無人航空機 (UAV) との通信範囲を広げる方法

無人航空機 (UAV) との通信範囲を拡大するという課題は依然として重要です。この記事では、このパラメータを改善する方法について説明します。この記事は UAV 開発者とオペレーター向けに書かれており、UAV との通信に関する一連の記事の続きです (シリーズの冒頭については、「 【1].

通信距離に影響するもの

通信範囲は使用するモデム、アンテナ、アンテナケーブル、電波伝播状況、外部干渉などにより異なります。特定のパラメータが通信範囲に及ぼす影響の程度を判断するには、範囲の方程式を考慮します。 【2]
(1)

どこ
— 必要な通信距離 [メートル];
— 真空中の光の速度 [m/秒];
— 周波数 [Hz];
— モデム送信電力 [dBm];
— 送信機アンテナ利得 [dBi];
— モデムから送信アンテナまでのケーブルの損失 [dB];
— 受信機アンテナ利得 [dBi];
— モデムから受信アンテナまでのケーブルの損失 [dB];
— モデム受信機の感度 [dBm];
— 地球の表面、植生、大気、その他の要因の影響による追加損失を考慮した減衰乗数 [dB]。

方程式から、範囲は次のように決定されることがわかります。

• 使用されているモデム。
• 無線チャンネルの周波数。
• 使用されるアンテナ。
• ケーブルの損失。
• 地表、植生、大気、建物などからの電波の伝播への影響。

次に、範囲に影響を与えるパラメータを個別に検討します。

使用したモデム

通信範囲はモデムの XNUMX つのパラメータのみに依存します: 送信電力 と受信感度 、またはむしろ、それらの違いから - モデムのエネルギーバジェット
(2)

通信範囲を広げるには、値の大きいモデムを選択する必要があります 。増加 逆に、増やすことで可能になります または減らすことによって 。感度の高いモデムを優先して検索する必要があります ( 送信機の出力を増やすのではなく、できるだけ低くします） 。この問題については、最初の記事で詳しく説明します。 【1].

材料以外にも 【1] Microhard などの一部のメーカーは、 【3]、一部のデバイスの仕様には、平均ではなく送信機のピーク電力が示されます。これは平均よりも数倍大きく、計算された範囲が実際の範囲を大幅に超えるため、範囲の計算に使用できません。価値。このようなデバイスには、たとえば、人気のある pDDL2450 モジュールが含まれます [4,5]。この事実は、FCC 認証を取得するために実行されたこのデバイスのテストの結果から直接得られます。 【6] (58ページを参照)。 FCC 認定無線デバイスのテスト結果は、FCC ID Web サイトで確認できます。 【7]検索バーに適切な FCC ID を入力します。FCC ID は、デバイスのタイプを示すラベルに記載されています。 pDDL2450 モジュールの FCC ID は NS916pDDL2450 です。

無線チャンネル周波数

範囲方程式より (1) 明らかに、動作周波数が低いほど、 、通信範囲が広くなります 。しかし、結論を急ぐのはやめましょう。実際、方程式に含まれる他のパラメータも周波数に依存します。たとえば、アンテナゲイン и アンテナの最大寸法は周波数によって異なります。 修理済み、これはまさに実際に起こっていることです。アンテナ利得 、無次元単位 (時間) で表現され、アンテナの物理面積の観点から表現できます。 次のように 【8]
(3)

どこ — アンテナ開口効率、つまり、実効アンテナ領域と物理的アンテナ領域の比率 (アンテナの設計による) 【8].

の (3) アンテナ領域が固定されている場合、ゲインは周波数の XNUMX 乗に比例して増加することがすぐにわかります。代用しましょう (3) в (1)、以前に書き直した (1) アンテナ利得に無次元単位を使用する , 、ケーブル損失 , と減衰率 、またワットを使用して и dBmの代わりに。それから
(4)

係数はどこにありますか は固定アンテナ寸法の定数です。したがって、この状況では、通信範囲は周波数に正比例します。つまり、周波数が高いほど通信範囲は広くなります。 出力。 アンテナの寸法が固定されている場合、無線リンクの周波数が増加すると、アンテナの指向特性が改善されて通信範囲が増加します。ただし、周波数が高くなると、ガス、雨、ひょう、雪、霧、雲などによって大気中の電波が減衰することにも留意する必要があります。 【2]。さらに、経路長が増加すると、大気中での減衰も増加します。このため、各経路長とその平均的な気象条件ごとに、大気中での信号減衰の許容レベルによって制限される搬送周波数の特定の最大値が存在します。通信範囲に対する無線チャネルの周波数の影響に関する問題の最終的な解決策は、電波の伝播に対する地表と大気の影響を考慮するセクションに譲りましょう。

