувати сигнал уже на низькій ПЧ - 12..48кГц, і вже програмно кодувати\декодувати будь-які види модуляції. На цьому донедавна і зупинився розвиток всіх трансиверів. Десь до початку 2000-х років. За останні 10 років основні кити трансиверобудування, далі цієї планки не стрибнули. Залишилася все та ж технологія основної фільтрації і обробки сигналу на проміжній частоті. Вся увага робиться на розширенні сервісу управління і відображення. Красиві кольорові екрани і безліч кнопочок, що замінюють ручки, сучасна елементна база. Але принципи обробки сигналу залишилися все ті ж, що і 80 років тому, коли з'явилася сама ідея принципу обробки сигналу на проміжній частоті. Залишилися все ті ж проблеми з побічними каналами прийому, нелінійність безлічі каскадів обробки сигналу, проблеми якісної фільтрації і завдання правильного балансу посилення по каскадах і пов'язаними з цим шумами. Протягом десятиліть різні фірми намагаються вирішити ці завдання тими чи іншими способами нарощуючи складність і вартість цієї диво-коробочки, що стоїть у кожного радіоаматора на столі. В 2004 ... 2006 році, на ринку з'явилася фірма Flex-radio, яка підійшла до питання конструювання з новою ... хоча, з якою новою? Зі старою, давно забутої сторони. Flex-и застосували принцип прямого перетворення сигналів. У цьому принципі, спектр сигнал з радіо частоти переноситься відразу в низькочастотну область спектру і тут же обробляється. У нашій країні, цей принцип на початку 80-х років застосував і почав шірокопопулярізіровать ВладімірТімофеевіч Поляков, RA3AAE. З його простих схем, багато юних початківці радіоаматори починали свій шлях у радіо, в тому числі і Я. Але тоді цей принцип не набув широкого поширення. Пов'язано це було з тим, що було потрібно мотати безліч котушок і точно налаштовувати каскади фільтрації, що б отримати високі характеристики трансивера. Було багато й інших технологічно складних моментів.

З широким розповсюдженням комп'ютера, стало можливим оцифрувати потрібну смугу спектра і вже в програмі фільтрувати й обробляти сигнали, що позбавило від необхідності мотати безліч котушок. Основною особливістю принципу прямого перетворення, є наявність 2-х каналів обробки сигналу, зсунутих один щодо одного на 90 градусів. Т.зв. метод квадратурної обробки сигналів. Виходить, технологія прямого перетворення увазі 2 приймача прямого перетворення в одному корпусі - вони і складають основу всього методу. Flex Radio ж, пішов далі. В одній програмі вони реалізували не тільки обробку сигналів, а й управління трансівером. Технологічно, це дозволило позбутися від безлічі каскадів класичного трансивера, і звести до мінімуму кількість вузлів обробки сигналу. У залозі залишилися всього кілька вузлів. Синтезатор частоти, керований від комп'ютера, змішувач прийому і передачі, малошумящий широкосмуговий УНЧ, вузли комутації прийому \ передачі і ще підсилювач передавача. Так з'явився на світ перший трансивер FlexSDR-1000.

SDR (SoftwareDefineRadio) - програмно визначається радіо, буквально. Все добре! Неперевершено якісний звук, високі динамічні характеристики трансивера далеко відкинули назад классіку. Но були й труднощі. Ті, хто починав освоєння технології SDR 5-7 років тому, пам'ятають, скільки коштувало сил підібрати потрібну звукову карту для комп'ютера, налаштувати програмне забезпечення. Звукова карта Delta-44 стала легендою!

І сьогодні, якщо раніше в якості оцифровки сигналу ми були обмежені якістю звукової карти, то тепер цієї проблеми не існує. За останні 5 років стався черговий прорив в області мініатюризації та інтеграції мікросхем, стало можливим винести весь низькочастотний тракт назад в корпус трансивера. Фірма Flex radio, застосувала самі передові і кращі мікросхеми АЦП. Вмонтувавши їх в трансивер, Flex-и позбавили нас від необхідності шукати «правильну» звукову карту і звільнили стіл від безлічі проводів. Тепер стало можливим управляти трансівером по одному FireWare - кабелю. Так з'явилися на ринку флагманський трансивер Flex SDR-5000 і його молодший аналог - Flex SDR-3000. Вибір в якості керуючого, настільки екзотичного інтерфейсу - IEEE-1394a (FireWare), був викликаний необхідністю пропустити по одному шнуру максимально широкий цифровий потік, який дозволяє обробити приємним АЦП і ЦАП. Flex SDR-5000 і Flex SDR-3000 на сьогодні є передовими трансиверами за якістю обробки сигналу, оцифровувати смузі сигналу і мають максимально можливі динамічні характеристики. Один недолік у них - трансивери вийшли дюже дорогі. Тоді фірма Flex-radio вирішила випустити бюджетний варіант трансивера Flex-1500. Він з'явився зовсім недавно - в 2010 році. Його параметри трохи скромніше, ніж старші аналоги. Але скромність стосується тільки ширини смуги обробки сигналу і застосовуваним інтерфейсом. Тепер це USB 2.0! Ну і потужність трансивера зробили поменше. Вийшов дуже зручний QRP-апарат. З моєї точки зору - найоптимальніший!

