Možné způsoby přenosu audiovizuálních dat z akrobatických letadel

Possibilities of Audiovisual Data Transmission from Aerobatic Aircraft. Článek seznamuje s principy řešení bezdrátového přenosu digitálních toků z rychle se pohybujících objektů. Uvádí problémy spjaté s řešením a představuje konkrétní možnost realizace.

Abstract: This article deals with theoretical analysis and description of a system for a data transmission from moving objects. The applied solution is described on the aerobatic airplane with transmission of audiovisual data.

Keywords: audiovisual data transmission; wireless networks; data transmission from moving objects

---

Tento článek se zabývá projektem přenosu dat z rychle se pohybujících objektů, který vznikl na základě potřeby přenosu videa z akrobatického letounu pro leteckou akrobatickou show. Můžeme předběhnout a uvést, že projekt skončil velkým úspěchem jednak z pohledu samotné realizace a také z pohledu mediálního využití. V prvním článku bude popsáno, co vzniku  projektu předcházelo, budou popsány jednotlivé fáze vývoje a proveden teoretický rozbor návrhu řešení. V navazujícím článku bude objasněna praktická realizace a aplikace navrženého teoretického řešení. Budou nastíněny problémy, se kterými se bylo nutné při aplikaci systému potýkat a také budou rozebrány možnosti odstranění těchto překážek. Třetí článek bude zaměřen na budoucí a právě připravovanou další verzi tohoto systému. Budou diskutovány teoretické možnosti a návrhy dalších způsobů řešení.

Historie letecké akrobacie a proč je třeba přenášet obrázky pokřivených obličejů

Letecká akrobacie a zejména její motorová varianta má v ČR velkou tradici. Přestože se jedná o poměrně mladý sport, naši sportovci dokázali na mezinárodních soutěžích získat nejeden cenný kov. Dokonce je několik českých akrobatů držitelem titulu absolutního mistra světa. Počátky akrobacie jsou v podstatě totožné s počátky letectví obecně. S výrobou prvních motorových letadel se objevují snahy o provádění řízených prvků, kdy se letoun dostává do nepřirozených poloh. Více o historii letectví a jeho kapitoly letecké akrobacie se lze dozvědět v [1]. Éra světové sportovní letecké akrobacie začala v tehdejším Československu. V roce 1960 proběhlo v Bratislavě první mistrovství světa v letecké akrobacii. Tehdy stanul na stupni nejvyšším československý pilot Ladislav Bezák, druhý byl Jiří Bláha a třetí František Skácelík.

I v dalších letech dosahovali naši piloti výborných umístění. V roce 1978 se konalo Mistrovství světa na letišti Hosín u Českých Budějovic a absolutním mistrem světa se stal Ivan Tuček. V letech 1983 až 1986, v této zlaté éře akrobacie, získal Petr Jirmus dvakrát titul absolutního mistra světa a dvakrát absolutního mistra Evropy. Od roku 1960 až do roku 1994 získali naši piloti 18 medailí a 4x dokonce titul absolutního mistra světa.

Letecká akrobacie je označována královnou letectví. Jistě jí tento přídomek právem patří z důvodu technické, fyzické a finanční náročnosti. Jedná se však o striktně individuální záležitost a případný divák nemá žádnou možnost pocítit úžasnou atmosféru a pocity na palubě letounu. Projekt, ze kterého vychází série těchto článků si klade za cíl tuto skutečnost změnit.

Přenos audiovizuálních dat

Projekt je zaměřen na přenos audiovizuálních dat, které umožní divákovi nahlédnout do pomyslné kuchyně akrobacie. Dalším nesporným přínosem je pokus o aplikaci technologií, které nejsou původně k tomuto účelu předurčeny. Systémy pro přenos audiovizuálních dat z rychle se pohybujících objektů existují. Příkladem jsou závody Formule 1 nebo soutěž Red Bull Air Race. Tyto systémy jsou však proprietární a tím pádem i velmi nákladné. Takovéto podniky si jistě vyšší náklady mohou dovolit, technologie se tak  nemůže rozšířit i do dalších projektů s omezenými finančními prostředky. Systémy používané při jmenovaných soutěžích mají však jeden zásadní technologický nedostatek. Jsou omezeny charakterem průběhu soutěže, kdy se objekt pohybuje po relativně přesně stanovené trase a na rádiový spoj není třeba klást vysoké nároky z pohledu sledování cíle. Při vhodném rozmístění základnových stanic podél předpokládané trajektorie, kterou je například závodní okruh nebo v případě Red Bull Air Race koryto řeky, získá rádiová část značnou rezervu odstupu užitečného signálu od úrovně šumu. V případě přenosu dat z letounu, který provádí klasickou akrobacii podle standardizovaných mezinárodních pravidel, je přesný odhad trajektorie letu nemožný. Velkým problémem je také nemožnost odhadu polohy objektu, ze kterého se data přenáší, což v případě zmiňovaných konkurenčních systémů nehraje roli.

