Как да увеличим обхвата на комуникация с безпилотен летателен апарат (БЛА)

Задачата за увеличаване на обхвата на свързаност с безпилотен летателен апарат (БЛА) остава актуална. В тази статия се разглеждат методи за подобряване на този параметър. Статията е написана за разработчици и оператори на БЛА и представлява продължение на цикъл от статии за свързаност с БЛА (началото на цикъла вижте в [1].

Какво влияе на обхвата на свързаност

Обхватът на свързаност зависи от използвания модем, антени, антенно кабели, условията за разпространение на радиовълни, външните смущения и някои други причини. За да определим степента на влияние на даден параметър върху обхвата на свързаност, ще разгледаме уравнението за обхват [2]
(1)

където
— търсения обхват на свързаност [метри];
— скоростта на светлината във вакуум [м/сек];
— честота [Hz];
— мощността на предавателя на модема [dBm];
— усилването на антената на предавателя [dBi];
— загубите в кабела от модема до антената на предавателя [dB];
— усилването на антената на приемника [dBi];
— загубите в кабела от модема до антената на приемника [dB];
— чувствителността на приемника на модема [dBm];
— множител на затихването, отчитящ допълнителни загуби поради влиянието на повърхността на Земята, растителността, атмосферата и други фактори [dB].

От уравнението е видно, че обхватът се определя от:

• използвания модем;
• честота на радиоканала;
• използвани антени;
• загуби в кабелите;
• влиянието на повърхността на Земята, растителността, атмосферата, сградите и др.

Наред с това, влияещите на обхвата параметри ще бъдат разгледани отделно.

Използваният модем

Обхватът на свързаност зависи само от два параметъра на модема: мощността на предавателя и чувствителността на приемника , по-точно от тяхната разлика — енергийния бюджет на модема
(2)

За да увеличите обхвата на свързаност, е необходимо да изберете модем с по-висока стойност . Увеличаването му може от своя страна да се постигне чрез увеличаване на или чрез намаляване на . Предпочитание трябва да се отдава на търсенето на модеми с висока чувствителност ( колкото може по-ниска), а не на увеличаване на мощността на предавателя . Този въпрос е подробно разгледан в първата статия [1].

В допълнение към материалите [1] трябва да се има предвид, че отделни производители, например Microhard [3], указват в спецификациите на определени устройства не средна, 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 надвишаване на изчисления обхват над реалната стойност. Към такива устройства принадлежат например популярният модул pDDL2450 [4,5]. Този факт произтича директно от резултатите от тестовете на това устройство, проведени за получаване на FCC сертификат [6] (вж. стр. 58). Резултатите от тестовете на безжични устройства, които имат FCC сертификати, можете да видите на сайта FCC ID [7], като въведете в търсачката съответния FCC ID, който трябва да бъде на етикета с обозначение на типа устройство. Идентификаторът на FCC модула pDDL2450 е следният: NS916pDDL2450.

Честота на радиоканал

От уравнението за разстояние (1) еднозначно следва, че колкото по-малка е работната честота , толкова по-голямо е разстоянието за връзка . Но нека не бързаме с изводите. Работата е там, че и други параметри, влизащи в уравнението, също зависят от честотата. Например, усилващите фактори на антените и ще зависят от честотата, когато максималните размери на антените са фиксирани, което точно се случва в практиката. Усилването на антената , изразено в безразмерни единици (рази), може да бъде изразено чрез физическата площ на антената по следния начин [8]
(3)

където — ефективността на апертурата на антената, т.е. отношението на ефективната площ на антената към физическата (зависи от конструкцията на антената) [8].

От (3) сразу се вижда, че при фиксирана площ на антената, коефициентът на усилване нараства пропорционално на квадрата на честотата. Нека заместим (3) в (1), предварително пренаписвайки (1) с използване на безразмерни единици за коефициентите на усилване на антените , , загубите в кабелите , и множителят на загубата , а също и с използване на ват за и вместо dBm. Тогава
(4)

където коефициентът е константа при фиксирани размери на антената. По този начин, в тази ситуация разстоянието за връзка е право пропорционално на честотата, т.е. колкото по-висока е честотата, толкова по-голямо е разстоянието. Извод. При фиксирани размери на антените, увеличаването на честотата на радиолинията води до увеличаване на разстоянието за връзка поради подобряване на насочените свойства на антените. Въпреки това, трябва да се има предвид, че с увеличаване на честотата нараства и затихването на радиовълните в атмосферата, причинено от газове, дъжд, градушка, сняг, мъгла и облаци [2]. И с увеличаване на дължината на трасето затихването в атмосферата също нараства. Поради тази причина за всяка дължина на трасето и средни метеорологични условия по него съществува определено максимално значение на носещата честота, ограничено от допустимото ниво на затихване на сигнала в атмосферата. Оставяме окончателното решение на въпроса за влиянието на честотата на радиоканала върху разстоянието за връзка до раздела, в който ще бъде разгледано влиянието на повърхността на Земята и атмосферата върху разпространението на радиовълните.

