Двунаправленная и однонаправленная передача беспилотников

Двунаправленная и однонаправленная передача беспилотников: Глубокое погружение

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА / дроны) в значительной степени полагаться на беспроводную передачу данных между беспилотником (воздушно-капельный) и наземная станция (или другая контрольная точка). Выбор режима передачи -однонаправленный (симплекс / в одну сторону) против двунаправленный (дуплекс / двусторонний)- есть основные последствия для производительности, надежность, безопасность, и какие виды контента можно обменять.

В этой статье мы сравним:

• Методы передачи: Что физически / технически определяет однонаправленное и двунаправленное
• Какой контент передается в каждом режиме
• Преимущества и недостатки каждого
• Пример продуктов для иллюстрации компромиссов

---

Что мы подразумеваем под однонаправленной и двунаправленной передачей

• Однонаправленная передача (иногда вызывается симплекс) означает потоки данных только в одном направлении. Обычно это от беспилотника до земли (видео, телеметрия), не поддерживать команды управления полетом и команды миссии от земли до беспилотника.

• Двунаправленная передача (часто называют дуплекс, или в некоторых случаях режим, который может переключаться между Simplex & дуплекс) означает, что данные течет в обоих направлениях: от беспилотника до земли а также от земли до беспилотника. Эти передачи могут включать видео, Управление камерой самолета и кардан / командные сигналы, телеметрия, аудио, и т.д. Управление двунаправленными трансмиссионными беспилотниками обычно обрабатывается другими простыми Беспроводная передача данных системы. Поскольку они используют разные частоты и каналы из беспроводных систем загрузки видео, Они часто могут избежать вмешательства от контр-управляемого оружия одновременно.

Есть разные тонкости:

• Полудуплекс против полный дуплекс: можно ли использовать оба направления одновременно или только в чередовании
• Частотная область: Используя отдельные каналы / частоты для UP / вниз по ссылке против общих (Дуплекс или частотный дуплекс рецидивы, TDD или FDD)
• модуляция / кодирование / РЧ -протоколы: Какой сигнал, пропускная способность, задержка, и т.д.

---

Режимы передачи & Методы

Вот ключевые технические различия / методы используются:

Аспект	Однонаправленный (Симплекс)	Двунаправленный (Дуплекс / Двусторонний)
Распределение каналов	Одноканальный или частотный полоса, посвященный One Direction (воздух → земля)	Либо отдельные каналы/частоты для вверх и вниз, или используйте время раздела/частота или даже полнодуплекс с отменой помех
Аппаратная сложность	Обычно проще: Только передатчик или только приемник на одном из целей; Меньше необходимости в оборудовании возврата канала, меньше инверсии / эхо / управление помехами	Более сложный: Нужно оборудование для отправки и получения на обоих концах; Возможно, экранирование или изоляция, чтобы избежать самостоятельной работы; Больше антенн; больше властных соображений
Задержка & синхронизация	Может быть оптимизирован для этого направления; Меньше накладных расходов	Больше накладных расходов для координации двух направлений; Нужны протоколы для подтверждения, вещатель, исправление ошибок; возможно больше задержки в некоторых операциях
Спектр / Использование полосы пропускания	Только прямая ссылка требует спектра; Меньшая полоса пропускания в целом	Требуется больше спектра; или нужен более умный обмен спектром; Иногда ставка в одном направлении может быть уменьшена, чтобы позволить возвратный трафик
потребляемая мощность	Ниже (Менее оборудование активно, менее непрерывная передача / получать)	Выше (два активных пути, Возможно непрерывное принятие, более длительные циклы)

---

Какой контент переносится

Типы контента различаются в зависимости от миссии и режима. Вот что обычно видит:

Содержание однонаправленного режима

• видео / образы нисходящей линии связи: Видео высокой четкости от камеры беспилотника до наземной станции
• Телеметрия нисходящая: Основная информация о статусе (GPS координаты, высота, уровень заряда батареи, ориентация, проверки здоровья)
• Данные датчика: Данные из бортовых датчиков (e.g. Многоспектральные изображения, Лидар, термический, относящийся к окружающей среде) Поток на землю
• Возможно журналы или сохраненные данные о полезной нагрузке (Если не нужно отправлять команды обратно)

Во многих простой FPV (вид от первого лица) или аэрофотоснимка / Видеография настройки, нисходящая линейка является наиболее важной.

