Hoe de communicatieafstand met een onbemande luchtvaartuig (UAV) te vergroten

De uitdaging om de communicatiedekking van een onbemand luchtvaartuig (UAV) te vergroten, blijft relevant. Dit artikel bespreekt methoden om deze parameter te verbeteren. Het artikel is geschreven voor ontwikkelaars en exploitanten van UAV's en is een vervolg op een cyclus artikelen over communicatie met UAV's (zie het begin van de cyclus in [1].

Wat beïnvloedt de communicatiedekking

De communicatiedekking hangt af van de gebruikte modem, antennes, antennekabels, omstandigheden voor de verspreiding van radiogolven, externe interferentie en enkele andere factoren. Om de invloed van een bepaalde parameter op de communicatiedekking te bepalen, bekijken we de afstandsformule [2]
(1)

waar
— gezochte communicatiedekking [meters];
— lichtsnelheid in vacuüm [m/sec];
— frequentie [Hz];
— zendvermogen van de modem [dBm];
— versterking van de zendantenne [dBi];
— verliezen in de kabel van de modem naar de zendantenne [dB];
— versterking van de ontvangstantenne [dBi];
— verliezen in de kabel van de modem naar de ontvangstantenne [dB];
— gevoeligheid van de ontvangende modem [dBm];
— verzwakkingsfactor die rekening houdt met extra verliezen door de invloed van het aardoppervlak, vegetatie, de atmosfeer en andere factoren [dB].

Uit de formule blijkt dat de afstand bepaald wordt door:

• de gebruikte modem;
• de frequentie van het radiokanaal;
• de toegepaste antennes;
• de verliezen in de kabels;
• de invloed van het aardoppervlak, vegetatie, de atmosfeer, gebouwen, enz.

Vervolgens worden de parameters die de afstand beïnvloeden afzonderlijk bekeken.

De gebruikte modem

De communicatiedekking hangt alleen van twee parameters van de modem af: zendvermogen en gevoeligheid van de ontvanger , of beter gezegd hun verschil — de energiebudget van de modem
(2)

Om de communicatiedekking te vergroten, moet men een modem kiezen met een hogere waarde . Het verhogen van kan op zijn beurt gebeuren door het verhogen van of door het verlagen van . De voorkeur moet uitgaan naar het zoeken naar modems met hoge gevoeligheid ( zo laag mogelijk), en niet naar het verhogen van het zendvermogen . Deze vraag wordt uitgebreid behandeld in het eerste artikel [1].

In aanvulling op de materialen [1] moet men in gedachten houden dat bepaalde fabrikanten, zoals Microhard [3], specificaties van sommige apparaten geven niet het gemiddelde, maar het piekvermogen van de zender aan, wat meerdere keren hoger is dan het gemiddelde en niet kan worden gebruikt voor het berekenen van de afstand, omdat dit zou leiden tot een sterke overschrijding van de berekende afstand ten opzichte van de werkelijke waarde. Voor dergelijke apparaten geldt bijvoorbeeld de populaire module pDDL2450 [4,5]. Dit feit volgt rechtstreeks uit de testresultaten van dit apparaat, uitgevoerd om de FCC-certificering te verkrijgen [6] (zie blz. 58). De testresultaten van draadloze apparaten die FCC-certificaten hebben, zijn te vinden op de FCC ID-website [7], door de bijbehorende FCC ID in de zoekbalk in te voeren, die op het label met het type apparaat aanwezig moet zijn. De FCC-identificatie van de pDDL2450-module is de volgende: NS916pDDL2450.

Frequentie van de radiokanaal

Uit de afstandsvergelijking (1) volgt duidelijk dat hoe lager de werkfrequentie is , hoe groter de communicatied afstand . Maar laten we niet overhaasten met conclusies. Het punt is dat ook andere parameters die in de vergelijking komen, afhankelijk zijn van de frequentie. Bijvoorbeeld, de versterkingsfactoren van antennes en zijn afhankelijk van de frequentie wanneer de maximale afmetingen van de antennes vastgesteld zijn, wat in de praktijk het geval is. De versterkingsfactor van de antenne , uitgedrukt in dimensieloze eenheden (verhoudingen), kan als volgt worden uitgedrukt door de fysieke oppervlakte van de antenne als volgt [8]
(3)

waar — de efficiëntie van de antenneopening, d.w.z. de verhouding van het effectieve oppervlakte van de antenne tot het fysieke oppervlakte (afhankelijk van het antenneontwerp) [8].

