نحوه افزایش برد ارتباطی با هواپیمای بدون سرنشین (UAV)

وظیفه افزایش برد ارتباطی با هواپیمای بدون سرنشین (UAV) همچنان مرتبط است. این مقاله روش هایی را برای بهبود این پارامتر مورد بحث قرار می دهد. این مقاله برای توسعه دهندگان و اپراتورهای پهپاد نوشته شده است و در ادامه مجموعه مقالاتی در مورد ارتباط با پهپادها می باشد (برای شروع این مجموعه، نگاه کنید به [1].

چه چیزی بر دامنه ارتباط تأثیر می گذارد

محدوده ارتباطی به مودم مورد استفاده، آنتن ها، کابل های آنتن، شرایط انتشار امواج رادیویی، تداخل خارجی و برخی دلایل دیگر بستگی دارد. برای تعیین میزان تأثیر یک پارامتر خاص بر محدوده ارتباطی، معادله برد را در نظر بگیرید [2]
(1)

جایی که
— محدوده ارتباطی مورد نیاز [متر]؛
- سرعت نور در خلاء [m/sec]؛
- فرکانس [Hz]؛
- قدرت فرستنده مودم [dBm]؛
- بهره آنتن فرستنده [dBi]؛
- تلفات در کابل از مودم به آنتن فرستنده [dB]؛
- بهره آنتن گیرنده [dBi]؛
- تلفات در کابل از مودم به آنتن گیرنده [dB]؛
- حساسیت گیرنده مودم [dBm]؛
- ضریب میرایی، با در نظر گرفتن تلفات اضافی ناشی از تأثیر سطح زمین، پوشش گیاهی، جو و سایر عوامل [dB].

از معادله می توان دریافت که محدوده توسط:

• مودم مورد استفاده؛
• فرکانس کانال رادیویی؛
• آنتن های مورد استفاده؛
• تلفات در کابل ها؛
• تأثیر بر انتشار امواج رادیویی از سطح زمین، پوشش گیاهی، جو، ساختمان ها و غیره.

در مرحله بعد، پارامترهای مؤثر بر دامنه به طور جداگانه در نظر گرفته می شوند.

مودم استفاده شده

محدوده ارتباط فقط به دو پارامتر مودم بستگی دارد: قدرت فرستنده و حساسیت گیرنده ، یا بهتر است بگوییم، از تفاوت آنها - بودجه انرژی مودم
(2)

برای افزایش برد ارتباطی باید مودمی با مقدار زیاد انتخاب کرد . افزایش دادن به نوبه خود، با افزایش امکان پذیر است یا با کاهش . اولویت باید به جستجوی مودم هایی با حساسیت بالا داده شود ( تا حد امکان پایین باشد)، به جای افزایش قدرت فرستنده . این موضوع در مقاله اول به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. [1].

علاوه بر مواد [1] شایان ذکر است که برخی از تولید کنندگان مانند Microhard [3]، در مشخصات برخی از دستگاه ها نه میانگین، بلکه اوج قدرت فرستنده را نشان می دهد که چندین برابر بیشتر از میانگین است و نمی توان از آن برای محاسبه برد استفاده کرد، زیرا این باعث می شود که محدوده محاسبه شده بسیار بیشتر از حد واقعی باشد. ارزش. چنین دستگاه هایی شامل، به عنوان مثال، ماژول محبوب pDDL2450 [4,5]. این واقعیت مستقیماً از نتایج آزمایشات انجام شده برای دریافت گواهی FCC ناشی می شود [6] (صفحه 58 را ببینید). نتایج آزمایش دستگاه های بی سیم دارای گواهی FCC را می توان در وب سایت FCC ID مشاهده کرد [7]با وارد کردن شناسه FCC مناسب در نوار جستجو، که باید روی برچسب نشان دهنده نوع دستگاه باشد. شناسه FCC ماژول pDDL2450 NS916pDDL2450 است.

