วิธีเพิ่มระยะการสื่อสารด้วยอากาศยานไร้คนขับ (UAV)

งานในการเพิ่มระยะการสื่อสารด้วยยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) ยังคงมีความเกี่ยวข้อง บทความนี้อธิบายวิธีการปรับปรุงพารามิเตอร์นี้ บทความนี้เขียนขึ้นสำหรับนักพัฒนาและผู้ปฏิบัติงาน UAV และเป็นบทความต่อเนื่องจากชุดบทความเกี่ยวกับการสื่อสารกับ UAV (สำหรับจุดเริ่มต้นของซีรีส์ดู [1].

สิ่งที่ส่งผลต่อระยะการสื่อสาร

ช่วงการสื่อสารขึ้นอยู่กับโมเด็มที่ใช้ เสาอากาศ สายเสาอากาศ เงื่อนไขการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ การรบกวนจากภายนอก และเหตุผลอื่นๆ บางประการ เพื่อกำหนดระดับอิทธิพลของพารามิเตอร์เฉพาะต่อช่วงการสื่อสาร ให้พิจารณาสมการของช่วง [2]
(1)

ที่ไหน
— ระยะการสื่อสารที่ต้องการ [เมตร];
— ความเร็วแสงในสุญญากาศ [เมตรต่อวินาที]
— ความถี่ [Hz];
— กำลังเครื่องส่งโมเด็ม [dBm];
— อัตราขยายของเสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณ [dBi];
— การสูญเสียสายเคเบิลจากโมเด็มไปยังเสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณ [dB];
— อัตราขยายของเสาอากาศรับสัญญาณ [dBi];
— การสูญเสียสายเคเบิลจากโมเด็มไปยังเสาอากาศรับสัญญาณ [dB]
— ความไวของตัวรับโมเด็ม [dBm];
— ตัวคูณการลดทอน โดยคำนึงถึงการสูญเสียเพิ่มเติมอันเนื่องมาจากอิทธิพลของพื้นผิวโลก พืชพรรณ บรรยากาศ และปัจจัยอื่น ๆ [dB]

จากสมการจะเห็นได้ว่าช่วงถูกกำหนดโดย:

• โมเด็มที่ใช้
• ความถี่ของช่องสัญญาณวิทยุ
• เสาอากาศที่ใช้
• การสูญเสียสายเคเบิล
• อิทธิพลต่อการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุจากพื้นผิวโลก พืชพรรณ บรรยากาศ อาคาร ฯลฯ

ถัดไป พารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลต่อช่วงจะพิจารณาแยกกัน

โมเด็มที่ใช้

ช่วงการสื่อสารขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์สองตัวของโมเด็มเท่านั้น: กำลังเครื่องส่ง และความไวของตัวรับ หรือจากความแตกต่าง - งบประมาณพลังงานของโมเด็ม
(2)

เพื่อเพิ่มช่วงการสื่อสาร จำเป็นต้องเลือกโมเด็มที่มีค่ามาก . เพิ่มขึ้น ในทางกลับกันก็เป็นไปได้โดยเพิ่มขึ้น หรือโดยการลด . ควรให้ความสำคัญกับการค้นหาโมเด็มที่มีความไวสูง ( ให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้) แทนที่จะเพิ่มกำลังเครื่องส่ง . ปัญหานี้ได้รับการกล่าวถึงโดยละเอียดในบทความแรก [1].

นอกจากวัสดุแล้ว [1] โปรดทราบว่าผู้ผลิตบางรายเช่น Microhard [3]ระบุในข้อกำหนดของอุปกรณ์บางตัวไม่ใช่ค่าเฉลี่ย แต่เป็นกำลังสูงสุดของเครื่องส่งสัญญาณซึ่งมากกว่าค่าเฉลี่ยหลายเท่าและไม่สามารถใช้คำนวณช่วงได้เนื่องจากจะนำไปสู่ช่วงที่คำนวณได้เกินจริงอย่างมาก ค่า. อุปกรณ์ดังกล่าวได้แก่ ตัวอย่างเช่น โมดูล pDDL2450 ยอดนิยม [4,5] ข้อเท็จจริงนี้ตามมาโดยตรงจากผลการทดสอบอุปกรณ์นี้ที่ดำเนินการเพื่อให้ได้รับการรับรอง FCC [6] (ดูหน้า 58) สามารถดูผลการทดสอบสำหรับอุปกรณ์ไร้สายที่ได้รับการรับรอง FCC ได้จากเว็บไซต์ FCC ID [7]โดยกรอก FCC ID ที่เหมาะสมลงในแถบค้นหาซึ่งควรอยู่บนฉลากระบุประเภทอุปกรณ์ FCC ID ของโมดูล pDDL2450 คือ NS916pDDL2450

