Hogyan növeljük a távolságot a drónnal (UAV)

A távközlés hatósugarának növelése a pilóta nélküli légi járművek (PNLJ) esetében továbbra is aktuális cél. Ebben a cikkben a paraméter javításának módszereit vizsgáljuk. A cikket a PNLJ fejlesztői és üzemeltetői számára írták, és a PNLJ-vel való kommunikációval foglalkozó cikksorozat folytatása (a cikksorozat eleje itt található: [1].

Mi befolyásolja a távközlést

A távközlés hatósugara függ a használt modemtől, antennáktól, antenna kábelektől, a rádióhullámok terjedési körülményeitől, külső zavaroktól és néhány egyéb tényezőtől. Ahhoz, hogy meghatározzuk, milyen mértékben befolyásolja a különböző paraméterek a távközlés hatósugarát, nézzük meg a távközlési távolság egyenletét. [2]
(1)

ahol
— a keresett távközlési távolság [méter];
— a fénysebesség vákuumban [m/sec];
— frekvencia [Hz];
— a modem adóereje [dBm];
— az adóantenna nyeresége [dBi];
— a kábel vesztesége a modemtől az adóantenna felé [dB];
— a vevőantenna nyeresége [dBi];
— a kábel vesztesége a modemtől a vevőantenna felé [dB];
— a modem vevőérzékenysége [dBm];
— a gyengítési szorzó, amely figyelembe veszi a Föld felülete, növényzet, atmoszféra és egyéb tényezők által okozott további veszteségeket [dB].

Az egyenletből látható, hogy a távolság a következőktől függ:

• a használt modemtől;
• a rádiócsatorna frekvenciájától;
• a használt antennáktól;
• a kábelek veszteségeitől;
• a rádióhullámok terjedésére gyakorolt hatásától, beleértve a Föld felületet, növényzetet, atmoszférát, épületeket stb.

Ezután a távközlési távolságra ható paramétereket külön-külön vizsgáljuk.

Használt modem

A távközlés hatósugara csupán a modem két paraméterétől függ: az adóerejétől és a vevő érzékenységétől, más szóval a két érték különbségétől — a modem energia-büdzséjétől.
(2)

A távközlés hatósugarának növeléséhez olyan modemet kell választani, amelynek magasabb értéke van. A növelés többek között a növelés révén érhető el, vagy a csökkentés révén. Előnyben kell részesíteni a nagy érzékenységű modemet ( minél alacsonyabb), ahelyett, hogy az adóerő növelésén fáradoznánk. E kérdéskört részletesen tárgyalta az első cikk [1].

A kiegészítő anyagokhoz [1] fontos figyelembe venni, hogy bizonyos gyártók, például a Microhard [3], a specifikációk szerint egyes eszközöknél nem az átlag, hanem a csúcsteljesítmény van megadva, amely többszöröse az átlagosnak, és amelyet nem lehet a hatótávolság kiszámításához használni, mivel ez a számított távolság jelentős túlteljesítéséhez vezet a valódi értékhez képest. Ilyen eszközök közé tartozik például a népszerű pDDL2450 modul [4,5]. Ez a tény közvetlenül következik a készülék tesztelésének eredményeiből, amelyet az FCC tanúsítvány megszerzése érdekében végeztek [6] (lásd 58. oldal). Az FCC tanúsítvánnyal rendelkező vezeték nélküli eszközök tesztelési eredményeit az FCC ID weboldalán tekinthetjük meg [7], ha beírjuk a keresőmezőbe a megfelelő FCC ID-t, amelynek a készülék típusának megjelölésén kell lennie. A pDDL2450 modul FCC azonosítója a következő: NS916pDDL2450.

Rádiócsatorna frekvencia

A hatótávolság egyenletéből (1) egyértelműen következik, hogy minél alacsonyabb a működési frekvencia , annál nagyobb a kommunikációs távolság . De ne siessünk a következtetések levonásával. Az a helyzet, hogy az egyenletbe belépő egyéb paraméterek szintén függenek a frekvenciától. Például az antenna nyereségi tényezői és fognak függeni a frekvenciától abban az esetben, ha az antenna maximális méretei rögzítettek, ami a gyakorlatban éppen így van. Az antenna nyeresége , dimenzió nélküli egységekben (szerinti mértékekben) kifejezhető az antenna fizikai területe a következőképpen [8]
(3)

ahol — az antenna aperture hatékonysága, azaz az effektív antenna terület és a fizikai terület aránya (az antenna konstrukciójától függ) [8].

