Задачата за увеличаване на обхвата на връзката с безпилотен летателен апарат (БЛА) остава актуална. В настоящата статия се разглеждат методи за подобряване на този параметър. Статията е написана за разработчици и оператори на БЛА и е продължение на цикъл от статии за връзката с БЛА (началото на цикъла вижте в .
Какво влияе на обхвата на връзката
Обхватът на връзката зависи от използвания модем, антените, антенните кабели, условията за разпространение на радиовълни, външните смущения и някои други причини. За да определим степента на влияние на всеки даден параметър върху обхвата на връзката, нека разгледаме уравнението за обхвата
(1)

където
— исканият обхват на връзката [meters];
— скоростта на света във вакуум [m/sec];
— честота [Hz];
— мощност на предавателя на модема [dBm];
— усилване на антената на предавателя [dBi];
— загуби в кабела от модема до антената на предавателя [dB];
— усилване на антената на приемника [dBi];
— загуби в кабела от модема до антената на приемника [dB];
— чувствителност на приемника на модема [dBm];
— множител на отслабването, който отчита допълнителни загуби заради влиянието на повърхността на Земята, растителността, атмосферата и други фактори [dB].
От уравнението става ясно, че обхватът се определя от:
- използвания модем;
- честотата на радиоканала;
- използваните антени;
- загубите в кабелите;
- влиянието на повърхността на Земята, растителността, атмосферата, сградите и т.н. върху разпространението на радиовълните.
След това параметрите, които влияят на обхвата, ще бъдат разгледани поотделно.
Използваният модем
Обхватът на връзката зависи само от два параметъра на модема: мощността на предавателя
и чувствителността на приемника
, по-скоро от тяхната разлика — енергийния бюджет на модема
(2)

За да увеличите обхвата на връзката, е необходимо да изберете модем с по-висока стойност
. Увеличението
всъщност може да се постигне чрез увеличаване на
или чрез намаляване на
. Предпочитание трябва да се дава на търсенето на модеми с висока чувствителност (
колкото се може по-ниска), а не на увеличаването на мощността на предавателя
. Този въпрос е подробно разгледан в първата статия .
В допълнение към материалите трябва да се има предвид, че отделни производители, например Microhard , в спецификациите на някои устройства не се посочва средната, а пикова мощност на предавателя, която е многократно по-висока от средната и не може да се използва за изчисляване на обхвата, тъй като това ще доведе до значително превишаване на изчисления обхват в сравнение с действителната стойност. Такива устройства са, например, популярният модул pDDL2450 [,]. Този факт произтича директно от резултатите от тестването на това устройство, проведено за получаване на FCC сертификат. (вж. стр. 58). Резултатите от тестването на безжични устройства, които имат FCC сертификати, могат да бъдат видяни на сайта на FCC ID, , като се въведе съответният FCC ID в полето за търсене, който трябва да бъде на етикета с обозначението на типа устройство. FCC идентификацията на модула pDDL2450 е следната: NS916pDDL2450.
Честота на радиоканала
От уравнението за обхват еднозначно следва, че колкото по-ниска е работната честота,
, толкова по-голям е обхватът на свързването.
. Но нека не бързаме с изводите. Факт е, че и други параметри, включени в уравнението, също зависят от честотата. Например, коефициентите на усилване на антените
и
ще зависят от честотата, в случай че максималните размери на антените са фиксирани,, което действително е приложимо в практиката. Коефициентът на усилване на антената,
, изразен в безразмерни единици (рази), може да бъде изразен чрез физическата площ на антената
по следния начин:
(3)

където
— ефективността на отвора на антената, т.е. отношението на ефективната площ на антената към физическата (зависи от конструкцията на антената), .
От очевидно е, че при фиксирана площ на антената коефициентът на усилване нараства пропорционално на квадрата на честотата. Да заместим в , преди да пренапишем, с използване на безразмерни единици за коефициентите на усилване на антените,
,
, загубите в кабелите
,
и множителя на загубата,
, както и с използване на ватове за
и
вместо dBm. Тогава
(4)