ความถี่ช่องสัญญาณวิทยุ

จากสมการพิสัย (1) ตามมาชัดเจนว่ายิ่งความถี่ในการทำงานต่ำลง ยิ่งมีช่วงการสื่อสารที่มากขึ้น . แต่อย่ารีบด่วนสรุป ความจริงก็คือพารามิเตอร์อื่น ๆ ที่รวมอยู่ในสมการนั้นขึ้นอยู่กับความถี่ด้วย ตัวอย่างเช่น อัตราขยายของเสาอากาศ и จะขึ้นอยู่กับความถี่ในกรณีที่ขนาดสูงสุดของเสาอากาศ ที่ตายตัวซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในทางปฏิบัติ กำไรจากเสาอากาศ โดยแสดงเป็นหน่วยไร้มิติ (เท่า) สามารถแสดงเป็นพื้นที่ทางกายภาพของเสาอากาศได้ ด้วยวิธีต่อไปนี้ [8]
(3)

ที่ไหน — ประสิทธิภาพรูรับแสงของเสาอากาศ เช่น อัตราส่วนของพื้นที่เสาอากาศที่มีประสิทธิภาพต่อพื้นที่ทางกายภาพ (ขึ้นอยู่กับการออกแบบเสาอากาศ) [8].

ของ (3) เป็นที่ชัดเจนทันทีว่าสำหรับพื้นที่เสาอากาศแบบคงที่ อัตราขยายจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของกำลังสองของความถี่ มาทดแทนกันเถอะ (3) в (1), ได้มีการเขียนใหม่ก่อนหน้านี้ (1) การใช้หน่วยไร้มิติสำหรับการขยายเสาอากาศ , , การสูญเสียสายเคเบิล , และปัจจัยการลดทอน และยังใช้วัตต์เพื่อ и แทนที่จะเป็น dBm แล้ว
(4)

ค่าสัมประสิทธิ์อยู่ที่ไหน เป็นค่าคงที่สำหรับขนาดเสาอากาศคงที่ ดังนั้นในสถานการณ์นี้ ช่วงการสื่อสารจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ กล่าวคือ ยิ่งความถี่สูงเท่าใด ช่วงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เอาท์พุต ด้วยขนาดคงที่ของเสาอากาศ การเพิ่มความถี่ของการเชื่อมต่อวิทยุทำให้ช่วงการสื่อสารเพิ่มขึ้นโดยการปรับปรุงคุณสมบัติทิศทางของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ต้องจำไว้ว่าเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การลดทอนของคลื่นวิทยุในบรรยากาศที่เกิดจากก๊าซ ฝน ลูกเห็บ หิมะ หมอก และเมฆก็เช่นกัน [2]. ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อความยาวเส้นทางเพิ่มขึ้น การลดทอนในชั้นบรรยากาศก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ด้วยเหตุนี้ สำหรับแต่ละความยาวเส้นทางและสภาพอากาศโดยเฉลี่ยบนเส้นทางดังกล่าว จึงมีค่าสูงสุดที่แน่นอนของความถี่พาหะ ซึ่งจำกัดโดยระดับการลดทอนสัญญาณในชั้นบรรยากาศที่อนุญาต ให้เราออกจากคำตอบสุดท้ายสำหรับคำถามเกี่ยวกับอิทธิพลของความถี่ของสถานีวิทยุที่มีต่อช่วงการสื่อสารไปยังส่วนที่พิจารณาถึงอิทธิพลของพื้นผิวโลกและบรรยากาศที่มีต่อการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุ

เสาอากาศ

ช่วงการสื่อสารถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์เสาอากาศเช่นเกน (กำไรในคำศัพท์ภาษาอังกฤษ) วัดเป็น dBi อัตราขยายเป็นพารามิเตอร์ประกอบที่สำคัญเนื่องจากคำนึงถึง: (1) ความสามารถของเสาอากาศในการโฟกัสพลังงานของเครื่องส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับ เมื่อเปรียบเทียบกับตัวปล่อยไอโซโทรปิก (ไอโซโทรปิก ดังนั้นดัชนี i ในหน่วย dBi); (2) การสูญเสียในเสาอากาศนั้นเอง [8,9] ในการเพิ่มช่วงการสื่อสาร คุณควรเลือกเสาอากาศที่มีค่าเกนสูงสุดที่เป็นไปได้จากเสาอากาศที่เหมาะสมในแง่ของพารามิเตอร์น้ำหนักและขนาด และความสามารถของระบบนำทาง ความสามารถของเสาอากาศในการโฟกัสพลังงานไม่ได้มอบให้ฟรี แต่เพียงเพิ่มขนาด (รูรับแสง) ของเสาอากาศเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ยิ่งเสาอากาศรับมีขนาดใหญ่เท่าใด พื้นที่ก็จะสามารถรวบรวมพลังงานเพื่อจ่ายให้กับอินพุตของตัวรับสัญญาณได้มากขึ้นเท่านั้น และยิ่งมีพลังงานมากเท่าใด สัญญาณที่ได้รับก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ ช่วงการสื่อสารจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ขั้นแรกคุณต้องตัดสินใจเกี่ยวกับขนาดเสาอากาศสูงสุดที่เพียงพอต่อปัญหาที่กำลังแก้ไข และจำกัดพื้นที่การค้นหาด้วยพารามิเตอร์นี้ จากนั้นค้นหารุ่นเสาอากาศเฉพาะ โดยเน้นที่อัตราขยายสูงสุด พารามิเตอร์เสาอากาศที่สำคัญประการที่สองสำหรับการฝึกปฏิบัติคือความกว้างของลำคลื่น [8,10] วัดเป็นองศาเชิงมุม โดยทั่วไป ความกว้างของลำแสงถูกกำหนดให้เป็นมุมระหว่างทิศทางเชิงพื้นที่สองทิศทางจากศูนย์กลางของเสาอากาศ ซึ่งอัตราขยายของเสาอากาศจะลดลง 3 dB จากค่าสูงสุดสำหรับเสาอากาศนั้น ความกว้างของรูปแบบในแนวราบและระดับความสูงอาจแตกต่างกันอย่างมาก พารามิเตอร์นี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับขนาดของเสาอากาศตามกฎ: ขนาดที่ใหญ่กว่า - ความกว้างของลำแสงที่เล็กลง พารามิเตอร์นี้ไม่รวมอยู่ในสมการช่วงโดยตรง แต่เป็นพารามิเตอร์นี้ที่กำหนดข้อกำหนดสำหรับระบบนำทางเสาอากาศของสถานีภาคพื้นดิน (GS) บน UAV เนื่องจากตามกฎแล้ว GS จะใช้เสาอากาศที่มีทิศทางสูงอย่างน้อยใน กรณีที่การสื่อสารสูงสุดกับ UAV ถือเป็นเรื่องสำคัญ ที่จริงแล้ว ตราบใดที่ระบบติดตาม NS รับประกันความแม่นยำเชิงมุมของการชี้เสาอากาศไปที่ UAV เท่ากับครึ่งหนึ่งของความกว้างของรูปแบบหรือน้อยกว่า ระดับของสัญญาณที่รับ/ส่งจะไม่ลดลงต่ำกว่า 3 dB จากสูงสุด ไม่ว่าในกรณีใดก็ตาม ความกว้างของลำแสงของเสาอากาศที่เลือกครึ่งหนึ่งไม่ควรน้อยกว่าข้อผิดพลาดเชิงมุมของระบบชี้เสาอากาศ NS ในแนวราบหรือระดับความสูง

สายเคเบิล

เพื่อเพิ่มช่วงการสื่อสารให้สูงสุด คุณต้องใช้สายเคเบิลที่มีการลดทอนเชิงเส้นต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ (การลดทอนสายเคเบิลหรือการสูญเสียสายเคเบิล) ทำงาน ความถี่ของลิงค์วิทยุ NS-UAV การลดทอนเชิงเส้นในสายเคเบิลถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของสัญญาณที่เอาต์พุตของส่วนของสายเคเบิลยาว 1 ม. (ในระบบเมตริก) ต่อสัญญาณที่อินพุตของส่วนของสายเคเบิล ซึ่งแสดงเป็น dB การสูญเสียสายเคเบิล รวมอยู่ในสมการพิสัย (1)ถูกกำหนดโดยการคูณการลดทอนเชิงเส้นด้วยความยาวสายเคเบิล ดังนั้น เพื่อให้ได้ช่วงการสื่อสารสูงสุดที่เป็นไปได้ คุณจำเป็นต้องใช้สายเคเบิลที่มีการลดทอนเชิงเส้นต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ และลดความยาวของสายเคเบิลเหล่านี้ให้เหลือน้อยที่สุด บน NS ต้องติดตั้งชุดโมเด็มบนเสาที่อยู่ติดกับเสาอากาศโดยตรง ในตัว UAV โมเด็มควรอยู่ใกล้กับเสาอากาศมากที่สุด นอกจากนี้ยังควรตรวจสอบความต้านทานของสายเคเบิลที่เลือกด้วย พารามิเตอร์นี้วัดเป็นโอห์มและมักจะเท่ากับ 50 หรือ 75 โอห์ม ความต้านทานของสายเคเบิล ขั้วต่อเสาอากาศของโมเด็ม และขั้วต่อบนเสาอากาศจะต้องเท่ากัน

ผลกระทบของพื้นผิวโลก

ในส่วนนี้เราจะดูการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุเหนือพื้นผิวที่ราบหรือทะเล สถานการณ์นี้มักเกิดขึ้นในการฝึกใช้ UAV การตรวจสอบท่อส่งน้ำ สายไฟ พืชผลทางการเกษตร การทหารและการปฏิบัติการพิเศษจำนวนมาก - ทั้งหมดนี้อธิบายได้ดีในแบบจำลองนี้ ประสบการณ์ของมนุษย์วาดภาพให้เราเห็นว่าการสื่อสารระหว่างวัตถุเป็นไปได้หากวัตถุเหล่านั้นอยู่ในขอบเขตการมองเห็นโดยตรงของกันและกัน ไม่เช่นนั้นการสื่อสารจะเป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตามคลื่นวิทยุไม่อยู่ในช่วงแสงดังนั้นสถานการณ์จึงค่อนข้างแตกต่างออกไป ในเรื่องนี้ จะเป็นประโยชน์สำหรับผู้พัฒนาและผู้ปฏิบัติงาน UAV ที่จะจดจำข้อเท็จจริงสองประการต่อไปนี้

