Úkolem je zvýšení dosahu spojení s bezpilotním letadlem (BLA), což zůstává aktuální. V tomto článku se zabýváme metodami zlepšení tohoto parametru. Článek je určen pro vývojáře a uživatele BLA a je pokračováním série článků o spojení s BLA (začátek série viz .
Co ovlivňuje dosah spojení
Dosah spojení závisí na používaném modem, anténách, anténních kabelech, podmínkách šíření rádiových vln, vnějších rušeních a několika dalších příčinách. Abychom určili míru vlivu jednotlivých parametrů na dosah spojení, podívejme se na rovnici dosahu
(1)

kde
— požadovaný dosah spojení [metery];
— rychlost světla ve vakuu [m/s];
— frekvence [Hz];
— výkon vysílače modemu [dBm];
— zisk antény vysílače [dBi];
— ztráty v kabelu od modemu k anténě vysílače [dB];
— zisk antény přijímače [dBi];
— ztráty v kabelu od modemu k anténě přijímače [dB];
— citlivost přijímače modemu [dBm];
— faktor útlumu, který zohledňuje další ztráty způsobené vlivem zemského povrchu, vegetace, atmosféry a dalších faktorů [dB].
Z rovnice je patrné, že dosah je určen:
- používaným modemem;
- frekvencí rádiokanálu;
- používanými anténami;
- ztrátami v kabelech;
- vlivem na šíření rádiových vln zemského povrchu, vegetace, atmosféry, budov atd.
Následně se parametry ovlivňující dosah zkoumá zvlášť.
Používaný modem
Dosah spojení závisí pouze na dvou parametrech modemu: výkonu vysílače
a citlivosti přijímače
, přesněji na jejich rozdílu — energetickém rozpočtu modemu
(2)

Abychom zvýšili dosah spojení, je nutné zvolit modem s vyšší hodnotou
. Zvětšit
je na druhé straně možné buď zvýšením
nebo snížením
. Dávejte přednost hledání modemů s vysokou citlivostí (
co nejníže), a ne zvyšování výkonu vysílače
. Tato otázka byla podrobně probrána v prvním článku .
Kromě materiálů je třeba mít na paměti, že jednotliví výrobci, například Microhard , v specifikacích některých zařízení uvádějí nikoli průměrný, ale špičkový výkon vysílače, který je několikrát vyšší než průměrný a který nelze použít k výpočtu dosahu, protože by to vedlo k výraznému překročení skutečné hodnoty výpočtem dosahu. Mezi taková zařízení patří například populární modul pDDL2450 [,]. Tento fakt přímo vyplývá z výsledků testování tohoto zařízení provedeného k získání certifikátu FCC (viz str. 58). Výsledky testování bezdrátových zařízení, která mají certifikáty FCC, lze nalézt na webu FCC ID , zadáním odpovídajícího FCC ID do vyhledávacího pole, který by měl být na štítku s označením typu zařízení. Identifikátor FCC modulu pDDL2450 je následující: NS916pDDL2450.
Frekvence radiokanálu
Z rovnice dosahu jednoznačně vyplývá, že čím nižší je pracovní frekvence
, tím větší je dosah spojení
. Ale nespěchejme s závěry. Věc se má tak, že další parametry, které vstupují do rovnice, také závisí na frekvenci. Například zisk antén
a
bude záviset na frekvenci v případě, že jsou maximální rozměry antén fixovány, což se přesně v praxi také děje. Zisk antény
, vyjádřený v bezrozměrných jednotkách (násobcích), lze vyjádřit pomocí fyzické plochy antény
následujícím způsobem
(3)

kde
— efektivita apertury antény, t. j. poměr efektivní plochy antény k fyzické (závisí na konstrukci antény) .
Z je jasně patrná, že při fixní ploše antény roste zisk úměrně druhé mocnině frekvence. Dosadíme v , předtím přepíšeme s využitím bezrozměrných jednotek pro zisky antén
,
, ztráty v kabelech
,
a oslabení
, a také s využitím Wattů pro
a
namísto dBm. Pak
(4)