Антени

Разстоянието за връзка се определя от такъв параметър на антената като коефициент на усилване (gain в англоезичната терминология), измерван в dBi. Коэффициентът на усилване е важен композитен параметър, тъй като той отчита: (1) способността на антената да фокусира енергията на предавателя в посока на приемника в сравнение с изотропния излъчвател (isotropic, откъдето идва индексът i в dBi); (2) загубите в самата антената [8,9За увеличаване на обхвата на връзката трябва да се избират антени с максимално възможно значение на коефициента на усилване, които отговарят на масово-габаритните параметри и възможностите на системата за насочване. Способността на антената да фокусира енергия не идва безплатно, а само за сметка на увеличаване 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 приемаемият сигнал, т.е. обхватът на връзката се увеличава. Следователно, първо трябва да се определи с максималните размери на антените, които са адекватни на решаваната задача и да се ограничи обхвата на търсене на базата на този параметър, а след това да се извърши търсене на конкретен модел антена, ориентирайки се на максималния коефициент на усилване. Вторият важен параметър на антената за практиката е ширината на диаграмата на насоченост (ДН) (beamwidth) [8,10], измерваща се в ъглови градуси. Обикновено, ширината на ДН се определя като ъгъл между двете 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 ъгъл на място може да се различава значително. Този параметър е тясно свързан с размерите на антената по принципа: по-големи размери – по-малка ширина на ДН. Този параметър не влиза директно в уравнението за обхват, но именно той определя изискванията към системата за насочване на антената на наземната станция (НС) към БЛА, тъй като на НС, по правило, се използват силно насочени антени, поне в случаите, когато максимизацията на обхвата на връзката с БЛА е приоритет. В действителност, докато системата за проследяване на НС осигурява ъглова точност на насочване на антената към БЛА, равна на половината от ширината на ДН или по-малко, нивото на приемаемия/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 НС по азимут или ъгъл на място.

Кабели

За максимизиране на обхвата на връзката е необходимо да се използват кабели с възможно по-малко погонно затихване (cable attenuation или cable loss) на работната частота на радиолинията НС – БЛА. Погонното затихване в кабела се определя като отношение на сигнала на изхода на участък от кабел с дължина 1 м (в метричната система) към сигнала на входа на участъка кабел, изразено в dB. Загубите в кабелите , влизащи в уравнението за обхват (1), определяят се от умножението на линейната загуба по дължината на кабела. Следователно, за да се осигури максималната възможна връзка, е необходимо да се използват кабели с минимална линейна загуба и да се минимизира дължината им. На НС модемните блокове трябва да се монтират директно на мачтата близо до антените. В корпуса на БЛА модемът трябва да бъде разположен възможно най-близо до антените. Освен това, важно е 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, антенното свързване на модема и свързването на самата антена трябва да са равни.

Влиянието на земната повърхност

В този раздел ще разгледаме разпространението на радиовълни над равнината или морската повърхност. Тази ситуация често се среща в практиката на използване на БЛА. Мониторинг на тръбопроводи, ЛЕП, селскостопански посеви, множество военни и специални операции — всичко това се описва добре от тази модел. Човешкият опит рисува картина, в която връзката между обектите е възможна само когато те са в областта на пряка оптична видимост един от друг, в противен случай връзката е невъзможна. Въпреки това, радиовълните не попадат в оптичния диапазон, затова с тях нещата стоят по-различно. В тази връзка на разработчика и експлоататора на БЛА е полезно да запомнят следните два факта.

1. Връзката в радиочестотния диапазон е възможна и при отсъствие на пряка видимост между НС и БЛА.
2. Влиянието на подпочвената повърхност върху връзката с БЛА ще се усеща дори и когато няма обекти на оптичната линия НС–БЛА.

За разбирането на спецификата на разпространението на радиовълни близо до земната повърхност е полезно да се запознаем с концепцията за съществената област на разпространение на радиовълните. [2]. При отсъствието на каквито и да било обекти в съществената зона на разпространение на радиовълните, изчислението на разстоянието може да се извършва по формули за свободно пространство, т. е. в (1) може да се приеме за равно на 0. Въпреки това, ако в съществената зона има обекти, не трябва да се постъпва по този начин. На рис. 1 в точка A е показан точков излъчвател, разположен на височина над земната повърхност, 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 този модел съществената област на разпространение на радиовълни представлява елипсоид с фокуси в точки A и B.

