ProHoster > blogg > administration > Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

Uppgiften att öka kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfarkost (UAV) är fortfarande relevant. Den här artikeln diskuterar metoder för att förbättra den här parametern. Artikeln skrevs för UAV-utvecklare och -operatörer och är en fortsättning på en serie artiklar om kommunikation med UAV (för början av serien, se [1].

Vad som påverkar kommunikationsräckvidden

Kommunikationsräckvidden beror på vilket modem som används, antenner, antennkablar, radiovågsutbredningsförhållanden, externa störningar och några andra orsaker. För att bestämma graden av påverkan av en viss parameter på kommunikationsområdet, överväg avståndsekvationen [2]
(1)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

där
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Erforderligt kommunikationsräckvidd [mätare];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Ljusets hastighet i vakuum [m/sek];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — frekvens [Hz];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Modemsändareffekt [dBm];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — sändarantennförstärkning [dBi];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Förluster i kabeln från modemet till sändarantennen [dB];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Mottagarens antennförstärkning [dBi];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Förluster i kabeln från modemet till mottagarantennen [dB];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Modemmottagarens känslighet [dBm];
Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — Dämpningsmultiplikator, med hänsyn tagen till ytterligare förluster på grund av påverkan från jordens yta, vegetation, atmosfär och andra faktorer [dB].

Från ekvationen kan man se att intervallet bestäms av:

  • modemet som används;
  • radiokanalens frekvens;
  • använda antenner;
  • förluster i kablar;
  • påverkan på utbredningen av radiovågor från jordens yta, vegetation, atmosfär, byggnader etc.

Därefter behandlas parametrarna som påverkar intervallet separat.

Modem används

Kommunikationsräckvidden beror endast på två parametrar för modemet: sändareffekt Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) och mottagarens känslighet Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), eller snarare, från deras skillnad - modemets energibudget
(2)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

För att öka kommunikationsområdet är det nödvändigt att välja ett modem med ett stort värde Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV). Öka Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) i sin tur är det möjligt genom att öka Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) eller genom att minska Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV). Företräde bör ges till att söka efter modem med hög känslighet (Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) så låg som möjligt), istället för att öka sändareffekten Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV). Denna fråga diskuteras i detalj i den första artikeln. [1].

Förutom material [1] Det är värt att komma ihåg att vissa tillverkare, som Microhard [3], ange i specifikationerna för vissa enheter inte genomsnittet, utan sändarens toppeffekt, som är flera gånger större än genomsnittet och som inte kan användas för att beräkna räckvidden, eftersom detta kommer att leda till att det beräknade intervallet kraftigt överstiger det sanna värde. Sådana enheter inkluderar till exempel den populära pDDL2450-modulen [4,5]. Detta faktum följer direkt av resultaten av testning av denna enhet som utförts för att erhålla FCC-certifiering [6] (se sidan 58). Testresultat för FCC-certifierade trådlösa enheter kan ses på FCC ID-webbplatsen [7]genom att ange lämpligt FCC-ID i sökfältet, som ska finnas på etiketten som anger typen av enhet. FCC ID för pDDL2450-modulen är NS916pDDL2450.

Radiokanals frekvens

Från intervallekvationen (1) Det följer tydligt att ju lägre driftfrekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), desto större kommunikationsräckvidd Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV). Men låt oss inte dra några slutsatser. Faktum är att andra parametrar som ingår i ekvationen också beror på frekvens. Till exempel antennförstärkningar Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) и Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) kommer att bero på frekvensen i fallet när de maximala dimensionerna för antennerna fast, vilket är precis vad som händer i praktiken. Antennförstärkning Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), uttryckt i dimensionslösa enheter (tider), kan uttryckas i termer av antennens fysiska yta Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) på följande sätt [8]
(3)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

där Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) — antennöppningseffektivitet, dvs förhållandet mellan den effektiva antennytan och den fysiska (beroende på antenndesignen) [8].

