Обоснование требований к системе связи беспилотных летательных аппаратов средней и большой дальности

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ СВЯЗИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ СРЕДНЕЙ

И БОЛЬШОЙ ДАЛЬНОСТИ

Донченко Анатолий Анатольевич,

д.т.н., профессор, заместитель начальника ФГБУ "Главный научно-исследовательский центр робототехники" Минобороны России по научно исследовательской работе, Москва, Россия, anatoli@donchenko.su

Чиров Денис Сергеевич,

д.т.н., доцент, начальник отдела

Одним из перспективных направлений развития форм и способов вооруженной борьбы является широкое применение беспилотных летательных аппаратов на различных стадиях вооруженного конфликта. США и её союзники по блоку НАТО активно применяют беспилотные аппараты в различных вооруженных конфликтах уже более 30 лет. В частности, США и Великобритания активно применяли беспилотные летательные аппараты в военных конфликтах в Афганистане, Югославии, Ираке, Иране, Ливии. Беспилотные летательные аппараты позволяют решать задачи разведки, радиоэлектронной борьбы, выдачи целеуказаний средствам огневого поражения и ударов по различным типам объектов. Одним из бесспорных преимуществ беспилотных летательных аппаратов является то, что оператор управления (пилот) находится в значительном удалении от поля боя, то есть угрозы его жизни нет. Данное обстоятельство позволяет существенно сократить расходы на обучение новых пилотов разведывательно-ударных комплексов, так как оператор беспилотных систем в среднем служит в 1,5 раза дольше чем "классический" пилот, за счет отсутствия боевых потерь и влияния полетных перегрузок на человеческий организм.

Рассматриваются проблемные вопросы создания системы связи и дистанционного управления беспилотных летательных аппаратов средней и большой дальности. Приведены результаты системного анализа ограничений на создание систем такого класса. Главными ограничивающими факторами использования УКВ диапазона для организации связи с беспилотными аппаратами является дальность прямой радиовидимости, бюджет канала передачи данных и весогабаритные ограничения на целевую аппаратуру. Основными факторами, влияющими на бюджет канала являются направленные свойства антенн, мощность передатчика и чувствительность приемника (тепловой шум). По результатам расчетов, синтезированы типовые требования к характеристикам бортовой приемо-передающей аппаратуры беспилотного аппарата. Показано, что при выполнении заданных требований возможно обеспечение связи с беспилотным аппаратом на дальностях 200-300 км в частотном диапазоне 400-600 МГц и скоростью передачи данных не менее 2 Мбит/с.

Для цитирования:

Донченко А.А., Чиров Д.С. Обоснование требований к системе связи беспилотных летательных аппаратов средней и большой дальности // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №12. - С. 12-16.

For citation:

Donchenko A.A, Chirov D-С. Rationale requirements for the communication system of UAVS medium and long range. T-Comm. 2015. Vol 9. No.12, рр. 12-16. (in Russian).

ФГБУ "Главный научно-исследовательский центр робототехники Минобороны России, den-chirov@yandex.ru

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, система связи, бортовая аппаратура, антенная решетка.

Введение

Применение беспилотных летательных аппаратов (БЛА) при подготовке и ведении боевых действий является актуальным и перспективным направлением развития форм и способов вооруженной борьбы, Тактико-технические характеристики современных БЛА военного назначения (ВН) уже сейчас достигли значений, позволяющих решать широкий спектр боевых и обеспечивающих задач тактического, оперативного, а в отдельных случаях и стратегического уровней. В частности, США и их союзники по блоку НАТО активно применяли БЛА в военных конфликтах в Афганистане, Югославии, Ираке, Иране, Ливии [1, 2]. С использованием БЛА ВН решаются задачи разведки, радиоэлектронной борьбы, выдачи целеуказаний средствам огневого поражения и ударов по различным типам объектов. Анализ направлений развития БЛА зарубежных стран показывает, что в последнее десятилетие наметилась тенденция по созданию тяжелых разведывательно-ударных БЛА ВН средней и большой дальности действия (МСЗ-1В «Предатор», М0-9А «Рипер», Мр-1С «Грей Игл», Х-47В и т.д.) [3*6].

К БЛА ВН данного класса предъявляются следующие требования при проведении операций на театре военных действий (ТВД) [7]:

- отсутствие личного состава в зоне боевых действий;

- возможность выполнения полного цикла (обнаружение, классификация, сопровождение и огневое поражение цели) задач при нанесении ударов по различным типам объектов в назначенном режиме;

- большая продолжительность полета для непрерывности ведения разведки;

- малая заметность;

- способность действовать в сложных условиях обстановки.