Рис. 1. Съществена област на разпространение на радиовълни

Радиусът на елипсоида в най-дебелата му част се определя чрез израза [2]
(5)

От (5) вижда се, че зависи от честотата обратно пропорционално, колкото по-малко , толкова "по-дебел" е елипсоидът ( на рис. 1). Освен това, «дебелината» на елипсоида нараства с увеличаването на разстоянието между свързаните обекти. За радиовълните може да има доста значителна величина, така например на 10 км, при 2.45 GHz получаваме 50÷60 м.

Сега да разгледаме непрозрачен обект, изобразен с сив триъгълник на рис. 1. Той ще влияе на разпространението на радиовълни с честота , тъй като се намира в съществената зона на разпространение, и практически няма да влияе на разпространението на радиовълни с честота . За радиовълните в оптичния диапазон (светлина) величината е малка, затова влиянието на повърхността на Земята върху разпространението на светлината в практиката не се усеща. С оглед на факта, че повърхността на Земята представлява сфера, не е трудно да се разбере, че при увеличаване на разстоянието , подстилащата повърхност ще влезе 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 е прекъсната. Подобно влияние ще окажат и други обекти по трасето, като неравности на релефа, сгради, гори и т.н.

Сега да разгледаме рис. 2, където непрозрачният обект напълно затваря съществената зона на разпространение на радиовълната с честота , което прави връзката на тази честота невъзможна. В същото време връзката на честота все още е възможна, защото част от енергията «препрыгва» 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. Затваряне на съществената област на разпространение на радиовълни

Степента на влияние на повърхността на Земята върху връзката зависи също от височината на разполагане на антените и . Колкото по-голяма е височината на антените, толкова по-голямо разстояние могат да се раздвинат точките A и B, без да позволят на обекти или подстилаща повърхност да влязат в съществената зона.

С напредването на обекта или подстилаща повърхност в съществената зона, интензивността на полето в точка B ще осцилира. [2], т.е. тяга на полето ще варира и ще бъде равна на средната сила на полето. Това се случва заради отражението на енергията от обекта. Отразената енергия може да се комбинира в точка B с основната енергия в фаза — тогава в силата на полето ще настъпи увеличение, или в противофаза — тогава ще настъпи спад на силата на полето (и значителен). Важно е да се помни този ефект, за да се разбере спецификата на връзката с БЛА. Загубата на връзка с БЛА на определено разстояние може да бъде предизвикана от локален спад на силата на полето поради осцилации, т.е. ако се премине още разстояние, връзката може да се възстанови. Окончателната загуба на връзка ще настъпи едва след пълното покритие на съществена зона от обекти или подстилаща повърхност. По-долу ще бъдат предложени методи за справяне с последиците от осцилациите на силата на полето.

Формули за изчисление на множителя на отслабване при разпространението на радиовълна над гладка повърхност на Земята са доста сложни, особено за разстояния , надвишаващи обхвата на оптическия хоризонт [2]. Затова в по-нататъшното разглеждане на проблема ще прибегнем до математическо моделиране с помощта на компютърни програми на автора. Нека разгледаме типичната задача за предаване на видео от борда на БЛА на НС, използвайки модем 3D Link [11] от компанията Геоскан. Изходните данни са следните.

1. Височина на антена НС: 5 м.
2. Височина на полет на БЛА: 1000 м.
3. Честота на радиолинията: 2.45 GHz.
4. Коэффициент на усилване на антена НС: 17 dB.
5. Коэффициент на усилване на антена БЛА: 3 dB.
6. Мощност на предавателя: +25 dBm (300 mW).
7. Скорост в видео канала: 4 Mbps.
8. Чувствителност на приемника в видео канала: -100.4 dBm (за честотния обхват, зает от сигнала 12 MHz).
9. Подстилаща повърхност: суха почва.
10. Поляризация: вертикална.

Разстоянието на директна оптическа видимост за тези входни данни ще бъде 128.8 км. Резултатите от изчисленията под формата на мощност на сигнала на входа на приемника на модема в dBm са представени на рис. 3.

Рис. 3. Мощност на сигнала на входа на приемника на модема 3D Link [11]

Синята крива на рис. 3 показва мощността на сигнала на входа на приемника на НС, а червената права линия обозначава чувствителността на този приемник. По оста X е разположено разстоянието в км, а по оста Y — мощността в dBm. В точките на разстоянието, в които синята крива е над червената права, приемането на видео от борда на БЛА е възможно, в противен случай връзката няма да бъде. От графика е видно, че поради осцилации загубата на връзка ще се случи в диапазона от разстояния 35.5–35.9 км и след това в диапазона 55.3–58.6 км. При това окончателното прекъсване на връзката ще настъпи значително по-далеч — след 110.8 км полет.

