Wie man die Reichweite einer Drohne erhöht

Die Herausforderung, die Reichweite von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) zu erhöhen, bleibt relevant. In diesem Artikel werden Methoden zur Verbesserung dieses Parameters untersucht. Der Artikel richtet sich an Entwickler und Betreiber von UAVs und ist eine Fortsetzung der Reihe über die Kommunikation mit UAVs (Anfang der Reihe siehe in [1].

Was beeinflusst die Reichweite der Kommunikation

Die Reichweite der Kommunikation hängt vom verwendeten Modem, den Antennen, den Antennenkabeln, den Bedingungen der Funkwellenausbreitung, externen Störungen und einigen anderen Faktoren ab. Um den Einfluss der einzelnen Parameter auf die Reichweite zu bestimmen, betrachten wir die Gleichung für die Reichweite [2]
(1)

wobei
— die gesuchte Reichweite [Meter];
— Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [m/s];
— Frequenz [Hz];
— Sendeleistung des Modems [dBm];
— Antennengewinn des Senders [dBi];
— Kabelverluste vom Modem zur Sendeantenne [dB];
— Antennengewinn des Empfängers [dBi];
— Kabelverluste vom Modem zur Empfangsantenne [dB];
— Empfindlichkeit des Modems beim Empfang [dBm];
— Dämpfungsfaktor, der zusätzliche Verluste durch den Einfluss der Erdoberfläche, Vegetation, Atmosphäre und anderer Faktoren berücksichtigt [dB].

Aus der Gleichung geht hervor, dass die Reichweite bestimmt wird durch:

• das verwendete Modem;
• die Frequenz des Funkkanals;
• die verwendeten Antennen;
• den Verlusten in den Kabeln;
• dem Einfluss der Erdoberfläche, der Vegetation, der Atmosphäre, der Gebäude usw. auf die Ausbreitung von Funkwellen.

Die Einflussfaktoren auf die Reichweite werden im Folgenden einzeln betrachtet.

Das verwendete Modem

Die Kommunikationsreichweite hängt nur von zwei Modemparametern ab: der Leistung des Senders und der Empfindlichkeit des Empfängers , genauer gesagt von deren Differenz – dem energetischen Budget des Modems.
(2)

Um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen, sollte ein Modem mit einem höheren Wert gewählt werden. Erhöhen kann man seinerseits durch oder durch Reduzierung von . Es ist ratsam, Modems mit hoher Empfindlichkeit ( möglichst niedrig) zu bevorzugen und nicht die Leistung des Senders zu erhöhen. Dieses Thema wurde ausführlich im ersten Artikel behandelt. [1].

Zusätzlich zu den Materialien [1] sollte berücksichtigt werden, dass einige Hersteller, wie z.B. Microhard [3], in den Spezifikationen gewisser Geräte wird nicht die durchschnittliche, sondern die Spitzenleistung des Senders angegeben, die um ein Vielfaches höher ist als die Durchschnittsleistung und die für die Berechnung der Reichweite nicht verwendet werden kann, da dies zu einer erheblichen Überschätzung der berechneten Reichweite führen würde. Zu solchen Geräten gehört beispielsweise das beliebte Modul pDDL2450 [4,5]. Diese Tatsache lässt sich direkt aus den Testergebnissen dieses Geräts ableiten, die zur Erlangung des FCC-Zertifikats durchgeführt wurden. [6] (siehe Seite 58). Die Testergebnisse kabelloser Geräte mit FCC-Zertifikaten können auf der FCC-ID-Website eingesehen werden, [7], indem die entsprechende FCC-ID in die Suchzeile eingegeben wird, die auf dem Typenschild des Geräts zu finden sein sollte. Die FCC-Identifikationsnummer des pDDL2450-Moduls lautet: NS916pDDL2450.