A (3) azonnal látható, hogy a rögzített antenna terület mellett a nyereség arányosan nő a frekvencia négyzetével. Helyettesítsük be (3) be. (1), először átírva (1) dimenzió nélküli egységeket használva az antenna nyereségi tényezőihez , , a kábelveszteségekhez , és a csökkentési tényezőhöz , valamint Watt használatával a és dBm helyett. Akkor
(4)

ahol a tényező konstans marad rögzített antenna méreteknél. Így ebben a helyzetben a kommunikációs távolság közvetlenül arányos a frekvenciával, azaz minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb a távolság. Következtetés. Az antennák fix mérete mellett a rádiófrekvencia növelése a jelerősség távolságának növeléséhez vezet az antennák irányított tulajdonságainak javításával. Ugyanakkor fontos figyelembe venni, hogy a frekvencia növekedésével a rádióhullámok elnyelődése is nő a légkörben, amelyet a gáznemű anyagok, eső, jégeső, hó, köd és felhők okoznak. [2]. Ráadásul az út hosszának növekedésével a légköri elnyelés is növekszik. Emiatt minden út hosszára és az azon uralkodó átlagos időjárási viszonyokra van egy maximális hordozófrekvencia, amely a légköri jelszint elnyelési szintjével van korlátozva. A rádiócsatorna frekvenciájának hatására vonatkozó végső döntést hagyjuk a földfelszín és a légkör rádióhullámok terjedésére gyakorolt hatását vizsgáló szakaszra.

Antennák

A jelerősség távolságát az antenna erősítési tényezője határozza meg (gain az angol terminológiában), amelyet dBi-ben mérnek. Az erősítési tényező egy fontos összetett paraméter, mivel figyelembe veszi: (1) az antenna képességét, hogy a sugárzónak az irányított energiáját a vevő felé összpontosítsa egy izotróp sugárzóhoz képest (izotropikus, ezért az i index dBi); (2) az antennán belüli veszteségeket [8,9]. A jelerősség távolságának növelése érdekében a maximálisan elérhető erősítési tényezőjű antennákat kell választani, amelyek megfelelnek a méret- és tömegparamétereknek, valamint a irányítási rendszer lehetőségeinek. Az antenna energiát összpontosító képessége nem ingyenes, hanem kizárólag az antenna méretének (nyílásának) növelésével érhető el. Például minél nagyobb a vevő antenna, annál nagyobb felület tud energiát összegyűjteni a vevő bemenetére, és minél több energia érkezik, annál erősebb a fogott jel, azaz a jelerősség távolsága nő. Így először meg kell határozni az antenna maximális méreteit, amelyek a feladat szempontjából megfelelőek, és ezen paraméter alapján kell korlátozni a keresést, majd keresni kell a konkrét antenna modelleket a maximális erősítési tényező figyelembevételével. A második fontos gyakorlati paraméter az antenna irányított diagramjának szélessége (beamwidth) [8,10], mérhető szögfokokban. Általában a DNy szélességét úgy határozzák meg, mint a két térbeli irány közötti szöget az antenna középpontjából, ahol az antenna nyeresége 3 dB-re csökken a maximális értéktől. A DNy szélessége az azimut és a magassági szög tekintetében jelentősen eltérhet. Ez a paraméter szorosan kapcsolódik az antenna méretéhez az alábbi szabály szerint: minél nagyobb a méret, annál kisebb a DNy szélessége. Közvetlenül a hatótávolság egyenletébe nem kerül be ez a paraméter, de pontosan ez határozza meg a földi állomás (FS) antenna irányzási követelményeit a UAV-ra, mivel az FS általában erősen irányított antennákat használ, legalábbis azokban az esetekben, amikor a UAV-val való kapcsolat távolságának maximalizálása prioritást élvez. Valóban, amíg az FS követő rendszere biztosítja az antenna DNy-ra irányultságának pontosságát, ami a DNy szélességének felével egyenlő vagy annál kevesebb, addig a fogadott/kibocsátott jel szintje nem süllyed a maximális érték 3 dB-je alá. A választott antenna DNy szélességének fele semmilyen körülmények között nem lehet kisebb, mint az FS antenna irányzási rendszerének az azimutra vagy magassági szögre vonatkozó szöghibája.