Розглядаючи трансивер Flex SDR по параметру динаміка, можу сказати, що я впевнено приймаю всіх кореспондентів при тому, що навколо мене в радіусі 1 км проживає близько 8 активних радіоаматорів з потужностями від 100 до 500Вт, і перебувати близько 3-х баз таксі на 27МГц, з такими ж потужностями. Це відповідає динаміці цифрою приблизно 90дБ. Для порівняння, маючи такий відомий трансивер як Kenwood TS-870s, я все ж пари людей мав дискомфорт, коли вони включалися з підсилювачами. На Flex SDR, я бачу їх включення на екрані, але це ніяк не заважає мені чути свого кореспондента.

Якщо розглядати схемотехнику, то в СДР динаміка залежить, насамперед, від аналого-цифрового перетворювача. Загальна динаміка апарату, легко вираховується з розрядності АЦП. Для 16-бітної АЦП - це 96 дБ. Реально близько 90 дБ. Для 24-бітного АЦП - 144 дБ, реально - 130-136 дБ. Від змішувача СДР - ця цифра практично не залежить, тому він виконаний на практично «ідеальних» аналогових пере множниках, виконаному на основі цифрової мікросхеми. Динаміка «цифрового» змішувача, перевалює за цифру 150 дБ і перш ніж змішувач вийде з лінійного режиму - перевантажити всі інші каскади.

Вибірковість - так само один з важливих параметрів, який ми сприймаємо безпосередньо своїми вухами.

У трансивері з класичною схемотехнікою супергетеродинного типу, вибірковість визначається якістю Фільтра Основний Селекції (ФОС). І навіть у найсучаснішому, цифровому трансивері типу ICOM серії Pro, 7хххілі Yaesu FT-ХХХХ не допоможе ніяка цифрова обробка сигналу, якщо потужна перешкода пролізе в смугу ФОС. Найчастіше це одна з найдорожчих опцій для трансивера. І для того що б трансивер на столі почав гідно звучати - потрібно пристойно розоритися на кілька якісних фільтрів. У СДР-трансивері Flex-1500 і старших моделях SDR-3000 і SDR-5000 всі ці недоліки відсутні спочатку! Програмно можна налаштувати фільтр БУДЬ смуги! Можна налаштувати не тільки смугу, але й характеристики скатів фільтра. І навіть такі можна конфігурувати фільтри, - які в залозі реалізувати в принципі не можна. Тобто як таке поняття ФОС в СДР вже втрачається. У СДР фільтрується сигнал відразу, практично з ефіру і з дуже високими характеристиками. Все це дозволяє дуже ефективно відбудовуватися від заважають сусідів, т.зв. «Свищиків» - тональних перешкод. Застосовуючи сучасні складні математичні алгоритми DSP, стало можливо очищати від шуму вихідні сигнали, що приймаються. І якщо раптом хто то прилаштуватися буквально в 2х кілогерцах поруч і почне розмову, то він вже не буде так заважати як раніше. У старому трансивері єдиним виходом з такої ситуації було відбудуватися в сторону або качнути свій сигнал до такої міри, що б вигнати всіх в смузі 5-7кГц по сторонах. У СДР-трансивері тепер можна просто посунути скат фільтра на 500-700Гц і докучливого сусіда більше не чути. Ми його бачимо на екрані, але нам він вже не заважає спілкуватися.

Чутливість - здатність приймача розрізняти найслабші сигнали приймаються антеною. Цей параметр визначається власними шумами приймача. У класичному трансивері, це знову ж комплексна характеристика, що залежить від правильності проектування. Крім того, на чутливість зав'язана, виходить, ще й динаміка і вибірковість.