Uit (3) is meteen duidelijk, dat bij een vaste oppervlakte van de antenne de versterkingsfactor evenredig toeneemt met het kwadraat van de frequentie. Laten we inbrengen (3) in (1), vooraf herschreven (1) met gebruik van dimensieloze eenheden voor de versterkingsfactoren van antennes , , verliezen in kabels , en dempingsfactor , evenals met gebruik van Watt voor en in plaats van dBm. Dan
(4)

waarin de factor een constante is bij vaste afmetingen van de antenne. Daarom is in deze situatie de communicatied afstand recht evenredig met de frequentie, d.w.z. hoe hoger de frequentie, hoe groter de afstand. Conclusie. Bij vaste afmetingen van antennes leidt een verhoging van de frequentie van de radiolijn tot een grotere communicatieafstand door verbetering van de richtlijn eigenschappen van antennes. Het moet echter worden opgemerkt dat met de stijging van de frequentie ook de demping van radiogolven in de atmosfeer toeneemt, veroorzaakt door gassen, regen, hagel, sneeuw, mist en wolken. [2]. Bovendien neemt de demping in de atmosfeer ook toe met de lengt van de route. Om deze reden bestaat er voor elke lengt van de route en de gemiddelde weersomstandigheden een bepaalde maximale draagfrequentie, beperkt tot het toelaatbare niveau van signaaldemping in de atmosfeer. We laten de definitieve oplossing van de kwestie over de invloed van de frequentie van het radiokanaal op de communicatieafstand voor een sectie waarin de invloed van het aardoppervlak en de atmosfeer op de propagatie van radiogolven wordt behandeld.

Antennes

De communicatieafstand wordt bepaald door een parameter van de antenne, namelijk de versterkingscoëfficiënt. (gain in Engelse terminologie), gemeten in dBi. De versterkingscoëfficiënt is een belangrijke samengestelde parameter, omdat deze rekening houdt met: (1) het vermogen van de antenne om de energie van de zender in de richting van de ontvanger te focussen vergeleken met een isotroop straler (isotropic, vandaar de index i in dBi); (2) verliezen in de antenne zelf [8,9]. Om de communicatieafstand te vergroten, moeten antennes worden gekozen met een zo hoog mogelijke versterkingscoëfficiënt binnen de vereiste gewicht- en afmetingparameters en mogelijkheden van het richtsysteem. De capaciteit van de antenne om energie te focussen heeft echter zijn kosten, en dit wordt alleen bereikt door de afmetingen (opening) van de antenne te vergroten. Bijvoorbeeld, hoe groter de ontvangstantenne is, hoe meer oppervlakte deze kan verzamelen om energie naar de ingang van de ontvanger te sturen, en hoe meer energie, des te sterker het ontvangen signaal, d.w.z. de communicatieafstand neemt toe. Daarom moet eerst worden bepaald wat de maximale afmetingen van de antennes zijn die passend zijn voor de op te lossen taak en moet het zoekgebied op basis van deze parameter worden beperkt, waarna een specifieke antennemodel kan worden gezocht, gericht op de maximale versterkingscoëfficiënt. Een tweede belangrijke parameter voor de praktijk van de antenne is de breedte van de stralingsdiagram (beamwidth) [8,10], gemeten in hoeken. Over het algemeen wordt de breedte van de richtantenne gedefinieerd als de hoek tussen twee ruimtelijke richtingen vanuit het centrum van de antenne waar het antennevermogen met 3 dB afneemt ten opzichte van het maximum voor deze antenne. De breedte van de richtantenne in azimut en elevatie kan sterk verschillen. Deze parameter is nauw verbonden met de afmetingen van de antenne volgens de regel: grotere afmetingen — kleinere breedte van de richtantenne. Deze parameter is niet direct inbegrepen in de afstandsformule, maar bepaalt wel de vereisten voor het richtsysteem van het aardstation (AS) op de UAV, omdat bij AS over het algemeen sterk gerichte antennes worden gebruikt, vooral wanneer het maximaliseren van de communicatieafstand met de UAV prioriteit heeft. Inderdaad, zolang het volgsysteem van de AS een hoeknauwkeurigheid van de antenne richting de UAV biedt, gelijk aan de helft van de breedte van de richtantenne of minder, zal het niveau van het ontvangen/verzonden signaal niet onder de 3 dB van het maximum dalen. De helft van de breedte van de gekozen richtantenne mag onder geen enkele voorwaarde kleiner zijn dan de hoekfout van het richtsysteem van de AS in azimut of elevatie.