فرکانس کانال رادیویی

از معادله برد (1) واضح است که هر چه فرکانس کاری کمتر باشد ، دامنه ارتباط بیشتر است . اما در نتیجه گیری عجله نکنیم. واقعیت این است که سایر پارامترهای موجود در معادله نیز به فرکانس بستگی دارد. به عنوان مثال، افزایش آنتن и در موردی که حداکثر ابعاد آنتن ها به فرکانس بستگی دارد درست شد، که دقیقاً در عمل اتفاق می افتد. بهره آنتن بیان شده در واحدهای بی بعد (زمان) را می توان بر حسب مساحت فیزیکی آنتن بیان کرد. به روش زیر [8]
(3)

جایی که - راندمان دیافراگم آنتن، یعنی نسبت مساحت موثر آنتن به سطح فیزیکی (بسته به طراحی آنتن) [8].

از (3) بلافاصله مشخص می شود که برای یک منطقه آنتن ثابت، بهره به نسبت مربع فرکانس افزایش می یابد. جایگزین کنیم (3) в (1)، قبلاً بازنویسی کرده بود (1) استفاده از واحدهای بدون بعد برای افزایش آنتن , ، تلفات کابل , و ضریب تضعیف ، و همچنین استفاده از Watts برای и به جای dBm سپس
(4)

ضریب کجاست یک ثابت برای ابعاد آنتن ثابت است. بنابراین، در این شرایط، محدوده ارتباط مستقیماً با فرکانس متناسب است، یعنی هر چه فرکانس بالاتر باشد، برد بیشتر است. خروجی. با ابعاد ثابت آنتن ها، افزایش فرکانس پیوند رادیویی با بهبود خواص جهت آنتن ها منجر به افزایش دامنه ارتباطی می شود. با این حال، باید در نظر داشت که با افزایش فرکانس، کاهش امواج رادیویی در اتمسفر، ناشی از گازها، باران، تگرگ، برف، مه و ابرها نیز افزایش می‌یابد. [2]. علاوه بر این، با افزایش طول مسیر، میرایی در جو نیز افزایش می یابد. به همین دلیل، برای هر طول مسیر و میانگین شرایط آب و هوایی روی آن، حداکثر مقدار مشخصی از فرکانس حامل وجود دارد که با سطح مجاز تضعیف سیگنال در جو محدود می شود. اجازه دهید راه حل نهایی را برای مسئله تأثیر فرکانس یک کانال رادیویی بر محدوده ارتباطی به بخشی که در آن تأثیر سطح و جو زمین بر انتشار امواج رادیویی در نظر گرفته شود، واگذار می کنیم.

آنتن

محدوده ارتباطی توسط پارامتر آنتنی مانند بهره تعیین می شود (بهره در اصطلاح انگلیسی)، با dBi اندازه گیری می شود. Gain یک پارامتر ترکیبی مهم است زیرا این موارد را در نظر می گیرد: (1) توانایی آنتن برای تمرکز انرژی فرستنده به سمت گیرنده در مقایسه با یک امیتر همسانگرد (ایزوتروپیک، بنابراین شاخص i در dBi). (2) تلفات در خود آنتن [8,9]. برای افزایش برد ارتباطی باید از بین آنتن هایی که از نظر پارامترهای وزن و اندازه و قابلیت های سیستم هدایت مناسب هستند، آنتن هایی با بالاترین مقدار بهره ممکن انتخاب کنید. توانایی آنتن برای تمرکز انرژی به صورت رایگان داده نمی شود، بلکه تنها با افزایش ابعاد (دیافراگم) آنتن داده می شود. به عنوان مثال، هر چه آنتن گیرنده بزرگتر باشد، منطقه بزرگتری قادر به جمع آوری انرژی برای تامین انرژی ورودی گیرنده خواهد بود و هر چه انرژی بیشتر باشد، سیگنال دریافتی قوی تر، یعنی برد ارتباطی افزایش می یابد. بنابراین، ابتدا باید در مورد حداکثر ابعاد آنتن که برای مشکل حل شده مناسب است تصمیم بگیرید و منطقه جستجو را با این پارامتر محدود کنید و سپس با تمرکز بر حداکثر بهره، یک مدل آنتن خاص را جستجو کنید. دومین پارامتر مهم آنتن برای تمرین، پهنای پرتو [8,10]، با درجات زاویه ای اندازه گیری می شود. به طور معمول، عرض پرتو به عنوان زاویه بین دو جهت فضایی از مرکز آنتن تعریف می شود که در آن بهره آنتن 3 دسی بل از حداکثر آنتن کاهش می یابد. عرض الگو در آزیموت و ارتفاع می تواند بسیار متفاوت باشد. این پارامتر با توجه به این قانون ارتباط نزدیکی با ابعاد آنتن دارد: ابعاد بزرگتر - عرض پرتو کوچکتر. این پارامتر مستقیماً در معادله برد گنجانده نشده است، اما این پارامتر است که الزامات سیستم هدایت آنتن ایستگاه زمینی (GS) را در پهپاد تعیین می کند، زیرا GS، به عنوان یک قاعده، از آنتن های بسیار جهت دار استفاده می کند، حداقل در مواردی که برد به حداکثر می رسد ارتباط با پهپاد در اولویت است. در واقع، تا زمانی که سیستم ردیابی NS از دقت زاویه‌ای جهت دادن آنتن به سمت پهپاد برابر با نصف عرض الگو یا کمتر اطمینان حاصل کند، سطح سیگنال دریافتی/متابیده شده از حداکثر 3 دسی‌بل کمتر نخواهد شد. تحت هیچ شرایطی نباید نصف عرض پرتو آنتن انتخابی کمتر از خطای زاویه ای سیستم اشاره آنتن NS در آزیموت یا ارتفاع باشد.

