Проект: Разработка макета системы связи с беспилотным летательным аппаратом

Конечным результатом данного проекта является макет системы связи с беспилотным летательным аппаратом, обладающий лучшими характеристиками по помехозащищенности и энергетической эффективности, по сравнению с существующими аналогами. В результате проекта будет разработан: - алгоритм передачи данных «точка-точка» для передачи данных между пунктом управления и беспилотным летательным аппаратом. - математическая модель разработанного алгоритма, - программное обеспечение для передающей и приемной частями программно-определяемой радиосистемы на языке С++, реализующей алгоритм передачи данных между пунктом управления и беспилотным летательным аппаратом. - программное обеспечение портативной вычислительной платформы для управления приемной частью беспилотного летательного аппарата, - макет системы связи с беспилотным летательным аппаратом, обладающий лучшими характеристиками по помехозащищенности и дальности действия по сравнению с существующими аналогами, - научно-технический отчет.

Современные технологии в различных сферах деятельности человека подразумевают внедрение огромного числа датчиков и контроллеров, обменивающихся информацией в режиме реального времени. Для функционирования таких систем необходимы развитые телекоммуникационные сети, позволяющие обеспечить массовое подключение устройств с различными требованиями к качеству обслуживания. Подобные системы описаны в существующей ныне концепции «интернета вещей» IoT (англ. Internet of Things) и развивающейся «интернета всего» IoE (англ. Internet of Everything). Одним из важных сегментов систем «интернета вещей» является сегмент обеспечивающий связь с беспилотными платформами, в частности с БПЛА. По состоянию на 2022 год рынок БПЛА превышает 10 млрд. USD, и продолжит стремительный рост. Подавляющее большинство БПЛА составляют военные беспилотники, но и гражданский рынок существенно развит. Зачастую связь с БПЛА происходит в условиях сложной помеховой обстановки и при низких отношениях сигнал/шум. Для решения задач передачи данных на сегодняшний день используются как открытые (WI-Fi, LTE,WiMax, Onboard SDK OPEN Protocol) так и специальные протоколы передачи данных (OcuSync, ZigBee, XBee). В условиях сложной помеховой обстановки и радиоэлектронного противодействия передача данных по этим протоколам становится затруднительной или полностью прерывается. Это в свою очередь приводит к потере данных и невозможности коммуникации с беспилотником. Разработка нового подхода к реализации физического уровня системы связи с БПЛА, объединяющая в себе технологии снижения пик-фактора, расширения спектра, пространственно-временного кодирования, позволит повысить помехозащищенность таких систем и повысит энергетическую эффективность.

Предметом разработки данного проекта является алогритм формирования и обработки сигналов физического уровня для связи с БПЛА. Будет также разработана математическая модель разработанного алгоритма, программное обеспечение для передающей и приемной части программно-определяемой радиосистемы, а также реализован макет, для экспериментальной проверки разработанного алгоритма.

В основе предлагаемого решения лежат различные технологии, позволяющие повысить помехозащищенность и энергетическую эффективность систем связи с БПЛА. Исследуются различные технологии, часть из которых ляжет в основу предлагаемого решения: технологии расширения спектра, технологии расширения спектра в комбинации с линейной частотной модуляцией, пространственно-временное кодирование, высокоэффективные коды с малой плотностью проверок на четность. Немаловажной задачей остается энергетическая эффективность таких систем, а также практическая реализуемость алгоритмов. Для этого в проекте будут использованы сигнально-кодовые конструкции с низким пик-фактором, а также будет произведена адаптация алгоритмов к практической реализации при ограниченном ресурсе вычислительных модулей (ПЛИС).

Новизна предлагаемых в проекте решений заключается в применении способа формирования и обработки сигналов, с применением технологии chirp spread spectrum, в кооперации с LDPC кодированием для связи с БПЛА. На сегодняшний день существующие системы связи для передачи телеметрии и управления беспилотным летательным аппаратом используют либо классические виды модуляции FSK, GFSK, PM, QAMM, либо OFDM. В некоторых радиомодемах применяются технологии расширения спектра и/или псевдослучайно перестройкой рабочей частоты. Эти подходы обладают своими недостатками, связанными с чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты, деструктивному влиянию многолучевости, а также высокому пик-фактору в случае OFDM. Предлагаемый подход с применением линейной частотной модуляции позволит построить систему связи, устойчивую к доплеровкому смещению частот, работающую в условиях многолучевого распространения сигналов, при этом обладающей минимальным пик-фактором, повышающим энергетическую эффективность.

Коллектив специализируется на разработке алгоритмов формирования и обработки сигналов для систем связи различного назначения. Для систем связи с использованием линейной частотной модуляцией разработаны алгоритмы синхронизации, формирования и обработки сигнала. Получен патент на изобретение «Способ оценки частотного смещения для систем связи, использующих сигналы с линейной частотной модуляцией».

На рынке представлены различные радиомодемы для связи с БПЛА, как отечественного, так и зарубежного производства. К примеру, Skyhopper PRO (Mobilicom, Израиль) или Picoradio OEM (Airborne Innovations, Канада), Радиомодем РМ-12/14 (Авакс Россия), 3D Link (Геоскан Россия). Представленные радиомодемы обеспечивают схожие характеристики, и для их работы используются озвученные выше подходы и технологии (модуляции FSK, GFSK, PM, QAMM, либо OFDM). Наиболее совершенным из представленных радиомодемов является радиомодем 3D Link компании Геоскан, где применяется технология OFDM совместно с расширением спектра и применением LDPC кодирования. При этом существенным недостатком данного модема является низкая энергетическая эффективность за счет высокого пик-фактора, присущего технологии OFDM. В предлагаемом нами подходе пик-фактор на 20-30 % ниже чем в OFDM, кроме этого технология OFDM чувствительна к доплеровскому смещению частоты, что приводит к нарушению ортогональности поднесущих и повышению вероятности ошибки при демодуляции. В предлагаемой нами решении ошибка доплеровского смещения может быть скорректирована с минимамльными затратами вычислительных ресурсов.