Frequenz des Funkkanals

Aus der Reichweitenformel (1) lässt sich eindeutig ableiten, dass je niedriger die Betriebsfrequenz , desto größer die Reichweite der Verbindung . Aber lassen Sie uns mit den Schlüssen nicht voreilig sein. Die Sache ist die, dass auch andere Parameter, die in die Gleichung eingehen, von der Frequenz abhängen. Zum Beispiel die Verstärkungsfaktoren der Antennen und , die von der Frequenz abhängen, wenn die maximalen Abmessungen der Antennen festgelegt, was in der Praxis durchaus der Fall ist. Der Antennengewinn , ausgedrückt in dimensionslosen Einheiten (Verhältnissen), kann durch die physische Fläche der Antenne ausgedrückt werden wie folgt [8]
(3)

wobei : — die Effektivität der Apertur der Antenne, d. h. das Verhältnis der effektiven Fläche der Antenne zur physischen Fläche (abhängig vom Antennendesign) [8].

Von (3) ist sofort ersichtlich, dass der Gewinn bei fester Fläche der Antenne proportional zum Quadrat der Frequenz steigt. Setzen wir (3) in (1), nachdem wir vorher (1) unter Verwendung dimensionsloser Einheiten für die Antennengewinne , , Verluste in den Kabeln , und den Dämpfungsfaktor , sowie unter Verwendung von Watt für und statt dBm. Dann
(4)

wo der Koeffizient eine Konstante bei festen Abmessungen der Antenne ist. Damit ist in dieser Situation die Reichweite der Kommunikation direkt proportional zur Frequenz, d. h. je höher die Frequenz, desto größer die Reichweite. Fazit. Bei festen Abmessungen der Antennen führt eine Erhöhung der Frequenz der Funkverbindung zu einer größeren Reichweite aufgrund der verbesserten Richtwirkung der Antennen. Es ist jedoch zu beachten, dass mit steigender Frequenz auch die Dämpfung der Funkwellen in der Atmosphäre zunimmt, verursacht durch Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken. [2]Dabei steigt die Dämpfung in der Atmosphäre auch mit der erhöhten Länge der Strecke. Aus diesem Grund gibt es für jede Streckenlänge und die jeweiligen durchschnittlichen Wetterbedingungen einen maximalen Wert der Trägerfrequenz, der durch das zulässige Dämpfungsniveau des Signals in der Atmosphäre begrenzt ist. Die endgültige Entscheidung über den Einfluss der Frequenz des Funkkanals auf die Reichweite lassen wir auf den Abschnitt verschieben, in dem der Einfluss der Erdoberfläche und der Atmosphäre auf die Ausbreitung der Funkwellen behandelt wird.

