Завдання збільшення дальності зв'язку з безпілотним літальним апаратом (БЛА) не втрачає актуальності. У цій статті розглядаються методи покращення цього параметра. Стаття написана для розробників та експлуатантів БЛА і є продовженням циклу статей про зв'язок з БЛА (початок циклу див. .
Що впливає на дальність зв'язку
Дальність зв'язку залежить від модему, антен, антенних кабелів, умов поширення радіохвиль, зовнішніх перешкод і деяких інших причин. Щоб визначити ступінь впливу тієї чи іншої параметра на дальність зв'язку, розглянемо рівняння дальності
(1)
де
- Шукана дальність зв'язку [meters];
- швидкість світла у вакуумі [m/sec];
- Частота [Hz];
- Потужність передавача модему [dBm];
- Посилення антени передавача [dBi];
- Втрати в кабелі від модему до антени передавача [dB];
- Підсилення антени приймача [dBi];
- Втрати в кабелі від модему до антени приймача [dB];
- чутливість приймача модему [dBm];
- Розмножувач ослаблення, що враховує додаткові втрати за рахунок впливу поверхні Землі, рослинності, атмосфери та інших факторів [dB].
З рівняння видно, що дальність визначається:
- використовуваним модемом;
- частотою радіоканалу;
- застосовуваними антенами;
- втратами у кабелях;
- впливом на поширення радіохвиль поверхні Землі, рослинності, атмосфери, будівель тощо.
Далі параметри, що впливають на дальність, розглядаються окремо.
Використовуваний модем
Дальність зв'язку залежить лише від двох параметрів модему: потужності передавача та чутливості приймача , вірніше від їхньої різниці — енергетичного бюджету модему
(2)
Для того, щоб збільшити дальність зв'язку, необхідно вибирати модем з великим значенням. . Збільшити у свою чергу можна за рахунок збільшення або за рахунок зменшення . Перевагу потрібно віддавати пошуку модемів з високою чутливістю ( якомога нижче), а не збільшенню потужності передавача . Це питання докладно розглянуто у першій статті .
На додаток до матеріалів варто мати на увазі, що окремі виробники, наприклад, Microhard , вказують у специфікаціях деяких пристроїв не середню, а пікову потужність передавача, яка в кілька разів більша за середню і яку не можна використовувати для розрахунку дальності, тому що це призведе до сильного перевищення розрахункової дальністю істинного значення. До таких пристроїв відносяться, наприклад, популярний модуль pDDL2450 [,]. Цей факт прямо випливає з результатів тестування цього пристрою, виконаного для отримання сертифіката FCC (Див. стор. 58). Результати тестування бездротових пристроїв, які мають сертифікати FCC, можна переглянути на сайті FCC ID , введіть у рядку пошуку відповідний FCC ID, який має бути на наклейці з позначенням типу пристрою. Ідентифікатор FCC модуля pDDL2450 такий: NS916pDDL2450.
Частота радіоканалу
З рівняння дальності однозначно слідує, що менше робоча частота тим більше дальність зв'язку . Але, не поспішатимемо з висновками. Справа в тому, що інші параметри, що входять до рівняння, також залежить від частоти. Наприклад, коефіцієнти посилення антен и будуть залежати від частоти в тому випадку, коли максимальні габарити антен фіксованіщо саме має місце на практиці. Коефіцієнт посилення антени , Виражений у безрозмірних одиницях (разах), можна виразити через фізичну площу антени наступним чином
(3)
де - ефективність апертури антени, тобто відношення ефективної площі антени до фізичної (залежить від конструкції антени) .