Av (3) Det är omedelbart klart att för ett fast antennområde ökar förstärkningen i proportion till kvadraten på frekvensen. Låt oss ersätta (3) в (1), som tidigare har skrivits om (1) använda dimensionslösa enheter för antennförstärkningar Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), kabelförluster Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) och dämpningsfaktor Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), och även använda Watt för Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) и Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) istället för dBm. Sedan
(4)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

var är koefficienten Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) är en konstant för fasta antenndimensioner. I denna situation är således kommunikationsområdet direkt proportionellt mot frekvensen, dvs ju högre frekvens desto större räckvidd. Utgång. Med fasta dimensioner på antennerna leder en ökning av radiolänkens frekvens till en ökning av kommunikationsområdet genom att förbättra antennernas riktningsegenskaper. Man måste dock komma ihåg att när frekvensen ökar, ökar även dämpningen av radiovågor i atmosfären, orsakad av gaser, regn, hagel, snö, dimma och moln. [2]. Med ökande väglängd ökar dessutom dämpningen i atmosfären. Av denna anledning, för varje väglängd och genomsnittliga väderförhållanden på den, finns det ett visst maximalt värde på bärvågsfrekvensen, begränsat av den tillåtna nivån av signaldämpning i atmosfären. Låt oss lämna den slutliga lösningen på frågan om påverkan av en radiokanals frekvens på kommunikationsområdet till den sektion där påverkan av jordens yta och atmosfär på utbredningen av radiovågor kommer att beaktas.

antenner

Kommunikationsområdet bestäms av en sådan antennparameter som förstärkningen Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) (vinst i engelsk terminologi), mätt i dBi. Förstärkning är en viktig sammansatt parameter eftersom den tar hänsyn till: (1) antennens förmåga att fokusera sändarens energi mot mottagaren jämfört med en isotrop radiator (därav indexet i i dBi); (2) förluster i själva antennen [8,9]. För att öka kommunikationsräckvidden bör du välja antenner med högsta möjliga förstärkningsvärde bland de som är lämpliga vad gäller vikt- och storleksparametrar och styrsystemets möjligheter. En antenns förmåga att fokusera energi ges inte gratis, utan endast genom att öka antennens dimensioner (öppning). Till exempel, ju större mottagarantenn är, desto större yta kommer den att kunna samla energi för att leverera till mottagaringången, och ju mer energi, desto starkare blir den mottagna signalen, dvs kommunikationsområdet ökar. Därför måste du först bestämma dig för de maximala antenndimensionerna som är tillräckliga för det problem som ska lösas och begränsa sökområdet med denna parameter, och sedan söka efter en specifik antennmodell, med fokus på den maximala förstärkningen. Den andra viktiga antennparametern för praktiken är strålbredden [8,10], mätt i vinkelgrader. Typiskt definieras strålbredden som vinkeln mellan två rumsliga riktningar från mitten av antennen vid vilken antennförstärkningen reduceras med 3 dB från maximum för den antennen. Bredden på mönstret i azimut och höjd kan variera mycket. Denna parameter är nära relaterad till antennens dimensioner enligt regeln: större dimensioner - mindre strålbredd. Denna parameter ingår inte direkt i räckviddsekvationen, men det är denna parameter som bestämmer kraven för markstationens (GS) antennstyrningssystem på UAV:en, eftersom GS:en som regel använder starkt riktade antenner, åtminstone i fall där räckvidden är maximerad kommunikation med UAV är en prioritet. Så länge som NS-spårningssystemet säkerställer vinkelnoggrannheten för att rikta antennen mot UAV lika med hälften av mönstrets bredd eller mindre, kommer nivån på den mottagna/utsända signalen inte att falla under 3 dB från maximum. Under inga omständigheter får halva strålbredden för den valda antennen vara mindre än vinkelfelet för NS-antennpeksystemet i azimut eller höjd.

Kablar

För att maximera kommunikationsräckvidden måste du använda kablar med lägsta möjliga linjära dämpning (kabeldämpning eller kabelbortfall) på arbetssätt frekvensen för NS-UAV-radiolänken. Den linjära dämpningen i en kabel definieras som förhållandet mellan signalen vid utgången av ett 1 m kabelsegment (i det metriska systemet) och signalen vid ingången till ett kabelsegment, uttryckt i dB. Kabelförluster Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)ingår i intervallekvationen (1)bestäms genom att multiplicera den linjära dämpningen med kabellängden. För att erhålla största möjliga kommunikationsräckvidd måste du alltså använda kablar med lägsta möjliga linjära dämpning och minimera längden på dessa kablar. På NS ska modemenheter installeras direkt på masten bredvid antennerna. I UAV-kroppen ska modemet placeras så nära antennerna som möjligt. Det är också värt att kontrollera impedansen för den valda kabeln. Denna parameter mäts i ohm och är vanligtvis lika med 50 eller 75 ohm. Impedansen för kabeln, modemets antennkontakt och kontakten på själva antennen måste vara lika.

