La tâche consistant à augmenter la portée de communication avec un véhicule aérien sans pilote (UAV) reste d'actualité. Cet article décrit les méthodes permettant d'améliorer ce paramètre. L'article a été écrit pour les développeurs et les opérateurs de drones et s'inscrit dans la continuité d'une série d'articles sur la communication avec les drones (pour le début de la série, voir
Qu'est-ce qui affecte la portée de communication
La portée de communication dépend du modem utilisé, des antennes, des câbles d'antenne, des conditions de propagation des ondes radio, des interférences externes et d'autres raisons. Afin de déterminer le degré d'influence d'un paramètre particulier sur la portée de communication, considérons l'équation de portée
où
— portée de communication requise [mètres] ;
— vitesse de la lumière dans le vide [m/sec] ;
— fréquence [Hz];
— puissance de l'émetteur du modem [dBm] ;
— gain de l'antenne de l'émetteur [dBi] ;
— pertes dans le câble allant du modem à l'antenne de l'émetteur [dB] ;
— gain de l'antenne du récepteur [dBi] ;
— pertes dans le câble allant du modem à l'antenne du récepteur [dB] ;
— sensibilité du récepteur du modem [dBm] ;
— multiplicateur d'atténuation, prenant en compte les pertes supplémentaires dues à l'influence de la surface de la Terre, de la végétation, de l'atmosphère et d'autres facteurs [dB].
De l’équation, on peut voir que la plage est déterminée par :
- le modem utilisé ;
- fréquence du canal radio;
- antennes utilisées;
- pertes dans les câbles ;
- influence sur la propagation des ondes radio depuis la surface de la Terre, la végétation, l’atmosphère, les bâtiments, etc.
Ensuite, les paramètres influençant la plage sont considérés séparément.
Modem utilisé
La portée de communication dépend uniquement de deux paramètres du modem : la puissance de l'émetteur et sensibilité du récepteur , ou plutôt de leur différence - le budget énergétique du modem
Afin d'augmenter la portée de communication, il est nécessaire de choisir un modem avec une valeur élevée . Augmenter à son tour, il est possible en augmentant ou en réduisant . Il convient de privilégier la recherche de modems à haute sensibilité ( aussi faible que possible), plutôt que d'augmenter la puissance de l'émetteur . Cette question est abordée en détail dans le premier article.
En plus des matériaux
Fréquence du canal radio
De l'équation de portée
où — efficacité d'ouverture de l'antenne, c'est-à-dire le rapport entre la surface effective de l'antenne et la surface physique (en fonction de la conception de l'antenne)
De
où est le coefficient est une constante pour les dimensions d'antenne fixes. Ainsi, dans cette situation, la portée de communication est directement proportionnelle à la fréquence, c'est-à-dire que plus la fréquence est élevée, plus la portée est grande. Sortie. Avec des dimensions d'antennes fixes, l'augmentation de la fréquence de la liaison radio entraîne une augmentation de la portée de communication en améliorant les propriétés directionnelles des antennes. Cependant, il faut garder à l’esprit qu’à mesure que la fréquence augmente, l’atténuation des ondes radioélectriques dans l’atmosphère, provoquée par les gaz, la pluie, la grêle, la neige, le brouillard et les nuages, augmente également.
Antennes
La portée de communication est déterminée par un paramètre d'antenne tel que le gain (gain en terminologie anglo-saxonne), mesuré en dBi. Le gain est un paramètre composite important car il prend en compte : (1) la capacité de l'antenne à focaliser l'énergie de l'émetteur vers le récepteur par rapport à un radiateur isotrope (d'où l'indice i en dBi) ; (2) pertes dans l'antenne elle-même [
Câbles
Pour maximiser la portée de communication, vous devez utiliser des câbles présentant l'atténuation linéaire la plus faible possible (atténuation ou perte de câble) sur de travail fréquence de la liaison radio NS-UAV. L'atténuation linéaire dans un câble est définie comme le rapport du signal à la sortie d'un segment de câble de 1 m (en système métrique) au signal à l'entrée d'un segment de câble, exprimé en dB. Pertes de câble inclus dans l'équation de portée
Impact de la surface de la Terre
Dans cette section, nous examinerons la propagation des ondes radio sur une surface plane ou marine. Cette situation se produit souvent dans la pratique de l'utilisation des drones. Surveillance par drone de pipelines, de lignes électriques, de cultures agricoles, de nombreuses opérations militaires et spéciales - tout cela est bien décrit par ce modèle. L'expérience humaine nous dresse un tableau dans lequel la communication entre les objets est possible s'ils se trouvent dans le champ de visibilité optique directe les uns des autres, sinon la communication est impossible. Cependant, les ondes radio n'appartiennent pas au domaine optique, la situation avec elles est donc quelque peu différente. À cet égard, il est utile que le développeur et l’opérateur d’UAV se souviennent des deux faits suivants.
