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

Задачата за увеличаване на обхвата на комуникация с безпилотен летателен апарат (БЛА) остава актуална. Тази статия обсъжда методи за подобряване на този параметър. Статията е написана за разработчици и оператори на UAV и е продължение на поредица от статии за комуникация с UAV (за началото на поредицата вижте [1].

Какво влияе на обхвата на комуникация

Обхватът на комуникация зависи от използвания модем, антени, антенни кабели, условия на разпространение на радиовълните, външни смущения и някои други причини. За да определите степента на влияние на определен параметър върху комуникационния обхват, разгледайте уравнението за обхват [2]
(1)

където
— необходим комуникационен обхват [метри];
— скорост на светлината 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 модемния приемник [dBm];
— множител на затихване, като се вземат предвид допълнителните загуби поради влиянието на земната повърхност, растителността, атмосферата и други фактори [dB].

От уравнението може да се види, че диапазонът се определя от:

• използвания модем;
• честота на радиоканала;
• използвани антени;
• загуби в кабели;
• влияние върху разпространението на радиовълни от земната повърхност, растителност, атмосфера, сгради и др.

След това параметрите, влияещи върху диапазона, се разглеждат отделно.

Използван модем

Обхватът на комуникация зависи само от два параметъра на модема: мощност на предавателя и чувствителност на приемника , или по-скоро от тяхната разлика - енергийния бюджет на модема
(2)

За да увеличите обхвата на комуникация, е необходимо да изберете модем с голяма стойност . Нараства от своя страна е възможно чрез увеличаване или чрез намаляване . Предпочитание трябва да се даде на търсенето на модеми с висока чувствителност ( възможно най-ниска), вместо да увеличавате мощността на предавателя . Този въпрос е разгледан подробно в първата статия. [1].

В допълнение към материалите [1] Струва си да се има предвид, че някои производители, като Microhard [3], посочват в спецификациите на някои устройства не средната, а пиковата мощност на предавателя, която е няколко пъти по-голяма от средната и която не може да се използва за изчисляване на обхвата, тъй като това ще доведе до изчисления обхват, който значително надвишава истинския стойност. Такива устройства включват например популярния модул pDDL2450 [4,5]. Този факт пряко следва от резултатите от тестването на това устройство, извършено за получаване на FCC сертификат [6] (вижте страница 58). Резултатите от тестовете за сертифицирани от FCC безжични устройства могат да се видят на уебсайта на FCC ID [7]като въведете съответния FCC ID в лентата за търсене, който трябва да е на етикета, указващ типа на устройството. FCC ID на модула pDDL2450 е NS916pDDL2450.

Честота на радиоканала

От уравнението на диапазона (1) От това ясно следва, че колкото по-ниска е работната честота , толкова по-голям е комуникационният обхват . Но да не бързаме със заключенията. Факт е, че други параметри, включени в уравнението, също зависят от честотата. Например усилването на антената и ще зависи от честотата в случай, когато максималните размери на антените фиксирани, което точно се случва на практика. Усилване на антената , изразено в безразмерни единици (пъти), може да се изрази по отношение на физическата площ на антената както следва [8]
(3)

където — ефективност на апертурата на антената, т.е. съотношението на ефективната площ на антената към физическата (в зависимост от конструкцията на антената) [8].

На (3) Веднага става ясно, че за фиксирана площ на антената усилването нараства пропорционално на квадрата на честотата. Да заместим (3) в (1), като преди това е пренаписан (1) използване на безразмерни единици за усилване на антената , , кабелни загуби , и фактор на затихване , а също и използване на Watts за и вместо dBm. Тогава
(4)