Påverkan av jordens yta

I det här avsnittet kommer vi att titta på utbredningen av radiovågor över en slätt- eller havsyta. Denna situation uppstår ofta när man använder UAV. UAV-övervakning av rörledningar, kraftledningar, jordbruksgrödor, många militära och specialoperationer - allt detta beskrivs väl av denna modell. Mänsklig erfarenhet målar upp oss en bild där kommunikation mellan objekt är möjlig om de är i fältet för direkt optisk synlighet av varandra, annars är kommunikation omöjlig. Radiovågor hör dock inte till det optiska området, så situationen med dem är något annorlunda. I detta avseende är det användbart för UAV-utvecklaren och operatören att komma ihåg följande två fakta.

1. Kommunikation inom radioområdet är möjlig även i avsaknad av direkt sikt mellan NS och UAV.
2. Den underliggande ytans inverkan på kommunikationen med UAV kommer att märkas även när det inte finns några föremål på den optiska NS-UAV-linjen.

För att förstå detaljerna i radiovågsutbredning nära jordens yta är det användbart att bekanta dig med begreppet ett betydande område av radiovågsutbredning [2]. I frånvaro av några objekt i en betydande zon av radiovågsutbredning kan räckviddsberäkningar utföras med hjälp av formler för ledigt utrymme, d.v.s. Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) в (1) kan tas lika med 0. Om det finns föremål i den väsentliga zonen kan detta inte göras. I fig. 1 vid punkt A finns en punktsändare placerad på en höjd Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) ovanför jordens yta, som avger elektromagnetisk energi i alla riktningar med lika intensitet. Vid punkt B på höjden Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) det finns en mottagare för att mäta fältintensiteten. I denna modell är det väsentliga området för radiovågsutbredning en ellipsoid med foci vid punkterna A och B.

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)
Ris. 1. Betydande område för radiovågsutbredning

Ellipsoidens radie i dess "tjockaste" del bestäms av uttrycket [2]
(5)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

Av (5) det är klart det Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) beror på frekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) omvänt proportionell, desto mindre Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), ju "tjockare" ellipsoiden (Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) i fig. 1). Dessutom ökar "tjockleken" på ellipsoiden med ökande avstånd mellan kommunikationsobjekt. För radiovågor Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) kan ha ett ganska imponerande värde, så när Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)10 km Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)Vi får 2.45 GHz Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)50÷60 m.

Låt oss nu betrakta det ogenomskinliga föremålet som avbildas av den grå triangeln i fig. 1. Det kommer att påverka utbredningen av radiovågor med en frekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)eftersom den är belägen i en betydande utbredningszon och praktiskt taget inte kommer att ha någon effekt på utbredningen av radiovågor med en frekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV). För radiovågor i det optiska området (ljus), värdet Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) är liten, så påverkan av jordens yta på ljusets utbredning känns inte i praktiken. Med tanke på att jordens yta är en sfär är det lätt att förstå det med ökande avstånd Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), kommer den underliggande ytan alltmer att flytta in i den betydande utbredningszonen, vilket blockerar energiflödet från punkt A till punkt B - slutet av historien, kommunikationen med UAV avbryts. Andra objekt på sträckan, såsom ojämn terräng, byggnader, skogar etc., kommer på liknande sätt att påverka kommunikationerna.

Låt oss nu titta på fig. 2 där ett ogenomskinligt föremål helt täcker ett betydande område av utbredning av en radiovåg med en frekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), vilket gör kommunikation på denna frekvens omöjlig. Samtidigt kommunikation på frekvensen Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) är också möjligt eftersom en del av energin "hoppar" över det ogenomskinliga föremålet. Ju lägre frekvens, desto längre bortom den optiska horisonten kan radiovågen fortplanta sig och upprätthålla stabil kommunikation med UAV:en.

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)
Ris. 2. Täcker ett betydande område av radiovågsutbredning

Graden av påverkan av jordytan på kommunikationer beror också på antennernas höjd Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) и Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV). Ju större höjden av antennerna är, desto större avstånd kan punkterna A och B flyttas isär utan att föremål eller den underliggande ytan faller in i ett betydande område.

