Про системы связи БПЛА и про РЭБ

Попробую описать свои представления и знания о БПЛА, РЭБ и их системах связи, и предлагаю обсудить.
Сначала поговорим о БПЛА, которые выполняют задачи разведки и наблюдения на линии или за линией фронта в полосе обороны противника.
И первый вопрос, который нас интересует это - что такое режим реального времени для разведки, и зачем он нужен.
Сначала скажем что у нас на БПЛА есть управляемый видеопоток. Управляемый это значит, что мы можем управлять камерой (зум и позиционирование). Камера может удерживать объект, как подвижный, так и стационарный. Или просто удерживать позицию. Это не сложный алгоритм, который не сложно реализуется. Любой средний контроллер  с точки зрения вычислительной мощности это может. Это важно было отметить, потому что для удержания объекта в кадре нам не нужен канал связи постоянно. Мы просто передаем короткую команду, или записываем изначально – удержать, и камера БПЛА, которая на подвесе, сама отслеживает все что нужно. БПЛА летает сам в соответствии с заданием. Задание мы можем менять в процессе, но управлять в реальном времени, как в симуляторе джойстиком, нам не нужно. Это очень важная деталь.
Еще, видеопоток можно разбить на поток с различной частотой кадров. В лучшем случае у нас есть 30 кадров в секунду и 4K, в худшем у нас есть отдельные фото - кадр в минуту.
Дальше, у нас и в передаче видео, и в передаче отдельных фото может быть задержка, причем задержка от долей секунд до нескольких часов. В первом случае мы сразу получаем картинку, во втором мы получаем картинку только после приземления аппарата (два пограничных случая). Это очень важный момент. Потому что от этого параметра будут зависеть характеристики помехоустойчивости системы связи. Давайте их прикинем.
Видеопоток в 4к жмется в H264 до 4 МБит/с. В H265 до 2 MБит/c. Это в очень хорошем качестве цветное видео 30 кадров в секунду. Но нам 30 кадров в основном не нужны, хватит и 5, а это уже 660 кБит/c, а если не 4к то в общем можно сделать 200 кбит/c. Да и вообще можно округлить до 100 кБит/c. Это нижняя граница, при самом плохом раскладе.
Отдельные кадры жмутся в jpeg 400 кБ. (3.2 Мбит). С точки зрения канала связи, нам нужно обеспечить передачу в лучшем случае 4 мБ в секунду, в худшем, когда передается одна картинка в минуту – 52 кбит в секунду. А если мы говорим о тепловизоре 640х480, то там вообще получается 5 кбит в секунду – с запасом.
Теперь поиграем с задержкой. Предположим, что мы можем передавать данные с задержкой только какую-то часть времени. Это тоже важно. Если мы входим в зону, где связи нет, то вернувшись мы должны передать то, что сняли.
Еще раз поясню про реальное время… Если мы получаем фото или видео с задержкой, то это тоже реальное время. Задержка в минуту или в несколько это - не должно быть критично. Управлять БПЛА или камерой джойстиком напрямую нам не необходимо. Например, снаряд на 8 км летит около 40 секунд. Получив картинку и отдав целеуказание, нам 40 секунд будут не нужны. БПЛА сам подсвечивает цель (про подсветку будем отдельно). Да и время реакции человека никак не быстрее этого. Поэтому РРВ мы обеспечиваем.

Вот поправил продолжение...

