Использование радиомодемов УКВ-диапазона в интересах применения воздушных (космических), наземных (подземных) и надводных (подводных) роботов

В настоящем техническом извещении представлена краткая информация об использовании радиомодемов диапазона ультракоротких волн¹ (УКВ) для обеспечения функционирования роботов², предназначенных для решения широкого круга задач на земле, под землей, на воде, под водой, в воздухе и космосе. Материал предназначен для технических специалистов, занятых созданием и эксплуатацией робототехнических систем различного назначения.

1. Общая информация

Применение оборудования связи и обмена данными УКВ-диапазона в составе подвижных робототехнических систем³ обусловлено необходимостью обеспечение решения двух комплексов задач: надежного функционирования собственно робота и его бортовой полезной нагрузки в реальном масштабе времени.

Подготовка к запуску марсохода «Соджорнер» (англ. Sojourner - «Постоялец») ru.wikipedia.org/wiki/Mars_Pathfinder#

Независимо от уровня «самостоятельности» и интеллекта любого робота его периодическая или постоянная связь с оператором остается желательной или обязательной. Наличие такой связи, кроме удаленного контроля за действиями робота, позволяет гибко изменять/уточнять уже выполняемую задачу или приостанавливать/отменять ее решение, то есть производить перенацеливание уже в процессе выполнения поставленной задачи.

Первый комплекс задач — обеспечение функционирования робота — выполняется с помощью узкополосных радиомодемов диапазонов очень высоких частот (ОВЧ, 30-300 МГц) и ультравысоких частот (УВЧ, 300-3000 МГц), на базе которых разворачивается командно-управляющая радиосеть. Такая радиосеть предназначена для обмена данными, связанными с контролем перемещения робототехнического комплекса, включая передачу навигационных данных и корректировку параметров движения, управление работой полезной нагрузки и мониторинг технического состояния как полезной нагрузки, так и ее носителя. В командно-управляющей радиосети необходимо оперативно обмениваться короткими сообщениями, в том числе, на значительном удалении. Основной объём данных передается в направлении «пункт управления (ПУ⁴) — борт», а пропускная способность радиосети должна измеряться килобайтами.

Второй комплекс задач — обеспечение функционирования бортовой полезной нагрузки — выполняется с помощью широкополосных радиомодемов диапазонов ультравысоких частот и сверхвысоких частот (СВЧ, 3-30 ГГц), на базе которых разворачивается информационная радиосеть. Такая радиосеть предназначена для передачи оперативных данных от бортовой полезной нагрузки. В информационной радиосети транслируются большие объемы информации в виде файлов или потокового видео. Основной объём данных передается в направлении «борт — ПУ», а пропускная способность радиосети должна измеряться мегабайтами.

Выбор вышеуказанных диапазонов радиочастот дополнительно обусловлен действующим законодательством в области радиочастотного присвоения, предоставляющим доступ к радиоканалам для создания узкополосных радиосетей в ОВЧ⁵ и нижней части УВЧ⁶ диапазонов на основании обобщенных решений, что упрощает получение разрешений на использование радиочастот и легализацию разворачиваемых узкополосных радиосетей обмена данными.

Задействование технологических радиосетей обмена данными УКВ диапазона в интересах обеспечения функционирования подвижных робототехнических комплексов, применяемых на значительном удалении от оператора⁷, имеет следующие основные преимущества:

• гарантированная надежность⁸ работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом его индивидуальных требований к надёжности функционирования);

• высокая живучесть⁹ радиосети в различной обстановке (требование к живучести закладывается на этапе проектирования радиосети ее владельцем, и, как правило, оказывается выше, чем в радиосетях общего пользования);

• обширная рабочая зона, полностью перекрывающая район использования подключенных к радиосети оконечных устройств, как правило, объединенных в автоматизированную систему управления (реально построенные технологические радиосети имеют оперативную зону более миллиона кв. км);

• применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному режиму времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы радиосети сроки;

• относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее незначительные и приемлемые для большинства роботизированных систем задержки в доставке данных;

• высокая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);

• относительно низкая стоимость эксплуатации;

• независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит эксплуатирующей ее организации, параметры ее работы и оперативная зона могут изменяться ею самостоятельно);

• совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;

• простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;

• возможность эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.

Следует добавить, что на работу такой радиосети практически не оказывают влияние атмосферные помехи, а появление промышленных помех оперативно ликвидируется регулирующими использование радиочастотного спектра ведомствами и организациями.

Технические требования, предъявляемые к командно-управляющей и информационной радиосетям, могут существенно отличаться, однако обе радиосети должны строиться на единой технологической основе и использоваться как составные части единого интегрированного комплекса связи (в идеале могут рассматриваться как две подсети единой системы обмена данными). Реализация такого подхода позволяет добиться максимальной эффективности и надёжности применения подвижного радиотехнического комплекса по его предназначению за счет дополнения технических возможностей одной подсети возможностями другой, а также использования одной из подсетей в качестве резервной для второй.

2. Космические и воздушные робототехнические комплексы

Краткая информация об использовании узкополосной технологической радиосети обмена данными в программе американского космического агентства NASA «Марс Пасфайндер»¹⁰, в ходе которой за пределами системы Земля-Луна был впервые использован космический робот, представлены в Техническом бюллетене «Узкополосные технологические радиосети управления и сбора данных УКВ-диапазона», выпуск 01¹¹.