Uvedené systémy pracují vesměs v mnohem nižších než mikrovlnných pásmech. Jejich vývoj stál z našeho pohledu obrovské prostředky, přesto je kvalitativně naše řešení předčí. Kvalitativně jednak z pohledu konstrukce, tak i z pohledu kvality přenosu audiovizuálních dat. Na obr. 1 je jednotka používaná pro přenos videa ze závodních letounů během seriálu RedBull Air Race. Povšimněte si rozměrů jednotky. Je třeba dodat, že hmotnost této instalace se pohybuje okolo 12 kilogramů!. Výstup v médiích vypadá téměř dokonale, to však díky následnému zpracování obrazu, vhodně provedeným střihům a různě předtočeným záběrům. Je s podivem, že do akrobatických speciálů byl vůbec někdo ochoten umístit rozměrné a těžké zařízení, které jednoznačně mění vyvážení a posouvá těžiště letounu. Posun těžiště má při tom značný vliv na ovládání letounu, což může být u akrobatického speciálu kritické.

Obr. 1. Instalace zařízení pro přenos audiovizuálních dat v letounech při závodu RedBull Air Race.

Akrobatický letoun

Akrobatický letoun se od běžných letounů liší konstrukcí, letovými výkony a také ve výkonu vzhledem ke své hmotnosti. Konstrukce je oproti ostatním letounům podobné kategorie značně pevnější a dimenzovaná pro vyšší manévrovací rychlosti a přetížení.

Počáteční testy našeho systému probíhaly na letounu Zlin Z-50M. Jedná se o celokovový letoun určený pro nižší třídy akrobatických soutěží. Tento letoun je zobrazen na obr. 2.

Obr. 2. Letoun Zlin Z-50M

Oproti tomu je akrobatický speciál Su-31M na obr. 3. z produkce ruského výrobce Sukhoi dnes letounem s nejvyšším poměrem výkonu k hmotnosti. Letoun má hvězdicový pístový motor o výkonu 360 koňských sil. V některých verzích i více než 400 koňských sil. Maximální povolená rychlost převyšuje 440 km/h. Jeho unikátní konstrukce dovoluje násobky přetížení až +12 g a -10 g. Tento letoun je však nevhodný pro výcvik a běžné sportovní létání. Byl navržen pro akrobacii a ta je jeho jedinou doménou. Letoun je velmi náročný na údržbu a obsluhu. Systém přenosu audiovizuálních dat byl vyvíjen zejména pro tento letoun.

Obr. 3. Letoun Sukhoi SU-31M

Letoun Su-31M byl zvolen z důvodu atraktivnosti finálního praktického řešení a také díky jeho dostupnosti. České reprezentační družstvo vlastní dva kusy typu Su-31M s registračními znaky OK-HXB a OK-HXC. Tyto letouny jsou určeny pro akrobatickou kategorii Unlimited, tedy pro kategorii nejvyšší. V průběhu samotné realizace byl systém také testován na dvoumístném letounu Su-29 s registračním znakem OK-HXA. Tento letoun je však určen pro nižší kategorii Advanced a v závěru první fáze realizace projektu jej nebylo možné využívat.

Rozbor parametrů rádiového spoje při akrobatickém letu

Letoun se během akrobatického soutěžního letu pohybuje v prostoru, který je vymezen mezinárodními pravidly pro uskutečňování akrobatických soutěží. Tento prostor má tvar krychle a je umístěn v bezpečné výšce nad zemí, strana krychle má velikost 1000 m. Bezpečná výška nad zemí se liší podle výkonnostní třídy závodníka. V popisu zůstaňme u kategorie Unlimited, která má tuto hranici ve 100 m nad zemským povrchem, resp. nad úrovní povrchu letiště. Na obr. 4 je znázorněn akrobatický box. To, že pravidla striktně specifikují rozměry tzv. boxu, neznamená, že se letadlo nemůže mimo tuto oblast dostat. Z pohledu soutěžního se jedná pouze o bodovou ztrátu při výsledném hodnocení daného letu. Z pohledu přenosu audiovizuálních dat se při nedostatečném dimenzování parametrů rádiového spoje jedná o přerušení signálu a tím i toku dat do doby, než parametry spojení opět splňují podmínky pro úspěšný přenos. V případě dalšího zpracování audiovizuálních nebo telemetrických dat to může být velký problém. Systém potom totiž neplní svůj úkol.

