1. INTRODUCCIÓN
El propósito del proyecto es, mediante un UAV, inspeccionar áreas y superficies de terreno la cuales deben ser observadas en detalle. Los acontecimientos que se produzcan durante el vuelo deben ser conocidos, en tiempo real, por el grupo operador que se encontrará ubicado en un punto remoto a varios kilómetros de distancia. El sistema debe ser autónomo en el cumplimiento de las tareas encargadas y además se debe monitorear el rendimiento de la aeronave (UAS). Para las pruebas del presente trabajo se hace referencia a los factores condicionantes en un sistema de comunicaciones inalámbricas previamente determinado. Se utiliza métodos y resultados de investigaciones previas que determinan las condiciones mínimas para tener señal de enlace tal como se detalla en (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & Valencia-Redrovan, 2016). Se consideran los siguientes factores:
Potencia de transmisión y recepción
Calidad de conectores
Longitud y calidad de cable coaxial
Ganancia y tipos de antenas
Distancia entre antenas
Zona de Fresnel
Condiciones de terreno y meteorología
Este documento analiza los Equipos a bordo de la aeronave, pues se deben considerar varios sistemas que permitirán realizar el vuelo de forma segura y autónoma. En la sección 3 se realiza un estudio de presupuesto de enlace de datos basados en el análisis de (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & Valencia-Redrovan, 2016), determinando altura de antenas, condiciones de operación, máximo alcance de diseño y otros parámetros que afectan a las comunicaciones Finalmente en la sección 4 y 5 se establece Pruebas de funcionalidad y Resultados finalizando en la sección 6 con Conclusiones y análisis de resultados obtenidos.
2. METODOLOGÍA
Equipos a bordo de la aeronave.
Los objetivos de proyecto son:
Observación y reconocimiento es realizado mediante uno o varios sensores de visión (sensores electro-ópticos), como lo mencionan (Austin, 2010) ("T-STAMP, Miniature UAV Payload, Gyro Stabilized Cameras", 2015), los mismos que permitirán tener imágenes de la zona en inspección.
Autonomía en el vuelo (Flickenger, 2006) corresponde a sistemas a bordo que permiten que la aeronave se mantenga en el aire de forma independiente en la navegación durante la realización de las tareas.
Monitoreo de equipos a bordo de la aeronave se refiere a la medición de las variables físicas que se presentan en los distintos sistemas que forman parte del UAS, esto abarca los sistemas de propulsión, combustible, energía, y cualquier otro sistema que se presente durante el desarrollo.
La Figura 1 muestra el planteamiento del proyecto en base a la tendencia del uso de dos vías de comunicación para el enlace de subida y enlace de bajada como lo estudia (Jain, & Templin, 2012).
El sistema que realiza las funciones de Data Link está en la capacidad de adquirir información que se genera en la aeronave, proveniente de cualquiera de los sistemas que van a bordo de la aeronave Figura 2, puede procesarla, empaquetarla y transmitirla a la estación que se encuentre en tierra y entregarla al destinatario final. El sistema de enlace de datos cuenta con entradas de interfaces de comunicaciones como RS-232, RS-485, Ethernet, RS422 y entradas de video.
3. PARÁMETROS DE RADIO ENLACE
El sistema debe disponer como una interfaz de comunicación, la cual será el medio por el cual se transmitirá los datos y señales análogas y/o digitales que se produzcan en la aeronave. En el caso de ser necesario se realizará una red interna en la aeronave para poder obtener las señales de los distintos sistemas a instalarse.
Enlace
En esta sección se calcula el presupuesto de enlace partiendo de la siguiente relación.
Señal recibida =
+ Potencia Tx
- Pérdida de cable Tx
+ GananciaTx
- Pérdida de trayectoria por el espacio libre
+ Ganancia de Rx - pérdida de cable Rx
La prueba planeada establece como alcance máximo 150 Km de distancia desde el punto remoto hacia la estación terrena. A continuación se va a desarrollar el análisis necesario para establecer un radio enlace ente dos puntos tomando como referencia (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & ValenciaRedrovan, 2016) y realizando modificaciones en ciertos parámetros para alcanzar una distancia superior a la ya anteriormente establecida en (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & Valencia-Redrovan, 2016). Se plantea la altura a la que se debe poner las antenas, un presupuesto de enlace analizando el transmisor, el medio de transmisión y el receptor.