1. การสื่อสารในช่วงคลื่นวิทยุเป็นไปได้แม้ว่าจะไม่มีการมองเห็นโดยตรงระหว่าง NS และ UAV
2. อิทธิพลของพื้นผิวด้านล่างที่มีต่อการสื่อสารกับ UAV จะรู้สึกได้แม้ว่าจะไม่มีวัตถุใดอยู่บนเส้นแสง NS-UAV ก็ตาม

เพื่อให้เข้าใจถึงลักษณะเฉพาะของการแพร่กระจายคลื่นวิทยุใกล้พื้นผิวโลกจะเป็นประโยชน์ในการทำความคุ้นเคยกับแนวคิดเรื่องพื้นที่สำคัญของการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ [2]. ในกรณีที่ไม่มีวัตถุใด ๆ อยู่ในโซนสำคัญของการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ การคำนวณช่วงสามารถทำได้โดยใช้สูตรสำหรับพื้นที่ว่าง เช่น в (1) มีค่าเท่ากับ 0 ถ้ามีวัตถุอยู่ในโซนจำเป็นก็จะทำไม่ได้ ในรูป 1 ที่จุด A จะมีตัวปล่อยจุดที่อยู่ที่ความสูง เหนือพื้นผิวโลกซึ่งปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาทุกทิศทางด้วยความเข้มเท่ากัน ที่จุด B ที่ระดับความสูง มีตัวรับสัญญาณสำหรับวัดความเข้มของสนาม ในแบบจำลองนี้ พื้นที่สำคัญของการแพร่กระจายคลื่นวิทยุคือทรงรีที่มีจุดโฟกัสที่จุด A และ B

ข้าว. 1. พื้นที่การแพร่กระจายคลื่นวิทยุที่สำคัญ

รัศมีของทรงรีในส่วนที่ "หนาที่สุด" ถูกกำหนดโดยนิพจน์ [2]
(5)

ของ (5) มันชัดเจนว่า ขึ้นอยู่กับความถี่ สัดส่วนผกผันยิ่งน้อย , ยิ่ง “หนา” ทรงรี ( ในรูป 1) นอกจากนี้ "ความหนา" ของทรงรีจะเพิ่มขึ้นตามระยะห่างระหว่างวัตถุสื่อสารที่เพิ่มขึ้น สำหรับคลื่นวิทยุ สามารถสร้างมูลค่าที่น่าประทับใจได้พอสมควร ดังนั้น เมื่อใด 10 กม เราได้รับ 2.45 GHz 50×60 ม.

ให้เราพิจารณาวัตถุทึบแสงที่แสดงโดยสามเหลี่ยมสีเทาในรูป 1. จะส่งผลต่อการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุที่มีความถี่ เนื่องจากตั้งอยู่ในเขตการแพร่กระจายคลื่นที่สำคัญและแทบไม่มีผลกระทบต่อการแพร่กระจายคลื่นวิทยุที่มีความถี่ . สำหรับคลื่นวิทยุในช่วงแสง (แสง) ค่านี้ มีขนาดเล็ก ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงไม่รู้สึกถึงอิทธิพลของพื้นผิวโลกที่มีต่อการแพร่กระจายของแสง เมื่อพิจารณาว่าพื้นผิวโลกมีลักษณะเป็นทรงกลม จึงง่ายต่อการเข้าใจด้วยระยะทางที่เพิ่มมากขึ้น พื้นผิวด้านล่างจะเคลื่อนเข้าสู่โซนการแพร่กระจายที่สำคัญมากขึ้น ซึ่งจะขัดขวางการไหลเวียนของพลังงานจากจุด A ไปยังจุด B - จุดสิ้นสุดของเรื่องราว การสื่อสารกับ UAV ถูกขัดจังหวะ วัตถุอื่นๆ บนเส้นทาง เช่น ภูมิประเทศที่ไม่เรียบ อาคาร ป่าไม้ ฯลฯ จะส่งผลต่อการสื่อสารเช่นเดียวกัน

ตอนนี้เรามาดูรูปที่. 2 ซึ่งวัตถุทึบแสงครอบคลุมพื้นที่สำคัญของการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุที่มีความถี่อย่างสมบูรณ์ ทำให้การสื่อสารด้วยความถี่นี้เป็นไปไม่ได้ ขณะเดียวกันก็มีการสื่อสารบนคลื่นความถี่ ก็เป็นไปได้เช่นกันเนื่องจากพลังงานส่วนหนึ่ง “กระโดด” เหนือวัตถุทึบแสง ยิ่งความถี่ต่ำ คลื่นวิทยุก็จะยิ่งขยายออกไปไกลกว่าขอบฟ้าแสง เพื่อรักษาการสื่อสารที่เสถียรกับ UAV

ข้าว. 2. ครอบคลุมพื้นที่สำคัญในการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ

ระดับอิทธิพลของพื้นผิวโลกต่อการสื่อสารยังขึ้นอยู่กับความสูงของเสาอากาศด้วย и . ยิ่งความสูงของเสาอากาศมากเท่าใด ระยะทางที่จุด A และ B ก็จะยิ่งสามารถเคลื่อนออกจากกันได้มากขึ้นเท่านั้น โดยไม่ปล่อยให้วัตถุหรือพื้นผิวด้านล่างตกเข้าไปในพื้นที่สำคัญ