Obr. 4. Akrobatický box

Přenos z akrobatického letounu má však i své pozitivní vlastnosti z hlediska návrhu. Spojení bude uskutečněno vždy s přímou viditelností. Není třeba výrazně řešit problémy se zastíněním spoje nebo první Fresnelovy zóny. Letiště, nad kterým se let uskutečňuje, musí splňovat značně přísná bezpečnostní opatření. Bezprostřední okolí bude s velkou pravděpodobností rovné, bez překážející vegetace a orografických prvků. Umístění pozemní komunikační části lze v prostoru letiště zvolit v podstatě libovolně s ohledem na bezpečnost letového provozu. Další výhodou je, že akrobatické lety se uskutečňují pouze za dobrého počasí bez srážek, mlhy nebo dalších nevhodných povětrnostních podmínek.

Výběr antén pro letoun

Letoun se může v průběhu letu nacházet v jakékoliv poloze a je tedy nezbytné zvolit anténní systém s ohledem na tuto skutečnost. V praxi se bude jednat o minimálně dvě všesměrové antény s maximálně kruhovou vertikální i horizontální vyzařovací charakteristikou. Antény musí být minimálně dvě, protože při umístění např. na spodní ploše trupu bude při letu na zádech anténa zastíněna. Umístíme-li antény na horní a spodní plochu trupu letounu, dosáhneme téměř 100% přímé viditelnosti mezi pozemní stanicí a vždy alespoň jednou anténou.

Dalším možným řešením je umístění antén na konce křídel letounu. Takovéto řešení však naráží na potřebu dlouhého vysokofrekvenčního vedení od vysílače/přijímače k anténě oproti prvnímu rozmístění antén. Rozmístění na křídlech by bylo optimálnější z hlediska rádiového přenosu a pokrytí přímé viditelnosti mezi anténami pozemní stanice a anténami letounu. Ovšem je téměř nemožné umístit přijímací/vysílací část poblíž antény na konci křídla. Během akrobatického letu působí na všechny části letadla velké síly, které rostou se vzdáleností od aerodynamického těžiště letounu. Konstrukce s umístěním vysílače/přijímače na konci křídla by musela být velmi robustní, což by muselo také nutně ovlivňovat aerodynamické parametry letounu. Mimoto se setkáváme s velkým problémem zástavby celého zařízení do letounu z bezpečnostních a prostorových důvodů. Konstruktéři téměř všech letounů bohužel neuvažovali o možnosti umístění podobných zařízení na palubách akrobatických speciálů.

Shrneme-li předchozí předpoklady, umístění antén na trupu je optimální variantou z hlediska rádiového přenosu i konstrukce zástavby. Rušivě zde však působí výstupky na reliéfu trupu letounu. Konkrétně překryt kabinového prostoru z plexiskla, další antény rádiového vybavení letounu, výstupky na kapotách motoru a podvozek.

Z pohledu vyzařovací charakteristiky antén se při potřebě maximalizace kruhovosti v horizontální i vertikální rovině dostáváme do problému s hodnotou zisku. U mikrovlnných plochých (mikropáskové, štěrbinové atd.) všesměrových antén na kmitočtech kolem 5,8 GHz obtížně překročíme velikost zisku 3 dBi. Jiný typ antény v podstatě nepřichází v úvahu, protože anténa, pokud je umístěna na vnějším povrchu letounu, musí mechanicky odolávat síle náporu vzduchu za letu, ale i poškození při manipulaci s letounem na zemi. Anténa musí být nutně chráněná krytem a musí co nejméně vystupovat nad povrch trupu letounu.

Antény jsou na letounu umístěny dvě. Je třeba vyřešit problém napájení a rádiové komunikace přes obě antény. Rádiový signál musí být pro obě antény stejný, aby se zvýšila stabilita spoje při různých polohách letounu.

Varianty řešení jsou následující:

1.      Antény napájeny z jednoho zdroje a VF signál je rozdělen děličem.

2.      Každá anténa napájena z příslušného vysílače/přijímače.

Nejprve si rozeberme jednotlivé možnosti realizace anténního systému, tak jak je ilustruje obr. 5., tedy podle způsobu napájení antén s důrazem na jejich výhody a nevýhody.