Итак, у нас есть необходимость в канале передачи данных с БПЛА, который в лучшем случае должен обеспечивать 4Mбитс, а в худшем – 100 кбит/c. Канал для картинок – 52 … 5 kbps.
Теперь про обратный канал связи с пульта на БПЛА. Команда занимает пусть 256 байт, и передается целых один раз в минуту. Это целых 34 бит в секунду. А можно и реже. Ну и такой-же канал с телеметрией обратно.
А теперь попробуем подсчитать характеристики каналов связи с точки зрения, сигнал/шум. По Шеннону, берем нижнюю границу и считаем ширину полосы при одинаковом шуме и сигнале (Ps = Pn). Для видео у нас есть 100 кГц канал, для фото – 5 кГц, для команд и телеметрии – 34 Гц. Это предельное значение при отношении сигнал/шум 0 дБ. В реальности, нужно, конечно, умножить на 2 или на 4, но там и другие факторы есть.
Теперь вот что. У нас есть возможность объединить канал видео и фото, и мы можем сделать так, что мы просто меняем ширину полосы канала от 100 до 5 кГц, и меняем скорость в канале от 5 кбит до 4 Мбит за счет сигнал/шум.
Так как у нас есть обратный канал связи, то мы делаем адаптивное управление мощностью. Это важно для усложнения пеленгования и обнаружения, и прицельной постановки помехи.
Каналы связи делаем как ППРЧ со скоростью пусть 10 мс в полосе 200 МГц (хотя можно и 1 мс). Мощность – 1 Вт. Код последовательности ППРЧ мы знаем, у нас на приеме есть банк аналоговых входных фильтров и направленная антенна c нулями ДН в +/-8 градусов и подавлением в 40 дБ. Избирательность по соседнему каналу у нас 70 дБ (стандартное значение для современных DDC и АЦП). Все значения реальны и взяты из жизни.
Теперь оценим возможности РЭБ против наших каналов связи (здесь мы не рассматриваем GPS, это мы посмотрим отдельно).
Рассмотрим идеальную для РЭБ ситуацию, когда у нас один беспилотник, а пост РЭБ находится строго между нами и нашим объектом наблюдения. Для простоты, мощность РЭБ – 1 кВт (в 1000 раз больше, чем у нас, или 60 дБ). Это бьется еще вот с чем. Генератор на борту примерно 100 Вт, генератор в составе РЭБ – 100 кВт (Камаз). Т.е. потребляемые мощности пропорциональны излучаемым.
Сначала про канал управления и телеметрии. Чтобы поставить прицельную помеху на канал с шириной 30 Гц, нам надо потратить минимум 10 мс (три выборки) чтобы обеспечить нужную разрешающую способность, прицельно поставить помеху той-же мощности что и сигнал и не промахнуться. Если мы попадаем в соседний канал, то 70 дБ избирательности хватит чтобы помеху вообще не заметить. Дальше. Но пусть мы генерируем шум в полосе 30 кГц (в размазали 1 кВт в 30 кГц по 1 Вт). Тогда нам нужно потратить 0.1 мс чтобы оценить частоту. Плюс к этому нам надо потратить какое-то время чтобы усреднить и сделать вывод. В общем, прицельно попасть в 30 кГц за 10 мС не получится. Во-первых, в этом диапазоне работаем не только мы, но и другие средства связи (примерно 6000 каналов), а значит нужно определять азимут, и в итоге, по нам не будут попадать постоянно. А во-вторых, мы можем уменьшить время переключения. Плюс еще не рассматривался вопрос с направленными антеннами, а там все еще хуже для РЭБ. В итоге, канал телеметрии и управления мы сразу записываем как неубиваемые в принципе, даже без учета антенной системы. Если кто очень хочет поспорить, то давайте уменьшим скорость передачи, и тогда все станет еще хуже для РЭБ.
Теперь рассмотрим канал передачи видео данных. Пусть у нас есть 100 кГц полоса нашего сигнала (1 Вт). В эту полосу нужно попасть помехой 1 кВт.
Сначала отработаем антенну. Если мы отлетаем от нашего объекта на 8 градусов по азимуту, то подавление помехи антенной пульта будет 40 дБ. На самом БПЛА антенна 20 dB. Если учесть, что мы можем передавать до 5 кБит в полосе 100 кГц, то мы как раз отыграем наши 20 дБ. Т.е. 8 градусов отклонения от цели это как раз зона, где мы уже можем без проблем передавать данные в ограниченном объеме. При расстоянии от цели в 70 км, нужно отлететь на 10 км, при 7 км   на 1 км. БПЛА со скоростью 120 км/ч преодолевает 10 км за 5 минут. Т.е мы можем рассчитывать на картинку через 5 минут (тут реальное время с задержкой в 5 минут). Плюс, помеха будет размазана не в 100 кГц, а будет шире, то получается что можно спокойно получать видео в 100/200 кБит/c. А если учесть оптику, и то, что нам к объекту вообще не нужно приближаться так близко, то вопрос с РЭБ решается просто хорошей антенной системой и оптикой (нормальная камера 4к и зум в 60). Ну и ретрансляторы в виде дополнительного БПЛА никто не отменял.
Теперь, собственно, сам канал связи без учета антенной системы. С учетом того, что мы можем принимать 5 кБит в секунду в полосе 100 кГц (+26 дБ), помеху нужно будет распределить не в 10 МГц, а в 500 кГц. Т.е. 1 кВт в 500 кГц. (мелкие неточности опустим)
Теперь у нас есть, что в полосе 200 МГц вероятность просто случайно попасть - будет 1/400. Если учесть, что мы можем просто быстрее переключать каналы, не 10 мс, а 1 мс, как в Bluetooth, то прицельно поставить помеху просто не получится, не хватит быстродействия анализатора. А если учесть еще общую помеховую обстановку, и то что РЭБ будет постоянно промахиваться по частоте, то задавить даже видеоканал будет невозможно.
Ну и еще.
Для большинства БПЛА являются экзотикой, хотя основное направление использование БПЛА, это массовое их использование. БПЛА в перспективе это - расходный материал. Один комплекс РЭБ стоит как 100 Орланов, а то и больше. Так вот, один комплекс в принципе не сможет справиться с сотней БПЛА. Чисто по энергетике. Тут один задавить проблема, а когда из 100…
Вывод из всего вышеприведенного следующий. Любая, самая продвинутая РЭБ не справится с продвинутой, хорошо сделанной системой связи БПЛА, даже один на один.
PS. Про перехват канала управления пока не говорим.
PS.PS. Вопросы ориентации и GPS рассмотрим потом.
PS.PS.PS. Я тут не рассматривал ШПС сигналы так как это усложнит текст, но сути не поменяет.
PS.PS.PS.PS. Вопросы ЭМИ я даже не рассматриваю так как это из области фантастики. Кто хочет верить – ваше право. Меня всегда забавляло когда все военные меня убеждают, что в случае глобального замела мы собьем GPS навигацию на геостационарных орбитах… Про ЭМИ это из той-же оперы. )))