08.01.2025
1 хв
1370
У сучасних умовах використання безпілотних літальних апаратів (БПЛА) стає дедалі популярнішим і важливішим, особливо у військовій сфері та розвідці. Зв’язок між БПЛА та наземною станцією — це ключова умова успішного виконання завдань. Однак далеко не всі розуміють, наскільки складною є ця система й які фактори впливають на її стабільність. З цієї статті ви дізнаєтесь, як працюють основні передавальні та приймальні пристрої на борту БПЛА, зокрема GPS-модулі, телеметричні модеми та відеопередавачі.
Зв’язок із наземної станції з безпілотником здійснюється за допомогою радіо, тому варто розглянути фізику процесу докладніше, але не вдаючись до високих матерій.
Розглянемо радіопередавальні системи, встановлені на БПЛА.
По суті, модуль є приймачем GPS-сигналу з калькулятором, встановлюється якнайдалі від обладнання, яке створює електромагнітні наведення. Його зазвичай встановлюють подалі від обладнання, яке може створювати електромагнітні завади. Цей модуль критично важливий для орієнтування в просторі та точного позиціонування дрона. Існує кілька систем супутникової навігації: американська GPS, європейська Galileo, російська ГЛОНАСС і китайська Бейдоу.
Для користувача всі вони працюють приблизно однаково, але є один нюанс — чим більше супутників «бачить» приймач, тим точніше він визначає координати. Деякі приймачі підтримують одну навігаційну систему, інші — одразу кілька. Другі мають перевагу, адже, отримуючи більше сигналів, вони точніше працюють і краще захищені від GPS-спуфінгу. Це коли станція радіоелектронної боротьби глушить справжні сигнали супутників і підміняє їх фальшивими, змушуючи дрон помилково визначати своє місцезнаходження.
Модем телеметрії — приймальний пристрій, призначений для обміну інформацією між наземною станцією та БПЛА. Від наземної станції він надсилає команди до виконання, від БПЛА — приймає на наземну станцію інформацію, одержувану з датчиків (наприклад, швидкість, споживання струму, напруга, положення у просторі. Зазвичай є основним каналом керування БПЛА.
Відеопередавач — це пристрій, що передає на наземну станцію зображення з камер БПЛА. Є найпомітнішим пристроєм на борту БПЛА, тому без необхідності вмикати його не варто (це стосується лише тих БПЛА, які зберігають фотографії на борту), дотримуючись режиму радіомовчання. Такий режим зменшує можливість застосування противником засобів РЕБ.
Поляризація — це спрямованість вектора електричної складової електромагнітної хвилі в просторі. Розрізняють: вертикальну, горизонтальну та кругову поляризацію.
Простіше кажучи, радіохвилі мають таку властивість, як поляризація, яка залежить від того, як розташована антена. Якщо антена вертикальна — хвиля теж буде вертикально поляризованою, якщо горизонтальна — відповідно, горизонтально поляризованою. Щоб зв’язок був стабільним, обидві антени — на дроні й на пульті керування — мають бути налаштовані однаково, тобто розташовані в одній площині. На коротких відстанях різниця майже непомітна, але чим далі знаходиться дрон, тим сильніше це впливає на якість сигналу: вона починає різко погіршуватися.
БПЛА, що використовуються на сьогодні, складаються зі стандартних модулів, що працюють на стандартних частотах. Телеметрія найчастіше працює на частотах 433 МГц, рідше 91 5 МГц, ще рідше 865. Існують модулі телеметрії, що працюють на частотах 2.4 і 5.8 ГГц. Відеопередавач, як правило, працює в діапазонах 1.2 ГГц, 5.8 ГГц, рідше 2.4 ГГц. Іноді модем телеметрії та відеопередач об’єднують в один пристрій, який працює на високих частотах (2.4 та 5.8 ГГц). Пульт керування — 2.4 ГГц, 433 МГц. GPS (всі системи) працюють на частотах 1.1 — 1.6 ГГц.