Kabels

Om de communicatieafstand te maximaliseren, moeten kabels met zo laag mogelijke verzwakking (cable attenuation of cable loss) worden gebruikt op de werkfrequentie van de radiolijn van de AS naar de UAV. De verzwakking in de kabel wordt gedefinieerd als de verhouding van het signaal aan de uitgang van een segment van 1 meter (in het metrische systeem) tot het signaal aan de ingang van dat segment, uitgedrukt in dB. Verliezen in de kabels , die betrokken zijn bij de afstandsformule, , worden bepaald door de verzwakking te vermenigvuldigen met de lengte van de kabel. Om de maximaal mogelijke communicatieafstand te verkrijgen, moeten kabels met de minimaal mogelijke verzwakking worden gebruikt en de lengte van deze kabels moet geminimaliseerd worden. Bij de AS moeten modemmodules direct op de mast naast de antennes worden geplaatst. In de behuizing van de UAV moet de modem zo dicht mogelijk bij de antennes worden geplaatst. Het is ook belangrijk om de impedantie van de gekozen kabel te controleren. Deze parameter wordt gemeten in Ohm en is over het algemeen 50 of 75 Ohm. De impedantie van de kabel, de antenneconnector van de modem en de connector op de antenne zelf moeten gelijk zijn. (1)De invloed van het aardoppervlak

Invloed van het aardoppervlak

In dit gedeelte behandelen we de verspreiding van radiogolven over een vlakke of maritieme oppervlakte. Dergelijke situaties komen vaak voor in de praktijk van het gebruik van UAV's. Het monitoren van pijpleidingen, hoogspanningslijnen, landbouwgewassen met UAV's, evenals vele militaire en speciale operaties — al deze situaties worden goed beschreven door dit model. Menselijke ervaring schetst een beeld waarin de communicatie tussen objecten mogelijk is, als ze zich binnen het directe optische zicht van elkaar bevinden; anders is communicatie niet mogelijk. Echter, radiogolven behoren niet tot het optische spectrum, dus het zit iets anders in elkaar. In dit opzicht is het nuttig voor de ontwikkelaar en exploitant van UAV's om de volgende twee feiten te onthouden.

1. Communicatie in het radiobereik is mogelijk, zelfs bij afwezigheid van directe zichtverbinding tussen de UAV en de gebruiker.
2. De invloed van de onderliggende oppervlakte op de communicatie met de UAV zal voelbaar zijn, zelfs als er geen objecten op de optische lijn tussen de gebruiker en de UAV zijn.

Om de specificiteit van de verspreiding van radiogolven nabij het aardoppervlak te begrijpen, is het nuttig om vertrouwd te raken met het concept van het essentiële verspreidingsgebied van radiogolven. [2]. Bij het ontbreken van objecten in het essentiële verspreidingsgebied van radiogolven, kan de afstand worden berekend met de formules voor vrij ruimte, d.w.z. in (1) kan als gelijk aan 0 worden aangenomen. Als er echter objecten in het essentiële gebied zijn, kan dat niet zo gehandeld worden. In fig. 1 is op punt A een puntbron weergegeven, gelegen op een hoogte boven het aardoppervlak, die elektromagnetische energie in alle richtingen met gelijke intensiteit uitzendt. Op punt B, op een hoogte bevindt zich een ontvanger om de intensiteit van het veld te meten. In dit model stelt het essentiële verspreidingsgebied van radiogolven een ellipsoïde voor met brandpunten op de punten A en B.

Figuur 1. Essentieel verspreidingsgebied van radiogolven

De straal van de ellipsoïde in het dikste gedeelte wordt bepaald door de uitdrukking [2]
(5)

Uit (5) is duidelijk dat afhankelijk is van de frequentie omgekeerd evenredig is; hoe kleiner , hoe "dikker" de ellipsoïde ( in fig. 1). Bovendien neemt de "dikte" van de ellipsoïde toe met de afstand tussen de objecten in de communicatie. Voor radiogolven kan deze een behoorlijk aanzienlijke waarde hebben; bij 10 km, 2.45 GHz krijgen we 50÷60 m.

