Úkol zvýšit dosah komunikace s bezpilotním letadlem (UAV) zůstává aktuální. Tento článek popisuje metody pro zlepšení tohoto parametru. Článek byl napsán pro vývojáře a operátory UAV a je pokračováním série článků o komunikaci s UAV (začátek série viz. .
Co ovlivňuje dosah komunikace
Komunikační dosah závisí na použitém modemu, anténách, anténních kabelech, podmínkách šíření rádiových vln, vnějším rušení a některých dalších důvodech. Chcete-li určit míru vlivu konkrétního parametru na dosah komunikace, zvažte rovnici dosahu
(1)
kde
— požadovaný komunikační dosah [metry];
— 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];
— multiplikátor útlumu, který zohledňuje dodatečné ztráty vlivem zemského povrchu, vegetace, atmosféry a dalších faktorů [dB].
Z rovnice je vidět, že rozsah je určen:
- použitý modem;
- frekvence rádiového kanálu;
- použité antény;
- ztráty v kabelech;
- vliv na šíření rádiových vln z povrchu Země, vegetace, atmosféry, budov atd.
Dále jsou samostatně uvažovány parametry ovlivňující rozsah.
Použitý modem
Komunikační dosah závisí pouze na dvou parametrech modemu: výkon vysílače a citlivost přijímače , nebo spíše z jejich rozdílu - energetického rozpočtu modemu
(2)
Pro zvýšení dosahu komunikace je nutné zvolit modem s velkou hodnotou . Zvýšit naopak je to možné zvýšením nebo snížením . Přednostně je třeba hledat modemy s vysokou citlivostí ( co nejnižší), spíše než zvýšení výkonu vysílače . Tento problém je podrobně popsán v prvním článku. .
Kromě materiálů Stojí za to mít na paměti, že někteří výrobci, jako je Microhard , uvádějí ve specifikacích některých zařízení nikoli průměr, ale špičkový výkon vysílače, který je několikrát větší než průměr a který nelze použít pro výpočet dosahu, protože to povede k tomu, že vypočtený dosah výrazně překročí skutečný hodnota. Mezi taková zařízení patří například oblíbený modul pDDL2450 [,]. Tato skutečnost přímo vyplývá z výsledků testování tohoto zařízení provedeného pro získání certifikace FCC (viz strana 58). Výsledky testů pro bezdrátová zařízení s certifikací FCC si můžete prohlédnout na webových stránkách FCC ID zadáním příslušného FCC ID do vyhledávacího pole, které by mělo být na štítku označujícím typ zařízení. FCC ID modulu pDDL2450 je NS916pDDL2450.
Frekvence rádiového kanálu
Z rovnice rozsahu Z toho jasně vyplývá, že čím nižší je pracovní frekvence , tím větší je dosah komunikace . Nespěchejme ale se závěry. Faktem je, že na frekvenci závisí i další parametry zahrnuté v rovnici. Například zisky antény и bude záviset na frekvenci v případě, kdy jsou maximální rozměry antén pevný, což je přesně to, co se v praxi děje. Zisk antény , vyjádřené v bezrozměrných jednotkách (časech), lze vyjádřit jako fyzickou plochu antény takto
(3)
kde — účinnost apertury antény, tj. poměr efektivní plochy antény k fyzické ploše (v závislosti na konstrukci antény) .
Z Ihned je jasné, že pro pevnou plochu antény se zisk zvyšuje úměrně druhé mocnině frekvence. Pojďme nahradit в , které byly dříve přepsány pomocí bezrozměrných jednotek pro zisky antény , , ztráty kabelů , a faktorem útlumu a také pomocí Wattů pro и místo dBm. Pak
(4)
kde je koeficient je konstanta pro pevné rozměry antény. V této situaci je tedy komunikační dosah přímo úměrný frekvenci, tj. čím vyšší frekvence, tím větší dosah. Výstup. Při pevných rozměrech antén vede zvýšení frekvence rádiového spojení ke zvýšení dosahu komunikace zlepšením směrových vlastností antén. Je však třeba mít na paměti, že s rostoucí frekvencí roste i útlum rádiových vln v atmosféře, způsobený plyny, deštěm, kroupami, sněhem, mlhou a mraky. . Navíc s rostoucí délkou dráhy se zvyšuje i útlum v atmosféře. Z tohoto důvodu existuje pro každou délku cesty a průměrné povětrnostní podmínky na ní určitá maximální hodnota nosné frekvence, omezená přípustnou úrovní útlumu signálu v atmosféře. Konečné řešení otázky vlivu frekvence rádiového kanálu na dosah komunikace ponechme na úseku, kde bude uvažován vliv zemského povrchu a atmosféry na šíření rádiových vln.