З Одночасно видно, що з фіксованої площі антени коефіцієнт посилення зростає пропорційно квадрату частоти. Підставимо в , попередньо переписавши з використанням безрозмірних одиниць для коефіцієнтів посилення антен , , втрат у кабелях , та множника ослаблення , а також з використанням Ватт для и замість дБм. Тоді
(4)
де коефіцієнт є константою при фіксованих габаритах антени. Таким чином, у цій ситуації дальність зв'язку прямо пропорційна частоті, тобто чим більша частота, тим більша дальність. Висновок. При фіксованих габаритах антен підвищення частоти радіолінії призводить до збільшення дальності зв'язку з допомогою поліпшення спрямованих властивостей антен. Однак, потрібно мати на увазі, що зі зростанням частоти зростає і згасання радіохвиль в атмосфері, що викликається газами, дощем, градом, снігом, туманом та хмарами . Причому зі збільшенням довжини траси згасання в атмосфері також зростає. Тому для кожної довжини траси та середніх погодних умов на ній існує деяке максимальне значення несучої частоти, обмежене допустимим рівнем загасання сигналу в атмосфері. Залишимо остаточне вирішення питання про вплив частоти радіоканалу на дальність зв'язку до розділу де розглядатиметься вплив поверхні Землі та атмосфери на поширення радіохвиль.
антени
Дальність зв'язку визначається таким параметром антени як коефіцієнт посилення (Gain в англомовній термінології), що вимірюється в dBi. Коефіцієнт посилення є важливим композитним параметром, тому що він враховує: (1) здатність антени фокусувати енергію передавача у напрямку приймача порівняно з ізотропним випромінювачем (isotropic, звідси індекс i dBi); (2) втрати в самій антені [,]. Для збільшення дальності зв'язку слід вибирати антени з максимально можливим значенням коефіцієнта посилення з тих, що підходять за масо-габаритними параметрами та можливостями системи наведення. Здатність антени фокусувати енергію дається не безкоштовно, лише за рахунок збільшення габаритів (апертури) антени. Наприклад, чим більша приймальна антена, з тим більшою площею вона зможе зібрати енергію для подачі на вхід приймача, а чим більше енергії — тим сильніший сигнал, тобто дальність зв'язку збільшується. Таким чином, потрібно спочатку визначитися з максимальними габаритами антен, які адекватні задачі, що вирішується, і обмежити область пошуку цим параметром, а потім проводити пошук конкретної моделі антени, орієнтуючись на максимальний коефіцієнт посилення. Другим важливим для практики параметром антени є ширина діаграми спрямованості (ДН) (beamwidth) [,], що вимірюється в кутових градусах. Як правило, ширина ДН визначається як кут між двома просторовими напрямками від центру антени, на яких посилення антени зменшується на 3 дБ від максимуму для цієї антени. Ширина ДН по азимуту та куту місця може сильно відрізнятися. Даний параметр тісно пов'язаний з габаритами антени за правилом: більше габарити - менше ширина ДН. Безпосередньо до рівняння дальності цей параметр не входить, але саме він визначає вимоги до системи наведення антени наземної станції (НС) на БЛА, тому що на СР, як правило, використовуються сильно спрямовані антени, принаймні в тих випадках, коли максимізація дальності У зв'язку з БЛА є пріоритетом. Дійсно, поки система НС, що слідкує, забезпечує кутову точність наведення антени на БЛА, рівну половині ширини ДН або менше, то рівень прийманого/випромінюваного сигналу не опуститься нижче 3 дБ від максимуму. Половина ширини ДН обраної антени ні за яких умов не повинна бути меншою за кутову помилку системи наведення антени НС по азимуту або куту місця.
Кабелі
Для максимізації дальності зв'язку потрібно використовувати кабелі з можливо меншим погонним згасанням (cable attenuation або cable loss) робочої частоті радіолінії СР - БЛА. Погане згасання в кабелі визначається як відношення сигналу на виході відрізка кабелю довжиною 1 м (у метричній системі) до сигналу на вході відрізка кабелю, вираженому в дБ. Втрати у кабелях , що входять до рівняння дальності , Визначаються множенням погонного згасання на довжину кабелю. Таким чином, для отримання максимально можливої дальності зв'язку потрібно використовувати кабелі з мінімально можливим загасанням і мінімізувати довжину цих кабелів. На СР модемні блоки потрібно встановлювати прямо на щоглі поряд з антенами. У корпусі БЛА модем має бути розташований якомога ближче до антени. Окремо варто проконтролювати імпеданс вибраного кабелю. Цей параметр вимірюється в Омах і, як правило, дорівнює 50 або 75 Ом. Імпеданс кабелю, антенного роз'єму модему і роз'єму на самій антені повинні бути рівними.