къде е коефициентът е константа за фиксирани размери на антената. По този начин в тази ситуация обхватът на комуникация е право пропорционален на честотата, т.е. колкото по-висока е честотата, толкова по-голям е обхватът. Изход. При фиксирани размери на антените увеличаването на честотата на радиовръзката води до увеличаване на комуникационния обхват чрез подобряване на насочените свойства на антените. Трябва обаче да се има предвид, че с увеличаване на честотата се увеличава и затихването на радиовълните в атмосферата, причинено от газове, дъжд, градушка, сняг, мъгла и облаци. [2]. Освен това, с увеличаване на дължината на пътя, затихването в атмосферата също се увеличава. Поради тази причина за всяка дължина на пътя и средните метеорологични условия по него има определена максимална стойност на носещата честота, ограничена от допустимото ниво на затихване на сигнала в атмосферата. Нека оставим окончателното решение на въпроса за влиянието на честотата на радиоканала върху обхвата на комуникация в раздела, където ще се разгледа влиянието на земната повърхност и атмосферата върху разпространението на радиовълните.

антени

Обхватът на комуникация се определя от такъв параметър на антената като усилването (усилване в английската терминология), измерено в dBi. Усилването е важен съставен параметър, тъй като взема предвид: (1) способността на антената да фокусира енергията на предавателя към приемника в сравнение с изотропен радиатор (оттук и индексът i в dBi); (2) загуби в самата антена [8,9]. За да увеличите обхвата на комуникация, трябва да изберете антени с възможно най-висока стойност на усилване от тези, които са подходящи по отношение на параметрите на теглото и размера и възможностите на системата за насочване. Способността на антената да фокусира енергия не се дава безплатно, а само чрез увеличаване на размерите (апертурата) на антената. Например, колкото по-голяма е приемната антена, толкова по-голяма площ ще може да събере енергия, която да подаде към входа на приемника, и колкото повече енергия, толкова по-силен е полученият сигнал, т.е. обхватът на комуникация се увеличава. По този начин първо трябва да вземете решение за максималните размери на антената, които са адекватни на проблема, който се решава, и да ограничите областта на търсене с този параметър и след това да потърсите конкретен модел на антената, като се фокусирате върху максималното усилване. Вторият важен за практиката параметър на антената е ширината на лъча [8,10], измерено в ъглови градуси. Обикновено ширината на лъча се определя като ъгъла между две пространствени посоки от центъра на антената, при който усилването на антената се намалява с 3 dB от максимума за тази антена. Ширината на шаблона по азимут и височина може да варира значително. Този параметър е тясно свързан с размерите на антената според правилото: по-големи размери - по-малка ширина на лъча. Този параметър не е пряко включен в уравнението за обхват, но именно този параметър определя изискванията към системата за насочване на антената на наземната станция (GS) на UAV, тъй като GS, като правило, използва силно насочени антени, поне в случаи, когато обхватът е максимален, комуникацията с UAV е приоритет. Наистина, докато системата за проследяване на NS гарантира ъгловата точност на насочване на антената към UAV, равна на половината от ширината на диаграмата или по-малко, нивото на приетия/излъчения сигнал няма да падне под 3 dB от максимума. При никакви обстоятелства половината от ширината на лъча на избраната антена не трябва да бъде по-малка от ъгловата грешка на системата за насочване на NS антената по азимут или елевация.

Кабели

За да увеличите максимално обхвата на комуникация, трябва да използвате кабели с възможно най-ниското линейно затихване (затихване на кабела или загуба на кабел) на работещ честота на радиовръзката NS-UAV. Линейното затихване в кабела се определя като съотношението на сигнала на изхода на 1 m кабелен сегмент (в метричната система) към сигнала на входа на кабелен сегмент, изразено в dB. Загуби по кабела включени в уравнението на диапазона (1), се определят чрез умножаване на линейното затихване по дължината на кабела. По този начин, за да получите максималния възможен обхват на комуникация, трябва да използвате кабели с възможно най-ниското линейно затихване и да минимизирате дължината на тези кабели. На NS модемните модули трябва да бъдат инсталирани директно на мачтата до антените. В тялото на UAV модемът трябва да бъде разположен възможно най-близо до антените. Също така си струва да проверите импеданса на избрания кабел. Този параметър се измерва в ома и обикновено е равен на 50 или 75 ома. Импедансът на кабела, антенния конектор на модема и конектора на самата антена трябва да са еднакви.