У супергетеродинному трансивері чутливість визначається збалансованим посиленням по всіх трактах, починаючи від антенного входу і закінчуючи УНЧ. У СДР-приймачі такого жорсткого підходу до балансу посилення немає. Змішувач, завдяки тому, що використовується подвійна балансная схема, вносить мінімум втрат. Так само завдяки тому, що в якості елементів змішувача використовуються аналогові високошвидкісні ключі - такий змішувач практично не шумить. Все посилення відбувається на низькій частоті і забезпечується новітніми спеціалізованими понад малошумящими широкосмуговими мікросхемами. Для того що б зберегти високим параметр динаміки АЦП, посилення МШУ УНЧ вибрано мінімальним і фактично воно компенсує втрати в змішувачі та вхідних ланцюгах. Після АЦП цифровий потік відправляється в програму, де і здійснюється основне посилення і обробка сигналу вже програмним методом.

На ВЧ-діапазонах починаючи від 10МГц і вище, є сенс реалізувати додаткове посилення, тобто забезпечити підвищену чутливість. Завдяки відносно малому рівню атмосферних перешкод, меншої щільності сигналів і меншому їх рівню на частотах вище 10МГц можна збільшувати чутливість трансивера предусилителями не боячись перевантажити каскади посилення і ФОС. У відомих трансиверах ICOM, 756 серії Pro Х, попередніх підсилювачів ставлять навіть по 2 штуки. У трансиверах Flex SDR, варто один високо динамічний попередній підсилювач з нормованим посиленням 20дБ. Додаткове посилення здійснюється регулюванням МШУ по НЧ. Навіть без передпідсилювача чутливість трансиверів Flex SDR, становить -116дБм - це відповідає 0.35мкВ. З включеним предусилителем в середньому положенні чутливість поліпшується до значення -127дБм або 0.099мкВ, з максимальним посиленням чутливість становить вже -139дБм або 0.025мкВ і обмежена вже шумами самого предусилителя. Якщо порівнювати по чутливості класичний трансивер з SDR трансівером, то тут SDR виграє відразу не тільки по чутливості, але і по такому параметру як «галасливість». Цей параметр зовсім не очевидний на перший погляд і не фігурує в жодному рейтингу. Але, часто він є найголовнішим із суб'єктивних оцінок якості роботи трансивера. У разі якщо людина досить довгий час проводить в ефірі, та ще й в навушниках - то фактор шумності стає просто одним з головних. Це різниця проявляється, коли знімаєш навушники і голова «гуде» від шуму чи знімаєш навушники «повністю відпочив від мирських турбот». У параметрі «галасливість» SDR-трансивер залишив далеко позаду класику, включаючи ICOM IC-7x00 і Yaesu FT-X000. Як приклад, зараз, коли я пишу цю статтю, у мене на столі одночасно варто включений Yaesu FT-897D і Flex-1500. Я їх по черзі слухаю і помічаю, що Yaesu FT-897D має характерний шум навіть у відсутності сигналу (це не шуми QRN \ QRM) і я від нього не можу ні чим позбутися. Це так спроектований трансивер. Перемикаючи звук на Flex-1500, я можу так налаштувати звук, що навіть в умовах сильних індустріальних перешкод (а вони в мене до 9 + 20дБ доходять) я можу витягнути слабкий сигнал буквально над рівнем шуму, очистити його, і комфортно прослухати. Тобто якісно підвищуємо параметр сигнал \ шум. Жоден звичайний трансивер так не вміє!

1.3 Аналіз особливостей побудови SDR приймача

В аналізі побудови SDR приймача ми повинні будемо розглянути елементи самого приймача та їх функціональні особливості.Упевнений, для багатьох з вас, як і для мене зовсім недавно те, що відбувається в радіоефірі було справжньою магією. Ми вмикаємо телевізор або радіо, піднімаємо трубку стільникового телефону, визначаємо своє становище на мапі по супутниках GPS або ГЛОНАСС - і все це працює автоматично. Завдяки RTL-SDR у нас з'явився доступний спосіб заглянути всередину всього цього чарівництва. Як вже говорилося, RTL-SDR - це ціле сімейство дешевих ТВ-тюнерів, здатних виконувати функцію SDR-приймача. У цих іграшок різні назви та бренди, але об'єднує їх одне - всі вони побудовані на чіпсеті RTL2832. Це мікросхема, що містить два 8-бітних АЦП з частотою дискретизації до 3,2 МГц (проте вище 2,8 МГц можуть бути втрати даних), і інтерфейс USB для зв'язку з комп'ютером. Ця мікросхема на вході приймає I- і Q-потоки, які повинні бути отримані інший мікросхемою. R820T і E4000 - це дві найбільш зручні для SDR мікросхеми, реалізують радіочастотну частина SDR: підсилювач антени, перестроюваний фільтр і квадратурний демодулятор з синтезатором частоти. На малюнку - блок-схема E4000.