Двунаправленный контент режима

В дополнение ко всему выше (видео, телеметрия, данные датчика), Вы тоже получаете:

• контроль / команда восходящей линии связи: Пилотные или автопилотные команды (Путь полета, Управление кардами, скорость, ориентация) от земли до беспилотника
• Благодарности / Отчет об ошибках: Подтверждение полученных команд; Повторные запросы; Качественные отчеты, и т.д.
• Вернуть видео или обратную связь с датчиком: в более продвинутых беспилотниках, наземная станция может отправить обратно обработанные изображения, Дополненная реальность наложения, или запросить изменения
• аудио / Межком каналы: Для таких миссий, как поиск & спасение или проверки, Двусторонняя голосовая связь может быть полезна
• конфигурация / прошивка / Обновления программного обеспечения: В некоторых случаях загрузка изменений или обновлений в середине полета (редкий)

---

преимущества & Недостатки

Вот сравнение плюсов и минусов:

Критерий	Однонаправленная передача	Двунаправленная передача
Простота	Очень просто в реализации, более легкое оборудование, меньше точек неудачи	Более сложный; больше оборудования, Больше протокола над головой
Расходы	Более низкая начальная стоимость, меньше технического обслуживания для паров передачи/приема	Более высокая стоимость (Дополнительные радиоприемники, антенны, обработка сигнала и т. д.)
потребляемая мощность	Ниже; только одно направление активно непрерывно	Выше; оба передают & получать (или переключение) увеличить использование мощности
Задержка	Может быть ниже для видео/телеметрия нисходящей линии связи, Поскольку нет или минимальный трафик вверх по течению	Некоторое преимущество обратной связи, но также накладные расходы; Потенциальная задержка, если управляющие команды нуждаются в подтверждении
Надежность	Менее прочные, если команды управления нуждаются в обратной связи; риск потерять контроль или быть слепым, если видео не удается, и нет информации о воскресенье	Большая надежность; обратная связь допускает исправление ошибок, повторно, адаптивный контроль
Гибкость	Достаточно для более простых миссий (e.g. Захват видео, картирование, Фотография)	Необходимо для продвинутых миссий (осмотр, Контроль в реальном времени, безопасность, автономия)
безопасности	Потенциально менее безопасно в сложных условиях, если нет ссылки на возврата для критической информации	Безопаснее: Возможность отправлять экстренные команды; прерывания и т. д.; земля может вмешаться
Пропускная способность / Эффективность спектра	Более эффективно для поток данных, представляющий интерес (Вся емкость посвящена одному направлению)	В целом менее эффективно, если не хорошо спроектировано; половина полосы пропускания (Если симметричный) может быть недооценен в зависимости от миссии

---

Применение использования и где каждый уместен

• Однонаправленная передача это нормально, когда:
  • Миссия проста и предсказуемо: e.g. Воздушная кинематография / Фото / Видео, где дрон пролетает подготовимый путь, и пилоту нужно только видео + телеметрия
  • Вам не нужен немедленный реактивный контроль или обратная связь
  • Вы хотите меньший вес/мощность/продолжительность / расходы
• Двунаправленная передача требуется, когда:
  • У вас есть динамические или реактивные миссии (осмотр, поиск & спасать, наблюдение) Где немедленный контроль / Обратная связь необходима
  • Вам нужен удаленный контроль над полезными нагрузками (Гимбалы, манипуляторы, датчики) или нужно отправить команды на беспилотник
  • Вы заботитесь о безопасности и хотите устойчивых контроля за отстранением

---

Технологические соображения & проблемы

При реализации двунаправленной передачи, Особенно на длинных диапазонах или через препятствия / вне прямой видимости, Есть много проблем.

• Вмешательство и самоотверженность В полномулуплексных системах: Если устройство передает и получает на одинаковых или закрытых частотах
• Задержка & Джанитер: Команды управления восходящей личкой связи часто нуждаются в низкой задержке; Видео в нисходящей линии связи может иметь большую терпимость, Но в совокупности нам нужно управлять задержками
• Ограничения полосы пропускания: Видеополивы тяжелые, Таким образом, распределение достаточной пропускной способности как для видео, так и для контроля может быть сложной задачей
• Ограничения мощности: больше оборудования (антенны, радио) подразумевает большее использование мощности, вес, Таким образом, затрагивая время полета
• Регулирование: Спектр лицензирование, допустимая сила, частоты, нормативные ограничения могут ограничить двунаправленную способность

---

Пример сравнения продукта: От ivcan

Чтобы донести эти идеи в конкретные термины, Давайте посмотрим на продукт от IVCAN, который поддерживает как однонаправленные, так и двунаправленные режима. Это помогает показать реальные компромиссы.

