СИСТЕМА ДЛЯ СВЯЗИ С БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ
SYSTEM FOR COMMUNICATION WITH DRONES USING TWO FREQUENCY BANDS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к области беспроводной связи и, более конкретно, к системам, способам и компонентам для работы сотовых коммуникационных сетей с целью обеспечения связи с беспилотными и дистанционно пилотируемыми летательными аппаратами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Беспроводные системы для связи общего назначения, используемые в настоящее время, часто создаются на основе "сот", как показано на ФИГ. 1. В таких системах мобильные телефоны или мобильные устройства (100) в пределах большой географической области (101) обслуживаются путем распределения стационарных местных радиотрансиверов, которые обеспечивают двухстороннюю беспроводную связь с устройствами в подобластях большей области (102). Когда мобильный телефон или мобильное устройство перемещается из одного места в новое место (103), они могут быть обслужены другим местным стационарным радиотрансивером в сотовой беспроводной системе (104) или различными секторами (104а, 104b, 104с) в пределах диапазона того же местного стационарного радиотрансивера. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) также могут быть перемещаться в зону и из зоны действия стационарных радиотрансиверов.
[0003] Диаграммы направленности антенны стационарных радиотрансиверов в беспроводной системе обычно ориентированы в направлении вдоль земной поверхности, в противоположность всенаправленным или направленным к небу антеннам. Некоторые причины использования таких ограниченных диаграмм направленности излучения состоят в том, что, во-первых, пользователи беспроводных устройств в такой системе почти всегда физически
находятся на земле и перемещаются вдоль земной поверхности, поскольку использование связи посредством беспроводных сотовых телефонов и смартфонов в коммерческом самолете в целом запрещено законом, и, во-вторых, в основанных на сотах системах связи взаимная помеха между сотами, в которых применено повторное использование частот, устранена ограничением мощности излучения, которое может достичь смежных или соседних сот, по меньшей мере частично путем управления диаграммой направленности излучения, испускаемого антенной стационарного радиотрансивера. Упрощенная схема диаграммы направленности излучения типичного стационарного радиотрансивера в системе беспроводной сотовой связи показана на ФИГ. 2. Горизонтальная или "параллельная экранирующей плоскости" диаграмма направленности обозначена позицией (200), тогда как вертикальная диаграмма направленности обозначена позицией (210).
[0004] На ФИГ. 3 также визуализирована вертикальная диаграмма направленности. Антенная система (300) стационарного радиотрансивера сотовой связи обычно установлена на мачте на некоторой высоте над землей (304) и выполнена с возможностью обеспечения связи с мобильными устройствами в пределах некоторого радиального расстояния от антенны (303) путем покрытия этой области так называемым лучом (301) радиоволн с конкретными частотами, которые используются для приема и передачи дейтаграмм или речевого обмена между мобильным устройством (не показано) и сотовой системой связи через стационарную антенну (300). Луч обычно сформирован с подходящим углом расхождения 5-10° (302) и также может иметь дополнительный наклон относительно земной поверхности 5-10° (305). Так называемые вертикальные боковые лепестки, которые направлены к земле, фактически помогают обеспечить покрытие для мобильных устройств вблизи антенны (306а), тогда как вертикальные боковые лепестки, направленные к небу (306b), обычно являются бесполезными или не имеют значения и игнорируются как побочные продукты антенной системы.
[0005] На ФИГ. 4, (400а) показана упрощенная схема антенны стационарного радиотрансивера, показанная на ФИГ. 3, где каждая антенна (401, 402) возвышается над землей (410) и имеет вертикальную диаграмму направленности излучения, ориентированную по существу вдоль земной поверхности (401а, 401b, 402а, 402b), причем стационарные радиотрансиверы разнесены согласно определенному плану, как это делается в типичной коммуникационной сети сотового типа, для обеспечения непрерывности покрытия. Специалистам в данной области техники понятно, что фактическое разнесение стационарных радиотрансиверов выполнено в 2 измерениях: в геометрическом пространстве вдоль поверхности географической области, в которой должно быть обеспечено покрытие, и в частотном пространстве путем повторного использования частот, организованного таким образом, что частоты сигнала, излученного одним стационарным радиотрансивером (401b) по направлению к другому радиотрансиверу (402а), являются различными, в результате чего устранены взаимные помехи между соседними местоположениями. Таким образом, частоты для связи, связанные с лучом (401b), могут быть выбраны из группы /а частот, тогда как частоты, связанные с лучом (402а), могут быть выбраны из группы частот и т.п. Схемы повторного использования частот в основанных на сотах системах связи хорошо исследованы и часто включают в себя направленность антенны (401, 402) в горизонтальном направлении, как показано на ФИГ. 1 (104а, 104b, 104с) и также на ФИГ. 2 (201, 202, 203), в дополнение к простому частотному разнесению, представленному на ФИГ. 4 (401а, 401b, 402а, 402b).
[0006] Упрощенная ситуация, показанная на ФИГ. 4, реплицирована в двух измерениях по населенным областям в современном мире, так что имеются большие области и даже целые страны, в которых существует почти непрерывная зона или слой (421) покрытия вблизи земной поверхности, где в большей части условий открытого пространства может быть обеспечена надежная связь между мобильным устройством и системой сотовой связи, а также с последующими оконечными точками, соединенными с системой сотовой связи, (такими как коммутируемая телефонная сеть общего пользования, другие мобильные
устройства или компьютерные системы, обменивающиеся дейтаграммами с мобильными устройствами посредством сети сотовой связи). На ФИГ. 5 показана так называемая карта покрытия США, где синие области обозначают области, в которых обеспечено непрерывное покрытие сети связи сотового типа, способной передавать голосовые сообщения или дейтаграммы, к мобильным устройствам и от мобильных устройств, расположенных вблизи земной поверхности, и белые области обозначают области, в которых покрытие отсутствует. Как показано на чертеже, большая часть территории США обеспечено покрытием.
[0007] В настоящее время проявляется большой интерес к использованию беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА) и дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (далее ДПЛА) в коммерческих целях. Интерес вызывают различные функции летательных аппаратов от доставки посылок в пределах окрестностей местного транзитного склада до дистанционного обследования 1000-мильных нефтепроводов на предмет протечек или вторжения в полосу отвода.
[0008] В целях обсуждения в настоящей заявке, но без потери общности и с пониманием того, что могут возникать существенные пересечения между категориями, аппаратами БПЛА будут считаться близкодействующие и маловысотные летательные аппараты весом менее чем 50 фунтов (23 кг), которые летают над поверхностью земли (AGL) и/или ниже юридически регулируемого воздушного пространства и могут иметь или не иметь удаленного оператора, эффективно направляющего БПЛА вдоль части пути полета или всего пути полета, причем остаток пути полета может быть автономно управляемым; аппаратами ДПЛА будут считаться дальнодействующие и большевысотные летательные аппараты весом более 50 фунтов (23 кг) с типичными высотами пролета более 2000 футов (610 м) над земной поверхностью и/или в пределах юридически регулируемого воздушного пространства, которые обычно имеют оператора, управляющего и/или отслеживающего летательный аппарат дистанционным способом, с использованием средств автоматизации нормального
полета по курсу, например, использованием автопилота, как общепринято в пилотируемых летательных аппаратах.
[0009] Типичный БПЛА и типичный ДПЛА показаны на ФИГ. 6 и 7 соответственно. Первоначально БПЛА и ДПЛА были разработаны для военных целей, и для связи с ними преимущественно использовались военные способы связи в пределах прямой видимости для БПЛА и военные сети спутниковой связи для ДПЛА. Пример конфигурации коммуникационной сети для множества современных военных ДПЛА представлен на ФИГ. 8, который показывает, что БПЛА/ДПЛА связываются, во-первых, исключительно с выделенными спутниками, расположенными выше них (801) в указанном случае военного применения, которые затем ретранслируют их сообщения командному пункту (810). Фактически, как показано на ФИГ. 9, нос ДПЛА, показанного на ФИГ. 7, в основном выделен для антенны слежения с высоким усилением, отслеживающей антенну, которая связывается со спутниками, движущимися по орбите над ДПЛА на расстоянии от 650 миль до 22500 миль (1202-41625 км). Потери в тракте при связи с приемопередатчиком или ответчиком на таких расстояниях требуют использования антенн с большим усилением, как показано на ФИГ. 9 (901).
