ТЕЛЕКОММУТАЦИОННАЯ ВОЗДУШНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники и связи, а именно к воздушным платформам, используемым для формирования беспроводных сетей передачи информации по линии прямой видимости в заданной географической области.
Для географических областей, в которых большая территория сочетается с невысокой плотностью населения, широкополосные беспроводные решения имеют особое значение, так как позволяют экономично и оперативно создавать телекоммуникационную инфраструктуру на обширных территориях. Особенно важно это для информатизации удаленных и сельских регионов и решения одной из важнейших проблем информационной безопасности - проблемы «информационного неравенства» регионов.
В последние годы ведутся интенсивные разработки широкополосных беспроводных региональных сетей с использованием воздушных платформ. Использование воздушных платформ обеспечивает телекоммуникационное покрытие больших географических регионов. Одновременно с созданием региональных сетей передачи данных, голоса и видеоинформации высотные платформы могут применяться для целей видеонаблюдения в радиусе 70-80 км (например, в приграничных территориях или наблюдения транспортных потоков), обнаружения лесных пожаров, экологического мониторинга с использованием сенсорных сетей, геологической и геофизических разведок, радиологического контроля и т.д.
В качестве таких высотных платформ рассматриваются гелиевые дирижабли, располагаемые на высоте 20-22 км, платформы типа летающего крыла, самолеты и вертолеты. При длительном использовании таких высотных платформ они оказываются весьма дорогостоящими, как при разработке, построении и запуске, так и в процессе эксплуатации.
Известна мобильная система связи, включающая мобильные телефоны, связанные радиосвязью с базовыми станциями, по меньшей мере, часть из которых выполнена подвижными, связанными радиосвязью со стационарной шлюзовой станцией сопряжения, соединенной через линию передачи сигналов с телефонной станцией, причем, по меньшей мере одна из подвижных базовых станций размещена на надземном передвижном объекте, выполненном в виде аэростата (патент РФ на полезную модель №28419, H 04 В 7/26, 2002).
Известна всенаправленная высотная антенна, представляющая собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и крепится на аэростате, а другой конец связан с приемо-передатчиком и с помощью анкера крепится к земле, которая позволяет повысить дальность связи (патент РФ №2099827, H 01 Q 1/28, 1994).
Известна аэростатная антенна в виде металлического контейнера с прикрепленными к его корпусу радиальными проводниками, выполненными в форме петли. В указанной антенне стабилизация положения происходит при использовании не менее, чем четырех специальных фалов (патент РФ №2097880, Н 01 Q 1/28, 1995).
Известен антенный провод для антенны, подерживаемой в вертикальном положении летательным аппаратом, содержащий грузонесущий трос из синтетических нитей и токопроводящую оплетку из алюминиевых проводников, уложенных по поверхности троса под углом (патент РФ №2030039, H 01 Q 1/00, 1991). Указанный провод не обладает достаточной надежностью при длительном использовании в беспроводных сетях передачи информации.
Для всех указанных выше аналогов помимо индивидуальных недостатков присущи определенные общие недостатки, связанные с использованием носителя - аэростата. Кроме недостаточных функциональных возможностей к ним относятся:
1. Необходимость использования громоздких и относительно дорогих причальных устройств, используемых для опускания и удержания аэростата на земле во время штормовых и грозовых предупреждений.
2. Необходимость дважды в месяц осуществлять спуск-подъем аэростата с целью подкачки гелия в оболочку аэростата.
3. Зависимость от центров заправки гелием, т.к. гелий теряется даже при хранении в стальных баллонах.
4. Необходимость подготовки большой посадочной площади (50×50 м) для подъема-опускания аэростата и необходимость наличия значительного количества эксплуатационного персонала (6-8 чел.).
5. Малый предельный срок службы оболочки аэростата - порядка 2-х лет.
6. Флюгирование аэростата на привязном кабеле-тросе приводит к необходимости использования вертлюга, предназначенного для предохранения кабеля от закручивания и обеспечения электрического и оптического соединений при повороте на произвольный угол, ухудшающего и ограничивающего параметры и качество оптического канала в кабель-тросе.