Alcance
La geometría de la tierra influye en la estimación del alcance de comunicación. La figura 3 muestra el horizonte de radio y el horizonte óptico parámetros a considerar en los cálculos del alcance.
Línea de vista: es el camino que existe entre una antena transmisora y la antena receptora pero libre de obstáculos Ecuación (1). Para el cálculo se debe considerar el efecto de la curvatura de la tierra. Considerando el factor de la curvatura de la tierra se aplica la Ecuación (2). El horizonte óptico.
Dónde:
r1=Km
h1 = m
Horizonte de radio
r1= distancia del transmisor al horizonte (Km)
h1 = altura de la antena Transmisora (m)
K ≈ 4/3 factor de atmosfera estándar (afectación curvatura de la tierra). El enlace es de ida y vuelta Figura 4 se realiza el cálculo completo con la Ecuación (3) mediante una suma algebraica. Con la ecuación (4) se realiza la suma algebraica de forma separada un término en sentido de ida y el otro término en el sentido de regreso de la señal de comunicaciones.
Los cálculos realizados se los hace considerando un perfil relativamente plano. En la Tabla 1 se muestra los cálculos teóricos del alcance que se puede llegar a obtener, con la ubicación de las antenas a cierta altura.
r[Km] | h1[m] | h2[m] |
---|---|---|
46,28 | 1,5 | 100 |
63,36 | 1,5 | 200 |
76,46 | 1,5 | 300 |
87,51 | 1,5 | 400 |
97,25 | 1,5 | 500 |
106,04 | 1,5 | 600 |
114,14 | 1,5 | 700 |
121,67 | 1,5 | 800 |
128,74 | 1,5 | 900 |
135,43 | 1,5 | 1000 |
141,80 | 1,5 | 1100 |
147,88 | 1,5 | 1200 |
153,71 | 1,5 | 1300 |
Nótese que la altura de la antena 1 se mantiene fija pues es la antena receptora, la cual si bien es transportable se debe anclar en tierra, mientras que la antena 2 varía su altura al estar ubicada a bordo del UAV. Analizando la Tabla 1 se determina que para lograr tener el alcance propuesto para la presente prueba de 150 Km, el UAV debe estar a una altura de por lo menos 1.300 m sobre la estación terrena.
Pérdidas en el espacio libre.- Son las pérdidas que se dan mientras la señal viaja desde el transmisor hasta llegar al receptor Figura 5.
La ecuación (5) permite determinar la cantidad de energía que se pierde en el espacio.
Para la realización de los cálculos se toma la distancia que se obtiene del cálculo realizado en la Tabla 1, mientras que la frecuencia se establece en base a la tendencia de sistemas de Data Link existentes en la actualidad para UAS (Jain, & Templin, 2012) (Jain, Templin, & Sang Yin, 2011). Si bien es cierto que en el Ecuador está pendiente una regulación sobre frecuencias para sistemas UAS, se toma como referencia las existentes en el mercado internacional y en el plan nacional de frecuencias en el país. ("Plan nacional de Frecuencias Ecuador", 2012). Las frecuencias en análisis están ubicadas en la banda L y en la banda C valores establecidos en la Tabla 2. En la tabla 2 y en la Tabla 3 se muestran los cálculos de pérdidas que se pueden presentar en el enlace.