[0010] Для использования в коммерческих целях в большей части административно-территориальных образований ДПЛА и до некоторой степени БПЛА должны соответствовать законам и постановлениям, относящимся к использованию воздушного пространства. В целом такое соответствие требует, чтобы БПЛА/ДПЛА могли связываться с авиадиспетчерами, а также обнаруживать или опознавать и, затем, избегать других участников воздушного движения. Таким образом, в дополнение к любым дейтаграммам, передаваемым в режиме реального времени, которые в рамках коммерческой активности должны передаваться между БПЛА/ДПЛА и их центром управления, ДПЛА должен поддерживать постоянную связь со своим центром управления для передачи изображений от ДПЛА и связи между ДПЛА и диспетчерскими пунктами управления воздушным движением, чтобы ДПЛА мог действовать и управляться, как если бы это был пилотируемый летательный аппарат.
[0011] Потребность в постоянной связи предъявляет существенные требования к линии связи с орбитальными спутниками. Помимо трудностей связи на таких расстояниях (650-22500 миль (1202-41625 км)) имеется ограниченное количество доступных спутников, связь с каждым из которых возможна в ограниченной ширине полосы частот, и их количество и доступная рабочая ширина полосы являются недостаточными для осуществления значительных коммерческих действий с использованием ДПЛА и БПЛА. Кроме того, относительно малоразмерные ДПЛА и БПЛА не имеют достаточного места или грузоподъемности для размещения на них антенных систем, необходимых для связи со спутниками. Кроме того, спутникам присуща совсем небольшая избыточность, или они вовсе лишены ее, и если спутниковый приемоответчик не срабатывает, и/или связь через этот спутник нарушается, то вся связь с ДПЛА/БПЛА может быть потеряна, в результате чего летательные аппараты, такие как ДПЛА/БПЛА, могут быть полностью лишены управления.
[0012] Трудности часто возникают при связи по радиочастотному каналу с БПЛА, когда он находится в воздушном пространстве с диспетчерским обслуживанием или вне прямой видимости диспетчера или оператора. В США воздушным пространством с диспетчерским обслуживанием считается пространство выше 400 футов (122 м). Проблема возникает при непрерывной связи по радиочастотному каналу с беспилотными летательными аппаратами, когда они находятся в воздушном пространстве с диспетчерским обслуживанием (т.е. выше 400 футов (122 м) в США) и/или вне прямой видимости диспетчера или оператора. Несмотря на то, что имеется потребность в системе для ориентации наземной радиочастотной системы сотового типа к небу для облегчения связи с БПЛА, также существует потребность в обеспечении достаточной надежности такой системы для передачи важных команд и сигналов управления летательными аппаратами, такими как БПЛА, с одновременным обеспечением большой ширины полосы, достаточной для поддержки удаленных приложений распознавания.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Предложена система для связи с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Система обеспечивает высокую надежность для критических операций, таких как, например, командные, управляющие и навигационные функции БПЛА, также с одновременным обеспечением поддержки большой ширины полосы для обработки удаленных приложений распознавания, таких как, например, операции полезной нагрузки, захват изображения, управление камерой, запись звука и доставка. Система предпочтительно выполнена с возможностью включения множества диапазонов частот, и согласно предпочтительному варианту реализации обеспечивает первый диапазон частот для связи первого типа и второй диапазон частот для связи второго типа. Связью предпочтительно является радиочастотная связь между БПЛА и другим компонентом, которая предпочтительно осуществляется через сеть, поддерживающую радиочастотную связь. Согласно предпочтительному варианту реализации другим компонентом является командное и управляющее устройство, такое как компьютер, который обеспечивает обмен дейтаграммами с БПЛА для управления его операциями или функциями. Командное и управляющее устройство также принимает сообщения от БПЛА. Варианты реализации системы обеспечивают радиочастотную связь с БПЛА, которая осуществляется в двух различных диапазонах частот, один из которых предназначен для дополнительного использования с целью поддержки обмена дейтаграммами между полезной нагрузкой БПЛА (например, удаленные операции распознавания) и компьютером или контроллером, и второй диапазон радиочастотной связи выделен для приема и передачи командных, управляющих и навигационных дейтаграмм между БПЛА и главным контроллером или управляющей сетью.
[0014] Согласно предпочтительному варианту реализации система выполнена с возможностью радиочастотной передачи и обмена сообщениями с БПЛА. Согласно одному варианту реализации система выполнена с двумя различными диапазонами частот, которые предпочтительно являются диапазонами радиочастотной связи. Один из диапазонов связи предназначен для
дополнительного использования с целью обмена дейтаграммами, например, между полезной нагрузкой БПЛА и компьютером или контроллером, тогда как второй диапазон радиочастотной связи обеспечен и выделен для приема и передачи командных, управляющих и навигационных дейтаграмм между БПЛА и главным контроллером или управляющей сетью. Варианты реализации предпочтительно осуществлены для передачи командных, управляющих и навигационных дейтаграмм между БПЛА и командной и управляющей ЭВМ в назначенном диапазон частот, который предпочтительно является отдельным и выделенным для командных, управляющих и навигационных операций.
[0015] Система выполнена с возможностью применения пространственно-частотных схем повторного использования, подобных схемам для наземных сотовых систем, но направленных в небо, в противоположность системам, направленным вдоль земной поверхности. Кроме того, предпочтительные варианты реализации выполнены с возможностью осуществления поляризации, такой как, например, левая или правая круговая поляризация для конкретных областей поддиапазона (например, областей поддиапазонов выделенного или второго диапазона радиочастотной связи), которые предназначены для обмена командными, управляющими и навигационными дейтаграммами между БПЛА (или ДПЛА) и командной и управляющей ЭВМ. Надежность также повышена путем использования средств, таких как, например, упреждающая коррекция ошибок в структуре дейтаграмм, которая содержит сверточные коды исправления ошибок, и/или использования турбокодов в структуре дейтаграмм. Кроме того, некоторые варианты реализации системы осуществлены путем применения отдельной избыточной транзитной связи с использованием радиооборудования между точкой приема и передачи дейтаграмм и центральным компьютером, обрабатывающим дейтаграммы авиадиспетчерской службы для области с целью повышения надежности. Например, согласно различным вариантам реализации осуществлены раздельные избыточные операции транзитной связи между связывающимися компонентами сети или среди связывающихся компонентов сети, таких как, например, стационарные приемопередатчики, базовые
приемопередатчики, базовые станции, узлы или их эквиваленты (в зависимости от протокола сети).
[0016] Группы поддиапазонов в диапазонах излучения, в которых передаются командные и управляющие данные, применены в схеме повторного использования, и угол расхождения конуса излучения, испускаемого антенной, регулируется электронным способом или механически.
[0017] Согласно одному варианту реализации система осуществлена в соединении с существующими мачтами сотовой связи, или согласно еще одному варианту реализации осуществлена с использованием отдельных мачт, которые выделены для командной и управляющей связи с БПЛА/ДПЛА.
[0018] Согласно одному варианту реализации система, способ и компоненты осуществлены для администрирования и управления надежной связью с широким разнообразием ДПЛА и БПЛА. Согласно различным вариантам реализации система выполнена с возможностью обеспечения избыточного покрытия наиболее населенных областей, где работа ДПЛА/БПЛА и связь с ДПЛА/БПЛА являются особенно важными из соображений безопасности. Настоящее изобретение является усовершенствованием существующей ограниченной современной сотовой сети передачи данных и голосовых сообщений, которая в настоящее время ограничена наземными операциями.
[0019] Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации обеспечена система связи сотового типа. Система выполнена с обеспечением первой приземной области для связи с устройствами вблизи земной поверхности. Дополнительные слои, такие как, например, один или более вторые слои обеспечены с покрытием примерно одного и того же площадного распространения в качестве первой приземной области, но которые отделены друг от друга и которые также существенно подняты над землей. Система выполнена с возможностью обеспечения второй или дополнительной верхней области или слоя, который служит областью, в которой летательный аппарат обеспечен
связью с использованием основанной на сотах коммуникационной сети. Таким образом, основанная на сотах сеть управляет приземной связью через первую приземную область и направленной к небу связью через вторую или верхнюю область или области. Согласно одному варианту реализации уровни предпочтительно отделены друг от друга физически с помощью экранов, таких как, например, пассивные отражатели. Дополнительно или альтернативно приемопередатчики связи, расположенные в приземных устройствах и в летательных аппаратах, таких как ДПЛА и БПЛА, выполнены с возможностью работы с использованием различных протоколов, так что в случае связи в пределах второй области с использованием приземного устройства они не мешают работе связи в воздушной области второго уровня. Например, протокол направленной к небу связи отличается от протокола связи, направленной вдоль земной поверхности, для уникальной идентификации приемопередатчиков БПЛА и ДПЛА от сотовых телефонов и смартфонов, расположенных вдоль земной поверхности, и т.п.