kde koeficient
je konstantou při pevných rozměrech antény. Takže v této situaci je dosah spojení přímo úměrný frekvenci, t. j. čím vyšší je frekvence, tím větší je dosah. Závěr. Při pevných rozměrech antén zvyšování frekvence rádiové linky vedlo k prodloužení dosahu spojení díky zlepšení směrových vlastností antén. Musíme si však uvědomit, že s nárůstem frekvence roste také útlum rádiových vln v atmosféře způsobený plyny, deštěm, krupobitím, sněhem, mlhou a oblaky. . Navíc s prodloužením délky trasy se útlum v atmosféře také zvyšuje. Z tohoto důvodu pro každou délku trasy a průměrné povětrnostní podmínky na ní existuje určité maximální hodnoty nosné frekvence, omezené přípustnou úrovní útlumu signálu v atmosféře. Odpověď na otázku, jak frekvence rádiového kanálu ovlivňuje dosah spojení, si necháme až do části, kde se bude zvažovat vliv zemského povrchu a atmosféry na šíření rádiových vln.
Antény
Dosah spojení je určen takovým parametrem antény jako je zisk
(gain v anglické terminologii), měřeným v dBi. Zisk antény je důležitým kompozitním parametrem, protože zohledňuje: (1) schopnost antény zaostřit energii vysílače směrem k přijímači v porovnání s izotropním vyzařovačem (isotropic, odtud index i v dBi); (2) ztráty v samotné anténě [,]. Pro zvýšení dosahu spojení je třeba vybírat antény s maximální možnou hodnotou zisku z těch, které vyhovují hmotnostně-rozměrovým parametrům a možnostem naváděcího systému. Schopnost antény zaostřit energii není zadarmo, ale pouze díky zvětšení rozměrů (apertury) antény. Například čím větší je přijímací anténa, tím větší plochu může využít k zachycení energie pro dodání na vstup přijímače, a čím více energie — tím silnější je přijatý signál, tedy dosah spojení se zvyšuje. Tím pádem se nejprve musíme rozhodnout o maximálních rozměrech antén, které odpovídají danému úkolu, a omezit oblast hledání tímto parametrem, a poté provést hledání konkrétního modelu antény s orientací na maximální zisk. Druhým důležitým praktickým parametrem antény je šířka směrové charakteristiky (DН) (beamwidth) [,], měřený ve stupních. Obvykle se šířka DNV určuje jako úhel mezi dvěma prostorovými směry ze středu antény, při kterých se zisk antény snižuje o 3 dB od maxima pro tuto anténu. Šířka DNV v azimutu a v elevaci se může výrazně lišit. Tento parametr úzce souvisí s rozměry antény podle pravidla: větší rozměry — menší šířka DNV. Přímo do rovnice dosahu tento parametr nevstupuje, ale právě on určuje požadavky na systém navádění antény pozemní stanice (PS) na UAV, protože na PS se obvykle používají silně směrové antény, alespoň v těch případech, kdy je maximalizace dosahu spojení s UAV prioritou. Opravu, dokud sledovací systém PS zajišťuje úhlovou přesnost navádění antény na UAV, rovnou polovině šířky DNV nebo menší, hladina přijímaného/vyzařovaného signálu neklesne pod 3 dB od maxima. Polovina šířky DNV vybrané antény za žádných okolností nesmí být menší než úhlová chyba systému navádění antény PS v azimutu nebo v elevaci.
Kabely
Pro maximalizaci dosahu spojení je nutné používat kabely s co nejmenším ztrátovým koeficientem (cable attenuation nebo cable loss) na pracovní frekvenci radiolinky PS – UAV. Ztrátový koeficient v kabelu se určuje jako poměr signálu na výstupu úseku kabelu o délce 1 m (v metrickém systému) k signálu na vstupu úseku kabelu, vyjádřenému v dB. Ztráty v kabelech
, vstupující do rovnice dosahu , se určí vynásobením ztrátového koeficientu délkou kabelu. Takže pro dosažení maximální možné vzdálenosti spojení je třeba používat kabely s minimálním možným ztrátovým koeficientem a minimalizovat délku těchto kabelů. Na PS by měly být modemové bloky instalovány přímo na stožáru vedle antén. V těle UAV by měl být modem umístěn co nejblíže k anténám. Zvláštní pozornost je třeba věnovat impedance vybraného kabelu. Tento parametr se měří v Ohmech a obvykle je 50 nebo 75 Ohmů. Impedance kabelu, anténního konektoru modemu a konektoru na samotné anténě by měly být shodné.
Vliv povrchu Země
V této části se budeme zabývat šířením radiových vln nad rovinou nebo mořským povrchem. Tato situace se často vyskytuje v praxi používání UAV. Monitorování potrubí, vysokonapěťových linií, zemědělských plodin, mnoho vojenských a speciálních operací — to vše je dobře popsáno touto modelovou situací. Lidská zkušenost nám maluje obraz, ve kterém je komunikace mezi objekty možná, pokud jsou v oblasti přímé optické viditelnosti jeden druhého, v opačném případě není spojení možné. Nicméně, radiové vlny nepatří do optického spektra, proto platí několik odlišností. V této souvislosti je pro vývojáře a operátory UAV užitečné zapamatovat si následující dvě skutečnosti.
1. Komunikace v radiovém pásmu je možná i při absenci přímé viditelnosti mezi UAV a řídící stanicí.
2. Vliv podložní plochy na komunikaci s UAV bude patrný i tehdy, když se žádné objekty nenacházejí na optické linii mezi řídící stanicí a UAV.
Pro pochopení specifik šíření radiových vln blízko povrchu Země je užitečné se seznámit s konceptem významné oblasti šíření radiových vln. . Při absenci jakýchkoliv objektů v této významné oblasti šíření radiových vln lze vzdálenost počítat podle vzorců pro volný prostor, tj.
v může být považována za 0. Pokud však v této významné oblasti existují objekty, nelze takto postupovat. Na obr. 1 je v bodě A znázorněn bodový vysílač umístěný ve výšce
nad povrchem Země, který vyzařuje elektromagnetickou energii všemi směry s stejnou intenzitou. V bodě B ve výšce
se nachází přijímač pro měření intenzity pole. V tomto modelu představuje významná oblast šíření radiových vln elipsoid se ohnisky v bodech A a B.