Kábelek

A maximális hatótávolság eléréséhez a lehető legkisebb kábelveszteséggel kell kábeleket használni (cable attenuation vagy cable loss) a munkafrekvenciáján a FS – UAV közötti rádiós vonalon. A kábel vesztesége a 1 m hosszúságú kábel szakaszán a kimeneti jel és a bemeneti jel arányaként van definiálva, decibelben (dB) kifejezve. A kábelek veszteségei , amelyek belépnek a hatótávolság egyenletébe , a kábel hossza és az egységnyi kábelveszteség szorzataként határozhatók meg. Így a lehető legnagyobb hatótávolság elérése érdekében a lehető legkisebb kábelveszteséggel kell kábeleket használni, és minimalizálni kell ezen kábelek hosszát. Az FS modem blokkjait közvetlenül a toronyra kell felszerelni, közel az antennához. Az UAV házában a modemet a lehető legközelebb kell elhelyezni az antennákhoz. Külön figyelmet kell fordítani a választott kábel impedanciájára. Ez a paraméter Ohm-ban mérhető, és jellemzően 50 vagy 75 Ohm. A kábel, a modem antenna csatlakozónak és az antennára szerelt csatlakozónak az impedanciájának egyenlőnek kell lennie. (1)A Föld felszínének hatása

A Föld felszínének hatása

Ebben a részben a rádióhullámok elterjedését vizsgáljuk sík területeken vagy tengeri felszínen. Az ilyen helyzet gyakori a UAV-k alkalmazásában. A UAV-kkal végzett csővezeték-, elektromos vezeték-, mezőgazdasági növénymonitorozás, számos katonai és speciális művelet mind olyan helyzet, amelyet ez a modell jól leír. Az emberi tapasztalat azt mutatja, hogy a kapcsolatok az objektumok között akkor lehetségesek, ha azok közvetlen optikai látótávolságon belül vannak egymástól, különben a kapcsolat lehetetlen. Azonban a rádióhullámok nem az optikai tartományba tartoznak, így a helyzet kicsit más. Ezért a UAV-k fejlesztőinek és üzemeltetőinek hasznos megjegyezni a következő két tényt.

1. A rádiótartománybeli kapcsolat lehetséges a közvetlen látótávolság hiányában is a földi állomás (NS) és a UAV között.
2. A rádiós kapcsolatot befolyásolja az alatta lévő felszín, még akkor is, ha nincsenek objektumok az NS-UAV optikai vonalán.

A rádióhullámok Föld közelében való elterjedésének sajátosságainak megértéséhez hasznos megismerkedni a rádióhullámok lényeges eloszlási területe fogalmával. [2]. Ha nincsenek objektumok a rádióhullámok lényeges eloszlási zónájában, a távolság számítása a szabad tér képleteivel végezhető, azaz be. (1) elfogadható 0-nak tekinthető. Ha azonban a lényeges zónában vannak objektumok, ezt nem lehet alkalmazni. Az 1. ábrán az A pontban egy pontszerű sugárzó látható, amely a Föld felszíne felett elhelyezkedő magasságban helyezkedik el, és elektromágneses energiát sugároz minden irányba egyenletes intenzitással. A B pontban a magasságban helyezkedik el a térerősség mérésére szolgáló vevő. Ebben a modellben a rádióhullámok lényeges eloszlási területe egy ellipszoid, amelynek fókuszpontjai az A és B pontokban helyezkednek el.

1. ábra. Rádióhullámok lényeges eloszlási területe

Az ellipszoid legvastagabb részének sugara a következő kifejezéssel határozható meg: [2]
(5)

A (5) látható, hogy a frekvenciától függ fordított arányban, minél kisebb , annál "vastagabb" az ellipszoid ( az 1. ábrán). Ezenkívül az ellipszoid "vastagsága" növekszik a kapcsolódó objektumok közötti távolság növekedésével. A rádiótartomány hullámai meglehetősen jelentős értéket is ölthetnek, így 10 km-en 2.45 GHz-nél kapunk 50–60 m.