کابل ها

برای به حداکثر رساندن برد ارتباطی، باید از کابل هایی با کمترین تضعیف خطی ممکن (تضعیف کابل یا از دست دادن کابل) استفاده کنید. کار کردن فرکانس پیوند رادیویی NS-UAV. تضعیف خطی در کابل به عنوان نسبت سیگنال در خروجی یک قطعه کابل 1 متری (در سیستم متریک) به سیگنال ورودی یک قطعه کابل، که در دسی بل بیان می شود، تعریف می شود. تلفات کابل در معادله برد گنجانده شده است (1)، با ضرب میرایی خطی در طول کابل تعیین می شود. بنابراین، برای به دست آوردن حداکثر برد ارتباطی ممکن، باید از کابل هایی با کمترین تضعیف خطی ممکن استفاده کنید و طول این کابل ها را به حداقل برسانید. در NS، واحدهای مودم باید مستقیماً روی دکل کنار آنتن ها نصب شوند. در بدنه پهپاد مودم باید تا حد امکان نزدیک به آنتن ها قرار گیرد. همچنین ارزش بررسی امپدانس کابل انتخابی را دارد. این پارامتر بر حسب اهم اندازه گیری می شود و معمولاً برابر با 50 یا 75 اهم است. امپدانس کابل، کانکتور آنتن مودم و کانکتور روی خود آنتن باید برابر باشند.

تاثیر سطح زمین

در این بخش به انتشار امواج رادیویی در سطح دشت یا دریا خواهیم پرداخت. این وضعیت اغلب در تمرین استفاده از پهپادها رخ می دهد. نظارت پهپاد خطوط لوله، خطوط برق، محصولات کشاورزی، بسیاری از عملیات نظامی و ویژه - همه اینها به خوبی توسط این مدل توصیف شده است. تجربه انسانی تصویری را برای ما ترسیم می کند که در آن ارتباط بین اشیاء در صورتی امکان پذیر است که در میدان دید نوری مستقیم یکدیگر باشند، در غیر این صورت ارتباط غیرممکن است. با این حال، امواج رادیویی به محدوده نوری تعلق ندارند، بنابراین وضعیت آنها تا حدودی متفاوت است. در این زمینه یادآوری دو واقعیت زیر برای سازنده و اپراتور پهپاد مفید است.

1. ارتباط در برد رادیویی حتی در صورت عدم دید مستقیم بین NS و پهپاد امکان پذیر است.
2. تأثیر سطح زیرین در ارتباط با پهپاد حتی زمانی که هیچ جسمی در خط نوری NS-UAV وجود نداشته باشد، احساس خواهد شد.