[0020] Согласно предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения система выполнена путем развертыванием антенной системы, установленной на мачте антенны стационарного приемопередатчика базовой станции существующей сети сотовой связи. Антенная система предпочтительно является направленной к небу антенной системой и выполнена с возможностью излучения радиочастотной направленной к небу энергии. Согласно предпочтительным вариантам реализации радиочастотное излучение распространяется в пределах имеющего определенный угол расхождения конуса или другой формы. Согласно некоторым вариантам реализации антенная система соединена со вторым набором оборудования приемопередатчика, подобного оборудованию существующей сети сотовой связи или идентичного с этим оборудованием, и обеспечивает связь с летательными аппаратами, находящимися в воздухе, (например, БПЛА и ДПЛА), вместо приземных устройств.
[0021] Согласно предпочтительным вариантам реализации направленный к небу сигнал, распространенный направленными к небу антеннами, имеет поляризацию и предпочтительно горизонтальную или круговую поляризацию. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации два набора сигналов излучаются направленными к небу антеннами и имеют различные наборы частот, причем углы расхождения диаграммы направленности излучения отличаются для обеспечения непрерывного покрытия связи для различных диапазонов высот над антенной. Например, диаграмма направленности излучения с первым углом расхождения может быть направлена к небу и обеспечивать сигнал в области частот, для связи с использованием которой настроен расположенный в воздухе летательный аппарат первого типа. Это могут быть БПЛА, которые обычно действуют на нижних уровнях высот, в отличие от некоторых ДПЛА. Согласно данному варианту реализации вторая область частот может быть использована для сигнала, передаваемого с использованием второй диаграммы направленности излучения, имеющей отличающийся угол расхождения, которая обеспечивает область связи с ДПЛА. Различные диапазоны высоты могут представлять вторые слои направленной к небу области.
[0022] Согласно некоторым вариантам реализации направленный к небу сигнал, распространенный направленными к небу антеннами, имеет предпочтительную поляризацию. Например, согласно одному варианту реализации распространение излучения вверх от направленной к небу антенны соответствует диаграмме направленности излучения, такой как, например, в форме конуса. Изоляция сигналов может быть осуществлена согласно еще одним вариантам реализации системы и устройств связи для улучшения качества связи и, таким образом, устранения или уменьшения возможности непреднамеренного взаимодействия между сигналами различных частот или диапазонов частот. Варианты реализации обеспечивают изоляцию сигналов путем использования различных частот (например, определенных частот для БПЛА, в отличие от других частот для ДПЛА). В дополнение к частотному разнесению сигналов также используется изоляция за счет различных типов поляризации. Согласно предпочтительному варианту реализации поляризация является правой круговой
поляризацией или левой круговой поляризацией. Например, сигналы, распространяемые в одном направленном к небу конусе (например, для нижнего слоя), могут иметь правую круговую поляризацию, тогда как сигналы, распространяемые в другом направленном к небу конусе (например, для верхнего слоя), могут иметь левую круговую поляризацию. Согласно некоторым вариантам реализации система, способ и устройства также обеспечивают поляризацию различных типов для передачи и приема сигналов между БПЛА, ДПЛА и базовой станцией. Например, для обмена данными между связывающимися компонентами, такими как приемопередатчики, используется поляризация соответствующих типов.
[0023] Направленная к небу энергия излучения предпочтительно излучена согласно диаграмме направленности, и направленная к небу диаграмма направленности излучения согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации создается и управляется электронным способом. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации направленная к небу диаграмма направленности излучения управляется электронным способом для следования за конкретным БПЛА или ДПЛА.
[0024] Энергия, излученная в соответствии с данной направленной к небу диаграммой направленности, ограничена для облегчения обеспечения разделения между диапазонами областей непрерывной связи с летательным аппаратом.
[0025] Согласно некоторым дополнительным вариантам реализации способы и конфигурации также осуществлены с возможностью отличения летательных аппаратов типа БПЛА и ДПЛА (и связи с ними) от наземных сотовых устройств. Приемопередатчики БПЛА и ДПЛА выполнены с возможностью иметь уникальные или отличающиеся опознавательные номера или классы международных идентификационных номеров устройств мобильной связи (IMEI), обеспечивающие возможность быстрого различения сотовой коммуникационной сетью между связями с ДПЛА и БПЛА и связями вдоль земной поверхности.
Согласно одному варианту реализации система выполнена с возможностью предпринимать вследствие этого любое действие, такое как специальная маршрутизация дейтаграмм или речевого обмена.
[0026] Согласно одному варианту реализации системы включают и содержат обрабатывающие компоненты, такие как, например, процессоры, микропроцессоры и схемы, а также программное обеспечение с инструкциями для обработки сообщений от связывающегося оборудования и приемопередатчиков, которые они содержат, или к которым они относятся. Программное обеспечение сохранено в подходящем компоненте хранения, таком как флэш-память, накопитель на жестком диске, или других подходящих носителях, и содержит инструкции для выполнения этапов способа связи в первом или приземном зональном уровне и вторых уровнях, в которых осуществляется воздушная радиосвязь с летательными аппаратами.
[0027] Признаки, описанные в настоящей заявке в связи с одним вариантом реализации, могут быть осуществлены в соединении с другими вариантами реализации, и эти признаки могут быть объединены таким образом, что варианты реализации могут быть обеспечены одним, двумя или объединением нескольких признаков.
[0028] Эти и другие преимущества настоящего изобретения описаны в настоящей заявке и показаны на чертежах на примере представленных вариантов реализации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0029] На ФИГ. 1 схематически показана основанная на "сотах" система беспроводной связи общего назначения, используемой в настоящее время.
[0030] На ФИГ. 2 показана диаграмма направленности излучения типичного стационарного радиотрансивера в основанной на сотах системе беспроводных связей.
[0031] На ФИГ. 3 показана наглядная схема, иллюстрирующая базовую станцию и антенну в антенной системе стационарного приемопередатчика, показывающая визуализированное представление вертикальной диаграммы направленности излучения.
[0032] На ФИГ. 4 показаны множество антенн стационарного радиотрансивера, представленного на ФИГ. 3, разделенных друг от друга и имеющих соответствующие диаграммы направленности излучения.
[0033] На ФИГ. 5 показана карта покрытия территории США, иллюстрирующая области покрытия для сети сотового типа, выполненной с возможностью передачи голосовых сообщений или дейтаграмм к мобильным устройствам и от мобильных устройств, расположенных вблизи земли.
[0034] На ФИГ. 6 показан пример беспилотного летательного аппарата (БПЛА).
[0035] На ФИГ. 7 показан пример дистанционно пилотируемого летательного аппарата (ДПЛА).
[0036] На ФИГ. 8 показана принципиальная схема типичной военной сети связи с БПЛА/ДПЛА.
[0037] На ФИГ. 9 показан пример антенны для спутниковой связи дистанционно пилотируемого летательного аппарата (ДПЛА).
[0038] На ФИГ. 10 показан предпочтительный вариант реализации системы для связи с БПЛА и ДПЛА.
[0039] На ФИГ. 11 показан приведенный в качестве примера вариант реализации системы для использования отдельных диапазонов частот для связи с БПЛА, иллюстрирующий распределение конусов направленного к небу излучения, содержащее области вдоль линии А-А', показанной на ФИГ. 12.
[0040] На ФИГ. 12 показано распределение излучения поддиапазона второй подсистемы и показан вид сверху физического распределения поддиапазонов и использование командного и управляющего диапазона.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0041] На ФИГ. 1-12 показаны системы связи, включая систему для обеспечения направленных к небу средств связи, которые сконструированы для обмена данными между беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) (или ДПЛА), и командно-управляющей ЭВМ, которая может быть расположена на расстоянии от БПЛА (или ДПЛА).
