Skip to content

Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione

Francesco Baietto

Contatta l'autore »

Francesco Baietto

Di seguito dettaglierò meglio il contenuto della tesi:

Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota:
definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione


Relatori: Prof. Mario PENT, Prof. Marina MONDIN, Ing. Fabio DOVIS
Candidati: Francesco BAIETTO, Maurizio FODRINI, Maurizio SISTO

Lo scopo del lavoro svolto è quello di definire le specifiche del sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota, come ad esempio Heliplat, sia per quanto riguarda gli apparati di bordo sia per quelli di terra in termini di caratteristiche di modulazione e codifica, di link-budget e di antenne. In particolare è stato necessario affrontare e risolvere una serie di problematiche, che verranno brevemente illustrate nel seguito.


Analisi dello schema proposto dal CCSDS per il telecomando e la telemetria

Inizialmente sono state analizzate le specifiche fornite dal CCSDS relative alle missioni di tipo satellitare, in modo da acquisire le conoscenze di base in merito agli standard di telecomando e telemetria. Per il primo si prevede un struttura stratificata, basata sul modello OSI, costituita da 7 livelli: i 3 più alti si occupano dei processi applicativi, i 2 sottostanti degli aspetti retistici del sistema e, infine, gli ultimi 2 riguardano gli aspetti trasmissivi, cioè le modulazioni e le tecniche di codifica. La struttura proposta per la telemetria prevede, invece, 4 strati: il più alto permette l’interfaccia con l’utente, il sottostante genera i pacchetti che trasportano i dati, e gli ultimi applicano le tecniche di codifica e trasmettono i segnali sul canale. Per poter applicare lo standard CCSDS agli aerei stratosferici senza pilota, come Heliplat, esso deve essere opportunamente modificato; in particolare, in questa tesi sono stati analizzati gli strati relativi alla codifica e agli schemi di modulazione, apportando le adeguate modifiche allo schema previsto dal CCSDS e proponendo gli standard più adatti al modello in esame.


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. A questo scopo sono state raccolte le informazioni sui dati relativi ai vari sistemi presenti a bordo, per mezzo della collaborazione fornita dai vari Dipartimenti del Politecnico di Torino; i sistemi da controllare sono molteplici. 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. L’elaborazione dei dati raccolti ha portato alla stima di un valore di bit rate pari a circa 32 kbit/s; in prima approssimazione tale valore è stato considerato valido sia per il down-link che per l’up-link, anche se per quest’ultimo è stata prevista un’opzione a 100 kbit/s, per il trasferimento degli aggiornamenti software e delle rotte da terra.


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. Per poter ottenere delle comparazioni consistenti, si è infine deciso di implementare un controllo sulla potenza di segnale all’uscita del modello, in modo da effettuare le simulazioni a parità di potenza.


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. Lo schema di codifica proposto dal CCSDS è stato opportunamente modificato, in quanto i codici presentati producevano ritardi troppo elevati; a questa conclusione si è giunti grazie allo studio effettuato sui tempi di ritardo complessivi del sistema, derivanti dall’applicazione degli schemi indicati dal CCSDS sia per la tratta in up-link che per quella in down-link. Sono stati studiati, inoltre, sia il caso di condizioni di volo standard che quello relativo alle fasi di decollo e atterraggio. 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. Per l’antenna di terra si è scelto di utilizzare un’antenna a ventaglio, con apertura di 10° di lungo l’azimut e di 90° lungo l’elevazione, realizzata per mezzo di una schiera lineare di dipoli; le soluzioni proposte differiscono per l’ampiezza delle correnti di alimentazione. In particolare, sono state analizzate le distribuzioni: uniforme, con sintesi FTM, a coseno, a coseno rialzato, a coseno quadrato e a coseno quadrato rialzato. I risultati ottenuti hanno portato alla scelta di quest’ultima in quanto garantisce le migliori prestazioni; inoltre, si è studiata la possibilità di realizzare su di essa una scansione elettronica del fascio, che permetta di seguire il velivolo senza effettuare un movimento meccanico dell’antenna. Per le antenne di bordo, invece, si previsto di dotare la piattaforma di un sistema di gestione che può essere caratterizzato dall’utilizzo di differenti tipi di antenne; in particolare sono state presentate delle soluzioni che permettono di garantire una copertura il più possibile omnidirezionale ed una polarizzazione circolare. Lo studio effettuato ha riguardato i dipoli incrociati e le antenne ad elica; sono state scelte queste ultime in quanto consentono di ottenere una polarizzazione pressoché circolare nelle diverse direzioni, garantendo inoltre un guadagno maggiore.


Valutazione del link-budget

Occorre a questo punto verificare che le prestazioni analizzate in precedenza possano essere ottenute con un adeguato valore di potenza trasmessa. Il calcolo del bilancio di tratta, sia per l’up-link che per il down-link, fornisce effettivamente buoni risultati, in quanto la potenza minima risulta, al più, di qualche decina di milliwatt. Si propone perciò di fissare il valore di potenza trasmessa pari ad 1 W, disponendo così di alcune decine di decibel da tenere a disposizione come margine di sicurezza, in modo da garantire le prestazioni richieste anche nelle condizioni più critiche.




--------------------------------------------------------------------------------

Studi

  • Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni
    conseguita presso Politecnico di Torino nell'anno 1999-00
    con una votazione di 107 su 110
  • Diploma di maturità conseguito presso il Istituto tecnico
    con votazione 60/60°

Altri titoli di studio

  • Master in Telecomunicazioni
    conseguito presso COREP / TILS nell'anno 2004

Lingue straniere

  • Inglese parlato e scritto: discreto

Conoscenze informatiche

  • Livello ottimo