Obr. 5. Způsoby realizace anténního systému na letounu

Antény napájeny z jednoho vysílače, s děličem

Pokud realizujeme napájení z jednoho přijímače/vysílače a signál poté rozdělíme v anténním děliči, získáváme výhodu v jednoduchosti řešení celého systému. Vhodné rádiové moduly jsou relativně nákladnou záležitostí a hlavně nepotřebujeme řešit problémy s rozdělováním a slučováním datového toku v řídící jednotce. Takové řešení je sice možné, ale není běžně dostupným vybavením podporováno. U tohoto řešení je také třeba nalézt dělič s vhodnými parametry. Vzhledem k umístění v letounu jsou kladeny nároky na velikost a zejména na vysokofrekvenční parametry děliče. Dělič musí mít vzájemně odděleny výstupy alespoň o 35 dB a co nejnižší ztrátu výkonu (alespoň pod 0,6 dB). Vzhledem k nutnosti přerušení napáječe dojde ke zvýšení útlumu vedení o další konektorové spoje a zmíněný dělič. Zařazení děliče muže být pro realizaci rádiového spojení kritické. Při použití děliče sice zvýšíme pravděpodobnost přímé viditelnost vždy alespoň jedné antény, ale výrazně se zvýší úroveň šumu na vstupu přijímače, přičemž hodnota užitečného signálu se zvýší nepoměrně méně. Rovněž je třeba dbát na to, aby obě větve vysokofrekvenčního vedení vstupující do děliče byly stejně dlouhé a vykazovaly stejné parametry. Pokud by tato podmínka nebyla dodržena docházelo by k výraznému zhoršení SNR.

Antény napájeny z více vysílačů

Toto je ideální způsob řešení problému. Zahrnuje však potřebu pracovat s datovým tokem v jednotce řídící spojení. Řídicí jednotka musí sama zajistit zrcadlení provozu do všech rozhraní. Podpora vícecestné komunikace je relativně výpočetně náročná. Kvalitní rádiové spojení s vysokou dostupností z akrobatického letounu však bez tohoto mechanismu nelze téměř uskutečnit. Rozbor této problematiky bude předmětem navazujícího článku.

Letadlová část systému

V letounu je umístěno zařízení pro získávání signálu (např. kamera a mikrofon), modul pro zdrojové kódování, modul pro řízení a realizaci komunikace a v neposlední řadě vysokofrekvenční vysílací a přijímací modul. Linkové kódování provádí modul pro řízení a realizaci komunikace současně s vysokofrekvenčním modulem. Dále na palubě letounu nalezneme koaxiální kabely pro VF napájení anténního systému, zmiňované antény a napájecí část pro úpravu napájení z palubního zdroje letounu. Všechny tyto prvky jsou znázorněny na blokovém schématu na obr. 6.

Obr. 6. Blokové schéma letadlové části systému

Kamery

Výběr kamer pro snímání obrazu během akrobatického letu musí splňovat několik kritérií, která kladou na použité vybavení značně specifické požadavky. Kamery musí být velmi malé, s nízkou hmotností, malou spotřebou, robustní konstrukcí atd.

Filosofií celého systému pro přenos audiovizuálních dat je použití pro medializaci letecké akrobacie. To se nejlépe provádí během vrcholových akrobatických soutěží. S tím ale souvisí fakt, že veškeré zařízení pro přenos dat musí být v letounu zastavěno tak, aby vůbec nebo v minimální míře bránilo pilotovi podávat vrcholový výkon. V minulosti se bylo možné setkat  s projekty natáčení audiovizuálních dat během akrobatického letu, kdy všechny tyto činnosti byly koncipovány jako létání pro kamery. Tedy pilot se musel přizpůsobit například omezenému výhledu z kabiny, či různé kabeláži v kabině letounu nebo dokonce zhoršeným aerodynamickým vlastnostem letounu. V takovém případě je nemyslitelné, aby stejné zařízení bylo použito během soutěžního letu.

Použité kamery musí být tedy jednoznačně deskového typu s pevným objektivem, taková varianta se v současné době jeví jako nejoptimálnější. Zpracování obrazového signálu nelze při současně dostupných produktech realizovat přímo v kameře. Ideální variantou je samozřejmě použití kvalitní IP kamery nebo kamery s HD výstupem. Bohužel v době první realizace přenosu takové kamery nesplňovaly zejména požadavek na malé rozměry a hmotnost. Jediným řešením tedy zůstala analogová kamera s výstupem ve formátu PAL. Zpracování obrazového signálu se provádí v modulu, který je umístěn a bezpečně uchycen na vhodnějším místě, než je například palubní deska v kabině (nesmí za žádných okolností omezovat pilota). V současné době se na trh dostávají kvalitní kamery za rozumné ceny velmi malých rozměrů s výstupem v HD, které budou aplikovány v další verzi systému.