برای درک ویژگی های انتشار امواج رادیویی در نزدیکی سطح زمین، مفید است که با مفهوم منطقه قابل توجهی از انتشار امواج رادیویی آشنا شوید. [2]. در غیاب هر جسمی در منطقه قابل توجهی از انتشار امواج رادیویی، محاسبات دامنه را می توان با استفاده از فرمول های فضای آزاد انجام داد، به عنوان مثال. в (1) را می توان برابر با 0 در نظر گرفت. اگر اشیایی در منطقه اساسی وجود داشته باشد، این کار را نمی توان انجام داد. در شکل 1 در نقطه A یک تابش کننده نقطه در ارتفاع وجود دارد بالای سطح زمین که انرژی الکترومغناطیسی را در همه جهات با شدت یکسان ساطع می کند. در نقطه B در ارتفاع یک گیرنده برای اندازه گیری شدت میدان وجود دارد. در این مدل، ناحیه ضروری انتشار امواج رادیویی یک بیضی با کانون در نقاط A و B است.

برنج. 1. منطقه قابل توجهی از انتشار امواج رادیویی

شعاع بیضی در "ضخیم ترین" قسمت آن توسط عبارت تعیین می شود [2]
(5)

از (5) واضح است که بستگی به فرکانس دارد نسبت معکوس، کمتر ، بیضی "ضخیم تر" ( در شکل 1). علاوه بر این، "ضخامت" بیضی با افزایش فاصله بین اشیاء ارتباطی افزایش می یابد. برای امواج رادیویی می تواند ارزش نسبتاً چشمگیری داشته باشد، بنابراین چه زمانی 10 کیلومتر ما 2.45 گیگاهرتز دریافت می کنیم 50 ÷ 60 متر.

حال بیایید جسم مات را که با مثلث خاکستری در شکل نشان داده شده است در نظر بگیریم. 1. بر انتشار امواج رادیویی با فرکانس تأثیر می گذارد زیرا در ناحیه انتشار قابل توجهی قرار دارد و عملاً تأثیری بر انتشار امواج رادیویی با فرکانس نخواهد داشت. . برای امواج رادیویی در محدوده نوری (نور)، مقدار کوچک است، بنابراین تأثیر سطح زمین بر انتشار نور در عمل احساس نمی شود. با توجه به اینکه سطح زمین یک کره است، با افزایش فاصله به راحتی می توان فهمید ، سطح زیرین به طور فزاینده ای به منطقه انتشار قابل توجهی منتقل می شود، بنابراین جریان انرژی از نقطه A به نقطه B را مسدود می کند - انتهای داستان، ارتباط با پهپاد قطع می شود. سایر اشیاء موجود در مسیر، مانند زمین های ناهموار، ساختمان ها، جنگل ها و غیره به طور مشابه بر ارتباطات تأثیر می گذارند.

بیایید اکنون به شکل نگاه کنیم. 2 که در آن یک جسم مات به طور کامل منطقه قابل توجهی از انتشار یک موج رادیویی با فرکانس را پوشش می دهد. ، ارتباط در این فرکانس را غیرممکن می کند. در همان زمان، ارتباط در فرکانس همچنین ممکن است زیرا بخشی از انرژی از روی جسم مات "پرش" می کند. هرچه فرکانس کمتر باشد، موج رادیویی فراتر از افق نوری می تواند منتشر شود و ارتباط پایدار با پهپاد حفظ شود.

برنج. 2. پوشش منطقه قابل توجهی از انتشار امواج رادیویی

میزان تأثیر سطح زمین بر ارتباطات نیز به ارتفاع آنتن ها بستگی دارد и . هرچه ارتفاع آنتن ها بیشتر باشد، فاصله ای که نقاط A و B را می توان از هم جدا کرد بدون اینکه اجازه دهد اشیا یا سطح زیرین در یک منطقه قابل توجه سقوط کنند، بیشتر می شود.