Вплив поверхні Землі
У цьому розділі ми розглянемо поширення радіохвиль над рівниною чи морською поверхнею. Така ситуація нерідко зустрічається у практиці використання БЛА. Моніторинг з БЛА трубопроводів, ЛЕП, сільськогосподарських посівів, багато військових та спеціальних операцій — все це добре описується цією моделлю. Людський досвід малює нам картину в якій зв'язок між об'єктами можливий, якщо вони знаходяться в області прямої оптичної видимості один одного, інакше зв'язок неможливий. Однак, радіохвилі не відносяться до оптичного діапазону, тому з ними йде дещо інакше. У зв'язку з цим розробнику та експлуатанту БЛА корисно запам'ятати наступні два факти.
1. Зв'язок у радіодіапазоні можливий і за відсутності прямої видимості між НС та БЛА.
2. Вплив підстилаючої поверхні на зв'язок з БЛА буде відчуватися навіть тоді, коли ніяких об'єктів на оптичній лінії НС-БЛА немає.
Для розуміння специфіки поширення радіохвиль поблизу поверхні Землі корисно ознайомиться з концепцією суттєвої області поширення радіохвиль . За відсутності будь-яких об'єктів у значній зоні поширення радіохвиль розрахунок дальності можна виконувати за формулами вільного простору, тобто. в можна прийняти рівним 0. Якщо ж у суттєвій зоні об'єкти є, то так чинити не можна. На рис. 1 у точці A зображено точковий випромінювач, розташований на висоті над поверхнею Землі, що випромінює електромагнітну енергію на всі боки з однаковою інтенсивністю. У точці B на висоті висоті знаходиться приймач вимірювання інтенсивності поля. У цій моделі істотна область поширення радіохвиль є еліпсоїд з фокусами в точках A і B.
Мал. 1. Істотна область поширення радіохвиль
Радіус еліпсоїда у самій його «товстій» частині визначається виразом
(5)
З видно що залежить від частоти назад пропорційно, чим менше , тим «товщі» еліпсоїд ( на рис. 1). Крім того, "товщина" еліпсоїда збільшується зі збільшенням відстані між об'єктами зв'язку. Для хвиль радіодіапазону може мати досить значну величину, так при 10 км, 2.45 ГГц отримаємо 50÷60 м.
Розглянемо тепер непрозорий об'єкт, зображений сірим трикутником на рис. 1. Він впливатиме на поширення радіохвиль із частотою , т. до. перебуває у значній зоні поширення, і мало впливати на поширення радіохвиль із частотою . Для радіохвиль оптичного діапазону (світла) величина мала, тому вплив Землі поширення світла практично не відчувається. Враховуючи те, що поверхня Землі є кулею, неважко зрозуміти, що при збільшенні відстані , поверхня, що підстилає, все більше всуватиметься в суттєву зону поширення, блокуючи, таким чином, надходження енергії з точки A в точку B — кінець історії, зв'язок з БЛА переривається. Аналогічно впливатимуть на зв'язок та інші об'єкти на трасі, як-то нерівності рельєфу, будівлі, ліс тощо.
Розглянемо тепер рис. 2 в якому непрозорий об'єкт повністю перекриває суттєву зону поширення радіохвилі з частотою , унеможливлюючи зв'язок на цій частоті. Водночас зв'язок на частоті ще можлива тому, що частина енергії «перестрибує» над непрозорим об'єктом. Чим менше частота, тим далі оптичний горизонт може поширитися радіохвиля, підтримуючи стійкий зв'язок з БЛА.