Další zdroje dat

Mikrofon lze v letounu použít ke snímání hluku motoru, tedy ruchů pro podbarvení situace za letu. S mechanickými rozměry mikrofonu není velký problém, vzhledem k možnosti umístění kdekoliv v trupu letounu. Na tento mikrofon jsou kladeny pouze požadavky kvalitativní, aby například nebyl vysokou úrovní hluku od motoru přebuzený atd.

Dalším zdrojem zvuku může být komunikace pilota. V podstatě lze buď umístit směrový mikrofon na příslušné vybavení pilota, nebo využít již instalovaný mikrofon pro komunikaci pilota s pozemní řídící službou letového provozu.

Během letu lze snímat další velmi zajímavá data, která poskytne například telemetrický systém. Telemetrie může obsahovat údaje z GPS, velikost přetížení působící na pilota, údaje o parametrech letounu nebo motoru a údaje o zdravotním stavu pilota, tedy tep, tlak, teplota atd. Moduly pro sběr dalších dat jsou volitelné prvky systému, které ale musí samozřejmě splňovat bezpečnostní a pevnostní limity zástavby. Jejich připojení ke komunikační části musí být uskutečněno pomocí vhodného rozhraní. Předpokládá se, že již v rámci těchto přídavných modulů bude provedeno zdrojové kódování a data budou komunikační části předávána již vhodně připravená pro přenos.

Zdrojové kódování

Z výše uvedených důvodů se zdrojové kódování audiovizuálních dat provádí mimo kameru v odděleném modulu. Tento modul by měl být umístěn nejlépe ve stejném šasi jako komunikační a VF modul.

Samotné zdrojové kódování analogového signálu ve formátu PAL lze nejjednodušeji uskutečnit vhodným zařízením, které se používá v oblasti průmyslové televize. Široká nabídka produktů pro průmyslové video přináší nízkou cenu a větší pravděpodobnost nalezení produktu s potřebnými parametry.

Výběr kodéru MPEG4 byl proveden z důvodu vysoké dostupnosti zařízení podporujících tento formát a protože umožňuje kódování s nejnižším datovým tokem z celé rodiny kodérů MPEG. Při použití konstantní bitové rychlosti a rozlišení PAL D1, tedy 720x576 obrazových bodů a snímkovacím kmitočtu 25 snímků/s, má datový tok asi 3 Mbit/s. Napájení převodníku musí být stejné jako u ostatních komponent, aby nebylo potřeba několika invertorů napětí. Proudové zatížení celého systému při 24 V nesmí překročit 4 A.

Řídící komunikační modul na palubě letounu

Vzhledem k použití bezdrátového komunikačního protokolu IEEE 802.11 WiFi, případně IEEE 802.16 WiMAX je možné použít univerzální zařízení schopné provádět operace ekvivalentní síťovému směrovači s možností připojení rádiových modulů pro odpovídající protokol. Pokud se bude uvažovat použití sériově vyráběného produktu, pak se musí hledat zařízení s vysokým stupněm konfigurovatelnosti.

Z výše uvedených požadavků vyplývá, že zařízení musí pracovat na spolehlivém operačním systému. Jako nejlepší varianta bylo zvoleno zařízení RouterBOARD s operačním systémem RouterOS od výrobce MikroTik. Nevýhodou tohoto zařízení je, že v současné době nepodporuje technologii IEEE 802.16 WiMAX.

Rádiový modul na palubě letounu

Vzhledem k použitému komunikačnímu modulu musí mít rádiový modul rozhraní MiniPCI. Volba tohoto rozhraní byla provedena s ohledem na jeho univerzálnost a vysoký počet dostupných typů produktů vyhovující  standardu IEEE 802.11. Nejdůležitější požadavky na rádiové moduly jsou vysílací výkon 25 dBm a vyšší, pracovní kmitočet 5200 - 5825 MHz, pasivní chlazení, kompatibilita s RouterBOARD a RouterOS.