Радіосигнал сильно залежить від наявності перешкод. До них належать як природні, так і штучні об’єкти, а також електромагнітні поля, які можуть заважати сигналу, що передається між антеною наземної станції та БПЛА. Перешкодою може стати будь-який об’єкт на шляху сигналу, і рівень впливу залежить від матеріалу: дерево погіршує сигнал слабо, цегла сильніше, а метал і залізобетон практично повністю блокують його.
Несподівані проблеми можуть створювати навіть такі об’єкти, як щогли електроопор або звичайна сітка рабиця. Крім того, слід враховувати радіообстановку в районі польотів — коли в ефірі одночасно працює багато пристроїв на схожих частотах, це може створювати значні завади. Власне обладнання БПЛА, зокрема сервомотори, також може стати джерелом перешкод.
Окремо варто згадати про природні та техногенні аномалії, такі як терикони або відвали з високим вмістом металу. Їхній вплив помічали неодноразово, хоча пояснити його природу буває важко. Такі аномалії зазвичай виявляються шляхом експериментів, і результати враховують при плануванні майбутніх польотів.
Також великий вплив на поширення сигналу має вологість повітря. Що вища вологість, то гірша якість зв’язку, відповідно менший радіус дії комплексу. Плюс до цього необхідно враховувати, що зі зміною вологості перешкоди, які раніше не впливали на дальність, змінюють свої властивості. Наприклад, невисока «зеленка», яка не створювала проблем у суху погоду, після дощу стає серйозною перешкодою для проходження радіосигналу.
Розуміючи, як поширюються радіохвилі, можна обернути деякі перешкоди собі на користь і використовувати їх як відбивачі сигналу. Наприклад, якщо між БПЛА та наземною станцією є водойма (озеро чи річка) і вологість повітря невисока, вода може відбивати радіохвилі, збільшуючи дальність зв’язку. Однак цей ефект зникає або навіть стає негативним, якщо над водою висока вологість чи туман — тоді сигнал гірше проходить і може значно слабшати.
Ще один спосіб покращити зв’язок — розмістити позаду антени металеву пластину, наприклад шматок профнастилу або лист покрівельного заліза. Це створить своєрідний екран, який відбиватиме сигнал у потрібному напрямку, підсилюючи його. У деяких випадках для цього навіть використовували бронежилет. Врахування таких ефектів і їхнє грамотне використання може суттєво підвищити ефективність зв’язку та збільшити робочу дальність БПЛА.
У станціях БПЛА найчастіше використовують чотири типи антен: штирову, хвильовий канал, патч і конюшину.
Є деякі інші типи та схеми, але за принципом роботи вони аналогічні. Штир і конюшина випромінюють на всі боки однаково.
За рахунок того, що спрямовані антени випромінюють не на всі боки, а формують їх у вузький пучок відповідно до своєї діаграми, вони забезпечують набагато більшу дальність зв’язку.
Спрямованість антени визначає, наскільки ефективніше вона посилює сигнал в одному напрямку порівняно з іншими. Це можна побачити на спеціальному графіку — діаграмі спрямованості, яка показує, як саме антена випромінює радіохвилі. Основним чинником, що впливає на спрямованість, є конструкція антени. Спрямовані антени концентрують сигнал у вузькому пучку, завдяки чому забезпечують більшу дальність і стабільність зв’язку порівняно із всеспрямованими, які випромінюють сигнал рівномірно в усіх напрямках.
Чим вужчий «пелюсток» на діаграмі спрямованості, тим далі може поширюватися сигнал і тим кращою буде його якість. Якщо ви хочете детальніше ознайомитися з формулами для розрахунку дальності та коефіцієнтів посилення, їх легко знайти у відкритих джерелах.
Дальність зв’язку залежить від багатьох чинників, але найбільше впливає частота сигналу. Чим вища частота, тим коротша дальність, оскільки високочастотні хвилі гірше проходять через перешкоди. Саме тому для телеметрії, яка є критично важливою для польоту БПЛА, використовують канали з низькою частотою, адже без відео дрон ще може виконувати завдання, а от без телеметрії — ні.