Most nézzük meg az átlátszatlan objektumot, amelyet a szürke háromszög ábrázol a 1. ábrán. Ez hatással lesz a rádióhullámok terjedésére, amelyeknek a frekvenciája , mivel a lényeges terjedési zónában helyezkedik el, és gyakorlatilag nem lesz hatással a rádióhullámok terjedésére, amelyeknek a frekvenciája . Az optikai spektrum rádióhullámai (fény) esetében az érték kicsi, ezért a Föld felszínének hatása a fény terjedésére a gyakorlatban nem érzékelhető. Figyelembe véve, hogy a Föld felszíne gömb alakú, könnyen érthető, hogy a távolság növekedésével , a talajjal borított felület egyre inkább belép a lényeges terjedési zónába, ezzel blokkolva az energiát A pontból a B pontba — ezzel véget ér a kapcsolat, és megszakad a kommunikáció az UAV-val. Hasonlóan fognak hatni a kapcsolatban más objektumok is, mint például a domborzati egyenetlenségek, épületek, erdők stb.

Most nézzük meg a 2. ábrát, ahol az átlátszatlan objektum teljesen blokkolja a rádióhullám frekvenciájának lényeges terjedési zónáját, ezzel lehetetlenné téve a kommunikációt ezen a frekvencián. Ugyanakkor a frekvencián még mindig lehetséges a kapcsolat, mert az energia egy része „átugrik” az átlátszatlan objektum fölött. Minél alacsonyabb a frekvencia, annál messzebbre terjedhet a rádióhullám az optikai horizonton túl, fenntartva a stabil kapcsolatot az UAV-val.

2. ábra. A rádióhullámok lényeges terjedési zónájának blokkolása

A Föld felszínének hatása a kommunikációra a antennák magasságától is függ és . Minél magasabbak az antennák, annál nagyobb távolságot lehet elérni A és B pont között, anélkül, hogy objektumok vagy a talaj borítása belépne a lényeges zónába.

Ahogy az objektum vagy a talaj borítása belép a lényeges zónába, a mező intenzitása a B pontban oszcillálni fog [2], tehát a mező feszültségei átmenetileg nőnek és csökkennek. Ez az energia visszaverődésének köszönhető az objektumtól. A visszavert energia a B pontban összeadódhat a fő energiával fázisban — ekkor a mező feszültségében emelkedés keletkezik, vagy ellentétes fázisban — akkor a mező feszültségében csökkenés lép fel (és viszonylag jelentős). Fontos ezt a hatást figyelembe venni a drónokkal való kapcsolat megértéséhez. A drónnal való kapcsolat megszakadása egy bizonyos távolságon lokális mezőfeszültség-csökkenés miatt történhet az oszcillációk következtében, tehát ha még egy bizonyos távolságot átrepülünk, a kapcsolat helyreállhat. A kapcsolat véglegesen csak akkor szűnik meg, ha a lényeges zóna teljesen akadályozva van objektumok vagy a talajfelszín által. Az alábbiakban a mezőfeszültség oszcillációinak következményeivel való küzdelem módszereit mutatjuk be.

A gyengítés szorzójának számítására vonatkozó képletek a rádióhullámok sima felszínen való terjedése során meglehetősen bonyolultak, különösen a távolságok esetében , amelyek meghaladják az optikai horizont távolságát [2]. Ezért a probléma további vizsgálatakor a szerző által kidolgozott számítógépes program készletének matematikai modellezését alkalmazzuk. Tekintsük a jellemző feladatot, amely videó átvitelét jelenti a drónról a földi állomásra egy 3D Link modemen keresztül [11] a Geoscan vállalattól. A következő alapadatokkal dolgozunk.

1. A földi állomás antennájának magassága: 5 m.
2. A drón repülési magassága: 1000 m.
3. A rádióvonal frekvenciája: 2,45 GHz.
4. A földi állomás antenna erősítési tényezője: 17 dB.
5. A drón antenna erősítési tényezője: 3 dB.
6. A vételi teljesítmény: +25 dBm (300 mW).
7. A videocsatorna sebessége: 4 Mbit/s.
8. A videocsatorna vevő érzékenysége: -100,4 dBm (a jel által foglalt frekvenciasáv 12 MHz-hez).
9. Talajfelszín: száraz föld.
10. Polarizáció: függőleges.

A megadott alapadatok alapján a közvetlen optikai láthatóság távolsága 128,8 km. A számítási eredmények a 3D Link modem vevőjébe belépő jel teljesítményéről dBm-ben, a 3. ábrán láthatók.