[0042] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения могут использоваться различные части существующей установленной базовой системы сотовой связи, в настоящее время обслуживающих большую часть мирового населения вдоль поверхности земли, в качестве основного ядра системы для обслуживания потребностей в обмене данными и дейтаграммами (datagrams) с все шире используемыми коммерческими БПЛА и ДПЛА, действующими в воздухе. Согласно еще одним вариантам реализации могут быть обеспечены отдельные компоненты связи.
[0043] Как показано на ФИГ. 10, новые антенны установлены по меньшей мере на одной из существующих мачт (1001е, 1002е) сети сотовой связи, которые однако обращены к небу, а не направлены вдоль поверхности Земли, с горизонтальной правой или левой круговой поляризацией диаграммы направленности излучения, и излучение которых номинально направлено вверх в
форме конуса, расходящегося с некоторым углом (1050), несмотря на то, что возможна любая другая форма. Форма восходящей диаграммы направленности излучения может регулироваться или управляться с помощью электронных средств. Эта диаграмма направленности также может быть изолирована от диаграмм направленности излучения вдоль земной поверхности пассивным экраном или экранами (1060), также минимизирующими влияние боковых лепестков ориентируемых вдоль земной поверхности диаграмм направленности излучения на антенные приемопередатчики и наоборот.
[0044] Излучаемая область, в которой достаточный энергетический запас линии связи доступен для успешной связи между стационарными приемопередатчиками и БПЛА или ДПЛА (1001с, 1002с), создается конфигурированием формы диаграммы направленности излучения в соединении с мощностью каждого приемопередатчика (в БПЛА/ДПЛА, поскольку они связаны со стационарным приемопередатчиком) любыми способами, известными специалистам в данной области техники, включая имеющееся в продаже программное обеспечение. Также путем рассмотрения расстояния до других стационарных приемопередатчиков может быть легко определена область перекрытия, которая образует приподнятый волноводный слой (1021), в котором летательный аппарат может быть гарантирован от пропадания радиосвязи (1080), так и обеспечен достаточным энергетическим запасом линии связи, гарантирующим надежную связь.
[0045] Кроме того, согласно одному варианту реализации второй (или третий, или четвертый и т.п.) набор конусов направленных к небу диаграмм направленности может быть построен с различными углами (1051) расхождения и различными поляризациями и/или мощностями для каждой приемопередающей пары, так что другой слой (1031) непрерывного покрытия некоторой более широкой области образуется на различных высотах. Несмотря на то, что летательный аппарат может войти в воздушное пространство ниже смежного коммуникационного слоя и тем не менее все еще получать сигнал от конкретной стационарной антенны, например в точке (1070), и если он будет перемещаться
на той же высоте и достигнет точки (1071), он фактически окажется за пределами большевысотных конусов сигнала (1001d, 1002d), а также и за пределами достаточного энергетического запаса линии связи и не будет иметь надежную связь через маловысотные конусы (1001с, 1002с) сигнала, и, таким образом, скорее всего потеряет связь. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации наборы направленных к небу конусов могут иметь поляризацию, которая отличается от поляризации других наборов направленных к небу конусов. Поляризация также может быть сконфигурирована в соответствии с поляризациями принимающих и передающих устройств компонентов связи (например, в БПЛА и ДПЛА). Например, один набор конусов может быть сконфигурирован для излучения волны с правой круговой поляризацией, и другой набор направленных к небу конусов может быть сконфигурирован для излучения волны с левой круговой поляризацией. Эти конфигурации могут обеспечить повышенную изоляцию сигналов в дополнение к любой изоляции, обеспеченной частотным разнесением (например, между наборами конусов). Например, согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации первый набор направленных к небу сигналов может быть поляризован с первой поляризационной характеристикой, и второй набор направленных к небу сигналов может быть поляризован с второй поляризационной характеристикой. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации поляризационные характеристики могут быть круговыми поляризационными характеристиками. Согласно одному приведенному в качестве примера варианту реализации один набор направленных к небу сигналов может иметь правую круговую поляризацию, и другой набор, например, второй набор направленных к небу сигналов может иметь левую круговую поляризацию. Каждый набор направленных к небу сигналов может быть сконфигурирован, например, в форме конуса. Согласно одному приведенному в качестве примера варианту реализации система может быть сконфигурирована для режима связи, в котором первый набор направленных к небу сигналов образует первый направленный к небу конус, и второй набор направленных к небу сигналов образует второй направленный к небу конус. Первый и второй наборы сигналов предпочтительно имеют различную поляризацию также для изоляции первого набора от других наборов сигналов.
Например, первый направленный к небу конус может быть образован сигналами с правой круговой поляризацией, и второй направленный к небу конус может быть образован сигналами с левой круговой поляризацией. Направленные к небу антенны могут быть использованы для излучения наборов сигналов на различных частотах, и каждый набор сигналов имеет различную частоту. Направленные к небу диаграммы направленности излучения образуются предпочтительно электронным способом. Согласно предпочтительным вариантам реализации, беспилотный летательный аппарат (БПЛА) или дистанционно пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА) может быть сконфигурирован с приемопередатчиком, который связывается посредством сигнала, поляризация которого подобна поляризации сигнала связи от сети, излученного направленными к небу антеннами имеющего ту же частоту связи. Например, направленная к небу диаграмма направленности излучения может управляться электронным способом для следования за конкретным беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) или дистанционно пилотируемым летательным аппаратом (ДПЛА). Кроме того, согласно одному приведенному в качестве примера варианту реализации один направленный к небу конус сигнала может формировать верхний слой, и другой направленный к небу конус может формировать нижний слой. Сигналы каждого из слоев предпочтительно имеют различные поляризационные характеристики. Например, сигналы в первом или верхнем слое могут иметь левую круговую поляризацию, и сигналы во втором или нижнем слое могут иметь правую круговую поляризацию. Энергия излучения для каждого слоя конфигурируется таким образом, что сигналы каждого слоя или конуса имеют различные частоты. Согласно данному приведенному в качестве примера варианту реализации связь с ДПЛА имеет место в пределах первого или верхнего слоя (например, первого направленного к небу конуса), и связь с БПЛА имеет место в пределах второго или нижнего слоя (например, второго направленного к небу конуса), как описано в отношении связи с БПЛА, показанной на ФИГ. 10. Стационарные приемопередатчики, например, приемопередатчики 3001, 3002, 3003, 3004 (показанные на ФИГ. 11), излучают радиочастотный сигнал RF (например, в соответствии с диаграммой направленности излучения) посредством по меньшей мере одной соответствующей антенны, например, антенны 5001,
5002, 5003, 5004. БПЛА в этом примере имеет приемопередатчик, выполненный с возможностью передачи и приема, в частности, приемопередатчик БПЛА сконфигурирован для передачи и приема сигналов с правой круговой поляризацией. ДПЛА согласно данному примеру имеет приемопередатчик, сконфигурированный для передачи и приема, в частности, приемопередатчик ДПЛА сконфигурирован с возможностью передачи и приема сигналов с левой круговой поляризацией. Базовая станция сети сотовой связи предпочтительно имеет приемопередатчик, который сконфигурирован с возможностью передачи и приема сигналов с поляризацией (и частой), которая соответствует поляризации связывающегося приемопередатчика (например приемопередатчика БПЛА или ДПЛА), излучение которых согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации может иметь правую круговую поляризацию или левую круговую поляризацию.
[0046] Высоту и толщину непрерывных слоев связи можно регулировать путем управления электронным способом углом (1050, 1051) расхождения луча и мощностью, которую стационарные приемопередатчики (1001, 1002) доставляют в направленные к небу антенные системы, любым из множества способов, известных специалистам в данной области техники. Эти регулировочные средства позволяют непрерывному слою связи следовать за определенной высотой над уровнем поверхности земли или за определенной высотой над средним уровнем моря. Высотами летательных аппаратов зачастую управляют на основании измерения высоты посредством барометрического высотомера; БПЛА и ДПЛА могут подобным способом направляться местными авиадиспетчерами или правилами. Слой может регулироваться по высоте над уровнем поверхности земли или средним уровнем моря в случае необходимости даже поминутно в соответствии с любым необходимым параметром.