När objektet eller den underliggande ytan rör sig in i ett betydande område, kommer fältstyrkan vid punkt B att svänga [2]den kommer att vara antingen större eller mindre än den genomsnittliga fältstyrkan. Detta sker på grund av reflektion av energi från objektet. Den reflekterade energin kan adderas vid punkt B med huvudenergin i fas - då sker en ökning av fältstyrkan, eller i motfas - då sker en minskning (och ganska djup) i fältstyrkan. Det är viktigt att komma ihåg denna effekt för att förstå detaljerna i kommunikation med UAV. Förlust av kommunikation med UAV på ett visst avstånd kan orsakas av en lokal minskning av fältstyrkan på grund av svängningar, det vill säga om du flyger en längre sträcka kan anslutningen återställas. Den slutliga kommunikationsförlusten inträffar först efter att ett betydande område är helt blockerat av föremål eller den underliggande ytan. Därefter kommer metoder att föreslås för att bekämpa konsekvenserna av fältstyrkeoscillationer.

Formler för beräkning av dämpningsfaktorn Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) När radiovågor sprids över jordens släta yta är de ganska komplexa, särskilt för avstånd Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), som överskrider intervallet för den optiska horisonten [2]. Därför kommer vi, i ytterligare övervägande av problemet, att tillgripa matematisk modellering med hjälp av författarens uppsättning datorprogram. Låt oss överväga en typisk uppgift att överföra video från en UAV till en NS med ett 3D Link-modem [11] från företaget Geoscan. De initiala uppgifterna är som följer.

1. Monteringshöjd för NS-antennen: 5 m.
2. UAV flyghöjd: 1000 m.
3. Radiolänkfrekvens: 2.45 GHz.
4. NS-antennförstärkning: 17 dB.
5. UAV-antennförstärkning: 3 dB.
6. Sändareffekt: +25 dBm (300 mW).
7. Videokanalhastighet: 4 Mbit/sek.
8. Mottagarkänslighet i videokanalen: −100.4 dBm (för frekvensbandet som upptas av en 12 MHz-signal).
9. Underlag: torr jord.
10. Polarisering: vertikal.

Siktavståndet för dessa initiala data kommer att vara 128.8 km. Beräkningsresultaten i form av signaleffekt vid modemmottagarens ingång i dBm presenteras i fig. 3.

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)
Ris. 3. Signalstyrka vid ingången på 3D Link-modemmottagaren [11]

Den blå kurvan i fig. 3 är signaleffekten vid ingången till NS-mottagaren, den röda räta linjen indikerar känsligheten hos denna mottagare. X-axeln visar räckvidden i km och Y-axeln visar effekten i dBm. Vid de avståndspunkter där den blå kurvan ligger ovanför den röda är direkt videomottagning från UAV möjlig, annars blir det ingen kommunikation. Grafen visar att på grund av svängningar kommer kommunikationsbortfall att uppstå i intervallet 35.5–35.9 km och vidare i intervallet 55.3–58.6 km. I det här fallet kommer den slutliga frånkopplingen att ske mycket längre - efter 110.8 km flygning.

Som nämnts ovan uppstår fall i fältstyrka på grund av tillägget i motfas vid platsen för NS-antennen för den direkta signalen och signalen som reflekteras från jordens yta. Du kan bli av med kommunikationsbortfall på NS på grund av fel genom att uppfylla 2 villkor.

1. Använd ett modem på NS med minst två mottagningskanaler (RX diversity), till exempel 3D Link [11].
2. Placera mottagningsantennerna på NS-masten på annorlunda höjd.

Avståndet mellan höjderna på mottagarantennerna måste göras så att fall i fältstyrkan vid platsen för en antenn kompenseras av nivåer högre än mottagarens känslighet vid platsen för den andra antennen. I fig. Figur 4 visar resultatet av detta tillvägagångssätt för fallet där en NS-antenn är placerad på en höjd av 5 m (blå helkurva) och den andra på en höjd av 4 m (blå prickad kurva).

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)
Ris. 4. Signaleffekt vid ingångarna på två 3D Link-modemmottagare från antenner placerade på olika höjder

Från fig. Figur 4 visar tydligt fruktbarheten av denna metod. I själva verket, under hela flygsträckan för UAV, upp till en räckvidd på 110.8 km, överstiger signalen vid ingången av minst en NS-mottagare känslighetsnivån, dvs. video från kortet kommer inte att avbrytas under hela flygsträckan .