Ábra 3. A jel teljesítménye a 3D Link modem vevőjében [11]

A kék görbe a 3. ábrán a HF vevő bemeneti jelszintje, a piros egyenes vonal pedig ennek a vevőnek a érzékenységét jelöli. Az X tengelyen a távolság km-ben van ábrázolva, az Y tengelyen pedig a jelszint dBm-ben. Azokon a távolságokban, ahol a kék görbe a piros egyenes fölött van, a BLA fedélzeti videója felvehető, különben a kapcsolat megszűnik. A grafikonból látható, hogy az oszcillációk miatt a kapcsolat elvesztése a 35.5–35.9 km és a 55.3–58.6 km távolságok között fog bekövetkezni. A végső megszakadás azonban sokkal tovább fog bekövetkezni – 110.8 km repülés után.

Ahogy már korábban említettük, a mező intenzitásának csökkenése a HF antennája közelében a közvetlen és a föld felszínéről visszavert jel ellentétes fázisú összegzésének következménye. A HF vonalon tapasztalható kapcsolat megszakadásának elkerülésére két feltételt kell teljesíteni.

1. Legalább két befogócsatornával rendelkező modemet használni a HF-n (RX diverzitás), például a 3D Link-et. [11].
2. A HF vevőantennáit a HF toronyra kell elhelyezni különböző magasságokban.

A vevőantennák magasságának különbségét úgy kell kialakítani, hogy egy adott antenna helyén a mező intenzitásának csökkenése a másik antenna helyén a vevő érzékenységi szintje fölé kerüljön. A 4. ábrán látható az ilyen megközelítés eredménye, ha az egyik HF antenna 5 m magasságban, a másik pedig 4 m magasságban helyezkedik el (kék folytonos görbe és kék szaggatott görbe).

4. ábra. A 3D Link modem két vevőjének jelszintjei az eltérő magasságokban elhelyezett antennákból.

A 4. ábrából világosan látható ennek a módszernek a hatékonysága. Valóban, a BLA repülésének teljes távolsága alatt, akár 110.8 km távolságig is, a legalább egy HF vevő bemenetén a jelszint meghaladja az érzékenységi szintet, tehát a fedélzeti videó folyamatos marad a repülés teljes távján.

Javasolt módszer ugyanakkor kizárólag a BLA→HF rádióvonal megbízhatóságának növelésére szolgál, mivel a különböző magasságokba elhelyezett antennák csak a HF-n lehetségesek. 1 m magasság eltérés biztosítása a BLA-n nem megvalósítható. A HF→BLA rádióvonal megbízhatóságának növelése érdekében a következő megközelítések alkalmazhatók.

1. Az HF adójának jeleit a BLA-tól érkező erősebb jelszintet fogadó antennába kell irányítani.
2. Használjon tér-idő kódokat, például Alamouti kódot [12].
3. Használja a DNS antenna irányítási technológiáját (beamforming), amely képes szabályozni a jelek teljesítményét, amelyet az egyes antennákhoz juttat.

Az első módszer közel áll az optimális megoldáshoz a drónokkal való kommunikációban. Egyszerű, és minden energiát a kívánt irányba irányít — az optimálisan elhelyezett antennára. Például 50 km távolságban (lásd 4. ábra) a jel a 5 méterre felfüggesztett antennára kerül, míg 60 km távolságban a 4 méterre felfüggesztett antennára. Ezt a módszert használja a 3D Link modem. [11]A második módszer nem használ előzetes adatokat a drón–föld kapcsolat állapotáról (az antennák kimenetein fogadott jelszintek), ezért az energia egyenletesen oszlik meg a két antenna között, ami elkerülhetetlenül energiaveszteséghez vezethet, mivel az egyik antenna a jelerősség csúcsának mélyén helyezkedhet el. A harmadik módszer a kapcsolat minőségét tekintve egyenértékű az elsővel, de sokkal bonyolultabb a megvalósítása.