Рис.1

Різниця між ними така: E4000 працює в діапазоні ~ 52-2200 МГц і має трохи більшу чутливість на частотах менше 160 МГц. Через те що виробник E4000 збанкрутував і мікросхема знята з виробництва, що залишаються тюнери купувати все важче, і ціни на них ростуть. R820T працює в діапазоні 24-1766 МГц, однак діапазон перебудови внутрішніх фільтрів сильно ускладнює роботу R820T вище 1200 МГц (що робить неможливим, наприклад, прийом GPS). На даний момент тюнери на цій мікросхемі легко купити, і коштують вони близько 10-11 доларів.Також продаються тюнери на мікросхемах FC0012 / FC0013 / FC2580 - у них дуже серйозні обмеження по частотах роботи, і краще їх не купувати. Дізнатися, на якій мікросхемі зроблений тюнер, можна в описі товару або запитавши у продавця. Якщо інформації по використовуваних чіпам ні - краще купити в іншому місці.

Розглянемо також необхідний для виконання поставленого нам завдання SDR приймач на мікросхемах RTL2832U + R820T володіє наступними характеристиками:

Діапазон частот: 24 - 1750МГц

Модуляція: АМ, FM, NFM, LSB, USB, CW (ADS-B, D-STAR, AIS та інші види ...)

Смуга огляду: змінюється від 250кГц до 3МГц

Чутливість: 0.22мКв (на 438МГц. В режимі NFM)

Вхідний опір приймача: п'ятидесятих

Діапазонні фільтри: тільки зовнішні

Розрядність АЦП: 8біт

Динамічний діапазон: 50дБ (в режимі CW)

Затримка сигналу: 340мсек.

Інтерфейс: USB 2.0

Вимоги до ПК: будь-який сучасний

Операційна система: Windows, Linux, Android

Для чого потрібен радиолюбителю SDR приймач? Проконтролювати якість свого сигналу, послухати круглий стіл, визначити проходження, прийняти APRS маяки. Цей SDR-приймач можна використовувати як панорамну приставку до КВ трансивер, як селективний вимірювач і як аналізатор спектру.RTL-SDR приймач перекриває аматорські діапазони: 24МГц, 28МГц, 50МГц, 145МГц, 430МГц, 1270МГц і безліцензійної частоти CB, LPD, PMR.

Крім можливостей цікавих радіоаматорам, цей приймач можна використовувати і за прямим призначенням. Встановивши програму з CD-диска, ви зможете дивитися цифрове TV в стандартах DVB, DVB-T, слухати цифрове DAB + і аналогове FM радіо.

Розглянувши технічні характеристики даного приймача ми можемо сказати, що він задовольняє нашим вимогам щодо поставленого завдання. Тому він і був обраний для подальшої роботи.

2. Розробка макету системи приймання інформації з БПЛА на основі технології SDR

2.1 Розробка структурної схеми системи приймання інформації з БПЛА на основі технології SDR

Безпілотні засоби на сьогодні широко використовуються в інтересах інформаційно-розвідувального забезпечення, вогневого і радіоелектронного впливу на протиборчу сторону. Безпілотні авіаційні комплекси (БПАК) стали обов'язковою складовою озброєння армій розвинутих кран світу. Якщо раніше вони використовувалися переважно для вирішення стратегічних та оперативних завдань, то з початку 90-х років в умовах бурхливого розвитку інформаційних технологій та високотехнологічних систем суттєво зросла їх роль під час ведеїшя бойових дій у тактичній ланці.

Концептуальні напрями розвитку безпілотних засобів в інтересах вирішення завдань національної безпеки та в інших сферах визначаються, з одного боку, співвідношенням між важливістю і обсягами завдань, які необхідно і можна ефективно вирішувати за допомогою повітряних платформ без людини на борту, з іншого - вартістю розроблення, виробництва та експлуатації безпілотних засобів, а головне - ефективністю їх бойового застосування. Усе це великою мірою залежить від рівня розвитку науки, техніки і технологій.