където коефициентът
е константа при фиксирани размери на антената. Така че, в тази ситуация обхватът на свързването е право пропорционален на честотата, т.е. колкото по-висока е честотата, толкова по-голям е обхватът. Извод. При фиксирани размери на антени, повишаването на честотата на радиолинията води до увеличаване на обхвата на връзката благодарение на подобряване на насочващите свойства на антените. Въпреки това, трябва да имате предвид, че с нарастването на честотата нараства и загубата на радиовълни в атмосферата, предизвикана от газове, дъжд, градушка, сняг, мъгла и облаци. . Освен това, с увеличаване на дължината на трасето, загубата в атмосферата също нараства. По тази причина за всяка дължина на трасето и средни метеорологични условия на него съществува определена максимална стойност на носещата честота, ограничена от допустимото ниво на загуба на сигнала в атмосферата. Оставяме окончателното решение на въпроса за влиянието на честотата на радиоканала върху обхвата на връзката за раздела, в който ще бъде разгледано влиянието на повърхността на Земята и атмосферата върху разпространението на радиовълните.
Антени
Обхватът на връзката се определя от такъв параметър на антената като коефициент на усилване
(gain в англоязичната терминология), измерван в dBi. Коефициентът на усилване е важен композитен параметър, тъй като отчита: (1) способността на антената да фокусира енергията на предавателя в посока на приемника в сравнение с изотропен излъчвател (isotropic, откъдето идва индексът i в dBi); (2) загубите в самата антена [,]. За увеличаване на обхвата на връзката трябва да се избират антени с максимално възможна стойност на коефициента на усилване от тези, които са подходящи по масово-габаритни параметри и възможности на системата за приведение. Способността на антената да фокусира енергия не е безплатна, а само за сметка на увеличаването на размерите (апертурата) на антената. Например, колкото по-голяма е приемната антена, толкова по-голяма площ може да събира енергия за подаване на входа на приемника, а колкото повече енергия — толкова по-силен е приеманият сигнал, т.е. обхватът на връзката се увеличава. Така че, първо трябва да се определи максималните размери на антените, които са адекватни на решавания проблем, и да се ограничи областта на търсене с този параметър, а след това да се търси конкретен модел антена, опирайки се на максималния коефициент на усилване. Вторият важен за практиката параметър на антената е ширината на диаграмата на насочване (ДН) (beamwidth) [,], измерваемый в углови градуси. Обикновено, ширината на ДН се определя като ъгъл между две пространствени направления от центъра на антената, при които усилването на антената намалява с 3 dB от максимума за тази антена. Ширината на ДН по азимут и ракурс може да варира значително. Този параметър е тясно свързан с размерите на антената, според принципа: по-големи размери — по-малка ширина на ДН. В самото уравнение за далечина този параметър не е включен, но именно той определя изискванията за системата за насочване на антената на земната станция (ЗС) към БЛА, тъй като на ЗС обикновено се използват силно насочени антени, най-малкото в случаите, когато максимизацията на обхвата на връзката с БЛА е приоритет. Всъщност, докато проследяващата система на ЗС осигурява ъглова точност на насочване на антената към БЛА, равна на половината от ширината на ДН или по-малко, нивото на приетия/излъчвания сигнал няма да падне под 3 dB от максимума. Половината ширина на ДН на избраната антена при никакви условия не трябва да бъде по-малка от ъгловата грешка на системата за насочване на антената на ЗС по азимут или ракурс.
Кабели
За максимизиране на обхвата на връзката е необходимо да се използват кабели с възможно най-ниско дължимо затихване (cable attenuation или cable loss) на работна честота на радиолинията ЗС – БЛА. Дължината на затихване в кабела се определя като отношение на сигнала на изхода на отсечка от кабела с дължина 1 м (в метричната система) към сигнала на входа на отсечка от кабела, изразено в dB. Загубите в кабелите
, влизащи в уравнението за далечина , се определят чрез умножаване на дължимото затихване с дължината на кабела. Следователно, за да получите възможно най-голям обхват на връзката, е необходимо да се използват кабели с минимално възможно дължимо затихване и да се минимизира дължината на тези кабели. На ЗС модемните блокове трябва да се инсталират непосредствено на мачтата, до антените. В корпуса на БЛА модемът трябва да бъде разположен колкото е възможно по-близо до антените. Отделно, трябва да се контролира импедансът на избрания кабел. Този параметър се измерва в Ома и обикновено е равен на 50 или 75 Ома. Импедансът на кабела, антенния разъем на модема и разъемът на самата антена трябва да бъдат равни.
Влиянието на повърхността на Земята
В този раздел ще разгледаме разпространението на радиовълни над равнина или морска повърхност. Тази ситуация не рядко се среща в практиката на използване на ДРОН. Мониторинг на тръбопроводи, ВЛЕП, селскостопански посеви, много военни и специални операции — всичко това добре се описва от тази модел. Човешкият опит рисува картина, в която връзката между обектите е възможна, ако те се намират в зона на директна оптична видимост една от друга, в противен случай връзката е невъзможна. Въпреки това, радиовълните не спадат към оптичния диапазон, така че при тях ситуацията е малко по-различна. В тази връзка на разработчика и оператора на ДРОН е полезно да запомни следните два факта.
1. Връзката в радиодиапазона е възможна и при отсъствие на пряка видимост между НС и ДРОН.
2. Влиянието на подстилащата повърхност върху връзката с ДРОН ще бъде усетено дори когато няма никакви обекти в оптичната линия НС‒ДРОН.
За да разберем спецификата на разпространението на радиовълни в близост до повърхността на Земята, е полезно да се запознаем с концепцията за съществената зона на разпространение на радиовълни. . При отсъствие на каквито и да било обекти в съществената зона на разпространение на радиовълни, изчислението на дистанцията може да се извърши по формули за свободно пространство, т. е.
в може да се приеме равен на 0. Ако обаче в съществената зона има обекти, то не е позволено да се постъпва така. На рис. 1 в точка A е изобразен точков излъчвател, разположен на височина
над повърхността на Земята, който излъчва електромагнитна енергия във всички посоки с еднаква интензивност. В точка B на височина
се намира приемник за измерване на интензивността на полето. В тази модел съществената зона на разпространение на радиовълни представлява елипсоида с фокуси в точки A и B.