Obr. 1. Významná oblast šíření radiových vln
Poloměr elipsoidu v jeho 'nejtlustší' části je určen výrazem
(5)

Z je vidět, že
závisí na frekvenci
inverzním způsobem, čím menší je
, tím 'tlustší' je elipsoid (
na obr. 1). Kromě toho se 'tloušťka' elipsoidu zvyšuje s rostoucí vzdáleností mezi objekty komunikace. Pro radiové vlny
může mít poměrně význačnou hodnotu, například při
10 km,
2,45 GHz získáme
50÷60 m.
Zvažme nyní neprůhledný objekt, znázorněný šedým trojúhelníkem na obr. 1. Bude mít vliv na šíření rádiových vln s frekvencí
, protože se nachází v podstatné zóně šíření, a prakticky nebude mít vliv na šíření rádiových vln s frekvencí
. Pro rádiové vlny optického rozsahu (světlo) je velikost
malá, a proto vliv zemského povrchu na šíření světla se v praxi neprojevuje. Vzhledem k tomu, že zemský povrch představuje kouli, není těžké pochopit, že se s rostoucí vzdáleností
, podloží stále více zasouvá do podstatné zóny šíření, čímž blokuje přísun energie z bodu A do bodu B – konec příběhu, spojení s UAV je přerušeno. Podobně budou na spojení působit i další objekty na trase, jako například nerovnosti terénu, budovy, lesy atd.
Nyní se podívejme na obr. 2, kde neprůhledný objekt zcela zakrývá podstatnou zónu šíření rádiové vlny s frekvencí
, čímž znemožňuje spojení na této frekvenci. Současně spojení na frekvenci
je stále možné, protože část energie "přeskakuje" nad neprůhledným objektem. Čím nižší je frekvence, tím dále za optický horizont se může rádiová vlna šířit a udržovat stabilní spojení s UAV.