1. La communication dans la portée radio est possible même en l'absence de visibilité directe entre le NS et le drone.
2. L'influence de la surface sous-jacente sur la communication avec le drone se fera sentir même s'il n'y a aucun objet sur la ligne optique NS-UAV.
Pour comprendre les spécificités de la propagation des ondes radio à proximité de la surface de la Terre, il est utile de se familiariser avec la notion de zone importante de propagation des ondes radio.
Riz. 1. Zone importante de propagation des ondes radio
Le rayon de l'ellipsoïde dans sa partie « la plus épaisse » est déterminé par l'expression
De
Considérons maintenant l'objet opaque représenté par le triangle gris sur la figure. 1. Cela influencera la propagation des ondes radio avec une fréquence , puisqu'il est situé dans une zone de propagation importante, et n'aura pratiquement aucun effet sur la propagation des ondes radio de fréquence . Pour les ondes radio dans le domaine optique (lumière), la valeur est petite, donc l’influence de la surface de la Terre sur la propagation de la lumière ne se fait pas sentir dans la pratique. Considérant que la surface de la Terre est une sphère, il est facile de comprendre qu'avec l'augmentation de la distance , la surface sous-jacente va de plus en plus se déplacer dans la zone de propagation importante, bloquant ainsi le flux d'énergie du point A vers le point B - fin de l'histoire, la communication avec le drone est interrompue. D'autres objets sur l'itinéraire, tels que des terrains accidentés, des bâtiments, des forêts, etc., affecteront de la même manière les communications.
Regardons maintenant la Fig. 2 dans lequel un objet opaque couvre complètement une zone importante de propagation d'une onde radio avec une fréquence , rendant impossible la communication sur cette fréquence. Parallèlement, communication sur la fréquence est également possible car une partie de l’énergie « saute » par-dessus l’objet opaque. Plus la fréquence est basse, plus l'onde radio peut se propager au-delà de l'horizon optique, maintenant ainsi une communication stable avec le drone.
Riz. 2. Couvrant une zone importante de propagation des ondes radio
Le degré d'influence de la surface terrestre sur les communications dépend également de la hauteur des antennes и . Plus la hauteur des antennes est grande, plus la distance à laquelle les points A et B peuvent être éloignés est grande sans permettre aux objets ou à la surface sous-jacente de tomber dans une zone significative.
À mesure que l'objet ou la surface sous-jacente se déplace dans une zone significative, l'intensité du champ au point B oscillera
Formules de calcul du facteur d'atténuation Lors de la propagation des ondes radio sur la surface lisse de la Terre, elles sont assez complexes, notamment pour les distances. , dépassant la portée de l'horizon optique
1. Hauteur de montage de l'antenne NS : 5 m.
2. Altitude de vol du drone : 1000 m.
3. Fréquence de liaison radio : 2.45 GHz.
4. Gain d'antenne NS : 17 dB.
5. Gain d'antenne UAV : 3 dB.
6. Puissance de l'émetteur : +25 dBm (300 mW).
7. Vitesse du canal vidéo : 4 Mbit/sec.
8. Sensibilité du récepteur dans le canal vidéo : −100.4 dBm (pour la bande de fréquence occupée par un signal 12 MHz).
9. Substrat : sol sec.
10. Polarisation : verticale.
La distance en visibilité directe pour ces données initiales sera de 128.8 km. Les résultats du calcul sous forme de puissance du signal à l'entrée du récepteur du modem en dBm sont présentés sur la Fig. 3.
Riz. 3. Force du signal à l'entrée du récepteur du modem 3D Link
La courbe bleue de la Fig. 3 est la puissance du signal à l'entrée du récepteur NS, la ligne droite rouge indique la sensibilité de ce récepteur. L'axe X montre la portée en km et l'axe Y montre la puissance en dBm. Aux points de distance où la courbe bleue se situe au-dessus de la courbe rouge, la réception vidéo directe du drone est possible, sinon il n'y aura pas de communication. Le graphique montre qu'en raison des oscillations, une perte de communication se produira dans la plage de 35.5 à 35.9 km et plus loin dans la plage de 55.3 à 58.6 km. Dans ce cas, la déconnexion finale se produira bien plus loin - après 110.8 km de vol.