Den föreslagna metoden bidrar dock till att öka tillförlitligheten för endast UAV→NS-radiolänken, eftersom möjligheten att installera antenner på olika höjder endast är tillgänglig på NS. Det är inte möjligt att säkerställa en höjdseparation av antenner på 1 m på en UAV. För att öka tillförlitligheten hos NS→UAV-radiolänken kan följande tillvägagångssätt användas.

1. Mata NS-sändarsignalen till antennen som tar emot en kraftigare signal från UAV:en.
2. Använd rum-tidskoder, till exempel Alamouti-koden [12].
3. Använd antennstråleformningsteknik med förmågan att styra signaleffekten som skickas till varje antenn.

Den första metoden är nära optimal i problemet med kommunikation med en UAV. Det är enkelt och i det riktas all sändarenergi i rätt riktning - till en optimalt placerad antenn. Till exempel, vid en räckvidd av 50 km (se fig. 4), matas sändarsignalen till en antenn som är upphängd på 5 meter och vid en räckvidd av 60 km - till en antenn som är upphängd på 4 meter. Detta är metoden som används i 3D Link-modemet [11]. Den andra metoden använder inte a priori data om tillståndet för kommunikationskanalen UAV→NS (nivåer av mottagna signaler vid antennutgångarna), så den delar sändarenergin lika mellan två antenner, vilket oundvikligen leder till energiförluster, eftersom en av antennerna kan ha en hålfältstyrka. Den tredje metoden är likvärdig med den första när det gäller kommunikationskvalitet, men är mycket svårare att implementera.

Låt oss ytterligare överväga frågan om påverkan av radiovågsfrekvens på kommunikationsområdet med UAV, med hänsyn till påverkan av den underliggande ytan. Det visades ovan att det är fördelaktigt att öka frekvensen, för med fasta dimensioner på antennerna leder detta till en ökning av kommunikationsområdet. Men frågan om beroende Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) frekvens beaktades inte. Från (3) det följer att förhållandet mellan förstärkningarna hos antenner är lika i area och utformade för att fungera vid frekvenser Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) и Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV), är lika
(6)

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)

för Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)2450 MHz; Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)Vi får 915 MHz Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)7.2 (8.5 dB). Det är ungefär vad som händer i praktiken. Låt oss jämföra till exempel parametrarna för följande antenner från Wireless Instruments:

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

Det är bekvämt att jämföra dessa antenner, eftersom de är gjorda i samma 27x27 cm hus, dvs de har samma yta. Observera att antennförstärkningen skiljer sig med 15−8=7 dB, vilket är nära det beräknade värdet på 8.5 dB. Av antennernas egenskaper är det också tydligt att bredden på antennmönstret för området 2.3–2.5 GHz (30°/30°) är mer än dubbelt så smal som bredden på antennmönstret för området 0.83–0.96 GHz (70°/70°), det vill säga förstärkningen av antenner med samma dimensioner ökar faktiskt på grund av förbättringen av riktningsegenskaperna. Med hänsyn till det faktum att 2 antenner används i kommunikationslinjen, förhållandet Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) blir 2∙8.5=17 dB. Således, med samma antenndimensioner, energibudgeten för en radiolänk med en frekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)2450 MHz blir 17 dB mer än linjebudgeten med frekvens Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)915 MHz. I beräkningen tar vi även hänsyn till det faktum att UAV:er som regel använder piskantenner för vilka dimensionerna inte är lika kritiska som för de övervägda NS-panelantennerna. Därför accepterar vi UAV-antennförstärkningarna för frekvenser Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) и Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) likvärdig. De där. skillnaden i ledningarnas energibudgetar blir 8.5 dB, inte 17 dB. Resultaten av beräkningen utförd för dessa initiala data och 5 m höjden på NS-antennen visas i fig. 5.

Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV)
Ris. 5. Signaleffekt vid mottagaringången för radiolänkar som arbetar på frekvenserna 915 och 2450 MHz

Från fig. 5 visar tydligt att kommunikationsräckvidden med en ökning av arbetsfrekvensen och samma område av NS-antennen ökar från 96.3 km för en radiolänk med en frekvens på 915 MHz till 110.8 km för en länk med en frekvens på 2450 MHz . Linjen vid 915 MHz har dock en lägre oscillationsfrekvens. Färre svängningar betyder färre fall i fältstyrka, det vill säga mindre sannolikhet att avbryta kommunikationen med UAV:en över hela flygsträckan. Kanske är det detta faktum som avgör populariteten för radiovågsområdet under gigahertz för kommando- och telemetrikommunikationslinjer med UAV:er som den mest tillförlitliga. Samtidigt, när man utför den uppsättning åtgärder som beskrivs ovan för att skydda mot fältstyrkoscillationer, ger radiolänkar i gigahertzområdet ett större kommunikationsräckvidd genom att förbättra antennernas riktningsegenskaper.

