БОРТОВОЙ ТЕРМИНАЛ РАДИОСВЯЗИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к бортовому оборудованию радиосвязи и может быть использована для информационного обмена между беспилотным летательным аппаратом (БЛА) и пунктом управления (ПУ).
Информационный обмен в комплексах с БЛА большой дальности в пределах радиовидимости между БЛА и ПУ осуществляется по прямым каналам, а на больших расстояниях - по спутниковым. Прямой канал связи служит для дистанционного пилотирования БЛА и передачи информации, получаемой аппаратурой полезной нагрузки (ПН) в пределах радиогоризонта. Особенность прямого канала - малое время прохождения сигналов. Использование спутникового канала радиосвязи позволяет снять ограничения на дальность связи, но увеличивает время доставки сообщений и снижает оперативность управления.
Одним из критериев эффективности БЛА большой дальности является масса ПН, увеличение которой при ограничениях массы БЛА возможно за счет сокращения массы оборудования самого аппарата. Поэтому, касательно оборудования радиосвязи БЛА, наиболее целесообразным является интеграция возможностей прямого и спутникового каналов и различных режимов работы в рамках одного комплекта аппаратуры.
Известно устройство подвижной спутниковой связи для БЛА, работающее через низкоорбитальную группировку «Iridium» [1], [2], построенное на базе стандартных модулей абонентского оборудования «Iridium».
К недостаткам устройства можно отнести ограниченные скорости передачи информации и невозможность использования оборудования в прямых каналах связи.
Известна аппаратура интегрированной системы радиосвязи серии EnerLinks компании EnerdyneIII [3] с дальностью связи 150 км, бортовой приемо-передающий тракт которой включает приемное устройство, состоящее из малошумящего усилителя и понижающего конвертора, передающее устройство в составе усилителя мощности и повышающего конвертора, а также контроллер, управляющий работой понижающего и повышающего конверторов. Бортовой тракт работает совместно со слабонаправленными антеннами. В составе наземного оборудования предусмотрена узконаправленная антенна с автоматическим сопровождением БЛА в пределах зоны прямой видимости и приемопередающий тракт. В качестве каналообразующей аппаратуры бортовой и наземной аппаратуры используются модемы.
Недостатком аналога является ограниченная радиогоризонтом дальность связи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является бортовой терминал радиосвязи БЛА Global Hawk разработанная L3 Communication System-West [4], который состоит из общего модемного оборудования и четырех каналов радиосвязи, работающих в разных частотных диапазонах. Высокоскоростной спутниковый канал Ku-диапазона состоит из радиочастотного блока, усилителя мощности, источника электропитания в виде самостоятельного устройства и спутниковой антенны с прямым управлением. Высокоскоростной прямой канал Х-диапазона состоит из радиочастотного блока с интегрированными усилителем мощности и малошумящим усилителем и узконаправленной антенны. Низкоскоростной спутниковый командный канал UHV-диапазона состоит из радиочастотного блока, усилителя мощности, малошумящего усилителя, дуплексера и слабонаправленной антенны. Низкоскоростной прямой командный канал UHV-диапазона имеет аналогичный состав.
К недостаткам бортового терминала можно отнести его большую массу (170 кг), а также громоздкое антенное оборудование, включающее четыре антенны.
Задачей настоящей полезной модели является создание бортового терминала радиосвязи БЛА большой дальности с уменьшенными габаритно-массовыми характеристиками.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении габаритно-массовых характеристик бортового терминала радиосвязи БЛА за счет совмещения функций блоков различных каналов в одном устройстве и оптимальном выборе частотных планов.