Очевидно, что выполнение данных требований, требует наличия высокоскоростной линии передачи данных между БЛА и наземным пунктом управления (НПУ). Как правило, на борту БЛА размещаются два типа линий связи (ЛС): командно-телеметрическая и целевой нагрузки. Командно-телеметрическая линия является дуплексной и низкоскоросгной, она предназначена для приема от НПУ команд управления и передачи данных о состоянии аппаратуры и агрегатов БЛА. Особенностью линии связи целевой нагрузки (ЛСЦН) является необходимость непрерывной трансляция потокового видеоизображения в реальном масштабе времени от БЛА на НПУ. ЛСЦН является симплексной и высокоскоростной.

1. Ограничения на построение системы связи

БЛА - НПУ»

Существует несколько подходов к организации связи «БЛА - НПУ» [8]. Наиболее часто используемыми из них являются спутниковая связь и ультракоротковолновая (УКВ или, в англоязычной литературе, Р-диапазон) связь прямой видимости. Спутниковая связь позволяет организовать передачу данных на зна-

чительные расстояния (более 1000 км), однако, проигрывает УКВ связи по скорости и зависит от наличия свободного ресурса спутниковой системы. Поэтому оптимальным вариантом построения системы связи «БЛА - НПУ» является использование УКВ каналов в диапазоне 400-600 МГц.

Главным ограничивающим фактором использования УКВ диапазона является дальность прямой радиовидимости между БЛА и НПУ, которая рассчитывается как

где £) - дальность прямой видимости, км; //, - высота

первой антенны, м; Н-, - высота второй антенны, м.

Зависимость прямой видимости от высоты полета БЛА и выноса антенны НПУ представлена на рис. 1. Из полученной зависимости видно, что с учетом ограничений по прямой видимости, возможно организовать УКВ канал связи «БЛА - НПУ» на дальностях 200-300 км. При этом высота полета БЛА составит порядка 2,5-5 км. Такая высота полета и радиус действия типичны для БЛА среднего и дальнего действия [9], в создании которых отмечено отставание Российской Федерации от ведущих зарубежных государств [10]. Одной из причин такого отставания является отсутствие единой технической политики по созданию унифицированной беспилотной платформы, системы управления и связи для БЛА ВН данного класса. Целью данной статьи является формирования облика и требований к бортовой системе связи БЛА ВН средней и большой дальности.

Для ударно-разведывательных БЛА средней и большой дальности масса целевой нагрузки составляет порядка 100-250 кг [3-6], что приводит к ограничению на массу аппаратуры связи - не более 20 кг (с антенной системой).

При организации связи на больших расстояниях, одним из факторов, влияющим на качество, является затухание сигнала на трассе, которое рассчитывается как:

Ь = 92,45 + 201оё(10^)+20 (Ш),

где I - потери сигнала на трассе, дБ; Р - частота сигнала, ГГц.

На рисунке 2 приведены зависимости потерь при распространении сигнала по трассе от длины линии связи для различных частот.

Другим важным параметром при построении системы связи является бюджет канала передачи данных между БЛА и НПУ. Известно, приемлемый уровень связи достигается при бюджете канала не менее 5 дБ [11, 12].

Исходя из полученных ограничений: весогабаритные характеристики, дальность прямой видимости, затухание сигнала на трассе распространения и минимально допустимый бюджет канала, можно сформировать требования к системе связи беспилотных летательных аппаратов средней и большой дальности военного назначения.

Т-Сотт Уо!.9. #12-2015

1 1.4 1.8 2.2 26 1 3.4 3.8 4.2 4 6 5 5.4 5.8 6.2 6.6 1 Высота полета ЬЛА км

гм - — юл

Рис. 1. Зависимость дальности прямой видимости от высоты полета БЛА и выноса антенны НПУ

100 150 200 250 300 350 Дальность, кгл

-300 МГц--100 МГц

600 МГц

Рис. 2. Затухание сигнала на трассе для различных частот при различном расстоянии между БЛА и НПУ

2. Обоснование облика и требований к характеристикам системы связи БЛА средней и большой дальности

Бюджет канала связи рассчитывается исходя из следующего выражения:

где В~ бюджет линии связи, дБ; Рп. - выходная мощность передатчика, дБм; Цг - потери в кабеле и антенне передатчика, дБ; С^. - усиление антенны передатчика, дБи; Ьг - потери в кабеле и антенне приемника, дБ; б,. - усиление антенны приемника, дБи; Рг -

уровень теплового шума на входе приемника (отрицательное число), дБм.