Obr. 2. Zakrytí podstatné oblasti šíření rádiových vln
Stupeň vlivu zemského povrchu na spojení závisí také na výšce umístění antén
a
. Čím více antény vyvyšují, tím větší vzdálenost lze rozšířit mezi body A a B, aniž by se do podstatné zóny dostaly objekty nebo podloží.
Jak se objekt nebo podloží zasouvá do podstatné zóny, intenzita pole v bodě B bude oscilovat , t. j. bude to někdy více, někdy méně než průměrná intenzita pole. K tomu dochází díky odrazu energie od objektu. Odražená energie se může na bodě B slučovat s hlavní energií ve fázi — pak dojde ke zvýšení intenzity pole, nebo v protifázi — pak dojde k poklesu intenzity pole (a docela významnému). Je důležité si toto efekt uvědomit pro pochopení specifiky spojení s UAV. Ztráta spojení s UAV na určité vzdálenosti může být způsobena lokálním poklesem intenzity pole v důsledku oscilací, t. j. pokud letíte ještě nějakou vzdálenost, spojení se může obnovit. Konečná ztráta spojení nastane až po úplném překrytí podstatné zóny objekty nebo podložní plochou. Dále budou navrženy metody boje s následky oscilací intenzity pole.
Vzorce pro výpočet faktoru oslabení
při šíření rádiové vlny nad hladkým povrchem Země jsou poměrně složité, zejména pro vzdálenosti
, které překračují vzdálenost optického horizontu . Proto se v dalším zkoumání problému uchýlíme k matematickému modelování pomocí sady počítačových programů autora. Zvážíme typický úkol přenosu videa z paluby UAV na NS pomocí modemu 3D Link od společnosti Geoscan. Počáteční data jsou následující.
1. Výška zavěšení antény NS: 5 m.
2. Výška letu UAV: 1000 m.
3. Frekvence rádiové linky: 2.45 GHz.
4. Zisk antény NS: 17 dB.
5. Zisk antény UAV: 3 dB.
6. Výkon vysílače: +25 dBm (300 mW).
7. Rychlost ve video kanálu: 4 Mbit/s.
8. Citlivost přijímače ve video kanálu: −100.4 dBm (pro frekvenční pásmo obsazené signálem 12 MHz).
9. Podložní povrch: suchá půda.
10. Polarizace: vertikální.
Vzdálenost přímé optické viditelnosti pro tato počáteční data činí 128.8 km. Výsledky výpočtů ve formě výkonu signálu na vstupu přijímače modemu v dBm jsou uvedeny na obr. 3.

Obr. 3. Výkon signálu na vstupu přijímače modemu 3D Link
Modrá křivka na obr. 3 představuje výkon signálu na vstupu přijímače NS, červená přímka označuje citlivost tohoto přijímače. Na ose X je vzdálenost v km, na ose Y je výkon v dBm. V místech vzdálenosti, kde se modrá křivka nachází nad červenou přímkou, je možné přijímat video z paluby BLA, jinak nebude spojení fungovat. Z grafu je patrné, že kvůli oscilačním jevům klesne spojení v rozsahu vzdáleností 35.5–35.9 km a dále v rozsahu 55.3–58.6 km. Konečné přerušení spojení však nastane mnohem dále — po 110.8 km letu.
Jak již bylo uvedeno, poklesy v intenzitě pole vznikají díky interferenci přímo a odraženého signálu od zemského povrchu v místě umístění antény NS. Aby se zabránilo ztrátě spojení na NS kvůli poklesům, je nutné splnit 2 podmínky.
1. Používat na NS modem s alespoň dvěma kanály příjmu (RX diversity), například 3D Link. .
2. Umístit přijímací antény na stožáru NS na různé výšce.
Rozdíl výšek přijímacích antén musí být proveden tak, aby poklesy v intenzitě pole v místě umístění jedné antény kompenzovaly úrovně nad citlivostí přijímače v místě umístění druhé antény. Na obr. 4 je znázorněn výsledek tohoto přístupu při umístění jedné antény NS ve výšce 5 m (modrá plná křivka) a druhé — ve výšce 4 m (modrá tečkovaná křivka).