Достигается технический результат за счет того, что в бортовой терминал радиосвязи беспилотного летательного аппарата, содержащий модем, сигнальные выход и вход которого соединены со входом передающей ветви и выходом приемной ветви радиочастотного блока соответственно, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом передающей ветви радиочастотного блока, малошумящий усилитель, выход которой подключен к входу приемной ветви радиочастотного блока, спутниковую антенну, связанную по средствам радиосвязи с космическим аппаратом, и дуплексер прямого канала, соединенный со слабонаправленной антенной, связанной по средствам радиосвязи с земной станцией, согласно полезной модели дополнительно введены дуплексер спутникового канала, связанный со спутниковой антенной, и антенный переключатель, первый контакт которого соединен с выходом усилителя мощности, второй контакт соединен с входом малошумящего усилителя, третий и пятый контакты соединены с входом и выходом дуплексера спутникового канала соответственно, а четвертый и шестой контакты соединены с входом и выходом дуплексера прямого канала соответственно, причем информационные входы и выходы модема, а также командные входы радиочастотного блока, антенного переключателя и спутниковой антенны соединены с бортовой аппаратурой беспилотного летательного аппарата, в радиочастотный блок дополнительно введен синтезатор частот, связанный с широкополосным повышающим конвертором, образующим передающую ветвь радиочастотного блока, и широкополосным понижающим конвертором, образующим приемную ветвь радиочастотного блока.
Сущность заявляемого бортового терминала радиосвязи БЛА поясняется чертежом (фиг.), на котором представлена структурная электрическая схема.
Бортовой терминал включает в себя (фиг.) модем 1, радиочастотный блок 2, содержащий широкополосный повышающий конвертор 10, двухканальный синтезатор 11 частоты и широкополосный понижающий конвертор 12, усилитель мощности 3, малошумящий усилитель 4, спутниковую антенну 5, дуплексер 6 спутникового канала, антенный переключатель 7, дуплексер 8 прямого канала и слабонаправленную антенну 9.
Бортовой терминал радиосвязи БЛА работает следующим образом. От аппаратуры БЛА по средствам радиосвязи бортового терминала и земной станции (ЗС) на ПУ передается телеметрическая информация (ТМИ) и информация ПН. Причем информация может передаваться как независимо, так и в уплотненном потоке. От ПУ к БЛА передается командная информация. В зависимости от программы полета БЛА аппаратура бортового терминала и ЗС радиосвязи работает по прямому или спутниковому каналам. В качестве единой ЗС ПУ может выступать стандартный терминал спутниковой связи с расширенным Ku диапазоном. Антенна ЗС должна обеспечивать автосопровождение объектов в азимутальной плоскости в пределах 360°, а в угломестной - 0…90°. Причем ЗС может работать в спутниковом канале с несколькими БЛА одновременно. В прямом канале количество одновременно обслуживаемых БЛА ограничивается шириной диаграммы направленности антенны ЗС. Обеспечение радиосвязи по обоим каналам требует соблюдения требований соответствующих протоколов взаимодействия.
При передаче модем 1 бортового терминала получает кодированную информацию от бортовой аппаратуры БЛА, уплотняет ее, формирует групповой сигнал, модулирует, преобразует в аналоговую форму и передает на вход широкополосного повышающего конвертора 10 радиочастотного блока 2. С выхода широкополосного повышающего конвертора 10 сигнал передается на усилитель мощности 3 и далее - на вход 1 антенного переключателя 7.
При приеме сигнал с выхода 2 антенного переключателя 7 поступает на последовательно соединенные малошумящий усилитель 4 и широкополосный понижающий конвертор 12. Выход широкополосного понижающего конвертора 12 связан с входом модема 1, в котором производятся операции оцифровки и демодуляции. Демодулированный сигнал поступает на соответствующую аппаратуру БЛА.
Для работы в прямом канале бортового терминала антенный переключатель 7 коммутирует контакты 1 с 4 и 2 с 6, подключая к усилителю мощности 3 и малошумящему усилителю 4 слабонаправленную в нижней полусфере антенну 9 через дуплексер 8. Двухканальный синтезатор 11 по командам аппаратуры БЛА устанавливает рабочие частоты диапазона прямого канала. Для работы в спутниковом канале антенный переключатель коммутирует контакты 1 с 3 и 2 с 5, подключая через дуплексер 6 к усилителю мощности 3 и малошумящему усилителю 4 спутниковую антенну 5 с управляемой в верхней полусфере диаграммой направленности. Двухканальный синтезатор 11 по командам аппаратуры БЛА устанавливает рабочие частоты диапазона спутниковой связи. Наведение спутниковой антенны на космический аппарат (КА) производится по маяку КА или по командам аппаратуры БЛА.