Laten we nu het ondoorzichtige object bekijken, weergegeven door de grijze driehoek in fig. 1. Dit zal invloed hebben op de verspreiding van radiogolven met een frequentie , aangezien het zich in een substantieel verspreidingsgebied bevindt, en praktisch geen invloed zal hebben op de verspreiding van radiogolven met een frequentie . Voor radiogolven in het optische bereik (licht) is de waarde klein, daarom is de invloed van het aardoppervlak op de verspreiding van licht in de praktijk niet merkbaar. Als we bedenken dat het aardoppervlak een bol vormt, is het niet moeilijk te begrijpen dat met toenemende afstand , het onderliggende oppervlak steeds meer in de substantiële zone van verspreiding zal binnendringen, waardoor de doorgang van energie van punt A naar punt B wordt geblokkeerd — het einde van het verhaal, de verbinding met de UAV wordt verbroken. Andere objecten op de route zoals hoogteverschillen, gebouwen, bossen, enz. zullen ook invloed hebben op de verbinding.

Laten we nu fig. 2 bekijken waarin het ondoorzichtige object volledig de substantiele zone van verspreiding van de radiogolf met een frequentie bedekt, waardoor communicatie op deze frequentie onmogelijk wordt. Tegelijkertijd is communicatie op de frequentie nog mogelijk omdat een deel van de energie "over" het ondoorzichtige object springt. Hoe lager de frequentie, hoe verder de radiogolf zich voorbij de optische horizon kan verspreiden, waardoor een stabiele verbinding met de UAV wordt behouden.

Fig. 2. Afdekking van het substantiele gebied van radiogolven

De mate van invloed van het aardoppervlak op de communicatie hangt ook af van de hoogte van de antennes en . Hoe hoger de antennes, hoe verder de punten A en B uit elkaar kunnen worden geplaatst zonder dat objecten of het onderliggende oppervlak de substantiele zone binnendringen.

Naarmate het object of het onderliggend oppervlak in de substantiele zone binnendringt, zal de veldsterkte op punt B oscilleren. [2], dat wil zeggen, het zal fluctueren tussen meer en minder dan de gemiddelde veldsterkte. Dit gebeurt door het reflecteren van energie van een object. De gereflecteerde energie kan zich op punt B met de hoofenergie in fase ophopen — dan ontstaat er een stijging in de veldsterkte, of in tegenfase — dan komt er een daling in de veldsterkte (en vrij diep). Het is belangrijk om dit effect te onthouden voor het begrijpen van de specificiteit van de verbinding met de UAV. Verlies van verbinding met de UAV op een bepaalde afstand kan veroorzaakt worden door een lokale daling van de veldsterkte als gevolg van oscillaties, dat wil zeggen als je nog een bepaalde afstand vliegt, kan de verbinding herstellen. Het definitieve verlies van de verbinding zal pas plaatsvinden na een volledige blokkade van een substantieel gebied door objecten of de onderliggende oppervlakte. Verder worden er methoden voorgesteld om de gevolgen van de oscillaties in de veldsterkte te bestrijden.

Formules voor de berekening van de verzwakkingsfactor bij het verspreiden van radiogolven boven een glad oppervlak van de aarde zijn behoorlijk gecompliceerd, vooral voor afstanden , die de afstand van de optische horizon overschrijden [2]. Daarom zullen we in de verdere beschouwing van het probleem gebruik maken van wiskundige modellering met behulp van een reeks computertoepassingen van de auteur. Laten we een typische taak overwegen voor de overdracht van video van een UAV naar een NS via een 3D Link-modem [11] van het bedrijf Geoscan. De uitgangsgegevens zijn als volgt.

1. Hoogte van de antenne van de NS: 5 m.
2. Hoogte van de vlucht van de UAV: 1000 m.
3. Frequentie van de radiolijn: 2,45 GHz.
4. Versterkingsfactor van de antenne van de NS: 17 dB.
5. Versterkingsfactor van de antenne van de UAV: 3 dB.
6. Vermogen van de zender: +25 dBm (300 mW).
7. Snelheid in de videocontact: 4 Mbps.
8. Gevoeligheid van de ontvanger in de videocontact: −100,4 dBm (voor de frequentieband die door het signaal in beslag wordt genomen, 12 MHz).
9. Onderliggende oppervlakte: droge grond.
10. Polarisatie: verticaal.