アンテナ

通信距離はゲインなどのアンテナパラメータによって決まります。 (英語の用語ではゲイン)、dBi で測定されます。ゲインは次のことを考慮するため、重要な複合パラメータです。(1) 等方性エミッタと比較して、送信機のエネルギーを受信機に向けて集中させるアンテナの能力 (等方性であるため、dBi 単位のインデックス i)。 (2) アンテナ自体の損失 [8,9]。通信範囲を広げるには、重量とサイズのパラメータ、および誘導システムの機能の点で適切なアンテナの中から、可能な限り最高のゲイン値を持つアンテナを選択する必要があります。エネルギーを集中させるアンテナの能力は無料で与えられるものではなく、アンテナの寸法 (口径) を大きくすることによってのみ与えられます。たとえば、受信アンテナが大きいほど、受信機の入力に供給するエネルギーを収集できる面積が大きくなり、エネルギーが多ければ多いほど、受信信号が強くなり、つまり通信範囲が広がります。したがって、最初に解決する問題に適切な最大アンテナ寸法を決定し、このパラメータによって検索領域を制限してから、最大ゲインに焦点を当てて特定のアンテナ モデルを検索する必要があります。練習用の XNUMX 番目に重要なアンテナ パラメータはビーム幅です [8,10]、角度で測定されます。通常、ビーム幅は、アンテナの利得がそのアンテナの最大値から 3 dB 減少する、アンテナの中心からの 3 つの空間方向の間の角度として定義されます。方位角と仰角におけるパターンの幅は大きく異なる場合があります。このパラメータは、「寸法が大きいほどビーム幅が小さい」という規則に従って、アンテナの寸法に密接に関連しています。このパラメータは距離方程式に直接含まれていませんが、GS は原則として指向性の高いアンテナを使用するため、UAV の地上局 (GS) アンテナ誘導システムの要件を決定するのはこのパラメータです。範囲が最大化される場合、UAV との通信が優先されます。実際、NS 追跡システムがパターンの幅の半分以下に等しい UAV にアンテナを向ける角度精度を保証している限り、受信/送信信号のレベルは最大値から XNUMX dB を下回ることはありません。いかなる状況においても、選択したアンテナのビーム幅の半分が、NS アンテナ ポインティング システムの方位角または仰角における角度誤差より小さくなってはなりません。

ケーブル類

通信範囲を最大化するには、線形減衰 (ケーブル減衰またはケーブル損失) が可能な限り低いケーブルを使用する必要があります。 働く NS-UAV 無線リンクの周波数。ケーブル内の線形減衰は、1 m ケーブル セグメントの出力信号 (メートル法) とケーブル セグメントの入力信号の比として定義され、dB で表されます。ケーブル損失 範囲式に含まれる (1)、線形減衰とケーブル長を乗算して決定されます。したがって、可能な最大の通信範囲を得るには、線形減衰が可能な限り低いケーブルを使用し、これらのケーブルの長さを最小限に抑える必要があります。 NS では、モデム ユニットをアンテナの隣のマストに直接取り付ける必要があります。 UAV 本体では、モデムをアンテナのできるだけ近くに配置する必要があります。選択したケーブルのインピーダンスを確認することも重要です。このパラメータはオーム単位で測定され、通常は 50 または 75 オームに等しくなります。ケーブル、モデムのアンテナ コネクタ、アンテナ自体のコネクタのインピーダンスは等しい必要があります。

地球表面の影響

このセクションでは、平地または海面での電波の伝播を見ていきます。この状況は、UAV を使用する際によく発生します。パイプライン、送電線、農作物、多くの軍事および特殊作戦の UAV 監視 - これらすべてがこのモデルによってよく説明されます。人間の経験によれば、物体同士が直接光学的に見える範囲内にある場合には、物体間の通信は可能であるが、そうでない場合には通信は不可能であるという図が描かれている。ただし、電波は光の範囲に属さないため、状況が若干異なります。この点に関して、UAV 開発者とオペレーターは次の XNUMX つの事実を覚えておくと役立ちます。

1. NS と UAV の間で直接視界がない場合でも、無線範囲での通信が可能です。
2. UAV との通信における下層の表面の影響は、NS-UAV 光回線上に物体がない場合でも感じられます。

地表近くの電波伝播の詳細を理解するには、電波伝播の重要な領域の概念をよく理解することが役立ちます。 【2]。電波伝播の重要なゾーンに物体が存在しない場合、自由空間の公式を使用して距離計算を実行できます。 в (1) エッセンシャル ゾーンにオブジェクトがある場合、これは実行できません。図では、 0 点 A には、ある高さにポイントエミッタがあります 地球の表面上では、すべての方向に同じ強度で電磁エネルギーが放射されます。高度B点にて 電界強度を測定するための受信機があります。このモデルでは、電波伝播の重要な領域は、点 A と B に焦点がある楕円体です。