เมื่อวัตถุหรือพื้นผิวด้านล่างเคลื่อนเข้าสู่พื้นที่ที่มีนัยสำคัญ ความแรงของสนามไฟฟ้าที่จุด B จะแกว่งไปมา [2]กล่าวคือ มันจะมากกว่าหรือน้อยกว่าความแรงของสนามเฉลี่ย สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการสะท้อนของพลังงานจากวัตถุ คุณสามารถเพิ่มพลังงานที่สะท้อนได้ที่จุด B ด้วยพลังงานหลักในเฟส จากนั้นการเพิ่มขึ้นจะเกิดขึ้นกับความแรงของสนามไฟฟ้า หรือในแอนติเฟส จากนั้นการลดลง (และค่อนข้างลึก) จะเกิดขึ้นกับความแรงของสนามไฟฟ้า สิ่งสำคัญคือต้องจำผลกระทบนี้เพื่อทำความเข้าใจลักษณะเฉพาะของการสื่อสารกับ UAV การสูญเสียการสื่อสารกับ UAV ในระยะหนึ่งอาจเกิดจากความแรงของสนามที่ลดลงเนื่องจากการแกว่ง เช่น หากคุณบินในระยะทางที่มากขึ้น การเชื่อมต่อก็สามารถกลับคืนมาได้ การสูญเสียการสื่อสารขั้นสุดท้ายจะเกิดขึ้นเฉพาะหลังจากที่พื้นที่สำคัญถูกปิดกั้นโดยวัตถุหรือพื้นผิวด้านล่างเท่านั้น ต่อไป จะมีการเสนอวิธีการเพื่อต่อสู้กับผลที่ตามมาของการสั่นของความแรงของสนาม

สูตรคำนวณปัจจัยการลดทอน เมื่อกระจายคลื่นวิทยุไปบนพื้นผิวเรียบของโลก คลื่นเหล่านี้ค่อนข้างซับซ้อนโดยเฉพาะในระยะทาง เกินขอบเขตของขอบฟ้าแสง [2]. ดังนั้น ในการพิจารณาปัญหาเพิ่มเติม เราจะหันไปใช้การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดยใช้ชุดโปรแกรมคอมพิวเตอร์ของผู้เขียน ลองพิจารณางานทั่วไปในการส่งสัญญาณวิดีโอจาก UAV ไปยัง NS โดยใช้โมเด็ม 3D Link [11] จากบริษัท Geoscan ข้อมูลเบื้องต้นมีดังนี้

1. ความสูงในการติดตั้งเสาอากาศ NS: 5 ม.
2. ความสูงของการบิน UAV: ​​1000 ม.
3. ความถี่การเชื่อมโยงวิทยุ: 2.45 GHz
4. อัตราขยายเสาอากาศ NS: 17 dB
5. อัตราขยายเสาอากาศ UAV: ​​3 dB
6. กำลังส่ง: +25 dBm (300 mW)
7. ความเร็วช่องวิดีโอ: 4 Mbit/วินาที
8. ความไวของตัวรับในช่องวิดีโอ: −100.4 dBm (สำหรับย่านความถี่ที่ถูกครอบครองโดยสัญญาณ 12 MHz)
9. พื้นผิว: ดินแห้ง
10. โพลาไรซ์: แนวตั้ง

ระยะแนวสายตาสำหรับข้อมูลเริ่มต้นเหล่านี้จะอยู่ที่ 128.8 กม. ผลการคำนวณในรูปของกำลังสัญญาณที่อินพุตของเครื่องรับโมเด็มในหน่วย dBm แสดงไว้ในรูปที่ 3 XNUMX.

ข้าว. 3. ความแรงของสัญญาณที่อินพุตของเครื่องรับโมเด็ม 3D Link [11]

เส้นโค้งสีน้ำเงินในรูป 3 คือกำลังสัญญาณที่อินพุตของเครื่องรับ NS เส้นตรงสีแดงแสดงถึงความไวของเครื่องรับนี้ แกน X แสดงช่วงเป็น km และแกน Y แสดงกำลังเป็น dBm ที่ช่วงจุดที่เส้นโค้งสีน้ำเงินอยู่เหนือเส้นสีแดง สามารถรับวิดีโอโดยตรงจาก UAV ได้ มิฉะนั้นจะไม่มีการสื่อสาร กราฟแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากการแกว่ง การสูญเสียการสื่อสารจะเกิดขึ้นในช่วง 35.5–35.9 กม. และเพิ่มเติมในช่วง 55.3–58.6 กม. ในกรณีนี้ การตัดการเชื่อมต่อขั้นสุดท้ายจะเกิดขึ้นไกลกว่านี้มาก - หลังจากบินไปแล้ว 110.8 กม.