همانطور که جسم یا سطح زیرین به یک منطقه قابل توجه حرکت می کند، قدرت میدان در نقطه B نوسان می کند [2]، یعنی یا بیشتر یا کمتر از میانگین قدرت میدان خواهد بود. این به دلیل انعکاس انرژی از جسم رخ می دهد. انرژی منعکس شده را می توان در نقطه B با انرژی اصلی در فاز اضافه کرد - سپس افزایش در قدرت میدان یا در پادفاز رخ می دهد - سپس کاهش (و کاملا عمیق) در قدرت میدان رخ می دهد. یادآوری این اثر برای درک ویژگی های ارتباط با پهپادها مهم است. از دست دادن ارتباط با پهپاد در یک محدوده خاص می تواند ناشی از کاهش موضعی در قدرت میدان به دلیل نوسانات باشد، یعنی اگر فاصله بیشتری را طی کنید، اتصال می تواند بازیابی شود. از دست دادن نهایی ارتباط تنها پس از مسدود شدن کامل یک منطقه قابل توجه توسط اشیا یا سطح زیرین رخ می دهد. در مرحله بعد، روش هایی برای مبارزه با پیامدهای نوسانات قدرت میدان پیشنهاد می شود.

فرمول های محاسبه ضریب تضعیف هنگام انتشار امواج رادیویی بر روی سطح صاف زمین، آنها بسیار پیچیده هستند، به ویژه برای فواصل ، فراتر از محدوده افق نوری [2]. بنابراین، در بررسی بیشتر مسئله، به مدل‌سازی ریاضی با استفاده از مجموعه برنامه‌های کامپیوتری نویسنده متوسل می‌شویم. بیایید یک وظیفه معمولی برای انتقال ویدئو از یک پهپاد به یک NS با استفاده از یک مودم 3D Link در نظر بگیریم. [11] از شرکت Geoscan داده های اولیه به شرح زیر است.

1. ارتفاع نصب آنتن NS: 5 متر.
2. ارتفاع پرواز پهپاد: 1000 متر.
3. فرکانس لینک رادیویی: 2.45 گیگاهرتز.
4. بهره آنتن NS: 17 دسی بل.
5. بهره آنتن پهپاد: 3 دسی بل.
6. قدرت فرستنده: +25 dBm (300 mW).
7. سرعت کانال ویدئو: 4 مگابیت بر ثانیه.
8. حساسیت گیرنده در کانال ویدئویی: -100.4 dBm (برای باند فرکانس اشغال شده توسط سیگنال 12 مگاهرتز).
9. بستر: خاک خشک.
10. قطبش: عمودی.

فاصله خط دید برای این داده های اولیه 128.8 کیلومتر خواهد بود. نتایج محاسبه به شکل قدرت سیگنال در ورودی گیرنده مودم بر حسب dBm در شکل 3 ارائه شده است. XNUMX.

برنج. 3. قدرت سیگنال در ورودی گیرنده مودم 3D Link [11]

منحنی آبی در شکل 3 قدرت سیگنال در ورودی گیرنده NS است، خط مستقیم قرمز نشان دهنده حساسیت این گیرنده است. محور X برد را بر حسب کیلومتر و محور Y توان را بر حسب dBm نشان می دهد. در آن نقاط بردی که منحنی آبی بالای منحنی قرمز قرار دارد، دریافت مستقیم ویدئو از پهپاد امکان پذیر است، در غیر این صورت هیچ ارتباطی وجود نخواهد داشت. نمودار نشان می دهد که به دلیل نوسانات، از دست دادن ارتباط در محدوده 35.5-35.9 کیلومتر و بیشتر در محدوده 55.3-58.6 کیلومتر رخ می دهد. در این حالت، قطع نهایی بسیار بیشتر اتفاق می افتد - پس از 110.8 کیلومتر پرواز.

همانطور که در بالا ذکر شد، کاهش قدرت میدان به دلیل اضافه شدن آنتی فاز در محل آنتن NS سیگنال مستقیم و سیگنال منعکس شده از سطح زمین ایجاد می شود. با انجام 2 شرط می توانید از قطع ارتباط در NS به دلیل خرابی خلاص شوید.

1. از یک مودم در NS با حداقل دو کانال دریافت (تنوع RX) استفاده کنید، به عنوان مثال 3D Link [11].
2. آنتن های دریافت کننده را روی دکل NS قرار دهید متفاوت ارتفاع

فاصله ارتفاع آنتن های گیرنده باید به گونه ای باشد که افت شدت میدان در محل یک آنتن با سطوح بالاتر از حساسیت گیرنده در محل آنتن دیگر جبران شود. در شکل شکل 4 نتیجه این رویکرد را برای حالتی نشان می‌دهد که در آن یک آنتن NS در ارتفاع 5 متری (منحنی جامد آبی) و دیگری در ارتفاع 4 متری (منحنی نقطه‌دار آبی) قرار دارد.