Antennen

Die Reichweite der Verbindung wird durch einen Parameter der Antenne bestimmt, nämlich den Gewinn. (gain in English terminology), measured in dBi. The gain coefficient is an important composite parameter as it takes into account: (1) the ability of the antenna to focus the transmitter's energy toward the receiver compared to an isotropic radiator (isotropic, hence the index i in dBi); (2) losses within the antenna itself [8,9Um die Reichweite der Kommunikation zu erhöhen, sollten Antennen mit dem maximal möglichen Verstärkungsfaktor gewählt werden, die in Bezug auf ihre Abmessungen und die Möglichkeiten des Richtsystems geeignet sind. Die Fähigkeit einer Antenne, Energie zu fokussieren, kommt nicht umsonst, sondern nur durch eine Vergrößerung der Dimensionen (Apertur) der Antenne. Je größer die Empfangsantenne ist, desto mehr Fläche kann sie nutzen, um Energie für den Eingang des Empfängers zu sammeln, und je mehr Energie vorhanden ist, desto stärker ist das empfangene Signal, das heißt, die Reichweite wird erhöht. Daher sollte zunächst festgelegt werden, welche maximalen Abmessungen für die Antennen geeignet sind, die für die jeweilige Aufgabe angemessen sind, und der Suchbereich sollte entsprechend diesem Kriterium eingegrenzt werden, bevor eine konkrete Antennenmodell mit maximalem Verstärkungsfaktor ausgewählt wird. Ein weiterer wichtiger praktischer Parameter der Antenne ist die Breite der Richtcharakteristik (Beamwidth).8,10], gemessen in Winkelgraden. Üblicherweise wird die Breite der Richtcharakteristik als der Winkel zwischen zwei räumlichen Richtungen vom Zentrum der Antenne definiert, bei denen die Verstärkung der Antenne um 3 dB unter das Maximum dieser Antenne sinkt. Die Breite der Richtcharakteristik kann sich sowohl im Azimut als auch im Elevationswinkel stark unterscheiden. Dieser Parameter steht in engem Zusammenhang mit den Abmessungen der Antenne nach dem Prinzip: Je größer die Abmessungen, desto geringer die Breite der Richtcharakteristik. Dieser Parameter ist zwar nicht direkt in die Reichweitenberechnung einge­schlossen, bestimmt jedoch die Anforderungen an das Antennenausrichtsystem der Bodenstation (GS) auf die UAV, da in der Regel stark gerichtete Antennen verwendet werden, insbesondere wenn die Maximierung der Reichweite der Kommunikation mit dem UAV Priorität hat. Tatsächlich bleibt das Niveau des empfangenen/ausgesendeten Signals nicht unter 3 dB unter dem Maximum, solange das Verfolgungssystem der GS eine Winkeltoleranz von Antennenausrichtung auf das UAV von höchstens der Hälfte der Breite der Richtcharakteristik oder weniger gewährleistet. Die Hälfte der Breite der Richtcharakteristik der gewählten Antenne sollte unter keinen Umständen kleiner sein als die Winkeltoleranz des Antennenausrichtsystems der GS im Azimut oder Elevationswinkel.

Kabel

Um die Reichweite zu maximieren, sollten Kabel mit möglichst geringem Kabeldämpfung (cable attenuation oder cable loss) bei der Arbeitsfrequenz der Funkverbindung zwischen NC und UAV verwendet werden. Die Kabeldämpfung wird als Verhältnis des Signals am Ausgang eines 1 Meter langen Kabelabschnitts (im metrischen System) zum Eingangssignal des Kabelabschnitts in dB definiert. Die Verluste in den Kabeln , die in die Reichweitenformel eingehen, , werden durch Multiplikation der Kabeldämpfung mit der Kabellänge bestimmt. Daher ist es wichtig, Kabel mit minimaler Dämpfung zu verwenden und die Länge dieser Kabel zu minimieren, um die höchstmögliche Reichweite zu erzielen. Die Modemblöcke sollten direkt am Mast in der Nähe der Antennen installiert werden. Im UAV sollte das Modem so nah wie möglich an den Antennen platziert werden. Zudem sollte der Impedanz des gewählten Kabels besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Dieser Parameter wird in Ohm gemessen und beträgt in der Regel 50 oder 75 Ohm. Die Impedanz des Kabels, des Antennenanschlusses des Modems und des Anschlusses an der Antenne sollten übereinstimmen. (1)Einfluss der Erdoberfläche

Einfluss der Erdoberfläche

In diesem Abschnitt betrachten wir die Ausbreitung von Radiowellen über flache oder maritim geprägte Oberflächen. Solche Situationen treten häufig in der Praxis beim Einsatz von UAVs auf. Die Überwachung von Pipelines, Hochspannungsleitungen, landwirtschaftlichen Feldern sowie viele militärische und spezielle Operationen werden durch dieses Modell gut beschrieben. Die menschliche Erfahrung zeigt uns, dass die Kommunikation zwischen Objekten möglich ist, wenn sie im direkten Sichtfeld zueinander stehen; andernfalls ist sie nicht möglich. Allerdings gehören Radiowellen nicht zum optischen Spektrum, sodass hier einige Unterschiede bestehen. In diesem Zusammenhang ist es für Entwickler und Betreiber von UAVs nützlich, sich die folgenden zwei Punkte einzuprägen.

