Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

Opgraderingsproblemet for rækkevidden af kommunikationen med en drone (UAV) forbliver aktuelt. I denne artikel diskuteres metoder til forbedring af denne parameter. Artiklen er skrevet til udviklere og operatører af UAV'er og er en fortsættelse af rækken af artikler om kommunikation med UAV'er (start af rækken se i [1].

Hvad påvirker rækkevidden af kommunikationen

Rækkevidden af kommunikationen afhænger af den anvendte modem, antenner, antennekabler, forholdene for radiosignalfordelingen, eksterne interferenser og nogle andre faktorer. For at bestemme graden af indflydelse af forskellige parametre på rækkevidden, lad os undersøge ligningen for rækkevidden [2]
(1)

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

hvor
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — den efterspurgte rækkevidde af kommunikationen [meter];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — lysfarten i vakuum [m/s];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — frekvens [Hz];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — transmisseffekt af modemmet [dBm];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — gevinst af transmissionsantennen [dBi];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — tab i kabel fra modem til transmissionsantennen [dB];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — gevinst af modtagerantennen [dBi];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — tab i kabel fra modem til modtagerantennen [dB];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — følsomhed af modemmodtageren [dBm];
Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — dæmpningsmultiplikator, der tager hensyn til ekstra tab på grund af påvirkningen fra Jordens overflade, vegetation, atmosfære og andre faktorer [dB].

Fra ligningen ses det, at rækkevidden bestemmes af:

  • den anvendte modem;
  • frekvensen af radiokanalen;
  • de anvendte antenner;
  • tab i kabler;
  • påvirkningen af Jordens overflade, vegetation, atmosfære, bygninger osv. på radiosignalfordelingen.

De påvirkende parametre vil derefter blive betragtet individuelt.

Den anvendte modem

Rækkevidden af kommunikationen afhænger kun af to parametre for modemmet: transmissionskraften Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og følsomheden af modtageren Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), mere præcist af deres forskel — den energiske budgettering af modemmet
(2)

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

For at øge rækkevidden skal man vælge et modem med en højere værdi Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV). At øge Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) kan i sin tur gøres enten ved at øge Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) eller ved at reducere Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV). Der bør foretrækkes at søge efter modemmer med høj følsomhed (Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) så lavt som muligt), frem for at øge transmissionskraften Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV). Dette spørgsmål er blevet grundigt diskuteret i den første artikel [1].

Som et supplement til materialerne [1] bør det bemærkes, at nogle producenter, såsom Microhard [3], angiver i specifikationer for visse enheder ikke den gennemsnitlige, men den maksimale effekt af transmitter, som er flere gange højere end gennemsnittet og som ikke kan bruges til at beregne rækkevidde, da det vil føre til et stærkt overskud af den beregnede rækkevidde i forhold til den faktiske værdi. Eksempler på sådanne enheder inkluderer den populære pDDL2450 modul [4,5]. Dette faktum følger direkte fra testresultaterne af denne enhed, der blev udført for at opnå FCC-certifikat. [6] (se s. 58). Testresultater for trådløse enheder med FCC-certifikater kan ses på FCC ID's hjemmeside [7], ved at indtaste den relevante FCC ID i søgefeltet, som skal være på mærkaten med enhedens type. FCC-identifikatoren for pDDL2450-modulet er: NS916pDDL2450.

Frekvensen for radiokanalen

Fra rækkeviddeformlen (1) får man klart udtrykt, at jo lavere driftsfrekvensen er, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), jo længere rækkevidde. Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV). Men lad os ikke være for hurtige med at drage konklusioner. Sagen er, at andre parametre, der indgår i ligningen, også afhænger af frekvensen. For eksempel afhænger antenneforstærkningskoefficienterne Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) af frekvensen, når de maksimale dimensioner af antennerne er faste,, hvilket er tilfældet i praksis. Forstærkningskoefficienten for antennen Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), udtrykt i dimensionløse enheder (gange), kan udtrykkes gennem antennens fysiske areal Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) som følgende [8]
(3)

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

hvor Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) — effektiviteten af antennearpeturen, dvs. forholdet mellem effektivt areal og fysisk areal (afhænger af antennens konstruktion). [8].