Antény
Komunikační dosah je určen takovým parametrem antény, jako je zisk (zisk v anglické terminologii), měřeno v dBi. Zisk je důležitý složený parametr, protože bere v úvahu: (1) schopnost antény zaměřit energii vysílače směrem k přijímači ve srovnání s izotropním emitorem (izotropním, proto index i v dBi); (2) ztráty v anténě samotné [,]. Pro zvýšení komunikačního dosahu byste měli vybírat antény s nejvyšší možnou hodnotou zisku z těch, které jsou vhodné z hlediska hmotnostních a rozměrových parametrů a schopností naváděcího systému. Schopnost antény soustředit energii není dána zadarmo, ale pouze zvětšením rozměrů (apertury) antény. Například čím větší je přijímací anténa, tím větší bude plocha, kterou bude schopna sbírat energii, kterou bude dodávat na vstup přijímače, a čím více energie, tím silnější bude přijímaný signál, tj. zvýší se dosah komunikace. Nejprve se tedy musíte rozhodnout o maximálních rozměrech antény, které jsou adekvátní řešenému problému a omezit oblast hledání tímto parametrem, a poté hledat konkrétní model antény se zaměřením na maximální zisk. Druhým důležitým parametrem antény pro praxi je šířka paprsku [,], měřeno v úhlových stupních. Typicky je šířka paprsku definována jako úhel mezi dvěma prostorovými směry od středu antény, při kterém je zisk antény snížen o 3 dB od maxima pro danou anténu. Šířka vzoru v azimutu a elevaci se může značně lišit. Tento parametr úzce souvisí s rozměry antény podle pravidla: větší rozměry - menší šířka paprsku. Tento parametr není přímo zahrnut v rovnici dosahu, ale je to právě tento parametr, který určuje požadavky na anténní naváděcí systém pozemní stanice (GS) na UAV, protože GS zpravidla používá vysoce směrové antény, alespoň v případy, kdy je dosah maximalizován, komunikace s UAV je prioritou. Pokud totiž sledovací systém NS zajistí úhlovou přesnost namíření antény na UAV rovnou polovině šířky vzoru nebo méně, úroveň přijímaného/vysílaného signálu neklesne pod 3 dB od maxima. Za žádných okolností by polovina šířky paprsku vybrané antény neměla být menší než úhlová chyba systému směrování antény NS v azimutu nebo elevaci.
Kabely
Chcete-li maximalizovat komunikační dosah, musíte použít kabely s nejnižším možným lineárním útlumem (útlum kabelu nebo ztráta kabelu) na funkční frekvence rádiového spojení NS-UAV. Lineární útlum v kabelu je definován jako poměr signálu na výstupu segmentu kabelu 1 m (v metrické soustavě) k signálu na vstupu segmentu kabelu, vyjádřený v dB. Ztráty kabelů zahrnuté v rovnici rozsahu , jsou určeny vynásobením lineárního útlumu délkou kabelu. Pro dosažení maximálního možného komunikačního dosahu je tedy třeba použít kabely s co nejnižším lineárním útlumem a minimalizovat délku těchto kabelů. Na NS musí být modemové jednotky instalovány přímo na stožáru vedle antén. V těle UAV by měl být modem umístěn co nejblíže anténám. Vyplatí se také zkontrolovat impedanci zvoleného kabelu. Tento parametr se měří v Ohmech a obvykle se rovná 50 nebo 75 Ohmům. Impedance kabelu, anténního konektoru modemu a konektoru na anténě samotné musí být stejné.
