Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

Opgaven med at øge kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) er fortsat relevant. Denne artikel diskuterer metoder til at forbedre denne parameter. Artiklen er skrevet til UAV-udviklere og -operatører og er en fortsættelse af en serie artikler om kommunikation med UAV'er (for begyndelsen af ​​serien, se [1].

Hvad påvirker kommunikationsområdet

Kommunikationsrækkevidden afhænger af det anvendte modem, antenner, antennekabler, radiobølgeudbredelsesforhold, ekstern interferens og nogle andre årsager. For at bestemme graden af ​​indflydelse af en bestemt parameter på kommunikationsområdet skal du overveje rækkeviddeligningen [2]
(1)

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

где
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — påkrævet kommunikationsrækkevidde [meter];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — lysets hastighed i vakuum [m/sek];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — frekvens [Hz];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — modemsendereffekt [dBm];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — senderantenneforstærkning [dBi];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — tab i kablet fra modemmet til senderantennen [dB];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — modtagerantenneforstærkning [dBi];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — tab i kablet fra modemmet til modtagerantennen [dB];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — modemmodtagerens følsomhed [dBm];
Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — dæmpningsmultiplikator, der tager højde for yderligere tab som følge af indflydelsen fra jordens overflade, vegetation, atmosfære og andre faktorer [dB].

Ud fra ligningen kan det ses, at området er bestemt af:

  • det anvendte modem;
  • frekvensen af ​​radiokanalen;
  • brugte antenner;
  • tab i kabler;
  • indflydelse på udbredelsen af ​​radiobølger fra Jordens overflade, vegetation, atmosfære, bygninger mv.

Dernæst betragtes de parametre, der påvirker rækkevidden, separat.

Modem brugt

Kommunikationsområdet afhænger kun af modemets to parametre: sendereffekt Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) og modtagerens følsomhed Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), eller rettere, fra deres forskel - modemets energibudget
(2)

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

For at øge kommunikationsområdet er det nødvendigt at vælge et modem med en stor værdi Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV). Øge Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) til gengæld er det muligt ved at øge Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) eller ved at reducere Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV). Fortrinsret bør gives til at søge efter modemer med høj følsomhed (Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) så lavt som muligt), i stedet for at øge sendereffekten Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV). Dette spørgsmål diskuteres detaljeret i den første artikel. [1].

Ud over materialer [1] Det er værd at huske på, at nogle producenter, såsom Microhard [3], angiver i specifikationerne for nogle enheder ikke gennemsnittet, men senderens spidseffekt, som er flere gange større end gennemsnittet, og som ikke kan bruges til at beregne rækkevidden, da dette vil føre til, at det beregnede område langt overstiger den sande værdi. Sådanne enheder inkluderer for eksempel det populære pDDL2450-modul [4,5]. Dette faktum følger direkte af resultaterne af test af denne enhed udført for at opnå FCC-certificering [6] (se side 58). Testresultater for FCC-certificerede trådløse enheder kan ses på FCC ID-webstedet [7]ved at indtaste det relevante FCC ID i søgefeltet, som skal stå på etiketten, der angiver enhedstypen. FCC-id'et for pDDL2450-modulet er NS916pDDL2450.

Radiokanals frekvens

Fra rækkeviddeligningen (1) Det følger klart, at jo lavere driftsfrekvens Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), jo større kommunikationsrækkevidde Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV). Men lad os ikke skynde os til konklusioner. Faktum er, at andre parametre, der indgår i ligningen, også afhænger af frekvensen. For eksempel antenneforstærkninger Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) и Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) vil afhænge af frekvensen i tilfælde af, at de maksimale dimensioner af antennerne fast, hvilket er præcis, hvad der sker i praksis. Antenneforstærkning Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), udtrykt i dimensionsløse enheder (tider), kan udtrykkes i form af det fysiske område af antennen Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) på følgende måde [8]
(3)

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

где Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) — antenneblændeeffektivitet, dvs. forholdet mellem det effektive antenneareal og det fysiske (afhængigt af antennedesignet) [8].