Рис. 1. Съществена зона на разпространение на радиовълни
Радиусът на елипсоида в най-„дебелата“ му част се определя от израза
(5)

От се вижда, че
зависи от честотата
обратно пропорционално, колкото по-малко
, толкова по-„дебел“ е елипсоидът (
на рис. 1). В допълнение, „дебелината“ на елипсоидата нараства с увеличаването на разстоянието между обектите на връзка. За вълни в радиодиапазона
може да има доста внушителна величина, така при
10 км,
2.45 GHz ще получим
50÷60 м.
Сега ще разгледаме непрозрачния обект, изобразен сивия триъгълник на рис. 1. Той ще влияе на разпространението на радиовълни с честота
, тъй като се намира в съществена зона на разпространение, и практически не ще оказва влияние на разпространението на радиовълни с честота
. За радиовълните в оптичния диапазон (светло) величината
е малка, затова влиянието на повърхността на Земята върху разпространението на светлината практически не се усеща. Като вземем предвид, че повърхността на Земята представлява сфера, не е трудно да разберем, че при увеличаване на разстоянието
, настилката ще навлиза все повече в съществената зона на разпространение, блокирайки по този начин постъпването на енергия от точка A в точка B — край на историята, връзката с БЛА се прекъсва. По подобен начин ще влияят на връзката и други обекти по маршрута, като неравности в рельефа, сгради, гори и т.н.
Сега ще разгледаме рис. 2, където непрозрачният обект напълно покрива съществената зона на разпространение на радиовълната с честота
, правейки невъзможна връзката на тази честота. В същото време връзката на честота
е все още възможна, тъй като част от енергията «прескача» над непрозрачния обект. Колкото по-малка е честотата, толкова по-далеч зад оптичния хоризонт може да се разпространи радиовълната, поддържайки стабилна връзка с БЛА.