Дальність також залежить від потужності передавача та чутливості приймача, але після певного рівня збільшення потужності стає марним. Це пов’язано з тим, що сигнал поширюється прямолінійно до межі радіовидимості, а за нею різко зникає. Тому головне завдання — забезпечити стабільний зв’язок у межах цієї зони, а не безкінечно збільшувати потужність передавача.
Чутливість приймача також грає роль: чим вона вища, тим більша дальність. Однак якщо сигнал приймається на фоні сильних зовнішніх шумів, покращення чутливості не допоможе, бо приймач уловлюватиме не лише корисний сигнал, а й завади.
Ще один спосіб збільшити дальність зв’язку — використовувати спрямовані антени з великим коефіцієнтом посилення та кабелі з мінімальними втратами сигналу. Це дозволяє підвищити рівень сигналу, що надходить до приймача, навіть без збільшення потужності передавача. Загалом, на дальність впливає багато факторів, і далеко не всі вони очевидні на перший погляд. Тому для оптимального зв’язку важливо враховувати всі ці нюанси та правильно налаштовувати обладнання.
У діапазоні радіочастот пристроїв, встановлених на борту БПЛА, поведінка радіохвиль наближається до поведінки світлового променя, і радіовидимість наближається до оптичної зі зростанням частоти. Очевидно, що з висотою збільшується відстань оптичної видимості та зростає відстань радіовидимості. Нижче наведено табличку оптичної відстані до горизонту, що цілком відповідає нашому радіогоризонту.
Виходячи з даних про частоти, викладені в пп. 2.5, 2.12 та таблиці з п. 213 можна констатувати, що стійкий сигнал між наземною станцією та БПЛА можливий лише за умови прямої видимості.
Екіпаж БПЛА має розуміти, що місце для встановлення наземної станції слід вибирати так, щоб забезпечити максимальний радіогоризонт без перешкод і аномалій. Ідеальний варіант — це підвищення, оскільки розміщення станції на висоті суттєво збільшує зону видимості та дальність зв’язку. При цьому місце зльоту БПЛА зовсім не обов’язково повинно бути поруч із наземною станцією, а антени не потрібно постійно направляти на точку зльоту, якщо мова йде про короткі дистанції. Найголовніше, щоб під час виконання місії дрон залишався в основній зоні дії антени, тобто в межах головної пелюстки її діаграми спрямованості. Це гарантує стабільний і надійний зв’язок.
РЕБ (радіоелектронна боротьба) — це один із найсерйозніших ворогів для БПЛА, поступаючись лише помилкам самого екіпажу. Ігнорувати цю тему не можна, адже РЕБ має на меті завадити роботі дронів, створюючи радіоперешкоди для систем управління та зв’язку або змінюючи умови, в яких поширюються радіохвилі. Методи впливу поділяють на активні, які генерують завади, і пасивні, що відбивають сигнал, ускладнюючи його проходження.
Існують також засоби електромагнітного ураження, які працюють за принципом магнетрона — створюють індукційні струми в електричних ланцюгах техніки, виводячи її з ладу. На щастя, такі засоби поки не перебувають на озброєнні противника в серійному вигляді. Тому розглядаємо лише ті способи РЕБ, які реально застосовуються ворогом.
Найпоширеніший і найдоступніший метод радіоелектронної боротьби — це глушіння сигналу. Принцип його роботи простий: на тій самій частоті, що й обладнання дрона, подається сильний шумовий сигнал, який перекриває корисний. Це може впливати на різні системи БПЛА.
Наприклад, якщо глушать канал телеметрії, це може викликати збої або повне переривання управління. Глушіння відеопередавача заважає трансляції зображення з камери дрона на наземну станцію, що ускладнює коригування дій, але не критично для самого польоту. Глушіння GPS сигналу дезорієнтує апарат, і якщо немає інших систем навігації, це часто призводить до втрати дрона. Найнебезпечніший сценарій — це одночасне глушіння телеметрії та GPS, коли дрон втрачає як управління, так і здатність визначити своє місцезнаходження.
