NLR werkt aan in drone geïntegreerde antenne ter ondersteuning van satellietcommunicatie

In de toekomst zullen civiele drones steeds grotere afstanden afleggen en in veel gevallen zelfs buiten het zicht van de piloot vliegen, zoals militaire drones dat nu ook al doen. Gedurende de gehele vlucht moet er dan stabiel radiocontact zijn met het toestel. Satellietcommunicatie is daarvoor een uitkomst. Dat vergt echter speciale antennes die een stuk groter zijn dan de gebruikelijke radioantennes. Het Koninklijk Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) werkt daarom met Orange Aerospace aan een antennesysteem dat volledig geïntegreerd wordt in het ontwerp van een drone.

Signaaloverdracht op grote afstand

De meeste drones die nu gebruikt worden voor civiele toepassingen zoals inspecties of luchtfotografie vliegen op niet al te grote afstand van de piloot. Dat vloeit nu eenmaal voort uit de regelgeving, die stelt dat een drone tijdens de vlucht altijd in het zicht moet blijven. Maar in de toekomst komt er steeds meer vraag naar drones die grotere afstanden afleggen, bijvoorbeeld om tijdens een onafgebroken vlucht kilometers aan hoogspanningslijnen of pijpleidingen te inspecteren. De regelgeving voor beyond visual line of sight (BVLOS)-vluchten maakt dat steeds beter mogelijk, maar de techniek moet er ook klaar voor zijn.

Het probleem bij BVLOS-vluchten is dat traditionele radioverbindingen op een gegeven moment niet meer mogelijk zijn. Met de huidige technologie is het prima mogelijk om een drone op een paar kilometer afstand van het grondstation te laten vliegen, maar in de bebouwde omgeving of op grotere afstanden wordt de stabiliteit van de radioverbinding al snel problematisch. Voor serieuzere BVLOS-operaties moet de operator dus een andere oplossing kiezen voor de signaaloverdracht.

SATCOM

Een oplossing kan zijn om de radiocommunicatie niet meer direct tussen piloot en drone te laten plaatsvinden, maar om hiervoor satellietcommunicatie (SATCOM) in te schakelen. Er hangen immers steeds meer satellieten voor telecommunicatie in de ruimte, om zodoende in alle uithoeken van de wereld dekking te bieden. Stuursignalen van de piloot (en omgekeerd de downlink met bijvoorbeeld het live videobeeld en telemetrie) gaan dan eerst naar een satelliet in de ruimte, die het signaal vervolgens weer doorstuurt naar de drone cq. het grondstation, al dan niet via een andere satelliet. Op die manier kunnen het stuursignaal en de downlink honderden of zelfs duizenden kilometers overbruggen.

In het dagelijks leven krijg je al regelmatig met SATCOM te maken, bijvoorbeeld als je in een passagiersvliegtuig via het onboard wifinetwerk contact maakt met het internet. De datacommunicatie tussen het vliegtuig en het internet verloopt in dat geval ook via satellieten. Om dat mogelijk te maken is het vliegtuig uitgerust met een speciale antenne, die tijdens de vlucht continu in contact staat met een satelliet. Dit kan een mechanisch gestuurde antenne zijn of een elektrisch gestuurde antenne. Ook hybride antennes (mechanisch/elektrisch) worden gebruikt.

Antenne voor SATCOM aan boord van een vliegtuig. Bron: NLR

Richtingsgevoeligheid

Het voornaamste nadeel van satellietcommunicatie is dat de radiosignalen vanuit de ruimte vele malen zwakker zijn dan het signaal van een zender op de grond. Dat betekent niet alleen dat de benodigde antenne aan boord van de drone een stuk groter moet zijn, maar dat ook richtingsgevoeligheid een issue wordt: het radiosignaal moet vanuit het vliegtuig of de drone precies de goede kant op gezonden worden om voor voldoende signaalsterkte aan de ontvangende kant te zorgen.

Om dat te realiseren is een zogenaamde phased-array of beamforming antenne nodig, die uit afzonderlijke patch-antennes en een beamformer bestaat. Een beamformer is een elektronische schakeling die ervoor zorgt dat het radiosignaal gericht kan worden op de ontvanger, zonder dat de antenne hiervoor fysiek van richting hoeft te veranderen. Bijkomende voordelen zijn dat beamforming antennes minder onderhoud vergen en minder kwetsbaar zijn dan mechanisch gerichte antennes.

Antenne in de vleugel

Onderzoekers verbonden aan NLR werken nu onder de projectnaam ISABELLE (kort voor Integrated Steerable Antenna for Beyond Line-of-sight L-band data Exchange) aan een antenne-array op basis van meervoudige patch-antennes. Het bijzondere is dat het array onderdeel uitmaakt van het mechanische ontwerp van de drone. Dat heeft als voordeel dat er geen sprake is van uitstekende delen, die de aerodynamica nadelig zouden beïnvloeden. Wel moet rekening worden gehouden met de elektromagnetische interactie tussen de geïntegreerde antenne en het luchtvaartuig.

