Εργαστήριο Ψηφιακών Επικοινωνιών και Συστημάτων

Η επικοινωνία μη επανδρωμένου αεροσκάφους και επίγειου σταθμού επιτυγχάνεται κυρίως με τη χρήση κεραιών υψηλής απολαβής, ανιχνευτών κεραίας ή δορυφόρων. Οι υλοποιήσεις αυτές συχνά διαθέτουν περιορισμένη εμβέλεια και απαιτούν ακριβό, βαρύ και δύσκολο στην εγκατάσταση εξοπλισμό, ενώ δεν προσφέρουν μια ολοκληρωμένη λύση για πολύ μακρινές αποστάσεις όπως για παράδειγμα άλλες χώρες. Η παρούσα έρευνα προτείνει και παρουσιάζει ένα ελαφρύ και χαμηλού-κόστους υποσύστημα τηλεπικοινωνιών βασιζόμενο στην πλατφόρμα προτυποποίησης Arduino το οποίο διασυνδέεται με το σύστημα πτήσης αυτόματου πιλότου ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους και είναι ικανό να λαμβάνει εντολές ελέγχου μέσω GSM/GPRS, το οποίο επιλέχθηκε στην παρούσα εργασία καθώς παρέχει καλύτερη κάλυψη συγκριτικά με μεταγενέστερες τεχνολογίες σε απομακρυσμένες, αγροτικές και δύσκολες περιοχές. Το σπουδαιότερο πλεονέκτημα του προτεινόμενου συστήματος είναι πως οι εντολές μπορούν να αποστέλλονται όπου υπάρχει κάλυψη δικτύου GSM, επιτυγχάνοντας έτσι καθολικό έλεγχο UAV σε αποστάσεις πέρα της ευθείας οπτικής επαφής. Κατά τη διάρκεια δοκιμών επί του πεδίου και μετά την ενσωμάτωση του προτεινόμενου υποσυστήματος σε μη επανδρωμένο αεροσκάφος, διεξήχθησαν εκτεταμένες δοκιμές επικύρωσης για να αποδειχθεί η επιτυχής μεταφορά διαφόρων εντολών ελέγχου από κινητό τηλέφωνο, καθώς και ένα φορητό υπολογιστή στον αυτόματο πιλότο του UAV. Ο μέσος χρόνος για την αποστολή και εκτέλεση εντολών ήταν 2.6 δευτερόλεπτα για μηνύματα SMS από το κινητό τηλέφωνο και 0.5 δευτερόλεπτα για πακέτα δεδομένων από τον φορητό υπολογιστή αξιοποιώντας το δίκτυο GPRS. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να ενσωματωθεί ανεξάρτητα ή να συνυπάρχει με άλλα συστήματα ελέγχου, συμβάλλοντας σε ένα γενικευμένο σύστημα διαχείρισης μη επανδρωμένων αεροσκαφών.