Af (3) Det er umiddelbart klart, at for et fast antenneområde stiger forstærkningen proportionalt med kvadratet af frekvensen. Lad os erstatte (3) в (1), der tidligere er blevet omskrevet (1) brug af dimensionsløse enheder til antenneforstærkninger Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), kabeltab Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) og dæmpningsfaktor Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), og også bruge Watt til Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) и Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) i stedet for dBm. Derefter
(4)

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

hvor er koefficienten Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) er en konstant for faste antennedimensioner. I denne situation er kommunikationsområdet således direkte proportionalt med frekvensen, dvs. jo højere frekvensen er, jo større rækkevidden. Udgang. Med faste dimensioner af antennerne fører en forøgelse af radioforbindelsens frekvens til en stigning i kommunikationsområdet ved at forbedre antennernes retningsmæssige egenskaber. Man skal dog huske på, at når frekvensen stiger, stiger dæmpningen af ​​radiobølger i atmosfæren, forårsaget af gasser, regn, hagl, sne, tåge og skyer. [2]. Desuden øges dæmpningen i atmosfæren med stigende vejlængde. Af denne grund er der for hver vejlængde og gennemsnitlige vejrforhold på den en vis maksimal værdi af bærefrekvensen, begrænset af det tilladte niveau af signaldæmpning i atmosfæren. Lad os overlade den endelige løsning til spørgsmålet om indflydelsen af ​​frekvensen af ​​en radiokanal på kommunikationsområdet til den sektion, hvor indflydelsen af ​​Jordens overflade og atmosfære på udbredelsen af ​​radiobølger vil blive overvejet.

antenner

Kommunikationsområdet bestemmes af en sådan antenneparameter som forstærkningen Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) (gevinst i engelsk terminologi), målt i dBi. Gain er en vigtig sammensat parameter, fordi den tager højde for: (1) antennens evne til at fokusere senderens energi mod modtageren sammenlignet med en isotrop emitter (isotrop, deraf indekset i i dBi); (2) tab i selve antennen [8,9]. For at øge kommunikationsområdet bør du vælge antenner med den højest mulige forstærkningsværdi blandt dem, der er egnede med hensyn til vægt og størrelsesparametre og styresystemets muligheder. En antennes evne til at fokusere energi gives ikke gratis, men kun ved at øge antennens dimensioner (åbning). For eksempel, jo større modtageantennen er, jo større areal vil den være i stand til at opsamle energi til at levere til modtagerindgangen, og jo mere energi, jo stærkere er det modtagne signal, dvs. kommunikationsrækkevidden øges. Derfor skal du først beslutte dig for de maksimale antennedimensioner, der er tilstrækkelige til det problem, der skal løses, og begrænse søgeområdet med denne parameter, og derefter søge efter en specifik antennemodel med fokus på den maksimale forstærkning. Den anden vigtige antenneparameter til praksis er strålebredden [8,10], målt i vinkelgrader. Typisk er strålebredden defineret som vinklen mellem to rumlige retninger fra midten af ​​antennen, ved hvilken antenneforstærkningen reduceres med 3 dB fra maksimum for den pågældende antenne. Mønsterets bredde i azimut og højde kan variere meget. Denne parameter er tæt forbundet med antennens dimensioner i henhold til reglen: større dimensioner - mindre strålebredde. Denne parameter indgår ikke direkte i rækkeviddeligningen, men det er denne parameter, der bestemmer kravene til jordstationens (GS) antenneføringssystem på UAV'en, da GS'en som regel anvender stærkt retningsbestemte antenner, i hvert fald i tilfælde, hvor rækkevidden er maksimeret, er kommunikation med UAV'en en prioritet. Så længe NS-sporingssystemet sikrer vinkelnøjagtigheden af ​​at pege antennen mod UAV'en svarende til halvdelen af ​​mønsterets bredde eller mindre, vil niveauet af det modtagne/udsendte signal ikke falde under 3 dB fra maksimum. Under ingen omstændigheder må halvdelen af ​​strålebredden af ​​den valgte antenne være mindre end vinkelfejlen for NS-antennepegesystemet i azimut eller elevation.