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ความแรงของสนามที่ลดลงเกิดขึ้นเนื่องจากการเติมแอนติเฟสที่ตำแหน่งของเสาอากาศ NS ของสัญญาณโดยตรงและสัญญาณที่สะท้อนจากพื้นผิวโลก คุณสามารถกำจัดการสูญเสียการสื่อสารบน NS เนื่องจากความล้มเหลวได้โดยปฏิบัติตาม 2 เงื่อนไข

1. ใช้โมเด็มบน NS ที่มีช่องรับสัญญาณอย่างน้อยสองช่อง (ความหลากหลาย RX) เช่น 3D Link [11].
2. วางเสาอากาศรับสัญญาณบนเสา NS แตกต่าง ความสูง.

จะต้องเว้นระยะห่างความสูงของเสาอากาศรับสัญญาณเพื่อให้ความแรงของสนามที่ลดลงที่ตำแหน่งของเสาอากาศหนึ่งได้รับการชดเชยด้วยระดับที่สูงกว่าความไวของเครื่องรับที่ตำแหน่งของเสาอากาศอีกอัน ในรูป รูปที่ 4 แสดงผลลัพธ์ของแนวทางนี้ในกรณีที่เสาอากาศ NS หนึ่งอันตั้งอยู่ที่ความสูง 5 ม. (เส้นโค้งทึบสีน้ำเงิน) และอีกอันที่ความสูง 4 ม. (เส้นโค้งจุดสีน้ำเงิน)

ข้าว. 4. กำลังสัญญาณที่อินพุตของเครื่องรับโมเด็ม 3D Link สองตัวจากเสาอากาศที่มีความสูงต่างกัน

จากรูป รูปที่ 4 แสดงให้เห็นประสิทธิผลของวิธีนี้อย่างชัดเจน อันที่จริงตลอดระยะทางการบินทั้งหมดของ UAV จนถึงระยะ 110.8 กม. สัญญาณที่อินพุตของเครื่องรับ NS อย่างน้อยหนึ่งเครื่องจะเกินระดับความไว กล่าวคือ วิดีโอจากบอร์ดจะไม่ถูกรบกวนตลอดการบินทั้งหมด ระยะทาง.

อย่างไรก็ตาม วิธีการที่นำเสนอจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของลิงก์วิทยุ UAV → NS เท่านั้น เนื่องจากความสามารถในการติดตั้งเสาอากาศที่ความสูงต่างกันนั้นมีเฉพาะใน NS เท่านั้น ไม่สามารถรับประกันได้ว่าจะมีระยะห่างระหว่างเสาอากาศสูง 1 ม. บน UAV เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของลิงก์วิทยุ NS→UAV สามารถใช้แนวทางต่อไปนี้ได้

1. ป้อนสัญญาณเครื่องส่งสัญญาณ NS ไปยังเสาอากาศเพื่อรับสัญญาณที่ทรงพลังกว่าจาก UAV
2. ใช้รหัสกาลอวกาศ เช่น รหัสอลามูตี [12].
3. ใช้เทคโนโลยีบีมฟอร์มมิ่งเสาอากาศซึ่งสามารถควบคุมกำลังสัญญาณที่ส่งไปยังเสาอากาศแต่ละอันได้

วิธีแรกใกล้เคียงกับปัญหาการสื่อสารกับ UAV มากที่สุด มันง่ายและพลังงานของเครื่องส่งสัญญาณทั้งหมดถูกมุ่งไปในทิศทางที่ถูกต้อง - ไปยังเสาอากาศที่อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุด ตัวอย่างเช่น ที่ระยะ 50 กม. (ดูรูปที่ 4) สัญญาณเครื่องส่งสัญญาณจะถูกป้อนไปยังเสาอากาศที่แขวนอยู่ที่ 5 เมตร และที่ระยะ 60 กม. - ไปยังเสาอากาศที่แขวนอยู่ที่ 4 เมตร นี่เป็นวิธีการที่ใช้ในโมเด็ม 3D Link [11]. วิธีที่สองไม่ใช้ข้อมูลนิรนัยเกี่ยวกับสถานะของช่องสัญญาณสื่อสาร UAV → NS (ระดับของสัญญาณที่ได้รับที่เอาต์พุตเสาอากาศ) ดังนั้นจึงแบ่งพลังงานของเครื่องส่งสัญญาณระหว่างสองเสาอากาศเท่า ๆ กัน ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เนื่องจาก ของเสาอากาศอาจจะอยู่ในความแรงของสนามหลุม วิธีที่สามเทียบเท่ากับวิธีแรกในแง่ของคุณภาพการสื่อสาร แต่ยากกว่ามากในการนำไปใช้

ให้เราพิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับอิทธิพลของความถี่คลื่นวิทยุต่อช่วงการสื่อสารกับ UAV โดยคำนึงถึงอิทธิพลของพื้นผิวที่อยู่ด้านล่าง ดังที่แสดงไว้ข้างต้นว่าการเพิ่มความถี่นั้นมีประโยชน์ เนื่องจากขนาดเสาอากาศคงที่ ส่งผลให้ช่วงการสื่อสารเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามคำถามเรื่องการพึ่งพาอาศัยกัน ความถี่ไม่ได้รับการพิจารณา จาก (3) เป็นไปตามอัตราส่วนของอัตราขยายของเสาอากาศเท่ากันในพื้นที่และออกแบบมาเพื่อทำงานที่ความถี่ и เท่ากับ
(6)