Pozemní část systému

Blokové schéma pozemní části systému pro přenos videa z akrobatického letadla je znázorněn na obr. 7. Jedná se o návrh realizace pro použití při akrobatické soutěži nebo při akrobatické show. Konfigurace v jiných případech bude podobná nebo zjednodušená o některé prvky. Systém je navržen univerzálně a rozšiřování systému nepředstavuje náročný problém.

Napájení pozemní stanice je možné z elektrocentrály, klasické elektrické sítě nebo akumulátoru. Vzhledem k použité technologii a odpovídajícímu vybavení je nejjednodušší napájet zařízení z akumulátoru. Elektrocentrála je zbytečně robustní a nákladné řešení. Napájení z elektrické sítě je náročné s ohledem na potřebnou délku prodlužovacích kabelů, především pokud v prostoru umístění pozemního přístupového bodu neexistují elektrické rozvody. Napájecí akumulátory je třeba volit s ohledem na výdrž, která se musí pohybovat okolo 5 až 8 hodin nepřetržitého provozu. Nejvhodnější variantou je použít hermetizované olověné akumulátory, které jsou nenáročné na údržbu a provoz.

Obr. 7. Blokové schéma pozemní části systému

Umístění pozemní části systému

Na obr. 8. jsou znázorněny tři možné způsoby umístění pozemní stanice vzhledem k akrobatickému boxu. Kužel s vrcholem v místě pozemní stanice představuje vyzařování antény (hlavní lalok do poklesu o 3 dB) při použití sektorových antén s vrcholovým úhlem 60°. Umístíme-li pozemní přístupový bod tak, jak je znázorněno vlevo na obr. 7, což je nejhorší možná varianta z hlediska vzdálenosti mezi letounem a pozemní stanicí, bude se maximální délka spoje pohybovat okolo 1800 m a to pouze za předpokladu dodržení stanoveného akrobatického boxu pilotem letounu. V prostřední části obrázku je situace s více sektorovými anténami umístěnými uprostřed hrany pomyslného akrobatického prostoru. Tato varianta však vyžaduje použití více sektorových antén a anténního děliče se všemi jeho nevýhodami. Třetí obrázek ilustruje situaci s použitím více pozemních přístupových bodů. Tato konfigurace je plánem dalšího vývoje systému, protože je třeba dořešit problémy se slučováním datových toků. Dojde tím k navýšení kvality přijímaného signálu přenosu a zvýší se tak dostupnost celého systému.

Obr. 8. Možné varianty rozmístění anténního systému vzhledem k boxu

Pozemní anténní systém

Umístění pozemní jednotky musíme také hledat s ohledem na použitý anténní systém. Nabízí se v podstatě tři způsoby realizace anténního systému pozemního přístupového bodu podle směrovosti použitých antén. Možné způsoby řešení podle typů použitých antén jsou dány použitím všesměrové, sektorové nebo směrové antény.

Sektorová anténa je z hlediska vhodnosti použití fungujícím kompromisem. Při vhodné volbě antény (zisk, směrovost) lze spoj realizovat při dodržení omezení vysílacího výkonu. Sektorová anténa však poskytuje řešení, které je téměř na hranici realizovatelnosti. Problém je právě ve vyzařovací charakteristice antény. Sektorovou anténu je třeba umístit za roh akrobatického boxu, čímž se více než zdvojnásobí délka rádiového spoje mezi pozemní stanicí a letounem oproti umístění všesměrové antény ve středu boxu. Řešením je umístit soustavu sektorových antén přibližně do středu hrany boxu a následně např. čtyři antény natočit tak, aby pokryly celý prostor letu.

Použití směrové antény je ideální variantou. Můžeme použít anténu s velmi vysokým ziskem a bez obav ji umístit v podstatě kamkoliv vně nebo okolo boxu. Nejideálnější variantou je samozřejmě střed akrobatického boxu. Získáme vysoký poměr SNR a nízkou chybovost rádiového spoje i s rezervami pro různé rušivé vlivy projevující se při síření elektromagnetických vln.