Ivcan / «Duplex-Simplex Video Data Data Datamer с RJ45 Ethernet (170-860 МГц)»

Вкан 1886 г. это устройство для беспилотников, которое поддерживает оба режима: симплекс (в одну сторону) и дуплекс (двусторонний) коробка передач. Ключевые характеристики / функции:

• Диапазон частот: 170-860 МГц, который довольно широкий. Это позволяет наземная станция ↔ беспилотники во многих группах.
• Переключение режима: Его можно переключаться между Simplex и Duplex Mode.
• Интерфейсы: RJ45 Ethernet, RS232, УАПП, время жизни, Возможно, SBU для совместимости управления полетом. Это дает гибкость в том, как контроль / видео / Телеметрия попадает.
• Длина пути/диапазоны: Страница продукта утверждает > 75 км Для некоторых конфигураций. Это очень большой, предположительно при благоприятных условиях (Поле зрения, высокая мощность, Хорошие антенны).
• Параметры усиления мощности: Необязательно нет (усилители мощности) до высокой мощности (в зависимости от конфигурации).
• Отдельно: антенны: Устройство использует две радиочастотные антенны: один для передачи, один для получения. Это помогает изолировать помехи и повысить производительность дуплекса.

Компромиссы в этом продукте

• Размер / вес / мощность: Устройство, способное в диапазоне> 75 км, с высокой выходной мощностью, две антенны, и т.п., вероятно, большой и жаждущий власти. Это влияет на то, на что это можно установить, И как долго они могут летать.
• Задержка: В то время как дуплекс позволяет управлять обратной связью и командами, Ссылка на дальние расстояния (особенно с высокой мощностью и длительной частотой) может добавить задержку; Видео может ухудшить или нуждаться в сжатии, который добавляет задержку.
• Расходы & сложность: Такие гибкие устройства, как правило, дороже, более сложный для настройки (Частотное лицензирование, конфигурация интерфейса, Выбор правильного усилителя, Обеспечение выравнивания антенны, и т.п.).
• Нормативные ограничения: Работа на высокой мощности, широкий диапазон частот, Большой диапазон - это может потребовать лицензирования или подпадает под радиоуправление во многих юрисдикциях. Также безопасность / проблемы помех.

Сравнение с чистым однонаправленным видео -передатчиком.

Если вместо этого вы использовали однонаправленный видеопередатчик (воздух → земля) только (Скажи для кинематографических съемок):

• Аппаратное обеспечение будет проще (Просто передатчик на беспилотнике, приемник на земле)
• Использование мощности будет ниже
• Возможно легче и дешевле
• Но вы теряете возможность отправлять команды / Получите отзыв по этой ссылке (Если не используется отдельная контрольная ссылка)

---

Представление & Метрики: Что измерить

При выборе между Uni- против двухнаправленного, или оценка продуктов, Ключевые показатели включают:

• Ассортимент (Линия поля против не-лос)
• Пропускная способность / скорость передачи данных (Особенно для видео: разрешающая способность, частота кадров, сжатие)
• Задержка (Задержка команды, Задержка видео)
• Надежность / Потеря пакета / Показатели ошибок
• потребляемая мощность и веса добавлено
• Вмешательство устойчивости / самообвинение / Эффективность спектра
• Масштабируемость (несколько дронов, или частота переключения / канал)

---

Тематическое исследование: Использование двунаправленного на практике

Рассмотрим миссию беспилотника для промышленного инспекции: Дрон летит вокруг большой структуры (Скажи башню), Отправляет видео с высоким разрешением, обнаруживает дефекты, и оператору земли необходимо отправлять команды для регулировки каркаса, зум, или даже перемещение.

• В однонаправленный режим, Дрон отправляет видео + телеметрия. Но любая команда (e.g. «Перейти в x место», «Увеличьте») должен быть отправлен по отдельной контрольной ссылке. Если эта ссылка на управление не удается (Или нет обратной связи), риски увеличиваются. Также на любое динамическое препятствие или проблему нельзя ответить через видеоканал.
• В двунаправленный режим, И видео/телеметрия и управление/команды проходят через одну и ту же систему. Оператор видит видео и отправляет команды, возможно, получает подтверждения или даже обработанную обратную связь. Лучше для безопасности, точность.

Но стоимость в более оборудовании, Более потенциальные точки отказа, возможно больше потребления энергии, больше веса; возможно больше задержки, если система не оптимизирована.

---

Краткое содержание: Что выбрать?

Вот рекомендации:

• Если ваша миссия проста, рутина, Не требуется быстрое или динамическое взаимодействие, однонаправленное звено может быть достаточно, и более эффективен (расходы, вес, мощность).
• Если вам нужен контроль в реальном времени, ситуационное осознание, безопасность, или динамические операции, двунаправленная передача практически важна.
• Многие современные системы предлагают гибридные: в первую очередь однонаправленное для видео, Но с отдельным, Легкая вершина для контроля / телеметрия; или двунаправленные системы, которые можно переключить в режим Simplex для сохранения питания, когда взаимодействие минимально (как продукт IVCan выше).
• Всегда рассматривайте регулирование: много частотных полос, уровни мощности, особенно для долгосрочного двунаправленного, регулируются; Обеспечить соответствие.