1. Kommunikation im Radiobereich ist auch ohne direkte Sicht zwischen dem NS und dem UAV möglich.
2. Der Einfluss der darunter liegenden Oberfläche auf die Verbindung mit dem UAV wird selbst dann spürbar sein, wenn keine Objekte auf der optischen Verbindungslinie NS-UAV sind.

Um die Besonderheiten der Ausbreitung von Radiowellen in der Nähe der Erdoberfläche zu verstehen, ist es hilfreich, sich mit dem Konzept des wesentlichen Bereichs der Ausbreitung von Radiowellen vertraut zu machen. [2]. Bei Fehlen jeglicher Objekte in der wesentlichen Bereich der Funkwellenverbreitung kann die Reichweite mit den Formeln für den freien Raum berechnet werden, d. h. in (1) kann als 0 angenommen werden. Wenn jedoch im wesentlichen Bereich Objekte vorhanden sind, ist dies nicht möglich. In Abb. 1 ist an Punkt A ein Punktstrahler dargestellt, der sich in einer Höhe über der Erdoberfläche befindet und elektromagnetische Energie gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt. An Punkt B in einer Höhe von befindet sich ein Empfänger zur Messung der Feldstärke. In diesem Modell stellt der wesentliche Bereich der Funkwellenverbreitung einen Ellipsoid dar, dessen Brennpunkte in den Punkten A und B liegen.

Abb. 1. Wesentlicher Bereich der Funkwellenverbreitung

Der Radius des Ellipsoids in seinem „dicksten“ Teil wird durch den Ausdruck bestimmt [2]
(5)

Von (5) es zeigt sich, dass von der Frequenz abhängt und umgekehrt proportional ist, je kleiner , desto „dicker“ der Ellipsoid ( in Abb. 1). Darüber hinaus nimmt die „Dicke“ des Ellipsoids mit zunehmendem Abstand zwischen den Kommunikationsobjekten zu. Für Wellen im Frequenzbereich kann sie eine beträchtliche Größe erreichen, so dass bei 10 km, 2,45 GHz erhalten wir 50÷60 m.

Betrachten wir nun das opake Objekt, dargestellt durch das graue Dreieck in Abb. 1. Es wird Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz haben , da es sich in einer relevanten Ausbreitungszone befindet, und wird praktisch keinen Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz haben . Für Radiowellen im optischen Bereich (Licht) ist die Größe gering, daher ist der Einfluss der Erdoberfläche auf die Lichtausbreitung in der Praxis nicht spürbar. Wenn man berücksichtigt, dass die Erdoberfläche eine Kugel darstellt, ist es leicht zu verstehen, dass mit zunehmender Entfernung , die unterliegende Oberfläche zunehmend in die relevante Ausbreitungszone eindringt und somit die Energieübertragung von Punkt A zu Punkt B blockiert – das ist das Ende der Geschichte, die Verbindung zum UAV wird unterbrochen. Ähnlich werden auch andere Objekte auf der Strecke, wie z.B. Unebenheiten im Gelände, Gebäude, Wälder usw., die Verbindung beeinflussen.

Betrachten wir nun Abb. 2, in der das opake Objekt die relevante Ausbreitungszone der Radiowelle mit einer Frequenz vollständig blockiert , wodurch eine Verbindung auf dieser Frequenz unmöglich wird. Gleichzeitig bleibt die Verbindung auf der Frequenz Eine noch mögliche Verbindung besteht, weil ein Teil der Energie über das opake Objekt „springt“. Je niedriger die Frequenz, desto weiter kann die Funkwelle hinter den optischen Horizont vordringen und eine stabile Verbindung mit der UAV aufrechterhalten.

Abb. 2. Überlappung eines wesentlichen Bereichs der Ausbreitung von Funkwellen

Der Einfluss der Erdoberfläche auf die Verbindung hängt auch von der Höhe der Antennen ab und . Je höher die Antennen, desto weiter können die Punkte A und B auseinandergerückt werden, ohne dass Objekte oder die darunterliegende Oberfläche in den wesentlichen Bereich gelangen.

