USING OF WHITE NOISE GENERATORS FOR DRONE CONTROL SYSTEMS IN THE WI-FI CHANNEL

Full Text

Введение По данным Федерального агентства воздуш- ного транспорта, к моменту вступления в силу за- кона о необходимости регистрации беспилотных летательных аппаратов (дронов) в России было подано более 3000 заявок. Большое количество дронов ушли в «тень» и используются владель- цами незаконно. При этом зарегистрированные устройства также могут использоваться для про- мышленного шпионажа и в других неблаговид- ных целях. В крупных городах определено использова- ние дронов в современных условиях с благими целями. Так, группа «Аэронет» Национальной технической инициативы выступила с предло- жением использования дронов для оперативной доставки медицинских анализов, проб, вакцин и лекарств; мониторинга массовых скоплений лю- дей, оповещения населения о противовирусных мероприятиях и дистанционного контроля за инфраструктурой во время вынужденной оста- новки предприятий; обработки антисептиками и дезинфицирующими средствами потенциально зараженных территорий (автобусных остановок, входов-выходов из метро). Предприятия топлив- но-энергетического комплекса вкладывают сред- ства в развитие программного обеспечения для дронов в своих целях и т. д. Таким образом, мож- но говорить о бурном развитии данного направ- ления в целом. Из вышесказанного следует, что в условиях современной радиоэлектронной борьбы необхо- димо создавать защитные комплексы противо- действия использованию несанкционированных аппаратов. В современном мире известны следу- ющие способы: ловля сеткой с помощью более мощного дрона; выведение из строя путем электромагнитно- го удара; перехват устройства с помощью спецсредств. Авторы статьи предлагают радикально иной метод борьбы с дронами: генерацию белого шума на частотах управления устройством. Такой под- ход позволит полностью исключить пролет неже- лательного аппарата над охраняемой территорией. Большое количество устройств, проданных и продолжающих поступать в продажу в России, вынуждает использовать генераторы диапазона в целом. Так как более старые устройства исполь- зуют 802.11 b - стандарт режима работы беспро- водной сети с использованием кода Баркера [2]. Более современные устройства используют стан- дарт 802.11 n с шагом в 20кГц OFDM, или 802.11 g с шагом 40кГц Mimo. Такое разнообразие стан- дартов, алгоритмов управления дроном вынуж- дает использовать зашумление всего диапазона 2,4 ГГц Wi-Fi. Лишенный связи с модулем управ- ления, полетный контроллер будет вынужден по- ступить так, как прописано в его программе (воз- вращение на место взлета по GPS-координатам, Рисунок 1. Схема генератора помех в ПО Multisim переход в нештатный режим полета с дальней- шим опусканием на высоту 1,5 м с зависанием или падением). Постановка задачи Ввиду широкого выбора моделей и произво- дителей современных дронов необходимо четко описать входные технические характеристики рассматриваемого образца. Из-за отсутствия международного стандарта для элементной базы, радиоуправления и пр. рынок дронов переполнен предложениями: от очень простых, собранных на одной микросхеме, доступной широким массам населения, до профессиональных четырехосных моделей, способных выполнять сложные инже- нерные задачи (доставка товаров, видеосъемка, боевые роботы и пр.). В статье рассматривается разновидность ква- дрокоптера класса любительской аппаратуры с небольшим весом (1-4 кг), временем полета до 30 мин, расстоянием уверенного управления до 5 км, высотой подъема до 500 м. На условия зада- чи не влияют такие параметры, как размещение и направления вращения винтов, а также наличие или отсутствие подвесного оборудования. Рассматривается исключительно вопрос за- шумления конкретного канала управления с ча- стичным или полным выводом из строя дрона. За положительный результат предлагается брать возможность вывода в ту же область зашумления отдельного квадрокоптера со схожими