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
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
где
— påkrævet kommunikationsrækkevidde [meter];
— lysets hastighed i vakuum [m/sek];
— frekvens [Hz];
— modemsendereffekt [dBm];
— senderantenneforstærkning [dBi];
— tab i kablet fra modemmet til senderantennen [dB];
— modtagerantenneforstærkning [dBi];
— tab i kablet fra modemmet til modtagerantennen [dB];
— modemmodtagerens følsomhed [dBm];
— 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 og modtagerens følsomhed , eller rettere, fra deres forskel - modemets energibudget
For at øge kommunikationsområdet er det nødvendigt at vælge et modem med en stor værdi . Øge til gengæld er det muligt ved at øge eller ved at reducere . Fortrinsret bør gives til at søge efter modemer med høj følsomhed ( så lavt som muligt), i stedet for at øge sendereffekten . Dette spørgsmål diskuteres detaljeret i den første artikel.
Ud over materialer
Radiokanals frekvens
Fra rækkeviddeligningen
где — antenneblændeeffektivitet, dvs. forholdet mellem det effektive antenneareal og det fysiske (afhængigt af antennedesignet)
Af
hvor er koefficienten 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.
antenner
Kommunikationsområdet bestemmes af en sådan antenneparameter som forstærkningen (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 [
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 inkluderet i rækkeviddeligningen
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
Ris. 1. Betydeligt område med radiobølgeudbredelse
Radius af ellipsoiden i dens "tykkeste" del bestemmes af udtrykket
Af
Lad os nu overveje det uigennemsigtige objekt afbildet af den grå trekant i fig. 1. Det vil påvirke udbredelsen af radiobølger med en frekvens , fordi den er placeret i en betydelig udbredelseszone og praktisk talt ikke vil have nogen effekt på udbredelsen af radiobølger med en frekvens . For radiobølger i det optiske område (lys), værdien 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 , 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 , hvilket gør kommunikation på denne frekvens umulig. Samtidig kommunikation på frekvensen 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.
Ris. 2. Dækker et betydeligt område med radiobølgeudbredelse
Graden af Jordens overflades indflydelse på kommunikation afhænger også af antennernes højde и . 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
Formler til beregning af dæmpningsfaktoren Når radiobølger udbredes over jordens glatte overflade, er de ret komplekse, især for afstande , der overstiger rækkevidden af den optiske horisont
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.
Ris. 3. Signalstyrke ved indgangen på 3D Link-modemmodtageren
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
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).
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
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
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 frekvens blev ikke taget i betragtning. Fra
for 2450 MHz; Vi får 915 MHz 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 vil være 2∙8.5=17 dB. Således, med de samme antennedimensioner, energibudgettet for en radioforbindelse med en frekvens 2450 MHz vil være 17 dB mere end linjebudgettet med frekvens 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 и 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.
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 и 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
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
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
Kilde: www.habr.com