r[Km] | f[Band L] Mhrz | Lfs(1000) dB | Lfs(2000) dB |
---|---|---|---|
46,28 | 1000-2000 | 125,76 | 131,78 |
63,36 | 1000-2000 | 128,49 | 134,51 |
76,46 | 1000-2000 | 130,12 | 136,14 |
87,51 | 1000-2000 | 131,29 | 137,31 |
97,25 | 1000-2000 | 132,21 | 138,23 |
106,04 | 1000-2000 | 132,96 | 138,98 |
114,14 | 1000-2000 | 133,60 | 139,62 |
121,67 | 1000-2000 | 134,15 | 140,66 |
128,74 | 1000-2000 | 134,64 | 140,66 |
135,43 | 1000-2000 | 135,08 | 141,10 |
141,80 | 1000-2000 | 135,48 | 141,50 |
147,88 | 1000-2000 | 135,85 | 141,87 |
153,71 | 1000-2000 | 136,18 | 142,20 |
r[Km] | f[Band C] Mhrz | Lfs(1000) dB | Lfs(2000) dB |
---|---|---|---|
46,28 | 4000-5000 | 137,80 | 139,74 |
63,36 | 4000-5000 | 140,53 | 142,47 |
76,46 | 4000-5000 | 142,16 | 144,10 |
87,51 | 4000-5000 | 143,33 | 145,27 |
97,25 | 4000-5000 | 144,25 | 146,19 |
106,04 | 4000-5000 | 145,00 | 146,94 |
114,14 | 4000-5000 | 145,64 | 147,58 |
121,67 | 4000-5000 | 146,19 | 148,13 |
128,74 | 4000-5000 | 146,69 | 148,62 |
135,43 | 4000-5000 | 147,13 | 149,06 |
141,80 | 4000-5000 | 147,52 | 149,46 |
147,88 | 4000-5000 | 147,89 | 149,83 |
153,71 | 4000-5000 | 148,23 | 150,16 |
Para el cálculo de la Tabla 2 se tomó como referencia la banda L con los valores máximos y mínimos de 1.000 y 2.000 MHz respectivamente, mientras que para la tabla 3 se tomó como referencia la banda C con los valores máximos y mínimos de 4.000 y 5.000 MHz respectivamente. La Figura 6 muestra la relación entre las perdidas en el espacio libre y la distancia tanto en la banda L como en la banda C.
Otro parámetro que influirá en el presupuesto de enlace que se lleva a cabo son las pérdidas por desvanecimiento (fading) de la señal. La Ecuación (6) permite calcular las perdidas por desvanecimiento (Paul, 2014) (Tomasi, Mata Hernández, & González Pozo, 2003)
LD= Margen de desvanecimiento [dB] D= Distancia [Km] f= Frecuencia [GHz]
R= Confiabilidad en tanto por uno (es decir 99.99%=0.9999 de confiabilidad)
A= factor de Rugosidad pude tomar los valores: 4 sobre agua o sobre un terreno muy liso, 1 sobre terreno promedio, 0,25 sobre un terreno muy áspero y montañoso.
B=factor para convertir la peor probabilidad mensual en una probabilidad anual puede tomar los valores: 1 para pasar una disponibilidad anual a la peor base mensual, 0,5 para áreas calientes y húmedas, 0,25 para áreas continentales promedio y 0,125 para áreas muy secas y montañosas.
En la Tabla 4 se realizó cálculos de perdidas por efecto de desvanecimiento. Para los valores límites de las bandas de frecuencia L y C y en relación a la máxima distancia que se pretende llegar.
f(GHz) | D[Km] | A | B | R | LD[dB] |
---|---|---|---|---|---|
5 | 153,71 | 4 | 0,5 | 0,99 | 33,38 |
4 | 153,71 | 4 | 0,5 | 0,99 | 33,41 |
2 | 153,71 | 4 | 0,5 | 0,99 | 29,40 |
1 | 153,71 | 4 | 0,5 | 0,99 | 26,39 |
Con los datos teóricos de la Tabla 1, Tabla 2 y Tabla 3 se puede realizar una aproximación de un presupuesto de enlace calculando el nivel de recepción de señal (NRS).
Transmisor:
El medio de propagación:
Pérdidas en la trayectoria [Tablas 1,2 y 3 dB]
Receptor:
Ganancia de antena [10 dBi]
Pérdidas en el cable [1,5 dB]
Sensibilidad del receptor [X dBm] (este es el valor que se determinó en (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & Valencia-Redrovan, 2016) como parámetro fundamental para la adquisición del sistema DataLink.
La suma algebraica de los parámetros descritos anteriormente Ecuación (7) da el valor de NRS, considerando un valor de margen de señal de 10 dB, siendo este valor el mínimo aceptado
Con el cálculo del NRS (Nivel de recepción de señal) determinado en la Tabla 5 se obtendrá una referencia para seleccionar y configurar los equipos de comunicación. Esto permitirá determinar el valor mínimo de la sensibilidad del receptor del equipo requerido. Para los cálculos posteriores en la Tabla 6, Tabla 7 y Tabla 8 el análisis se enfoca en la máxima distancia pretendida en la prueba del sistema Datalink y con valores de frecuencia correspondientes a las bandas L y C debido a la tendencia de frecuencia portadora explicada anteriormente (Jain, Templin, & Sang Yin, 2011).