Af (3) Det er tydeligt, at når antennens areal er fast, stiger forstærkningskoefficienten proportionalt med frekvensens kvadrat. Lad os indsætte (3) i (1), efter at have omskrevet (1) ved at bruge dimensionsløse enheder for antenneforstærkningskoefficienter, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), tabskoefficienter i kabler, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og dæmpningsfaktoren, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), samt ved at bruge watt i stedet for dBm. Så Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) hvor forstærkningskoefficienten
(4)

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

er en konstant ved faste antennestørrelser. således er rækkevidden i denne situation direkte proportional med frekvensen, dvs. jo højere frekvens, jo større rækkevidde. Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) er en konstant med faste dimensioner af antennen. Således er i denne situation kommunikationsrækkevidden direkte proportionel med frekvensen, dvs. jo højere frekvens, jo længere rækkevidde. Konklusion. Ved faste antennestørrelser fører en stigning i radiolinjefrekvensen til en øget kommunikationsafstand på grund af forbedrede retningsbestemte egenskaber ved antennerne. Det er dog vigtigt at huske, at med stigende frekvens vokser også dæmpningen af radiobølger i atmosfæren, forårsaget af gasser, regn, hagl, sne, tåge og skyer. [2]. Desuden øges dæmpningen i atmosfæren også med længden af strækningen. Af denne grund er der for hver strækning og de gennemsnitlige vejrforskningsbetingelser et maksimalt værdi for bærerfrekvensen, begrænset af det acceptable dæmpningsniveau af signalet i atmosfæren. Vi vil lade den endelige løsning på spørgsmålet om, hvordan radiokanalfrekvensen påvirker kommunikationsafstanden, være til det afsnit, hvor påvirkningen af jordens overflade og atmosfæren på radiobølgers udbredelse vil blive betragtet.

Antennetyper

Kommunikationsafstanden defineres ved en parameter for antennen kaldet gevinst. Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) (gain på engelsk terminologi), målt i dBi. Gevinsten er en vigtig kompositparameter, da den tager højde for: (1) antennens evne til at fokusere transmitterens energi mod modtageren i forhold til en isotropisk stråler (isotropic, deraf indikatoren i dBi); (2) tab i selve antennen [8,9]. For at øge kommunikationsafstanden bør man vælge antenner med den maksimalt mulige gevinstværdi blandt dem, der passer til værdi- og størrelseparametrene samt systemets styreevner. Antennens evne til at fokusere energi kræver ikke nødvendigvis dyrt udstyr, men kun ved at øge antennens størrelse (åbning). For eksempel, jo større modtagerantennen er, jo større område kan den samle energi fra for at sende til indgangen på modtageren, og jo mere energi der er – jo stærkere er det modtagne signal, hvilket betyder, at kommunikationsafstanden øges. Derfor er det nødvendigt først at bestemme de maksimale dimensioner af antennerne, som er passende til den opgave, der skal løses, og begrænse søgeområdet efter denne parameter, hvorefter den specifikke antennemodel kan findes med fokus på maksimal gevinst. Den anden vigtige parameter for praksis er bredden af strålingsdiagrammet (beamwidth) [8,10], målt i vinkler. Generelt bestemmes strålebredde som vinklen mellem to rumretninger fra centrum af antennen, hvor antennens forstærkning falder med 3 dB fra maksimum for denne antenne. Strålebredde i azimut og elevationsvinkel kan variere betydeligt. Denne parameter er nært knyttet til antennens dimensioner, idet reglen er: større dimensioner — mindre strålebredde. Parameteren indgår ikke direkte i rækkevidde-ligningen, men den bestemmer kravene til føringssystemet for antennen ved jorden (GS) mod UAV'en, da der normalt bruges stærkt retningsbestemte antenner til GS, især når maksimum rækkevidde til UAV'en er en prioritet. Faktisk, så længe føringssystemet i GS sikrer vinkelpræcisionen i antennens retningsbestemmelse mod UAV'en, svarende til halvdelen af den valgte antennes strålebredde eller derunder, vil signalniveauet for modtagne/udsendte signaler ikke falde under 3 dB fra maksimum. Halvdelen af strålebredden af den valgte antenne må under ingen omstændigheder være mindre end den vinkelmæssige fejl i føringssystemet for antennen ved GS i azimut eller elevationsvinkel.

