La tarea de aumentar el alcance de las comunicaciones con un vehículo aéreo no tripulado (UAV) sigue siendo relevante. Este artículo analiza métodos para mejorar este parámetro. El artículo fue escrito para desarrolladores y operadores de UAV y es una continuación de una serie de artículos sobre comunicación con UAV (para ver el comienzo de la serie, consulte
¿Qué afecta el rango de comunicación?
El alcance de la comunicación depende del módem utilizado, las antenas, los cables de antena, las condiciones de propagación de las ondas de radio, las interferencias externas y algunas otras razones. Para determinar el grado de influencia de un parámetro particular en el rango de comunicación, considere la ecuación de rango
donde
— alcance de comunicación requerido [metros];
— velocidad de la luz en el vacío [m/seg];
— frecuencia [Hz];
— potencia del transmisor del módem [dBm];
— ganancia de la antena del transmisor [dBi];
— pérdidas en el cable que va del módem a la antena del transmisor [dB];
— ganancia de la antena del receptor [dBi];
— pérdidas en el cable que va del módem a la antena del receptor [dB];
— sensibilidad del receptor del módem [dBm];
— multiplicador de atenuación, teniendo en cuenta las pérdidas adicionales debidas a la influencia de la superficie de la Tierra, la vegetación, la atmósfera y otros factores [dB].
De la ecuación se puede ver que el rango está determinado por:
- el módem utilizado;
- frecuencia del canal de radio;
- antenas utilizadas;
- pérdidas en cables;
- influencia en la propagación de ondas de radio desde la superficie terrestre, vegetación, atmósfera, edificios, etc.
A continuación, se consideran por separado los parámetros que influyen en el rango.
Módem usado
El alcance de la comunicación depende sólo de dos parámetros del módem: potencia del transmisor y sensibilidad del receptor , o más bien, por su diferencia: el presupuesto de energía del módem
Para aumentar el alcance de la comunicación, es necesario elegir un módem con un valor grande. . Aumentar a su vez, es posible aumentando o reduciendo . Se debe dar preferencia a la búsqueda de módems con alta sensibilidad ( lo más bajo posible), en lugar de aumentar la potencia del transmisor . Este tema se analiza en detalle en el primer artículo.
además de materiales
Frecuencia del canal de radio
De la ecuación de rango
donde — eficiencia de apertura de la antena, es decir, la relación entre el área efectiva de la antena y la física (dependiendo del diseño de la antena)
de
donde esta el coeficiente es una constante para dimensiones de antena fija. Así, en esta situación, el alcance de la comunicación es directamente proporcional a la frecuencia, es decir, cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el alcance. Salida. Con dimensiones fijas de las antenas, el aumento de la frecuencia del enlace de radio conduce a un aumento del alcance de comunicación al mejorar las propiedades direccionales de las antenas. Sin embargo, hay que tener en cuenta que a medida que aumenta la frecuencia, también aumenta la atenuación de las ondas de radio en la atmósfera, provocadas por los gases, la lluvia, el granizo, la nieve, la niebla y las nubes.
Antenas
El rango de comunicación está determinado por un parámetro de antena como la ganancia. (ganancia en terminología inglesa), medida en dBi. La ganancia es un parámetro compuesto importante porque tiene en cuenta: (1) la capacidad de la antena para enfocar la energía del transmisor hacia el receptor en comparación con un radiador isotrópico (de ahí el índice i en dBi); (2) pérdidas en la propia antena [
Cables
Para maximizar el rango de comunicación, debe utilizar cables con la atenuación lineal más baja posible (atenuación del cable o pérdida del cable) en trabajando frecuencia del enlace de radio NS-UAV. La atenuación lineal en un cable se define como la relación entre la señal a la salida de un segmento de cable de 1 m (en el sistema métrico) y la señal a la entrada de un segmento de cable, expresada en dB. Pérdidas de cables incluido en la ecuación de rango
Impacto de la superficie de la Tierra.