[0047] В качестве примера, маловысотный непрерывный слой (1021) связи может управляться в диапазоне от 500 футов (152 м) над уровнем поверхности земли до 2000 футов (610 м) над уровнем поверхности земли. Большевысотный непрерывный слой (1031) связи может управляться в диапазоне от 20000 футов
(6100 м) над средним уровнем моря до 25000 футов (7620 м) над средним уровнем моря.
[0048] Если БПЛА (1051) в нижнем непрерывном слое связи перемещается через конус покрытия, направленный на более высокий слой связи, приемник в БПЛА (1051) находится намного ближе к стационарному передатчику (1002), чем большевысотный ДПЛА (1050). Однако в большей части коммерческих прикладных ситуаций малоразмерный БПЛА (1051) обычно имеет приемную антенну с малым усилением по сравнению с крупноразмерным ДПЛА (1050), и, таким образом, мощность принятого сигнала в БПЛА (1051), извлеченная из энергии излучения, направленной в большевысотном конусе (1002d), может быть меньше, чем мощность принятого сигнала в БПЛА (1051), извлеченная из энергии излучения, направленной в маловысотном конусе (1002с). Иными словами, номинальная мощность сигнала от излучающей вдоль земной поверхности антенны, которая может быть получена в ДПЛА (1050), может быть более чем достаточной для компенсации любых пропаданий сигнала, вызванных большим расстояние, и, таким образом, во множестве конфигураций напряженность поля большевысотного направленного луча (1002d), исходящего от наземной антенны (1002f), в местонахождении БПЛА (1051) может быть значительно ниже, чем напряженность поля маловысотного направленного луча (1002с) в местонахождении БПЛА (1051).
[0049] Несмотря на то, что при частотном разнесении, показанном на ФИГ. 10, используются только 4 группы частот (fA, fB, fC, fD), специалистам в области систем сотовой связи понятно, что могут быть использованы намного больше групп частот без отступления от объема охраны настоящего изобретения.
[0050] Специалистам в данной области техники понятно, что энергоресурс линий связи между стационарными наземными приемопередатчиками (1001, 1002) и БПЛА (1051) и ДПЛА (1050), находящимися в слоях (1021) и (1031) связи, соответственно может быть более жестко ограничен, чем энергоресурсы линии связи между стационарными наземными приемопередатчиками и типичными
персональными мобильными устройствами и смартфонами, передающими и принимающими сигнал по каналам (1001а, 1001b, 1002а, 1002b), распространяющимся вдоль земной поверхности. Это потому, что в отличие от мобильного телефона, который может находиться в ящике стола, кармане пользователя или в самой глубине здания в большом городе в условиях помех из-за многолучевого распространения сигнала, пропадания и ослабления сигнала в сложных условиях, к которым необходимо приспосабливаться, ослабление канала связи между БПЛА и стационарным наземным приемопередатчиком или канала связи между ДПЛА и стационарным наземным приемопередатчиком в большинстве ситуаций обусловлено простым затуханием радиосигнала в свободном пространстве.
[0051] В дополнение к созданию одного или более непрерывных слоев связи с сопутствующим добавлением частотного разнесения в направленных к небу лучах, общепринятые протоколы систем сотовой связи, такие как используемые при передаче сигналов согласно стандартам GSM, 3G, 4G или LTE, и протоколы управления каналом могут содержать специальную идентификацию сигналов, направленных к БПЛА или ДПЛА или приходящих от БПЛА или ДПЛА. Такая настройка протоколов может быть столь же простой, как и класс специализированных международных идентификационных номеров устройств мобильной связи (IMEI). Путем быстрой идентификации класса абонента мобильной сети как БПЛА или ДПЛА, в отличие от мобильного устройства, первоначально предназначенного для использования вдоль земной поверхности, (такого как персональный сотовый телефон или смартфон), система может предотвратить соединение, например, с человеком, который случайно оставил свой персональный сотовый телефон во включенном состоянии во время полета коммерческим рейсом.
[0052] Согласно предпочтительному варианту реализации система выполнена с возможностью передачи и обмена данными радиочастотным способом с БПЛА, причем система обеспечена двумя различными диапазонами частот, которые предпочтительно являются радиочастотными диапазонами связи.
Один из диапазонов связи предназначен для опционального использования с целью поддержки дейтаграмм, таких как, например, между полезной нагрузкой БПЛА и компьютером или контроллером, в то время как второй радиочастотный диапазон связи обеспечен и выделен для передачи сигналов команд и управления, а также для приема и передачи навигационных дейтаграмм между БПЛА и главным контроллером или управляющей сетью.
[0053] Согласно предпочтительным вариантам реализации слой, такой как слой, образованный с возможностью содержания второй воздушной зоны (например, второй слой 1021, показанный на ФИГ. 10, обслуживающий связь с БПЛА), предпочтительно образован с возможностью содержания первой подсистемы и второй подсистемы в системе связи с БПЛА. Первая подсистема предпочтительно выделена только для обслуживания потребностей БПЛА в радиочастотных передаче и приеме прикладных дейтаграмм с полезной нагрузкой БПЛА, такой как, например, помимо прочего цифровая видеокамера, которую может нести БПЛА. В дополнение к первой подсистеме обеспечена вторая подсистема, которая изолирована от первой подсистемы. Вторая подсистема выполнена с возможностью обращения с более критическими командными, управляющими и навигационными функциями в отношении БПЛА. Согласно предпочтительным вариантам реализации система выполнена таким образом, что вторая подсистема действует в качестве радиочастотного канала для передачи и приема дейтаграмм между контроллером или управляющей компьютерной сетью, в которой размещена система авиадиспетчерской службы БПЛА. Первая подсистема и вторая подсистема предпочтительно работают на различных частотах или каналах, но обеспечивают связь в верхней области связи с БПЛА (например, такой как маловысотный непрерывный слой связи 1021, показанный на ФИГ. 10).
[0054] Вторая подсистема предпочтительно выполнена в форме системы радиочастотной связи с множеством направленных вверх зон излучения сотового типа, обеспечивающих покрытие. Сотовые зоны предпочтительно разделены на подканалы с образованием множества подканалов в качестве части второй
подсистемы. Относительно второй подсистемы радиочастотной связи, например, большая область может быть покрыта подходящим способом для обеспечения связи с множеством БПЛА путем создания направленной к небу сотовой системы и разделением ее частотного диапазона на подканалы для повторного использования частот в большой географической области подобно способу работы традиционной основанной на сотах системы. Например, диапазон 5000-5091 МГц может быть разделен на три поддиапазона, которые могут быть поддиапазонами 5000-5030 МГц, 5030-5060 МГц и 5060-5090 МГц. Согласно предпочтительному варианту реализации системы различные поддиапазоны, такие как, например, три поддиапазона, описанные в приведенном в качестве примера варианте реализации системы, могут быть повторно использованы в схеме повторного использования.
