أخبار
ورقة بيضاء حول تقنية تداخل الطائرات بدون طيار القائمة على تقنية VCO DDS وSDR (1)
ملخص
في السنوات الأخيرة، تطورت صناعة الطائرات المسيرة بشكل سريع، وازداد استخدامها انتشارًا، مع تزايد أعدادها عامًا بعد عام. ومع ذلك، تُشكل الطائرات المسيرة تهديدات أمنية خطيرة لمختلف قطاعات المجتمع. ففي السنوات الأخيرة، تكررت حوادث اصطدام الطائرات المسيرة بالبنى التحتية الحيوية ومهاجمتها لها، مما يجعل الحاجة ماسة إلى تقنيات فعّالة لمكافحة الطائرات المسيرة. هناك العديد من تقنيات مكافحة الطائرات المسيرة الشائعة، منها:
- تقنية التداخل مع الإشارات اللاسلكية: من خلال نقل إشارات التردد اللاسلكي المتداخلة، فإنها تتداخل مع الإشارات اللاسلكية مثل التحكم عن بعد، ونقل الصور، والملاحة، وما إلى ذلك من المركبات الجوية غير المأهولة لتحقيق غرض الابتعاد أو التدخل أو إجبار الطائرة بدون طيار على الهبوط.
- تقنية خداع الإشارات اللاسلكية: بإرسال إشارات لاسلكية خادعة إلى الطائرات المسيرة، تحصل هذه الأخيرة على معلومات خاطئة، مما يُحقق هدف اختطافها. هناك نوعان رئيسيان من تقنيات خداع الإشارات اللاسلكية: خداع إشارات الموقع واختطاف إشارات التحكم عن بُعد.
- تكنولوجيا تدمير الطاقة الموجهة: عن طريق إصدار إشارات ليزر عالية الطاقة أو إشارات كهرومغناطيسية، فإنها تدمر فعليًا المركبات الجوية غير المأهولة، وذلك بشكل رئيسي من خلال طريقين تقنيين: التدمير بالليزر وتدمير الموجات الدقيقة عالية الطاقة.
- تكنولوجيا التدمير المادي/الالتقاط: من خلال إطلاق الرصاص أو الصواريخ المجنحة أو الاصطدام بطائرات بدون طيار، يمكن إلحاق الضرر المادي بالطائرات بدون طيار الغازية، أو إطلاق شبكات الالتقاط لالتقاط الطائرات بدون طيار الغازية.
تتناول هذه المقالة بشكل أساسي تقنية تداخل الإشارة اللاسلكية.
بروتوكول اتصالات الطائرات بدون طيار
تستخدم الطائرات بدون طيار عمومًا الأنواع الأربعة التالية من الإشارات الراديوية:
الشكل 1 مخطط إشارة لاسلكية نموذجية لمركبة جوية بدون طيار
- RC: عن بعدجالنترالل:نقل التعليمات من المشغل إلى الطائرة بدون طيار من خلال إشارات التحكم عن بعد، مما يسمح للطائرة بدون طيار بأداء إجراءات الطيران المقابلة؛
- فيأنادوالالانتقال:يتم إرسال إشارة الفيديو الملتقطة بواسطة كاميرا الطائرة بدون طيار إلى جهاز التحكم عن بعد، ويقوم المشغل بتشغيل الطائرة بدون طيار بناءً على إشارة الصورة المرسلة لتحديد مسار الرحلة المناسب وتجنب الاصطدام بالعقبات؛
نأفيأناجأتأناالن:تتلقى الطائرات بدون طيار إشارات تحديد المواقع من أقمار الملاحة لتحديد مواقعها الخاصة
تشمل إشارات الملاحة المرئية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ونظام Beidou، ونظام GLONASS، وما إلى ذلك، وتتوزع نطاقات التردد العاملة بشكل أساسي حول 1.2 جيجاهرتز و1.6 جيجاهرتز.
- تولوموترو:يتم استخدامه لتوزيع معلومات القياس عن بعد مثل موقع الطائرات بدون طيار، والتي سيتم استقبالها بواسطة جهاز التحكم عن بعد ومحطات المراقبة القريبة.