برنج. 4. قدرت سیگنال در ورودی های دو گیرنده مودم 3D Link از آنتن هایی که در ارتفاعات مختلف قرار دارند.

از شکل شکل 4 به وضوح ثمربخشی این روش را نشان می دهد. در واقع، در طول کل مسافت پرواز پهپاد، تا برد 110.8 کیلومتر، سیگنال ورودی حداقل یک گیرنده NS از سطح حساسیت فراتر می رود، به این معنی که ویدیو از صفحه در طول کل پرواز قطع نمی شود. فاصله

با این حال، روش پیشنهادی به افزایش قابلیت اطمینان تنها پیوند رادیویی پهپاد← NS کمک می‌کند، زیرا قابلیت نصب آنتن‌ها در ارتفاع‌های مختلف فقط در NS موجود است. اطمینان از جداسازی ارتفاع آنتن های 1 متری در پهپاد امکان پذیر نیست. برای افزایش قابلیت اطمینان پیوند رادیویی NS→UAV می توان از روش های زیر استفاده کرد.

1. سیگنال فرستنده NS را به آنتنی برسانید که سیگنال قدرتمندتری را از پهپاد دریافت می کند.
2. از کدهای فضا-زمان مانند کد الموتی استفاده کنید [12].
3. از فناوری شکل دهی پرتو آنتن با قابلیت کنترل قدرت سیگنال ارسالی به هر آنتن استفاده کنید.

روش اول در مشکل ارتباط با پهپاد نزدیک به بهینه است. این ساده است و در آن تمام انرژی فرستنده در جهت درست هدایت می شود - به یک آنتن بهینه. به عنوان مثال، در برد 50 کیلومتری (نگاه کنید به شکل 4)، سیگنال فرستنده به یک آنتن معلق در 5 متر و در محدوده 60 کیلومتر - به یک آنتن معلق در 4 متر تغذیه می شود. این روشی است که در مودم لینک سه بعدی استفاده می شود [11]. روش دوم از داده های پیشینی در مورد وضعیت کانال ارتباطی پهپاد← NS (سطوح سیگنال های دریافتی در خروجی های آنتن) استفاده نمی کند، بنابراین انرژی فرستنده را به طور مساوی بین دو آنتن تقسیم می کند که به ناچار منجر به تلفات انرژی می شود، زیرا یکی آنتن ها ممکن است در قدرت میدان سوراخ باشند. روش سوم از نظر کیفیت ارتباط با روش اول برابر است، اما اجرای آن بسیار دشوارتر است.

اجازه دهید با در نظر گرفتن تأثیر سطح زیرین، موضوع تأثیر فرکانس امواج رادیویی بر محدوده ارتباط با پهپاد را بیشتر در نظر بگیریم. در بالا نشان داده شد که افزایش فرکانس مفید است، زیرا با ابعاد ثابت آنتن ها، این امر منجر به افزایش دامنه ارتباطی می شود. با این حال، مسئله وابستگی فرکانس در نظر گرفته نشد از جانب (3) نتیجه می‌شود که نسبت بهره آنتن‌ها از نظر مساحت برابر است و برای کار در فرکانس‌ها طراحی شده‌اند. и ، برابر است
(6)

برای 2450 مگاهرتز؛ ما 915 مگاهرتز دریافت می کنیم 7.2 (8.5 دسی بل). این تقریباً همان چیزی است که در عمل اتفاق می افتد. بیایید برای مثال، پارامترهای آنتن های زیر را از Wireless Instruments مقایسه کنیم:

• WiBOX PA 0809-8V [13] (فرکانس: 0.83-0.96 گیگاهرتز؛ پهنای پرتو: 70°/70°؛ بهره: 8 dBi).
• WiBOX PA 24-15 [14] (فرکانس: 2.3-2.5 گیگاهرتز؛ پهنای پرتو: 30 درجه/30 درجه؛ بهره: 15 دسی‌بی‌ای).