[0055] Примерное описание системы согласно настоящему изобретению показано на ФИГ. 11 и 12. На ФИГ. 11 помимо прочего показано приведенное в качестве примера устройство, создающее множество конусов направленного к небу излучения. Первый конус 4001 излучения, показанный на чертеже, представляет Группу 1 поддиапазона, содержащую поддиапазон, который предпочтительно находится в пределах диапазона второй подсистемы. Второй конус 4002 излучения, показанный на чертеже, представляет Группу 2 поддиапазона, содержащую поддиапазон, который предпочтительно находится в пределах диапазона второй подсистемы. Третий конус 4003 излучения, показанный на чертеже, представляет Группу 3 поддиапазона, содержащую поддиапазон, который предпочтительно находится в пределах диапазона второй подсистемы. Четвертый конус 4004 излучения, показанный на чертеже, представляет Группу 3 поддиапазона, который является поддиапазоном, показанным в соединении с конусом 4003 излучения. Группы подобластей, отмеченные конусами 4001, 4002, 4003, 4004 излучения на ФИГ. 11, предпочтительно образованы соответствующими направленными к небу антеннами (5001, 5002, 5003, 5004), связанными с соответствующим множеством приемопередатчиков 3001, 3002, 3003, 3004 на мачтах сети. Угол конуса излучения, проецируемого антенной, может регулироваться, например,
электронным или механическим способом. Например, как показано на ФИГ. 11, конусы 4001, 4002, 4003, 4004 излучения соответствующих направленных к небу антенн 5001, 5002, 5003, 5004, могут регулироваться путем электронного или механического манипулирования антенной. Например, стационарные приемопередатчики 3001, 3002, 3003, 3004 (подобные приемопередатчикам 1001, 1002, описанным в связи с вариантами реализации, показанными на ФИГ. 10) обеспечены питанием для доставки радиочастотных сигналов к направленным к небу антеннам. Угол расхождения конусов излучения, таких как конусы 4001, 4002, 4003 и 4004 излучения, представленные на ФИГ. 11, могут управляться электронным способом. Управление углом расхождения луча может быть достигнуто любым из множества способов, известных специалистам в данной области техники; также можно регулировать высоту и толщину непрерывных слоев связи, таких как слой 4100 связи для передачи команд, сигналов управления и навигационных данных, показанный на ФИГ. 12. Соответственно, как описано выше в отношении слоев 1021, 1031, показанных на ФИГ. 10, такая регулировка обеспечивает возможность следования непрерывного слоя 4100 связи за определенной высотой над уровнем поверхности земли или за определенной высотой над средним уровнем моря. Например, слой 4100, показанный на ФИГ. 11, предпочтительно может обслуживать вторую подсистему системы связи с БПЛА и может быть создан на том же самом уровне, как и слой 1021 (на ФИГ. 10). Слой 4100 может содержать слой 1021 в качестве второй подсистемы в системе связи с БПЛА и предпочтительно содержит слой 1021 со слоем первой подсистемы (для управления другими каналами связи с БПЛА). Например, согласно предпочтительному варианту реализации системы слой 1021 может содержать первый частотный диапазон, в котором передаются сигналы команд и управляющие сигналы, а также навигационные сигналы (представленный слоем 4100 области на ФИГ. 11 и 12), и может содержать второй частотный диапазон (или частоту), в котором происходит обмен другими сигналами и данными, такими как, например, дейтаграммы, между полезной нагрузкой БПЛА (например, результаты операции удаленного распознавания) и компьютером или контроллером. Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения слой, такой как слой 4100 области, показанный на ФИГ. 12,
может регулироваться по высоте над уровнем поверхности земли или средним уровнем моря с желательной частотой, даже поминутно, в соответствии с любым необходимым параметром. Это может быть осуществлено вместе со слоем дейтаграммы полезной нагрузки БПЛА или вместе с входящей в состав слоя частотой или частотами, или отдельно от них.
[0056] Варианты реализации системы могут быть осуществлены отдельно с передающими и принимающими компонентами и/или антеннами, расположенными на отдельных мачтах, таких как, например, мачта, выделенная только для этой цели. Альтернативно, согласно некоторым еще одним вариантам реализации система может быть реализована путем установки компонентов аппаратных средств на существующей мачте сотовой связи. Согласно еще одним вариантам реализации система может быть сконфигурирована таким образом, что некоторые части расположены на выделенных мачтах, и другие части могут быть расположены на существующих мачтах. Например, массив существующих мачт сотовой телефонии могут быть использованы для обеспечения распространения сигнала для генерирования сигналов связи в полосе частот группы поддиапазонов (например, такой как группы 1, 2 и 3 поддиапазонов, показанные на ФИГ. 11 и 12).
[0057] Согласно предпочтительным вариантам реализации система сконфигурирована для повышения надежности. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации может быть использована отдельная избыточная транзитная связь между приемопередающей точкой дейтаграммы беспроводного оборудования и компонентом управления, таким как, например, центральный компьютер, обрабатывающий дейтаграммы авиадиспетчерской службы области. Избыточная транзитная связь предпочтительно может быть выполнена с возможностью обеспечения избыточных точек доступа по сети. Например, приемопередатчики, установленные на мачтах, для обеспечения связи между БПЛА и командной и управляющей ЭВМ, находящейся в сети, которые, например, могут быть соединены для связи через базовый приемопередатчик, предпочтительно выполнены с возможностью обеспечения резервирования связи между беспроводным приемопередатчиком и командной ЭВМ.
[0058] Как показано на чертеже, система предпочтительно обеспечивает множество конусов излучения сигнала, которые направлены к небу и которые предпочтительно расположены с возможностью создания физически распределенной области 4100 связи. Область 4100 показана в виде изображения, представляющего приведенное в качестве примера изображение для показа областей, представленных упорядоченными зонами излучения, состоящими из групп поддиапазонов. Вторая подсистема предпочтительно формирует группы поддиапазонов. На ФИГ. 12 представлен вид сверху, который показывает конусы 4001, 4003, 4002, 4004 излучения, расположенные рядом друг с другом, а также показывает дополнительные конусы излучения. Конусы излучения, показанные на ФИГ. 12, представляют верхнюю область или зону 4001а, 4002а, 4003а, 4004а соответственно каждого конуса 4001, 4002, 4003, 4004 излучения, показанных на ФИГ. 11. Конусы 4001, 4002, 4003, 4004 излучения, показанные на ФИГ. 11, являются конусами, образующими верхние области 4001а, 4002а, 4003а, 4004а, показанные на ФИГ. 12, и содержат области, расположенные вдоль линии А-А', показанной на ФИГ. 12, которая проходит через центр сечения каждого конуса. Конусы излучения предпочтительно расположены рядом друг с другом для создания соответствующих верхних конусных областей, как показано на ФИГ. 12. В дополнение к конусам 4001, 4002, 4003, 4004 излучения, показанным на ФИГ. 11, также обеспечены зоны или области излучения, содержащие первое множество конусов Группы 1 поддиапазонов, второе множество конусов Группы 2 поддиапазонов и третье множество конусов Группы 3 поддиапазонов. Согласно предпочтительному варианту реализации каждый конус излучения предпочтительно генерируется соответствующим радиочастотным источником генерации (например, приемопередатчиком) и исходит из одной или более соответствующих относящихся к нему антенн, и каждый конус излучения рядом с соседним конусом для создания непрерывного покрытия области или зоны.
[0059] На ФИГ. 12 показано репрезентативное расположение поддиапазонов второй подсистемы. Поддиапазоны каждой группы (которые на чертеже являются Группами 1, 2 и 3) предпочтительно лежат в пределах
диапазона второй подсистемы. На чертеже показаны три группы поддиапазонов, подобные группам поддиапазонов, показанным на ФИГ. 11, включая показанные на ФИГ. 12 зоны 4005а, 4006а, 4007а, 4008а, 4009а, 4010а, 4011а, 4012а, 4013а, 4014а, 4015а, 4016а, 4017а, 4018а диапазонов. Зоны диапазонов, показанные на ФИГ. 12, предпочтительно являются расходящимися частями соответствующих конусов излучения (подобных конусам 4001, 4002, 4003, 4004, показанным на ФИГ. 11). На ФИГ. 12 показана Группа 1 поддиапазонов, состоящая из первой группы репрезентативных областей, а именно, репрезентативных конусов 4001а, 4005а, 4007а, 4009а, 4011а и 4012а. Группа 2 поддиапазонов состоит из другой группы репрезентативных областей, а именно, репрезентативных конусов 4003а, 4008а, 4010а, 4013а, 4015а и 4017а. Группа 3 поддиапазонов состоит из другой группы репрезентативных конусов 4002а, 4004а, 4006а, 4014а, 4016а и 4018а. Физически распределенная область связи 4100 показана как верхняя область, образующая область непрерывного покрытия над землей. Верхняя область 4100, показанная на ФИГ. 12, представлена областью 4100 конусов излучения, показанной на ФИГ. 11, расположенной между линиями В и С. Дополнительные диапазоны излучения предназначены для обеспечения дополнительных составляющих групп поддиапазонов (например, групп 4005а-4018а), показанных на ФИГ. 12 (несмотря на то, что на ФИГ. 11 показаны четыре конуса 4001, 4002, 4003, 4004).
[0060] Верхняя область 4100 предпочтительно представляет диапазон для передачи сигналов команд и управления при связи с БПЛА. Предпочтительно система выполнена с возможностью передачи команд для БПЛА и выполнения управляющих операций, включая навигационные функции. Как показано на ФИГ. 11 и 12, верхняя область 4100 содержит вторую подсистему. Согласно предпочтительному варианту реализации системы передача управляющих сигналов для БПЛА происходит через верхнюю область 4100. Отдаленно расположенный компьютер или элемент системы управления могут направлять команды для БПЛА по передающим каналам, которые предпочтительно размещены в радиочастотной подсистеме. Например, дейтаграммы, передаваемые между контроллером или сетью управляющей ЭВМ, в которой
установлена система авиадиспетчерской службы БПЛА, могут быть обработаны посредством второй подсистемы, представленной областью 4100, которая предпочтительно содержит радиочастотный передающий и принимающий канал.