Comme mentionné ci-dessus, les baisses d’intensité de champ sont dues à l’ajout en antiphase à l’emplacement de l’antenne NS du signal direct et du signal réfléchi par la surface de la Terre. Vous pouvez vous débarrasser de la perte de communication sur le NS due à des pannes en remplissant 2 conditions.
1. Utilisez un modem sur le NS avec au moins deux canaux de réception (RX Diversity), par exemple 3D Link
2. Placez les antennes de réception sur le mât NS sur différent hauteur.
L'espacement des hauteurs des antennes de réception doit être fait de telle sorte que les baisses de champ à l'emplacement d'une antenne soient compensées par des niveaux supérieurs à la sensibilité du récepteur à l'emplacement de l'autre antenne. En figue. La figure 4 montre le résultat de cette approche pour le cas où une antenne NS est située à une hauteur de 5 m (courbe continue bleue) et l'autre à une hauteur de 4 m (courbe bleue en pointillés).
Riz. 4. Puissance du signal aux entrées de deux récepteurs modem 3D Link provenant d'antennes situées à des hauteurs différentes
De la fig. La figure 4 montre clairement la fécondité de cette méthode. En effet, sur toute la distance de vol du drone, jusqu'à une portée de 110.8 km, le signal à l'entrée d'au moins un récepteur NS dépasse le niveau de sensibilité, c'est-à-dire que la vidéo de la carte ne sera pas interrompue sur toute la distance de vol. .
La méthode proposée permet cependant d’augmenter la fiabilité de la liaison radio UAV → NS uniquement, puisque la possibilité d’installer des antennes à différentes hauteurs n’est disponible que sur le NS. Il n’est pas possible d’assurer une séparation en hauteur des antennes de 1 m sur un drone. Pour augmenter la fiabilité de la liaison radio NS → UAV, les approches suivantes peuvent être utilisées.
1. Envoyez le signal de l'émetteur NS à l'antenne qui reçoit un signal plus puissant du drone.
2. Utilisez des codes spatio-temporels, comme le code Alamouti
3. Utilisez la technologie de formation de faisceau d'antenne avec la possibilité de contrôler la puissance du signal envoyé à chaque antenne.
La première méthode est proche de l'optimale dans le problème de la communication avec un drone. C'est simple et toute l'énergie de l'émetteur est dirigée dans la bonne direction - vers une antenne idéalement située. Par exemple, à une portée de 50 km (voir Fig. 4), le signal de l'émetteur est transmis à une antenne suspendue à 5 mètres et à une portée de 60 km - à une antenne suspendue à 4 mètres. C'est la méthode utilisée dans le modem 3D Link
Examinons plus en détail la question de l'influence de la fréquence des ondes radio sur la portée de communication avec le drone, en tenant compte de l'influence de la surface sous-jacente. Il a été démontré ci-dessus qu'augmenter la fréquence est bénéfique, car avec des dimensions fixes des antennes, cela conduit à une augmentation de la portée de communication. Cependant, la question de la dépendance la fréquence n’a pas été prise en compte. Depuis
Pour 2450 MHz ; Nous obtenons 915 MHz 7.2 (8.5 dB). C’est à peu près ce qui se passe dans la pratique. Comparons, par exemple, les paramètres des antennes suivantes de Wireless Instruments :
- WiBOX PA 0809-8V [13] (fréquence : 0.83-0.96 GHz ; largeur du faisceau : 70°/70° ; gain : 8 dBi) ;
- WiBOX PA 24-15 [14] (fréquence : 2.3-2.5 GHz ; largeur du faisceau : 30°/30° ; gain : 15 dBi).