En esta sección veremos la propagación de ondas de radio sobre una superficie plana o marina. Esta situación ocurre a menudo en la práctica del uso de vehículos aéreos no tripulados. Monitoreo UAV de tuberías, líneas eléctricas, cultivos agrícolas, muchas operaciones militares y especiales: todo esto está bien descrito en este modelo. La experiencia humana nos pinta un cuadro en el que la comunicación entre objetos es posible si se encuentran en el campo de visibilidad óptica directa entre sí; de lo contrario, la comunicación es imposible. Sin embargo, las ondas de radio no pertenecen al rango óptico, por lo que la situación con ellas es algo diferente. En este sentido, es útil que el desarrollador y operador de vehículos aéreos no tripulados recuerde los dos hechos siguientes.
1. La comunicación en el alcance de la radio es posible incluso en ausencia de visibilidad directa entre el NS y el UAV.
2. La influencia de la superficie subyacente en la comunicación con el UAV se sentirá incluso cuando no haya objetos en la línea óptica NS-UAV.
Para comprender los detalles de la propagación de ondas de radio cerca de la superficie de la Tierra, es útil familiarizarse con el concepto de área significativa de propagación de ondas de radio.
Arroz. 1. Área importante de propagación de ondas de radio.
El radio del elipsoide en su parte “más gruesa” está determinado por la expresión
de
Consideremos ahora el objeto opaco representado por el triángulo gris en la Fig. 1. Influirá en la propagación de ondas de radio con una frecuencia , ya que está ubicado en una zona de propagación importante y prácticamente no tendrá ningún efecto sobre la propagación de ondas de radio con una frecuencia . Para ondas de radio en el rango óptico (luz), el valor es pequeño, por lo que la influencia de la superficie de la Tierra en la propagación de la luz no se siente en la práctica. Teniendo en cuenta que la superficie de la Tierra es una esfera, es fácil entender que a medida que aumenta la distancia , la superficie subyacente se moverá cada vez más hacia la zona de propagación significativa, bloqueando así el flujo de energía del punto A al punto B - fin de la historia, la comunicación con el UAV se interrumpe. Otros objetos en la ruta, como terrenos irregulares, edificios, bosques, etc., afectarán de manera similar a las comunicaciones.
Veamos ahora la Fig. 2 en el que un objeto opaco cubre completamente un área significativa de propagación de una onda de radio con una frecuencia , haciendo imposible la comunicación en esta frecuencia. Al mismo tiempo, la comunicación en la frecuencia. También es posible porque parte de la energía “salta” sobre el objeto opaco. Cuanto menor sea la frecuencia, más allá del horizonte óptico podrá propagarse la onda de radio, manteniendo una comunicación estable con el UAV.
Arroz. 2. Cubrir un área importante de propagación de ondas de radio.
El grado de influencia de la superficie terrestre en las comunicaciones también depende de la altura de las antenas. и . Cuanto mayor sea la altura de las antenas, mayor será la distancia a la que se pueden separar los puntos A y B sin permitir que los objetos o la superficie subyacente caigan en un área significativa.
A medida que el objeto o la superficie subyacente se mueve hacia un área significativa, la intensidad del campo en el punto B oscilará
Fórmulas para calcular el factor de atenuación. Cuando las ondas de radio se propagan sobre la superficie lisa de la Tierra, son bastante complejas, especialmente a distancias. , superando el alcance del horizonte óptico
1. Altura de montaje de la antena NS: 5 m.
2. Altitud de vuelo del UAV: 1000 m.
3. Frecuencia del enlace de radio: 2.45 GHz.
4. Ganancia de antena NS: 17 dB.
5. Ganancia de antena UAV: 3 dB.
6. Potencia del transmisor: +25 dBm (300 mW).
7. Velocidad del canal de vídeo: 4 Mbit/seg.
8. Sensibilidad del receptor en el canal de vídeo: −100.4 dBm (para la banda de frecuencia ocupada por una señal de 12 MHz).
9. Sustrato: suelo seco.
10. Polarización: vertical.
La distancia de línea de visión para estos datos iniciales será de 128.8 km. Los resultados del cálculo en forma de potencia de la señal a la entrada del receptor del módem en dBm se presentan en la Fig. 3.
Arroz. 3. Intensidad de la señal en la entrada del receptor del módem 3D Link
La curva azul en la Fig. 3 es la potencia de la señal en la entrada del receptor NS, la línea recta roja indica la sensibilidad de este receptor. El eje X muestra la autonomía en km y el eje Y muestra la potencia en dBm. En aquellos puntos de alcance donde la curva azul se encuentra encima de la roja, es posible la recepción de vídeo directa desde el UAV, de lo contrario no habrá comunicación. El gráfico muestra que, debido a las oscilaciones, la pérdida de comunicación se producirá en el rango de 35.5 a 35.9 km y, más adelante, en el rango de 55.3 a 58.6 km. En este caso, la desconexión final se producirá mucho más lejos, después de 110.8 km de vuelo.