สำหรับ 2450 เมกะเฮิรตซ์; เราได้รับ 915 MHz 7.2 (8.5 เดซิเบล) นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในทางปฏิบัติโดยประมาณ ลองเปรียบเทียบพารามิเตอร์ของเสาอากาศต่อไปนี้จาก Wireless Instruments:

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

สะดวกในการเปรียบเทียบเสาอากาศเหล่านี้เนื่องจากทำในกล่องขนาด 27x27 ซม. เดียวกันนั่นคือ มีพื้นที่เท่ากัน โปรดทราบว่าอัตราขยายของเสาอากาศจะแตกต่างกัน 15−8=7 dB ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่คำนวณได้ที่ 8.5 dB จากลักษณะของเสาอากาศ เป็นที่ชัดเจนว่าความกว้างของรูปแบบเสาอากาศสำหรับช่วง 2.3–2.5 GHz (30°/30°) นั้นแคบมากกว่าสองเท่าของความกว้างของรูปแบบเสาอากาศสำหรับช่วง 0.83–0.96 GHz (70°/70°) กล่าวคือ อัตราขยายของเสาอากาศที่มีขนาดเท่ากันจริง ๆ แล้วจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการปรับปรุงคุณสมบัติทิศทาง โดยคำนึงถึงความจริงที่ว่ามีการใช้เสาอากาศ 2 เสาในสายสื่อสารอัตราส่วน จะเป็น 2∙8.5=17 เดซิเบล ดังนั้น ด้วยขนาดเสาอากาศที่เท่ากัน งบประมาณด้านพลังงานของลิงก์วิทยุที่มีความถี่ 2450 MHz จะมากกว่างบประมาณสายที่มีความถี่ถึง 17 dB 915 เมกะเฮิรตซ์ ในการคำนวณเรายังคำนึงถึงความจริงที่ว่าตามกฎแล้ว UAV จะใช้เสาอากาศแส้ซึ่งขนาดไม่สำคัญเท่ากับเสาอากาศแผง NS ที่พิจารณา ดังนั้นเราจึงยอมรับการเพิ่มเสาอากาศ UAV สำหรับความถี่ и เท่ากัน. เหล่านั้น. ความแตกต่างของงบประมาณพลังงานของสายจะเป็น 8.5 dB ไม่ใช่ 17 dB ผลลัพธ์ของการคำนวณที่ดำเนินการสำหรับข้อมูลเริ่มต้นเหล่านี้และความสูง 5 ม. ของเสาอากาศ NS จะแสดงในรูปที่ 5 XNUMX.

ข้าว. 5. กำลังสัญญาณที่อินพุตตัวรับสัญญาณสำหรับลิงค์วิทยุที่ทำงานที่ความถี่ 915 และ 2450 MHz

จากรูป เบอร์ 5 แสดงให้เห็นชัดเจนว่าช่วงการสื่อสารที่มีความถี่การทำงานเพิ่มขึ้นและพื้นที่เดียวกันของเสาอากาศ NS เพิ่มขึ้นจาก 96.3 กม. สำหรับลิงค์วิทยุที่มีความถี่ 915 MHz เป็น 110.8 กม. สำหรับลิงค์ที่มีความถี่ 2450 MHz . อย่างไรก็ตาม สายที่ความถี่ 915 MHz มีความถี่การสั่นต่ำกว่า การสั่นที่น้อยลงหมายถึงความแรงของสนามลดลงน้อยลง กล่าวคือ โอกาสที่จะขัดจังหวะการสื่อสารกับ UAV น้อยลงตลอดระยะทางการบินทั้งหมด บางทีข้อเท็จจริงนี้อาจเป็นตัวกำหนดความนิยมของช่วงคลื่นวิทยุย่อยกิกะเฮิรตซ์สำหรับสายการสื่อสารคำสั่งและการวัดระยะไกลด้วย UAV ว่าน่าเชื่อถือที่สุด ในเวลาเดียวกัน เมื่อดำเนินการชุดการดำเนินการที่อธิบายไว้ข้างต้นเพื่อป้องกันการสั่นของความแรงของสนาม ลิงก์วิทยุในช่วงกิกะเฮิรตซ์จะให้ช่วงการสื่อสารที่มากขึ้นโดยการปรับปรุงคุณสมบัติทิศทางของเสาอากาศ