Pokud použijeme směrové nebo sektorové antény, pak musí být u pozemní stanice nutně alespoň dvě. Vezmeme-li v potaz, že u použitých antén je nutno dodržet smysl polarizace rovinné vlny vyzařované anténou z letounu, a protože se letoun může nacházet v různých polohách, docházelo by například při letu vertikálně k útlumu přijímaného signálu vlivem nevhodné polarizace. Tento problém lze vyřešit umístěním dvou antén s polarizací otočenou o 90°. Pokud bude v letounu použita varianta napájení antén přímo bez děliče, budou jednotlivé sestavy antény a rádiového modulu pracovat na rozdílných kmitočtech. Pozemní stanice musí mít tedy anténní systém pracující také na těchto různých kmitočtech. Pro realizaci rádiového spoje na zemi pak potřebujeme antény čtyři. Vždy dvě se vzájemně pootočenou polarizací na stejném kmitočtu. Variantou je také použití pouze dvou antén na různých kmitočtech se vzájemně pootočenou polarizací o 90°. Takové řešení sice zdánlivě neeliminuje problém nevhodné polarizace, ale při reálném provozu a při testování se ukázalo, že se jedná o vhodný kompromis. Pravděpodobnost, že se letoun dostane do situace, kdy je jeden spoj přerušen zakrytím antény a zároveň nevhodnou polarizací druhé antény naroste útlum, byla minimální. Velikost anténní soustavy se čtyřmi anténami dělá konstrukci anténního stožáru složitější a zvyšuje také finanční náročnost řešení.

Výběr typu antény pro pozemní stanici

Pokud zůstaneme u použití dvou antén, pak můžeme definovat dva způsoby řešení systému. Podobně jako u letounu jsou pozemní antény napájeny z jednoho vysílače a VF signál je rozdělen anténním děličem. Opět je potřeba vybrat anténní dělič s vhodnými parametry. Vzhledem k nutnosti přerušení napáječe dojde ke zvýšení útlumu vedení o další konektorové spoje a dělič sníží poměr odstupu signálu od šumu. Další možností je napájení každé antény ze svého zdroje. Toto je opět optimální způsob řešení problému měnící se polarizace. Zahrnuje však potřebu pracovat s datovým tokem v jednotce řídicí spojení. Přijímané toky by se musely nejprve zpracovat na fyzické vrstvě odděleně, tedy projít rádiovým přijímačem a linkovým dekódováním pak operací sloučení dat. Jelikož se jedná o paketovou komunikaci, je třeba řešit časování paketů, jejich seřazování a další operace.

Vybranou konfigurací tedy budou dvě směrové antény napájené samostatně. Zjevnou nevýhodou je však potřeba přesného zaměřování antény na letoun, aby bylo možné rádiové spojení vůbec navázat. Tento problém se dá řešit manuální obsluhou antény, případně automatizovanou variantou. Manuální zaměření antény je v praxi realizovatelné, protože akrobatický let trvá asi 5 až 15 minut a pokud není anténa velmi úzce směrová, obsluha dokáže letoun během celého letu udržet v hlavním laloku antény. Automatizované řešení směrování je také reálné, ovšem je to řešení složitější a nákladnější. Problém je v dostupnosti sériově vyráběných prostředků pro otáčení anténního systému. Anténní rotátory jsou drahé a navíc značně pomalé. Aby anténní rotátor byl schopen sledovat akrobatický letoun, musí být schopen v extrémním případě změny elevace i azimutu s okamžitou maximální rychlostí 4,5 rad/s (tedy asi 257 úhlových stupňů za sekundu). Prototyp rotátoru byl již realizován a na jeho konstrukci se zaměříme v některém z dalších článků.

Optimální možností je použít kombinace manuálního ovládání zaměření antény a sektorové antény (resp. dvou, z důvodu polarizace). Takové řešení nevyžaduje vysokou přesnost zaměřování, ale snižuje počet potřebných pozemních stanic. K tomuto účelu použitá sektorová anténa by měla mít vyzařovací úhel v horizontální i vertikální rovině alespoň 60° a vysoký zisk. Samozřejmostí jsou další vhodně zvolené parametry antény jako kmitočtový rozsah, činitel přizpůsobení, PSV, parazitní laloky antény atd. Při úvaze nad rozmístěním pozemní stanice podle obr. 8. lze v prvním a třetím případě použít směrové antény na automaticky zaměřovaných rotátorech, kde s výhodou využijeme výše zmíněné vlastnosti.

Řídicí komunikační modul pozemní části systému

Podobně jako u řídicího komunikačního modulu v letounu, při použití bezdrátového komunikačního protokolu IEEE 802.11 WiFi případně IEEE 802.16 WiMAX, je nutno použít univerzální zařízení schopné provádět operace ekvivalentní síťovému směrovači s možností připojení rádiových modulů pro odpovídající protokol. Modul musí opět umožňovat vysoký stupeň konfigurovatelnosti.