Mit dem Eindringen eines Objekts oder der darunterliegenden Oberfläche in den wesentlichen Bereich wird die Feldstärke am Punkt B oszillieren. [2], d. h. sie wird mal mehr, mal weniger als die durchschnittliche Feldstärke sein. Dies geschieht durch die Reflexion von Energie von einem Objekt. Die reflektierte Energie kann sich an Punkt B mit der Hauptenergie in Phase summieren – dann entsteht ein Anstieg in der Feldstärke, oder in Gegenphase – dann kommt es zu einem Rückgang in der Feldstärke (und dieser kann recht tief sein). Es ist wichtig, sich dieses Effekts bewusst zu sein, um die Besonderheiten der Verbindung mit UAVs zu verstehen. Ein Verlust der Verbindung zu UAVs in einer bestimmten Reichweite kann durch einen lokalen Rückgang der Feldstärke aufgrund von Oszillationen verursacht werden. Das heißt, wenn man noch eine gewisse Distanz fliegt, kann die Verbindung wiederhergestellt werden. Der endgültige Verlust der Verbindung tritt erst nach einer vollständigen Überlappung der wesentlichen Zone durch Objekte oder die darunterliegende Oberfläche ein. Im Folgenden werden Methoden zur Bekämpfung der Folgen von Oszillationen der Feldstärke vorgeschlagen.

Formeln zur Berechnung des Dämpfungsfaktors bei der Ausbreitung von Radiowellen über eine glatte Erdoberfläche sind ziemlich komplex, insbesondere für Distanzen , die die Reichweite des optischen Horizonts überschreiten [2]. Daher werden wir im weiteren Verlauf des Problems auf mathematische Modellierung mit Hilfe der Software-Suite des Autors zurückgreifen. Wir betrachten eine typische Aufgabe zur Übertragung von Videoaufnahmen von einer UAV zu einer Ground Station mittels eines 3D Link Modems. [11] von der Firma Geoscan. Die Ausgangsdaten sind wie folgt:

1. Höhe der Antenne der Ground Station: 5 m.
2. Flughöhe der UAV: 1000 m.
3. Frequenz der Funkverbindung: 2,45 GHz.
4. Antennengewinn der Ground Station: 17 dB.
5. Antennengewinn der UAV: 3 dB.
6. Leistung des Senders: +25 dBm (300 mW).
7. Übertragungsgeschwindigkeit im Videokanal: 4 Mbit/s.
8. Empfindlichkeit des Empfängers im Videokanal: −100,4 dBm (für das Frequenzband, das vom Signal bei 12 MHz belegt wird).
9. Unterliegende Oberfläche: trockener Boden.
10. Polarisation: vertikal.

Die Entfernung der direkten optischen Sichtlinie für diese Ausgangsdaten beträgt 128,8 km. Die Berechnungsergebnisse der Signalleistung am Eingang des Empfängers des 3D Link Modems in dBm sind in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3. Signalleistung am Eingang des Empfängers des 3D Link Modems. [11]

Die blaue Kurve in Abb. 3 stellt die Signalstärke am Eingang des Empfangsgeräts dar, die rote Linie zeigt die Empfindlichkeit dieses Empfangsgeräts an. Auf der X-Achse ist die Reichweite in km angegeben, auf der Y-Achse die Leistung in dBm. In den Punkten der Reichweite, in denen die blaue Kurve über der roten Linie liegt, ist der Empfang des Videos vom UAV möglich; andernfalls wird es keine Verbindung geben. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass aufgrund von Oszillationen der Verlust der Verbindung im Bereich von 35,5–35,9 km und dann im Bereich von 55,3–58,6 km erfolgen wird. Der endgültige Verbindungsabbruch wird jedoch viel weiter stattfinden – nach 110,8 km Flug.

Wie bereits erwähnt, entstehen die Einbrüche in der Feldstärke durch die Phasenschiebung des direkten und des von der Erdoberfläche reflektierten Signals am Standort der Antenne. Um den Verbindungsabbruch aufgrund dieser Einbrüche am Empfänger zu vermeiden, müssen zwei Bedingungen erfüllt werden.