Активних способів боротьби з такими перешкодами поки що немає. Залишається лише дотримуватись рекомендацій: посилювати сигнал наземної станції, намагатися швидко залишити зону дії засобів РЕБ і мінімізувати радіопомітність, щоб зменшити ймовірність глушіння.
Спуфінг — це метод радіоелектронної боротьби, коли справжній сигнал GPS замінюється сильнішим фальшивим сигналом, який надходить із наземної станції противника. У результаті дрон отримує неправильні координати й «думає», що знаходиться в іншому місці, що може призвести до його відведення на ворожу територію.
Простіше кажучи, станція спуфінгу маскується під супутник і передає дрону підроблені дані про його позицію. Такий метод активно використовується, і в противника є відповідне обладнання для цього. Протидіяти спуфінгу можна, якщо екіпаж вчасно помітить зміну координат і почне керувати дроном вручну, орієнтуючись за магнітним компасом або наземними орієнтирами.
Щоб зменшити ризик спуфінгу, ефективно використовувати більш сучасні GPS-приймачі, які можуть одночасно працювати з кількома навігаційними системами, такими як Galileo, ГЛОНАСС, Бейдоу та GPS. Це дозволяє дрону бачити більше супутників і швидко виявляти підроблений сигнал. У деяких випадках допомагає зниження висоти польоту, щоб сховатися від станції спуфінгу за рельєфом місцевості та потрапити в радіотінь.
Третій спосіб радіоелектронної протидії-це перехоплення каналу керування або телеметрії. Станція радіоелектронної протидії помічає сигнал з пульта чи то з модему, зчитує ключ, визначає протокол управління і своїм сигналом з тим самим ключем, на тій самій частоті перехоплює управління на себе. У разі такої протидії переможе той, чий сигнал від апаратури управління буде сильнішим. В якості протидії розробниками БПЛА застосовуються всілякі способи кодування управляючого сигналу.
Крім засобів радіоелектронної боротьби на озброєнні противника є засоби радіоелектронної розвідки, які знаходять радіовипромінювання, пеленгують місце його знаходження і визначають вид обладнання з точністю аж до кожного конкретного пристрою індивідуально завдяки неповторній сигнатурі передавача (є схожість з відбитками пальців). Тому потрібно знати правила безпеки, намагатися максимально їх дотримуватись.
Чим менше екіпаж використовує джерела радіовипромінювання, тим складніше противнику знайти їх місцезнаходження. Тому слід уникати зайвих радіопередач: не вести радіопереговори без нагальної потреби, не тримати постійно увімкненими пульт керування чи модем наземної станції. Якщо радіопристрої потрібно ввімкнути для налаштування або роботи з БПЛА, бажано розміщувати їх так, щоб сигнал не поширювався у бік противника — за природними чи штучними перешкодами, які екранують радіосигнал.
Окремо варто звернути увагу на мобільні телефони. Якщо в місцевості, де зазвичай нікого немає, раптом з’явиться кілька активних джерел мобільного сигналу, це може викликати підозру у противника. Також не слід без потреби змінювати напрямок спрямованої антени. Під час польоту вона повинна бути налаштована тільки на супровід БПЛА, а не на інші об’єкти. Дотримання цих правил значно знижує ймовірність виявлення екіпажу.
Варто пам’ятати, що підрозділи радіоелектронної розвідки противника можуть вести карту джерел радіосигналу, фіксуючи місця, де раніше працювали екіпажі БПЛА. Тому небажано регулярно використовувати один і той самий майданчик для польотів. Найкраще мати кілька альтернативних майданчиків у тому самому секторі й використовувати їх у довільному порядку, щоб ускладнити відстеження та прогнозування ваших дій.
З погляду загальної безпеки слід мінімізувати витік інформації про майбутні польоти. Не варто задовго попереджати сусідні підрозділи про заплановану роботу з БПЛА в конкретному районі. Найкраще робити це безпосередньо перед виходом на майданчик, щоб зменшити ризик випадкового або навмисного розголошення інформації. Такі прості заходи допоможуть підвищити радіобезпеку та захистити екіпаж від ворожої розвідки.