Наиболее близким техническим решением с точки зрения обеспечения индивидуальной маневренности приемо-передающих элементов сети является совокупность воздушных платформ связи для формирования беспроводных сетей передачи информации, которая включает в себя множество индивидуальных платформ легче воздуха, разнесенных над непрерывной географической областью в пределах предварительно определенного диапазона высот, так что обеспечивается повсеместное покрытие по линии прямой видимости данной географической области. Каждая из множества платформ содержит оболочку для заполнения регулируемым объемом газа низкой плотности для обеспечивания плавучести платформы и устройство передачи сигналов, прикрепленное к оболочке (патент РФ 2257016, H 04 Q 7/20, 2000).
Недостатками указанного технического решения являются ограниченный диапазон функциональных возможностей устройства воздушных платформ в связи с невозможностью автоматизации процесса ориентации и стабилизации положения платформ, сложность конструкции и обслуживания в процессе их эксплуатации, недостаточная надежность в связи с использованием газа низкой плотности, отсутствие непрерывности и длительности использования отдельной платформы в регинальной сети.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства воздушной платформы за счет обеспечения возможности автоматизации ориентации и стабилизации положения платформы, упрощения конструкции и обслуживания в процессе ее эксплуатации с одновременным повышением надежности, непрерывности и длительности использования региональных сетей с предлагаемой платформой.
Указанный технический результат для телекоммутационной воздушной платформы, содержащей узел формирования подъемной силы и связанную с ним станцию приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе, достигнут тем, что узел формирования подъемной силы выполнен в виде фюзеляжа с приборным отсеком, связанного с винтовым движителем в виде, по меньшей мере, одной гондолы, в которой установлены электрический двигатель с редуктором и тяговым винтом, при этом фюзеляж связан посредством двухосного карданового подвеса с кабель-тросом, второй конец которого зафиксирован с возможностью изменения длины кабель-троса в заданной точке поверхности географического региона и связан с источником электрической энергии в этой точке.
Кроме того, приборный отсек может содержать автономную систему управления, состоящую из микропроцессора с поключенными к его входам бесплатформенным
инерциальным блоком, альтиметром, магнитометром, GPS-приемником, а к его выходам - элементами управления электрическими двигателями винтового движителя и изменения направления и величины вектора его тяги.
Кроме того, бесплатформенный инерциальный блок может содержать ориентированные своими осями чувствительности в направлении трех взаимно ортогональных координатных осей микромеханические гироскопы и акселерометры.
Кроме того, станция приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе может быть выполнена в виде базовой станции системы беспроводного широкополосного доступа и размещена в приборном отсеке, который содержит также аккумуляторную батарею, преобразователи напряжения, вторичные источники питания.
Кроме того, приборный отсек может содержать видеокамеру наблюдения.
Кроме того, кабель-трос может быть выполнен коаксиальным с последовательно расположенными от центра к периферии несущей тягой, кивларовым несущим слоем, информационным волоконно-оптическим слоем, изоляционным слоем и слоем внешней климатической и механической защиты, при этом в изоляционном слое по всей длине кабель-троса размещены, по меньшей мере, два электроизолированных токопроводящих проводника для подачи электрической энергии с поверхности географического региона к электродвигателям узла формирования подъемной силы.
Кроме того, по меньшей мере, две гондолы с установлеными в них электрическими двигателями с редукторами и тяговыми винтами могут быть размещены по разные стороны от средней части фюзеляжа и связаны с ним посредством соответствующих радиальных штанг.
Кроме того, к периферийным концам штанг может быть прикреплен, по меньшей мере, один дефлектор для защиты лопастей винта.
Кроме того, периферийные концы штанг могут быть снабжены проблесковыми маячками.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 - показана общая схема, иллюстрирующая полезную модель;
На фиг.2 - представлена конструктивная схема выполнения платформы с одновинтовым движителем;
На фиг.3 - представлена конструктивная схема выполнения винтового движителя платформы с четырьмя винтами;
На фиг.4 - представлена блок-схема автономной системы управления летательным аппаратом платформы;
На фиг.5 - показана блок-схема бесплатформенного инерциального блока;
На фиг.6 - представлена конструктивная схема выполнения кабель-троса.
Телекоммутационная воздушная платформа 1 содержит узел формирования подъемной силы (летательный аппарат) 2, связанную с этим узлом станцию 38 приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе. Узел формирования подъемной силы 2 выполнен в виде фюзеляжа 3 с приборным отсеком 4 и связан с винтовым движителем 5 в виде, по меньшей мере, одной гондолы 6, в которой установлены электрический двигатель 7 с редуктором и тяговым винтом 8. Фюзеляж связан посредством двухосного карданового подвеса 9 с кабель-тросом 10, второй конец которого зафиксирован с возможностью изменения длины кабель-троса, например, на кабельной катушке 11 в заданной точке поверхности географического региона и связан с источником электрической энергии 12 в этой точке.