kabler

For at maksimere kommunikationsrækkevidden skal du bruge kabler med den lavest mulige lineære dæmpning (kabeldæmpning eller kabeltab) på arbejder frekvensen af ​​NS-UAV-radioforbindelsen. Den lineære dæmpning i et kabel er defineret som forholdet mellem signalet ved udgangen af ​​et 1 m kabelsegment (i det metriske system) og signalet ved indgangen af ​​et kabelsegment, udtrykt i dB. Kabeltab Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)inkluderet i rækkeviddeligningen (1), bestemmes ved at gange den lineære dæmpning med kabellængden. For at opnå det størst mulige kommunikationsområde skal du derfor bruge kabler med den lavest mulige lineære dæmpning og minimere længden af ​​disse kabler. På NS skal der monteres modem enheder direkte på masten ved siden af ​​antennerne. I UAV-kroppen skal modemmet placeres så tæt som muligt på antennerne. Det er også værd at kontrollere impedansen af ​​det valgte kabel. Denne parameter måles i ohm og er normalt lig med 50 eller 75 ohm. Impedansen af ​​kablet, modemmets antennestik og stikket på selve antennen skal være ens.

Påvirkning af Jordens overflade

I dette afsnit vil vi se på udbredelsen af ​​radiobølger over en almindelig eller havoverflade. Denne situation opstår ofte i praksis med at bruge UAV'er. UAV-overvågning af rørledninger, kraftledninger, landbrugsafgrøder, mange militære og specielle operationer - alt dette er godt beskrevet af denne model. Menneskelig erfaring tegner os et billede, hvor kommunikation mellem objekter er mulig, hvis de er i feltet med direkte optisk synlighed af hinanden, ellers er kommunikation umulig. Radiobølger hører dog ikke til det optiske område, så situationen med dem er noget anderledes. I denne forbindelse er det nyttigt for UAV-udvikleren og -operatøren at huske følgende to fakta.

1. Kommunikation i radioområdet er mulig selv i mangel af direkte synlighed mellem NS og UAV.
2. Påvirkningen af ​​den underliggende overflade på kommunikationen med UAV'en vil kunne mærkes, selv når der ikke er nogen genstande på den optiske NS-UAV-linje.

For at forstå detaljerne ved radiobølgeudbredelse nær jordens overflade, er det nyttigt at gøre dig bekendt med begrebet et betydeligt område af radiobølgeudbredelse [2]. I mangel af objekter i en væsentlig zone med radiobølgeudbredelse, kan rækkeviddeberegninger udføres ved hjælp af formler for ledig plads, dvs. Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) в (1) kan tages lig med 0. Hvis der er genstande i den væsentlige zone, så kan dette ikke lade sig gøre. I fig. 1 ved punkt A er der en punktudsender placeret i en højde Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) over Jordens overflade, som udsender elektromagnetisk energi i alle retninger med lige stor intensitet. Ved punkt B i højden Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) der er en modtager til at måle feltintensiteten. I denne model er det væsentlige område for radiobølgeudbredelse en ellipsoide med foci i punkterne A og B.

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)
Ris. 1. Betydeligt område med radiobølgeudbredelse

Radius af ellipsoiden i dens "tykkeste" del bestemmes af udtrykket [2]
(5)

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

Af (5) det er klart Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) afhænger af hyppigheden Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) omvendt proportional, jo mindre Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), jo "tykkere" ellipsoiden (Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) i fig. 1). Derudover øges "tykkelsen" af ellipsoiden med stigende afstand mellem kommunikationsobjekter. Til radiobølger Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) kan have en ret imponerende værdi, så hvornår Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)10 km, Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)Vi får 2.45 GHz Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)50÷60 m.