Il est pratique de comparer ces antennes, car elles sont réalisées dans les mêmes boîtiers de 27x27 cm, c'est-à-dire qu'elles ont la même surface. Notez que le gain de l'antenne diffère de 15−8 = 7 dB, ce qui est proche de la valeur calculée de 8.5 dB. D'après les caractéristiques des antennes, il ressort également clairement que la largeur du diagramme d'antenne pour la plage 2.3-2.5 GHz (30°/30°) est plus de deux fois plus étroite que la largeur du diagramme d'antenne pour la plage 0.83-0.96. GHz (70°/70°), c'est-à-dire que le gain des antennes de mêmes dimensions augmente en fait en raison de l'amélioration des propriétés directionnelles. Compte tenu du fait que 2 antennes sont utilisées dans la ligne de communication, le rapport sera 2∙8.5=17 dB. Ainsi, à dimensions d'antenne identiques, le bilan énergétique d'une liaison radio avec une fréquence 2450 MHz sera 17 dB de plus que le budget de ligne avec fréquence 915 MHz. Dans le calcul, nous prenons également en compte le fait que les drones utilisent généralement des antennes fouet, dont les dimensions ne sont pas aussi critiques que pour les antennes panneaux NS considérées. Par conséquent, nous acceptons les gains de l'antenne du drone pour les fréquences и égal. Ceux. la différence dans les bilans énergétiques des lignes sera de 8.5 dB et non de 17 dB. Les résultats du calcul effectué pour ces données initiales et la hauteur de 5 m de l'antenne NS sont présentés sur la Fig. 5.
Riz. 5. Puissance du signal à l'entrée du récepteur pour les liaisons radio fonctionnant aux fréquences 915 et 2450 MHz
De la fig. 5 montre clairement que la portée de communication avec une augmentation de la fréquence de fonctionnement et la même zone de l'antenne NS passe de 96.3 km pour une liaison radio avec une fréquence de 915 MHz à 110.8 km pour une liaison avec une fréquence de 2450 MHz . Cependant, la ligne à 915 MHz a une fréquence d'oscillation plus faible. Moins d'oscillations signifie moins de baisses de l'intensité du champ, c'est-à-dire moins de probabilité d'interrompre la communication avec l'UAV sur toute la distance de vol. C’est peut-être ce fait qui détermine la popularité de la gamme d’ondes radio inférieures au gigahertz pour les lignes de communication de commande et de télémétrie, les drones étant les plus fiables. Dans le même temps, lors de l'exécution de l'ensemble des actions décrites ci-dessus pour se protéger contre les oscillations de l'intensité du champ, les liaisons radio dans la gamme des gigahertz offrent une plus grande portée de communication en améliorant les propriétés directionnelles des antennes.
De l'examen de la Fig. 5, nous pouvons également conclure que dans la zone d'ombre (après la barre des 128.8 km), il est logique d'abaisser la fréquence de fonctionnement de la ligne de communication. En effet, à un point d'environ −120 dBm, les courbes de puissance pour les fréquences и couper. Ceux. Lors de l'utilisation de récepteurs ayant une sensibilité supérieure à −120 dBm, une liaison radio à une fréquence de 915 MHz offrira une portée de communication plus longue. Dans ce cas, il faut toutefois tenir compte de la bande passante de liaison requise, car pour une valeur de sensibilité aussi élevée, la vitesse de l'information sera très faible. Par exemple, modem 3D Link
Lors du choix d’une fréquence de liaison radio, vous devez également prendre en compte l’atténuation du signal lors de sa propagation dans l’atmosphère terrestre. Pour les liaisons de communication NS-UAV, l'atténuation dans l'atmosphère est causée par les gaz, la pluie, la grêle, la neige, le brouillard et les nuages.
Tableau 1. Atténuation linéaire des ondes radio [dB/km] sous des pluies d'intensités différentes selon la fréquence
Fréquence [GHz] 3 mm/heure (faible)
12 mm/heure (modéré)
30 mm/heure (fort)
70 mm/heure (pluie)
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 table 1, il s'ensuit que, par exemple, à une fréquence de 3 GHz, l'atténuation dans une gerbe sera d'environ 0.0087 dB/km, ce qui sur un trajet de 100 km donnera 0.87 dB d'atténuation totale. À mesure que la fréquence de fonctionnement de la liaison radio augmente, l’atténuation sous la pluie augmente fortement. Pour une fréquence de 4 GHz, l'atténuation dans une gerbe sur le même trajet sera déjà de 9.1 dB, et aux fréquences de 5 et 6 GHz de 28 et 57 dB, respectivement. Dans ce cas, on suppose cependant que de la pluie avec une intensité donnée se produit tout au long du parcours, ce qui arrive rarement dans la pratique. Cependant, lors de l'utilisation de drones dans des zones où les pluies de forte intensité sont fréquentes, il est recommandé de sélectionner une fréquence de fonctionnement de la liaison radio inférieure à 3 GHz.
littérature
Source: habr.com