Como se mencionó anteriormente, las caídas en la intensidad del campo surgen debido a la adición de antifase en la ubicación de la antena NS de la señal directa y la señal reflejada desde la superficie de la Tierra. Puede deshacerse de la pérdida de comunicación en el NS debido a fallas cumpliendo 2 condiciones.
1. Utilice un módem en el NS con al menos dos canales de recepción (diversidad RX), por ejemplo 3D Link
2. Coloque las antenas receptoras en el mástil NS en diferente de altura.
La separación de las alturas de las antenas receptoras debe hacerse de manera que las caídas de intensidad de campo en el lugar de una antena se compensen con niveles superiores a la sensibilidad del receptor en el lugar de la otra antena. En la Fig. La Figura 4 muestra el resultado de este enfoque para el caso en el que una antena NS está ubicada a una altura de 5 m (curva continua azul) y la otra a una altura de 4 m (curva punteada azul).
Arroz. 4. Potencia de señal en las entradas de dos receptores de módem 3D Link provenientes de antenas ubicadas a diferentes alturas
De la Fig. La Figura 4 muestra claramente la utilidad de este método. De hecho, a lo largo de toda la distancia de vuelo del UAV, hasta un alcance de 110.8 km, la señal en la entrada de al menos un receptor NS excede el nivel de sensibilidad, es decir, el video de la placa no se interrumpirá durante toda la distancia de vuelo. .
Sin embargo, el método propuesto ayuda a aumentar la confiabilidad del enlace de radio UAV→NS únicamente, ya que la capacidad de instalar antenas a diferentes alturas solo está disponible en el NS. No es posible garantizar una separación de altura de las antenas de 1 m en un UAV. Para aumentar la confiabilidad del enlace de radio NS→UAV, se pueden utilizar los siguientes enfoques.
1. Alimente la señal del transmisor NS a la antena que recibe una señal más potente del UAV.
2. Utilice códigos espacio-temporales, como el código Alamouti.
3. Utilice tecnología de formación de haces de antena con la capacidad de controlar la potencia de la señal enviada a cada antena.
El primer método es casi óptimo en el problema de la comunicación con un UAV. Es simple y en él toda la energía del transmisor se dirige en la dirección correcta: hacia una antena ubicada de manera óptima. Por ejemplo, a una distancia de 50 km (ver Fig. 4), la señal del transmisor se alimenta a una antena suspendida a 5 metros, y a una distancia de 60 km, a una antena suspendida a 4 metros. Este es el método utilizado en el módem 3D Link
Consideremos más a fondo la cuestión de la influencia de la frecuencia de las ondas de radio en el alcance de la comunicación con el UAV, teniendo en cuenta la influencia de la superficie subyacente. Anteriormente se demostró que aumentar la frecuencia es beneficioso, porque con dimensiones fijas de las antenas, esto conduce a un aumento en el alcance de la comunicación. Sin embargo, la cuestión de la dependencia No se consideró la frecuencia. De
para 2450MHz; Obtenemos 915MHz 7.2 (8.5 dB). Esto es aproximadamente lo que sucede en la práctica. Comparemos, por ejemplo, los parámetros de las siguientes antenas de Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (frecuencia: 0.83–0.96 GHz; ancho de haz: 70°/70°; ganancia: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (frecuencia: 2.3–2.5 GHz; ancho de haz: 30°/30°; ganancia: 15 dBi).