Въздействие на земната повърхност

В този раздел ще разгледаме разпространението на радиовълни над равнина или морска повърхност. Тази ситуация често се среща в практиката на използване на UAV. БЛА мониторинг на тръбопроводи, електропроводи, селскостопански култури, много военни и специални операции - всичко това е добре описано от този модел. Човешкият опит ни рисува картина, в която комуникацията между обектите е възможна, ако те са в полето на директна оптична видимост един на друг, в противен случай комуникацията е невъзможна. Радиовълните обаче не принадлежат към оптичния диапазон, така че ситуацията с тях е малко по-различна. В тази връзка е полезно за разработчика и оператора на UAV да запомни следните два факта.

1. Комуникацията в радиообхвата е възможна дори при липса на пряка видимост между НС и БЛА.
2. Влиянието на подлежащата повърхност върху комуникацията с UAV ще се усети дори когато няма обекти на оптичната линия NS-UAV.

За да разберете спецификата на разпространението на радиовълните близо до повърхността на Земята, е полезно да се запознаете с концепцията за значителна област на разпространение на радиовълни [2]. При липса на обекти в значителна зона на разпространение на радиовълни, изчисленията на обхвата могат да се извършват с помощта на формули за свободно пространство, т.е. в (1) може да се приеме равно на 0. Ако има обекти в основната зона, тогава това не може да се направи. На фиг. 1 в т. А има точков излъчвател, разположен на височина над повърхността на Земята, която излъчва електромагнитна енергия във всички посоки с еднакъв интензитет. В точка Б на н.в има приемник за измерване на интензитета на полето. В този модел основната област на разпространение на радиовълните е елипсоид с фокуси в точки A и B.

Ориз. 1. Значителна област на разпространение на радиовълните

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

На (5) това е ясно зависи от честотата обратно пропорционално, толкова по-малко , толкова „по-дебел“ е елипсоидът ( на фиг. 1). В допълнение, "дебелината" на елипсоида се увеличава с увеличаване на разстоянието между комуникационните обекти. За радиовълни може да има доста впечатляваща стойност, така че когато 10 км, Получаваме 2.45 GHz 50÷60м.

Нека сега разгледаме непрозрачния обект, изобразен от сивия триъгълник на фиг. 1. Ще повлияе на разпространението на радиовълни с честота , тъй като се намира в значителна зона на разпространение и няма да има практически никакъв ефект върху разпространението на радиовълни с честота . За радиовълни в оптичния диапазон (светлина), стойността е малък, така че влиянието на земната повърхност върху разпространението на светлината не се усеща на практика. Като се има предвид, че повърхността на Земята е сфера, лесно е да се разбере, че с увеличаване на разстоянието , подлежащата повърхност все повече ще се премества в значителната зона на разпространение, като по този начин блокира потока на енергия от точка А до точка Б - край на историята, комуникацията с UAV е прекъсната. Други обекти по маршрута, като неравен терен, сгради, гори и др., ще повлияят по подобен начин на комуникациите.

Нека сега да разгледаме фиг. 2, в който непрозрачен обект напълно покрива значителна област на разпространение на радиовълна с честота , което прави комуникацията на тази честота невъзможна. В същото време комуникацията на честотата също е възможно, защото част от енергията „прескача” върху непрозрачния обект. Колкото по-ниска е честотата, толкова по-далеч отвъд оптичния хоризонт може да се разпространи радиовълната, поддържайки стабилна комуникация с UAV.

Ориз. 2. Покриване на значителна област на разпространение на радиовълните

От височината на антените зависи и степента на влияние на земната повърхност върху комуникациите и . Колкото по-голяма е височината на антените, толкова по-голямо е разстоянието, на което точките A и B могат да бъдат раздалечени, без да се позволи на обекти или подлежащата повърхност да попаднат в значителна площ.