米。 1. 電波伝播範囲が広い

楕円体の「最も厚い」部分の半径は、次の式で決定されます。 【2]
(5)

の (5) それは明らかです 周波数によって異なります 反比例して少なくなる 、楕円体が「厚くなる」( 図の1)。さらに、通信オブジェクト間の距離が増加するにつれて、楕円体の「厚さ」も増加します。電波用 かなり印象的な値になる可能性があるため、 10キロ 2.45 GHzを取得します 50÷60メートル。

ここで、図の灰色の三角形で示された不透明なオブジェクトについて考えてみましょう。 1. ある周波数の電波の伝播に影響を与えます。 重要な伝播ゾーンに位置しており、ある周波数の電波の伝播には実質的に影響を与えないためです。 。光学範囲（光）の電波の場合、値 は小さいため、光の伝播に対する地表の影響は実際には感じられません。地球の表面が球であることを考えると、距離が離れるほど、 、下にある表面はますます重要な伝播ゾーンに移動し、その結果、点Aから点Bへのエネルギーの流れがブロックされ、話の終わり、UAVとの通信が中断されます。凹凸のある地形、建物、森林など、ルート上の他の物体も同様に通信に影響を与えます。

次に図を見てみましょう。 2 不透明な物体が、ある周波数の電波の伝播の重要な領域を完全に覆う場合 、この周波数での通信は不可能になります。同時に、その周波数で通信 エネルギーの一部が不透明な物体を「飛び越える」ため、これも可能です。周波数が低いほど、電波は光の水平線を超えて伝播し、UAV との安定した通信を維持できます。

米。 2. 電波伝播の重要なエリアをカバーする

通信に対する地表の影響度はアンテナの高さにも依存する и 。アンテナの高さが高くなると、物体やその下にある表面が大きな領域に落ち込むことなく、点 A と B を離すことができる距離が長くなります。

物体またはその下にある表面が重要な領域に移動すると、点 B の場の強度が振動します。 【2]つまり、平均電界強度よりも大きいか小さいかのいずれかになります。これは物体からのエネルギーの反射によって起こります。反射エネルギーは、主エネルギーと同位相で点 B に追加できます。その後、電界強度の上昇または逆位相が発生し、その後、電界強度の低下 (そして非常に深く) が発生します。 UAV との通信の詳細を理解するには、この効果を覚えておくことが重要です。特定の距離で UAV との通信が失われる場合は、振動による局所的な電界強度の低下が原因である可能性があります。つまり、さらに距離を飛行すれば接続は回復します。最終的な通信の損失は、重要な領域が物体またはその下にある表面によって完全にブロックされた後にのみ発生します。次に、電界強度振動の影響に対処する方法が提案されます。

減衰率の計算式 地球の滑らかな表面上を電波を伝播する場合、特に距離の場合、電波は非常に複雑になります。 、光学的地平線の範囲を超えています 【2]。したがって、この問題をさらに検討するには、著者の一連のコンピューター プログラムを使用した数学的モデリングに頼ることになります。 3D リンク モデムを使用して UAV から NS にビデオを送信する典型的なタスクを考えてみましょう 【11] ジオスキャン社から。初期データは以下の通りです。

1. NSアンテナの取付高さ：5m。
2. UAV 飛行高度: 1000 メートル。
3. 無線リンク周波数: 2.45 GHz。
4. NSアンテナゲイン：17dB。
5. UAV アンテナゲイン: 3 dB。
6. 送信電力: +25 dBm (300 mW)。
7. ビデオチャネル速度: 4 Mbit/秒。
8. ビデオ チャネルの受信感度: -100.4 dBm (12 MHz 信号が占める周波数帯域の場合)。
9. 基材: 乾燥した土壌。
10. 偏光: 垂直。

これらの初期データの見通し距離は 128.8 km になります。モデム受信機の入力における信号電力の形式 (dBm 単位) の計算結果を図に示します。 3.

