Telemeetriasüsteem taktikalisele mehitamata õhusõidukile
Lae alla magistritöö PDF.
Käesolevas töös on taktikalise mehitamata õhusõiduki (UAV — Unmanned Aerial Vehicle) all mõeldud vaatlusseadmetega varustatud mudellennukit. Sellise lennuki abil saab piloot kiiresti ülevaate 4 km raadiuses toimuvast. Saadud info põhjal valib piloot edasiseks tegevuseks sobivaima taktika. Taktikalise UAV kasutajatena nähakse peamiselt Kaitseliidu liikmetest moodustatud gruppe.
UAV disaini peamisteks piiranguteks on nõuded kasutusmugavusele ja hinnale. Taktikaline UAV peab olema kantav, tööle seatav ja piloteeritav ühe inimese poolt, kes on läbinud vastava lühikoolituse. Hind peab olema nii madal, et UAV-d võiks oma treeningutel suurtes kogustes kasutada Kaitseliidu vabatahtlikud omal kulul. Ühtlasi peab UAV koosnema kergesti kättesaadavatest komponentidest, et nende tootmist ei segaks ühe tarnija pankrotistumine.
Käesoleva töö sisuks on ülaltoodud tingimusi arvestades UAV-le telemeetriasüsteemi loomine. Telemeetriasüsteem võimaldab UAV pardalt reaalajas baasjaama saata andmeid nii lennuki seisundi (kiirus, suund) kui ka vaadeldava maa-ala kohta (otseülekanne pardakaameralt). Telemeetriasüsteemi tähtsaim osa — raadiomoodulid — on mõtekas osta sellised, mis vastavad kõigile Euroopa Liidu ja Eesti Vabariigi määrustele. Nõnda on tagatud, et sarnaseid raadioseadmeid pakuvad mitu ettevõtet. Eriti kasulik on valida litsentsivabal sagedusalal töötavad seadmed, sest neid on võimalik osta tsiviilisikutele mõeldud poodidest.
Oluline osa magistritööst on pühendatud raadioühenduse parameetrite (sagedus, võimsus) valikule. Sageduse valimisel peab tegema kompromissi: mida madalam sagedus, seda paremini levib signaal üle ja läbi takistuste, kuid seda kitsamad on seadusega lubatud ribalaiused ja suuremad on raadioaparatuuri mõõtmed. Kompromissiks sai 869,40...869,65 MHz sagedusala, millel võib ilma eriloata kasutada kuni 500 mW võimsusega saatjaid. See võimaldab 4 km raadiuses sidet pidada ka siis, kui baasjaam on taimestikuga varjatud.
Valitud sagedusalas on 500 mW võimsusega signaali võimalik otsenähtavuse puhul vastu võtta kümnete kilomeetrite kauguselt, teatud atmosfääri seisundi korral kaugemaltki. Et vähendada UAV põhjustatud raadiohäireid ja, mis veelgi olulisem, jääda taevas oponentidele märkamatuks, on mõistlik raadiosignaali kiirata väga kitsasse ruuminurka: otse baasjaama poole. Selleks kasutatakse suundantenni, mille erinevate osade juurest kiirguvad raadiolained moodustavad interferentsi tulemusel kitsa kiire. Traditsiooniline suundantenn on fikseeritud suunadiagrammiga. Suuna muutmiseks peab pöörama tervet antenni. Kuna antenni pööramise mehhanism on aeglane, massiivne ja ebaõnnestunud maandumiste suhtes tundlik, on targem kasutada elektrooniliselt juhitava kiirega võreantenni. Sellise antenni parameetrite valimisele ja simuleerimisele on pühendatud olulisim osa magistritööst.
Suundantennide puhul kehtib reegel: mida suuremat võimendust (kitsamat kiirt) on vaja, seda suuremad on sobiva antenni mõõtmed. Konkreetselt võreantenni võimendustegurit suurendab antennielementide lisamine ja nende omavahelise kauguse kasvatamine. Piiriks on siin UAV mõõtmed ja kandevõime. Samuti on suure antenni juhtimiseks vajalik aparatuur suuremõõtmeline.
Võreantenni lainefrondi moodustumine
Võreantenni kiire suuna juhtmiseks peab iga antennielemendi juures asuma viitelement, mis pikendab raadiosignaali levimise aega kindla, kontrollitava ajavahemiku võrra. Kõige parema kvaliteediga (väikeste kadudega ja horisontaalse sageduskarakteristikuga) viitelement on lihtsalt grupplüliti, mille abil saab signaali teele vahele lülitada lühemaid ja pikemaid juhtmelõike. Valitud juhtmelõigu pikkusest sõltub elemendi viide. Juhtmelõigu pikkust on võimalik saada mitme lühema järjestikuse juhtmelõigu lülitamisega. Näiteks kahe erineva pikkusega juhtme lisamisel või mitte lisamisel signaali teekonnale on saadakse neli erinevat võimalikku teepikkust. Kolme juhtmega (3-bitise viitelemendiga) tekib 8 varianti. Viitelemendi bittide arvu piirab taas lennuki kandevõime, antud töös piirdutakse kolme bitiga.
Viitelemendi bittide arv määrab üheselt kiire juhitavuse: kui mitmesse suunda on võimalik raadiosidet suunata. Mida rohkem bitte, seda rohkem suundi. Seega väikese bittide arvuga seadmetel ei ole mõtet kasutada väga kitsast suunadiagrammi, sest siis poleks võimalik igas suunas sidet pidada. Tasub valida selline kiire laius, et ei jääks ühtki "pimedat nurka". Liiga laia kiire korral kannatab antenni võimendustegur, sestap peab insener leidma optimaalse suhte maksimaalse võimenduse ja minimaalse võimenduse vahel erinevates suundades. Selle valiku tegemise lihtsustamiseks valmis magistritöö käigus simulatsioon, mis ühtesid parameetreid muutes leiab teiste parameetrite optimaalsed väärtused.
Võreantenni suunadiagramm erinevate juhtsignaalide korral