Использование 24 ГГц РЛС для повсеместного внедрения коммерческих БЛА

26 февраля 2018

Дроны и все, что связано с ними, по-прежнему притягивают внимание общественности. За последнее десятилетие беспилотные летательные аппараты прочно вошли в нашу жизнь. И открытие Олимпийских игр в Пхёнчхане еще раз это наглядно продемонстрировало. Однако, несмотря на перспективы и рост сфер возможного применения летающих беспилотников, на практике их применение достаточно жестко регулируется различными структурами, отвечающими за безопасность. И это правильно, безопасность — на первом месте! Но и технологии не стоят на месте. В статье, опубликованной в Microwave Journal в январе 2018 года, перевод которой мы вам предлагаем, рассматривается, как инновации в области радиочастотной и микроволновой технологий могут технически обосновать снижение нормативных барьеров и помочь производителям БЛА обратить внимание рынка именно на свой продукт.

Автор: Абхишек Капур, Analog Devices Inc., Норвуд, США.

---

За последнее десятилетие беспилотные летательные аппараты и беспилотные авиационные системы (БЛА и БАС), также называемые дронами, стали очень популярны и пользуются значительным спросом на потребительском, коммерческом и государственном секторах рынка. Ранее дроны были исключительно военной технологией, сегодня же более 400 компаний по всему миру занимаются разработкой коммерческих беспилотников и расширением сфер их применения. Идея использовать дроны для выполнения без вмешательства человека стратегических задач и критически важных задач для бизнеса стала поворотным моментом в области «умных» средств автоматизации и повышения производительности. Но массовое применение дронов ограничивается нормативными требованиями Федерального агентства воздушного транспорта США (англ., Federal Aviation Administration, FAA) и других служб, несмотря на позитивные намерения последних. При этом рост конкуренции приводит к высокому уровню коммодитизации (превращение продукта в массовый товар) еще до закрепления продукта на рынке. В статье рассматривается, как инновации в области радиочастотной и микроволновой технологий могут технически обосновать снижение нормативных барьеров и помочь производителям обратить внимание рынка именно на свой продукт.

Концепция автономности ЛА в том или ином виде продвигается с тех времен, когда еще только началось широкое использование пилотируемых самолетов. К сожалению, пределы возможностей материалов, двигательных установок, источников питания, аккумуляторных батарей, систем датчиков и программных средств позволяют использовать беспилотники только в узкоспециализированных областях и для выполнения специфических задач. Пожалуй, только задачи ВС могут оправдать значительные затраты на разработку и использование беспилотников в разведке, наблюдении и рекогносцировки в условиях, опасных для человека. Даже сегодня большинство из нас, благодаря новостям, ассоциирует дроны только с военной сферой.

В свою очередь, дешевые и простые модели дронов для развлечений обрели широкую популярность среди энтузиастов и любителей. Несмотря на то, что дроны не использовались широко в коммерческих целях, сегодня промышленность активно развивает аппаратные и программные средства, используемые в беспилотниках. С появлением промышленных роботов, систем автономного вождения, новых технологий двигателестроения и систем эффективного энергопотребления повсеместный переход на беспилотники – нормальное проявление технологического прогресса. Дроны, которые могут быть запрограммированы на выполнение опасных, длительных по времени и сложных для человека задач, – значительный шаг в сторону более автоматизированного и продуктивного мира.

Перспективы

Ожидаемый рост объема рынка дронов к 2022 г. составляет $21 млрд¹⁾. Сегодня около 82% рынка беспилотников сфокусировано на военной сфере. Прогнозируют, что доход от коммерческих дронов к 2021 г. составит $2,5 млрд (с годовым темпом роста 19%). При этом использование в коммерческом и производственном секторах имеет широкий спектр: точное земледелие²⁾ (например, опыление с/х культур), топография, экологический контроль, мониторинг инфраструктуры (например, мостов или плотин), контроль общественной безопасности, коммерческие перевозки, пограничный контроль, а также мониторинг газо- и нефтепроводов. Каждый месяц десятки компаний выпускают свои продукты и сервисы с применением дронов, решающих различные бизнес-задачи. Перспективы использования дронов в коммерческом секторе практически безграничны.

К сожалению, несмотря на возросший спрос на рынке дронов, множество компаний, осваивающих новые сферы применения, как Amazon или Google, сталкиваются с различными проблемами, тормозящими прогресс в данной области.

Серьезные ограничения вызваны установленными FAA правилами использования беспилотных летательных аппаратов (БЛА) в свободном воздушном пространстве. Так, в постановлении от 2015 г. говорится о том, что БЛА до 55 кг могут работать только днем в радиусе видимости оператора, но такие дроны не способны работать автономно. Данное постановление отражает озабоченность FFA вопросами безопасности.

С точки зрения правительства, риски, создаваемые использованием большинства БЛА, не оснащенных точными и надежными датчиками, слишком велики, чтобы разрешать их использование в открытых общественных местах. Несмотря на исключения (например, использование в крупных с/х районах), в большинстве случаев из-за технологических ограничений и неподтвержденной надежности датчиков большинства беспилотников FAA придерживается жесткой позиции в вопросах обеспечения безопасности.