Obr. 4. Výkon signálu na vstupech dvou přijímačů modemu 3D Link z antén umístěných na různých výškách.
Z obr. 4 je zřejmá efektivita tohoto způsobu. Skutečně, po celou dobu letu BLA, až do vzdálenosti 110.8 km, je výkon na vstupu alespoň jednoho přijímače NS vyšší než úroveň citlivosti, tj. video nebude během celého letu přerušeno.
Navrhovaná metoda však zvyšuje spolehlivost výhradně rádiové linky BLA→NS, protože možnost umístit antény na různých výškách existuje pouze na NS. Zajistit oddělení antén po výšce 1 m na BLA není možné. Pro zvýšení spolehlivosti rádiové linky NS→BLA lze využít následující přístupy.
1. Podávat signál vysílače NS do té antény, která přijímá od BLA silnější signál.
2. Používejte prostorově-časové kódy, například kód Alamouti. .
3. Používejte technologii řízení DNN antény (beamforming) s možností regulace výkonu signálu, který je směřován na každou z antén.
První způsob je blízký optimálnímu pro úlohu spojení s UAV. Je jednoduchý a veškerá energie vysílače je směřována do požadovaného směru — k optimálně umístěné anténě. Například na vzdálenosti 50 km (viz obr. 4) je signál vysílače směrován na anténu zavěšenou ve výšce 5 metrů, a na vzdálenosti 60 km — na anténu zavěšenou ve výšce 4 metrů. Tento způsob je použit v modemu 3D Link. Druhý způsob nevyužívá apriorní data o stavu komunikačního kanálu UAV→NS (úrovně přijímaných signálů na výstupech antén), takže energii vysílače dělí rovnoměrně mezi dvě antény, což nevyhnutelně vede k ztrátě energie, protože jedna z antén může být v oblasti s nízkou intenzitou pole. Třetí způsob nabízí kvalitu spojení ekvivalentní prvnímu, ale je mnohem složitější na realizaci.
Dále zvažme otázku vlivu frekvence rádiových vln na dosah spojení s UAV s ohledem na vliv podloží. Jak bylo uvedeno výše, zvýšení frekvence je výhodné, protože při fixních rozměrech antén to vede k zvýšení dosahu spojení. Nicméně otázka závislosti
na frekvenci nebyla zkoumána. Z toho vyplývá, že poměr ziskových koeficientů antén, které mají stejnou plochu a jsou navrženy pro práci na frekvencích
a
, je roven
(6)

Pro
2450 MHz;
915 MHz získáme
7.2 (8.5 dB). Přesně tak to v praxi funguje. Porovnejme například parametry následujících antén výrobce Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (frekvence: 0.83–0.96 GHz; šířka paprsku: 70°/70°; zisk: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (frekvence: 2.3–2.5 GHz; šířka paprsku: 30°/30°; zisk: 15 dBi).
Data o anténách lze snadno porovnat, protože jsou vyrobeny ve stejných skříních 27x27 cm, tj. mají stejnou plochu. Všimneme si, že zisk antén se liší o 15−8=7 dB, což je blízko vypočítané hodnotě 8,5 dB. Z charakteristik antén také vyplývá, že šířka směrovosti antény v pásmu 2,3–2,5 GHz (30°/30°) je více než dvakrát užší než šířka směrovosti antény v pásmu 0,83–0,96 GHz (70°/70°), tj. zisk antén při stejných rozměrech skutečně roste díky zlepšení směrových vlastností. S přihlédnutím k tomu, že v komunikačním zařízení se používají 2 antény, bude poměr
2∙8,5=17 dB. Takže při stejných rozměrech antén bude energetický rozpočet rádiové linky na frekvenci
2450 MHz o 17 dB vyšší než rozpočet linky na frekvenci
915 MHz. V výpočtu také zohledníme skutečnost, že na UAV se obvykle používají tyčové antény, pro které nejsou rozměry tak kritické jako pro zvažované panelové antény NS. Proto vezmeme koeficienty zisku antény UAV pro frekvence
a
stejné. Tj. rozdíl energetických rozpočtů linek bude 8,5 dB, nikoli 17 dB. Výsledky výpočtu provedeného na základě těchto vstupních údajů a výšky zavěšení antény NS 5 m jsou uvedeny na obr. 5.