Рис. 2. Покритие на съществената област на разпространение на радиовълни
Степента на влияние на повърхността на Земята върху връзката зависи и от височината на разположение на антените
и
. Колкото по-високи са антените, толкова по-голямо разстояние може да бъде разширено между точките A и B, без да допускаме обекти или настилката в съществената зона.
С увеличаване на навлизането на обект или настилката в съществената зона, интензивността на полето в точка B ще осцилира , т. е. тя ще бъде или по-голяма, или по-малка от средната интензивност на полето. Това се случва заради отразяването на енергия от обекта. Отразената енергия може да се комбинира в точка B с основната енергия в фаза — тогава в интензивността на полето възниква повишение, или в противофаза — тогава в интензивността на полето възниква спад (и доста дълбок). Важно е да се помни за този ефект, за да се разбере спецификата на връзката с БЛА. Изчезването на връзката с БЛА на определена дистанция може да бъде причинено от локален спад на интензивността на полето заради осцилации, т. е. ако се прелети още известно разстояние, то връзката може да се възстанови. Окончателното изчезване на връзката ще настъпи само след пълното покриване на съществена зона от обекти или подпочвена повърхност. По-нататък ще предложим методи за справяне с последствията от осцилациите на интензивността на полето.
Формули за изчисление на множителя на ослабване
при разпространение на радиовълна над равна повърхност на Земята са доста сложни, особено за разстояния
, надвишаващи обхвата на оптичния хоризонт . Затова в по-нататъшното разглеждане на проблема ще прибегнем до математическо моделиране с помощта на пакета компютърни програми на автора. Да разгледаме типична задача за предаване на видео от борда на БЛА към НС с помощта на модем 3D Link от компанията Геоскан. Изходните данни са следните.
1. Височина на закрепване на антената на НС: 5 м.
2. Височина на полета на БЛА: 1000 м.
3. Честота на радиолинията: 2.45 GHz.
4. Коэффициент на усилване на антената на НС: 17 dB.
5. Коэффициент на усилване на антената на БЛА: 3 dB.
6. Мощност на предавателя: +25 dBm (300 mW).
7. Скорост в видеоканала: 4 Mbps.
8. Чувствителност на приемника в видеоканала: −100.4 dBm (за диапазона на честоти, зает от сигнала 12 MHz).
9. Подпочвена повърхност: суха почва.
10. Поляризация: вертикална.
Разстоянието на пряка оптична видимост за тези изходни данни ще бъде 128.8 км. Резултатите от изчисленията под формата на мощността на сигнала на входа на приемника на модема в dBm са представени на рис. 3.

Рис. 3. Мощността на сигнала на входа на приемника на модема 3D Link
Синята крива на рис. 3 представлява мощността на сигнала на входа на приемника НС, а червената права линия обозначава чувствителността на този приемник. По ос X е отложена дистанцията в км, а по ос Y — мощността в dBm. В точките, в които синята крива е над червената права, приемът на видео от борда на БЛА е възможен; в противен случай връзката няма да съществува. От графика е видно, че заради осцилациите изчезването на връзката ще се случи в диапазона на дистанции 35.5–35.9 км и по-късно в диапазона 55.3–58.6 км. Въпреки това окончателното прекъсване на връзката ще настъпи много по-далеч — след 110.8 км полет.
Както вече беше споменато, провалите в напрежението на полето възникват поради съчетаване в противофаза на мястото на разположение на антената НС на директния и отразения сигнал от повърхността на Земята. За да се избегне загубата на връзка на НС поради провали, трябва да се изпълнят 2 условия.
1. Да се използва модем на НС с най-малко два канала за приемане (RX diversity), например 3D Link. .
2. Да се разположат приемните антени на мачтата на НС на различна височина.
Разстоянието между височините на приемните антени трябва да се изготви така, че провалите в напрежението на полето на мястото на разположение на една антена да бъдат компенсирани от нивата над чувствителността на приемника на мястото на разположението на другата антена. На рис. 4 е показан резултатът от този подход за случая, когато една антена на НС е на височина 5 м (синята непрекъсната крива), а другата — на височина 4 м (синята пунктирна крива).