De afstand van directe optische zichtbaarheid voor deze uitgangsgegevens bedraagt 128,8 km. De resultaten van de berekeningen in de vorm van het signaalvermogen op de ingang van de modemontvanger in dBm worden weergegeven in fig. 3.

Figuur 3. Signaalvermogen op de ingang van de 3D Link-modemontvanger [11]

De blauwe curve in fig. 3 vertegenwoordigt het ingangssignaal van de ontvanger HS, de rode rechte lijn geeft de gevoeligheid van deze ontvanger aan. Op de X-as is de afstand in km uitgezet, op de Y-as de signaalsterkte in dBm. Op de punten van de afstand waar de blauwe curve boven de rode lijn ligt, is video-opname vanaf de UAV mogelijk; anders zal er geen verbinding zijn. Uit de grafiek blijkt dat door oscillaties de verbinding verloren zal gaan in het bereik van afstanden van 35,5–35,9 km en verder in het bereik van 55,3–58,6 km. De uiteindelijke onderbreking van de verbinding zal echter veel verder zijn — na 110,8 km vliegen.

Zoals eerder vermeld, ontstaan dips in de veldsterkte door het in fasen tegen elkaar optellen van het directe signaal en het door de aardoppervlak gereflecteerde signaal op de locatie van de ontvanger HS. Om verbindingverlies op de HS door dips te voorkomen, moeten 2 voorwaarden worden vervuld.

1. Gebruik op de HS een modem met ten minste twee ontvangstkanalen (RX diversity), bijvoorbeeld 3D Link. [11].
2. Plaats de ontvangstantennes op de mast van de HS op verschillende hoogtes.

De hoogteverschillen van de ontvangstantennes moeten zo worden uitgevoerd dat de dips in de veldsterkte op de locatie van de ene antenne worden gecompenseerd door niveaus boven de gevoeligheid van de ontvanger op de locatie van de andere antenne. In fig. 4 wordt het resultaat van deze aanpak weergegeven voor het geval dat een antenne van de HS op een hoogte van 5 m is geplaatst (blauwe ononderbroken curve), en de andere op een hoogte van 4 m (blauwe gestippelde curve).

Figuur 4. Signaalsterkte op de ingangen van twee ontvangers van de 3D Link modem van antennes, gepositioneerd op verschillende hoogtes.

Uit fig. 4 is de effectiviteit van deze methode duidelijk zichtbaar. Inderdaad, gedurende de gehele vluchtafstand van de UAV, tot een afstand van 110,8 km, overschrijdt het signaal op de ingang van ten minste één ontvanger van HS het gevoeligheidsniveau, dat wil zeggen dat de video-opname aan boord gedurende de gehele vlucht niet wordt onderbroken.

De voorgestelde methode helpt echter alleen de betrouwbaarheid van de radiolijn UAV→HS te verhogen, aangezien de mogelijkheid om antennes op verschillende hoogtes te installeren alleen op de HS bestaat. Het is niet mogelijk om een hoogteverschil van 1 m op de UAV te waarborgen. Om de betrouwbaarheid van de radiolijn HS→UAV te verhogen, kunnen de volgende benaderingen worden gebruikt.

1. Geef het signaal van de zender HS door aan de antenne die een sterker signaal ontvangt van de UAV.
2. Ruimte-tijdcodes gebruiken, bijvoorbeeld de Alamouti-code [12].
3. Technologie voor antenne-DN-beheer (beamforming) gebruiken met de mogelijkheid om de signaalsterkte te regelen die naar elke antenne wordt gestuurd.