米。 3. 3D リンク モデム受信機の入力における信号強度 【11]

図の青い曲線です。 3 は NS 受信機の入力における信号パワーで、赤い直線はこの受信機の感度を示します。 X 軸は距離を km 単位で示し、Y 軸はパワーを dBm 単位で示します。青い曲線が赤い曲線の上にある距離ポイントでは、UAV からの直接ビデオ受信が可能ですが、そうでない場合は通信が行われません。グラフを見ると、振動により35.5～35.9kmの範囲、さらに55.3～58.6kmの範囲で通信損失が発生することがわかります。この場合、最終的な切断はさらに遠く、飛行距離 110.8 km 後に発生します。

上で述べたように、電界強度の低下は、NS アンテナの位置での直接信号と地表から反射された信号の逆位相の加算により発生します。 2つの条件を満たすことで、障害によるNS上の通信不能をなくすことができます。

1. 少なくとも 3 つの受信チャネル (RX ダイバーシティ) を備えた NS 上のモデムを使用します (XNUMXD リンクなど)。 【11].
2. 受信アンテナを NS マストに設置します。 違う 高さ。

受信アンテナの高さの間隔は、一方のアンテナの位置での電界強度の低下が、もう一方のアンテナの位置での受信機の感度よりも高いレベルで補償されるようにする必要があります。図では、図 4 は、5 つの NS アンテナが高さ 4 m (青の実線) に設置され、もう XNUMX つの NS アンテナが高さ XNUMX m (青の点線) に設置されている場合のこのアプローチの結果を示しています。

米。 4. 異なる高さに設置されたアンテナからの 3 つの XNUMXD リンク モデム受信機の入力における信号電力

図より図 4 は、この方法の有効性を明確に示しています。実際、UAV の全飛行距離（最大 110.8 km の範囲）を通じて、少なくとも XNUMX つの NS 受信機の入力信号が感度レベルを超えています。つまり、ボードからのビデオは飛行全体を通じて中断されません。距離。

ただし、異なる高さにアンテナを設置できる機能は NS でのみ利用できるため、提案された方法は UAV→NS 無線リンクの信頼性を向上させるのに役立ちます。 UAV では、アンテナの高さの間隔を 1 m 確保することはできません。 NS→UAV 無線リンクの信頼性を高めるには、次のアプローチを使用できます。

1. NS 送信機の信号を、UAV からより強力な信号を受信するアンテナに供給します。
2. Alamouti コードなどの時空コードを使用する 【12].
3. 各アンテナに送信される信号電力を制御する機能を備えたアンテナ ビームフォーミング テクノロジーを使用します。

最初の方法は、UAV との通信の問題においては最適に近いものです。それはシンプルであり、その中ですべての送信機エネルギーは正しい方向、つまり最適に配置されたアンテナに向けられます。たとえば、50 km の距離 (図 4 を参照) では、送信機信号は 5 メートルの位置に吊り下げられたアンテナに供給され、60 km の距離では 4 メートルの位置に吊り下げられたアンテナに送信されます。 3D Linkモデムで使用される方式です。 【11]。 XNUMX 番目の方法は、UAV→NS 通信チャネルの状態 (アンテナ出力での受信信号のレベル) に関する事前データを使用しないため、送信機のエネルギーを XNUMX つのアンテナ間で均等に分割します。これは必然的にエネルギー損失につながります。アンテナの電界強度がホール内にある可能性があります。 XNUMX 番目の方法は、通信品質の点では最初の方法と同等ですが、実装ははるかに困難です。

下地表面の影響を考慮して、UAV との通信範囲に対する電波周波数の影響の問題をさらに考えてみましょう。アンテナの寸法が固定されていると通信範囲の増加につながるため、周波数を上げることが有益であることが上で示されました。ただし、依存性の問題 頻度は考慮されていませんでした。から (3) つまり、アンテナの利得の比率は面積が等しく、周波数で動作するように設計されているということになります。 и 、等しい
(6)

のために 2450MHz; 915MHzが得られます 7.2 (8.5dB)。これは実際に起こっていることとほぼ同じです。たとえば、Wireless Instruments の次のアンテナのパラメータを比較してみましょう。

• WiBOX PA 0809-8V [13] (周波数: 0.83 ～ 0.96 GHz、ビーム幅: 70°/70°、ゲイン: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (周波数: 2.3 ～ 2.5 GHz、ビーム幅: 30°/30°、ゲイン: 15 dBi)。