Рис. 4. Мощността на сигнала на входовете на два приемника на модема 3D Link от антени, разположени на различна височина.
От рис. 4 ясно се вижда ефективността на този метод. Действително, през целия полет на БЛА, до дистанцията 110.8 км сигналът на входа на поне един от приемниците НС надвишава нивото на чувствителността, т.е. видеото от борда няма да бъде прекъснато през цялата дистанция на полета.
Предложеният метод обаче помага за повишаване на надеждността единствено на радиолинията БЛА→НС, тъй като възможността за разполагане на антени на различна височина съществува само на НС. Осигуряването на разстояние между антените по височина от 1 м на БЛА не представлява вероятност. За повишаване на надеждността на радиолинията НС→БЛА могат да се използват следните подходи.
1. Да се подава сигнал от предавателя на НС към тази антена, която приема по-мощен сигнал от БЛА.
2. Използвайте пространствени-кодове, например код Аламоути. .
3. Използвайте технология за управление на ДН антени (beamforming) с възможност за управление на мощността на сигнала, изпращан към всяка от антените.
Първият метод е близък до оптималния за връзка с БЛА. Той е прост и в него цялата енергия на предавателя е насочена в нужната посока — към оптимално разположената антена. Например, на дистанция 50 км (вижте рис. 4) сигналът на предавателя се подава в антена, окачена на 5 метра, а на дистанция 60 км — в антена, окачена на 4 метра. Именно този метод се използва в модема 3D Link. Вторият метод не използва априорни данни за състоянието на канала на връзка БЛА→НС (нивото на приеманите сигнали на изходите на антените), затова той разделя енергията на предавателя равномерно между двете антени, което неизбежно води до загуба на енергия, тъй като едната от антените може да се намира в зона с по-ниска интензивност на полето. Третият метод по качество на връзката е еквивалентен на първия, но е много по-сложен за реализиране.
Нека разгледаме по-нататък въпроса за влиянието на честотата на радиовълните върху обхвата на връзката с БЛА с оглед на влиянието на подстилната повърхност. По-горе бе показано, че увеличаването на честотата е изгодно, тъй като при фиксирани размери на антените това води до увеличаване на обхвата на връзката. Въпреки това, въпросът за зависимостта от честотата не беше разгледан.
От тук следва, че отношението на коефициентите на усилване на антените, равни по площ и проектирани да работят на честоти, , е равно на
и
2450 MHz;
(6)

За
915 MHz ще получим
7.2 (8.5 dB). Примерно така и се случва на практика. Нека сравним например параметрите на следните антени на производителя Wireless Instruments:
WiBOX PA 0809-8V [13] (честота: 0.83–0.96 GHz; ширина на лъч: 70°/70°; усилване: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (честота: 2.3–2.5 GHz; ширина на лъч: 30°/30°; усилване: 15 dBi).
- WiBOX PA 24-15 [14] (честота: 2.3–2.5 GHz; широчина на лъча: 30°/30°; усилване: 15 dBi).
Данните на антените са удобни за сравнение, тъй като те са изработени в идентични корпуси с размери 27х27 см, т.е. имат еднаква площ. Забелязваме, че коефициентът на усилване на антените се различава с 15−8=7 дБ, което е близко до изчисленото значение от 8.5 дБ. От характеристиките на антените също така личи, че ширината на диаграмата на направлението на антената за диапазон 2.3–2.5 GHz (30°/30°) е повече от два пъти по-тясна, отколкото ширината на диаграмата на антената за диапазон 0.83–0.96 GHz (70°/70°), т.е. усилването на антените при еднакви размери наистина нараства за сметка на подобрените насочващи свойства. Като се има предвид, че в линията на комуникация се използват 2 антени, отношението
ще бъде 2∙8.5=17 дБ. Следователно, при еднакви размери на антените, енергийният бюджет на радиолинията с честота
2450 MHz ще бъде с 17 дБ по-висок, отколкото бюджетът на линията с честота
915 MHz. В изчислението ще вземем предвид и факта, че на БЛА обикновено се използват штифтови антени, при които размерите не са толкова критични, както за разгледаните панелни антени НС. Следователно, приемаме коефициентите на усилване на антената БЛА за честотите
и
да бъдат равни. Т.е. разликата в енергийните бюджети на линиите ще бъде 8.5 дБ, а не 17 дБ. Резултатите от изчислението, извършено за тези изходни данни и височина на окачването на антената НС 5 м, са показани на фиг. 5.