De eerste methode komt dicht bij de optimale oplossing voor communicatie met UAV's. Het is eenvoudig en alle energie van de zender wordt in de juiste richting gestuurd — naar de optimaal geplaatste antenne. Bijvoorbeeld, op een afstand van 50 km (zie fig. 4) wordt het signaal van de zender naar een antenne gestuurd die op 5 meter is opgehangen, terwijl op een afstand van 60 km het signaal naar een antenne gaat die op 4 meter is opgehangen. Deze methode wordt gebruikt in de 3D Link-modem. [11]De tweede methode maakt geen gebruik van a priori gegevens over de status van de communicatieverbinding tussen UAV en NS (niveaus van de ontvangen signalen op de uitgangen van de antennes), waardoor de zenderenergie gelijkmatig over de twee antennes wordt verdeeld, wat onvermijdelijk leidt tot energieverlies, omdat een van de antennes zich in een veldsterkte-dal kan bevinden. De derde methode heeft qua signaalkwaliteit dezelfde kwaliteit als de eerste, maar is veel complexer in uitvoering.

Laten we verder kijken naar de invloed van de radiogolffrequentie op de communicatieafstand met UAV's, rekening houdend met de invloed van het onderliggende oppervlak. Eerder is aangetoond dat een hogere frequentie voordelig is, omdat dit, met een vaste afmeting van de antennes, leidt tot een grotere communicatieafstand. Echter, de kwestie van de afhankelijkheid van de frequentie is niet besproken. Daaruit (3) blijkt dat de verhouding van de versterkingsfactoren van antennes, die gelijk zijn in oppervlak en zijn ontworpen voor gebruik op frequenties en , gelijk is aan
(6)

Voor 2450 MHz; 915 MHz leidt tot 7.2 (8.5 dB). Zo gaat het in de praktijk. Laten we bijvoorbeeld de parameters van de volgende antennes van de fabrikant Wireless Instruments vergelijken:

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

De gegevens van de antennes zijn gemakkelijk te vergelijken, omdat ze zijn uitgevoerd in identieke behuizingen van 27x27 cm, wat betekent dat ze dezelfde oppervlakte hebben. We merken op dat de versterkingsfactor van de antennes verschilt met 15−8=7 dB, wat dicht bij de berekende waarde van 8,5 dB ligt. Uit de specificaties van de antennes blijkt ook dat de stralingshoek van de antenne in het bereik van 2,3–2,5 GHz (30°/30°) meer dan twee keer smaller is dan de stralingshoek van de antenne in het bereik van 0,83–0,96 GHz (70°/70°), wat betekent dat de versterking van de antennes bij gelijke afmetingen werkelijk toeneemt door verbeterde richteigenschappen. Gezien het feit dat er in de communicatielijn 2 antennes worden gebruikt, bedraagt de verhouding 2∙8,5=17 dB. Dus, bij gelijke afmetingen van de antennes zal de energiebudget van de radiolijn met een frequentie 2450 MHz meer zijn met 17 dB dan het budget van de lijn met een frequentie 915 MHz. In de berekening houden we ook rekening met het feit dat er op UAV's doorgaans pin-antenne worden toegepast, waarvoor de afmetingen niet zo kritisch zijn als voor de besproken paneelantenne van het type NS. Daarom nemen we de versterkingsfactoren van de UAV-antenne voor frequenties en gelijk aan. Dus, het verschil in energiebudgetten van de lijnen bedraagt 8,5 dB en niet 17 dB. De resultaten van de berekening, uitgevoerd voor deze uitgangsgegevens en met een ophanghoogte van de NS-antenne van 5 m, zijn weergegeven in fig. 5.

Figuur 5. Signaalsterkte op de ingang van de ontvanger voor radiolijnen die werken op frequenties van 915 en 2450 MHz.

Uit figuur 5 is duidelijk te zien dat het bereik van de verbinding bij een verhoging van de werkfrequentie en gelijke oppervlakte van de NS-antenne toeneemt van 96,3 km voor de radiolijn met een frequentie van 915 MHz tot 110,8 km voor de lijn met een frequentie van 2450 MHz. Echter, de lijn op een frequentie van 915 MHz heeft een lagere oscillatiefrequentie. Minder oscillaties betekent minder dalen van de veldsterkte, wat betekent dat er een kleinere kans is op onderbreking van de verbinding met de UAV gedurende de gehele vluchtafstand. Dit feit kan wellicht de populariteit van het subgigahertz-bereik van radiogolven voor commando- en telemetrieverbindingen met UAV's als de meest betrouwbare verklaren. Tegelijkertijd zorgen bij het uitvoeren van het hierboven beschreven geheel van maatregelen ter bescherming tegen oscillaties in de veldsterkte, radiolijnen van het gigahertz-bereik voor een groter bereik van de verbinding dankzij verbeterde richteigenschappen van de antennes.