[0061] Согласно предпочтительным вариантам реализации группы поддиапазонов предпочтительно распределены среди непрерывного диапазона частот всей ширины полосы. Например, вторая подсистема радиочастотной связи, представленная областью 4100, показанной на ФИГ. 11 и 12, обеспечивает большую область покрытия, которая является подходящей для обеспечения связи с множеством БПЛА. Частотный диапазон направленной к небу сотовой системы, показанной на чертеже в качестве примера, разделен на множество подканалов (представленных группами 1, 2 и 3 поддиапазонов). Например, верхняя область 4100 может быть образована множеством поддиапазонов. Поддиапазонами предпочтительно являются области с определенной шириной полосы в верхней области 4100. На чертеже показаны три группы поддиапазонов. Согласно одному приведенному в качестве примера варианту реализации диапазон 5000-5091 МГц может быть разделен на 3 поддиапазона: 5000-5030 МГц, 5030-5060 МГц и 5060-5090 МГц, причем различные поддиапазоны повторно используются в схеме повторного использования. На ФИГ. 11 и 12 показан приведенный в качестве примера вариант реализации, согласно которому конусы направленного к небу излучения представляют три отдельных поддиапазона излучения, причем указанные поддиапазоны включают часть частотного диапазона, которая предпочтительно является непрерывной частью непрерывного частотного диапазона, разделенного на определенное количество поддиапазонов. Согласно предпочтительному варианту реализации поддиапазоны содержат соседние части диапазона, имеющие определенную ширину полосы.
[0062] Для второго слоя, который сконфигурирован с возможностью содержания второй воздушной зоны, могут быть осуществлены альтернативные распределения ширины полосы. Например, второй диапазон радиочастотной связи может иметь частотный диапазон приблизительно 4200-4400 МГц. Этот диапазон может быть подразделен, например, на три группы поддиапазонов
шириной, например, 200/3 МГц каждый или на зоны шириной приблизительно 66,67 МГц, причем первая группа поддиапазонов составляет примерно 4200-4267 МГц, вторая группа поддиапазонов примерно 4268-4333 МГц, и третья группа поддиапазонов примерно 4334-4400 МГц. Согласно еще одному приведенному в качестве примера варианту реализации второй диапазон радиочастотной связи может быть сконфигурирован с возможностью включения частотного диапазона примерно 5000-5250 МГц и может быть разделен на множество групп поддиапазонов.
[0063] Согласно предпочтительным вариантам реализации схема повторного использования может быть реализована в виде пространственно-частотной схемы повторного использования, подобной схеме наземных сотовых систем, однако ее излучение направлено в небо, в отличие от излучения, направленного вдоль земной поверхности. Схема повторного использования предпочтительно выполнена с возможностью увеличения покрытия и пропускной способности каналов связи, которые могут быть обслужены. В сотовых структурах соседние соты выполнены с возможностью использования различных частот. Соты, которые соответственно отдалены друг от друга, могут использовать одну и ту же рабочую частоту (если сотовый приемопередатчик или абонентское оборудование не передают с превышением мощности сигнала). Соты разделены для минимизации или устранения тенденции к помехам от соседних каналов. Кроме того, согласно предпочтительным вариантам реализации БПЛА предпочтительно оборудован приемопередатчиком, который соответственно обеспечивает связь в диапазоне соты без генерирования помех, имеющих чрезмерную величину, для других соседних сот, которые используют или повторно используют ту же частоту, что и сота, через которую осуществляется связь с БПЛА.
[0064] Повторное использование частоты может быть определено расстоянием повторного использования и коэффициентом повторного использования, которые могут быть представлены в уравнении (1) следующим образом:
где:
D - расстояние повторного использования;
R - радиус зоны сотовой связи; и
N - количество сот в кластере.
Например, соты могут изменяться по радиусу в диапазоне от примерно 1 км до 30 км (приблизительно от 0,62 мили до 18,64 мили). Повторное использование частоты может быть определено коэффициентом и представлено отношением 1/К, где К - количество сот, которые не могут использовать те же частоты для передачи. Как показано на ФИГ. 12, коэффициент повторного использования для второй подсистемы второй воздушной зоны составляет 1/3. Согласно некоторым альтернативным вариантам реализации коэффициент повторного использования частоты может составлять 1/4, 1/7, 1/9 и/или 1/12.
[0065] Согласно некоторым вариантам реализации, в которых используется система на основе множественного доступа с кодовым разделением (CDMA), более широкий диапазон частот может быть использован для достижения той же скорости передачи, как и при множественном доступе с частотным разделением каналов (FDMA). Коэффициент повторного использования, составляющий 1, при котором, например, используется схема повторного использования типа 1/1, может быть использован в случаях, когда в местоположениях соседних базовых станций могут использоваться те же частоты. Однако базовые станции и пользователи разделены по кодам, а не по частотам, и вся ширина полосы соты также может быть доступный для каждого сектора индивидуально.
[0066] Согласно предпочтительным вариантам реализации группы подобластей, обозначенные конусами излучения, показанными на ФИГ. 11 и 12, предпочтительно образованы направленными к небу антеннами (5001, 5002, 5003,
5004, на ФИГ. 11). Согласно предпочтительным вариантам реализации эти направленные к небу сигналы, излученные направленными к небу антеннами, могут иметь поляризацию, предпочтительно горизонтальную или круговую. Как описано выше в отношении первой и второй областей покрытия, показанных на ФИГ. 10, два набора сигналов могут быть излучены по направлению к небу в форме различных наборов частот, причем углы расхождения диаграмм направленности излучения отличаются друг от друга для обеспечения непрерывного покрытие связи для различных диапазонов высот над антенной. Например, если БПЛА находится в показанном на чертеже нижнем слое (на ФИГ. 10), согласно предпочтительным вариантам реализации сигналы команд и управляющих функций для БПЛА могут быть переданы с использованием распределения группы поддиапазонов, показанного на ФИГ. 11 и 12. Группы поддиапазонов предпочтительно представляют распространяющиеся радиочастотные сигналы в конкретном или назначенном частотном диапазоне, некоторыми примерами которого могут быть диапазоны, такие как, например, 5000-5091 МГц и 4200-4400 МГц. Согласно некоторым вариантам реализации направленный к небу сигнал, распространенный направленными к небу антеннами, такими как, например, антенны, распространяющие сигналы Групп 1, 2 и 3 поддиапазонов, показанных на ФИГ. 11 и 12, может иметь предпочтительную поляризацию. Например, распространение излучения от направленной к небу антенны может быть выполнено с возможностью излучения в соответствии с диаграммой направленности, например, подобной конусу. Как показано на приведенном в качестве примера изображении, изоляция сигналов может быть осуществлена в отношении групп поддиапазонов для улучшения качества связи и уменьшения или устранения потенциальных нежелательных взаимодействия, в частности, в отношении командных и управляющих дейтаграмм. Частотное разнесение сигналов, представленное конусами и группами поддиапазонов, показанных на ФИГ. 11 и 12, также может быть изолированным путем осуществления поляризационных схем. Согласно предпочтительному варианту реализации поляризация может быть правой круговой поляризацией и левой круговой поляризацией. Например, распространяемые сигналы в одном направленном к небу конусе (например, первой группе поддиапазонов) могут
иметь правую круговую поляризацию, в то время как распространяемые сигналы в другом направленном к небу конусе (например, другой группе поддиапазонов, которые могут быть соседней группой поддиапазонов) могут иметь левую круговую поляризацию. Согласно некоторым вариантам реализации система, способ и устройства также могут обеспечить типы поляризации передаваемых и принимаемых сигналов для БПЛА и ДПЛА, а также для базовой станции. Например, соответствующие типы поляризации могут быть выбраны для передачи и приема между связывающимися компонентами, такими как приемопередатчики. Тип поляризации, такой как, например, правая круговая поляризация и левая круговая поляризация, может быть частью пространственно-частотной схемы повторного использования. Могут быть поляризованы один или более диапазонов подгруппы. Например, как показано на ФИГ. 12, с использованием изображения для иллюстрации приведенного в качестве примера варианта реализации согласно некоторым вариантам реализации группы поддиапазонов могут быть распределены таким образом, что сигналы одной или более одних групп имеют правую круговую поляризацию, и сигналы одной или более других групп имеют левую круговую поляризацию.