Datos | Factores | Valor |
---|---|---|
Frecuencia [Ghz] | Potencia de Transmisión [dBm] | 30 |
1 | Ganancia Tx [dBi] | 30 |
Alcance [Km] | Ganancia Rx [dBi] | 10 |
153,71 | Perdidas Cable Conectores [dB] | 3 |
Perdidas En La Trayectoria [dB] | -136.18 | |
NRS | -63.18 | |
Sensibilidad del Receptor [dBm] | -74 | |
Margen [dB] | 10 | |
∑ | -64 | |
-63,18 | -64 |
La mínima sensibilidad del receptor para la frecuencia de 1 GHz debe ser de -74 dBm. Con este valor teóricamente será posible establecer comunicación ente dos puntos distantes a 153,7 Km.
Datos | Factores | Valor |
---|---|---|
Frecuencia [Ghz] | Potencia de Transmisión [dBm] | 30 |
2 | Ganancia Tx [dBi] | 30 |
Alcance [Km] | Ganancia Rx [dBi] | 10 |
153,71 | Perdidas Cable Conectores [dB] | 3 |
Perdidas En La Trayectoria [dB] | -142,20 | |
NRS | -69,20 | |
Sensibilidad del Receptor [dBm] | -80 | |
Margen [dB] | 10 | |
∑ | -70 | |
-69,20 | -70 |
La mínima sensibilidad del receptor para la frecuencia de 2 GHz debe ser de -80 dBm.
La mínima sensibilidad del receptor para la frecuencia de 4 GHz debe ser de -86 dBm.
Datos | Factores | Valor |
---|---|---|
Frecuencia [Ghz] | Potencia de Transmisión [dBm] | 30 |
5 | Ganancia Tx [dBi] | 30 |
Alcance [Km] | Ganancia Rx [dBi] | 10 |
153,71 | Perdidas Cable Conectores [dB] | 3 |
Perdidas En La Trayectoria [dB] | -150,16 | |
NRS | -77,16 | |
Sensibilidad del Receptor [dBm] | -88 | |
Margen [dB] | 10 | |
∑ | -78 | |
-76,16 | -78 |
La mínima sensibilidad del receptor para la frecuencia de 5 GHz debe ser de -88 dBm.
Otros parámetros importantes en el sistema Data Link son los relacionados con las antenas y la potencia de transmisión. Es necesario determinar el mínimo nivel de ganancia que pueden tener las antenas y el máximo nivel de potencia que el sistema podría irradiar. Para realizar este cálculo se utiliza la ecuación (8).
Margen [dB]
Ptx= Potencia de transmisión [dBm]
Ltx= Pérdidas en el cable de transmisión [dB]
Gtx= Ganancia antena transmisión [dBi]
Le=Pérdidas en el espacio libre [dB]
Grx=Ganancia antena Rx[dBi]
Lrx= Pérdidas en el cable de Rx [dB]
Srx= Sensibilidad del receptor [dBm]
Utilizando la Ecuación (8) con el objetivo de tener un mínimo de 10 [dB], en la variable M[dB]. Se realiza los siguientes cálculos para los casos extremos, máximo alcance y frecuencia portadora más alta, donde se puede tener la mayor pérdida de la señal ("T-STAMP, Miniature UAV Payload, Gyro Stabilized Cameras", 2015) (Buettrich, 2007) (Morocho, & Ludeña, 2014).
Nota Si para los parámetros considerados extremos 5 GHz y 150 Km el cálculo del margen cumple el mínimo requerimiento, se establece que para frecuencias menores se obtendrán mejores resultados. Inicialmente se realiza los cálculos sin modificar ningún parámetro Tabla 9 para determinar los resultados preliminares.
