Die Aufgabe, die Kommunikationsreichweite mit einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV) zu erhöhen, bleibt relevant. In diesem Artikel werden Methoden zur Verbesserung dieses Parameters erläutert. Der Artikel wurde für UAV-Entwickler und -Betreiber geschrieben und ist eine Fortsetzung einer Artikelserie über die Kommunikation mit UAVs (den Anfang der Serie finden Sie unter .
Was beeinflusst die Kommunikationsreichweite?
Die Kommunikationsreichweite hängt vom verwendeten Modem, den Antennen, Antennenkabeln, den Bedingungen der Funkwellenausbreitung, externen Störungen und einigen anderen Gründen ab. Um den Einfluss eines bestimmten Parameters auf die Kommunikationsreichweite zu bestimmen, betrachten Sie die Reichweitengleichung
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wo
— erforderliche Kommunikationsreichweite [Meter];
— Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [m/s];
— Frequenz [Hz];
— Modem-Sendeleistung [dBm];
— Antennengewinn des Senders [dBi];
— Verluste im Kabel vom Modem zur Sendeantenne [dB];
— Empfangsantennengewinn [dBi];
— Verluste im Kabel vom Modem zur Empfangsantenne [dB];
— Empfindlichkeit des Modemempfängers [dBm];
— Dämpfungsmultiplikator unter Berücksichtigung zusätzlicher Verluste aufgrund des Einflusses der Erdoberfläche, der Vegetation, der Atmosphäre und anderer Faktoren [dB].
Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass die Reichweite bestimmt wird durch:
- das verwendete Modem;
- Frequenz des Funkkanals;
- verwendete Antennen;
- Verluste in Kabeln;
- Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen von der Erdoberfläche, der Vegetation, der Atmosphäre, Gebäuden usw.
Anschließend werden die Einflussgrößen auf die Reichweite gesondert betrachtet.
Modem verwendet
Die Kommunikationsreichweite hängt nur von zwei Parametern des Modems ab: der Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit , oder besser gesagt, aus ihrer Differenz - dem Energiebudget des Modems
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Um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen, ist es notwendig, ein Modem mit einem großen Wert zu wählen . Zunahme wiederum ist es durch Erhöhen möglich oder durch Reduzierung . Es sollte vorzugsweise nach Modems mit hoher Empfindlichkeit gesucht werden ( möglichst gering zu halten), anstatt die Sendeleistung zu erhöhen . Dieses Problem wird im ersten Artikel ausführlich besprochen. .
Neben Materialien Es ist zu bedenken, dass einige Hersteller, zum Beispiel Microhard , geben in den Spezifikationen einiger Geräte nicht den Durchschnitt an, sondern die Spitzenleistung des Senders, die um ein Vielfaches größer ist als der Durchschnitt und die nicht zur Berechnung der Reichweite herangezogen werden kann, da dies dazu führen würde, dass die berechnete Reichweite die wahre deutlich überschreitet Wert. Zu diesen Geräten gehört beispielsweise das beliebte pDDL2450-Modul [,]. Diese Tatsache ergibt sich direkt aus den Ergebnissen der Tests dieses Geräts, die zur Erlangung der FCC-Zertifizierung durchgeführt wurden (siehe Seite 58). Testergebnisse für FCC-zertifizierte drahtlose Geräte können auf der FCC-ID-Website eingesehen werden indem Sie die entsprechende FCC-ID in die Suchleiste eingeben, die sich auf dem Etikett befinden sollte, das den Gerätetyp angibt. Die FCC-ID des pDDL2450-Moduls lautet NS916pDDL2450.
Frequenz des Funkkanals
Aus der Reichweitengleichung Daraus folgt eindeutig, dass die Betriebsfrequenz umso niedriger ist , desto größer ist die Kommunikationsreichweite . Aber lassen Sie uns keine voreiligen Schlüsse ziehen. Tatsache ist, dass auch andere in der Gleichung enthaltene Parameter von der Frequenz abhängen. Zum Beispiel Antennengewinne и hängt von der Frequenz ab, wenn die maximalen Abmessungen der Antennen erreicht werden Fest, und genau das passiert in der Praxis. Antennengewinn , ausgedrückt in dimensionslosen Einheiten (Zeiten), kann als physikalische Fläche der Antenne ausgedrückt werden wie folgt
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wo — Effizienz der Antennenapertur, d. h. das Verhältnis der effektiven zur physikalischen Antennenfläche (abhängig vom Antennendesign) .