При розробці структурної схеми будь якої системи прийому-передачі інформації ми розглядаємо два основних елементи цієї ситсеми. Перший елемент це передавач, другий - приймач. Наша система прийому інформації за БПЛА не є винятком але має деякі свої особливості. Тому нам необхідно буде розглянути декілька варіантів її реалізації.

Першим варіантом буде структурна схема представлена у вигляді двох основних елементів з одним каналом зв'язку. В якому від наземної станції до БПЛА будуть надходити команди управління, а в зворотньому напрямку будуте надходити телеметрична та спеціальна інформація.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2 Зв'язок

Першим варіантом є система приймання інформації з однією командною радіолінією. Між бортовою системою радіомоніторнигу і системою управління відбувається безпосередньо на борту БПЛА. Від системи управління надходять команди управління до БСРМ, а в зворотньому шляху надхить телеметрична інформація та спеціальна інформація здобута в ході радіомониторингу заданого простору.

На наземній станції відбувається дещо інший процес. Від ситсеми наземного радіомоніторингу команди управління через наземну систему управління БПЛА передаються до системи управління, що знаходиться на борту літального апарату.



Рис. 3

Перевагою даної системи є одна командна радіолінія, що спрощує реалізацію цієї системи.

Другим варіантом буде система реалізована з двома каналами обміну інформацією. Першим каналом буде канал між елементом наземної ,станції системою управління, та елементом БПЛА , системою управління. По данному каналу будуть передаватись сигнали управління БПЛА, та телеметрична інформація яка містить в собі GPS(місцеположення та висоту польоту), параметри БПЛА, команди управління, квитанції відповіді.

По каналу між наземною та бортовою системою радіомоніторингу передається спеціальна інформація, яка містить в собі інформацію про пеленг, час зняття пеленгу, частотні характеристики.

Керування приймачем встановленим на бортовій системі радіомоніторингу може здійснюватись за допомогою налагодження мережі віддаленого керування.



Рис.4

В даній системі реалізовано дві командні радіолінії, що дозволяє керувати БПЛА одній людині, а іншій займатись радіомоніторингом. Що суттєво може покращити результати поставленого завдання. Але це є і недоліком оскільки на даний час людський ресурс є обмеженим. Тому в подальшій роботі ми будемо розглядати систему з однією командною радіолінією.

2.2 Розробка макету системи приймання інформації з БПЛА на основі технології SDR

Ми обрали систему приймання інформації з БПЛА з однією командною радіолінією тому, що вона задовольняє наші вимоги і є більш простою в реалізації. Для початку ми повинні розглянути необхідні елементи нашої системи більш детально. Для забезпечення завдань радіомониторингу, у реальному масштабі часу в процесі польоту, а також визначення координат досліджуваних ділянок місцевості корисне навантаження БПЛА [2] повинна містити у своєму складі:

* Пристрої радіомоніторингу;

*спутниковую навігаційну систему;

* Пристрою радіолінії спеціальної й телеметричної інформації;

Пристрою командно-навігаційної радіолінії з антенно-фідерним пристроєм;

*пристрій обміну командною інформацією;

* Пристрій інформаційного обміну;

* Бортова цифрова обчислювальна машина (БЦВМ);

*пристрій зберігання спеціальної інформації.

Радіоприймальний пристрій закріплюється нерухомо під деяким кутом до стройової осі літального апарата, що забезпечують необхідну зону захвата на місцевості. До складу радіоприймального пристрою може входити антенна система і радіоприймальний пристрій. Залежно від розв'язуваних завдань може бути оперативно замінена або доповнена тепловизионной камерою, цифровим фотоапаратом або фотоапаратурою.

Пристрій детального огляду з поворотним пристроєм складається із ТК детального огляду з узкопольным об'єктивом і трехкоординатного поворотного пристрою, що забезпечує розворот камери за курсом, крену й тангажу по командах оператора для детального аналізу конкретної ділянки місцевості. Для забезпечення роботи в умовах зниженої освітленості ТК може бути доповнена тепловизионной камерою (ТПВ) на микроболометрической матриці з узкопольным об'єктивом. Можлива також заміна ТК на ЦФА. Подібний розв'язок дозволить використовувати БЛА для проведення аерофотознімання при розвороті оптичної осі ЦФА в надир.

Радіолінії видової й телеметричної інформації (передавач і антенно-фідерний пристрій) повинні забезпечувати передачу видової й телеметричної інформації в реальному або близькому до реального масштабі часу на ПУ в межах радіовидимості.

