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
Možné způsoby přenosu audiovizuálních dat z akrobatických letadel