من بينها، تُعدّ إشارات التحكم عن بُعد وإشارات ردود الفعل للصورة الأهداف الرئيسية لإجراءات مكافحة تداخل الترددات الراديوية، وفي بعض الحالات، قد تتداخل أيضًا مع إشارات الملاحة وتحديد المواقع. عند التداخل مع إشارات التحكم عن بُعد، لا تستطيع الطائرة بدون طيار تلقي تعليمات من المُشغّل، وستقوم بعمليات تحليق أو عودة. عند التداخل مع إشارة ردود الفعل للصورة، لا يستطيع جهاز التحكم عن بُعد عرض الصورة التي تراها الطائرة بدون طيار، مما قد يُؤدي إلى فقدان السيطرة عليها. عند التداخل مع كلٍّ من إشارات التحكم عن بُعد وإشارات تحديد المواقع للملاحة، لا تستطيع الطائرة بدون طيار الحصول على معلومات تحديد موقع دقيقة، وتهبط مباشرةً، معتمدةً على أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية لتجنب ملامسة الأرض والتحليق على ارتفاع مُعين فوقها.
يسرد الجدول التالي بعض بروتوكولات التحكم عن بُعد ونقل الصور الشائعة للطائرات المسيرة. طورت شركات تصنيع رائدة، مثل DJI وAUTEL، بروتوكولات مخصصة لنقل الصور عن بُعد، ومن بينها بروتوكولا OcuSync وLightBridge من DJI الأكثر شيوعًا والأكثر أداءً. بالنسبة للشركات المصنعة التي لا تمتلك بروتوكولات نقل صور عن بُعد مُطوّرة ذاتيًا، يُفضل عادةً بروتوكول Wi-Fi. أما بالنسبة لطائرات FPV ذاتية التشغيل، فقد أصبح بروتوكولا ELRS وTBSCrossFire هما المعياران الفعليان.
| لا. | ماركة | نموذج | تكرار | عرض | بروتوكول |
| 1 | (دي جي آي) | فانتوم 4 | 2.4 جيجا/5.8 جيجا | 10 ملايين | لايت بريدج |
| 2 | (دي جي آي) | مافيك 3 برو | 2.4 جيجا/5.8 جيجا | 10م/20م | أوكوسينك 3.0 |
| 3 | (دي جي آي) | Air3 | 2.4 جيجا/5.2 جيجا/5.8 جيجا | 10م/20م/40م | أوكو سينك 4.0 |
| 4 | (دي جي آي) | ميني إس إي | 2.4 جيجا/5.8 جيجا | 20 مليونًا | Wi-Fi |
| 5 | ببغاء | لي | 2.4 جيجا/5.8 جيجا | 20 مليونًا | Wi-Fi |
| 6 | (مذبح) | إيفولايت | 2.4 جيجا/5.2 جيجا/5.8 جيجا | 10 ملايين | سكاي لينك |
| 7 | (مذبح) | إيفو2/2برو في 3 | 2.4 جيجا/5.2 جيجا/5.8 جيجا | 10 ملايين | سكاي لينك 2.0 |
| 8 | سكايديو | سكايديو 2+ | 5.2 جيجا/5.8 جيجا | 10م/20م | واي فاي/سكاي ديو لينك |
| 9 | DIYFPV | تي بي اس | 868م/915م | 250 ألف(القفز الترددي) | TBSCorssFire |
| 10 | DIYFPV | نظام إعادة التأهيل المهني | 868م/915م | 500 ألف(القفز الترددي) | إكسبريس إل آر إس(نظام إعادة التأهيل المهني) |
OFDM مقدمة عن التكنولوجيا
LightBridge، OcuSync،سكاي لينكالبروتوكول، و Wi-Fi، تتعتمد تقنية تشفير طبقتها المادية على تقنية OFDM. سيقدم هذا القسم نبذة مختصرة عن تقنية OFDM.