Voor het ISABELLE-project wordt de antenne verwerkt in een onderdeel dat normaal gesproken niet voor dit doel wordt gebruikt: de vleugels van een fixed-wing drone. “De uitdaging hier is om de antenne en beamforming compacter te maken, zodat het antennesysteem minder ruimte inneemt en minder kwetsbaar is, maar ook betrouwbaarder en goedkoper is”, aldus Senior R&D Engineer Jaco Verpoorte.

Een fixed-wing drone voorzien van de experimentele geïntegreerde antenne. Bron: NLR

Uitdagingen

De mechanische integratie van de antenne brengt de nodige uitdagingen met zich mee. Zo mag de vleugelhuid die over de antenne wordt aangebracht het radiosignaal niet verzwakken. Glasfiberversterkte composieten zijn daarbij in het voordeel. Ook de afstand tussen antenne en vleugeloppervlak speelt een rol. Dat betekent dat de antenne-eigenschappen vanaf het begin meegenomen moeten worden in het vleugelontwerp.

Een proefversie van de array-antenne is inmiddels geïntegreerd in een fixed-wing drone van het Nederlandse bedrijf Orange Aerospace B.V. Het gaat om het OA-60 platform, met een spanwijdte van vier meter en een maximaal startgewicht van 60 kg. De drone wordt aangedreven door een verbrandingsmotor en kan op vijftien liter brandstof ongeveer zes uur vliegen. De romp en de vleugels zijn gemaakt van carbon composiet materiaal.

In iedere vleugel is een antenne-array bestaande uit 2×4 patch antennes verwerkt. In de ene vleugel een antenne voor het zenden, in de andere vleugel een antenne voor ontvangst.

Een proefversie van de array-antenne. Bron: NLR

Eerste testresultaten

De eigenschappen van de in de vleugels geïntegreerde antennes zijn eerst gemeten op NLR’s Antenne Test Range (ATR). Daarna zijn statische testen uitgevoerd met het vliegtuig op de grond. Hierbij kon de kwaliteit van de satellietlink worden bepaald. Uiteindelijk zijn ook enkele vliegproeven uitgevoerd waarbij het dynamische gedrag van de antennes kon worden bepaald.

Meting van een vleugel met geïntegreerde antenne op NLR’s Antenne Test Range. Bron: NLR

De eerste testresultaten met het antennesysteem zijn bemoedigend. Zo blijkt dat het radiosignaal inderdaad richting de satelliet gestuurd kan worden (beamforming). Om de juiste richting van de antennebundel te bepalen is de drone voorzien van een Inertial Measurement Unit (IMU), die continu de stand en positie van het toestel meet.

Verpoorte: “Uit de resultaten van de eerste vliegproeven kan worden geconcludeerd dat het antennesysteem correct functioneert in die zin dat het de satelliet tijdens alle manoeuvres nauwkeurig volgt. De antenneregeleenheid richt de bundel op de juiste manier naar de satelliet op basis van de invoer van de positie- en standsensor.”

Volgende stappen

De volgende stap is om het antennesysteem verder te verbeteren, omdat de stabiliteit van de verbinding nog niet optimaal is. “Daardoor is een betrouwbare gegevensoverdracht nog niet mogelijk”, aldus Verpoorte. “De relatieve signaalsterkte is nu nog te afhankelijk van de oriëntatie van de drone.”

Na het optimaliseren van het antenne-systeem zullen opnieuw testen op NLR’s ATR, grondtesten en vliegproeven worden uitgevoerd. Het is de bedoeling een demonstratie te geven van een live-videolink via de satelliet met de camera aan boord van de drone. Uiteindelijk doel is dat het bedrijfsleven op basis van deze innovatieve technologie producten gaat ontwikkelen die hun weg gaan vinden in de markt.

Het ISABELLE-project wordt uitgevoerd door NLR in samenwerking met Orange Aerospace B.V. en Barnard Microsystems. Het onderzoek wordt gefinancierd vanuit het Embedded Antenna Arrays in small UAV Wing Structures-project van ESA.

Kijk voor meer informatie over de diensten die NLR levert aan professionele dronevliegers op nlr.nl/dronecentre.

Wiebe de Jager

Wiebe de Jager (@wdejager) is oprichter van Dronewatch en auteur van de boeken Dronefotografie en Dronevideo's maken. Wiebe is gecertificeerd (RPA-L) dronepiloot en beschikt over een volledige ROC vergunning.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Meld je aan voor onze nieuwsbrief!

Vul hieronder je gegevens in en blijf op de hoogte.

Open nieuwsbrief aanmeldformulier