Частотный диапазон радиосвязи выбирается из условия обеспечения возможности работы единой ЗС как в спутниковом, так и в прямом каналах. В Российской Федерации выделен один спутниковый диапазон (Ku) для целей обеспечения высокоскоростной связи с подвижными объектами [5]. Поэтому частота для прямого канала связи выбирается близкой к спутниковому Ku-диапазону. Информация для выбора частот подвижной связи содержится в [6]. В таблице 1 приведен один из возможных вариантов частотного плана для Российской Федерации.
max
min
Особенностью функционирования приемо-передающего тракта бортового терминала является его относительно высокое значение перекрытия по частоте для работы в прямом и в спутниковом каналах. На основании значений, приведенных в таблице 1, коэффициент перекрытия для передающего тракта составляет К=F/F=14,5/10=1,45, а для приемного тракта - К=14,8/10,95≈1,35. Современное состояние элементной базы обеспечивает реализацию широкополосных трактов [7]. Серийно выпускаются СВЧ микросхемы с диапазоном рабочих частот 6…18 ГГц (К=3) и выходной мощностью 40 Вт (СНРА06118-1, СНРА0618-2, LO0618-46 и др.). Реализация широкополосных трактов облегчается тем обстоятельством, что дуплексеры прямого и спутникового каналов являются относительно узкополосными и коммутируются при переключении каналов.
Определение значения массы оборудования бортового терминала радиосвязи БЛА выполнено на основании результатов создания экспериментального образца комплекса с БЛА большой дальности в АО «Кронштадт». Ориентировочное значение массы бортового терминала составляет 51,6 кг включая две антенны. Значительно сокращается и земной сегмент системы связи, так как в нем используется только одна ЗС для работы в прямом и спутниковом каналах.
Таким образом, применение указанной полезной модели позволяет уменьшить габаритно-массовые и стоимостные характеристики бортового терминала радиосвязи БЛА за счет совмещения функций блоков различных каналов в одном устройстве и оптимальном выборе частотных планов. Это в свою очередь обеспечивает возможность увеличения массы ПН с целью повышения эффективности применения комплекса с БЛА большой дальности в целом.
Источники
1. Батурин Т.Н., Сушков А.А., Боев Н.М. Разработка автономного приемопередающего устройства спутниковой связи с функцией бортового регистратора для беспилотных летательных аппаратов // Современные проблемы радиоэлектроники. 2014. С. 22-25.
2. С.Е. Копылов, Т.Н. Батурин, А.А. Сушков. Проектирование и разработка устройства подвижной спутниковой связи для беспилотных летательных аппаратов. Материалы 21 Международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика М.Ф. Решетнева (08-11 ноября 2017, г. Красноярск) Часть 1.
3. Слюсар В. Радиолинии связи с БПЛА. Примеры реализации // Электроника: Наука, Технология, Бизнес - 2010. - №5.
4. Global Hawk - Integrated Communications System - L-3 Communication Systems-West, 2011. [Электронный ресурс]. URL: http://www2.l-3com.com/csw/ProductsAndServices/DataSheets/Global-Hawk-ICS_Sales-Sheet_WEB.pdf (дата обращения: 17.08.2015).
5. Решение Государственной комиссии по радиочастотам при Минкомсвязи России от 2 октября 2012 г. №12-15-05-6 «Об использовании полос радиочастот в диапазонах 14/11-12 ГГц абонентскими земными станциями спутниковой связи, устанавливаемыми на подвижных объектах».
6. Постановление Правительства Российской федерации от 21 декабря 2011 г. №1049-34 «Об утверждении таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации».
7. Кищинский А. Широкополосные транзисторные усилители мощности СВЧ диапазона - смена поколений // Электроника: Наука, Технология, Бизнес - 2010. - №2.