1. Verwenden Sie am Empfänger ein Modem mit mindestens zwei Empfangskanälen (RX Diversity), zum Beispiel 3D Link. [11].
2. Platzieren Sie die Empfangsantennen am Mast des Empfängers in verschiedenen Höhen.

Die Höhenverteilung der Empfangsantennen sollte so gestaltet sein, dass die Senkungen der Feldstärke an einem Antennenstandort durch die Pegel über der Empfindlichkeit des Empfängers am Standort einer anderen Antenne ausgeglichen werden. In Abb. 4 ist das Ergebnis dieses Ansatzes für den Fall dargestellt, dass eine Antenne in 5 m Höhe (blaue durchgezogene Linie) und eine andere in 4 m Höhe (blaue gestrichelte Linie) platziert ist.

Abb. 4. Signalstärke an den Eingängen von zwei Modemempfängern 3D Link von Antennen, die in unterschiedlichen Höhen positioniert sind.

Aus Abb. 4 wird die Effektivität dieser Methode deutlich. Tatsächlich übersteigt das Signal am Eingang mindestens eines Empfängers während der gesamten Flugstrecke des UAVs, bis zu einer Reichweite von 110,8 km, das Empfindlichkeitsniveau, d. h. das Video von Bord wird während des gesamten Fluges nicht unterbrochen.

Die vorgeschlagene Methode hilft jedoch, die Zuverlässigkeit der Funkverbindung von UAV→RSL zu erhöhen, da es nur an der RSL möglich ist, Antennen in unterschiedlichen Höhen anzubringen. Es ist jedoch nicht möglich, bei UAVs eine Abweichung der Antennenhöhe um 1 m zu gewährleisten. Um die Zuverlässigkeit der Funkverbindung von RSL→UAV zu erhöhen, können folgende Ansätze verwendet werden.

1. Das Signal des RSL-Transmitters an die Antenne leiten, die das stärkere Signal vom UAV empfängt.
2. Räumlich-zeitliche Codes verwenden, wie zum Beispiel den Alamouti-Code. [12].
3. Die Technologie zur Steuerung des Strahlmusters (Beamforming) einsetzen, um die Sendeleistung, die an jede Antenne geschickt wird, zu steuern.

Die erste Methode nähert sich der optimalen Lösung für die Verbindung mit UAVs. Sie ist einfach und alle Energie des Transmitters wird in die gewünschte Richtung geleitet — zu der optimal platzierten Antenne. Beispielsweise wird bei einer Entfernung von 50 km (siehe Abb. 4) das Signal des Transmitters an eine in 5 Metern Höhe hängende Antenne gesendet, und bei einer Entfernung von 60 km — an eine in 4 Metern Höhe hängende Antenne. Diese Methode wird im 3D Link-Modem verwendet. [11]. Die zweite Methode verwendet keine a priori Informationen über den Zustand des Kommunikationskanals BLA→NS (Signalstärke an den Antennen-Ausgängen), daher wird die Energie des Senders gleichmäßig zwischen zwei Antennen aufgeteilt, was unvermeidlich zu Energieverlusten führt, da sich eine der Antennen möglicherweise im Bereich geringer Feldstärke befindet. Die dritte Methode liefert eine vergleichbare Signalqualität wie die erste, ist jedoch in der Umsetzung wesentlich komplizierter.

Betrachten wir nun die Frage des Einflusses der Radiowellenfrequenz auf die Reichweite der Kommunikation mit dem BLA unter Berücksichtigung der Beschaffenheit der Unterlage. Es wurde bereits gezeigt, dass eine Erhöhung der Frequenz vorteilhaft ist, da dies bei festen Abmessungen der Antennen zu einer größeren Reichweite führt. Allerdings wurde die Frage der Abhängigkeit von der Frequenz nicht behandelt. Aus (3) geht hervor, dass das Verhältnis der Antennengewinne, die gleich groß und für den Betrieb bei Frequenzen und , beträgt
(6)

Für 2450 MHz; 915 MHz ergibt 7,2 (8,5 dB). So geschieht es in der Praxis. Vergleichen wir zum Beispiel die Parameter der folgenden Antennen des Herstellers Wireless Instruments:

• WiBOX PA 0809-8V [13] (Frequenz: 0,83–0,96 GHz; Strahlbreite: 70°/70°; Gewinn: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (Frequenz: 2,3–2,5 GHz; Strahlbreite: 30°/30°; Gewinn: 15 dBi).