В приборном отсеке размещена автономная система управления 13, состоящая из микропроцессора 14 и поключенных к его входам бесплатформенного инерциального блока 15, альтиметра 16, магнитометра 17, GPS-приемника 18, а также подключенных к выходам микропроцессора элементам 19 управления электрическими двигателями винтового движителя и изменения направления и величины вектора его тяги. Указанные элементы 19 могут быть разного исполнения, например, в виде рулевых машинок 37 поворота осей вращения электродвигателей и винтов, при установке их в гондоле или фюзеляже на кардановом подвесе, или преобразователей частоты вращения электродвигателей и винтов, управляемых микропроцессором.
Бесплатформенный инерциальный блок 15 содержит ориентированные своими осями чувствительности в направлении трех взаимно ортогональных координатных осей микромеханические гироскопы 20 и акселерометры 21.
Станция 38 приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе выполнена в виде базовой станции системы беспроводного широкополосного доступа 22 и размещена в приборном отсеке, который содержит также аккумуляторную батарею 23, преобразователи напряжения 25, вторичные источники питания 26. Приборный отсек содержит также видеокамеру наблюдения 27.
Кабель-трос 10 выполнен коаксиальным с последовательно расположенными от центра к периферии несущей тягой 28, кивларовым несущим слоем 29, информационным волоконно-оптическим слоем 30, изоляционным слоем 31 и слоем внешней климатической и механической защиты 32. В изоляционном слое по всей длине кабель-троса размещены, по меньшей мере, два электроизолированных токопроводящих проводника 33 для подачи электрической энергии с поверхности географического региона к электродвигателям узла формирования подъемной силы.
В случае выполнения винтового движителя с более чем одним тяговым винтом гондолы с установлеными в них электрическими двигателями с редукторами и тяговыми винтами размещаются по разные стороны от средней части фюзеляжа и связываются с ним посредством соответствующих радиальных штанг 34. К периферийным концам штанг прикреплен, по меньшей мере, один дефлектор 35 для защиты лопастей винта и проблесковые маячки 36.
Работа телекоммуникационной воздушной платформы осуществляется следующим образом.
Подъемная сила создается воздушным винтом, приводимым в движение электродвигателем, питанием для которого служит электроэнергия, поступающая по проводникам кабель-троса с поверхности географического региона или аккумуляторная батарея. Для создания горизонтальной составляющей тяги винта электродвигатель, установленный в кардановый подвес, наклоняется в нужном направлении при помощи двух рулевых машинок 37.
Управление платформой (режим подъема) может осуществляться как со специального пульта, так и с помощью портативного персонального компьютера. Полетное задание, включает координаты: высоту и курсовой угол платформы, задается на земле оператором с помощью клавиатуры портативного персонального компьютера или пульта. После этого, управление платформой возложено на автономную систему управления, состоящую из бесплатформенного инерциального блока, альтиметра, магнитометра, GPS-приемника и микропроцессора.
Взлет платформы осуществляется автоматически, со специального стапеля или с поверхности земли. Совершив набор высоты платформа стабилизируется относительно горизонта и курса с заданной точностью и удерживается в этом положении в процессе ее работы. Стабилизация телекоммуникационной воздушной платформы во время работы осуществляется автоматически.
В автономной системе управления предусмотрены три канала стабилизации: курса, крена и тангажа. В качестве измерителей угловой скорости использованы микромеханические вибрационные гироскопы, линейного ускорения - микромеханические акселерометры. В качестве датчика высоты использован микромеханический барометрический высотомер (альтиметр). Для повышения точности стабилизации по каналу курса используется трехкомпонентный магнитометр.
Законы управления формируются с помощью микропроцессора и позволяют осуществлять стабилизацию курса, крена и тангажа (стабилизация углов относительно центра масс) и координированных разворотов по курсу.
Компенсация сноса платформы из-за ветра (стабилизация центра масс) осуществляется с помощью приемника глобальной навигационной системы (GPS-приемника) и акселерометров.
Автоматизированная система управления производит контроль текущих параметров платформы, напряжения питания, температуры, давления и т.д. Кроме этого, в состав системы управления входит блок диагностики, позволяющий обеспечить работоспособность платформы при выходе из строя двух любых тяговых двигателей.