I zde je zvoleno zařízení RouterBOARD s operačním systémem RouterOS. Zařízení může být větších rozměrů než jednotka instalovaná na palubě letounu. Jednotka v tomto případě bude přebírat roli přístupového bodu a bude řídit spojení. Potřebný výpočetní výkon se tedy přesune na pozemní stanici a lze tedy do letounu nasadit méně výkonný a tedy i menší model RouterBOARD.

Pozemní stanice nebude přímo koncovým bodem pro zdrojové zpracování dat získaných z letounu. Jednotka bude sloužit pouze pro rádiovou komunikaci s letounem a data bude dále přeposílat do místa, kde se zpracují a vyhodnotí. Přenos z pozemního přístupového bodu do místa zpracování dat může být prováděn pomocí metalických kabelů, optických kabelů a bezdrátově. V případě umístění pracoviště pro zpracování dat u provozních budov letiště se vzdálenost k vhodně umístěné pozemní stanici pohybuje okolo 500 až 1000 m. Pracoviště pro zpracování dat z letounu musí být umístěno v blízkosti provozní infrastruktury letiště, zejména kvůli napájení a předávání dat např. televiznímu přenosovému vozu. Tato situace se dá samozřejmě řešit pomocí přenosných napájecích zdrojů a dalších prvků, ale z hlediska organizačního to není příliš vhodné. Další nespornou nevýhodou je potřeba fyzického rozvinutí kabeláže. Pomineme-li náročnost rozvinutí, zůstává velkým problémem fyzická přítomnost nechráněných kabelů na ploše letiště. Jednak mohou vadit bezpečnosti letového provozu a také není zaručeno odstranění rizika manipulace cizími osobami, případně jiné fyzické poškození kabeláže.

Bezdrátový přenos je vhodnou variantou, která odstraňuje předchozí nedostatky. V místě pozemní stanice může být samostatná jednotka pro realizaci komunikace s pracovištěm zpracování dat, případně může přímo jednotka určená pro komunikaci s letounem předávat data dále. Rádiový spoj mezi pozemní stanicí a pracovištěm zpracování dat bude stacionární s relativně stabilními vlastnostmi rádiového spoje.

Pracoviště zpracování a vyhodnocování dat

Toto pracoviště musí být umístěno v dosahu rozvodu běžné napájecí sítě a infrastruktury letiště. Napájení lze vyřešit výkonnou centrálou, ale vzhledem ke specifické organizaci při pořádání akrobatických soutěží je nezbytné umístit pracoviště poblíž centra dění soutěže (popř. přehlídky). Pracoviště zpracování a vyhodnocování dat by mělo být umístěno také poblíž příjemcům výstupních audiovizuálních dat. Zjednodušuje se tím rozvinutí kabeláže a dorozumívání při sestavování a provozu celého systému.

Data jsou přenášena z pozemní stanice přes směrovač do vnitřní podsítě pracoviště. Zde se provede převod obrazových a audio dat zpět na analogový signál, případně se provede konverze do požadovaného digitálního formátu. Obraz ze všech kamer a zvuk se ukládá pro další vyhodnocování a zpracování, ale je i monitorován, z důvodu potřeby ladění parametrů pro zvyšování stability bezdrátového spoje mezi letounem a pozemní stanicí.

Závěr

Tento článek je úvodem k sérii článků věnovaných realizovanému projektu přenosu dat z pohybujících se objektů a poskytuje náhled na teoretický rozbor finálního řešení. V případě konfigurace antén, jejich typů, uspořádání napáječů atd. existují samozřejmě další varianty. Východiskem byla využitelnost běžně dostupných a levných komponent bez nutnosti vyvíjet speciální radiové a datové moduly. Systém byl navržen pro přenos z akrobatických letounů, je však přizpůsobitelný i pro jiné aplikace včetně průmyslových řešení.

Systém pro bezdrátový přenos z rychle se pohybující objektů vznikl za podpory výzkumného záměru MSM6840770038.

Literatura

[1] Šorel, V. Encyklopedie českého a slovenského letectví. Brno : Computer Press, 2005. 448 s. ISBN 80-251-0733-7.
[2] Machula, V. Přenos dat z pohybujících se objektů. Praha, 2009. 93 s. ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky. Vedoucí diplomové práce Doc. Ing. Jiří Chod, CSc.
[3] Kocur, Z. Nástroje pro analýzu bezdrátových přístupových sítí. Praha, 2008. 60 s. ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslav Burčík, Ph.D.
[4] Kocur, Z. - Machula, V. Systém vysokorychlostního bezdrátového přenosu dat z rychle se pohybujících objektů. Užitný vzor č. 19713, on-line