Оптоволоконні системи в радіокерованих дронах: компоненти та принцип роботи ВОЛЗ

Статтю підготувала

Катерина Помазан

Контент-менеджерка, керуюча відділом

У сучасних безпілотних технологіях ключову роль відіграє надійність каналу зв’язку між оператором і літальним апаратом. Від стабільності передачі команд і відеосигналу безпосередньо залежить керованість, точність виконання завдань і безпека польоту. Традиційні радіоканали, попри розвиток цифрових систем, залишаються вразливими до електромагнітних перешкод, перевантаження ефіру, втрати сигналу на складному рельєфі або навмисного глушіння. Крім того, їх ефективність обмежується дальністю, потужністю передавачів і умовами поширення радіохвиль.

Саме тому в спеціалізованих сферах застосування дедалі частіше використовуються оптоволоконні системи зв’язку. Вони забезпечують передачу даних у вигляді світлових імпульсів через тонке оптичне середовище, що повністю виключає вплив радіоперешкод і забезпечує стабільний канал із мінімальною затримкою. Такий підхід дозволяє отримувати якісне відео високої роздільної здатності, передавати телеметрію в реальному часі та підтримувати точне керування навіть у складних умовах експлуатації.

Щоб об’єктивно оцінити можливості цієї технології, важливо розуміти, що таке ВОЛЗ, який принцип роботи має оптоволокно у складі безпілотних платформ і які компоненти формують повноцінну систему зв’язку між дроном і наземною станцією.

ВОЛЗ це? Особливості застосування в БПЛА

У класичному розумінні ВОЛЗ це волоконно-оптична лінія зв’язку, яка передає інформацію у вигляді світлових імпульсів через оптичне середовище. У випадку з дронами принцип залишається таким самим, але реалізація має специфіку.

Якщо розглядати, що таке ВОЛЗ у контексті безпілотників, це фізичний канал зв’язку між дроном і наземною станцією, реалізований через тонкий кабель з оптичним волокном. Кабель розмотується з котушки під час польоту і забезпечує:

• передачу відео в реальному часі;
• телеметрію;
• канали керування;
• високу стійкість до радіоперешкод.

Такі рішення використовуються там, де критично важлива захищеність зв’язку та його стабільність.

Принцип роботи оптоволоконного каналу в дроні

Робота оптоволоконного каналу у складі безпілотника — це послідовний процес перетворення, передачі та обробки даних. Кожен етап має свої технічні особливості, які визначають стабільність зв’язку, затримку сигналу та якість зображення.

• 1. Формування сигналів у електричному вигляді

На наземній станції або на борту дрона всі дані спочатку існують у вигляді електричних сигналів. Це можуть бути:

• команди керування (канали руху, режими польоту, робота корисного навантаження);
• телеметрія (напруга, струм, координати, висота, швидкість);
• відеосигнал із камери;
• службові дані мережевого обміну.

У сучасних системах інформація зазвичай передається через цифрові інтерфейси — Ethernet, UART, CAN або HDMI/SDI для відео. Контролер або комунікаційний модуль формує структурований цифровий потік, придатний для подальшої передачі.

• 2. Перетворення електричного сигналу у світловий

Сформований електричний потік надходить на оптичний передавач (частину трансивера). Усередині модуля працює лазерний діод, який:

• вмикається і вимикається з високою частотою;
• змінює інтенсивність випромінювання відповідно до цифрового сигналу;
• формує послідовність світлових імпульсів.

Для передачі зазвичай використовуються довжини хвиль 1310 або 1550 нм. Важливими параметрами на цьому етапі є стабільність потужності випромінювання, температурна компенсація та мінімальний рівень шумів.

• 3. Передача світла через оптоволокно

Світлові імпульси вводяться в оптоволокно, де поширюються за рахунок повного внутрішнього відбиття від межі серцевини та оболонки. У дронових системах волокно:

• має малий діаметр і вагу;
• розмотується з котушки під час польоту;
• працює в умовах змінного натягу та вібрацій.

На якість передачі впливають:

• довжина кабелю;
• радіус вигину (перегини викликають додаткові втрати);
• механічні навантаження;
• чистота оптичних з’єднань.

Затухання в одномодовому волокні невелике, тому сигнал може передаватися на значні відстані без підсилення.

• 4. Приймання та зворотне перетворення сигналу

На протилежному кінці лінії світловий потік потрапляє на фотоприймач. Його основний елемент — фотодіод (PIN або лавинний), який:

• перетворює світлову енергію на електричний струм;
• відтворює форму цифрового сигналу;
• передає його на підсилювач і схему відновлення даних.

На цьому етапі важливі чутливість приймача, рівень шумів і допустимий діапазон вхідної оптичної потужності.