Η επικοινωνία μη επανδρωμένου αεροσκάφους και επίγειου σταθμού επιτυγχάνεται κυρίως με τη χρήση κεραιών υψηλής απολαβής, ανιχνευτών κεραίας ή δορυφόρων. Οι υλοποιήσεις αυτές συχνά διαθέτουν περιορισμένη εμβέλεια και απαιτούν ακριβό, βαρύ και δύσκολο στην εγκατάσταση εξοπλισμό, ενώ δεν προσφέρουν μια ολοκληρωμένη λύση για πολύ μακρινές αποστάσεις όπως για παράδειγμα άλλες χώρες. Η παρούσα έρευνα προτείνει και παρουσιάζει ένα ελαφρύ και χαμηλού-κόστους υποσύστημα τηλεπικοινωνιών βασιζόμενο στην πλατφόρμα προτυποποίησης Arduino το οποίο διασυνδέεται με το σύστημα πτήσης αυτόματου πιλότου ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους και είναι ικανό να λαμβάνει εντολές ελέγχου μέσω GSM/GPRS, το οποίο επιλέχθηκε στην παρούσα εργασία καθώς παρέχει καλύτερη κάλυψη συγκριτικά με μεταγενέστερες τεχνολογίες σε απομακρυσμένες, αγροτικές και δύσκολες περιοχές. Το σπουδαιότερο πλεονέκτημα του προτεινόμενου συστήματος είναι πως οι εντολές μπορούν να αποστέλλονται όπου υπάρχει κάλυψη δικτύου GSM, επιτυγχάνοντας έτσι καθολικό έλεγχο UAV σε αποστάσεις πέρα της ευθείας οπτικής επαφής. Κατά τη διάρκεια δοκιμών επί του πεδίου και μετά την ενσωμάτωση του προτεινόμενου υποσυστήματος σε μη επανδρωμένο αεροσκάφος, διεξήχθησαν εκτεταμένες δοκιμές επικύρωσης για να αποδειχθεί η επιτυχής μεταφορά διαφόρων εντολών ελέγχου από κινητό τηλέφωνο, καθώς και ένα φορητό υπολογιστή στον αυτόματο πιλότο του UAV. Ο μέσος χρόνος για την αποστολή και εκτέλεση εντολών ήταν 2.6 δευτερόλεπτα για μηνύματα SMS από το κινητό τηλέφωνο και 0.5 δευτερόλεπτα για πακέτα δεδομένων από τον φορητό υπολογιστή αξιοποιώντας το δίκτυο GPRS. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να ενσωματωθεί ανεξάρτητα ή να συνυπάρχει με άλλα συστήματα ελέγχου, συμβάλλοντας σε ένα γενικευμένο σύστημα διαχείρισης μη επανδρωμένων αεροσκαφών.

Στην παρακάτω διπλωματική εργασία γίνεται ενασχόληση κυρίως με την συσκευή HackRF One, η οποία αποτελεί μία από τις πολλές συσκευές SDR (Software Define Radio). Στόχος της εργασίας είναι η ανάλυση των δυνατοτήτων του καθώς και οι τρόποι που μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως τις ’’Hardware’’ συσκευές. Επιπροσθέτως, ένας από τους κύριους λόγους επιλογής του συγκεκριμένου θέματος αποτελεί το γεγονός ότι ολοένα και συχνότερα τα SDR γίνονται αντικείμενο αναφοράς και έρευνας από αρκετές εταιρείες τηλεπικοινωνιών καθώς και από πολλές εργαστηριακές ομάδες Πανεπιστημίων τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό. Ακόμη, πέρα από τη βιβλιογραφική ανάπτυξη του θέματος, η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε ήταν κυρίως μέσω της πρακτικής δοκιμής μετρήσεων με σκοπό τον έλεγχο της ορθότητας των αποτελεσμάτων και την τελική παρουσίαση των διαγραμμάτων ροής. Κατά τη διάρκεια της έρευνας προέκυψαν αρκετές δυσκολίες στο κομμάτι των δοκιμών καθώς οποιαδήποτε παρεμφερής προσπάθεια ήταν δοκιμαστική και λειτουργική με πολύ αυστηρούς περιορισμούς. Σ’αυτό πρέπει να δοθεί εξαιρετική βαρύτητα, διότι παρακάτω παρέχονται αναλυτικές οδηγίες για το κάθε πείραμα και η οποιαδήποτε απόκλιση από αυτές μπορεί να οδηγήσει μέχρι και σε βλάβη της εκάστοτε συσκευής. Εν κατακλείδι, βασιζόμενος στις ελλείψεις της ερευνητικής μου προσπάθειας θα ήθελα να επισημάνω ότι μελλοντικά θα ήταν αρκετά σημαντικό να αναπτυχθεί στην Ελλάδα ένας διαδικτυακός ‘χώρος’ ο οποίος να ασχολείται αποκλειστικά με αυτό το θέμα δεδομένου ότι θα βοηθήσει τα εγχώρια Πανεπιστήμια στην εξέλιξη των δοκιμών τους. Κλείνοντας, σε αυτό το σημείο θα ήθελα να επισημάνω ότι αυτή η πτυχιακή μπορεί επίσης να σταθεί σαν βασικός οδηγός, υλοποίησης εφαρμογών σχετικών με το HackRF, για τους μελλοντικούς ερευνητές που θα ήθελαν να ασχοληθούν με το αντικείμενο.