Фиг. 5. Мощността на сигнала на входа на приемника за радиолинии, работещи на честоти 915 и 2450 MHz
От фиг. 5 се вижда ясно, че обхватът на връзката при увеличаване на работната честота и еднаква площ на антената НС нараства от 96.3 км за радиолиния с честота 915 MHz до 110.8 км за линия с честота 2450 MHz. Въпреки това, линията на 915 MHz има по-ниска честота на осцилациите. По-малко осцилации — по-малко спадове на интензитета на полето, т.е. по-малка вероятност за прекъсване на връзката с БЛА през цялата дистанция на полета. Възможно е именно този факт да обуславли популярността на субгигахерцовия диапазон радиовълни за командно-телеметрични линии за свързване с БЛА като най-надежден. В същото време, при изпълнение на описаните по-горе действия за защита от осцилации на интензитета на полето, радиолиниите от гигахерцовия диапазон осигуряват по-голям обхват на връзката благодарение на подобрените насочващи свойства на антените.
От разглеждане на рис. 5 също може да се заключи, че в зоната на сянка (след маркер 128.8 км) намалението на работната честота на комуникационната линия е оправдано. Наистина, в точка около −120 дБм кривите на мощността за честотите
и
се пресичат. Т.е. при използване на приемници с чувствителност по-добра от −120 дБм, радиолинията на честота 915 МГц ще осигурява по-голямо разстояние за свързване. В този случай обаче трябва да се вземе предвид необходимата пропускателна способност на връзката, тъй като за толкова висока стойност на чувствителността скоростта на информация ще бъде много ниска. Например, модемът 3D Link въпреки че осигурява чувствителност до −122 дБм, агрегатната (в двете посоки) скорост на предаване на информация при това ще бъде 23 кбит/сек, което в принципе е достатъчно за КТРЛ връзка с БЛА, но явно недостатъчно за предаване на видео от борда. Така че, субгигахерцовият диапазон наистина има малко предимство пред гигахерцовия диапазон за КТРЛ, но явно губи в характеристиките при организиране на видео линии.
При избора на честота на радиолинията трябва също да се вземе под внимание отслабването на сигнала при разпространение в атмосферата на Земята. За връзки НС–БЛА отслабването в атмосферата се причинява от газове, дъжд, град, сняг, мъгла и облаци . За работни честоти на радиолинии под 6 ГГц отслабването в газовете може да се пренебрегне . Най-силното отслабване се наблюдава при дъждове, особено при висока интензивност (ливни). В таблица 1 са посочени данни за линейно затихване [дБ/км] при дъждове с различна интензивност за честоти 3–6 ГГц.
Таблица 1. Линейно отслабване на радиовълни [дБ/км] при дъждове с различна интензивност в зависимост от честотата
Честота [ГГц]
3 мм/час (слабък)
12 мм/час (умерен)
30 мм/час (силен)
70 мм/час (ливен)
3.00
0.3∙10−3
1.4∙10−3
3.6∙10−3
8.7∙10−3
4.00
0.3∙10−2
1.4∙10−2
3.7∙10−2
9.1∙10−2
5.00
0.8∙10−2
3.7∙10−2
10.6∙10−2
28∙10−2
6.00
1.4∙10−2
7.1∙10−2
21∙10−2
57∙10−2
От Таблица 1 може да се види, че например на честота от 3 GHz затихването в дъжд ще бъде около 0.0087 dB/km, което на разстояние от 100 км ще доведе до 0.87 dB общо затихване. С повишаване на работната честота на радиолинията, затихването в дъжд значително нараства. За честота от 4 GHz, затихването в дъжд на същата линия ще бъде вече 9.1 dB, а на честоти 5 и 6 GHz - 28 и 57 dB съответно. В този случай обаче се предполага, че дъжд с зададена интензивност обхваща цялата дължина на трасето, което рядко се случва в практиката. Въпреки това, при използване на БЛА в райони с чести интензивни дъждове, се препоръчва да се избира работна честота на радиолинията под 3 GHz.
Литература
1. Смородинов А.А. Хабр. 2019.
2. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Разпространение на радиовълни и работа на радиолинии. Свързаност. Москва. 1971.
3.
4.
5.
6.
7.
8. C.A. Balanis. Теория на антените. Анализ и проектиране. Четвърто издание. John Wiley & Sons. 2016.
9. Статия в Уикипедия.
10. Статия в Уикипедия.
11.
12. S.M. Alamouti. «Проста техника за предавателно разнообразие за безжични комуникации». IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13.
14.
Източник: habr.com