OFDMتالتكنولوجيا هي تقنية إرسال متعدد الموجات الحاملة، تستخدم موجات حاملة فرعية متعددة لنقل البيانات في وقت واحد، بفواصل ترددية متساوية بين كل موجة حاملة فرعية. على الرغم من وجود بعض التداخل الطيفي بين الموجات الحاملة الفرعية المتجاورة، إلا أنها متعامدة مع بعضها البعض، وبالتالي لا تتأثر الإشارات المرسلة من كل موجة حاملة فرعية ببعضها البعض. هذا يسمح بنقل معلومات البيانات في وقت واحد عبر العديد من الموجات الحاملة الفرعية.
OFDMتعتمد هذه التقنية عادةً على تقنية معالجة الإشارة الرقمية، وتكون عملية التنفيذ المحددة كما يلي: يتم تخصيص مصدر البيانات المراد تعديله إلى N من الموجات الحاملة الفرعية، ويتم تعديل كل موجة حاملة فرعية IQ، ثم تخضع البيانات المعدلة IQ لـ N من الموجات الحاملة الفرعية إلى تحويل فورييه العكسي IFFT للحصول على بيانات IQ في المجال الزمني لرمز OFDM.
الشكل 2 نظرة عامة على مبدأ تقنية تعديل OFDM
عادةً ما يحتوي إطار OFDM الكامل على عدة رموز OFDM، وتكون مدة رموز OFDM معكوسة لتباعد الموجات الحاملة الفرعية. على سبيل المثال، عندما يكون تباعد الموجات الحاملة الفرعية 15 كيلوهرتز، يكون طول رمز OFDM 66.67 ميكرومتر. في بداية كل رمز OFDM، تُمدد بادئة دورية أقصر (CP) وتُضاف. محتوى بادئة CP هو نسخة من محتوى نهاية رمز OFDM. والغرض من تمديد بادئة CP هو مقاومة التداخل بين الرموز الناتج عن التشتت.
الشكل 3 رموز OFDM والموجات الحاملة الفرعية
OFDMكفاءة استخدام الطيف في تقنية الإرسال المتعدد عالية جدًا. في مجال التردد، تتكون إشارات OFDM من العديد من الموجات الحاملة الفرعية، ويكون توزيع الطاقة لكل موجة حاملة فرعية متساويًا نسبيًا، لذا فإن طيف إشارات OFDM أشبه بخط مستقيم مستوٍ. في مجال الزمن، تتكون إشارات OFDM من عدة رموز، لكل منها طول ثابت.
الشكل 4 رموز OFDM والموجات الحاملة الفرعية
دي جي آيلايتبريدج/أوكوسينك بروتوكول
دي جي آيلايت بريدجوأوكوسينكتُعدّ بروتوكولات OcuSync بمثابة معايير تقنية لبروتوكولات التحكم عن بُعد لنقل الصور المدنية، حيث طُوّر بروتوكول LightBridge سابقًا وطُبّق على طُرز مثل Phantom 3 وInspire؛ بينما طُوّر بروتوكول OcuSync في وقت متأخر نسبيًا، ويُطبّق على طُرز مثل Phantom 4 وسلسلة Mavic وسلسلة Air، وغيرها. وقد حُدِّث بروتوكول OcuSync بشكل متكرر، وأحدث إصدار منه هو OcuSync 4.0. يتميز بروتوكول OcuSync 4.0 بأداء نقل قوي وقدرة على منع التداخل.
الشكل 5 مخطط التردد الزمني لبروتوكول DJI OcuSync
لايت بريدج&أوكوسينكتعتمد الطبقة المادية للبروتوكول على تقنية ترميز OFDM، إلا أن معلمات ترميز OFDM تختلف. يستخدم بروتوكول LightBridge طبقة مادية مشابهة لتقنية WiMAX، بمسافة بين الموجات الحاملة الفرعية تبلغ 10.9375 كيلوهرتز. يستخدم رابط التنزيل 864 موجة حاملة فرعية، بتردد يبلغ حوالي 9.46 ميجاهرتز؛ بينما يستخدم بروتوكول OcuSync طبقة مادية مشابهة لتقنية LTE، بمسافة بين الموجات الحاملة الفرعية تبلغ 15 كيلوهرتز. يستخدم رابط التنزيل بعرض نطاق 10 ميجاهرتز 600 موجة حاملة فرعية، بتردد يبلغ حوالي 9.02 ميجاهرتز، بينما يستخدم رابط التنزيل بعرض نطاق 20 ميجاهرتز 1200 موجة حاملة فرعية، بتردد يبلغ حوالي 18.02 ميجاهرتز.