• 5. Обробка та використання даних

Відновлений електричний сигнал надходить у бортові або наземні системи. Далі виконується:

• декодування мережевого або відеопотоку;
• передача команд у польотний контролер;
• відображення відео на моніторі або в окулярах;
• запис даних або їх подальша маршрутизація.

Завдяки високій пропускній здатності ВОЛЗ, затримка передачі мінімальна і практично не залежить від радіоумов. Це забезпечує стабільне керування дроном і безперервне отримання відео навіть у складному електромагнітному середовищі.

Передача відбувається без радіовипромінювання, що робить систему практично невразливою до засобів радіоелектронної боротьби.

За більш детальною інформацією можете звернутись до цього джерела.

Оптоволокно для дронів

Основою системи є надтонке оптоволокно, адаптоване до мобільного використання. Воно має:

• малий діаметр і вагу;
• підвищену гнучкість;
• захисне полімерне покриття;
• стійкість до розтягування.

У більшості випадків застосовується одномодове волокно, оскільки воно забезпечує мінімальні втрати сигналу на великих дистанціях.

Ключові параметри:

• довжина лінії (сотні метрів або кілька кілометрів);
• допустиме зусилля на розрив;
• мінімальний радіус вигину;
• рівень оптичних втрат.

Основні оптичні компоненти системи

Для роботи волз у БПЛА використовуються як активні, так і пасивні оптичні компоненти.

Оптичні трансивери

Компактні модулі, що поєднують передавач і приймач. Вони:

• перетворюють електричні сигнали у світлові;
• працюють на стандартних довжинах хвиль (1310 або 1550 нм);
• забезпечують двосторонній обмін даними.

У дронах використовуються мініатюрні версії з низьким енергоспоживанням.

Оптичні конектори

Забезпечують підключення волокна до обладнання. У мобільних системах застосовуються:

• мікроконектори з фіксацією;
• пилозахищені та вібростійкі виконання;
• варіанти з мінімальними втратами.

Пігтейли та внутрішні з’єднання

Короткі відрізки волокна використовуються для внутрішнього монтажу між модулем зв’язку та котушкою.

Котушка оптоволокна (Fiber spool)

Один із ключових вузлів у дроні — механізм розмотування кабелю. Він включає:

• барабан із намотаним волокном;
• систему контролю натягу;
• напрямні для запобігання перегинам.

Конструкція повинна забезпечувати:

• плавне розмотування без ривків;
• мінімальне механічне навантаження на волокно;
• стабільність роботи під час маневрів.

Котушка може розміщуватися:

• на борту дрона;
• на наземній станції;
• у комбінованому виконанні.

Бортовий оптичний модуль

На борту БПЛА встановлюється компактний вузол, який включає:

• оптичний трансивер;
• інтерфейси передачі даних (Ethernet, UART, HDMI або SDI);
• систему живлення;
• захисний корпус.

Основні вимоги:

• мала маса;
• низьке енергоспоживання;
• стійкість до вібрацій і температурних змін.

Наземна станція

Наземна частина системи виконує:

• прийом відео з дрона;
• передачу команд керування;
• моніторинг телеметрії.

До її складу входять:

• оптичний приймально-передавальний модуль;
• блок управління польотом;
• відеосистема;
• джерело живлення.

Переваги ВОЛЗ у дронах

Використання оптоволоконних систем у безпілотниках дає суттєві переваги:

• повна нечутливість до радіоперешкод;
• відсутність радіовипромінювання;
• висока пропускна здатність для HD і 4K відео;
• стабільна затримка сигналу;
• неможливість перехоплення каналу традиційними засобами.

Це робить такі рішення ефективними для спеціальних, промислових і відповідальних задач.

Обмеження та технічні особливості

Попри переваги, волз у дронах має низку обмежень:

• обмежена дальність польоту довжиною кабелю;
• ризик механічного пошкодження волокна;
• додаткова маса котушки;
• необхідність контролю натягу.

Також важливо дотримуватися правил експлуатації:

• уникати різких перегинів;
• не перевищувати допустиме навантаження;
• захищати торці конекторів від забруднення.

Сфери застосування

Оптоволоконний канал у БПЛА використовується для:

• роботи в умовах сильних радіоперешкод;
• інспекцій у закритих або підземних об’єктах;
• промислового моніторингу;
• технічної розвідки та спостереження;
• тестування і досліджень.

Сьогодні оптоволоконні системи стають важливим інструментом у спеціалізованих безпілотних платформах. Розуміння того, що таке ВОЛЗ і як працює оптоволокно у складі БПЛА, дозволяє правильно оцінити можливості технології. Основу рішення формують мініатюрні трансивери, котушка з волокном і надійні оптичні компоненти, що забезпечують стабільний двосторонній зв’язок. Завдяки високій швидкості, захищеності та стійкості до перешкод сучасні волз відкривають нові можливості для керування дронами в складних умовах.