Конкурентоспособность и коммерциализация. В добавок к нормативным ограничениям на рынке дронов присутствует жесткая конкуренция, оказывающая непосредственное влияние на ценовую политику. Перспективы и рост потенциальных возможностей дронов привлекли более 400 компаний по всему миру к разработке автономных технологий. Особое внимание эти компании уделяют аппаратным преимуществам, а не дополнительным функциям, которые дрон способен осуществлять.

Недостаток экспертных знаний в области радиочастотных и микроволновых технологий. Для широкого использования коммерческие и потребительские дроны должны оснащаться навигационными датчиками, которые гарантировали бы безопасность и надежность автономной работы. Как и в автомобильных, и в промышленных системах, большинство беспроводных датчиков реализованы на базе радиочастотных и микроволновых (СВЧ) технологий. Тем не менее большинство компаний, занимающихся разработкой дронов, – это стартапы с ограниченными экспертными знаниями в радиочастотной и микроволновой разработке. Хотя даже от зарекомендовавших себя производителей промышленного оборудования, обладающих опытом разработки таких технологий, требуются значительные усилия для расчета, разработки и производства радиолокационных датчиков под быстро меняющиеся требования рынка БЛА.

Отсутствие опыта и доступных радиолокационных решений создает для отрасли множество проблем: неспособность рынка предложить надежные датчики для безопасной и безотказной автономной работы не позволяет регуляторам ослабить ограничения по использованию БЛА.

РЛС приходит на помощь
В Analog Devices считают, что производители БЛА могут повлиять на регуляторную политику, воспользовавшись радиочастотной, микроволновой и mmWave-технологиями, которые обеспечивают работу датчиков, необходимых для безопасности и надежной навигации дронов. 24-ГГц РЛС, работающие в промышленном, научном и медицинском диапазоне частот (англ. Industrial, Scientific, and Medical, ISM), — один из примеров базового и универсального датчика для различных областей использования. РЛС ISM-диапазона на 24 ГГц может использоваться без регулирования в любой точке мира, например, в системах автоматического предотвращения столкновений или в радиовысотомерах. Помимо оценки высоты полета, РЛС может обнаруживать и отслеживать несколько объектов одновременно. Это два основных требования для обеспечения безопасной эксплуатации БЛА.

Рисунок 1. Работа FMCW-РЛС.

Подтвердив способности БЛА работать автономно, производители смогут повлиять на существующие правила, а не ждать, когда регуляторы определят нормативы для всей отрасли. Для этого производителям БЛА необходимо предпринять три шага:

• разработать общее представление РЛС и различных режимов работы;
• понять, какие компоненты РЧ-цепи необходимы для полного радиолокационного решения;
• принять РЛ-решение, которое обеспечит полную аппаратную настройку с помощью программных алгоритмов и в итоге поможет быстрее выйти на рынок.

Далее рассматриваются каждый из этих шагов и возможное решение, которое поможет производителям БЛА использовать 24-ГГц РЛС в системах предотвращения столкновений и радиовысотомерах.

Общая характеристика РЛС
Радиолокационные датчики обычно используются на автомобилях и в промышленности для обнаружения, измерения и отслеживания объектов, например, в системах обнаружения объектов в слепой зоне или системах содействия водителю (ADAS). По сравнению с оптическими и ультразвуковыми датчиками, радиолокационные датчики способны точно обнаруживать и измерять объекты с более широким радиусом действия и в более сложных для восприятия средах (пыль, дым, снег, туман и низкая освещенность). Стандартная РЛС имеет различные режимы работы, каждый из которых зависит от того, что необходимо обнаруживать и отслеживать.

FMCW – режим работы с частотно-модулированной незатухающей гармонической волной (Frequency-Modulated Continuous Wave, непрерывный частотно-модулированный сигнал), при котором РЛС измеряет расстояние до неподвижных объектов. Модулируя частоту (сигнал с ЛЧМ или пилообразный сигнал), РЛС оценивает отклик отраженной волны для определения дальности, скорости и угла расположения цели. На рисунке 1 показано, как данные параметры цели определяются в режиме FMCW.

Разрешающая способность по дальности зависит от пропускной способности радиолинии передатчика для зондирования: чем выше пропускная способность, тем выше разрешающая способность радиолокационного датчика. Разрешающая способность по скорости зависит от времени облучения цели и несущей частоты: чем выше несущая частота или время облучения, тем выше разрешающая способность. Разрешающая способность по углу места зависит от несущей частоты: чем выше несущая частота, тем выше разрешающая способность.

По сравнению с лазерными системами обнаружения, оценивающих только одну точку, или с камерами наблюдения, передающие только плоские 2D-изображения, попавшие в поле видимости камеры, FMCW-РЛС обеспечивают непрерывную информацию, получаемую при обработке отраженного от цели сигнала. Использование таких систем дает возможность 3D-обзора за счет измерения скорости, угла и дальности объекта от датчика: от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров.