В случае обрыва кабель-троса предусмотрен автоматический режим аварийной посадки платформы с использованием энергии бортового аккумулятора.
Одним из основных достоинств предлагаемого технического решения является возможность использования хорошо разработанной технологии передачи электрической энергии и информационных потоков с помощью кивларового кабель-троса. Наличие в кабеле медных проводов обеспечивает надежное электропитание электродвигателей платформы и их работу в течении длительного времени без опускания платформы на землю (не менее одного года); оптическое волокно в кабель-тросе позволяет передавать с высокой скоростью (100 Мбит/с) большие объемы информации с борта на землю и с земли на борт.
Кроме этого указанные платформы могут обеспечить функции видеонаблюдения и ряд других функций которые были описаны ранее.
В качестве предварительных требований, которым должна удовлетворять телекоммуникационная воздушная платформа являются следующие:
- масса радиооборудования, размещаемого на платформе, не менее 8 кг;
- высота зависания платформы до 200 метров;
- масса кабеля-троса 12 кг;
- потребляемая мощность радиооборудования 600 Вт;
- напряжение питания радиооборудования 5 В и 12 В постоянного тока;
- время непрерывной работы оборудования без обслуживания, не менее года;
- работоспособность аппарата во всех климатических зонах региона;
- диапазон рабочих температур радиооборудования -35°С-+55°С;
- скорость ветра до 20 м/с.
Для удовлетворения перечисленных выше требований необходимо выбрать рациональную схему построения телекоммуникационной платформы, обладающую наилучшими массогабаритными показателями.
Наличие высокоскоростных и моментных электрических двигателей, отличающихся характером движения ротора, видом источника энергии, а также последовательностью расположения их в кинематической схеме обуславливает многообразие вариантов конструктивно-компоновочных схем, которые могут обеспечить заданные технологические требования.
Проведенные предварительные исследования типов летательных аппаратов показывают, что наиболее выгодной в настоящее время является векторная конструкция с количеством винтов более 3.
Были рассмотрены одновинтовая, двухвинтовая соосная, двухвинтовая продольная, трехвинтовая, четырехвинтовая и шестивинтовая схемы построения летательных аппаратов, чтобы выявить преимущества и недостатки каждой конструкции с учетом требований, предъявляемых к платформе.
Шестивинтовая схема позволяет обеспечить работоспособность телекоммуникационной винтокрылой платформы при двух любых несущих двигателях.
Поэтому исходя из соображений надежности для дальнейших разработки следует выбрать схему построения телекоммункационной воздушной платформы с шестью винтами.
Автоматическая телекоммуникационная шестивинтовая платформа значительно повышает характеристики управляемости, маневренности и грузоподъемности. Она состоит из фюзеляжа, который включает в себя корпус приборного отсека, соединенного с шестью гондолами двигателей. В гондолах установлены электрические двигатели с редукторами и винтами. На периферии гондол размещены также проблесковые маячки. В корпусе приборного отсека установлены аккумуляторная батарея, преобразователи напряжения и вторичные источники питания, базовая станция системы беспроводного широкополосного доступа, видеокамера наблюдения и система автоматического управления телекоммункационной воздушной платформой. Платформа соединяется с кабелем-тросом посредством двухосного карданового подвеса.
При потребной тяге группы винтов 500 н, суммарная масса двигателей составляет соответственно Mq=10 кг, а энергопотребление 5 КВт.
В конструкции устройства использованы разработанные авиационной промышленностью электродвигатели постоянного тока на основе магнитов SmCo, имеющие характеристики удовлетворяющие заданным требованиям эксплуатации телекоммуникационной воздушной платформы.
На этапе полунатурного моделирования осуществлялась проверка и принципов построения платформы на специально изготовленном макете аппарата с четырьмя несущими винтами, включающего реальные чувствительные элементы и исполнительные
органы и информационно-вычислительный комплекс. Кроме того, использовался специализированный механический стенд, обеспечивающий условия углового и линейного движения телекоммуникационной воздушной платформы, максимально приближенные к реальным.
Таким образом, обеспечен технический результат предлагаемой полезной модели, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства воздушной платформы за счет обеспечения возможности автоматизации ориентации и стабилизации положения платформы, упрощения конструкции и обслуживания в процессе ее эксплуатации с одновременным повышением надежности, непрерывности и длительности использования региональных сетей с предлагаемой платформой.