Системи командно-навігаційної радіолінії (приймач і антенно-фідерний пристрій) повинні забезпечувати приймання в межах радіовидимості команд пілотування БЛА й керування його встаткуванням.

Комплекс обміну командною інформацією забезпечує розподіл командно й навігаційної інформації зі споживачів на борті БПЛА.

Пристрій інформаційного обміну забезпечує розподіл видової інформації між бортовими джерелами видової інформації, передавачем радіолінії видової інформації й бортовим пристроєм зберігання видової інформації. Цей пристрій також забезпечує інформаційний обмін між усіма функціональними пристроями, що входять до складу цільового навантаження БЛА по обраному інтерфейсу (наприклад, RS-232). Через зовнішній порт цього пристрою перед зльотом БЛА проводиться введення польотного завдання й здійснюється передстартовий автоматизований вбудований контроль на функціонування основних вузлів і систем БЛА.

Супутникова навігаційна система забезпечує прив'язку координат (топопривязку) БЛА й спостережуваних об'єктів по сигналах глобальної супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС (GPS, ГАЛИЛЕО). Супутникова навігаційна система складається з одного або двох приймачів з антенними системами. Застосування двох приймачів, антени яких рознесені по будівельній осі БЛА, дозволяє визначати крім координат БЛА значення його курсового кута.

Бортова цифрова обчислювальна система забезпечує керування бортовим комплексом безпілотного апарата.

Пристрій зберігання видової інформації забезпечує нагромадження обраної оператором різноманітної інформації (зображення, відеоматеріали, сигнатури випромінювань) до моменту посадки БПЛА. Цей пристрій може бути знімним або стаціонарним. В останньому випадку повинен бути передбачений канал знімання накопиченої інформації в зовнішні пристрої після посадки БПЛА.

Вбудований блок живлення забезпечує узгодження по напрузі й струмам споживання бортового джерела живлення й пристроїв, що входять до складу корисного навантаження, а також оперативний захист від коротких замикань і перевантажень в електромережі.

Рис.5

Зміна параметрів роботи систем зв'язку із БПЛА, викликана зміною взаємного розташування БПЛА й НПУ й впливом середовища поширення сигналу, приводить до необхідності адаптивної зміни основних параметрів системи (вид модуляції, кодування, швидкість передачі даних і ін.) залежно від умов проходження сигналу, яке дозволяє більш ефективно використовувати енергетичний ресурс каналу зв'язку й багаторазово підвищувати ефективність роботи системи.

Дальність зв'язку БПЛА залежить від багатьох факторів, у тому числі висоти БПЛА, потужності передавача БПЛА, чутливості приймача НПУ, типів антен на борті БПЛА й на НПУ, виду модуляції й ін. Для збільшення дальності дії малорозмірних БПЛА необхідне використання енергетично вигідних видів модуляції й наземної антени з високим коефіцієнтом підсилення. У деяких випадках для забезпечення стійкого зв'язку з вилученим БПЛА потрібно використовувати інший БПЛА в якості ретранслятора сигналу.

Для передачі даних із БПЛА на наземний пункт управління в реальному часі потрібна більша швидкість передачі. Одним з найбільш ефективних підходів до підвищення швидкості передачі даних з борту БПЛА є застосування модуляції OFDM.

Висновок

Бортовий комплекс БПЛА є повнофункціональним засобом навігації й керування безпілотного літального апарата. Комплекс забезпечує: визначення навігаційних параметрів, кутів орієнтації й параметрів руху апарата (кутових швидкостей і прискорень); навігацію й керування при польоті по заданій траєкторії; стабілізацію кутів орієнтації апарата в польоті; видачу в канал передачі телеметричної інформації про навігаційні параметри, кути орієнтації БПЛА. Склад типового бортового комплексу: блок інерціальної навігаційної системи; приймач навігаційної системи; блок автопілоту; накопичувач польотних даних; датчик повітряної швидкості В базовій конфігурації керування здійснюється по каналах: елерони; кермо висоти; кермо напрямку; контролер двигуна. Комплекс сполучимо з радіоканалом РСМ (імпульсно-кодова модуляція) і дозволяє управляти БПЛА як у ручному режимі зі стандартного пульта дистанційного керування, так і в автоматичному, по командах автопілоту. Керуючі команди автопілоту генеруються у формі стандартних широтно-імпульсно-модульованих (ШИМ) сигналів, що підходять до більшості типів виконавчих механізмів.

Размещено на Allbest.ru