Когато обектът или подлежащата повърхност се премести в значителна област, силата на полето в точка B ще се колебае [2], т.е. ще бъде или по-голямо, или по-малко от средната напрегнатост на полето. Това се случва поради отразяването на енергия от обекта. Отразената енергия може да бъде добавена в точка B с основната енергия във фаза - тогава настъпва повишаване на силата на полето или в противофаза - тогава настъпва спад (и то доста дълбок) в силата на полето. Важно е да запомните този ефект, за да разберете спецификата на комуникацията с UAV. Загубата на комуникация с UAV на определен обхват може да бъде причинена от локално намаляване на силата на полето поради колебания, т.е. ако летите на още разстояние, връзката може да бъде възстановена. Окончателната загуба на комуникация ще настъпи само след като значителна площ е напълно блокирана от предмети или подлежащата повърхност. След това ще бъдат предложени методи за борба с последствията от колебанията на силата на полето.

Формули за изчисляване на коефициента на затихване Когато се разпространяват радиовълни над гладката повърхност на Земята, те са доста сложни, особено за разстояния , надхвърлящ обхвата на оптичния хоризонт [2]. Следователно, при по-нататъшно разглеждане на проблема, ще прибегнем до математическо моделиране, като използваме авторския набор от компютърни програми. Нека разгледаме типична задача за предаване на видео от UAV към NS с помощта на 3D Link модем [11] от фирма Geoscan. Първоначалните данни са следните.

1. Монтажна височина на NS антената: 5м.
2. Височина на полета на БЛА: 1000 m.
3. Честота на радио връзката: 2.45 GHz.
4. Усилване на NS антената: 17 dB.
5. Усилване на антената на UAV: ​​3 dB.
6. Мощност на предавателя: +25 dBm (300 mW).
7. Скорост на видео канала: 4 Mbit/sec.
8. Чувствителност на приемника във видеоканала: −100.4 dBm (за честотната лента, заета от 12 MHz сигнал).
9. Субстрат: суха почва.
10. Поляризация: вертикална.

Разстоянието на пряка видимост за тези първоначални данни ще бъде 128.8 км. Резултатите от изчислението под формата на мощност на сигнала на входа на модемния приемник в dBm са представени на фиг. 3.

Ориз. 3. Сила на сигнала на входа на модемния приемник 3D Link [11]

Синята крива на фиг. 3 е мощността на сигнала на входа на NS приемника, червената права линия показва чувствителността на този приемник. Оста X показва обхвата в km, а оста Y показва мощността в dBm. В тези точки на обхват, където синята крива е над червената, е възможно директно приемане на видео от UAV, в противен случай няма да има комуникация. Графиката показва, че поради трептения загубата на комуникация ще настъпи в диапазона от 35.5–35.9 km и по-нататък в диапазона от 55.3–58.6 km. В този случай окончателното прекъсване на връзката ще се случи много по-далеч - след 110.8 км полет.

Както бе споменато по-горе, спадове в напрегнатостта на полето възникват поради добавянето в противофаза на местоположението на NS антената на директния сигнал и сигнала, отразен от повърхността на Земята. Можете да се отървете от загубата на комуникация на NS поради повреди, като изпълните 2 условия.

1. Използвайте модем на NS с поне два канала за приемане (RX разнообразие), например 3D Link [11].
2. Поставете приемните антени върху мачтата на NS различен височина.

Разстоянието между височините на приемните антени трябва да бъде направено така, че спадовете в напрегнатостта на полето на мястото на едната антена да се компенсират от нива, по-високи от чувствителността на приемника на мястото на другата антена. На фиг. Фигура 4 показва резултата от този подход за случая, когато една NS антена е разположена на височина 5 m (синя плътна крива), а другата на височина 4 m (синя пунктирана крива).

Ориз. 4. Мощност на сигнала на входовете на два приемника на 3D Link модем от антени, разположени на различни височини

От фиг. Фигура 4 ясно показва плодотворността на този метод. Наистина, по цялото разстояние на полета на UAV, до обхват от 110.8 km, сигналът на входа на поне един NS приемник надвишава нивото на чувствителност, т.е. видеото от таблото няма да бъде прекъснато през цялото разстояние на полета .

