Aufbau eines hochzuverlässigen Glasfaser-Kommunikationssystems für angebundene und industrielle UAVs

Die Lösung: Unabhängige TTL-Glasfaserverbindung + Gigabit-Ethernet-Glasfaserverbindung

Eine gängige Architektur bei industriellen und angebundenen Drohnen ist die Verwendung von zwei unabhängigen Glasfaser-Kommunikationskanälen:

Kanal 1 – TTL über Glasfaser

Speziell für kritische Befehls- und Telemetriedaten:

• Flugkontrollbefehle
• GPS-Positionsinformationen
• IMU-Lagedaten
• Überwachung des Batterie- und Systemzustands
• Notsteuersignale

Diese Kommunikation ist hochgradig interaktiv:

Bodenstation → UAV
Steuerbefehle und Missionsaktualisierungen

UAV → Bodenstation
Echtzeit-Telemetrie und Status-Feedback

Da die Flugsicherheit von einer stabilen Kommunikation abhängt, ist die TTL-Verbindung physisch vom Datenverkehr mit hoher Bandbreite isoliert.

Kanal 2 – Gigabit-Ethernet über Glasfaser

Entwickelt für die Übertragung großer Datenmengen, einschließlich:

• 1080P / 4K HD-Videostreaming
• Wärmebildkameras
• KI-Vision-Verarbeitungssysteme
• LiDAR-Punktwolkendaten
• IP-basierte Sensoren

Obwohl Ethernet technisch gesehen Vollduplex ist, weisen die meisten UAV-Anwendungen ein stark asymmetrisches Verkehrsmuster auf:

UAV → Bodenstation
Riesiger Video- und Sensordatenstrom

Bodenstation → UAV
Nur kleine Konfigurationspakete oder Bestätigungen

Ein Gigabit-Glasfaser-Ethernet-Modul bietet ausreichend Bandbreite für die gängige H.264- und H.265-kodierte Videoübertragung.

Warum nicht TTL und Ethernet auf einer Glasfaser kombinieren?

Während eine Protokollkonvertierung wie UART-zu-IP möglich ist, bevorzugen viele professionelle UAV-Systeme immer noch unabhängige Kommunikationsverbindungen.

Zu den Gründen gehören:

1. Physische Isolation verbessert die Zuverlässigkeit

Sollte der Videoverkehr plötzlich ansteigen oder das Ethernet-System ausfallen, bleibt der Flugsteuerungskanal davon unberührt.

Auch wenn die Videoverbindung fehlschlägt:

• Der Fluglotse bleibt online
• Telemetrie bleibt verfügbar
• Return-to-Home-Befehle können weiterhin ausgeführt werden

Bei unternehmenskritischen UAV-Systemen hat Zuverlässigkeit immer höhere Priorität als die Reduzierung der Kabelanzahl.

2. Kompatibilität mit nativen Protokollen

Viele UAV-Komponenten basieren immer noch auf nativer serieller Kommunikation:

• MAVLink-Flugcontroller
• GPS-Module
• IMU-Sensoren
• Gimbal-Controller
• Ältere Industriegeräte

Direktes UART/TTL über Glasfaser bietet eine einfache, softwareunabhängige Lösung mit geringer Latenz.

3. Geringeres Entwicklungsrisiko

Die Konvertierung serieller Kommunikation in Ethernet erfordert zusätzliche Prozessoren, Software-Stacks und Netzwerkmanagement.

Dies führt ein:

• Zusätzliche Latenz
• Softwarekomplexität
• Betriebssystemabhängigkeit
• Mögliche Systemfehlerpunkte

Bei UAVs für Industrie und Verteidigung bedeutet Einfachheit oft eine höhere Zuverlässigkeit.

Auswahl von Glasfaserkabeln für UAV-Anwendungen

Im Gegensatz zu Standard-Glasfaser-Patchkabeln erfordern UAV-Anwendungen speziell entwickelte verstärkte Glasfaserkabel.

Zu den typischen Spezifikationen gehören:

• Singlemode-Faser (G.657.A2)
• 2-Kern- oder 4-Kern-Struktur
• 1,2 mm Kabeldurchmesser
• 100 N Zugfestigkeit
• Kevlar-verstärkte Struktur
• Hohe Flexibilität für Wickelsysteme

Im Kabel:

• Optische Fasern für die Kommunikation
• Kevlar-Verstärkungselement für Zugschutz
• Flexibler Außenmantel

Durch diese Konstruktion kann das Kabel während des UAV-Betriebs ständigem Ziehen, Vibrationen und Rotationen standhalten.

Typische Zweikern-Glasfaserarchitektur

Ein zweiadriges Singlemode-Glasfaserkabel ist eine der gebräuchlichsten Lösungen.

Faserkern 1:

• Gigabit-Ethernet über Glasfaser
• Optische BiDi-Module mit 1310/1550 nm
• Video, KI-Daten und IP-Kommunikation

Faserkern 2:

• Serielle TTL-Kommunikation über Glasfaser
• Optische BiDi-Module mit 1310/1550 nm
• Flugsteuerung, Telemetrie und Sensordaten

Jeder Glasfaserkern fungiert als unabhängiger Vollduplex-Kommunikationskanal und gewährleistet so eine vollständige Isolierung zwischen Steuerung und Nutzlastübertragung.

Zukünftiger Trend: Hin zu All-IP-UAV-Netzwerken

Die UAV-Branche bewegt sich schrittweise in Richtung einheitlicher Ethernet-basierter Architekturen, angetrieben durch:

• TSN (Time Sensitive Networking)
• ROS 2
• DDS-Middleware
• KI-Computing-Plattformen
• Gigabit-Bordnetze

Zukünftige UAV-Systeme könnten Folgendes integrieren:

• Video
• Telemetrie
• Sensoren
• CAN-Bus
• Flugkontrolldaten

in ein einziges deterministisches IP-Netzwerk.

Heutzutage verlassen sich jedoch viele industrielle, angebundene, Anti-Jamming- und Verteidigungs-UAV-Plattformen immer noch auf die Zweikanalarchitektur:

TTL über Glasfaser + Ethernet über Glasfaser

weil es ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit bietet.

OLYCOM-Lösung

OLYCOM bietet kompakte Glasfaser-Kommunikationsmodule, die für die UAV-Integration geeignet sind:

Modell 1: OM610-1V1TWR

Modell 2: TA510-GE-X-Karte

• TTL-Glasfasermodul
• Transparente UART/TTL-Übertragung
• Kommunikation mit geringer Latenz
• Ideal für Flugsteuerungen, Sensoren und Telemetriesysteme
• Gigabit-Ethernet-Glasfasermodul
• 10/100/1000 Mbit/s Ethernet-Übertragung
• Unterstützt hochauflösende H.264/H.265-Videostreams
• Geeignet für IP-Kameras, KI-Computer und Netzwerknutzlasten

Beide Module können einzeln oder kombiniert in einer zweikanaligen UAV-Kommunikationsarchitektur verwendet werden.

Abschluss

Da sich UAV-Anwendungen von Verbraucherdrohnen immer weiter auf industrielle Inspektions-, Sicherheits- und Verteidigungsmärkte ausdehnen, wird die Glasfaserkommunikation zu einer Schlüsseltechnologie für die Erzielung einer störungsfreien und hochzuverlässigen Übertragung über große Entfernungen.

Die Kombination von TTL über Glasfaser für geschäftskritische Steuerung und Gigabit-Ethernet über Glasfaser für Nutzlasten mit hoher Bandbreite bleibt eine ausgereifte und weit verbreitete Architektur für professionelle UAV-Systeme.