مقایسه این آنتن ها راحت است، زیرا آنها در همان محفظه های 27x27 سانتی متر ساخته شده اند، یعنی مساحت یکسانی دارند. توجه داشته باشید که بهره آنتن 15-8=7 دسی بل است که نزدیک به مقدار محاسبه شده 8.5 دسی بل است. از ویژگی های آنتن ها همچنین مشخص است که عرض الگوی آنتن برای محدوده 2.3-2.5 گیگاهرتز (30 درجه / 30 درجه) بیش از دو برابر باریک تر از عرض الگوی آنتن برای محدوده 0.83-0.96 است. گیگاهرتز (70 درجه/70 درجه)، یعنی بهره آنتن هایی با ابعاد یکسان در واقع به دلیل بهبود خواص جهت افزایش می یابد. با توجه به استفاده از 2 آنتن در خط ارتباطی، نسبت 2∙8.5=17 دسی بل خواهد بود. بنابراین، با همان ابعاد آنتن، بودجه انرژی یک پیوند رادیویی با یک فرکانس 2450 مگاهرتز 17 دسی بل بیشتر از بودجه خط با فرکانس خواهد بود 915 مگاهرتز در محاسبه، ما همچنین این واقعیت را در نظر می گیریم که پهپادها، به طور معمول، از آنتن های شلاقی استفاده می کنند که ابعاد آن به اندازه آنتن های پنل NS در نظر گرفته شده حیاتی نیست. بنابراین، ما افزایش آنتن پهپاد را برای فرکانس ها می پذیریم и برابر. آن ها تفاوت در بودجه انرژی خطوط 8.5 دسی بل خواهد بود، نه 17 دسی بل. نتایج محاسبه انجام شده برای این داده های اولیه و ارتفاع 5 متری آنتن NS در شکل نشان داده شده است. 5.

برنج. 5. قدرت سیگنال در ورودی گیرنده برای پیوندهای رادیویی که در فرکانس‌های 915 و 2450 مگاهرتز کار می‌کنند.

از شکل 5 به وضوح نشان می دهد که محدوده ارتباطی با افزایش فرکانس کاری و همان مساحت آنتن NS از 96.3 کیلومتر برای پیوند رادیویی با فرکانس 915 مگاهرتز به 110.8 کیلومتر برای پیوند با فرکانس 2450 مگاهرتز افزایش می یابد. . با این حال، خط 915 مگاهرتز دارای فرکانس نوسان کمتری است. نوسانات کمتر به معنای کاهش قدرت میدان است، یعنی احتمال قطع ارتباط با پهپاد در کل مسافت پرواز را کاهش می دهد. شاید همین واقعیت است که محبوبیت محدوده امواج رادیویی زیر گیگاهرتز را برای خطوط ارتباطی فرمان و تله متری با پهپادها به عنوان قابل اطمینان ترین تعیین می کند. در عین حال، هنگام انجام مجموعه اقداماتی که در بالا توضیح داده شد برای محافظت در برابر نوسانات قدرت میدان، پیوندهای رادیویی در محدوده گیگاهرتز با بهبود خواص جهت آنتن ها، محدوده ارتباطی بیشتری را ارائه می دهند.

از در نظر گرفتن شکل 5 همچنین می توانیم نتیجه بگیریم که در ناحیه سایه (پس از علامت 128.8 کیلومتر) کاهش فرکانس عملیاتی خط ارتباطی منطقی است. در واقع، در نقطه ای تقریباً 120-dBm منحنی های توان برای فرکانس ها и تقاطع آن ها هنگام استفاده از گیرنده‌هایی با حساسیت بهتر از -120 دسی‌بل‌متر، یک پیوند رادیویی با فرکانس 915 مگاهرتز، برد ارتباطی طولانی‌تری را فراهم می‌کند. با این حال، در این مورد، پهنای باند پیوند مورد نیاز باید در نظر گرفته شود، زیرا برای چنین مقدار حساسیت بالایی، سرعت اطلاعات بسیار پایین خواهد بود. مثلا مودم 3D Link [11] اگرچه حساسیت تا 122-dBm را فراهم می کند، اما نرخ انتقال اطلاعات جمع (در هر دو جهت) 23 کیلوبیت بر ثانیه خواهد بود که در اصل برای ارتباط KTRL با یک پهپاد کافی است، اما واضح است که برای انتقال ویدیو از روی آن کافی نیست. هیئت مدیره بنابراین، محدوده زیر گیگاهرتز، در واقع، یک مزیت جزئی نسبت به محدوده گیگاهرتز برای KTRL دارد، اما به وضوح در هنگام سازماندهی خطوط ویدئویی، ویژگی ها را از دست می دهد.