Uit de overweging van fig. 5 kan ook worden geconcludeerd dat in de schaduwzone (na de markering van 128,8 km) een verlaging van de werkfrequentie van de communicatielijn zinvol is. Inderdaad, op een punt van ongeveer −120 dBm kruisen de vermogenscurves voor de frequenties en Dit betekent dat bij het gebruik van ontvangers met een gevoeligheid beter dan −120 dBm de radiolijn op een frequentie van 915 MHz een grotere reikwijdte zal bieden. In dit geval moet echter rekening worden gehouden met de vereiste capaciteit van de verbinding, aangezien bij zo'n hoge gevoeligheid de informatiesnelheid zeer laag zal zijn. Bijvoorbeeld, de 3D Link-modem [11] biedt een gevoeligheid tot −122 dBm, maar de gecombineerde (in beide richtingen) gegevensoverdrachtsnelheid bedraagt 23 kbit/s, wat in principe voldoende is voor communicatie met een UAV, maar duidelijk onvoldoende voor videooverdracht vanaf het schip. Daarom heeft het subgigahertzbereik inderdaad een klein voordeel ten opzichte van het gigahertzbereik voor UAV-communicatie, maar verliest het duidelijk in prestaties bij de organisatie van videolijnen.

Bij het kiezen van de frequentie van de radiolijn moet ook rekening worden gehouden met de signaalverzwakking tijdens de verspreiding in de atmosfeer van de aarde. Voor verbindingen tussen het grondstation en de UAV wordt de verzwakking in de atmosfeer veroorzaakt door gassen, regen, hagel, sneeuw, mist en wolken. [2]Voor werkfrequenties van radiolijnen onder de 6 GHz kan de verzwakking in gassen verwaarloosd worden. [2]De zwaarste verzwakking wordt waargenomen tijdens regen, vooral met hoge intensiteit (zware regen). In Tabel 1 staan de gegevens [2] over het verlies per kilometer [dB/km] bij verschillende intensiteitsniveaus van regen voor frequenties van 3–6 GHz.

Tabel 1. Verlies van radiogolven per kilometer [dB/km] bij verschillende intensiteiten van regen, afhankelijk van de frequentie

Frequentie [GHz]
3 mm/uur (zwak)
12 mm/uur (gematigd)
30 mm/uur (sterk)
70 mm/uur (zware regen)

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

Tabel 1 toont aan dat bijvoorbeeld bij een frequentie van 3 GHz de demping in de regen ongeveer 0,0087 dB/km bedraagt, wat op een afstand van 100 km resulteert in 0,87 dB totale demping. Bij een verhoging van de werkfrequentie van de radiolijn neemt de demping in de regen sterk toe. Voor een frequentie van 4 GHz zal de demping in de regen op hetzelfde traject al 9,1 dB bedragen, en bij frequenties van 5 en 6 GHz respectievelijk 28 en 57 dB. Er wordt echter aangenomen dat regen met de opgegeven intensiteit zich over de gehele lengte van het spoor bevindt, wat in de praktijk zelden het geval is. Desondanks, bij het gebruik van UAS in gebieden waar zware regenval vaak voorkomt, wordt aangeraden een werkfrequentie voor de radiolijn onder de waarde van 3 GHz te kiezen.

Literatuur

1. Smorodinov A.A. Hoe kies je een breedbandmodem voor een onbemand luchtvaartuig (UAS). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Verspreiding van radiogolven en werking van radiolijnen. Communicatie. Moskou. 1971.
3. Microhard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 specificatie.
5. Picoradio OEM specificatie.
6. Engineering Test Rapport. Pico 2.4GHz 1W Digitale Data Link Module.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Antenne theorie. Analyse en ontwerp. Vierde editie. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antenne gain. Artikel op Wikipedia.
10. Stralingshoek. Artikel op Wikipedia.
11. Digitale duplex radiomodems 3D Link.
12. S.M. Alamouti. 'Een eenvoudige techniek voor zend diversiteit voor draadloze communicatie'. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP Client Antenne WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP Client Antenne WiBOX PA 24-15.

Bron: habr.com