Kabler

For at maksimere rækkevidden skal der bruges kabler med muligvis lavere dæmpning (cable attenuation eller cable loss) på arbejdsfrekvensen for radiolinket mellem GS – UAV. Dæmpningen i kabel er defineret som forholdet mellem signalet ved udgangen af et kabelsegment på 1 m (i metrisk system) til signalet ved indgangen til kabelsegmentet, udtrykt i dB. Tab i kabler, , der indgår i rækkevidde-ligningen, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), bestemmes ved at multiplicere dæmpningen med længden af kablet. Således, for at opnå den maksimale mulige rækkevidde, skal der bruges kabler med minimal mulig dæmpning og minimere længden af disse kabler. På GS skal modemblokke monteres direkte på masten tæt på antennerne. I UAV'ens kabinet skal modemet placeres så tæt på antennerne som muligt. Det er også vigtigt at kontrollere impedansen af det valgte kabel. Denne parameter måles i Ohm og er normalt lig med 50 eller 75 Ohm. Impedansen af kablet, modemets antenneforbindelse og forbindelsen på antennen skal være ens. (1)Indflydelsen af jordens overflade

Indflydelsen fra jordoverfladen

I denne sektion vil vi se på udbredelsen af radiobølger over en plan flade eller havoverflade. En sådan situation er ofte forbundet med brugen af UAV'er. Overvågning af rørledninger, el-net, landbrugsafgrøder og mange militære og specialoperationer beskrives godt af denne model. Menneskelig erfaring skitserer et billede, hvor forbindelsen mellem objekter kun er mulig, hvis de er inden for direkte sigtlinje til hinanden; ellers er forbindelsen umulig. Dog tilhører radiobølger ikke det optiske spektrum, så situationen er lidt anderledes. Derfor er det nyttigt for udvikleren og operatøren af UAV'er at huske følgende to fakta.

1. Kommunikation i radiobåndet er muligt, selv uden direkte synlighed mellem STS og UAV.
2. Indflydelsen fra den underliggende overflade på forbindelsen til UAV vil stadig mærkes, selv når der ikke er nogen objekter i den optiske linje mellem STS og UAV.

For at forstå det specifikke ved udbredelsen af radiobølger nær jordens overflade er det nyttigt at sætte sig ind i konceptet om området med betydelig radiobølgeudbredelse. [2]. I fravær af objekter i det betydelige område for radial udbredelse kan afstanden beregnes med formler for frit rum, dvs. Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) i (1) kan betragtes som lig med 0. Men hvis der er objekter i det betydelige område, kan man ikke gøre det. På fig. 1 er der ved punkt A en punktkilde, der er placeret i en højde Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) over jordens overflade, som udsender elektromagnetisk energi i alle retninger med ens intensitet. Ved punkt B i højden Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) befinder der sig en modtager til måling af intensiteten i feltet. I denne model repræsenterer det betydelige område for radiobølgeudbredelse en ellipsoid med fokuser i punkterne A og B.

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)
Fig. 1. Det betydelige område for radiobølgeudbredelse

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

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

Af (5) det er tydeligt, at Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) afhænger af frekvensen, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og er omvendt proportional; jo mindre Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), jo "tykkere" er ellipsoiden (Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) i fig. 1). Desuden øges ellipsoidens "tykkelse" med den øgede afstand mellem forbindelsesobjekterne. For radiobølgeområderne Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) kan dette have en ganske betydelig størrelse; ved Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)10 km, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)2,45 GHz får vi Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)50÷60 m.

Lad os nu se på den uigennemsigtige genstand, der er viser med en grå trekant på fig. 1. Den vil have indflydelse på udbredelsen af radiofrekvenser, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), da den befinder sig i en væsentlig udbredelseszone, og vil praktisk talt ikke have nogen indflydelse på udbredelsen af radiofrekvenser, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV). For radiofrekvenser i det optiske spektrum (lys) er størrelsen Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) lille, så indflydelsen fra jordens overflade på lysudbredelsen mærkes ikke i praksis. Da jordens overflade er en kugle, er det ikke svært at forstå, at efterhånden som afstanden øges, Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), vil den underliggende overflade i stigende grad trænge ind i den væsentlige udbredelseszone og dermed blokere for energitilførslen fra punkt A til punkt B — slutningen på historien, forbindelsen til UAV'en afbrydes. Andre objekter på ruten, såsom ujævnheder i terrænet, bygninger, skove osv., vil også påvirke forbindelsen.

Lad os nu se på fig. 2, hvor den uigennemsigtige genstand fuldstændigt dækker den væsentlige udbredelseszone for radiofrekvenserne Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), hvilket gør forbindelsen på denne frekvens umulig. På samme tid er forbindelsen på frekvensen Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) stadig mulig, fordi en del af energien "springer" over den uigennemsigtige genstand. Jo lavere frekvense, desto længere kan radiofrekvensen sprede sig over den optiske horisont og opretholde en stabil forbindelse med UAV'en.