Както беше споменато по-горе, пропадането на полевата сила възниква от съвпадения в противофаза на мястото на антената на НС с директния и отразения от повърхността на Земята сигнал. Може да се избегне пропадането на връзката на НС поради тези провали, като се изпълнят две условия.

1. Да се използва модем на НС с поне два канала за прием (RX diversity), например 3D Link. [11].
2. Да се разположат приемните антени на мачтата на НС на различни височини.

Разстоянието между височините на приемните антени трябва да бъде направено така, че пропаданията в полевата сила на мястото на една антена да се компенсират от нивата над чувствителността на приемника на мястото на друга антена. На рис. 4 е показан резултатът от такъв подход за случая на разположение на една антена на НС на височина 5 м (синя плътна крива), а друга — на височина 4 м (синя пунктирна крива).

Рис. 4. Мощността на сигнала на входовете на два приемника на модема 3D Link от антените, разположени на различни височини.

От рис. 4 ясно се вижда плодородността на този метод. Наистина, по цялата дистанция на полета на БЛА, до разстояние от 110.8 км сигналът на входа на поне един приемник на НС надвишава нивото на чувствителността, т.е. видеото от борда няма да се прекъсва през цялата дистанция на полета.

Предложеният метод обаче помага за повишаване на надеждността на радиолинията БЛА→НС, тъй като възможността за разполагане на антените на различни височини е само на НС. Осигуряването на разстояние между антените от 1 м на БЛА не е възможно. За повишаване на надеждността на радиолинията НС→БЛА могат да се използват следните подходи.

1. Да се подава сигналът от предавателя на НС към антената, която приема по-силен сигнал от БЛА.
2. Да се използват пространствено-времеви кодове, например кодът на Аламути. [12].
3. Да се използва технология за управление на ДН на антената (beamforming) с възможност за управление на мощността на сигнала, предавана на всяка от антените.

Първият метод е близък до оптималния за свързване с БЛА. Той е прост и всяка енергия от предавателя се насочва в необходимата посока — към оптимално разположената антена. Например, на разстояние 50 км (вж. рис. 4) сигналът от предавателя се подава към антената, окачена на 5 метра, а на разстояние 60 км — към антената, окачена на 4 метра. Именно този метод се използва в модема 3D Link. [11]Вторият метод не използва предварителни данни за състоянието на радиоканала БЛА→НС (нивото на приеманите сигнали на изходите на антените), затова разпределя енергията на предавателя равномерно между двете антени, което неизбежно води до загуби на енергия, тъй като една от антените може да се намира в зона с ниска полева сила. Третият метод е еквивалентен на първия по качество на връзката, но е много по-сложен за изпълнение.

Нека разгледаме по-нататък въпроса за влиянието на радиочестотите върху обхвата на връзката с БПЛА, като се вземе предвид влиянието на подстилащата повърхност. По-горе беше показано, че повишаването 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. Следва (3) че отношението на коефициентите на усилване на антените, равни по площ и проектирани да работят на честоти и , е равно
(6)

За 2450 МГц; 915 МГц ще получим 7.2 (8.5 дБ). По подобен начин се случва на практика. Нека сравним параметрите на следните антени на производителя Wireless Instruments:

• WiBOX PA 0809-8V [13] (честота: 0.83–0.96 GHz; ширина на лъча: 70°/70°; усилване: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (честота: 2.3–2.5 GHz; ширина на лъча: 30°/30°; усилване: 15 dBi).

Тези антени е удобно да се сравняват, тъй като са изпълнени в идентични корпуси 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 8.5 дБ. От характеристиките на антените също така можем да видим, че ширината на диаграмата на насоченост на антената в диапазона 2.3–2.5 GHz (30°/30°) е повече от два пъти по-тясна от ширината на диаграмата на насоченост на антената в диапазона 0.83–0.96 GHz (70°/70°), т.е. усилването на антените при еднакви размери наистина нараства благодарение на подобрените насочващи свойства. Имаме предвид, че в линията на връзка се използват 2 антени, така че отношението ще бъде 2∙8.5=17 дБ. Така, при еднакви размери на антените, енергийният бюджет на радиопровода с честота 2450 MHz ще бъде по-голям с 17 dB в сравнение с бюджета на линията с честота 915 MHz. В изчислението ще вземем предвид и факта, че обикновено за БПЛА се използват стъклени антени, за които размерите не са толкова критични, колкото при разгледаните панелни антени на НС. Следователно, приемаме коефициентите на усилване на антената за БПЛА за честотите и за равни. Т.е. разликата в енергийните бюджети на линиите ще бъде 8.5 dB, а не 17 dB. Резултатите от изчислението, извършено за тези входни данни и височината на окачване на антената НС 5 м, са представени на фиг. 5.