Предложеният метод обаче помага да се увеличи надеждността само на радиовръзката UAV → NS, тъй като възможността за инсталиране на антени на различни височини е достъпна само на NS. Не е възможно да се осигури разделяне на височината на антените от 1 m на UAV. За повишаване на надеждността на радиовръзката NS→UAV могат да се използват следните подходи.

1. Подайте сигнала на NS предавателя към антената, която получава по-мощен сигнал от UAV.
2. Използвайте пространствено-времеви кодове, като кода Alamouti [12].
3. Използвайте технология за формиране на лъч на антената с възможност за контролиране на мощността на сигнала, изпратен към всяка антена.

Първият метод е близък до оптималния в проблема за комуникация с БЛА. Той е прост и в него цялата енергия на предавателя е насочена в правилната посока - към оптимално разположена антена. Например при обхват от 50 km (виж фиг. 4) сигналът на предавателя се подава към антена, окачена на 5 метра, а при обхват 60 km - до антена, окачена на 4 метра. Това е методът, използван в модема 3D Link [11]. Вторият метод не използва априорни данни за състоянието на комуникационния канал UAV→NS (нива на получените сигнали на изходите на антената), така че разделя енергията на предавателя по равно между две антени, което неизбежно води до загуби на енергия, тъй като едната на антените може да бъде в напрегнатост на полето. Третият метод е еквивалентен на първия по отношение на качеството на комуникацията, но е много по-труден за изпълнение.

Нека по-нататък разгледаме въпроса за влиянието на честотата на радиовълните върху обхвата на комуникация с UAV, като вземем предвид влиянието на подлежащата повърхност. По-горе беше показано, че увеличаването на честотата е полезно, тъй като при фиксирани размери на антените това води до увеличаване на обхвата на комуникация. Въпросът за зависимостта обаче честотата не е взета предвид. от (3) следва, че съотношението на печалбите на антените, равни по площ и предназначени да работят на честоти и , равно на
(6)

За 2450 MHz; Получаваме 915 MHz 7.2 (8.5 dB). Приблизително това се случва на практика. Нека сравним например параметрите на следните антени от 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).

Удобно е да сравнявате тези антени, тъй като те са направени в същите корпуси 27x27 cm, т.е. имат една и съща площ. Имайте предвид, че усилването на антената се различава с 15−8=7 dB, което е близо до изчислената стойност от 8.5 dB. От характеристиките на антените също така става ясно, че ширината на диаграмата на антената за диапазона 2.3–2.5 GHz (30°/30°) е повече от два пъти по-тясна от ширината на диаграмата на антената за диапазона 0.83–0.96 GHz (70°/70°), т.е. усилването на антени със същите размери всъщност се увеличава поради подобряването на насочените свойства. Като се вземе предвид факта, че в комуникационната линия се използват 2 антени, съотношението ще бъде 2∙8.5=17 dB. По този начин, при еднакви размери на антената, енергийният бюджет на една радиовръзка с честота 2450 MHz ще бъде 17 dB повече от бюджета на линията с честота 915 MHz. При изчислението ние също така вземаме предвид факта, че UAV, като правило, използват камшични антени, за които размерите не са толкова критични, колкото за разглежданите NS панелни антени. Следователно ние приемаме усилването на антената на UAV за честоти и равен. Тези. разликата в енергийните бюджети на линиите ще бъде 8.5 dB, а не 17 dB. Резултатите от изчислението, извършено за тези първоначални данни и 5 m височина на NS антената, са показани на фиг. 5.

