В последнее время весьма актуальным является вопрос противодействия БПЛА типа «квадро/гексо/октокоптер», использующих для своего полета бесколлекторные двигатели (БКД). Одним из основных путей противодействия таким БПЛА (кроме, конечно, физического воздействия ракетным или стрелковым оружием) является постановка помех каналам управления и навигации посредством радиоэлектронного излучения сигналов с определенными характеристиками.
Конечно, использование классического метода постановки так называемой «заградительной» помехи является наиболее простым способом радиоэлектронного подавления, когда в заданном частотном диапазоне формируется мощный сигнал, препятствующий нормальному функционированию БПЛА, включая, конечно, подавление сигналов системы глобального позиционирования. Однако у этого метода есть и недостатки, основной из которых – необходимость значительных энергозатрат и связанные с ними повышенные риски обнаружения источника помех средствами радиомониторинга противника и вероятного последующего огневого поражения. Следовательно, в интересах сохранения эффективности радиоэлектронного воздействия при снижении уровня излучаемой мощности помеховых сигналов необходимо формировать такой сигнал не в виде сплошного спектра в заданной полосе частот, а в виде какой-то «оптимальной» структуры, обеспечивающей наибольшую степень влияния на оригинальный сигнал в системе управления. Общеизвестно, что оптимальная помеха по своей структуре должна быть близка к структуре подавляемого сигнала. Однако есть много нюансов такого соответствия. В данной статье как раз рассматриваются особенности воздействия помехового сигнала на управляющий для частного случая в области борьбы с БПЛА – воздействия непосредственно на контроллер управления вращением бесколлекторного двигателя, что может расширить возможности противодействия этим БПЛА, фактически нарушая управление даже при сохранении командной связи при использовании вероятным противником специальных мер защиты.
Управление БКД осуществляется путем подачи на контроллер БКД сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) с параметрами: длительность импульса – от 1 до 2 мс, период повторения — 20 мс. Помеховый сигнал может воздействовать как на импульс управления положительной полярности, так и на паузу между ними, а также одновременно – и на импульс, и на паузу. Схема для моделирования рассмотренных вариантов представлена на рисунке 1.
Оригинальный (без помех) ШИМ-сигнал управления БКД (1…2 мс с периодом повторения 20 мс) формируется микроконтроллером ATMEGA8. В качестве генератора помехи используется отдельный микроконтроллер, который формирует периодическую последовательность импульсов заданной длительности и с определенным периодом следования согласно таблиц 2 (3,4). «Суммирование» полезного и помехового сигналов с целью минимизации влияния на работу микроконтроллера осуществляется с использованием так называемой «жесткой логики» – логических элементов «и», «или», «не» (рисунок 1).
Результирующий «сигнал + помеха» поступает в трех различных вариантах через коммутатор на управляющий вход контроллера БКД, а результат наблюдается в виде изменения характера работы самого бесколлекторного двигателя. Для проведения исследований была собрана конструкция, содержащая БКД с воздушным винтом, контроллер БКД с входом управляющего сигнала и аккумулятор, закрепленные на вертикальной стойке с креплением к поверхности стола.
Внешний вид конструкции представлен на рисунке 2. Для работы также использовалась макетная плата со схемой по рисунку 1, ноутбук с программатором и отдельный генератор сигнала помехи.
Для каждого значения длительности импульса/периода следования формируемого помехового сигнала была заранее подготовлена отдельная «прошивка» микроконтроллера, которая перед экспериментом записывалась во flash-память микроконтроллера с использованием программатора.
Варианты результатов воздействия помехового сигнала на сигнал управления БКД в виде эпюр напряжений представлены на рисунке 3.
Первым рассматривался вариант воздействия помехового сигнала (отрицательной полярности) на импульс управления, когда амплитуда импульса управления во время воздействия помехового сигнала «проседает», т.е. снижается до логического нуля (п.1 на рисунке 3). Изображения на рисунке 4 являются реальными фото с экрана цифрового осциллографа.
Полученные эффекты воздействия помехового сигнала на работу БКД по варианту 1 представлены в таблице 1. Каждый эксперимент проводился по 5 раз, полученные результаты представлены в таблице 2. Цифры в таблице 2 означают номер эффекта реакции БКД на смесь управляющего и помехового сигналов из таблицы 1.