Die Daten der Antennen lassen sich gut vergleichen, da sie im gleichen Gehäuse von 27x27 cm gefertigt sind, also die gleiche Fläche haben. Dabei fällt auf, dass der Gewinn der Antennen um 15−8=7 dB abweicht, was nahe am berechneten Wert von 8,5 dB liegt. Aus den Eigenschaften der Antennen ist auch ersichtlich, dass die Breite des Strahlungsdiagramms (Dü) der Antenne im Frequenzbereich von 2,3–2,5 GHz (30°/30°) mehr als doppelt so schmal ist wie die Breite des Strahlungsdiagramms der Antenne im Frequenzbereich von 0,83–0,96 GHz (70°/70°). Das bedeutet, dass der Gewinn der Antennen bei gleichen Abmessungen tatsächlich durch die Verbesserung der gerichteten Eigenschaften steigt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in der Kommunikationslinie 2 Antennen verwendet werden, wird das Verhältnis 2∙8,5=17 dB betragen. Somit wird der energetische Haushalt der Funklinie bei einer Frequenz von 2450 MHz um 17 dB höher sein als der Haushalt der Linie mit einer Frequenz von 915 MHz. In der Berechnung berücksichtigen wir auch die Tatsache, dass bei UAVs in der Regel Stabantenne verwendet werden, deren Abmessungen nicht so kritisch sind wie bei den betrachteten Panelantennen. Daher nehmen wir die Gewinnwerte der UAV-Antenne für die Frequenzen an. und Das bedeutet, dass der Unterschied der Energiebudgets der Linien 8,5 dB betragen wird, und nicht 17 dB. Die Berechnungsergebnisse, die für diese Ausgangsdaten und eine Antennenhöhe von 5 m durchgeführt wurden, sind in Abb. 5 dargestellt.

Abb. 5. Eingangsleistung des Signals am Empfänger für Funkverbindungen, die bei Frequenzen von 915 und 2450 MHz arbeiten.

Aus Abb. 5 ist deutlich ersichtlich, dass die Reichweite der Verbindung bei steigender Betriebsfrequenz und gleicher Fläche der Antenne zunimmt, von 96,3 km für die Funkverbindung mit 915 MHz bis zu 110,8 km für die Verbindung mit 2450 MHz. Allerdings hat die Verbindung bei 915 MHz eine niedrigere Frequenz von Oszillationen. Weniger Oszillationen bedeuten weniger Schwankungen der Feldstärke, d. h. geringere Wahrscheinlichkeit von Unterbrechungen der Verbindung zum UAV während des gesamten Fluges. Möglicherweise ist genau dieser Faktor die Ursache für die Beliebtheit des Subgigahertzbereichs für die Kommunikations- und Telemetrielinien mit UAVs als die zuverlässigsten. Gleichzeitig bieten die Funkverbindungen im Gigahertzbereich bei Durchführung der oben beschriebenen Maßnahmen zur Verhinderung von Spannungsoszillationen eine größere Reichweite, indem die gerichteten Eigenschaften der Antennen verbessert werden.