Ориз. 5. Мощност на сигнала на входа на приемника за радиовръзки, работещи на честоти 915 и 2450 MHz

От фиг. 5 ясно показва, че обхватът на комуникация с увеличаване на работната честота и същата площ на NS антената се увеличава от 96.3 km за радиовръзка с честота 915 MHz до 110.8 km за връзка с честота 2450 MHz . Но линията на 915 MHz има по-ниска честота на трептене. По-малко колебания означават по-малко спадове в напрегнатостта на полето, т.е. по-малка вероятност от прекъсване на комуникацията с UAV по цялото разстояние на полета. Може би именно този факт определя популярността на субгигахерцовия диапазон на радиовълните за командни и телеметрични комуникационни линии с UAV като най-надежден. В същото време, когато се извършва набор от действия, описани по-горе, за защита срещу трептения на напрегнатостта на полето, радиовръзките в гигахерцовия диапазон осигуряват по-голям обхват на комуникация чрез подобряване на насочените свойства на антените.

От разглеждане на фиг. 5 можем също да заключим, че в зоната на сянка (след марката 128.8 km) намаляването на работната честота на комуникационната линия има смисъл. Наистина, в точка от приблизително −120 dBm кривите на мощността за честотите и пресичат се. Тези. Когато се използват приемници с чувствителност, по-добра от −120 dBm, радиовръзка на честота 915 MHz ще осигури по-дълъг комуникационен обхват. В този случай обаче трябва да се вземе предвид необходимата честотна лента на връзката, тъй като за такава висока стойност на чувствителност скоростта на информацията ще бъде много ниска. Например 3D Link модем [11] Въпреки че осигурява чувствителност до −122 dBm, сумарната (в двете посоки) скорост на предаване на информация ще бъде 23 kbit/sec, което по принцип е достатъчно за комуникация на KTRL с UAV, но очевидно не е достатъчно за предаване на видео от дъска. По този начин обхватът под гигахерц наистина има леко предимство пред обхвата на гигахерц за KTRL, но очевидно губи характеристики при организиране на видео линии.

Когато избирате честота на радиовръзка, трябва да вземете предвид и затихването на сигнала, докато се разпространява през земната атмосфера. За комуникационните връзки NS-UAV затихването в атмосферата се причинява от газове, дъжд, градушка, сняг, мъгла и облаци [2]. За работни честоти на радиовръзки под 6 GHz затихването в газовете може да се пренебрегне [2]. Най-силно отслабване се наблюдава при дъждове, особено с висока интензивност (душове). Таблица 1 показва данните [2] чрез линейно затихване [dB/km] при дъждове с различна интензивност за честоти 3–6 GHz.

Таблица 1. Линейно затихване на радиовълни [dB/km] при дъжд с различна интензивност в зависимост от честотата

Честота [GHz] 3 mm/час (слаба)
12 мм/час (умерено)
30 мм/час (силен)
70 мм/час (дъжд)

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 масата 1 следва, че например при честота 3 GHz затихването при душ ще бъде около 0.0087 dB/km, което на 100 km път ще даде 0.87 dB общо затихване. С увеличаването на работната честота на радиовръзката затихването при дъжд се увеличава рязко. За честота от 4 GHz, затихването при душ по същия път ще бъде вече 9.1 dB, а при честоти от 5 и 6 GHz - съответно 28 и 57 dB. В този случай обаче се предполага, че по цялото трасе вали дъжд с определен интензитет, което рядко се случва на практика. Въпреки това, когато използвате UAV в райони, където дъждовете с висока интензивност са чести, се препоръчва да изберете работна честота на радиовръзката под 3 GHz.

Литература

1. Смородинов А.А. Как да изберем широколентов модем за безпилотен летателен апарат (БЛА). Хабр. 2019 г.
2. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Разпространение на радиовълни и работа на радиовръзки. Връзка. Москва. 1971 г.
3. Микрохард.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 спецификация.
5. Picoradio OEM спецификация.
6. Доклад от инженерни тестове. Pico 2.4GHz 1W цифров модул за връзка за данни.
7. FCC ID.
8. CA Balanis. Теория на антената. Анализ и проектиране. Четвърто издание. Джон Уайли и синове. 2016 г.
9. Усилване на антената. Статия в Уикипедия.
10. ширина на лъча. Статия в Уикипедия.
11. Цифров дуплексен радиомодем 3D Link.
12. С. М. Аламути. „Проста техника за многообразие на предаване 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: www.habr.com