Таблица 1 – Описание эффектов воздействия смеси полезного и помехового сигнала на БКД по варианту 1.
|
Эффект . |
Описание реакции БКД |
|
1 |
Скорость двигателя не изменилась |
|
2 |
Скорость двигателя снижается |
|
3 |
Скорость двигателя снижается не до нуля во время действия помехи, после исчезновения помехи работа двигателя самостоятельно восстанавливается |
|
4 |
Скорость двигателя снижается до нуля сразу после начала воздействия, после исчезновения помехи работа двигателя самостоятельно не восстанавливается, контроллер двигателя издает прерывистые сигналы, работа контроллера двигателя восстанавливается только после сброса (уровень на входе контроллера– лог. «1» в течение не менее 20 мс) |
|
5 |
Скорость двигателя снижается до нуля только через 3 сек. (примерно) после начала воздействия, после исчезновения помехи работа двигателя самостоятельно не восстанавливается, контроллер двигателя издает прерывистые сигналы, работа контроллера двигателя восстанавливается только после сброса (уровень на входе контроллера– лог. «1» в течение не менее 20 мс) |
|
6 |
Скорость двигателя снижается до нуля только через 3 сек. (примерно) после начала воздействия, после исчезновения помехи работа двигателя самостоятельно не восстанавливается, контроллер двигателя издает прерывистые сигналы, работа контроллера двигателя восстанавливается после нескольких процедур сброса. |
|
7 |
Скорость двигателя снижается до нуля сразу после начала воздействия, после исчезновения помехи работа двигателя самостоятельно не восстанавливается, работа контроллера двигателя восстанавливается только после сброса (уровень на входе контроллера– лог. «1» в течение не менее 20 мс) |
|
8 |
Скорость двигателя увеличивается |
|
9 |
Скорость двигателя увеличивается до максимума |
|
10 |
Скорость двигателя постоянно изменяется в оба направления |
Таблица 2 – Результаты исследований работы БКД при воздействии смеси полезного и помехового сигнала по варианту 1 (п.1 рисунок 3)
|
F, кГц . |
t, мкс . |
|||||||
|
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,5 |
1 |
5 |
10 |
100 |
|
|
0,1 |
1, 1, 1, 1, 1 |
3,3,3,3,3 |
3,3,3,3,3 |
3,3,3,3,3 |
3,3,3,3,3 |
3,3,3,3,3 |
3,3,3,3,3 |
3,3,3,3,3 |
|
1 |
1, 1, 1, 1, 1 |
4,4,4,4,4 |
4,4,4,4,4 |
3,3,3,7,3 |
3,3,3,7,3 |
3,3,3,7,3 |
3,3,3,7,3 |
3,3,3,7,3 |
|
5 |
1, 1, 1, 1, 1 |
5,5,6,5,5 |
5,5,6,5,5 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
|
10 |
1, 1, 1, 1, 1 |
5,5,6,5,5 |
5,5,6,5,5 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
5,6,6,5,6 |
|
100 |
1, 1, 1, 1, 1 |
6,6,5,6,6 |
6,6,5,6,6 |
6,5,5,6,6 |
6,5,5,6,6 |
6,5,5,6,6 |
6,5,5,6,6 |
— |
Дополнительные «эффекты», выявленные в ходе экспериментальных исследований:
1. При полном исчезновении управляющего сигнала (при отключении питания контроллера формирования стандартных ШИМ-сигналов):
a. Без предварительного воздействия помехового сигнала – скорость работы двигателя увеличивается, двигатель работает равномерно, при этом через некоторое время (около 3 сек) двигатель самостоятельно останавливается.
b. После предварительного воздействия помехового сигнала – скорость работы двигателя увеличивается, двигатель работает неравномерно, самостоятельной остановки двигателя не происходит вплоть до отключения питания двигателя
2. При длительности помехового сигнала, соизмеримой с длительностью импульсов управления (1 мс) при частоте повторения помеховых сигналов 100 Гц (в два раза выше частоты повторения управляющих импульсов – 50 Гц) наблюдается прекращение работы БКД на время около 10 сек, в течение которых происходит «наложение» помехового сигнала на стандартный импульс управления. Время 10 сек обусловлено совпадением по времени, обусловленным фазовым сдвигом импульсов с различной частотой.
Вывод 1 (по п.1 на рисунке 3).
1. Помеховые сигналы малой длительности (до 0,1 мкс) на работу БКД влияния практически не оказывают независимо от частоты следования;
2. Начиная с длительности помехового сигнала 0,15 мкс наблюдается его влияние на работу БКД, причем, с увеличением частоты следования помеховых импульсов степень влияния увеличивается;
3. При определенных соотношениях длительности и частоты помехового сигнала наблюдается аномальное (вариант 7 в таблице 1) воздействие на БКД, причем при дальнейшем увеличении частоты следования помехового сигнала степень воздействия снижается (варианты 5,6 в таблице 1);
Итоговый первый вывод – зависимость степени влияния
помехового сигнала на результат работы БКД не является линейной от частоты и
длительности этого помехового сигнала, существует некоторая «критическая зона»
с максимальной степенью влияния помехи на результат работы БКД.