Vliv zemského povrchu
V této části se podíváme na šíření rádiových vln nad rovinou nebo mořskou hladinou. Tato situace se v praxi používání UAV často vyskytuje. UAV monitorování potrubí, elektrického vedení, zemědělských plodin, mnoha vojenských a speciálních operací - to vše dobře popisuje tento model. Lidská zkušenost nám vykresluje obraz, v němž je komunikace mezi objekty možná, pokud jsou v oblasti přímé vzájemné optické viditelnosti, jinak je komunikace nemožná. Rádiové vlny však do optického dosahu nepatří, takže u nich je situace poněkud jiná. V tomto ohledu je užitečné, aby si vývojář a provozovatel UAV pamatoval následující dvě skutečnosti.
1. Komunikace v rádiovém dosahu je možná i při absenci přímé viditelnosti mezi NS a UAV.
2. Vliv podkladového povrchu na komunikaci s UAV bude pociťován, i když na optické lince NS-UAV nebudou žádné předměty.
Pro pochopení specifik šíření rádiových vln v blízkosti zemského povrchu je užitečné seznámit se s konceptem významné oblasti šíření rádiových vln. . Při nepřítomnosti jakýchkoliv objektů ve významné zóně šíření rádiových vln lze výpočty dosahu provádět pomocí vzorců pro volný prostor, tzn. в může být považováno za rovné 0. Pokud jsou v základní zóně předměty, nelze to provést. Na Obr. 1 v bodě A je bodový emitor umístěný ve výšce nad povrchem Země, který vyzařuje elektromagnetickou energii všemi směry se stejnou intenzitou. V bodě B ve výšce je zde přijímač pro měření intenzity pole. V tomto modelu je základní oblastí šíření rádiových vln elipsoid s ohnisky v bodech A a B.
Rýže. 1. Významná oblast šíření rádiových vln
Poloměr elipsoidu v jeho „nejtlustší“ části je určen výrazem
(5)
Z to je jasné závisí na frekvenci nepřímo úměrné, tím méně , čím je elipsoid „tlustší“ ( na Obr. 1). Navíc se „tloušťka“ elipsoidu zvyšuje s rostoucí vzdáleností mezi komunikačními objekty. Pro rádiové vlny může mít poměrně působivou hodnotu, takže kdy 10 km, Dostáváme 2.45 GHz 50÷60 m.
Podívejme se nyní na neprůhledný objekt znázorněný šedým trojúhelníkem na obr. 1. Bude ovlivňovat šíření rádiových vln s frekvencí , protože se nachází ve významné zóně šíření a nebude mít prakticky žádný vliv na šíření rádiových vln s frekvenčním . Pro rádiové vlny v optickém rozsahu (světlo) hodnota je malý, takže vliv zemského povrchu na šíření světla v praxi nepociťujeme. Vzhledem k tomu, že povrch Země je koule, je snadné to pochopit s rostoucí vzdáleností , spodní povrch se bude stále více pohybovat do významné zóny šíření, čímž bude blokován tok energie z bodu A do bodu B - konec příběhu, komunikace s UAV je přerušena. Ostatní objekty na trase, jako jsou terénní nerovnosti, budovy, lesy atd., budou mít na komunikace obdobný vliv.
Podívejme se nyní na Obr. 2, ve kterém neprůhledný předmět zcela pokrývá významnou oblast šíření rádiové vlny s frekvencí , což znemožňuje komunikaci na této frekvenci. Zároveň komunikace na frekvenci je také možné, protože část energie „přeskakuje“ přes neprůhledný objekt. Čím nižší je frekvence, tím dále za optickým horizontem se může rádiová vlna šířit a udržovat stabilní komunikaci s UAV.
Rýže. 2. Pokrývá významnou oblast šíření rádiových vln
Míra vlivu zemského povrchu na komunikace závisí také na výšce antén и . Čím větší je výška antén, tím větší je vzdálenost, o kterou lze body A a B posunout od sebe, aniž by předměty nebo podkladový povrch spadly do významné oblasti.