Анализ выражения (1) показывает, что основными факторами влияющими на бюджет канала являются направленные свойства антенн, мощность передатчика и чувствительность приемника (тепловой шум). Ограничения на массогабаритные характеристики аппаратуры БЛА не позволяют разместить на борту крупно апертурную антенну, обеспечивающую высокий коэф-

фициент усиления, и мощное приемо-передающее устройство. Что касается аппаратуры НПУ, то мобильном варианте возможно размещение на автомобильной платформе параболической антенны диаметром 1-3 м, обеспечивающей усиление порядка 14-25 дБи (для частоты сигнала 600 МГц), и передающего устройства с выходной мощностью порядка 45 дБм.

Для обеспечения требуемого уровня усиления бортовой антенны возможно использование:

- многоэлементной антенной решетки с управляемой диаграммой направленности;

- нескольких переключаемых антенн;

- параболической антенны на опорно-поворотном устройстве.

Рассмотрим преимущества и недостатки данных способов более подробно.

Для обеспечения большого коэффициента усиления с использованием многоэлементной антенной решетки требуется более 32-64 элементов решетки, что приводит к необходимости создания достаточно сложной системы синхронизации. Преимуществом антенной решетки является возможность электронного сканирования по азимуту и углу места. В настоящее время отечественной промышленностью освоено производство активных фазированных антенных решеток с коэффициентом усиления порядка 25 дБм и шириной диаграммы направленности -10° при 64 элементах решетки в диапазоне 400-600 МГц.

Использование нескольких переключаемых антенн с узкой диаграммой направленности позволяет обеспечить связь в любом направлении. Так, если антенна имеет ширину диаграммы направленности 60°, тогда равномерное размещение вокруг корпуса БЛА 6 таких антенн обеспечит обзор на 360°.

Преимуществом такого варианта является возможность использования единого приемо-передающего модуля, который с использованием коммутатора, будет переключаться на нужную антенну в зависимости от требуемого направления приема/передачи. К недостаткам можно отнести более высокие потери в коммутирующем устройстве и возможные разрывы в передаче данных, обусловленные переключением антенн. Последний недостаток может быть компенсирован при передаче данных за счет использования бортовой буферизации потока данных.

Установка параболической антенны на опорно-поворотном устройстве позволяет использовать одну антенну для непрерывного слежения за НКУ и обеспечивать связь без разрывов. Ориентация поворотной платформы в пространстве может вычисляться с использованием бортовых вычислительных средств и собственной навигационной информации. Оптимальным является размещение на опорно-поворотном устройстве всей бортовой приемо-передающей аппаратуры, так как это позволяет отказаться от вращающихся волноводных переходов имеющих высокие потери и низкую надежность [8].

T-Comm ^м 9. #12-2015

В таблице 1, представлены результаты расчета бюджета линии связи при различных вариантах построения. Для всех вариантов построения в качестве антенны НПУ используется параболическая антенная диаметром 2 м. В качестве бортовой антенной системы рассматриваются:

вариант № 1 - кольцевая антенная решетка; вариант № 2 - активная фазированная антенная решетка;

вариант № 3 - нескольких переключаемых антенн с диаграммой направленности -60°;

вариант № 4 - параболическая антенна диаметром 0,5 м на опорно-поворотном устройстве.

Исходные данные для расчетов: частота сигнала -600 МГц, ширина полосы пропускания аналогового тракта БЛА - 20 МГц, дальность от БЛА до НПУ - 250 км.

Таблица 1

Анализ бюджета канала связи «БЛА - НПУ»

Ха растер истина Вариант №1 Вариант №2 Вариант №3 Вариант №4

Выходная мощность передатчика, дБм 40 40 40 40

Потери тракте БЛА, дБ 1,5 1,5 3 1,5

Усиление антенны БЛА, дБ и 12 20 6 8

Потери при распространении, дБ 136

Усиление антенны нпу, Дби 20,5

Потери в аналоговом тракте НПУ, дБ 1,5

Уровень теплового шума на входе приемника, дБм -100

Итого, дБ 33,5 \ 41,5 | 26 | 28,5

Согласно пятибалльной шкале градаций качества принимаемого изображения, рекомендованной Международным консультативным комитетом по радиовещанию, удовлетворительное качество передачи изображения достигается при отношении сигнал/шум на входе приемника более 38 дБ (табл. 2).

Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что все предложенные варианты обеспечивают связь «БЛА - НПУ». Однако, с учетом требуемых скорости передачи видеопотока (не менее 2 Мбит/с), вероятности битовой ошибки и погодных условий (дождь, туман и т.д.), данные характеристики значительно ухудшатся.

В соответствии с данными таблиц 1 и 2 варианты построения бортовой аппаратуры с кольцевой антенной решеткой или активной фазированной решеткой являются преимущественными. Также, качество связи можно повысить за счет использование сложных сиг-нально-кодовых конструкций, что потребует проведения дополнительных исследований по выбору типа модуляции сигнала и системы кодирования.

Исходя из проведенных расчетов и ограничений на весогабаритные характеристики бортовой аппаратуры,

требования к системе связи БЛА средней и большой дальности приведены в табл. 3.

Таблица 2

Качество переданного изображения

Качество изображения Искажения ОСШ, дБ

Отлично Незаметно >46,6

Хорошо Заметно, но не мешает >42,3

Удовлетворительно Заметно, немного мешает >38,0

Плохо Мешает >33,2

Очень плохо Сильно мешает >29,2

Таблица 3

Характеристики бортовой аппаратуры ЛСЦН

Характеристика Значение

Выходная мощность передатчика не менее 10 Вт

Диапазон рабочих частот 400-600 МГц

Ширина полосы не менее 4 МГц

Скорость передачи данных не менее 2 Мбит/с

Тип модуляции сигнала БРЗК/ОРЭК

Тип передаваемой информации потоковое видео, покадровое изображение, текстовые сообщения

Тип антенной системы Антенная решетка с электронным управлением ДН

Коэффициент усиление антенны не менее 12 дБи

Масса аппаратуры не более 20 кг

Заключение

Современное развитие способов и средств вооруженной борьбы диктует необходимость создания БЛА ВН средней и большой дальности. Использование БЛА данных классов для ведения непрерывной разведки труднодоступных (защищаемых) объектов и нанесение ударов по ним позволяет существенно повысить эффективность боевых действий и снизить уровень потерь личного состава. Современное состояние отечественного военно-промышленного комплекса позволяет в ближайшем будущем создать БЛА ВН средней и большой дальности. Одним из проблемных вопросов разработки многофункциональных БЛА является создание высокоскоростной системы связи и дистанционного управления с гарантированной дальностью действия 200-300 км. Проведенные расчеты показали, что первым проблемными вопросом создания бортовой аппаратуры связи является выбор оптимальной сигнально-кодовой конструкции радиосигнала (вид модуляции, кодирования, ширина полосы) для обеспечения требуемой скорости передачи данных при заданном значении битовой ошибки. Второй проблемный вопрос -создание антенных решеток с коэффициентом усиления более 12 дБи при значительных массогабаритных ограничениях. Разработанные требования к характеристикам бортовой аппаратуры передачи информации целевой нагрузки БЛА могут быть использованы в качестве исходных данных для проектирования систем связи для БЛА ВН средней и большой дальности.

Т-Сотт Уо!.9. #12-2015

ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING

7. Щербинин P. Взгляды командования BBC США на повышение возможностей боевых авиационных патрулей, сформированных на базе стратегических многоцелевых беспилотных систем // Зарубежное военное обозрение, № 7, 2012, -С.63-68.

8. Боев Н.М., Шаршавин П.В., Нигруца И.В. Построение систем связи беспилотных летательных аппаратов для передачи информации на большие расстояния // Известия ЮФУ. Технические науки. № 3 (1152), 2014. - С. 147-158,

9. Донченко А.А., Хрипунов С.П., Благодарящее И.В. и др. Робототехнические средства, комплексы и системы военного назначения. Основные положения. Классификация. Методические рекомендации. - М.: ГНИИЦ РТ МО РФ. 2014. - 36 с.

10. Д.Федутинов. Беспилотники в России: иллюзии и реальность // Взлет, 6/2010. - с.5-8.

11. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. - 1104 с.

12. Легкое К.ЕДонченко А.А. Современные требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного доступа специального назначения // T-Comm; Телекоммуникации и транспорт, №4, 2009. - С.24-28.