これらのアンテナは同じ 27x27 cm のハウジングで作られている、つまり同じ面積を持っているため、比較するのに便利です。アンテナ ゲインは 15-8=7 dB 異なり、これは計算値の 8.5 dB に近いことに注意してください。アンテナの特性から、2.3 ～ 2.5 GHz (30°/30°) の範囲のアンテナ パターンの幅は、0.83 ～ 0.96 GHz の範囲のアンテナ パターンの幅の 70 倍以上狭いことも明らかです。 GHz (70°/2°)、つまり、同じ寸法のアンテナの利得は、指向特性の改善により実際に増加します。通信回線に XNUMX つのアンテナが使用されることを考慮すると、比率は 2∙8.5=17dBとなります。したがって、アンテナの寸法が同じ場合、ある周波数の無線リンクのエネルギー バジェットは次のようになります。 2450 MHz は、周波数による回線バジェットより 17 dB 大きくなります。 915MHz。計算では、UAV は原則として、考慮されている NS パネル アンテナほど寸法が重要ではないホイップ アンテナを使用するという事実も考慮に入れます。したがって、周波数に対する UAV アンテナ ゲインを受け入れます。 и 等しい。それらの。回線のエネルギー バジェットの差は 8.5 dB ではなく、17 dB になります。これらの初期データとNSアンテナの高さ5mに対して行った計算結果を図に示します。 5.

米。 5. 周波数 915 および 2450 MHz で動作する無線リンクの受信機入力の信号電力

図より図5は、動作周波数とNSアンテナの同じ面積の増加により、通信範囲が周波数96.3 MHzの無線リンクの915 kmから、周波数110.8 MHzのリンクの2450 kmに増加することを明確に示しています。 。ただし、915 MHz のラインの発振周波数は低くなります。振動が少ないということは、電界強度の低下が少ないことを意味します。つまり、飛行距離全体にわたって UAV との通信が中断される可能性が低くなります。おそらく、この事実が、UAV とのコマンドおよび遠隔測定通信回線としてサブギガヘルツの電波範囲が最も信頼できるものとして人気があることを決定づけています。同時に、電界強度の振動から保護するために上記の一連のアクションを実行すると、ギガヘルツ範囲の無線リンクは、アンテナの指向性特性を改善することにより、より広い通信範囲を提供します。

図の考察から。また、シャドウ ゾーン (5 km マーク以降) では、通信回線の動作周波数を下げることが合理的であると結論付けることもできます。実際、約 -128.8 dBm の点で、周波数のパワー曲線は и 交差する。それらの。 -120 dBm より優れた感度の受信機を使用する場合、915 MHz の周波数の無線リンクにより通信範囲が長くなります。ただし、この場合、必要なリンク帯域幅を考慮する必要があります。このように感度値が高い場合、情報速度は非常に遅くなります。たとえば、3D リンク モデム 【11] 最大 -122 dBm の感度を提供しますが、合計 (両方向) 情報送信速度は 23 kbit/秒になります。これは原則として、UAV との KTRL 通信には十分ですが、UAV からビデオを送信するには明らかに十分ではありません。ボード。したがって、サブギガヘルツ範囲は、確かに、KTRL のギガヘルツ範囲よりわずかに有利ですが、ビデオ ラインを構成する際の特性では明らかに劣ります。

無線リンク周波数を選択するときは、信号が地球の大気中を伝播する際の信号の減衰も考慮する必要があります。 NS-UAV 通信リンクの場合、大気中での減衰はガス、雨、ひょう、雪、霧、雲によって引き起こされます。 【2]。 6 GHz 未満の無線リンクの動作周波数の場合、ガスでの減衰は無視できます。 【2]。最も深刻な衰弱は、特に強度の高い雨（にわか雨）で観察されます。表 1 にデータを示します 【2] 周波数 3 ～ 6 GHz の異なる強さの雨における線形減衰 [dB/km] による。

表 1. 周波数に応じた異なる強さの雨における電波の線形減衰 [dB/km]

周波数[GHz] 3mm/時（弱）
12 mm/時間 (中程度)
30mm/時（強）
70mm/時（雨）

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

テーブルから図 1 から、たとえば、3 GHz の周波数では、シャワー内の減衰は約 0.0087 dB/km となり、100 km の経路では合計 0.87 dB の減衰となることがわかります。無線リンクの動作周波数が増加すると、雨天時の減衰が急激に増加します。周波数 4 GHz の場合、同じ経路上のシャワーの減衰はすでに 9.1 dB であり、5 GHz と 6 GHz の周波数ではそれぞれ 28 dB と 57 dB になります。ただし、この場合は、実際には滅多に起こらない、一定の強さの雨が全路線に沿って降ると仮定しています。ただし、激しい雨が頻繁に降る地域で UAV を使用する場合は、無線リンクの動作周波数を 3 GHz 未満に選択することをお勧めします。

文学

1. スモロディノフ A.A. 無人航空機 (UAV) 用のブロードバンド モデムを選択する方法。 ハブル。 2019年。
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14. PTP クライアント アンテナ WiBOX PA 24-15。

出所： habr.com