Když se objekt nebo podkladový povrch přesune do významné oblasti, bude intenzita pole v bodě B oscilovat to znamená, že bude buď větší nebo menší než průměrná intenzita pole. K tomu dochází v důsledku odrazu energie od objektu. Odražená energie může být přidána v bodě B s hlavní energií ve fázi - pak nastane nárůst intenzity pole, nebo v protifázi - pak nastane pokles (a poměrně hluboký) intenzity pole. Je důležité si tento efekt zapamatovat, abyste pochopili specifika komunikace s UAV. Ztráta komunikace s UAV v určitém dosahu může být způsobena místním poklesem intenzity pole v důsledku oscilací, tj. pokud uletíte nějakou větší vzdálenost, spojení se může obnovit. Ke konečné ztrátě komunikace dojde až po úplném zablokování významné oblasti předměty nebo podkladovým povrchem. Dále budou navrženy metody pro boj s následky oscilací intenzity pole.
Vzorce pro výpočet činitele útlumu Při šíření rádiových vln po hladkém povrchu Země jsou poměrně složité, zejména na vzdálenosti , přesahující rozsah optického horizontu . Proto se při dalším zvažování problému uchýlíme k matematickému modelování pomocí autorské sady počítačových programů. Podívejme se na typický úkol přenosu videa z UAV do NS pomocí 3D Link modemu od společnosti Geoscan. Počáteční údaje jsou následující.
1. Montážní výška NS antény: 5m.
2. Výška letu UAV: 1000 m.
3. Frekvence rádiového spojení: 2.45 GHz.
4. Zisk NS antény: 17 dB.
5. Zisk UAV antény: 3 dB.
6. Výkon vysílače: +25 dBm (300 mW).
7. Rychlost video kanálu: 4 Mbit/s.
8. Citlivost přijímače ve videokanálu: −100.4 dBm (pro frekvenční pásmo obsazené signálem 12 MHz).
9. Substrát: suchá zemina.
10. Polarizace: vertikální.
Viditelná vzdálenost pro tato počáteční data bude 128.8 km. Výsledky výpočtu v podobě výkonu signálu na vstupu modemového přijímače v dBm jsou uvedeny na Obr. 3.
Rýže. 3. Síla signálu na vstupu přijímače modemu 3D Link
Modrá křivka na obr. 3 je výkon signálu na vstupu přijímače NS, červená přímka označuje citlivost tohoto přijímače. Osa X ukazuje dosah v km a osa Y ukazuje výkon v dBm. V těch bodech rozsahu, kde modrá křivka leží nad červenou, je možný přímý příjem videa z UAV, jinak nebude komunikace. Z grafu je patrné, že vlivem oscilací dojde ke ztrátě komunikace v rozmezí 35.5–35.9 km a dále v rozmezí 55.3–58.6 km. V tomto případě dojde ke konečnému odpojení mnohem dále - po 110.8 km letu.
Jak bylo uvedeno výše, poklesy intenzity pole vznikají v důsledku přidání protifáze v místě NS antény přímého signálu a signálu odraženého od zemského povrchu. Ztráty komunikace na NS kvůli poruchám se můžete zbavit splněním 2 podmínek.
1. Použijte modem na NS s alespoň dvěma přijímacími kanály (RX diverzita), například 3D Link .
2. Umístěte přijímací antény na NS stožár jiné výška.
Rozestup výšek přijímacích antén musí být proveden tak, aby poklesy intenzity pole v místě jedné antény byly kompenzovány úrovněmi vyššími, než je citlivost přijímače v místě druhé antény. Na Obr. Obrázek 4 ukazuje výsledek tohoto přístupu pro případ, kdy je jedna NS anténa umístěna ve výšce 5 m (modrá plná křivka) a druhá ve výšce 4 m (modrá tečkovaná křivka).
Rýže. 4. Výkon signálu na vstupech dvou přijímačů modemu 3D Link z antén umístěných v různých výškách
Z Obr. Obrázek 4 jasně ukazuje úspěšnost této metody. Po celou dobu letu UAV, až do vzdálenosti 110.8 km, signál na vstupu alespoň jednoho NS přijímače překračuje úroveň citlivosti, to znamená, že video z paluby nebude během celého letu přerušeno. vzdálenost.