Range-Doppler – режим измерения дальности и скорости цели. Данный режим является самым мощным, поскольку в этом случае осуществляется обработка нескольких ЛЧМ-сигналов одновременно с использованием двумерного преобразования Фурье. Далее обработанные данные отображаются в виде двумерной карты, способной показывать цели с различными скоростями на одинаковом расстоянии от датчика. Такая возможность играет важную роль для слежения за несколькими целями, движущимися на высоких скоростях в разных направлениях, например, при сложных ситуациях в воздушном сообщении (движение целей в противоположных направлениях во время маневров обгона).

Рисунок 2. Многоканальный радиолокационный датчик, разработанный Analog Devices.

DBF – режим цифрового формирования диаграммы направленности (англ. Digital BeamForming, DBF), при котором отображаются дальность и угол по месту цели. Полученные сигналы с 4-х приемных каналов используются для оценки угла по месту цели, при этом данные содержат пространственное разрешение целей в плоскости Х-Y. В режиме DBF система сконфигурирована таким же образом, как и в режиме FMCW, однако, преобразованные сигналы ПЧ (англ. Intermediate Frequency, IF — промежуточная частота) с понижением частоты обрабатываются отдельно. После нахождения дальности, вычисляется угловая информация путем оценки разницы фаз сигналов 4-х приемных каналов. Такой режим требует калибровки РЧ-тракта для устранения детерминированных отклонений фаз между каналами на приеме.

24 ГГц многоканальная РЛС
24 ГГц РЛС широко применяется в коммерческой и промышленной областях, обеспечивая высокую точность, низкое энергопотребление и небольшие размеры, что удовлетворяет требованиям производителей потребительских БЛА к полезной загрузке и мощности. Одна из таких систем представлена на рисунке 2.

Существует заблуждение, что РЛС можно эксплуатировать на частоте 77 ГГц вместо 24 ГГц. Но действующий регламент выделяет диапазон 77 ГГц для автомобильных ТС и не позволяет использовать его для приложений БПЛА, хотя 77 ГГц-полоса обеспечивает более высокую пропускную способность и более высокое разрешение.

При создании радиолокационного датчика каждый децибел чувствительности увеличивает радиус обнаружения. Сегодня большинство производителей датчиков сконцентрированы на снижении затрат, сокращении фазовых шумов и числа каналов, что ухудшает показатель отношения сигнал-шум (англ. Signal-to-Noise Ratio, SNR) и, в свою очередь, затрудняет обнаружение малоразмерных целей в присутствии крупных объектов. На действующих радиолокационных устройствах сценарии с быстро двигающимися или загроможденными целями суммарно повышают фазовые шумы и уменьшают чувствительность датчика. Более высокая шумовая составляющая маскирует или скрывает малоразмерные цели и препятствует обнаружению объектов (например, узкую ветку дерева за фасадом здания), что может поставить под угрозу безопасность БЛА. Так, большинство одноканальных и недорогих датчиков со схемой на одном кристалле не дают ожидаемых результатов обнаружения.

Использование 24 ГГц многоканальной платформы с более высокой производительностью позволяет:

• использовать режим FMCW для определения дальности и скорости объектов в радиусе до 200 м с разрешающей способностью около 60 см и с возможностью увеличения до 15 см путем изменения конструкции антенн под особые задачи;
• достигнуть расширения обзора до 120° по азимуту и 15° в высоту благодаря конструкции антенной решетки, а также использования режима DBF;
• сократить энергопотребление, увеличить чувствительность датчика в 2 раза и радиус обнаружения в 1,5 раза в сравнении с обычными недорогими одноканальными радиолокационными датчиками.

Заключение

Мы наблюдаем быстрый рост рынка беспилотников, предлагающего большие возможности во многих новых коммерческих областях. Также быстро меняется и ландшафт технологий датчиков: сегодня разрабатываются и уже используются лидары (лазерные локаторы), ультразвуковые и ToF-камеры (Time-of-Flight). Производители БЛА должны быть в курсе последних тенденций и внедрять новейшие технологии по мере их создания.

Несмотря на появление новых датчиков, РЛС остается самой востребованной сенсорной технологией, обеспечивающей высокую производительность и универсальность. Таким образом, для повсеместного внедрения беспилотников производителям БЛА необходимо применять радиочастотную, микроволновую и mmWave-технологии, концентрируясь не только на стоимости оборудования, но и на безопасности его автономного функционирования.

1) www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/commercial-drones-market-195137996.html

2) Точное (координатное) земледелие — комплексная высокотехнологичная система сельскохозяйственного менеджмента, включающая в себя технологии глобального позиционирования (GPS), географические информационные системы (GIS), технологии оценки урожайности (Yield Monitor Technologies), технологию переменного нормирования (Variable Rate Technology) и технологии дистанционного зондирования земли (ДЗЗ).

Источник: http://www.microwavejournal.com/articles/29573-using-24-ghz-radar-to-speed-commercial-uav-adoption

Теги: БЛА, БПЛА, 24 ГГц РЛС, коммерческие беспилотники