| بروتوكول | طريقة الإرسال المتعدد بالتعديل | تباعد الموجات الحاملة الفرعية(كيلوهرتز) | عدد الموجات الحاملة الفرعية | أالنطاق الترددي الفعلي (ميغا هرتز) | ملاحظة |
| لايت بريدجأعلى | OFDM | 10.9375 | 108 | 1.2 |
|
| لايت بريدجتحت | OFDM | 10.9375 | 864 | 9.46 | واي ماكس |
| أوكوسينك 3.0أعلى | OFDM | 15 | 142 | 2.15 |
|
| أوكوسينك 3.0تحت(10 ملايين) | OFDM | 15 | 600 | 9.02 | شبكة LTE |
| أوكوسينك 3.0تحت(20 مليونًا) | OFDM | 15 | 1200 | 18.02 | شبكة LTE |
سكاي لينك بروتوكول
بروتوكول سكاي لينك هو أيضًا بروتوكول شائع للتحكم عن بُعد في نقل الصور. ويُستخدم على نطاق واسع في سلسلة طائرات داو تونغ إيفو بدون طيار.
تعتمد الطبقة المادية لبروتوكول Skylink أيضًا على تقنية OFDM، وتشغل نطاق ترددي يبلغ حوالي 10 ميجا هرتز وتباعد الموجة الحاملة الفرعية بمقدار 15 كيلو هرتز.
الشكل 6 مخطط التردد الزمني لبروتوكول SkyLink
يعتمد بروتوكول Skylink على طبقة مادية مشابهة لـ LTE، مع تباعد فرعي للناقلة يبلغ 15 كيلوهرتز.
يستخدم الارتباط الهابط (إشارة نقل الصورة) 600 موجة حاملة فرعية، تشغل نطاق ترددي يبلغ حوالي 9.02 ميجا هرتز، ويستخدم الارتباط الصاعد (إشارة التحكم عن بعد) 72 موجة حاملة فرعية، تشغل نطاق ترددي يبلغ حوالي 1.1 ميجا هرتز.
WI-FI بروتوكول
واي فاي-تحظى تقنية الاتصالات اللاسلكية بشعبية كبيرة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، وتستخدم العديد من المركبات الجوية المدنية بدون طيار تقنية Wi-Fi.-بروتوكول Fi للتنقلاسم الشيءإشارات التحكم في النوتة وإشارات ردود الفعل للصورة.-لقد خضع بروتوكول اتصالات Fi لسنوات عديدة من التطوير التكنولوجي. بالإضافة إلى تقنية Wi-Fi المبكرة،-تستخدم تقنية Wi-Fi 1 طيف الانتشار DSSS، وتستخدم تقنية Wi-Fi اللاحقة تقنية OFDM مع معلمات تقنية مختلفة مثل النطاق الترددي.