Navrhovaná metoda však pomáhá zvýšit spolehlivost pouze rádiového spojení UAV→NS, protože možnost instalovat antény v různých výškách je k dispozici pouze na NS. U UAV není možné zajistit výškové oddělení antén 1 m. Ke zvýšení spolehlivosti rádiového spojení NS→UAV lze použít následující přístupy.
1. Přiveďte signál vysílače NS do antény, která přijímá silnější signál z UAV.
2. Používejte časoprostorové kódy, jako je kód Alamouti .
3. Použijte technologii formování paprsku antény se schopností řídit výkon signálu vysílaného do každé antény.
První metoda se blíží optimální v problému komunikace s UAV. Je jednoduchý a veškerá energie vysílače je v něm směrována správným směrem – do optimálně umístěné antény. Například při dosahu 50 km (viz obr. 4) je signál vysílače přiváděn na anténu zavěšenou ve vzdálenosti 5 metrů a ve vzdálenosti 60 km na anténu zavěšenou na 4 metrech. Toto je metoda používaná v modemu 3D Link . Druhá metoda nepoužívá a priori data o stavu komunikačního kanálu UAV→NS (úrovně přijímaných signálů na anténních výstupech), takže energii vysílače rozděluje rovnoměrně mezi dvě antény, což nevyhnutelně vede ke ztrátám energie, protože jedna antén může být v síle pole díry. Třetí metoda je ekvivalentní první z hlediska kvality komunikace, ale je mnohem obtížnější implementovat.
Podívejme se dále na otázku vlivu frekvence rádiových vln na komunikační dosah s UAV s přihlédnutím k vlivu podkladového povrchu. Výše bylo ukázáno, že zvýšení frekvence je výhodné, protože při pevných rozměrech antén to vede ke zvýšení dosahu komunikace. Nicméně otázka závislosti frekvence nebyla brána v úvahu. Z z toho vyplývá, že poměr zisků antén je plošně stejný a navržený pro provoz na frekvencích и , rovná se
(6)
pro 2450 MHz; Dostáváme 915 MHz 7.2 (8.5 dB). To se přibližně děje v praxi. Porovnejme například parametry následujících antén od Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (frekvence: 0.83–0.96 GHz; šířka svazku: 70°/70°; zisk: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (frekvence: 2.3–2.5 GHz; šířka svazku: 30°/30°; zisk: 15 dBi).
Tyto antény je vhodné porovnat, protože jsou vyrobeny ve stejných pouzdrech 27x27 cm, tedy mají stejnou plochu. Všimněte si, že zisk antény se liší o 15−8=7 dB, což se blíží vypočtené hodnotě 8.5 dB. Z charakteristik antén je také zřejmé, že šířka anténního diagramu pro rozsah 2.3–2.5 GHz (30°/30°) je více než dvakrát užší než šířka anténního diagramu pro rozsah 0.83–0.96 GHz (70°/70°), t. j. zisk antén se stejnými rozměry skutečně roste díky zlepšení směrových vlastností. S přihlédnutím k tomu, že v komunikační lince jsou použity 2 antény, poměr bude 2∙8.5=17 dB. Tedy při stejných rozměrech antény energetický rozpočet rádiového spojení s frekvencí 2450 MHz bude o 17 dB více, než je linkový rozpočet s frekvencí 915 MHz. Při výpočtu zohledňujeme i skutečnost, že UAV zpravidla používají bičové antény, u kterých nejsou rozměry tak kritické jako u uvažovaných panelových NS antén. Proto akceptujeme zisky UAV antény pro frekvence и rovnat se. Tito. rozdíl v energetických rozpočtech linek bude 8.5 dB, nikoli 17 dB. Výsledky výpočtu provedeného pro tyto výchozí údaje a 5 m výšky NS antény jsou uvedeny na Obr. 5.