Von Es ist sofort klar, dass bei einer festen Antennenfläche der Gewinn proportional zum Quadrat der Frequenz zunimmt. Lasst uns ersetzen в , nachdem es zuvor umgeschrieben wurde Verwendung dimensionsloser Einheiten für Antennengewinne , , Kabelverluste , und Dämpfungsfaktor , und auch Watt verwenden für и statt dBm. Dann
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Wo ist der Koeffizient? ist eine Konstante für feste Antennenabmessungen. In dieser Situation ist die Kommunikationsreichweite also direkt proportional zur Frequenz, d. h. je höher die Frequenz, desto größer die Reichweite. Output. Bei festen Abmessungen der Antennen führt eine Erhöhung der Frequenz der Funkverbindung zu einer Vergrößerung der Kommunikationsreichweite durch Verbesserung der Richteigenschaften der Antennen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass mit zunehmender Frequenz auch die Dämpfung der Radiowellen in der Atmosphäre zunimmt, die durch Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken verursacht wird. . Darüber hinaus nimmt mit zunehmender Weglänge auch die Dämpfung in der Atmosphäre zu. Aus diesem Grund gibt es für jede Streckenlänge und die darauf befindlichen durchschnittlichen Wetterbedingungen einen bestimmten Maximalwert der Trägerfrequenz, begrenzt durch die zulässige Signaldämpfung in der Atmosphäre. Überlassen wir die endgültige Lösung der Frage nach dem Einfluss der Frequenz eines Funkkanals auf die Kommunikationsreichweite dem Abschnitt, in dem der Einfluss der Erdoberfläche und der Erdatmosphäre auf die Ausbreitung von Funkwellen betrachtet wird.
Antennen
Die Kommunikationsreichweite wird durch einen Antennenparameter wie den Gewinn bestimmt (Gewinn in englischer Terminologie), gemessen in dBi. Der Gewinn ist ein wichtiger zusammengesetzter Parameter, da er Folgendes berücksichtigt: (1) die Fähigkeit der Antenne, die Energie des Senders im Vergleich zu einem isotropen Strahler auf den Empfänger zu fokussieren (daher der Index i in dBi); (2) Verluste in der Antenne selbst [,]. Um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen, sollten Sie Antennen mit einem möglichst hohen Verstärkungswert aus denjenigen auswählen, die hinsichtlich Gewichts- und Größenparametern sowie den Fähigkeiten des Leitsystems geeignet sind. Die Fähigkeit einer Antenne, Energie zu bündeln, ist nicht umsonst gegeben, sondern nur durch die Vergrößerung der Abmessungen (Apertur) der Antenne. Je größer beispielsweise die Empfangsantenne ist, desto größer ist der Bereich, in dem sie Energie sammeln kann, um sie dem Empfängereingang zuzuführen. Und je mehr Energie, desto stärker ist das empfangene Signal, d. h. die Kommunikationsreichweite erhöht sich. Daher müssen Sie zunächst die maximalen Antennenabmessungen festlegen, die für das zu lösende Problem angemessen sind, und den Suchbereich durch diesen Parameter einschränken. Anschließend müssen Sie nach einem bestimmten Antennenmodell suchen und sich dabei auf den maximalen Gewinn konzentrieren. Der zweite für die Praxis wichtige Antennenparameter ist die Strahlbreite [,], gemessen in Winkelgraden. Typischerweise wird die Strahlbreite als der Winkel zwischen zwei Raumrichtungen von der Mitte der Antenne definiert, bei dem der Antennengewinn um 3 dB gegenüber dem Maximum dieser Antenne reduziert wird. Die Breite des Musters in Azimut und Höhe kann stark variieren. Dieser Parameter steht in engem Zusammenhang mit den Abmessungen der Antenne nach der Regel: größere Abmessungen – kleinere Strahlbreite. Dieser Parameter ist nicht direkt in der Reichweitengleichung enthalten, aber dieser Parameter bestimmt die Anforderungen an das Antennenleitsystem der Bodenstation (GS) am UAV, da das GS in der Regel zumindest in stark gerichtete Antennen verwendet In Fällen, in denen die Reichweite maximiert wird, hat die Kommunikation mit dem UAV Priorität. Solange das NS-Tracking-System sicherstellt, dass die Winkelgenauigkeit der Ausrichtung der Antenne auf das UAV der halben Breite des Musters oder weniger entspricht, wird der Pegel des empfangenen/ausgesandten Signals nicht unter 3 dB vom Maximum fallen. Unter keinen Umständen sollte die halbe Strahlbreite der ausgewählten Antenne kleiner sein als der Winkelfehler des NS-Antennenausrichtungssystems in Azimut oder Elevation.