Lad os nu overveje det uigennemsigtige objekt afbildet af den grå trekant i fig. 1. Det vil påvirke udbredelsen af ​​radiobølger med en frekvens Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), fordi den er placeret i en betydelig udbredelseszone og praktisk talt ikke vil have nogen effekt på udbredelsen af ​​radiobølger med en frekvens Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV). For radiobølger i det optiske område (lys), værdien Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) er lille, så Jordens overflades indflydelse på lysets udbredelse mærkes ikke i praksis. I betragtning af at Jordens overflade er en kugle, er det let at forstå det med stigende afstand Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), vil den underliggende overflade i stigende grad bevæge sig ind i den betydelige udbredelseszone, og dermed blokere strømmen af ​​energi fra punkt A til punkt B - slutningen af ​​historien, kommunikationen med UAV'en afbrydes. Andre objekter på ruten, såsom ujævnt terræn, bygninger, skove osv., vil tilsvarende påvirke kommunikationen.

Lad os nu se på fig. 2, hvor et uigennemsigtigt objekt fuldstændigt dækker et betydeligt udbredelsesområde for en radiobølge med en frekvens Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), hvilket gør kommunikation på denne frekvens umulig. Samtidig kommunikation på frekvensen Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) er også muligt, fordi en del af energien "hopper" over det uigennemsigtige objekt. Jo lavere frekvensen er, jo længere ud over den optiske horisont kan radiobølgen forplante sig og opretholde en stabil kommunikation med UAV'en.

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)
Ris. 2. Dækker et betydeligt område med radiobølgeudbredelse

Graden af ​​Jordens overflades indflydelse på kommunikation afhænger også af antennernes højde Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) и Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV). Jo større antennerne er, desto større afstand kan punkt A og B flyttes fra hinanden uden at lade genstande eller den underliggende overflade falde ind i et væsentligt område.

Når objektet eller den underliggende overflade bevæger sig ind i et betydeligt område, vil feltstyrken ved punkt B svinge [2], dvs. den vil enten være større eller mindre end den gennemsnitlige feltstyrke. Dette sker på grund af refleksion af energi fra objektet. Den reflekterede energi kan tilføjes ved punkt B med hovedenergien i fase - så sker der en stigning i feltstyrken, eller i modfase - så sker der et fald (og ret dybt) i feltstyrken. Det er vigtigt at huske denne effekt for at forstå de specifikke forhold ved kommunikation med UAV'er. Tab af kommunikation med UAV'en i en bestemt rækkevidde kan være forårsaget af et lokalt fald i feltstyrken på grund af svingninger, det vil sige, at hvis du flyver noget længere afstand, kan forbindelsen genoprettes. Det endelige kommunikationstab vil først forekomme, efter at et betydeligt område er fuldstændig blokeret af genstande eller den underliggende overflade. Dernæst vil der blive foreslået metoder til at bekæmpe konsekvenserne af feltstyrkesvingninger.

Formler til beregning af dæmpningsfaktoren Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) Når radiobølger udbredes over jordens glatte overflade, er de ret komplekse, især for afstande Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), der overstiger rækkevidden af ​​den optiske horisont [2]. Derfor, i yderligere overvejelse af problemet, vil vi ty til matematisk modellering ved hjælp af forfatterens sæt af computerprogrammer. Lad os overveje en typisk opgave med at overføre video fra en UAV til en NS ved hjælp af et 3D Link-modem [11] fra firmaet Geoscan. De indledende data er som følger.

1. Monteringshøjde af NS-antenne: 5 m.
2. UAV flyvehøjde: 1000 m.
3. Radiolinkfrekvens: 2.45 GHz.
4. NS-antenneforstærkning: 17 dB.
5. UAV-antenneforstærkning: 3 dB.
6. Sendereffekt: +25 dBm (300 mW).
7. Videokanalhastighed: 4 Mbit/sek.
8. Modtagerfølsomhed i videokanalen: −100.4 dBm (for frekvensbåndet optaget af et 12 MHz signal).
9. Underlag: tør jord.
10. Polarisering: lodret.