Вторым рассматривается вариант воздействия помехового импульса (рассматривались импульсы положительной полярности) на паузы между импульсами управления, т.е. когда помеховый сигнал нарушает периодичность формирования импульсов управления и появляются «новые» импульсы с уровнем логической «1» в паузах (п.2 на рисунке 3).
Полученные эффекты воздействия помехового сигнала на сигнал управления БКД для второго варианта (а также третьего варианта, будет рассмотрен далее) представлены в таблице 3, полученные результаты представлены в таблице 4. Эффект воздействия при многократном повторении эксперимента при одних и тех же параметрах помехового сигнала не менялся, поэтому в таблице указан только один обобщенный эффект из таблицы 3.
Таблица 3 – Описание эффектов воздействия смеси полезного и помехового сигнала на БКД по вариантам 2,3 (п.2,3 на рисунке 3).
|
Эффект |
Описание реакции БКД |
|
1 |
Периодическое увеличение/уменьшение оборотов без самостоятельной остановки двигателя. После снятия сигнала помехи двигатель останавливается |
|
2 |
Периодическое незначительное увеличение/уменьшение числа оборотов двигателя с остановкой вращения только после снятия сигнала помехи |
|
3 |
При старте на малых оборотах наблюдается дополнительный шум при работе двигателя (иллюзия «нагрузки двигателю изнутри»), обороты не меняются. После снятия сигнала помехи – остановка двигателя |
|
4 |
Периодическое увеличение/уменьшение числа оборотов с самостоятельной остановкой двигателя примерно через 20 секунд. Период увеличения/уменьшения оборотов больше, чем в п.1 |
|
5 |
Резкое существенное периодическое увеличение/уменьшение числа оборотов двигателя с последующей остановкой через несколько (около 5) секунд |
|
6 |
Отсутствие какого-либо эффекта |
|
7 |
Обороты не изменяются, наличие или отсутствие сигнала помехи не влияет на остановку. Присутствует незначительный «призвук» при работе двигател. |
|
8 |
Внешнего проявления нет никакого, однако после снятия сигнала помехи – остановка через 3 сек (после снятия помехи) |
|
9 |
Изменение звука работы двигателя без изменения числа оборотов, после снятия сигнала помехи – сразу остановка двигателя |
|
10 |
Периодическое увеличение/уменьшение числа оборотов двигателя с последующей остановкой |
|
11 |
Медленное незначительное увеличение числа оборотов двигателя (однократное) с последующей остановко. |
|
12 |
После подачи сигнала помехи внешние проявления отсутствуют, но через приблизительно 4 с происходит остановка двигателя |
|
13 |
Трехкратное увеличение/уменьшение числа оборотов двигателя с последующей остановкой через приблизительно 5 сек |
|
14 |
Неустойчивое (рывками) увеличение/уменьшение оборотов с последующей остановкой |
|
15 |
После подачи сигнала помехи внешний эффект отсутствует, но через приблизительно 3 сек – остановка двигател. |
|
16 |
Аналогично п.12, без внешний проявлений, но остановка не через 4 сек, а через 3 сек. |
|
17 |
Три резких ускорения с замедлением с последующей остановкой двигателя |
|
18 |
Периодическое снижение оборотов с восстановлением скорости вращения двигателя без последующей остановки |
|
19 |
Три более умеренных (по сравнению с п.17) ускорения с замедлением и последующей остановкой |
|
20 |
Сразу после подачи помехового сигнала – остановка двигателя |
|
21 |
Незначительное увеличение скорости вращения двигателя без последующей остановки (как минимум, в течение 15 сек и более). После снятия сигнала помехи – остановка вращения двигателя. |
|
22 |
После подачи сигнала помехи какой-либо эффект отсутствует, однако через 2 сек после снятия помехи – остановка двигател. |
|
23 |
После включения сигнала помехи значительно изменяется звук работы двигателя и через несколько сек (примерно 3 сек) двигатель «заклинивает», т.е. резко останавливается |
|
24 |
После подачи сигнала помехи – остановка двигателя. После снятия сигнала помехи вращение самостоятельно восстанавливается, но не в 100% случаев, зависит от времени, в течение которого помеха воздействовала |
Таблица 4 – Результаты исследований работы БКД при воздействии смеси полезного и помехового сигнала по варианту 2 (п.2 на рисунке 3)
|
F, кГц . |
t, мкс . |
|||||||
|
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,5 |
1 |
5 |
10 |
100 |
|
|
0,1 |
6 |
6 |
16 |
17 |
16 |
16 |
16 |
16 |
|
1 |
6 |
6 |
5 |
5 |
14 |
15 |
15 |
14 |
|
5 |
6 |
6 |
5 |
5 |
13 |
12 |
11 |
10 |
|
10 |
6 |
6 |
5 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
|
100 |
6 |
6 |
5 |
5 |
9 |
8 |
7 |
— |
Вывод 2 (по п.2 на рисунке 3).