Kabel
Um die Kommunikationsreichweite zu maximieren, müssen Sie Kabel mit möglichst geringer linearer Dämpfung (Kabeldämpfung oder Kabelverlust) verwenden arbeiten Frequenz der NS-UAV-Funkverbindung. Die lineare Dämpfung in einem Kabel ist definiert als das Verhältnis des Signals am Ausgang eines 1 m langen Kabelsegments (im metrischen System) zum Signal am Eingang eines Kabelsegments, ausgedrückt in dB. Kabelverluste in die Reichweitengleichung einbezogen , werden durch Multiplikation der linearen Dämpfung mit der Kabellänge ermittelt. Um die größtmögliche Kommunikationsreichweite zu erreichen, müssen Sie daher Kabel mit möglichst geringer linearer Dämpfung verwenden und die Länge dieser Kabel minimieren. Beim NS müssen Modemeinheiten direkt am Mast neben den Antennen installiert werden. Im UAV-Körper sollte das Modem so nah wie möglich an den Antennen platziert werden. Es lohnt sich auch, die Impedanz des ausgewählten Kabels zu überprüfen. Dieser Parameter wird in Ohm gemessen und beträgt normalerweise 50 oder 75 Ohm. Die Impedanz des Kabels, des Antennenanschlusses des Modems und des Anschlusses an der Antenne selbst müssen gleich sein.
Einfluss der Erdoberfläche
In diesem Abschnitt betrachten wir die Ausbreitung von Radiowellen über einer Ebene oder Meeresoberfläche. Diese Situation tritt häufig in der Praxis des Einsatzes von UAVs auf. UAV-Überwachung von Pipelines, Stromleitungen, landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, vielen Militär- und Spezialeinsätzen – all dies wird durch dieses Modell gut beschrieben. Die menschliche Erfahrung zeichnet uns ein Bild, in dem eine Kommunikation zwischen Objekten möglich ist, wenn sie sich im Bereich der direkten optischen Sichtbarkeit voneinander befinden, andernfalls ist eine Kommunikation unmöglich. Allerdings gehören Funkwellen nicht zum optischen Bereich, sodass die Situation bei ihnen etwas anders ist. In diesem Zusammenhang ist es für den UAV-Entwickler und -Betreiber hilfreich, sich die folgenden zwei Fakten zu merken.
1. Kommunikation im Funkbereich ist auch dann möglich, wenn keine direkte Sicht zwischen NS und UAV besteht.
2. Der Einfluss der darunter liegenden Oberfläche auf die Kommunikation mit dem UAV ist auch dann spürbar, wenn sich keine Objekte auf der optischen Linie des NS-UAV befinden.
Um die Besonderheiten der Ausbreitung von Funkwellen in der Nähe der Erdoberfläche zu verstehen, ist es hilfreich, sich mit dem Konzept eines bedeutenden Bereichs der Ausbreitung von Funkwellen vertraut zu machen . Wenn sich in einer signifikanten Zone der Funkwellenausbreitung keine Objekte befinden, können Reichweitenberechnungen mithilfe von Formeln für den freien Raum durchgeführt werden, d. h. в kann gleich 0 angenommen werden. Wenn sich Objekte in der wesentlichen Zone befinden, ist dies nicht möglich. In Abb. 1 Am Punkt A befindet sich ein Punktstrahler in einer Höhe über der Erdoberfläche, die elektromagnetische Energie in alle Richtungen mit gleicher Intensität aussendet. Am Punkt B in der Höhe Es gibt einen Empfänger zur Messung der Feldstärke. In diesem Modell ist der wesentliche Bereich der Funkwellenausbreitung ein Ellipsoid mit Brennpunkten an den Punkten A und B.
