Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
Autore
Francesco Baietto - Politecnico di Torino - [1999-00]
Documenti
Abstract
Valutazione del flusso dati in up-link e down-link
Al fine di valutare la bontà delle specifiche che verranno definite in questa tesi, si è scelto di validare i risultati tramite simulazione; per questo scopo occorre valutare la quantità di dati che è necessario trasmettere nel sistema di telecomando e telemetria di Heliplat. Quello energetico si occupa, principalmente, dell’immagazzinamento dell’energia solare per il periodo notturno; i parametri più rilevanti da monitorare sono quelli che riguardano i sensori di pressione, temperatura e portata. Occorre poi considerare il sistema elettrico, con particolare riferimento ai sensori relativi alle batterie tampone ed alle celle solari. Infine, il sistema che risulta più critico è quello aeronautico, che comprende i parametri relativi agli assi corpo, alla posizione, alla pressione ed alla velocità, richiedendo, perciò, un elevato controlo attivo da terra per garantire la stabilità del velivolo.
Modellizzazione del canale di propagazione
Per poter valutare la bontà di un sistema di comunicazione radio \e stato necessario studiare un modello attendibile del canale di propagazione, in modo da considerare tutti gli effetti che possono attenuare o danneggiare il segnale d’informazione trasmesso. Inizialmente \e stato esaminato un modello generale comprensivo sia degli effetti relativi alle possibili riflessioni multiple, sia dell’effetto Doppler dovuto alla mobilità della piattaforma stratosferica. Un’attenta analisi del sistema ha poi condotto all’implementazione di un modello appropriato allo specifico caso in esame. Esso è costituito da un ramo che simula il raggio diretto, affetto da una pura traslazione Doppler, e da un secondo ramo che permette di modellizzare il multipath diffuso, anch’esso affetto da Doppler. Inoltre, per poter valutare il comportamento del sistema in tutte le possibili condizioni operative, si è reputato opportuno inserire un controllo sulla potenza del raggio affetto da multipath, in quanto esso risulta particolarmente rilevante solo nelle fasi di decollo e atterraggio del velivolo.
Scelta dello schema di modulazione
Sulla base dei valori di bit rate stimati nell’analisi del flusso dati ed utilizzando il modello di canale realizzato, sono state effettuate le simulazioni necessarie a valutare le prestazioni raggiunte da diversi schemi di modulazione, tramite l’ausilio del simulatore Topsim IV. Sono state prese in considerazione delle modulazioni che fossero resistenti all’effetto Doppler ed alla presenza dei cammini multipli. A tale scopo, partendo dalla modulazione OFDM, è stato progettato e implementato il blocco simulativo relativo allo schema DOFDM per valutare le prestazioni; inoltre, sono anche state simulate le modulazioni DQPSK, p/4 DQPSK e GMSK. Tutte le simulazioni sono state realizzate sia al variare del rapporto segnale/rumore, sia in funzione del livello di disturbo introdotto dal modello di canale con multipath diffuso nelle possibili condizioni di volo. Dal confronto delle curve di probabilità d’errore sul bit ottenute, sono emersi dei risultati soddisfacenti soltanto per le modulazioni DQPSK e p/4 DQPSK; tra esse è stata scelta la prima in quanto consente di ottenere una minore complessità realizzativa a parità di prestazioni ottenute.
Studio delle tecniche di codifica applicabili alla modulazione scelta
Dopo aver scelto la modulazione DQPSK, sono state ricercate le opportune tecniche di codifica da applicare in modo da permettere di raggiungere delle buone prestazioni. Per la tratta in up-link si è utilizzato il codice BCH (63,51), sul quale è stato successivamente applicato un protocollo ARQ di tipo go-back-N: le prestazioni raggiunte sono dell’ordine di 10-8 con un valore di rapporto segnale/rumore minimo di circa 10 dB, nel caso di volo standard, e di circa 27 dB, nel caso delle fasi di decollo e atterraggio. Per la tratta in down-link, invece, è stato utilizzato un codice concatenato costituito dal codice convoluzionale (2,1,7) seguito da un opportuno interlacciatore e un codice di Reed-Solomon (31,23): le prestazioni raggiunte sono dell’ordine di 10-8, con gli stessi valori di rapporto segnale/rumore. Oltre allo studio relativo alle probabilità d’errore, è stato analizzato anche il problema dei tempi di ritardo del sistema, tramite un’esame effettuato sulle differenti possibili dimensioni dei pacchetti dati trasmessi. Infine, per valutare il livello di correlazione tra i bit ricevuti, sono state analizzate le funzioni di autocorrelazione delle relative sequenze.