Rýže. 5. Výkon signálu na vstupu přijímače pro rádiové spoje pracující na frekvencích 915 a 2450 MHz
Z Obr. 5 jasně ukazuje, že dosah komunikace se zvýšením provozní frekvence a stejnou plochou NS antény se zvyšuje z 96.3 km pro rádiové spojení s frekvencí 915 MHz na 110.8 km pro spojení s frekvencí 2450 MHz. . Linka na 915 MHz má však nižší kmitání. Méně oscilací znamená méně poklesů intenzity pole, tj. menší pravděpodobnost přerušení komunikace s UAV po celou dobu letu. Možná je to právě tato skutečnost, která určuje popularitu subgigahertzového rádiového vlnového rozsahu pro velitelské a telemetrické komunikační linky s UAV jako nejspolehlivější. Současně, při provádění výše popsaného souboru akcí na ochranu před oscilacemi intenzity pole, rádiové spoje v gigahertzovém rozsahu poskytují větší komunikační dosah zlepšením směrových vlastností antén.
Z uvážení Obr. 5 lze také konstatovat, že ve stínové zóně (po hranici 128.8 km) má snížení provozní frekvence komunikační linky smysl. V bodě přibližně -120 dBm jsou výkonové křivky pro frekvence и protínají. Tito. Při použití přijímačů s citlivostí lepší než −120 dBm poskytne rádiové spojení na frekvenci 915 MHz delší komunikační dosah. V tomto případě je však třeba vzít v úvahu požadovanou šířku pásma spoje, protože pro tak vysokou hodnotu citlivosti bude rychlost informace velmi nízká. Například 3D Link modem Přestože poskytuje citlivost až −122 dBm, souhrnná (v obou směrech) přenosová rychlost informace bude 23 kbit/s, což v zásadě postačuje pro KTRL komunikaci s UAV, ale zjevně nestačí pro přenos videa z dálky. deska. Sub-gigahertzový rozsah má tedy skutečně mírnou výhodu oproti gigahertzovému rozsahu pro KTRL, ale jasně ztrácí na vlastnostech při organizování video linek.
Při výběru frekvence rádiového spojení musíte vzít v úvahu také útlum signálu při jeho šíření zemskou atmosférou. U komunikačních spojení NS-UAV je útlum v atmosféře způsoben plyny, deštěm, kroupami, sněhem, mlhou a mraky . Pro provozní frekvence rádiových spojů nižších než 6 GHz lze útlum v plynech zanedbat . Nejvýraznější oslabení je pozorováno u dešťů, zejména vysoké intenzity (přeháňky). Tabulka 1 ukazuje data lineárním útlumem [dB/km] v deštích různé intenzity pro frekvence 3–6 GHz.
Tabulka 1. Lineární útlum rádiových vln [dB/km] při deštích různé intenzity v závislosti na frekvenci
Frekvence [GHz]
3 mm/hod (slabé)
12 mm/hod (střední)
30 mm/h (silný)
70 mm/hod (déšť)
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
Od stolu 1 vyplývá, že např. na frekvenci 3 GHz bude útlum ve sprše asi 0.0087 dB/km, což na 100 km trase dá 0.87 dB celkového útlumu. Se zvyšující se provozní frekvencí rádiového spoje se prudce zvyšuje útlum v dešti. Pro frekvenci 4 GHz bude útlum ve sprše na stejné trase již 9.1 dB a na frekvencích 5 a 6 GHz - 28 a 57 dB. V tomto případě se ale předpokládá, že déšť s danou intenzitou se vyskytuje po celé trase, což se v praxi stává jen zřídka. Při použití UAV v oblastech, kde jsou časté deště s vysokou intenzitou, se však doporučuje zvolit provozní frekvenci rádiového spojení pod 3 GHz.
Literatura
1. Smorodinov A.A. Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Čerenková E.L. Šíření rádiových vln a provoz rádiových spojů. Spojení. Moskva. 1971.
3.
4.
5.
6.
7.
8. C.A. Balanis. Teorie antény. Analýza a návrh. Čtvrté vydání. John Wiley & Sons. 2016.
9. Článek na Wikipedii.
10. Článek na Wikipedii.
11.
12. S.M. Alamouti. "Jednoduchá technika přenosové diverzity pro bezdrátovou komunikaci." IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16(8):1451–1458.
13.
14.
Zdroj: www.habr.com