จากการพิจารณาตามรูป 5 เราสามารถสรุปได้ว่าในโซนเงา (หลังเครื่องหมาย 128.8 กม.) การลดความถี่การทำงานของสายสื่อสารนั้นสมเหตุสมผล อันที่จริง ณ จุดประมาณ −120 dBm เส้นโค้งกำลังสำหรับความถี่ и ตัด. เหล่านั้น. เมื่อใช้เครื่องรับที่มีความไวดีกว่า −120 dBm ลิงก์วิทยุที่ความถี่ 915 MHz จะให้ช่วงการสื่อสารที่ยาวขึ้น อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ จะต้องคำนึงถึงแบนด์วิธลิงก์ที่จำเป็นด้วย เนื่องจาก สำหรับค่าความไวสูงดังกล่าว ความเร็วข้อมูลจะต่ำมาก ตัวอย่างเช่น โมเด็ม 3D Link [11] แม้ว่าจะให้ความไวสูงถึง −122 dBm แต่อัตราการส่งข้อมูลรวม (ในทั้งสองทิศทาง) จะอยู่ที่ 23 kbit/วินาที ซึ่งโดยหลักการแล้ว ก็เพียงพอสำหรับการสื่อสาร KTRL กับ UAV แต่เห็นได้ชัดว่าไม่เพียงพอสำหรับการส่งวิดีโอจากเป็นต้นไป กระดาน. ดังนั้นช่วงซับกิกะเฮิรตซ์จึงมีข้อได้เปรียบเล็กน้อยเหนือช่วงกิกะเฮิรตซ์สำหรับ KTRL แต่จะสูญเสียคุณสมบัติไปอย่างชัดเจนเมื่อจัดระเบียบสายวิดีโอ

เมื่อเลือกความถี่ลิงก์วิทยุ คุณต้องคำนึงถึงการลดทอนของสัญญาณในขณะที่แพร่กระจายผ่านชั้นบรรยากาศของโลกด้วย สำหรับการเชื่อมโยงการสื่อสาร NS-UAV การลดทอนในชั้นบรรยากาศเกิดจากก๊าซ ฝน ลูกเห็บ หิมะ หมอก และเมฆ [2]. สำหรับความถี่การทำงานของลิงก์วิทยุที่น้อยกว่า 6 GHz สามารถละเลยการลดทอนของก๊าซได้ [2]. การอ่อนตัวลงที่รุนแรงที่สุดจะสังเกตได้ในช่วงฝนตก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีความรุนแรงสูง (ฝนตก) ตารางที่ 1 แสดงข้อมูล [2] โดยการลดทอนเชิงเส้น [dB/km] ท่ามกลางฝนที่มีความเข้มต่างกันสำหรับความถี่ 3–6 GHz

ตารางที่ 1 การลดทอนเชิงเส้นของคลื่นวิทยุ [dB/km] ในช่วงฝนที่มีความเข้มต่างกันขึ้นอยู่กับความถี่

ความถี่ [GHz] 3 มม./ชม. (อ่อน)
12 มม./ชั่วโมง (ปานกลาง)
30 มม./ชม. (แรง)
70 มม./ชม. (ฝน)

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

จากโต๊ะ 1 ตามนั้น ตัวอย่างเช่น ที่ความถี่ 3 GHz การลดทอนในห้องอาบน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 0.0087 เดซิเบล/กม. ซึ่งบนเส้นทาง 100 กม. จะให้ค่าการลดทอนทั้งหมด 0.87 เดซิเบล เมื่อความถี่การทำงานของลิงค์วิทยุเพิ่มขึ้น การลดทอนของฝนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สำหรับความถี่ 4 GHz การลดทอนในห้องอาบน้ำบนเส้นทางเดียวกันจะอยู่ที่ 9.1 dB และที่ความถี่ 5 และ 6 GHz - 28 และ 57 dB ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ สันนิษฐานว่าฝนที่มีความรุนแรงตามที่กำหนดเกิดขึ้นตลอดเส้นทางซึ่งแทบจะไม่เกิดขึ้นในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ UAV ในพื้นที่ที่มีฝนตกหนักบ่อยครั้ง แนะนำให้เลือกความถี่การทำงานของลิงก์วิทยุที่ต่ำกว่า 3 GHz

วรรณกรรม

1. สโมโรดินอฟ เอ.เอ. วิธีเลือกโมเด็มบรอดแบนด์สำหรับอากาศยานไร้คนขับ (UAV) ฮาเบอร์ 2019.
2. Kalinin A.I. , Cherenkova E.L. การแพร่กระจายของคลื่นวิทยุและการทำงานของการเชื่อมโยงวิทยุ การเชื่อมต่อ. มอสโก 1971.
3. ไมโครฮาร์ด.
4. ข้อมูลจำเพาะ Pico Digital Data Link pDDL2450
5. ข้อมูลจำเพาะของ Picoradio OEM
6. รายงานการทดสอบทางวิศวกรรม โมดูลลิงค์ข้อมูลดิจิตอล Pico 2.4GHz 1W
7. รหัส FCC
8. ซี.เอ. บาลานิส. ทฤษฎีเสาอากาศ การวิเคราะห์และการออกแบบ ฉบับที่สี่. จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์ 2016.
9. กำไรจากเสาอากาศ บทความวิกิพีเดีย
10. ความกว้างของลำแสง บทความวิกิพีเดีย
11. โมเด็มวิทยุดูเพล็กซ์แบบดิจิตอล 3D Link
12. เอส.เอ็ม. อลามูตี. "เทคนิคการส่งสัญญาณที่หลากหลายอย่างง่ายสำหรับการสื่อสารไร้สาย" วารสาร IEEE ในพื้นที่ที่เลือกในการสื่อสาร 16(8):1451–1458.
13. เสาอากาศไคลเอนต์ PTP WiBOX PA 0809-8V.
14. เสาอากาศไคลเอนต์ PTP WiBOX PA 24-15

ที่มา: will.com