Aus der Betrachtung von Abb. 5 lässt sich ebenfalls ableiten, dass in der Schattenzone (nach der Marke von 128,8 km) eine Reduzierung der Arbeitsfrequenz der Kommunikationslinie sinnvoll ist. Tatsächlich schneiden sich in einem Punkt von etwa −120 dBm die Leistungskurven für Frequenzen. und Das heißt, bei der Verwendung von Empfängern mit einer Empfindlichkeit besser als −120 dBm wird die Funkverbindung bei einer Frequenz von 915 MHz eine größere Reichweite bieten. In diesem Fall muss jedoch die erforderliche Bandbreite des Links berücksichtigt werden, da die Informationsgeschwindigkeit bei solch hohen Empfindlichkeiten sehr gering sein wird. Zum Beispiel bietet das Modem 3D Link [11] obwohl es eine Empfindlichkeit von bis zu −122 dBm gewährleistet, eine aggregierte (in beide Richtungen) Übertragungsgeschwindigkeit von 23 kbit/s, was grundlegend ausreichend für die KTRH-Kommunikation mit UAVs ist, jedoch eindeutig für die Übertragung von Videos von Bord unzureichend. Somit hat der Subgigahertzbereich in der Tat einen kleinen Vorteil gegenüber dem Gigahertzbereich für die KTRH, verliert jedoch eindeutig in den Eigenschaften bei der Einrichtung von Videoverbindungen.

Bei der Auswahl der Frequenz der Funkverbindung muss auch die Signalabschwächung berücksichtigt werden, die beim Ausbreiten in der Erdatmosphäre auftritt. Für die Kommunikationslinien HS–UAV wird die Absorption in der Atmosphäre durch Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken verursacht. [2]. Bei Betriebsfrequenzen der Funkverbindungen unter 6 GHz kann die Abschwächung in Gasen vernachlässigt werden. [2]. Die stärkste Abschwächung tritt bei Regen auf, insbesondere bei hoher Intensität (Regenfällen). In Tabelle 1 sind die Daten [2] zur linearen Dämpfung [dB/km] bei Regen unterschiedlicher Intensität für Frequenzen von 3–6 GHz aufgeführt.

Tabelle 1. Lineare Dämpfung von Funkwellen [dB/km] bei Regen unterschiedlicher Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz.

Frequenz [GHz]
3 mm/h (schwach)
12 mm/h (mäßig)
30 mm/h (stark)
70 mm/h (Regen)

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

Aus Tabelle 1 geht hervor, dass bei einer Frequenz von 3 GHz die Dämpfung im Regen etwa 0,0087 dB/km beträgt, was auf einer Strecke von 100 km zu einer Gesamt-dämpfung von 0,87 dB führt. Mit steigender Arbeitsfrequenz der Funkverbindung nimmt die Dämpfung im Regen deutlich zu. Für eine Frequenz von 4 GHz beträgt die Dämpfung im Regen auf derselben Strecke bereits 9,1 dB, bei Frequenzen von 5 und 6 GHz sind es 28 bzw. 57 dB. Dabei wird jedoch vorausgesetzt, dass Regen mit der gegebenen Intensität über die gesamte Strecke auftritt, was in der Praxis selten der Fall ist. Dennoch wird empfohlen, bei der Verwendung von UAV in Gebieten mit häufigen starken Regenfällen eine Arbeitsfrequenz unter 3 GHz zu wählen.

Literatur

1. Smorodinov A.A. Wie man ein Breitbandmodem für ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV) auswählt. Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Tscherenkowa E.L. Ausbreitung von Funkwellen und Betrieb von Funkverbindungen. Verbindung. Moskau. 1971.
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4. Pico Digital Data Link pDDL2450 Spezifikation.
5. Picoradio OEM Spezifikation.
6. Engineering Testbericht. Pico 2.4GHz 1W Digital Data Link Modul.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Antennentheorie. Analyse und Entwurf. Vierte Ausgabe. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antennegewinn. Artikel in Wikipedia.
10. Strahlbreite. Artikel in Wikipedia.
11. Digitales Duplex-Radiomodul 3D Link.
12. S.M. Alamouti. „Eine einfache Technik zur Übertragung von Diversität für drahtlose Kommunikationssysteme“. IEEE-Journal über ausgewählte Bereiche in der Kommunikation. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP-Client-Antenne WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP-Client-Antenne WiBOX PA 24-15.

Quelle: habr.com