Datos | Factores | Valor |
---|---|---|
Frecuencia [Ghz] | Potencia de Transmisión [dBm] | 30 |
4 | Ganancia Tx [dBi] | 30 |
Alcance [Km] | Ganancia Rx [dBi] | 10 |
153,71 | Perdidas Cable Conectores [dB] | 3 |
Perdidas En La Trayectoria [dB] | -148,23 | |
NRS | -75,23 | |
Sensibilidad del Receptor [dBm] | -86 | |
Margen [dB] | 10 | |
∑ | -76 | |
-75,23 | -76 |
El margen tiene un valor inferior al requerido por lo se dispone de dos opciones, la primera es aumentar la ganancia de las antenas y la segunda aumentar la potencia de transmisión
Si se aumenta la ganancia de las antenas de forma excesiva se produce disminución del ancho del haz, que es la distancia angular entre los puntos de media potencia, es decir a mayor ganancia de antena menor ancho de haz (IWANAMI, 2000). En el caso de estudio no es muy conveniente disponer de una antena de una ganancia muy alta ya que la nave estará en movimiento y para tener un buen enlace se requiere alinear la antena de la estación terrena con la aeronave, lo que se dificulta con un haz menor.
La otra opción es aumentar el nivel de la potencia de transmisión. Al momento en el territorio ecuatoriano no existe una normativa que regule la frecuencia, ancho de banda y potencias de transmisión para sistema UAS. Sin embargo en la Tabla 10 se realizara el cálculo estimado para tener un nivel apropiado de potencia de transmisión.
Zona de Fresnel
Se define como Zona de Fresnel al volumen de espacio entre el emisor de una onda electromagnética y el receptor. Cuando las ondas viajan de un lugar a otro a través de espacio estas no lo hacen en línea recta si no que forma una elipse. En la Figura 7 se representa lo descrito anteriormente.
El objetivo es determinar la variable r [distancia] con la Ecuación (9) el valor determinado indicará cual debería ser la mínima separación en relación al obstáculo más alto en la trayectoria.
D Distancia entre los dos puntos a comunicar [Km]
F frecuencia portadora de señal [GHz].
Los datos a utilizar para este cálculo son:
D 153,71Km.
f=5GHz.
Reemplazando en la Ecuación (9).
r=48,01m
En la práctica basta tener despejado el 60% de la primera Zona de Fresnel para establecer comunicación.
Con los datos obtenidos se puede establecer las condiciones mínimas de un sistema de comunicaciones, las mismas que servirán para determinar el sistema requerido a bordo de la aeronave.
Frecuencia portadora necesariamente menor a 5 GHz Sensibilidad del receptor mínima -88 dBm.
Ganancia combinada de las antenas superior a 30 dBi .
Los cables y conectores que se ocupen deben ser de buena calidad con la finalidad de reducir las pérdidas por este efecto.
Configuración del sistema Data Link.
Con los parámetros descritos en los aparatados anteriores se realiza la configuración del sistema Data Link de prueba en base al análisis realizado en (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & Valencia-Redrovan, 2016) con los siguientes parámetros en la Tabla 11.
Parámetro | Unidad | Valor |
---|---|---|
Potencia de Transmisión | Watt | 0.1 a 10 |
Perdidas en el cable de transmisión | dB | 1 |
Ganancia Antena Tx | dBi | 3 |
Pedidas de polarización | dB | 1 |
Ganancia Antena Rx | dBi | 27 |
Perdidas en el cable de Recepción | dBi | 1 |
Bit Rate | Mbps | 11 |
Máxima Perdida en la trayectoria | dB | 152,16 |
Margen de desvanecimiento | dB | 10 |
Frecuencia portadora | GHz | Desde 4,4 |
Umbral de sensibilidad | dBm | -97 |
La tabla 12 muestra los cálculos del margen para los parámetros del sistema.
Margen de Señal | |||
---|---|---|---|
Factores | Unidad | Valor | |
Potencia de Transmisión | dBm | 35,25 | |
Ganancia Antena Tx | dBi | 27 | |
Ganancia Antena Rx | dBi | 3 | |
Perdidas en el cable de Recepción | dBi | 3 | |
Sensibilidad del receptor | dBm | -97 | |
Máxima Perdida en la trayectoria | dB | -149,09 | |
Margen | dB | 10,16 |
Con los datos del equipamiento del sistema se determina que es factible alcanzar los objetivos planteados para el proyecto. Sin embargo también es notorio que se encuentra en el valor mínimo requerido. Una vez implementado el sistema será sometido a pruebas de funcionamiento, para llegar a obtener los mejores resultados.