характе- ристиками, способного продолжать полет по за- щищенному каналу. Из других необходимых априорных знаний выделяем следующие: стандарт 802.11 b; диапазон частот 2,4 ГГц; применяемая технология DSSS (широкопо- лосная модуляция с прямым расширением спек- тра); четырехосный квадрокоптер; на начало эксперимента устройство полно- стью выключено. Четыре основных винта управляются на че- тырех частотах, разделенных шагом 20 … 40 кГц (зависит от модели устройства). В случае если один из двигателей теряет частоту управления, существует несколько алгоритмов переключения его на смежные, свободные частоты. Но такой ал- горитм прописан не во всех аппаратах рассматри- ваемой линейки. Чаще всего подобная коллизия не прописана в алгоритме управления в прин- ципе. Благодаря коду Баркера в этом поколении дро- нов потеря управляющей частоты не рассматри- валась как основная проблема. Само примене- ние вышеупомянутого кода ведет к возможности передавать сигнал практически на уровне помех. А двоичное кодирование обеспечивает высо- кую достоверность принимаемой информации. Рисунок 2. Спектр сигнала на выходе генератора Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера становится широкополосной, а по- лезный сигнал наоборот. Полезный сигнал филь- труется в узкой полосе частот, пропорциональной удвоенной скорости передачи. В такой ситуации в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, в n раз меньше, чем помеха, дей- ствующая на вход приемника. Принимая эти особенности, возникает вопрос зашумления не передающей части, а приемной. В приемнике присутствуют априорные сведения о поступающем сигнале и дешифраторе Барке- ра. Однако, если, помимо смеси «сигнал + шум» из канала связи, в месте приема будет возникать белый шум, превышающий пороговые значения (действует самостоятельно), детекция полезного сигнала управления винтом (двигателем) стано- вится более сложной. Авторы статьи высказыва- ют предположение, что в присутствии мощной аддитивной помехи возможно прекратить управ- ление одним или более двигателями квадрокоптера. Решение задачи Для моделирования решения поставленной задачи предлагается использовать программное обеспечение промышленного стандарта Multisim [3]. Моделирование происходило в программном пакете Multisim. Это прикладное ПО предназна- чено для процесса моделирования и программи- рования схем для аналоговой, цифровой и сило- вой электроники. Multisim широко используется для обучения схемотехнике, предлагая широкую базу элементов. Данное ПО поддерживает Simu- lation Program with Integrated Circuit Emphasis, сокращенное название - SPICE. SPICE представ- ляет собой программу эмуляции со встроенным обработчиком схем, рисунок 1. Питание всех коллекторных и базовых цепей используемых транзисторов обеспечивается од- ним источником питания. Его напряжение равно 5 В через резисторы R1, R2 и R3, R4. Конденсато- ры C2, C3, C4, C5 выполняют функцию элемен- тов обратной связи парциальных генераторов. К выходу генератора (VT5) подразумевается под- ключение широкополосного усилителя, так как выходная мощность данной генераторной сбор- ки достаточно мала. На рисунке 2 представлен спектр выходного сигнала, из которого видно, что генерируется шум по все полосе частот, но уровень достаточно низкий. Для более эффективной работы данного ге- нератора необходимо усилить сигнал до более высокого уровня с помощью использования ка- скада, состоящего из нескольких, подключенных последовательно широкополосных усилителей на базе двух биполярных транзисторов, BFP740 и BC177. Каскад способен обеспечить усиление 20 дБ в диапазоне частот от 100 МГц до 4 ГГц, а также он согласует генератор с нагрузкой. Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке 3. В случае каскадного включения трех широ- кополосных усилителей к выходу генератора белого шума выходной сигнал значительно уве- личивается (см. рисунок 4). При необходимости повысить уровень сигнала на выходе можно ис- пользовать больше усилителей или воспользо- ваться другими с большим усилением. Среднее значение амплитуды составляет приблизительно -15 дБм, что является достаточным усилением. Моделируемая система работает стабильно. Получив необходимый уровень шума, необхо- димо обеспечить работу устройства, легитимно находящегося в зоне полета. В схожих задачах применяется полосовой фильтр для выделения Рисунок 3. Схема усилителя сигнала Рисунок 4. Спектр сигнала после каскадного усиления незашумлённой полосы, в которой возможна ра- бота аналогичных устройств [4]. Моделирование необходимого фильтра произ- водилось в программной среде для моделирова- ния и анализа высокочастотных цепей RFSim99. Полосовой фильтр типа Чебышева [5] с централь- ной полосой в 2450 МГц, построенный програм- мой, приведен на рисунке 5. В результате совместной работы двух моделей был получен спектр комбинированного сигнала, рисунок 6. Представленное моделирование комбинации двух схем позволяет говорить о возможности блокирования нерелевантных квадрокоптеров по следующей схеме. Шаг 1. Включение легитимного устройства. Шаг 2. Введение занятой полосы частот в полосовой фильтр (после включения квадрокопте- ра, 4 рабочие частоты на основные двигатели бу- дут заняты до полного выключения дрона). Шаг 3. Включение генератора белого шума с каскадным усилением и фильтрацией. Рисунок 5. Смоделированная схема фильтра Рисунок 6. Результирующий спектр Шаг 4. Результат: невозможность подключения высоте БПЛА. Средние потери L d0 при рассторонних квадрокоптеров к управляющим блокам ввиду отсутствия свободного канала (каналов). Крупномасштабные замирания - это среднее пространении в свободном пространстве рассчи- тываются по формуле 2 ослабление мощности сигнала или потери на L d0 äÁ 10 log 4ðd0 , (2) трассе при прохождении трасс большой протя- женности. Два основных явления, приводящие к эффектам замираний крупного масштаба, - это потери на трассе и затенение [6]. где - длина волны сигнала. Если расстояние d0 и частота f ( f c / , c - скорость света) измеряются в километрах и мегагерцах соответ- Средние потери радиосигнала на трассе позволяет рассчитать формула ственно, то при X = 0 из уравнений 1 и 2 полу- d чаем следующее выражение: L(d )[äÁ] L(d0 )[äÁ] 10 log X , (1) L d äÁ 10 log d где L d0 d0 - средние потери на трассе прямой 20 -10 log d0 20 log f 32, 45. (3) видимости при эталонном расстоянии d0 в сво- бодном пространстве; d - расстояние между передатчиком и приемником; - экспонента потери на трассе, которая зависит от окружающей среды; X - логарифмически нормальное зами- рание вследствие затенения, то есть нулевое зна- чение средней случайной гауссовой переменной со стандартным. В беспилотных летательных системах эталон- На основании полученного выражения (3) возможно получать априорные сведения о летатель- ных аппаратах и иметь необходимые данные об уровне управляющего сигнала и необходимом уровне генерации шума. Выводы Задача создания защищенного канала управ- ления в заданной полосе частот при наличии ное расстояние d0 выбирается равным рабочей особых условий достаточно нова. В условиях физической реализуемости, практическая состав- ляющая имеет высокий интерес со стороны экс- плуатирующих организаций. Стоит принимать во внимание большое ко- личество модификации квадрокоптеров. Прак- тически в каждом поколении данных устройств применяется либо новая технология, либо про- токол взаимодействия. Представленные в данной статье выводы не являются универсальными для всех случаев и носят исключительно научный ха- рактер.

About the authors

K. N Zotov

Ufa State Aviation Technical University

Email: zkn2002@inbox.ru
Ufa, Russian Federation

R. R Zhdanov

Ufa State Aviation Technical University

Email: tks@ugatu.ac.ru
Ufa, Russian Federation

P. E Filatov

Ufa State Aviation Technical University

Email: filatovpe@gmail.com
Ufa, Russian Federation

References

Supplementary files