| Wi-Fi معيار | Wi-Fi إصدار | الإصدار القياسي | تردد العمل | تقنية إعادة استخدام الطبقة المادية | عدد التدفقات المكانية | فيقناة النطاق العريض | دتلك المعدلات |
| 802.11 | واي فاي 1 | 1997 | 2.4 جيجاهرتز | دي إس إس إس | 1 | 20 ميجا هرتز | 2 ميجابت في الثانية |
| 802.11ب | واي فاي 1 | 1999 | 2.4 جيجاهرتز | دي إس إس إس | 1 | 20 ميجا هرتز | 11 ميجابت في الثانية |
| 802.11a | Wi-Fi2 | 1999 | 5 جيجاهرتز | OFDM | 1 | 20 ميجا هرتز | 54 ميجابت في الثانية |
| 802.11g | Wi-Fi3 | 2003 | 2.4 جيجاهرتز | OFDM | 1 | 20 ميجا هرتز | 54 ميجابت في الثانية |
| 802.11n | واي فاي 4 | 2009 | 2.4 جيجاهرتز، 5 جيجاهرتز | MIMO-OFDM | حتى 4 | 20/40 ميجا هرتز | حتى 600 ميجابت في الثانية |
| 802.11ac | واي فاي 5 | 2013 | 5 جيجاهرتز | MIMO-OFDM | حتى 8 | 20/40/80/160 ميجا هرتز | حتى 3.47 جيجابت في الثانية |
| 802.11ax | واي فاي 6 | 2019 | 2.4 جيجاهرتز، 5 جيجاهرتز | OFDMA،MU-MIMO | حتى 8 | 20/40/80/160 ميجا هرتز | حتى 9.6 جيجابت في الثانية |
| 802.11be | Wi-Fi7 | 2024 | 2.4 جيجاهرتز، 5 جيجاهرتز، 6 جيجاهرتز | OFDMA،MU-MIMO | 8 | 20/40/80/160/320 ميجا هرتز | حتى 23 جيجابت في الثانية |
الواي فاي-عادةً ما يكون معيار 802.11n أو 802.11ac هو المعيار المستخدم في مجال الطائرات بدون طيار، كما هو الحال مع معيار Wi-Fi.-شرائح Fi لهذين المعيارين متطورة جدًا. على سبيل المثال، معيار 802.11n، عادةً ما يتوفر وضعان لعرض النطاق الترددي.
المعايير متطورة للغاية. على سبيل المثال، يتوفر في معيار 802.11n وضعان لعرض النطاق الترددي، 20 ميجابايت و40 ميجابايت، بمسافة فاصلة بين الموجات الحاملة الفرعية تبلغ 312.5 كيلوهرتز. في وضع 20 ميجابايت، يوجد 56 موجة حاملة فرعية، ويبلغ عرض النطاق الترددي المشغول فعليًا حوالي 17.8 ميجاهرتز. أما في وضع 40 ميجابايت، فيوجد 114 موجة حاملة فرعية، ويبلغ عرض النطاق الترددي المشغول فعليًا حوالي 35.9 ميجاهرتز.
الشكل 7 مخطط التردد الزمني لشبكة Wi-Fi-كن بروتوكولا
FPV بروتوكولELRS/TBS
بروتوكول التحكم عن بُعد وبروتوكول نقل الصور في FPV منفصلان. عادةً ما يستخدم بروتوكول التحكم عن بُعد ELRS أو TBS Crossfire، بينما يُحاكى بروتوكول نقل الصور عادةً لتقليل زمن الوصول.
ELRS، المعروف أيضًا باسم ExpressLRS، هو بروتوكول تحكم عن بُعد مفتوح المصدر يوفر زمن وصول منخفضًا للغاية ومسافات تحكم عن بُعد أطول. تعتمد الطبقة المادية لـ ELRS على بروتوكول LoRA، ويتم تنفيذه استنادًا إلى شرائح SX127x/SX1280 من SEMTECH. يعتمد ELRS على تقنية القفز الترددي والطيف المنتشر، مما يحقق قدرة قوية على منع التداخل. يعتمد طيف انتشار ELRS على تقنية chirp (التعديل الترددي الخطي) الطيف المنتشر. كلما زاد عامل الانتشار، زاد كسب الانتشار والحساسية ومعدل الإرسال. يبلغ عرض نطاق انتشار ELRS 500 كيلوهرتز، ويتراوح عامل الانتشار عادةً بين SF6 وSF9. يشبه تشفير الطبقة المادية لـ TBS Crossfire ELRS، حيث يستخدم كلاهما تقنية chirp (التعديل الترددي الخطي) الطيف المنتشر، ولكن عرض نطاق انتشار الطيف هو 250 كيلوهرتز فقط.
| عامل الانتشار | طول رمز الطيف المنتشر | سمكسب النشر(ديسيبل) |
| SF6 | 64 | 5 |
| SF7 | 128 | 7.5 |
| SF8 | 256 | 10 |
| SF9 | 512 | 12.5 |
| SF10 | 1024 | 15 |
| SF11 | 2048 | 17.5 |
| SF12 | 4096 | 20 |
الشكل 8 مخطط التردد الزمني لبروتوكول ELRS