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)
Fig. 2. Dækning af den væsentlige udbredelseszone for radiofrekvenser

Graden af indflydelse fra jordens overflade på forbindelsen afhænger også af højden af antennerne Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV). Jo højere antennerne er, desto længere kan punkterne A og B adskilles, uden at objekter eller den underliggende overflade trænger ind i den væsentlige zone.

Efterhånden som objektet eller den underliggende overflade trænger ind i den væsentlige zone, vil feltstyrken i punkt B oscillere. [2], dvs. det vil variere mellem mere og mindre end middel feltintensitet. Dette sker ved, at energi reflekteres fra objektet. Den reflekterede energi kan i punkt B lægge sig oveni den primære energi i fase — så opstår der en stigning i feltintensiteten, eller i modfase — så opstår der et fald i feltintensiteten (og et ret markant sådant). Det er vigtigt at huske på denne effekt for at forstå specifikationen af forbindelsen til UAV. Tab af forbindelse til UAV på en given afstand kan skyldes et lokalt fald i feltintensiteten på grund af oscillationer, dvs. hvis man flyver endnu et stykke, kan forbindelsen genoprettes. Det endelige tab af forbindelse opstår først efter en fuldstændig dækning af det væsentlige område af objekter eller den underliggende overflade. Nedenfor vil der blive foreslået metoder til at håndtere konsekvenserne af oscillationer i feltintensiteten.

Formler til beregning af dæmpningsfaktoren Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) ved udbredelse af radiobølger over en glat overflade af Jorden er ret komplekse, især for afstande Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), der overstiger den optiske horisontafstand [2]. Derfor vil vi i den videre behandling af problemet ty til matematisk modellering med et sæt computersoftware fra forfatteren. Lad os overveje en typisk opgave med at transmittere video fra UAV til NS ved hjælp af 3D Link-modemet [11] fra GeoScan. De indledende data er som følger.

1. Højde over jorden af NS-antenne: 5 m.
2. Flyvehøjde for UAV: 1000 m.
3. Frekvens for radiolinje: 2.45 GHz.
4. Forstærkningsfaktor for NS-antenne: 17 dB.
5. Forstærkningsfaktor for UAV-antenne: 3 dB.
6. Senderens effekt: +25 dBm (300 mW).
7. Hastighed i videokanalen: 4 Mbit/s.
8. Modtagers følsomhed i videokanalen: −100.4 dBm (for frekvensområdet besat af signalet 12 MHz).
9. Underlagt overflade: tør jord.
10. Polarisation: vertikal.

Afstanden for direkte optisk syn for disse indledende data vil være 128.8 km. Beregningsresultaterne i form af signalstyrke ved modtagermodemet i dBm præsenteres i fig. 3.

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)
Fig. 3. Signalstyrke ved modtagermodemet 3D Link [11]

Den blå kurve i fig. 3 viser signalstyrken ved indgangen til modtageren NS, den røde lige linje angiver følsomheden af denne modtager. På X-aksen er rækkevidden angivet i km, mens Y-aksen viser styrken i dBm. I de punkter af rækkevidden, hvor den blå kurve ligger over den røde linje, er videotransmission fra UAV'en mulig, ellers vil der ikke være forbindelse. Grafen viser, at på grund af oscillationer vil forbindelsen forsvinde i rækkevidderne 35,5–35,9 km og derefter i 55,3–58,6 km. Den endelige forbindelse vil dog falde meget længere væk – efter 110,8 km flyvning.

Som nævnt tidligere opstår der fald i feltstyrken på grund af faseforskydningen af den direkte signal fra antennen NS og den reflekterede signal fra jordoverfladen. For at undgå tab af forbindelse på NS på grund af faldene kan man opfylde to betingelser.

1. Bruge en modem på NS med mindst to modtagekanaler (RX diversity), for eksempel 3D Link. [11].
2. Placere modtagerantennene på NS masten på forskellige højder.

Forskellen i højderne af modtagerantennene skal udføres sådan, at faldene i feltstyrken på én antennes placering kompenseres af niveauerne over følsomheden af modtageren på den anden antennes placering. I fig. 4 er der vist et resultat af denne tilgang for tilfældet, hvor én antenne NS er placeret i 5 m højde (den blå solide kurve), og den anden i 4 m højde (den blå stiplede kurve).