Linje-of-sight distancen for disse indledende data vil være 128.8 km. Beregningsresultaterne i form af signaleffekt ved modemmodtagerens indgang i dBm er vist i fig. 3.

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)
Ris. 3. Signalstyrke ved indgangen på 3D Link-modemmodtageren [11]

Den blå kurve i fig. 3 er signaleffekten ved NS-modtagerens indgang, den røde lige linje angiver denne modtagers følsomhed. X-aksen viser rækkevidden i km, og Y-aksen viser effekten i dBm. På de afstandspunkter, hvor den blå kurve ligger over den røde, er direkte videomodtagelse fra UAV'en mulig, ellers vil der ikke være nogen kommunikation. Grafen viser, at der på grund af svingninger vil opstå kommunikationstab i intervallet 35.5-35.9 km og yderligere i intervallet 55.3-58.6 km. I dette tilfælde vil den endelige afbrydelse ske meget længere - efter 110.8 km flyvning.

Som nævnt ovenfor opstår fald i feltstyrken på grund af tilføjelsen i modfase ved placeringen af ​​NS-antennen af ​​det direkte signal og signalet reflekteret fra jordens overflade. Du kan slippe af med kommunikationstab på NS på grund af fejl ved at opfylde 2 betingelser.

1. Brug et modem på NS med mindst to modtagelseskanaler (RX diversity), for eksempel 3D Link [11].
2. Placer modtageantennerne på NS masten på forskellige højde.

Afstanden mellem modtagerantennernes højder skal laves således, at fald i feltstyrken ved placeringen af ​​den ene antenne kompenseres med niveauer, der er højere end modtagerens følsomhed ved placeringen af ​​den anden antenne. I fig. Figur 4 viser resultatet af denne fremgangsmåde for det tilfælde, hvor den ene NS-antenne er placeret i en højde på 5 m (blå fast kurve), og den anden i en højde på 4 m (blå stiplet kurve).

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)
Ris. 4. Signaleffekt ved indgangene på to 3D Link modemmodtagere fra antenner placeret i forskellige højder

Fra Fig. Figur 4 viser tydeligt frugtbarheden af ​​denne metode. Faktisk overskrider signalet ved indgangen på mindst én NS-modtager følsomhedsniveauet gennem hele UAV'ens flyvedistance, op til en rækkevidde på 110.8 km, dvs. videoen fra tavlen vil ikke blive afbrudt under hele flyvningen afstand.

Den foreslåede metode hjælper dog kun med at øge pålideligheden af ​​UAV→NS-radioforbindelsen, da muligheden for at installere antenner i forskellige højder kun er tilgængelig på NS. Det er ikke muligt at sikre en højdeadskillelse af antenner på 1 m på en UAV. For at øge pålideligheden af ​​NS→UAV-radioforbindelsen kan følgende fremgangsmåder bruges.

1. Før NS-sendersignalet til antennen, der modtager et kraftigere signal fra UAV'en.
2. Brug rum-tid-koder, såsom Alamouti-koden [12].
3. Brug antennestråleformende teknologi med evnen til at kontrollere signaleffekten, der sendes til hver antenne.

Den første metode er tæt på optimal i problemet med kommunikation med en UAV. Det er enkelt og i det ledes al senderenergi i den rigtige retning - til en optimalt placeret antenne. For eksempel, i en rækkevidde på 50 km (se fig. 4), føres sendersignalet til en antenne, der er ophængt på 5 meter, og i en rækkevidde på 60 km - til en antenne, der er ophængt på 4 meter. Dette er den metode, der bruges i 3D Link-modemet [11]. Den anden metode bruger ikke a priori data om tilstanden af ​​UAV→NS kommunikationskanalen (niveauer af modtagne signaler ved antenneudgangene), så den deler senderenergien ligeligt mellem to antenner, hvilket uundgåeligt fører til energitab, da en af antennerne kan være i en hulfeltstyrke. Den tredje metode svarer til den første med hensyn til kommunikationskvalitet, men er meget sværere at implementere.