Reis. 1. Bedeutender Bereich der Ausbreitung von Funkwellen
Der Radius des Ellipsoids in seinem „dicksten“ Teil wird durch den Ausdruck bestimmt
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Von es ist klar, dass hängt von der Frequenz ab umgekehrt proportional, desto weniger , desto „dicker“ das Ellipsoid ( in Abb. 1). Darüber hinaus nimmt die „Dicke“ des Ellipsoids mit zunehmendem Abstand zwischen Kommunikationsobjekten zu. Für Radiowellen kann einen ziemlich beeindruckenden Wert haben, also wann 10 km, Wir bekommen 2.45 GHz 50–60 m.
Betrachten wir nun das undurchsichtige Objekt, das in Abb. durch das graue Dreieck dargestellt ist. 1. Es beeinflusst die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz , da es sich in einer bedeutenden Ausbreitungszone befindet und praktisch keinen Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz hat . Für Radiowellen im optischen Bereich (Licht) der Wert ist gering, so dass der Einfluss der Erdoberfläche auf die Lichtausbreitung in der Praxis nicht spürbar ist. Wenn man bedenkt, dass die Erdoberfläche eine Kugel ist, ist dies mit zunehmender Entfernung leicht zu verstehen , die darunter liegende Oberfläche wird zunehmend in die signifikante Ausbreitungszone geraten und so den Energiefluss von Punkt A nach Punkt B blockieren – Ende der Geschichte, die Kommunikation mit dem UAV ist unterbrochen. Andere Objekte auf der Route, wie z. B. unebenes Gelände, Gebäude, Wälder usw., wirken sich ebenfalls auf die Kommunikation aus.
Schauen wir uns nun Abb. an. 2, bei dem ein undurchsichtiges Objekt einen erheblichen Ausbreitungsbereich einer Funkwelle mit einer Frequenz vollständig abdeckt , was eine Kommunikation auf dieser Frequenz unmöglich macht. Gleichzeitig Kommunikation auf der Frequenz ist auch möglich, weil ein Teil der Energie über das undurchsichtige Objekt „springt“. Je niedriger die Frequenz, desto weiter kann sich die Funkwelle über den optischen Horizont hinaus ausbreiten und so eine stabile Kommunikation mit dem UAV aufrechterhalten.
Reis. 2. Abdeckung eines erheblichen Bereichs der Ausbreitung von Funkwellen
Der Einfluss der Erdoberfläche auf die Kommunikation hängt auch von der Höhe der Antennen ab и . Je größer die Höhe der Antennen, desto größer ist der Abstand, um den die Punkte A und B auseinander bewegt werden können, ohne dass Gegenstände oder die darunter liegende Oberfläche in einen nennenswerten Bereich fallen.
Wenn sich das Objekt oder die darunter liegende Oberfläche in einen bedeutenden Bereich bewegt, schwankt die Feldstärke am Punkt B , d. h. sie wird entweder größer oder kleiner als die durchschnittliche Feldstärke sein. Dies geschieht durch die Reflexion der Energie vom Objekt. Die reflektierte Energie kann am Punkt B mit der Hauptenergie in Phase addiert werden – dann kommt es zu einem Anstieg der Feldstärke, oder in Gegenphase – dann kommt es zu einem Abfall (und ziemlich tief) der Feldstärke. Es ist wichtig, sich an diesen Effekt zu erinnern, um die Besonderheiten der Kommunikation mit UAVs zu verstehen. Der Verlust der Kommunikation mit dem UAV in einer bestimmten Entfernung kann durch eine lokale Abnahme der Feldstärke aufgrund von Schwingungen verursacht werden. Wenn Sie also eine größere Entfernung fliegen, kann die Verbindung wiederhergestellt werden. Der endgültige Kommunikationsverlust tritt erst ein, wenn ein erheblicher Bereich vollständig durch Gegenstände oder die darunter liegende Oberfläche blockiert ist. Als nächstes werden Methoden zur Bekämpfung der Folgen von Feldstärkeschwankungen vorgeschlagen.
Formeln zur Berechnung des Dämpfungsfaktors Bei der Ausbreitung von Radiowellen über die glatte Erdoberfläche sind sie recht komplex, insbesondere über Entfernungen hinweg , die den Bereich des optischen Horizonts überschreitet . Daher werden wir bei der weiteren Betrachtung des Problems auf mathematische Modellierung unter Verwendung der Computerprogramme des Autors zurückgreifen. Betrachten wir eine typische Aufgabe der Videoübertragung von einem UAV zu einem NS mithilfe eines 3D-Link-Modems von der Firma Geoscan. Die Ausgangsdaten lauten wie folgt.