Továbbiakban vizsgáljuk meg a rádióhullámok frekvenciájának hatását a drónokkal való kommunikáció hatótávolságára, figyelembe véve a talaj hatását. Az előbbiekből látható, hogy a frekvencia növelése előnyös, mivel a fix antenna méretek esetén ez a kapcsolati távolság növekedéséhez vezet. Azonban a frekvencia függésének kérdése nem volt vizsgálva. Kiderül, hogy a jelerősítő antennák aránya, amelyek egyenlő területűek és meghatározott frekvenciákra lettek tervezve, (3) egyenlő és 2450 MHz; 915 MHz esetén
(6)

A 7.2 (8.5 dB). Körülbelül így történik ez a gyakorlatban. Hasonlítsuk össze például a Wireless Instruments gyártó következő antennáinak paramétereit: WiBOX PA 0809-8V [13] (frekvencia: 0.83–0.96 GHz; betekintési szög: 70°/70°; nyereség: 8 dBi); WiBOX PA 24-15 [14] (frekvencia: 2.3–2.5 GHz; betekintési szög: 30°/30°; nyereség: 15 dBi).

• WiBOX PA 0809-8V [13] (frekvencia: 0.83–0.96 GHz; nyaláb szélessége: 70°/70°; nyereség: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (frekvencia: 2.3–2.5 GHz; nyaláb szélessége: 30°/30°; nyereség: 15 dBi).

A következő antennák összehasonlítása egyszerű, mivel mindkettő azonos 27x27 cm-es házban készült, azaz azonos területűek. Érdemes megjegyezni, hogy az antennák nyereségi tényezője 15−8=7 dB-kal eltér, ami közel áll a számított 8.5 dB-hez. Az antennák jellemzői alapján látható, hogy a 2.3–2.5 GHz (30°/30°) tartományú antenna irányított nyeresége több mint kétszer kisebb, mint a 0.83–0.96 GHz (70°/70°) tartományú antennaé, ez azt jelenti, hogy az antennák teljesítménye az azonos méret mellett valóban a javított irányított tulajdonságok révén nő. Figyelembe véve, hogy a kommunikációs vonalban 2 antennát használnak, az arány 17 dB lesz. Így az azonos méretű antennák esetén a rádióvonal energetikai költségvetése a 2450 MHz-en 17 dB-vel magasabb lesz, mint a költségvetés 915 MHz-en. A számítás során azt is figyelembe vesszük, hogy a Légi Járművek általában rudantennákat használnak, amelyek méretei nem olyan kritikusak, mint a vizsgált panel antennák esetében. Ezért feltételezhetjük, hogy a Légi Járművek antennájának nyereségi tényezője a frekvenciákra megegyező. Tehát a vonalak energetikai költségvetése közötti eltérés 8.5 dB, nem pedig 17 dB. Az e kiindulási adatokra és a panel antennák 5 m-es felfüggesztési magasságára végzett számítás eredményeit az 5. ábra mutatja. és 5. ábra. A jel teljesítménye a vevő bemenetén a 915 és 2450 MHz-en működő rádióvonalak esetében.

Az 5. ábrán világosan látható, hogy a távolság a kapcsolatban a működési frekvencia növelésével és az antennák azonos területével 96.3 km-ről 915 MHz-en 110.8 km-re emelkedik 2450 MHz-en. Azonban a 915 MHz-es vonal alacsonyabb frekvenciájú. Kevesebb oszcilláció — kisebb a mező intenzitásának csökkenése, tehát alacsonyabb a véletlenszerű megszakítások valószínűsége az összes repülési távolságon. Lehetséges, hogy pontosan ez az oka a szubgiga hertz frekvenciájú rádióhullámok népszerűségének a légi járművekkel végzett parancs-telemetriai vonalak számára, mint a legmegbízhatóbb. Ugyanakkor, a mező intenzitásának oszcillációk elleni védelmével kapcsolatos fenti tevékenységek elvégzésekor a gigahertzes rádióvonalak nagyobb távolságot biztosítanak az antennák irányos tulajdonságainak javítása révén.

Az 5. ábrából világosan látható, hogy a kommunikációs távolság a munkafrekvencia növekedésével és az azonos felületű panel antenna mellett 96,3 km-ről 110,8 km-re nő a 915 MHz-es frekvenciájú vonal esetén a 2450 MHz-es vonalra. Azonban a 915 MHz-es vonal alacsonyabb oszcillációs frekvenciát mutat. Kevesebb oszcilláció — kevesebb mezőintenzitási csúcs, azaz a UAV-val való kapcsolat megszakadásának valószínűsége az egész repülési távolságon alacsonyabb. Valószínűleg ez a tény magyarázza a szubgigahertzes rádióhullámok tartományának népszerűségét az UAV-val való parancsnoki és telemetriai kapcsolatokban, mint a legmegbízhatóbb. Ugyanakkor, a fent leírt intézkedések végrehajtásával a gigahertzes tartományú rádióvonalak nagyobb kommunikációs távolságot biztosítanak az antennák direktivitásának javításának köszönhetően.