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)
Fig. 4. Signalstyrken ved indgangen til de to modtagere af 3D Link-modemet fra antennerne, der er placeret på forskellige højder.

Fra fig. 4 kan man tydeligt se frugten af denne metode. Faktisk, i hele flyvningsafstanden af UAV'en, indtil en rækkevidde på 110,8 km, overstiger signalet ved indgangen til mindst én af modtagerne NS følsomhedsniveauet, dvs. videoen fra skibet vil ikke blive afbrudt i hele flyvningsafstanden.

Den foreslåede metode hjælper dog kun med at øge pålideligheden af den radioforbindelse fra UAV til NS, da mulighederne for at installere antenner i forskellige højder kun findes på NS. At opnå en forskydning af antennerne på 1 m på UAV'en er ikke muligt. For at øge pålideligheden af radioforbindelsen fra NS til UAV kan følgende metoder anvendes.

1. Tilslutte signalet fra NS transmitter til den antenne, der modtager det stærkere signal fra UAV.
2. Brug rum-tid koder, for eksempel Alamouti koden [12].
3. Brug teknologi til styring af antennes DN (beamforming) med mulighed for at kontrollere signalstyrken, der sendes til hver af antennerne.

Den første metode er tæt på optimal til kommunikationen med UAV. Den er enkel, og al senderens energi rettes mod den ønskede retning — den optimalt placerede antenne. For eksempel, ved en rækkevidde på 50 km (se fig. 4) sendes senderens signal til en antenne hængende 5 meter oppe, mens der ved en rækkevidde på 60 km sendes til en antenne hængende 4 meter oppe. Denne metode bruges i 3D Link-modemet. [11]Den anden metode bruger ikke aprioriske data om tilstanden af kommunikationskanalen mellem UAV og NCS (niveauer af modtagne signaler ved antennernes udgange), så den deler senderens energi jævnt mellem to antenner, hvilket uundgåeligt fører til energitab, da en af antennerne kan befinde sig i et område med lav feltstyrke. Den tredje metode er kvalitetsmæssigt ækvivalent med den første, men er meget mere kompleks at implementere.

Lad os nu se på spørgsmålet om radiobølgernes frekvens indflydelse på rækkevidden til UAV med hensyn til indflydelsen fra den underliggende overflade. Det er blevet vist ovenfor, at en stigning i frekvensen er gavnlig, da det ved faste antennestørrelser fører til en øget kommunikationsrækkevidde. Dog er spørgsmålet om afhængigheden Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) af frekvensen ikke blevet diskuteret. Fra (3) følger det, at forholdet mellem antennernes forstærkningskoefficienter, som er lige i areal og designet til at arbejde på frekvenser Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV), er lig med
(6)

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)

For Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)2450 MHz; Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)915 MHz får vi Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)7.2 (8.5 dB). Omtrent sådan foregår det i praksis. Lad os sammenligne parametrene for følgende antenner fra producenten Wireless Instruments:

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

Data antennae are conveniently compared as they are made in identical enclosures of 27x27 cm, meaning they have the same area. It should be noted that the gain coefficient of the antennas differs by 15−8=7 dB, which is close to the calculated value of 8.5 dB. From the characteristics of the antennas, it is also evident that the beam width of the antenna at the frequency range of 2.3–2.5 GHz (30°/30°) is more than twice as narrow as the beam width of the antenna in the 0.83–0.96 GHz range (70°/70°), which means that the gain of the antennas with the same dimensions indeed increases due to improved directional properties. Considering that two antennas are used in the communication line, the ratio Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) will be 2∙8.5=17 dB. Thus, with identical dimensions of the antennas, the energy budget of the radio line at a frequency of Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)2450 MHz will be 17 dB greater than the budget of the line at a frequency of Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)915 MHz. In the calculation, we also take into account the fact that UAVs generally use monopole antennas for which the dimensions are not as critical as for the discussed panel antennas. Therefore, we will take the gain coefficients of the UAV antennas for the frequencies Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) as equal. That is, the difference in energy budgets of the lines will be 8.5 dB, rather than 17 dB. The results of the calculation performed for these initial data and a height of 5 m for the panel antenna are shown in Fig. 5.

Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV)
Fig. 5. Signal strength at the receiver input for radio lines operating at frequencies of 915 and 2450 MHz

From Fig. 5, it is clearly visible that the communication range increases from 96.3 km for the radio line at a frequency of 915 MHz to 110.8 km for the line at a frequency of 2450 MHz with an increase in operational frequency and identical area of the panel antenna. However, the line at 915 MHz has a lower oscillation frequency. Fewer oscillations result in less field intensity dips, meaning a lower probability of connection interruption with the UAV across the entire flight distance. This fact may explain the popularity of the sub-gigahertz radio frequency range for command and telemetry communication lines with UAVs as the most reliable option. At the same time, when implementing the above actions to protect against field intensity oscillations, gigahertz-range radio lines provide a greater communication range due to enhanced directional properties of the antennas.

Fra overvejelserne i figur 5 kan man også konkludere, at i skyggeområdet (efter markeringen ved 128,8 km) er det meningsfuldt at sænke arbejdsfrekvensen for kommunikationslinjen. Faktisk, ved et punkt på cirka −120 dBm, krydser effektkurverne for frekvenserne. Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) og Hvordan man øger rækkevidden for en dronet (UAV) Det vil sige, at når der anvendes modtagere med en følsomhed bedre end −120 dBm, vil radiolinjen ved 915 MHz medføre en større kommunikationsafstand. I dette tilfælde skal man dog tage hensyn til den nødvendige båndbredde af forbindelsen, da informationshastigheden ved så høj en følsomhed vil være meget lav. For eksempel giver 3D Link-modem [11] selvom det tilbyder følsomhed op til −122 dBm, men den samlede (i begge retninger) informationsoverførselshastighed vil være 23 kbit/s, hvilket i princippet er tilstrækkeligt til RTK-kommunikation med droner, men klart utilstrækkeligt til at transmittere video fra luften. Dermed har sub-gigahertz-båndet faktisk en lille fordel i forhold til gigahertz-båndet for RTK, men klart underpræsterer i forhold til videooverførsel.

Når man vælger frekvensen for radiolinjen, skal man også tage hensyn til signaldæmpningen ved udbredelse i Jordens atmosfære. For kommunikationslinjer mellem droner og kontrolstationer skyldes dæmpningen i atmosfæren gasser, regn, hagl, sne, tåge og skyer. [2]For arbejdsfrekvenser for radiolinjer under 6 GHz kan man se bort fra dæmpningen i gasser. [2]Den mest signifikante dæmpning observeres ved regn, især ved høj intensitet (skybrud). Tabel 1 viser data [2] vedrørende per kilometer dæmpning [dB/km] ved regn af forskellig intensitet for frekvenserne 3–6 GHz.

Tabel 1. Per kilometer dæmpning af radiobølger [dB/km] ved regn af forskellig intensitet afhængigt af frekvensen.

Frekvens [GHz]
3 mm/time (svag)
12 mm/time (moderat)
30 mm/time (kraftig)
70 mm/time (skybrud)

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

Tabel 1 viser, at for eksempel ved en frekvens på 3 GHz vil dæmpningen i regn være omkring 0,0087 dB/km, hvilket giver 0,87 dB samlet dæmpning over en distance på 100 km. Ved en stigning i driftsfrekvensen for radiolinjen stiger dæmpningen i regnen markant. For frekvensen 4 GHz vil dæmpningen i regnen over samme rute allerede være 9,1 dB, mens det for frekvenserne 5 og 6 GHz vil være 28 og 57 dB hhv. Samtidig antages det, at regn med den angivne intensitet forekommer over hele ruten, hvilket sjældent er tilfældet i praksis. Ikke desto mindre anbefales det at vælge en driftsfrekvens for radiolinjen under 3 GHz i områder, hvor der ofte forekommer intens regn.

Litteratur

1. Smorodinov A.A. Hvordan man vælger en bredbåndsmodem til en uebemandet luftfartøj (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Udbredelse af radiobølger og drift af radiolinjer. Telegraf. Moskva. 1971.
3. Microhard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 specifikation.
5. Picoradio OEM specifikation.
6. Engineering Test Report. Pico 2,4 GHz 1W Digital Data Link Module.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Antenneteorien. Analyse og design. Fjerde udgave. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antennagevinst. Artikel i Wikipedia.
10. Strålebredde. Artikel i Wikipedia.
11. Digital duplex radiomodul 3D Link.
12. S.M. Alamouti. "En simpel transmit diversitetsteknik til trådløs kommunikation". IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP Client Antenna WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP Client Antenna WiBOX PA 24-15.

Kilde: habr.com

Køb pålidelig webhosting med DDoS-beskyttelse, VPS VDS-servere 🔥 Køb pålidelig webhosting med DDoS-beskyttelse, VPS VDS-servere | ProHoster