Obr. 5. Výkon signálu na vstupu přijímače pro rádiové linky pracující na frekvencích 915 a 2450 MHz
Z obr. 5 je jasně vidět, že dosah spojení se zvyšuje se zvyšující se pracovní frekvencí a stejnou plochou antény NS z 96,3 km pro rádiovou linku s frekvencí 915 MHz na 110,8 km pro linii s frekvencí 2450 MHz. Nicméně, linka na frekvenci 915 MHz má nižší frekvenci oscilací. Méně oscilací — méně propadů intenzity pole, tj. menší pravděpodobnost přerušení spojení s UAV po celé vzdálenosti letu. Možná, že právě tento fakt určuje popularitu subgigahertzového pásma rádiových vln pro komunikační a telemetrické linky se UAV jako nejspolehlivějšího. Zároveň, při provádění výše popsaného souboru činností na ochranu proti oscilacím intenzity pole, rádiové linky gigahertzového pásma zajišťují větší dosah spojení díky zlepšení směrových vlastností antén.
Z analýzy obr. 5 lze také vyvodit, že v oblasti stínu (po značce 128,8 km) má smysl snižování pracovní frekvence komunikační linky. Opravu, v bodě přibližně −120 dBm se křivky výkonu pro frekvence
a
protínají. To znamená, že při použití přijímačů s citlivostí lepší než −120 dBm bude rádiová linka na frekvenci 915 MHz poskytovat větší dosah. V tomto případě je však třeba zohlednit požadovanou propustnost linky, protože pro tak vysokou citlivost bude informační rychlost velmi malá. Například modem 3D Link i když poskytuje citlivost až −122 dBm, má agregátní (oběma směry) rychlost přenosu dat 23 kb/s, což je v zásadě dostatečné pro datovou komunikaci s UAV, ale zcela nedostatečné pro přenos videa z paluby. Takže subgigahertzové pásmo má opravdu malé výhody před gigahertzovým pásmem pro datovou komunikaci, ale jasně zaostává v charakteristikách při organizaci videolinek.
Při výběru frekvence rádiové linky je také nutné zohlednit attenuaci signálu při šíření v atmosféře Země. Pro komunikační linky NС–UAV je attenuace v atmosféře způsobena plyny, deštěm, krupobitím, sněhem, mlhou a oblaky . Pro pracovní frekvence rádiových linek pod 6 GHz lze na attenuaci v plynech pohlížet jako na nezanedbatelnou . Nejsilnější attenuace se objevuje při dešti, zejména při vysoké intenzitě (bouřkách). V tabulce 1 jsou uvedena data o útlumu [dB/km] za deště různé intenzity pro frekvence 3–6 GHz.
Tabulka 1. Útlum rádiových vln [dB/km] za deště různé intenzity v závislosti na frekvenci
Frekvence [GHz]
3 mm/h (slabý)
12 mm/h (umírněný)
30 mm/h (silný)
70 mm/h (bouřkový)
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
Z tabulky 1 vyplývá, že například při frekvenci 3 GHz útlum v dešti činí přibližně 0,0087 dB/km, což na trase 100 km dává celkový útlum 0,87 dB. Při zvýšení pracovní frekvence radiové linky útlum v dešti prudce roste. Pro frekvenci 4 GHz útlum v dešti na této trase již činí 9,1 dB, a na frekvencích 5 a 6 GHz — 28 a 57 dB resp. Pritom se však předpokládá, že déšť s danou intenzitou je po celou dobu trasy, což je v praxi vzácné. Nicméně při použití BLA v oblastech, kde se často vyskytují intenzivní deště, se doporučuje zvolit pracovní frekvenci radiové linky pod hodnotou 3 GHz.
Literatura
1. Smorodinov A.A. Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Čerenková E.L. Rozšíření radiových vln a fungování radiových linek. Spojení. Moskva. 1971.
3.
4.
5.
6.
7.
8. C.A. Balanis. Teorie antén. Analýza a navrhování. Čtvrté vydání. John Wiley & Sons. 2016.
9. Článek na Wikipedii.
10. Článek na Wikipedii.
11.
12. S.M. Alamouti. «Jednoduchá technika vysílací rozmanitosti pro bezdrátovou komunikaci». IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13.
14.
Zdroj: habr.com