Lad os yderligere overveje spørgsmålet om indflydelsen af ​​radiobølgefrekvens på kommunikationsområdet med UAV'en under hensyntagen til indflydelsen fra den underliggende overflade. Det blev vist ovenfor, at det er fordelagtigt at øge frekvensen, for med faste dimensioner af antennerne fører dette til en stigning i kommunikationsområdet. Men spørgsmålet om afhængighed Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) frekvens blev ikke taget i betragtning. Fra (3) det følger, at forholdet mellem forstærkningerne af antenner er lige i areal og designet til at fungere ved frekvenser Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) и Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV), lige med
(6)

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)

for Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)2450 MHz; Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)Vi får 915 MHz Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)7.2 (8.5 dB). Det er omtrent, hvad der sker i praksis. Lad os for eksempel sammenligne parametrene for følgende antenner fra Wireless Instruments:

  • WiBOX PA 0809-8V [13] (frekvens: 0.83–0.96 GHz; strålebredde: 70°/70°; forstærkning: 8 dBi);
  • WiBOX PA 24-15 [14] (frekvens: 2.3–2.5 GHz; strålebredde: 30°/30°; forstærkning: 15 dBi).

Det er praktisk at sammenligne disse antenner, fordi de er lavet i de samme 27x27 cm huse, dvs. de har det samme areal. Bemærk, at antenneforstærkningen adskiller sig med 15−8=7 dB, hvilket er tæt på den beregnede værdi på 8.5 dB. Fra antennernes karakteristika er det også klart, at bredden af ​​antennemønsteret for området 2.3–2.5 GHz (30°/30°) er mere end dobbelt så smal som bredden af ​​antennemønsteret for området 0.83–0.96 GHz (70°/70°), dvs. forstærkningen af ​​antenner med samme dimensioner øges faktisk på grund af forbedringen af ​​retningsegenskaber. Under hensyntagen til det faktum, at der bruges 2 antenner i kommunikationslinjen, er forholdet Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) vil være 2∙8.5=17 dB. Således, med de samme antennedimensioner, energibudgettet for en radioforbindelse med en frekvens Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)2450 MHz vil være 17 dB mere end linjebudgettet med frekvens Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)915 MHz. I beregningen tager vi også højde for, at UAV'er som udgangspunkt anvender piskeantenner, for hvilke dimensionerne ikke er så kritiske som for de betragtede NS-panelantenner. Derfor accepterer vi UAV-antenneforstærkningerne for frekvenser Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) и Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) lige. De der. forskellen i ledningernes energibudgetter vil være 8.5 dB, ikke 17 dB. Resultaterne af beregningen udført for disse indledende data og 5 m højden af ​​NS-antennen er vist i fig. 5.

Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV)
Ris. 5. Signaleffekt ved modtagerindgangen for radioforbindelser, der opererer ved frekvenserne 915 og 2450 MHz

Fra Fig. 5 viser tydeligt, at kommunikationsområdet med en stigning i driftsfrekvensen og det samme område af NS-antennen stiger fra 96.3 km for en radioforbindelse med en frekvens på 915 MHz til 110.8 km for en forbindelse med en frekvens på 2450 MHz . Linjen ved 915 MHz har dog en lavere oscillationsfrekvens. Færre svingninger betyder færre fald i feltstyrken, dvs. mindre sandsynlighed for at afbryde kommunikationen med UAV'en over hele flyvedistancen. Måske er det denne kendsgerning, der bestemmer populariteten af ​​sub-gigahertz radiobølgeområdet for kommando- og telemetrikommunikationslinjer med UAV'er som de mest pålidelige. På samme tid, når man udfører det ovenfor beskrevne sæt af handlinger for at beskytte mod feltstyrkesvingninger, giver radiolinks i gigahertz-området et større kommunikationsområde ved at forbedre antennernes retningsegenskaber.