Från betraktande av fig. 5 kan vi också dra slutsatsen att i skuggzonen (efter 128.8 km-märket) är det meningsfullt att sänka kommunikationslinjens driftsfrekvens. Faktum är att vid en punkt på cirka −120 dBm effektkurvorna för frekvenser Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) и Hur man ökar kommunikationsräckvidden med ett obemannat flygfordon (UAV) korsas. De där. Vid användning av mottagare med en känslighet bättre än −120 dBm ger en radiolänk med en frekvens på 915 MHz ett längre kommunikationsräckvidd. I detta fall måste dock den erforderliga länkbandbredden beaktas, eftersom för ett så högt känslighetsvärde blir informationshastigheten mycket låg. Till exempel 3D Link-modem [11] Även om den ger känslighet upp till −122 dBm, kommer den sammanlagda (i båda riktningarna) informationsöverföringshastigheten att vara 23 kbit/sek, vilket i princip är tillräckligt för KTRL-kommunikation med en UAV, men uppenbarligen inte tillräckligt för att överföra video från och med styrelse. Således har sub-gigahertz-intervallet faktiskt en liten fördel jämfört med gigahertz-intervallet för KTRL, men tappar tydligt i egenskaper när du organiserar videolinjer.

När du väljer en radiolänksfrekvens måste du också ta hänsyn till dämpningen av signalen när den fortplantar sig genom jordens atmosfär. För NS-UAV-kommunikationslänkar orsakas dämpningen i atmosfären av gaser, regn, hagel, snö, dimma och moln [2]. För driftfrekvenser för radiolänkar mindre än 6 GHz kan dämpningen i gaser försummas [2]. Den allvarligaste försvagningen observeras i regn, särskilt av hög intensitet (skurar). Tabell 1 visar data [2] genom linjär dämpning [dB/km] i regn med olika intensitet för frekvenser 3–6 GHz.

Tabell 1. Linjär dämpning av radiovågor [dB/km] i regn med olika intensitet beroende på frekvens

Frekvens [GHz] 3 mm/timme (svag)
12 mm/timme (måttlig)
30 mm/timme (stark)
70 mm/timme (regn)

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

Från bordet 1 följer att, till exempel, vid en frekvens på 3 GHz, kommer dämpningen i en dusch att vara cirka 0.0087 dB/km, vilket på en 100 km sträcka ger 0.87 dB total dämpning. När radiolänkens driftfrekvens ökar, ökar dämpningen vid regn kraftigt. För en frekvens på 4 GHz kommer dämpningen i en dusch på samma väg att vara redan 9.1 dB, och vid frekvenser på 5 och 6 GHz - 28 respektive 57 dB. I det här fallet antas det dock att regn med en given intensitet förekommer längs hela sträckan, vilket sällan sker i praktiken. Men när du använder UAV i områden där högintensiva regn förekommer, rekommenderas det att välja en driftsfrekvens för radiolänken under 3 GHz.

Litteratur

1. Smorodinov A.A. Hur man väljer ett bredbandsmodem för ett obemannat flygfarkost (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Utbredning av radiovågor och drift av radiolänkar. Förbindelse. Moskva. 1971.
3. Microhard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 specifikation.
5. Picoradio OEM-specifikation.
6. Teknisk testrapport. Pico 2.4 GHz 1W digital datalänkmodul.
7. FCC ID.
8. CA Balanis. Antennteori. Analys och design. Fjärde upplagan. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antennförstärkning. Wikipedia-artikel.
10. strålbredd. Wikipedia-artikel.
11. Digitalt duplex radiomodem 3D Link.
12. SM Alamouti. "En enkel sändningsdiversitetsteknik för trådlös kommunikation." IEEE Journal om utvalda områden inom kommunikation. 16(8):1451–1458.
13. PTP-klientantenn WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP-klientantenn WiBOX PA 24-15.

Källa: will.com

Lägg en kommentar