Conviene comparar estas antenas, ya que están fabricadas en las mismas carcasas de 27x27 cm, es decir, tienen la misma superficie. Tenga en cuenta que la ganancia de la antena difiere en 15−8=7 dB, lo que está cerca del valor calculado de 8.5 dB. De las características de las antenas también se desprende claramente que la anchura del patrón de antena para el rango de 2.3–2.5 GHz (30°/30°) es más del doble de estrecha que la anchura del patrón de antena para el rango de 0.83–0.96 GHz (70°/70°), es decir, la ganancia de antenas con las mismas dimensiones aumenta debido a la mejora de las propiedades direccionales. Teniendo en cuenta el hecho de que se utilizan 2 antenas en la línea de comunicación, la relación será 2∙8.5=17 dB. Así, con las mismas dimensiones de antena, el balance energético de un enlace radioeléctrico con una frecuencia 2450 MHz será 17 dB más que el presupuesto de línea con frecuencia 915MHz. En el cálculo también tenemos en cuenta el hecho de que los vehículos aéreos no tripulados, por regla general, utilizan antenas de látigo, cuyas dimensiones no son tan críticas como las antenas de panel NS consideradas. Por lo tanto, aceptamos las ganancias de la antena del UAV para las frecuencias. и igual. Aquellos. la diferencia en los balances energéticos de las líneas será de 8.5 dB, no de 17 dB. Los resultados del cálculo realizado para estos datos iniciales y la altura de 5 m de la antena NS se muestran en la Fig. 5.
Arroz. 5. Potencia de señal en la entrada del receptor para enlaces de radio que operan en las frecuencias 915 y 2450 MHz.
De la Fig. 5 muestra claramente que el rango de comunicación con un aumento en la frecuencia operativa y la misma área de la antena NS aumenta de 96.3 km para un enlace de radio con una frecuencia de 915 MHz a 110.8 km para un enlace con una frecuencia de 2450 MHz. . Sin embargo, la línea de 915 MHz tiene una frecuencia de oscilación más baja. Menos oscilaciones significan menos caídas en la intensidad del campo, es decir, menos probabilidad de interrumpir la comunicación con el UAV durante toda la distancia de vuelo. Quizás sea este hecho el que determina la popularidad del rango de ondas de radio subgigahercios para las líneas de comunicación de comando y telemetría con los vehículos aéreos no tripulados como el más confiable. Al mismo tiempo, al realizar el conjunto de acciones descritas anteriormente para proteger contra las oscilaciones de la intensidad del campo, los enlaces de radio en el rango de gigahercios proporcionan un mayor rango de comunicación al mejorar las propiedades direccionales de las antenas.
A partir de la consideración de la Fig. 5 también podemos concluir que en la zona de sombra (después de la marca de 128.8 km) tiene sentido reducir la frecuencia de funcionamiento de la línea de comunicación. De hecho, en un punto de aproximadamente −120 dBm las curvas de potencia para las frecuencias и intersecarse. Aquellos. Cuando se utilizan receptores con una sensibilidad superior a −120 dBm, un enlace de radio a una frecuencia de 915 MHz proporcionará un alcance de comunicación más largo. En este caso, sin embargo, se debe tener en cuenta el ancho de banda de enlace requerido, ya que para un valor de sensibilidad tan alto, la velocidad de la información será muy baja. Por ejemplo, módem 3D Link
A la hora de elegir una frecuencia de radioenlace, también hay que tener en cuenta la atenuación de la señal a medida que se propaga a través de la atmósfera terrestre. Para los enlaces de comunicación NS-UAV, la atenuación en la atmósfera es causada por gases, lluvia, granizo, nieve, niebla y nubes.
Tabla 1. Atenuación lineal de ondas de radio [dB/km] en lluvias de diferentes intensidades según la frecuencia
Frecuencia [GHz] 3 mm/hora (débil)
12 mm/hora (moderado)
30 mm/hora (fuerte)
70 mm/hora (lluvia)
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
De la mesa 1 se deduce que, por ejemplo, a una frecuencia de 3 GHz, la atenuación en una lluvia será de aproximadamente 0.0087 dB/km, lo que en un trayecto de 100 km dará 0.87 dB de atenuación total. A medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento del enlace de radio, la atenuación debida a la lluvia aumenta considerablemente. Para una frecuencia de 4 GHz, la atenuación en una ducha en el mismo camino será de 9.1 dB, y para frecuencias de 5 y 6 GHz, de 28 y 57 dB, respectivamente. En este caso, sin embargo, se parte del supuesto de que a lo largo de todo el recorrido se producirá lluvia con una determinada intensidad, lo que rara vez ocurre en la práctica. Sin embargo, cuando se utilizan vehículos aéreos no tripulados en zonas donde son frecuentes las lluvias intensas, se recomienda seleccionar una frecuencia de funcionamiento del enlace de radio por debajo de 3 GHz.
Literatura
Fuente: habr.com