RATIONALE REQUIREMENTS FOR THE COMMUNICATION SYSTEM OF UAVS MEDIUM AND LONG RANGE

Donchenko Anatoly, Deputy Head of the Research Center, DOD, anatoli@donchenko.su

Chirov Denis, head of the department of the Research Center, DOD, den-chirov@yandex.ru

Abstract

One of the promising directions of development of forms and methods of warfare is the extensive use of unmanned aerial vehicles in various stages of the armed conflict. United States and its NATO allies are actively used drones in various armed conflicts for more than 30 years. In particular, the US and UK actively used unmanned aerial vehicles in military conflicts in Afghanistan, Yugoslavia, Iraq, Iran, Libya. UAV allow us to solve problems of intelligence, electronic warfare, issuing target designation means fire damage and bumps on various types of objects. One of the indisputable advantages of unmanned aerial vehicles is that the control operator (pilot) is at a considerable distance from the battlefield, that is, the threat to his life there. This circumstance allows to significantly reduce the cost of training new pilots reconnaissance-strike complexes, as the operator of unmanned systems is on average 1.5 times longer than the "classic" pilot, due to the lack of combat losses and the impact of flight accelerations on the human body. The article deals with the problematic issues of creating systems of communication and remote control drones medium and long range. The results of the analysis of the system of restrictions on the establishment of systems of this class. The main limiting factors of using VHF for communication with unmanned vehicles is a direct radio range of budget data channel and overall weight and dimensions restrictions on the target hardware. The main factors affecting the budget of the channel are the directional properties of antennas, transmitter power and receiver sensitivity (thermal noise). The calculations are synthesized standard performance requirements for on-board transceiver equipment drone. It is shown that when the predefined requirements is possible to provide an unmanned vehicle at a range of 200300 km in the frequency range 400-600 MHz and a data rate of at least 2 Mbit/s.

Keywords: unmanned aerial vehicle, communication system, on-board equipment, antenna array. References

1. Gadfly A. Loss of US intelligence in Iran UAV / Foreign Military Review, No1, 2012. Pp.68-69.

2. Chekunov, E. Application of the US military UAVs in military conflicts / Foreign Military Review, No7, 2010. Pp.41-50.

3. Unmanned aerial vehicles in the world. Handbook 4th edition, corrected and revised, edited N. Novichkova. Moscow. 2013. 462 p.

4. Vasilin N. Unmanned aerial vehicles. Minsk, 2003. 272 p.

5. Pavlushenko M, Evstafíev G., Makarenko I. Unmanned aerial vehicles. History, application, threat of proliferation and prospects. Moscow, 2006. 610 p.

6. Blinkov Y. Development prospects of unmanned aircraft in the leading NATO countries / Foreign Military Review, No 12, 2012. Pp.54-58.

7. Scherbinin R. Views Command US Air Force to increase the capacity of combat aircraft patrols formed on the basis of strategic multi-purpose unmanned systems / Foreign Military Review, No 7, 2012. Pp.63-68.

8. Boev N, Sharshavin P., Nigrutsa I. Building communication systems of unmanned aerial vehicles to transmit information over long distances / Proceedings of the SFU. Engineering. No 3

9. Donchenko A.A., Hripunov S.P., Blagodaryshev I.V. and others. Robotic means, complexes and military systems. The main provisions. Classification. Guidelines. Moscow, 2014. 36 p.

10. Fedutinov D. UAVs in Russia: Illusions and Reality / Rise, No6, 2010. Pp.5-8.

11. Sklar B. Digital communication. Theoretical bases and practical application. Ed. 2nd, rev. Moscow, 2004. 1104 p.

12. Legkov K.E., Donchenko, A.A. Modern requirements to quality of information exchange in wireless networks for special purposes / T-Comm, No4, 2009. Pp. 24-28.

Литература

1. Овод А. О потере в Иране американского разведывательного БЛА // Зарубежное военное обозрение, № 1, 2012. -С.68-69,

2. Чекунов Е. Применение БЛА ВС США в военных конфликтах // Зарубежное военное обозрение, № 7, 2010. -С.41-50,

3. Беспилотные летательные аппараты мира. Справочник 4-е издание, исправленное и переработанное, под редакцией Н.Н.Новичкова. - М.: Информационное агентство АРМС-ТАСС, 2013.-462 с.

4. Василии Н.Я. Беспилотные летательные аппараты. -Мн.: ООО «Попурри», 2003. - 272 с.

5. Павлушенко М., Евстафьев Г., Макаренко И. Беспилотные летательные аппараты. История, применение, угроза распространения и перспективы развития. - М.: Права человека, 2006. - 610 с.

6. Блинков Ю. Перспективы развития беспилотной авиации в ведущих странах НАТО // Зарубежное военное обозрение, № 12, 2012. -С.54-58.