[0067] Варианты реализации системы могут быть выполнены с возможностью осуществления упреждающей коррекции ошибок (FEC) в структуре дейтаграмм. Например, обмен данными и передачи между БПЛА и компонентом командного управления или компьютером могут быть осуществлены кодированием сообщения передачи в одном или более исправляющих ошибки форматах. Согласно некоторым вариантам реализации упреждающая коррекция ошибок осуществляется путем кодирования передачи избыточным способом, который предпочтительно может быть реализован с использованием кода с исправлением ошибок (EEC). Согласно данному варианту реализации избыточность кода передачи позволяет приемнику, такому как БПЛА или управляющая ЭВМ, обнаруживать ограниченное число ошибок, которые могут возникнуть где-либо при передаче сообщения. Преимущество выполнения упреждающей коррекции ошибок при обмене данными между БПЛА и другим компонентом, таким как командная и/или управляющая ЭВМ, состоит в том, что
обнаруженные ошибки предпочтительно могут быть исправлены без ретрансляции сообщения. Например, выполнение упреждающей коррекции ошибок позволяет приемнику, принявшему кодированное сообщение, исправлять ошибки без необходимости использования дополнительной частотной полосы (такой как обратный канал) для повторной передачи запроса и, таким образом, экономить ресурс канала (используемую частотную полосу и время).
[0068] Согласно некоторым вариантам реализации БПЛА и командная или управляющая ЭВМ могут обеспечить функции альтернативной или дополнительной коррекции ошибок. Согласно некоторым вариантам реализации передачи между БПЛА и командной или управляющей ЭВМ могут быть реализованы с возможностью генерирования сообщений связи со сверточными кодами коррекции ошибок в структуре дейтаграмм. Например, согласно некоторым вариантам реализации сверточный код с исправлением ошибок осуществляет скользящее применение булевой полиномиальной функции потока данных, которая генерирует символы четности и представляет так называемую "свертку" кодера по данным. Для обеспечения возможности декодирования сверточных кодов может быть использована схема инвариантного по времени решетчатого декодирования. Скользящая природа сверточных кодов облегчает решетчатое декодирование с использованием инвариантной по времени решетки.
[0069] Варианты реализации системы могут быть выполнены с возможностью осуществления упреждающей коррекции ошибок (FEC) в структуре дейтаграмм, которая осуществлена в форме турбо кодов. Например, связь и передачи между БПЛА и командным управляющим компонентом или компьютером могут генерироваться путем кодирования сообщения передачи в соответствии с упреждающей коррекцией ошибок с использованием турбо кодов в структуре дейтаграмм. БПЛА и компьютер командного управления могут быть оборудованы подходящими аппаратными компонентами, содержащими инструкции для осуществления обработки и генерации турбо кодов. Например, БПЛА (и предпочтительно командная и управляющая ЭВМ) может быть снабжен кодирующим устройством, состоящем из двух идентичных кодеров RSC, т.е.
кодеров Coder1 и Coder2, которые предпочтительно соединены с использованием схемы параллельной конкатенации, где перемежитель выполняет перестановку данных полезной нагрузки. Кодеры RSC кодируют сообщение и предпочтительно данные полезной нагрузки для исправления ошибок с использованием турбокодов для сообщения, переданного от БПЛА и/или командной и управляющей ЭВМ. Схожим образом БПЛА и командная или управляющая ЭВМ предпочтительно обеспечены декодером, который может быть выполнен подобно кодеру, но при этом декодеры включены последовательно. Если и БПЛА и командная управляющая ЭВМ имеют кодер и декодер, в сообщениях, переданных и принятых между ними, может быть осуществлено исправление ошибок с использованием турбокода. Турбокоды могут быть осуществлены в различных вариантах реализации с использованием различных компонентных кодеров, отношений ввода/вывода, перемежителей и перфораторов (puncturing patterns). Согласно приведенному в качестве примера варианту реализации упреждающая коррекция ошибок может быть осуществлена с использованием турбокодов, посредством которых кодер передает три подблока битов. В приведенном в качестве примера варианте реализации первым подблоком может быть блок m-битов данных полезной нагрузки (который содержит важность сообщения или передаваемых данных от БПЛА/командной или управляющей ЭВМ без метаданных или заголовков). Вторым подблоком может являться блок n/2 битов четности для данных полезной нагрузки, который может быть сгенерирован с использованием рекурсивного систематического сверточного кода (кода RSC), в то время как третьим подблоком, который также может быть сгенерирован с использованием кода RSC, является блок n/2 битов четности для известной перестановки данных полезной нагрузки. Таким образом, кодированные данные полезной нагрузки сообщения, передаваемые от БПЛА к командной управляющей ЭВМ (или наоборот), могут содержать два избыточных (но различных) подблока битов четности наряду с данными полезной нагрузки. Согласно приведенному в качестве примера варианту реализации блок предпочтительно может иметь m+n битов данных с при кодовой скорости m/(m+n). Переданное кодированное сообщение (или компонент сообщения) декодируют декодером, расположенным в принимающем БПЛА и/или командной и управляющей ЭВМ. Декодер декодирует
кодированное сообщение (или дейтаграмму). Например, декодер может декодировать блок данных, состоящий из m+n битов, путем генерирования блока метрик правдоподобия (с одной метрикой правдоподобия для каждого бита в потоке данных). Декодер может быть выполнен с двумя сверточными декодерами, каждый из которых генерирует гипотезу с полученными метриками правдоподобиями для шаблона из m битов в подблоке полезной нагрузки. Система выполнена с возможностью сравнения битовых шаблонов гипотез для определения, отличаются ли они друг от друга, и если они отличаются друг от друга, декодеры обменивают свои соответствующие полученные метрики правдоподобия для каждого бита в гипотезах. Каждый декодер генерирует новую гипотезу (D1Hn и D2Hn), встраивая полученные оценки правдоподобия от другого декодера. Выполняется сравнение новых сгенерированных гипотез (D1Hn и D2Hn), и процесс с заново сгенерированными гипотезами (D1Hn+1 и D2Hn+1) повторяется, пока оба декодера не приходят к одной и той же гипотезе (D1Hx=D2Hx) для m-битового шаблона данных полезной нагрузки.
[0070] Эти и другие преимущества могут быть реализованы настоящим изобретением. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано на примере конкретных вариантов реализации, это описание является иллюстративным и не должно рассматриваться как ограничение объема охраны настоящего изобретения. Несмотря на то, что соты показаны в форме шестиугольных зон, они могут иметь другие формы, такие как, например, квадратная, круговая или прямоугольная форма. Кроме того, форма или диаграмма излучения согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации описана как конус, излучение может иметь другие формы. Например, на ФИГ. 12 соты показаны как шестиугольные зоны, но они могут иметь другую форму, такую как, например, квадратную, круговую или другие прямоугольные или другие геометрические формы. Кроме того, группы поддиапазонов показаны в приведенных в качестве примера вариантах реализации как разделенные на три группы, но частотный диапазон может быть разделен на другие количества групп поддиапазонов. Несмотря на то, что в описании указана вторая подсистема, варианты реализации могут быть осуществлены с выделенной подсистемой, которая обрабатывает
дейтаграммы сообщений командного и управляющего центра, а также навигационные дейтаграммы, показанные и описанные в настоящей заявке. Кроме того, несмотря на то, что на ФИГ. 10 показаны мачты 1001, 1002 сети, а на ФИГ. 11 показаны мачты 1001е, 1002е сети, в системе, способах и компонентах, показанных и описанных в настоящей заявке, могут быть использованы множество мачт сети. Например, направленные к небу антенны могут быть соединены с существующим сетевым оборудованием и/или могут поддерживаться существующими мачтами сети. Согласно некоторым вариантам реализации сетевое оборудование может быть выполнено с возможностью управления направленной к небу антенной или антеннами в качестве дополнительной сотовой зоны. Согласно некоторым вариантам реализации направленные к небу антенны могут быть выполнены с возможностью работы с дополнительным набором сетевого оборудования или его компонентом. В настоящее изобретение специалистами в данной области техники могут быть внесены различные модификации и изменения без отступления от принципа и объема охраны настоящего изобретения, описанного в настоящей заявке и определенного приложенной формулой.