1. Montagehöhe der NS-Antenne: 5 m.
2. UAV-Flughöhe: 1000 m.
3. Funkverbindungsfrequenz: 2.45 GHz.
4. NS-Antennengewinn: 17 dB.
5. UAV-Antennengewinn: 3 dB.
6. Sendeleistung: +25 dBm (300 mW).
7. Videokanalgeschwindigkeit: 4 Mbit/s.
8. Empfängerempfindlichkeit im Videokanal: −100.4 dBm (für das von einem 12-MHz-Signal belegte Frequenzband).
9. Untergrund: trockene Erde.
10. Polarisation: vertikal.
Die Sichtweite für diese ersten Daten beträgt 128.8 km. Die Berechnungsergebnisse in Form der Signalleistung am Eingang des Modemempfängers in dBm sind in Abb. dargestellt. 3.
Reis. 3. Signalstärke am Eingang des 3D-Link-Modemempfängers
Die blaue Kurve in Abb. 3 ist die Signalleistung am Eingang des NS-Empfängers, die rote gerade Linie zeigt die Empfindlichkeit dieses Empfängers an. Die X-Achse zeigt die Reichweite in km und die Y-Achse die Leistung in dBm. An den Reichweitenpunkten, an denen die blaue Kurve über der roten liegt, ist ein direkter Videoempfang vom UAV möglich, andernfalls findet keine Kommunikation statt. Die Grafik zeigt, dass es aufgrund von Schwingungen zu Kommunikationsverlusten im Bereich von 35.5–35.9 km und weiter im Bereich von 55.3–58.6 km kommt. In diesem Fall erfolgt die endgültige Trennung viel später – nach 110.8 km Flug.
Wie oben erwähnt, entstehen Einbrüche in der Feldstärke durch die gegenphasige Addition des Direktsignals und des von der Erdoberfläche reflektierten Signals am Standort der NS-Antenne. Sie können den Kommunikationsverlust auf dem NS aufgrund von Fehlern beseitigen, indem Sie zwei Bedingungen erfüllen.
1. Verwenden Sie am NS ein Modem mit mindestens zwei Empfangskanälen (RX Diversity), zum Beispiel 3D Link .
2. Platzieren Sie die Empfangsantennen am NS-Mast anders Höhe.
Der Höhenabstand der Empfangsantennen muss so bemessen sein, dass Feldstärkeeinbrüche am Standort einer Antenne durch Pegel ausgeglichen werden, die höher sind als die Empfindlichkeit des Empfängers am Standort der anderen Antenne. In Abb. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis dieses Ansatzes für den Fall, dass sich eine NS-Antenne in einer Höhe von 5 m (blaue durchgezogene Kurve) und die andere in einer Höhe von 4 m (blaue gepunktete Kurve) befindet.
Reis. 4. Signalleistung an den Eingängen zweier 3D-Link-Modemempfänger von Antennen in unterschiedlichen Höhen
Aus Abb. Abbildung 4 zeigt deutlich die Fruchtbarkeit dieser Methode. Tatsächlich überschreitet das Signal am Eingang von mindestens einem NS-Empfänger während der gesamten Flugdistanz des UAV, bis zu einer Reichweite von 110.8 km, die Empfindlichkeitsstufe, d. h. das Video von der Platine wird während der gesamten Flugdistanz nicht unterbrochen .
Die vorgeschlagene Methode trägt jedoch nur dazu bei, die Zuverlässigkeit der UAV→NS-Funkverbindung zu erhöhen, da die Möglichkeit, Antennen in unterschiedlichen Höhen zu installieren, nur auf dem NS verfügbar ist. Es ist nicht möglich, einen Höhenabstand der Antennen von 1 m bei einem UAV sicherzustellen. Um die Zuverlässigkeit der NS→UAV-Funkverbindung zu erhöhen, können die folgenden Ansätze verwendet werden.
1. Leiten Sie das NS-Sendersignal an die Antenne weiter, die ein stärkeres Signal vom UAV empfängt.
2. Verwenden Sie Raum-Zeit-Codes wie den Alamouti-Code .
3. Nutzen Sie die Antennen-Beamforming-Technologie mit der Möglichkeit, die an jede Antenne gesendete Signalleistung zu steuern.