Progetto di massima delle antenne
Al fine di poter effettuare i calcoli relativi al bilancio di tratta, occorre effettuare uno studio di fattibilità in merito alla tipologia delle antenne di terra e di bordo: a questo scopo sono state analizzate e proposte diverse soluzioni, scegliendo poi quella che, in prima approssimazione, risultasse più valida
Al fine di valutare la bontà delle specifiche che verranno definite in questa tesi, si è scelto di validare i risultati tramite simulazione; per questo scopo occorre valutare la quantità di dati che è necessario trasmettere nel sistema di telecomando e telemetria di Heliplat. Quello energetico si occupa, principalmente, dell’immagazzinamento dell’energia solare per il periodo notturno; i parametri più rilevanti da monitorare sono quelli che riguardano i sensori di pressione, temperatura e portata. Occorre poi considerare il sistema elettrico, con particolare riferimento ai sensori relativi alle batterie tampone ed alle celle solari. Infine, il sistema che risulta più critico è quello aeronautico, che comprende i parametri relativi agli assi corpo, alla posizione, alla pressione ed alla velocità, richiedendo, perciò, un elevato controlo attivo da terra per garantire la stabilità del velivolo.
Modellizzazione del canale di propagazione
Per poter valutare la bontà di un sistema di comunicazione radio \e stato necessario studiare un modello attendibile del canale di propagazione, in modo da considerare tutti gli effetti che possono attenuare o danneggiare il segnale d’informazione trasmesso. Inizialmente \e stato esaminato un modello generale comprensivo sia degli effetti relativi alle possibili riflessioni multiple, sia dell’effetto Doppler dovuto alla mobilità della piattaforma stratosferica. Un’attenta analisi del sistema ha poi condotto all’implementazione di un modello appropriato allo specifico caso in esame. Esso è costituito da un ramo che simula il raggio diretto, affetto da una pura traslazione Doppler, e da un secondo ramo che permette di modellizzare il multipath diffuso, anch’esso affetto da Doppler. Inoltre, per poter valutare il comportamento del sistema in tutte le possibili condizioni operative, si è reputato opportuno inserire un controllo sulla potenza del raggio affetto da multipath, in quanto esso risulta particolarmente rilevante solo nelle fasi di decollo e atterraggio del velivolo.
Scelta dello schema di modulazione
Sulla base dei valori di bit rate stimati nell’analisi del flusso dati ed utilizzando il modello di canale realizzato, sono state effettuate le simulazioni necessarie a valutare le prestazioni raggiunte da diversi schemi di modulazione, tramite l’ausilio del simulatore Topsim IV. Sono state prese in considerazione delle modulazioni che fossero resistenti all’effetto Doppler ed alla presenza dei cammini multipli. A tale scopo, partendo dalla modulazione OFDM, è stato progettato e implementato il blocco simulativo relativo allo schema DOFDM per valutare le prestazioni; inoltre, sono anche state simulate le modulazioni DQPSK, p/4 DQPSK e GMSK. Tutte le simulazioni sono state realizzate sia al variare del rapporto segnale/rumore, sia in funzione del livello di disturbo introdotto dal modello di canale con multipath diffuso nelle possibili condizioni di volo. Dal confronto delle curve di probabilità d’errore sul bit ottenute, sono emersi dei risultati soddisfacenti soltanto per le modulazioni DQPSK e p/4 DQPSK; tra esse è stata scelta la prima in quanto consente di ottenere una minore complessità realizzativa a parità di prestazioni ottenute.
Studio delle tecniche di codifica applicabili alla modulazione scelta
Dopo aver scelto la modulazione DQPSK, sono state ricercate le opportune tecniche di codifica da applicare in modo da permettere di raggiungere delle buone prestazioni. Per la tratta in up-link si è utilizzato il codice BCH (63,51), sul quale è stato successivamente applicato un protocollo ARQ di tipo go-back-N: le prestazioni raggiunte sono dell’ordine di 10-8 con un valore di rapporto segnale/rumore minimo di circa 10 dB, nel caso di volo standard, e di circa 27 dB, nel caso delle fasi di decollo e atterraggio. Per la tratta in down-link, invece, è stato utilizzato un codice concatenato costituito dal codice convoluzionale (2,1,7) seguito da un opportuno interlacciatore e un codice di Reed-Solomon (31,23): le prestazioni raggiunte sono dell’ordine di 10-8, con gli stessi valori di rapporto segnale/rumore. Oltre allo studio relativo alle probabilità d’errore, è stato analizzato anche il problema dei tempi di ritardo del sistema, tramite un’esame effettuato sulle differenti possibili dimensioni dei pacchetti dati trasmessi. Infine, per valutare il livello di correlazione tra i bit ricevuti, sono state analizzate le funzioni di autocorrelazione delle relative sequenze.
Progetto di massima delle antenne
Al fine di poter effettuare i calcoli relativi al bilancio di tratta, occorre effettuare uno studio di fattibilità in merito alla tipologia delle antenne di terra e di bordo: a questo scopo sono state analizzate e proposte diverse soluzioni, scegliendo poi quella che, in prima approssimazione, risultasse più valida
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