Фиг. 5. Мощността на сигнала на входа на приемника за радиовръзки, работещи на честоти 915 и 2450 MHz.

От фиг. 5 е ясно, че обхватът на връзката се увеличава с увеличаване на работната честота и еднаква площ на антената НС от 96.3 км за радиолиния с честота 915 МГц до 110.8 км за линия с честота 2450 МГц. Въпреки това, линията с честота 915 МГц има по-ниска честота на колебания. По-малко колебания — по-малко спадове на интензивността на полето, т.е. по-малка вероятност за прекъсване на връзката с БЛА през цялото разстояние на полета. Вероятно именно този факт обяснява популярността на субгигахерцовия диапазон радиовълни за командно-телеметрични линии за свързване с БЛА като най-надеждния. В същото време, при изпълнение на описания по-горе комплекс от действия за защита от колебания на интензивността на полето, радиолинии в гигахерцовия диапазон осигуряват по-голям обхват на връзката за сметка на подобряване на насочващите свойства на антените.

От разглеждането на фиг. 5 също може да се заключи, че в сянката (след марката 128.8 км) понижението на работната честота на линията за връзка е смислено. Наистина, в точка приблизително −120 дБм кривите на мощността за честотите и се пресичат. Т.е. при прилагане на приемници с чувствителност над −120 дБм, радиолинията на честота 915 МГц ще осигурява по-голям обхват на връзката. В този случай, обаче, трябва да се вземе предвид необходимата пропускна способност на линка, тъй като за толкова висока стойност на чувствителността информационната скорост ще бъде много ниска. Например, модем 3D Link [11] въпреки че осигурява чувствителност до −122 дБм, агрегатната (в двете посоки) скорост на предаване на информация при това ще бъде 23 кбит/сек, което е в принцип достатъчно за КТРЛ връзка с БЛА, но очевидно 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 така да се вземе предвид загубата на сигнал при разпространение в атмосферата на Земята. За линиите за връзка НС–БЛА загубата в атмосферата се причинява от газове, дъжд, градушка, сняг, мъгла и облаци [2]. За работни честоти на радиолинии под 6 ГГц загубата в газовете може да се пренебрегне [2]. Най-силната загуба се наблюдава при дъждове, особено с висока интензивност (ливня). В таблица 1 са представени данни [2] за погонното затихване [дБ/км] при дъждове с различна интензивност за честоти 3–6 ГГц.

Таблица 1. Погонно затихване на радиовълните [дБ/км] при дъждове с различна интензивност в зависимост от честотата

Честота [ГГц]
3 мм/час (слаб)
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 таблици 1 става ясно, че при честота 3 GHz затихването в дъжд ще бъде около 0.0087 dB/km, което на трасето от 100 km ще даде 0.87 dB общо затихване. При покачване на работната честота на радиолинията, затихването в дъжда рязко нараства. За честота 4 GHz затихването в дъжда на същото трасе ще бъде вече 9.1 dB, а при честоти 5 и 6 GHz — 28 и 57 dB съответно. Важно е обаче да се има предвид, че дъжд с определена интензивност обикновено не покрива цялото трасе, което е рядкост в практиката. Все пак, при използването на БЛА в райони, където често има интензивни дъждове, се препоръчва да се избере работна честота на радиолинията под 3 GHz.

Литература

1. Смородинов А.А. Как да изберем широколентов модем за безпилотен летателен апарат (БЛА). Хабр. 2019.
2. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Разпространение на радиовълни и работа на радиолинии. Свързаност. Москва. 1971.
3. Microhard.
4. Спецификация на Pico Digital Data Link pDDL2450.
5. Спецификация на Picoradio OEM.
6. Инженерен тестов доклад. Pico 2.4GHz 1W Digital Data Link Module.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Теория на антените. Анализ и дизайн. Четвърто издание. John Wiley & Sons. 2016.
9. Усилване на антената. Статия в Уикипедия.
10. Ширина на лъча. Статия в Уикипедия.
11. Цифров дуплексен радиомодем 3D Link.
12. S.M. Alamouti. «Проста техника за предаване на разнообразие за безжични комуникации». IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP клиентска антена WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP клиентска антена WiBOX PA 24-15.

Източник: habr.com