هنگام انتخاب فرکانس پیوند رادیویی، باید تضعیف سیگنال را در حین انتشار در جو زمین نیز در نظر بگیرید. برای پیوندهای ارتباطی NS-UAV، تضعیف جو در اثر گازها، باران، تگرگ، برف، مه و ابرها ایجاد می شود. [2]. برای فرکانس های عملیاتی پیوندهای رادیویی کمتر از 6 گیگاهرتز، تضعیف گازها را می توان نادیده گرفت. [2]. شدیدترین تضعیف در بارندگی ها به ویژه با شدت زیاد (رگبار) مشاهده می شود. جدول 1 داده ها را نشان می دهد [2] با تضعیف خطی [dB/km] در باران‌های با شدت‌های مختلف برای فرکانس‌های 3-6 گیگاهرتز.

جدول 1. تضعیف خطی امواج رادیویی [dB/km] در باران‌های با شدت‌های مختلف بسته به فرکانس

فرکانس [گیگاهرتز] 3 میلی متر در ساعت (ضعیف)
12 میلی متر در ساعت (متوسط)
30 میلی متر در ساعت (قوی)
70 میلی متر در ساعت (باران)

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

از روی میز 1 نتیجه می شود که برای مثال، در فرکانس 3 گیگاهرتز، تضعیف در یک دوش حدود 0.0087 دسی بل در کیلومتر خواهد بود، که در یک مسیر 100 کیلومتری 0.87 دسی بل تضعیف کل را به همراه خواهد داشت. با افزایش فرکانس عملیاتی پیوند رادیویی، تضعیف در باران به شدت افزایش می یابد. برای فرکانس 4 گیگاهرتز، میرایی در یک دوش در همان مسیر قبلاً 9.1 دسی بل و در فرکانس های 5 و 6 گیگاهرتز - به ترتیب 28 و 57 دسی بل خواهد بود. اما در این مورد فرض بر این است که باران با شدت معین در کل مسیر رخ می دهد که در عمل به ندرت اتفاق می افتد. با این حال، هنگام استفاده از پهپاد در مناطقی که بارندگی های شدید زیاد است، توصیه می شود فرکانس کاری پیوند رادیویی زیر 3 گیگاهرتز را انتخاب کنید.

ادبیات

1. اسمورودینوف A.A. نحوه انتخاب یک مودم پهن باند برای هواپیمای بدون سرنشین (UAV). هابر 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. انتشار امواج رادیویی و بهره برداری از پیوندهای رادیویی. ارتباط. مسکو. 1971.
3. میکرو هارد.
4. مشخصات پیوند داده دیجیتال پیکو pDDL2450.
5. مشخصات Picoradio OEM.
6. گزارش آزمون مهندسی ماژول پیوند داده دیجیتال 2.4 گیگاهرتز Pico.
7. شناسه FCC
8. سی.ا. بالانیس. تئوری آنتن. تحلیل و طراحی. ویرایش چهارم. جان وایلی و پسران 2016.
9. بهره آنتن. مقاله ویکی پدیا
10. پهنای پرتو مقاله ویکی پدیا
11. مودم رادیویی دیجیتال دوبلکس 3D Link.
12. س.م. الموتی. "یک تکنیک ساده تنوع انتقال برای ارتباطات بی سیم." مجله IEEE در حوزه های منتخب در ارتباطات. 16 (8): 1451-1458.
13. آنتن PTP Client WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP Client Antenna WiBOX PA 24-15.

منبع: www.habr.com