1. Количество вариантов реакции БКД на смесь сигнала с помехой (по п.2 на
рисунке 1) существенно больше, чем по п.1. При этом помеховые сигналы уже самой малой длительности (0,1 мкс) оказывают влияние на работу БКД независимо от частоты следования;
2. При определенных соотношениях длительности и частоты помехового сигнала также наблюдаются аномальные (варианты 10-16 в таблице 1) воздействия на БКД, причем при дальнейшем увеличении частоты следования помехового сигнала (более 5 кГц) степень воздействия снижается (варианты 1-9 в таблице 3);
Итоговый второй вывод – зависимость степени влияния
помехового сигнала на результат работы БКД также не является линейной от
частоты и длительности этого помехового сигнала, существует некоторая
«критическая зона» с максимальной степенью влияния помехи на результат работы
БКД, но диапазон длительностей и частот помеховых сигналов этой второй
«критической зоны» отличается от значений, соответствующих выводу 1.
Третьим рассматривается вариант воздействия помехового импульса и на сами импульсы управления, и на паузы между импульсами, когда помеховый сигнал нарушает и структуру самих импульсов управления, и периодичность их формирования (п.3 на рисунке 3). Это наиболее реалистичный вариант физического воздействия в реальных условиях.
Полученные эффекты воздействия суммы полезного и помехового сигнала на работу БКД для третьего варианта представлены также в таблице 3 (имеется много «общих эффектов» с вариантом 2), полученные результаты представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Результаты исследований работы БКД при воздействии смеси полезного и помехового сигнала по варианту 3 (п.3 на рисунке 3)
|
F, кГц . |
t, мкс . |
|||||||
|
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,5 |
1 |
5 |
10 |
100 |
|
|
0,1 |
6 |
18 |
16 |
17 |
19 |
19 |
19 |
16 |
|
1 |
6 |
20 |
5 |
5 |
20 |
20 |
20 |
20 |
|
5 |
6 |
16 |
5 |
5 |
12 |
12 |
12 |
12 |
|
10 |
6 |
16 |
5 |
5 |
21 |
22 |
22 |
22 |
|
100 |
12 |
16 |
5 |
5 |
23 |
22 |
24 |
— |
Вывод 3 (по п.3 на рисунке 3).
1. При определенных соотношениях длительности и частоты помехового сигнала также наблюдаются аномальные (варианты 16-24 в таблице 3) воздействия на БКД, причем при частоте помехового сигнала 5 кГц присутствует некоторый «провал» — вариант 12 из таблицы 3, не зависящий от длительности импульса при достижении значения в 1 мкс и более;
2. При увеличении частоты следования помехового сигнала более 5 кГц (как и при частотах менее 5 кГц) степень воздействия на БКД «выравнивается» — варианты 19-24 таблицы 3.
Таким образом, итоговый вывод по всей работе – зависимость степени влияния помехового сигнала на результат работы БКД не является линейной от частоты и длительности этого помехового сигнала, существуют некоторые «критические зоны» с максимальной степенью влияния помехи на результат работы БКД. И именно выявление характеристик помеховых сигналов, оказывающих наибольшее влияние на работу БКД, является основным результатом проводимых исследований. После анализа полученных результатов возможно формирование подробных рекомендаций с учетом различных эффектов воздействия помеховых сигналов на работу БКД, однако наиболее общими рекомендациями можно считать эффективные помеховые сигналы с длительностью импульса от 1 мкс и с частотой от 10 кГц. Кроме того, помимо рекомендаций по формированию наиболее эффективных помех для БПЛА противника понимание механизма воздействия помехового сигнала на работу БКД может помочь при формировании способов и методов защиты своих БПЛА.
Следующий этап работы — проведение экспериментальных исследований с излучением реальных помеховых сигналов в эфир высоковольтным генератором сверхкоротких импульсов (СКИ) с учетом полученных рекомендаций в данной работе уже без использования макетной платы по рисунку 1. По предварительным результатам, эффекты воздействия СКИ на работу БКД присутствуют, однако публикация хода выполнения работ на этом этапе выходит за рамки данной статьи.