Ud fra betragtning af fig. 5 kan vi også konkludere, at i skyggezonen (efter 128.8 km-mærket) er det fornuftigt at sænke driftsfrekvensen for kommunikationslinjen. Faktisk, ved et punkt på ca. −120 dBm, kurver effektkurverne for frekvenser Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) и Sådan øges kommunikationsrækkevidden med et ubemandet luftfartøj (UAV) krydse. De der. Ved brug af modtagere med en følsomhed bedre end -120 dBm, vil en radioforbindelse med en frekvens på 915 MHz give en længere kommunikationsrækkevidde. I dette tilfælde skal den nødvendige linkbåndbredde dog tages i betragtning, da for en så høj følsomhedsværdi vil informationshastigheden være meget lav. For eksempel 3D Link-modem [11] Selvom det giver følsomhed op til -122 dBm, vil den samlede (i begge retninger) informationstransmissionshastighed være 23 kbit/sek., hvilket i princippet er tilstrækkeligt til KTRL-kommunikation med en UAV, men tydeligvis ikke nok til at transmittere video fra på bestyrelse. Således har sub-gigahertz-området faktisk en lille fordel i forhold til gigahertz-området for KTRL, men taber klart i karakteristika, når du organiserer videolinjer.

Når du vælger en radiolink-frekvens, skal du også tage højde for dæmpningen af ​​signalet, når det forplanter sig gennem jordens atmosfære. For NS-UAV kommunikationsforbindelser er dæmpning i atmosfæren forårsaget af gasser, regn, hagl, sne, tåge og skyer [2]. For driftsfrekvenser for radioforbindelser mindre end 6 GHz kan dæmpning i gasser ignoreres [2]. Den mest alvorlige svækkelse observeres i regn, især af høj intensitet (byger). Tabel 1 viser dataene [2] ved lineær dæmpning [dB/km] i regn med forskellig intensitet for frekvenser 3–6 GHz.

Tabel 1. Lineær dæmpning af radiobølger [dB/km] i regn af forskellig intensitet afhængig af frekvens

Frekvens [GHz] 3 mm/time (svag)
12 mm/time (moderat)
30 mm/time (stærk)
70 mm/time (regn)

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

Fra bordet 1 følger det, at f.eks. ved en frekvens på 3 GHz vil dæmpningen i en byge være omkring 0.0087 dB/km, hvilket på en 100 km bane vil give 0.87 dB total dæmpning. Efterhånden som radioforbindelsens driftsfrekvens stiger, stiger dæmpningen i regn kraftigt. For en frekvens på 4 GHz vil dæmpningen i et brusebad på samme vej allerede være 9.1 dB, og ved frekvenser på 5 og 6 GHz - henholdsvis 28 og 57 dB. I dette tilfælde antages det dog, at der opstår regn med en given intensitet langs hele ruten, hvilket sjældent sker i praksis. Men når du bruger UAV'er i områder, hvor der hyppigt regner med høj intensitet, anbefales det at vælge en driftsfrekvens for radioforbindelsen under 3 GHz.

Litteratur

1. Smorodinov A.A. Sådan vælger du et bredbåndsmodem til et ubemandet luftfartøj (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Udbredelse af radiobølger og drift af radioforbindelser. Forbindelse. Moskva. 1971.
3. Microhard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 specifikation.
5. Picoradio OEM-specifikation.
6. Teknisk testrapport. Pico 2.4GHz 1W Digital Data Link-modul.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Antenne teori. Analyse og design. Fjerde udgave. John Wiley & sønner. 2016.
9. Antenneforstærkning. Wikipedia artikel.
10. strålebredde. Wikipedia artikel.
11. Digitalt duplex radiomodem 3D Link.
12. S.M. Alamouti. "En simpel transmissionsdiversitetsteknik til trådløs kommunikation." IEEE Journal om udvalgte områder i kommunikation. 16(8):1451-1458.
13. PTP-klientantenne WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP-klientantenne WiBOX PA 24-15.

Kilde: www.habr.com

Tilføj en kommentar