A 5. ábra elemzéséből az is megállapítható, hogy az árnyékzónában (128,8 km-es jelölés után) az aktuális frekvencia csökkentése értelmes. Valóban, körülbelül -120 dBm-nél a teljesítménygörbék metszik egymást. és Tehát, ha -120 dBm érzékenységű vevőkkel dolgozunk, a 915 MHz-es frekvenciájú rádiós vonal nagyobb távolságú kommunikációt biztosít. Ebben az esetben azonban figyelembe kell venni a vonal igényelt sávszélességét, mivel ekkora érzékenység esetén az információs sebesség nagyon alacsony lesz. Például a 3D Link modem [11] bár -122 dBm-ig érzékeny, de az adás sebessége (két irányban) 23 kbit/s lesz, ami alapvetően elegendő a KTRK kommunikációhoz a drónnal, de nyilvánvalóan nem elegendő a fedélzeti videó átvitelére. Így a szubgigahertzes tartomány valóban egy kis előnyt élvez a gigahertzes tartománnyal szemben a KTRK esetén, de nyilvánvalóan hátrányban van a videovonalak kiépítésekor.

A rádiós vonal frekvenciájának megválasztásakor figyelembe kell venni a jel légköri elhalványulását. A KSR–drón vonalak esetében a légkörbeli elhalványulást a gázok, az eső, a jégeső, a hó, a köd és a felhők okozzák [2]. 6 GHz alatti rádiós vonalfrekvenciák esetén a gázok okozta elhalványulással nem kell számolni. [2]. A legerősebb elhalványulás esőben figyelhető meg, különösen nagy intenzitású (zápor) esetén. Az 1. táblázatban az adatok találhatók [2] a különböző intenzitású esőben mért vonalas csillapításról [dB/km] 3–6 GHz frekvenciák esetén.

1. táblázat. A rádióhullámok vonalas csillapítása [dB/km] különböző intenzitású esőkben a frekvencia függvényében

Frekvencia [GHz]
3 mm/óra (gyenge)
12 mm/óra (mérsékelt)
30 mm/óra (erős)
70 mm/óra (zápor)

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

A 1. táblázatból látható, hogy például 3 GHz-on az eső miatti veszteség körülbelül 0,0087 dB/km, ami 100 km-es távon 0,87 dB összes veszteséget eredményez. A rádióvonal munkafrekvenciájának emelésével az eső miatti veszteség drámaian nő. 4 GHz esetén az eső miatti veszteség ezen a vonalon már 9,1 dB, 5 és 6 GHz esetén pedig 28 és 57 dB. Ugyanakkor feltételezzük, hogy a megadott intenzitású eső az útvonal teljes hosszában jelen van, ami a gyakorlatban ritkán fordul elő. Mindazonáltal a BLA használata esetén, olyan területeken, ahol gyakoriak a heves esők, ajánlott a rádióvonal munkafrekvenciáját 3 GHz alá választani.

Irodalom

1. Smorodinov A.A. Hogyan válasszunk szélessávú modemet drónhoz (BLA). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Chyrenkova E.L. A rádióhullámok terjedése és a rádióvonalak működése. Kapcsolat. Moszkva. 1971.
3. Microhard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 specifikáció.
5. Picoradio OEM specifikáció.
6. Engineering Test Report. Pico 2.4GHz 1W Digitális Adat Link Modul.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Antenna theory. Elemzés és tervezés. Negyedik kiadás. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antenna gain. Cikk a Wikipédián.
10. Beamwidth. Cikk a Wikipédián.
11. Digitális duplex rádiómodem 3D Link.
12. S.M. Alamouti. „Egy egyszerű adódiverzitási technika vezeték nélküli kommunikációkhoz”. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP Klien Antenna WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP Klien Antenna WiBOX PA 24-15.

Forrás: habr.com