Die erste Methode ist für das Problem der Kommunikation mit einem UAV nahezu optimal. Es ist einfach und dabei wird die gesamte Senderenergie in die richtige Richtung gelenkt – zu einer optimal platzierten Antenne. Beispielsweise wird das Sendersignal bei einer Reichweite von 50 km (siehe Abb. 4) einer in 5 Metern Höhe aufgehängten Antenne und bei einer Reichweite von 60 km einer in 4 Metern Höhe aufgehängten Antenne zugeführt. Dies ist die Methode, die im 3D-Link-Modem verwendet wird . Die zweite Methode verwendet keine A-priori-Daten über den Zustand des UAV→NS-Kommunikationskanals (Pegel der empfangenen Signale an den Antennenausgängen), sodass die Senderenergie gleichmäßig auf zwei Antennen aufgeteilt wird, was unweigerlich zu Energieverlusten führt, da eine der Antennen kann in einer Lochfeldstärke liegen. Die dritte Methode entspricht hinsichtlich der Kommunikationsqualität der ersten, ist jedoch deutlich schwieriger umzusetzen.
Betrachten wir weiter die Frage des Einflusses der Funkwellenfrequenz auf die Kommunikationsreichweite mit dem UAV unter Berücksichtigung des Einflusses der darunter liegenden Oberfläche. Oben wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der Frequenz von Vorteil ist, da dies bei festen Abmessungen der Antennen zu einer Vergrößerung der Kommunikationsreichweite führt. Allerdings stellt sich die Frage der Abhängigkeit Häufigkeit wurde nicht berücksichtigt. Aus Daraus folgt, dass das Verhältnis der Gewinne von Antennen gleicher Fläche und für den Betrieb bei Frequenzen bestimmt ist и , gleich
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für 2450 MHz; Wir bekommen 915 MHz 7.2 (8.5 dB). Dies ist ungefähr das, was in der Praxis geschieht. Vergleichen wir zum Beispiel die Parameter der folgenden Antennen von Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (Frequenz: 0.83–0.96 GHz; Strahlbreite: 70°/70°; Verstärkung: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (Frequenz: 2.3–2.5 GHz; Strahlbreite: 30°/30°; Verstärkung: 15 dBi).
Es ist praktisch, diese Antennen zu vergleichen, da sie in den gleichen 27 x 27 cm großen Gehäusen hergestellt sind, d. h. sie haben die gleiche Fläche. Beachten Sie, dass sich der Antennengewinn um 15−8=7 dB unterscheidet, was nahe am berechneten Wert von 8.5 dB liegt. Aus den Eigenschaften der Antennen geht auch hervor, dass die Breite des Antennendiagramms für den Bereich 2.3–2.5 GHz (30°/30°) mehr als doppelt so schmal ist wie die Breite des Antennendiagramms für den Bereich 0.83–0.96 GHz (70°/70°), d. h. der Gewinn von Antennen gleicher Abmessungen steigt aufgrund der Verbesserung der Richteigenschaften tatsächlich. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in der Kommunikationsleitung 2 Antennen verwendet werden, beträgt das Verhältnis beträgt 2∙8.5=17 dB. Somit beträgt bei gleichen Antennenabmessungen der Energiehaushalt einer Funkverbindung mit einer Frequenz 2450 MHz sind 17 dB mehr als das Leitungsbudget mit Frequenz 915 MHz. Bei der Berechnung berücksichtigen wir auch die Tatsache, dass UAVs in der Regel Peitschenantennen verwenden, bei denen die Abmessungen nicht so kritisch sind wie bei den betrachteten NS-Panel-Antennen. Daher akzeptieren wir die UAV-Antennengewinne für Frequenzen и gleich. Diese. Der Unterschied im Energiehaushalt der Leitungen beträgt 8.5 dB, nicht 17 dB. Die Ergebnisse der für diese Ausgangsdaten und die 5 m Höhe der NS-Antenne durchgeführten Berechnung sind in Abb. dargestellt. 5.