4. PRUEBAS DE FUNCIONALIDAD DEL SISTEMA DATALINK
En esta sección se analiza las pruebas de funcionalidad del sistema de Data Link. Ubicaciones e imágenes de la misión se espera obtener resultados como los muestra (Aguasca, 2014).
Datos de prueba a cumplir.
Altura de la aeronave 900m. (Sobre el nivel de la estación terrena) en el punto más distante
Datos del sistema Data Link.
Potencia de transmisión 35 dBm.
Datos Referenciales del medio ambiente.
Viento 150 ° con una velocidad de 6 nudos
Visibilidad superior a 10 Km
Nubes dispersas a 600 y a 800 metros (SCT020, SCT026)
Temperatura Ambiente 14 °C Temperatura Rocío 11°C
Presión de la estación en referencia a nivel medio del mar Q1030.
La Figura 8 muestra el perfil que siguió la aeronave y la altura a la que se mantuvo durante la misión, y la representación del radio de la primera Zona de Fresnel.
El principal problema que se puede tener es la afectación de la curvatura de la tierra. La altura de la antena que se encuentra en la estación terrena está a 1,5 metros del nivel de la tierra y la altura de esta antena no puede ser alterada durante la prueba de vuelo. La única alternativa es elevar el nivel de la aeronave y a largas distancia el ángulo de elevación de la antena de la estación terrena será afectado
Los datos del sistema data link son almacenados durante el período de prueba. En las siguientes figuras se ilustra los datos obtenidos en la prueba de funcionalidad del sistema DataLink.
5 RESULTADOS
Los datos que se registran son: Hora, Latitud, Longitud, Altura, Distancia, Velocidad, Intensidad de señal, Tasa de error binario (BER), Tasa de error de bloqueo (BLER). Los identificativos de color de los gráficos de resultados se identifican en la Figura 9.
Identificativos de color.
Intensidad de señal (RSSI).
En la Figura 10 se muestra la intensidad de señal de subida y la intensidad de señal de baja en relación a la distancia.
Nota. El tener intensidad de señal en el receptor no garantiza tener calidad de señal.
Tasa de error binario (BER).
La Figura 11 indica la cuantificación de la presencia de errores durante la prueba. Tasa de error de bit es igual al número de errores de bit dividido por el número total de bits enviados. Como lo explican ("¿Qué es el BER (Bit Error Ratio) y el BERT (Bit Error Ratio probador)? | Noticias ultimas", 2014), (IWANAMI, 2000).
Hasta los 53 Km tenemos un BER = es decir un bit erróneo de cada 100000 transmitidos.
Desde los 53 Km hasta los 63 Km tenemos un BER = un bit erróneo de cada 10000 transmitidos.
Desde los 63 Km hasta los 69 Km el BER se mejora en relación un bit erróneo de cada 100000 transmitidos.
A partir del Km 69 el BER decrece teniendo señal intermitente de comunicación.
La Figura 12 muestra la ruta que siguió la aeronave y los datos son mostrados sobre la plataforma de Google Earth. Las tonalidades de la señal muestran:
Verde: Calidad óptima
Verde: Degradado pérdida razonable de la señal
Naranja: Pérdida critica de la señal
Rojo: Pérdida total de señal
La figura 13 muestra las señales del sensor óptico a bordo de la aeronave con transmisión de video en tiempo real a través del sistema DataLink con las características determinadas en (Medina-Pazmino, Jara-Olmedo, & Valencia-Redrovan, 2016).
6. CONCLUSIONES
Los cálculos teóricos realizados permitieron delimitar la configuración óptima del sistema Data Link.
A través de las interfaces del sistema Data Link se puede administrar y monitorear los equipos que van a bordo de la aeronave.
Con la configuración adecuada del sistema Data Link fue posible cumplir con los objetivos del proyecto. Monitoreo de distancias remotas, se tiene interferencia en la Zona de Fresnel, afectación producida por el horizonte. El radio enlace se puede mejorar considerablemente si se ubica la antena en tierra a una altura superior a 1,5 m y la altura de la nave se incrementa.