1. Марсоход «Марс Пасфайндер» и применявшиеся в интересах управления и мониторинга технического состояния на борту марсохода и посадочного модуля радиомодемы RNet9600. (Фото из архива канадской компании Dataradio).

Вышеуказанная миссия состоялась в далеком 1997 году, но с тех пор требования к технологической радиосети управления и обмена данными, обслуживающей работу таких подвижных роботов, принципиальных изменений не претерпели.

Так «Марсианская научная лаборатория»¹² на базе марсохода третьего поколения «Кьюрио́сити» использует оборудование обмена данными, работающее на скоростях до 32 кбит/с напрямую на Землю, до 256 кбит/с на борт находящегося на орбите Марса спутника ««Марс Одиссей» и до 2 Мбит/с − на многофункциональную  автоматическую межпланетную станцию NASA (MRO − Mars Reconnaissance Orbiter). Первые два канала используются в интересах управления и мониторинга технического состояния робота, а применяемые в них скорости обмена данными являются типовыми для узкополосных технологических радиосетей обмена данными. Таким образом, современное оборудование для узкополосных радиосетей обмена данными УКВ диапазона в полной мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым такими задачами.

Робототехнические комплексы в авиации наиболее широко представлены беспилотными летательными аппаратами (БЛА) самолетного и вертолетного типов, которые могут обладать разной степенью автономности − от управляемых дистанционно до полностью автоматических, а также различаться по конструкции, назначению и множеству других параметров. Управление БЛА может производиться периодической подачей команд или непрерывно (ДПЛА, дистанционно-пилотируемые летательные аппараты).

Международной ассоциацией по беспилотным летательным системам UVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International, до 2004 года она называлась Европейской ассоциацией по беспилотным системам — EURO UVS) разработана универсальная классификация БЛА, представленная в Таблице 1.

1. Международная универсальная классификация БЛА.

В России используется собственная универсальная классификация БЛА, информация о которой представлена в Таблице 2.

2. Российская универсальная классификация БЛА.

Узкополосные технологические радиосети обмена данными ОВЧ диапазона могут применяться для управления и контроля оперативного (данные о выполняемой задаче на различных этапах полета) и технического (информация о функционировании БЛА, полезной нагрузки и оборудования радиосети) состояния всех категорий БЛА, кроме относящихся к категориям нано, микро и мини по международной классификации и массой менее пяти кг по российской.

Командно-управляющие радиосети для различных типов БЛА создаются с использованием разнородного оборудования, работающегое в различных частях УКВ диапазона. Поскольку объём данных при трансляции команд в направлении «пункт управления — борт БЛА» и приёма телеметрической информации в направлении «борт БЛА — пункт управления» в такой радиосети является относительно небольшим, ключевым требованием к радиосети управления и обмена данными для решения этой задачи, наряду с надёжностью доставки сообщений, является дальность уверенной связи. При прочих равных зона действия радиосети обмена данными в значительной степени зависит от рабочего диапазона частот, на которых эта радиосеть функционирует. Общеизвестно, что в более низкой части диапазона радиоволн обеспечивается большая дальность передачи. Это связано с характеристиками затухания радиосигналов различных диапазонов волн при распространении в атмосфере.

Данные о затухании радиосигналов различных диапазонов волн при прохождении в атмосфере представлены на Рис. 2.

2. Затухание радиосигнала различных диапазонов волн при распространении в атмосфере в зависимости от дальности¹³.

Следует отметить, что задействование в интересах обеспечения управления БЛА при решении ответственных задач радиочастот УВЧ диапазона 433,075-434,79 МГц, выделенных для свободного использования устройствам малого радиуса действия¹⁴ невозможно по известным причинам¹⁵. Тем не менее, полноценное использование радиочастот для управления и мониторинга работы БЛА в диапазоне ультравысоких частот (УВЧ, 300-3000 МГц) допускается регулятором — государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ). При этом обобщенные решения не распространяются на использование широкополосных каналов обмена данными.

Радиочастоты в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ, 30-300 МГц) имеют ещё более привлекательные характеристики в части затухания сигнала при распространении в атмосфере, нежели радиочастоты в диапазоне УВЧ. Диапазон ОВЧ на постоянной основе используется самолетами и вертолетами как гражданской, так и военной авиации, в связи с этим представляется целесообразным ориентироваться именно на этот диапазон при организации радиосетей управления и мониторинга оперативно-технического состояния БЛА рассматриваемых категорий.

Для отдельных категорий БЛА определенным ограничением могут стать массогабаритные характеристики антенн ОВЧ диапазона, поскольку их размер определяется длиной волны и будет несколько больше, чем у УВЧ антенн, тем не менее для большинства категорий эти различия будут несущественными, а использование двухдиапазонных антенн может предоставить даже определенные преимущества.

Информация об отдельных видах антенн, применяемых на БЛА, представлены в Таблице 3.

3. Виды антенн УКВ-диапазона, применяемых на борту воздушны подвижных роботов (БЛА).

Выбор рабочих диапазонов радиочастот и, соответственно, радиотехнического оборудования для создания командно-управляющих и информационных радиосетей для различных типов БЛА определяется характером решаемых задач и возможностями носителя по грузоподъемности и энерговооруженности, поскольку оборудование обмена данными для различных диапазонов радиоволн может существенно различаться по массогабаритным характеристикам и электропотреблению.

(Продолжение следует)