Reis. 5. Signalleistung am Empfängereingang für Funkverbindungen mit den Frequenzen 915 und 2450 MHz
Aus Abb. In Abb. 5 zeigt deutlich, dass sich die Kommunikationsreichweite bei Erhöhung der Betriebsfrequenz und gleicher Fläche der NS-Antenne von 96.3 km für eine Funkverbindung mit einer Frequenz von 915 MHz auf 110.8 km für eine Verbindung mit einer Frequenz von 2450 MHz erhöht . Allerdings hat die Leitung bei 915 MHz eine niedrigere Schwingfrequenz. Weniger Schwingungen bedeuten weniger Einbrüche in der Feldstärke, d. h. eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass die Kommunikation mit dem UAV über die gesamte Flugstrecke unterbrochen wird. Vielleicht ist es diese Tatsache, die die Beliebtheit des Sub-Gigahertz-Funkwellenbereichs für Befehls- und Telemetriekommunikationsleitungen mit UAVs als den zuverlässigsten bestimmt. Gleichzeitig bieten Funkverbindungen im Gigahertz-Bereich bei der Durchführung der oben beschriebenen Maßnahmen zum Schutz vor Feldstärkeschwankungen eine größere Kommunikationsreichweite, indem sie die Richteigenschaften von Antennen verbessern.
Aus der Betrachtung von Abb. 5 können wir auch den Schluss ziehen, dass in der Schattenzone (nach der 128.8 km-Marke) eine Reduzierung der Betriebsfrequenz der Kommunikationsleitung sinnvoll ist. Tatsächlich verläuft die Leistungskurve für Frequenzen bei einem Punkt von etwa −120 dBm и schneiden. Diese. Bei Verwendung von Empfängern mit einer Empfindlichkeit von mehr als −120 dBm bietet eine Funkverbindung mit einer Frequenz von 915 MHz eine größere Kommunikationsreichweite. In diesem Fall müssen Sie jedoch die erforderliche Linkbandbreite berücksichtigen, denn Bei einem so hohen Empfindlichkeitswert ist die Informationsgeschwindigkeit sehr niedrig. Zum Beispiel ein 3D-Link-Modem Obwohl es eine Empfindlichkeit von bis zu −122 dBm bietet, beträgt die Gesamtinformationsübertragungsrate (in beide Richtungen) 23 kbit/s, was im Prinzip für die KTRL-Kommunikation mit einem UAV ausreicht, aber eindeutig nicht für die Videoübertragung von dort aus Planke. Somit hat der Sub-Gigahertz-Bereich zwar einen leichten Vorteil gegenüber dem Gigahertz-Bereich für KTRL, verliert aber deutlich an Eigenschaften bei der Organisation von Videoleitungen.
Bei der Auswahl einer Funkverbindungsfrequenz müssen Sie auch die Dämpfung des Signals bei der Ausbreitung durch die Erdatmosphäre berücksichtigen. Bei NS-UAV-Kommunikationsverbindungen wird die Dämpfung in der Atmosphäre durch Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken verursacht . Bei Betriebsfrequenzen von Funkverbindungen unter 6 GHz kann die Dämpfung in Gasen vernachlässigt werden . Die stärkste Abschwächung ist bei Regenfällen zu beobachten, insbesondere bei starker Intensität (Schauer). Tabelle 1 zeigt die Daten durch lineare Dämpfung [dB/km] bei Regen unterschiedlicher Intensität für Frequenzen 3–6 GHz.
Tabelle 1. Lineare Dämpfung von Radiowellen [dB/km] bei Regen unterschiedlicher Intensität je nach Frequenz
Frequenz [GHz] 3 mm/Stunde (schwach)
12 mm/Stunde (mäßig)
30 mm/Stunde (stark)
70 mm/Stunde (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
Vom Tisch Aus 1 folgt, dass beispielsweise bei einer Frequenz von 3 GHz die Dämpfung in einem Schauer etwa 0.0087 dB/km beträgt, was auf einer 100 km langen Strecke einer Gesamtdämpfung von 0.87 dB entspricht. Mit zunehmender Betriebsfrequenz der Funkverbindung nimmt die Dämpfung bei Regen stark zu. Bei einer Frequenz von 4 GHz beträgt die Dämpfung bei einem Schauer auf demselben Weg bereits 9.1 dB, bei Frequenzen von 5 und 6 GHz 28 bzw. 57 dB. Allerdings wird in diesem Fall davon ausgegangen, dass entlang der gesamten Strecke Regen mit einer bestimmten Intensität auftritt, was in der Praxis selten vorkommt. Beim Einsatz von UAVs in Gebieten mit häufigen starken Regenfällen wird jedoch empfohlen, eine Betriebsfrequenz der Funkverbindung unter 3 GHz zu wählen.
Literatur
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Source: habr.com