Мал. 2. Перекриття суттєвої області поширення радіохвиль
Ступінь впливу поверхні Землі на зв'язок залежить також від висоти розташування антен и . Чим більше висоти антен, тим на більшу відстань можна розсунути точки A і B, не допускаючи попадання об'єктів або поверхні, що підстилає, у суттєву зону.
У міру всування об'єкта або підстилаючої поверхні істотну зону напруженість поля в точці B осциллюватиме , тобто вона буде то більшою, то меншою за середню напруженість поля. Це відбувається завдяки відбитку енергії від об'єкта. Відбита енергія може складатися в точці B з основною енергією у фазі - тоді у напруженості поля виникає підйом, або в протифазі - тоді в напруженості поля виникає спад (і досить глибокий). Важливо пам'ятати про цей ефект розуміння специфіки зв'язку з БЛА. Пропадання зв'язку з БЛА певної дальності може бути викликано локальним спадом напруженості поля через осциляцій, т. е. якщо пролетіти ще якусь відстань, то зв'язок може відновитися. Остаточне пропадання зв'язку настане тільки після повного перекриття суттєвої зони об'єктами або поверхнею, що підстилає. Далі буде запропоновано методи боротьби з наслідками осциляцій напруженості поля.
Формули для розрахунку множника ослаблення при поширенні радіохвилі над гладкою поверхнею Землі досить складні, особливо для відстаней , що перевищують дальність оптичного горизонту . Тому в подальшому розгляді проблеми вдамося до математичного моделювання за допомогою комплекту комп'ютерних програм автора. Розглянемо типове завдання передачі відео з борту БЛА на СР за допомогою модему 3D Link від компанії Геоскан. Вихідні дані такі.
1. Висота підвісу антени НС: 5 м.
2. Висота польоту БЛА: 1000 м-коду.
3. Частота радіолінії: 2.45 ГГц.
4. Коефіцієнт посилення антени НС: 17 дБ.
5. Коефіцієнт посилення антени БЛА: 3 дБ.
6. Потужність передавача: +25 дБм (300 мВт).
7. Швидкість у відеоканалі: 4 Мбіт/сек.
8. Чутливість приймача у відеоканалі: −100.4 дБм (для лінії частот, займаної сигналом 12 МГц).
9. Підстилаюча поверхня: сухий ґрунт.
10. Поляризація: вертикальна.
Відстань прямої оптичної видимості цих вихідних даних становитиме 128.8 км. Результати розрахунків як потужності сигналу на вході приймача модему в дБм представлені на рис. 3.
Мал. 3. Потужність сигналу на вході приймача модему 3D Link
Синя крива на рис. 3 є потужність сигналу на вході приймача СР, червона пряма лінія позначає чутливість цього приймача. По осі X відкладено дальність в км, по осі Y - потужність в dBm. У тих точках дальності в яких синя крива лежить над червоною прямий прийом відео з борту БЛА можливий, інакше зв'язку не буде. З графіка видно, що через осциляції пропадання зв'язку відбудеться в діапазоні дальностей 35.5-35.9 км і далі в діапазоні 55.3-58.6 км. При цьому остаточний розрив з'єднання настане набагато далі після 110.8 км польоту.
Як було зазначено вище провали в напруженості поля виникають через складання в протифазі у місці розташування антени НС прямого і відбитого від Землі сигналу. Від зникнення зв'язку на СР через провали можна позбутися, виконавши 2 умови.
1. Використовувати на СР модем принаймні з двома каналами прийому (RX diversity), наприклад 3D Link .
2. Розташувати приймальні антени на щоглі НС на різної висоті.
Рознесення висот приймальних антен повинен бути виконаний так, щоб провали в напруженості поля в місці розташування однієї антени компенсувалися рівнями вище чутливості приймача в місці розташування іншої антени. На рис. 4 представлений результат такого підходу для випадку розташування однієї антени СР на висоті 5 м (синя суцільна крива), а інший на висоті 4 м (синя пунктирна крива).
Мал. 4. Потужність сигналу на входах двох приймачів модему 3D Link від антен, розташованих на різній висоті
З рис. 4 наочно видно плідність даного методу. Дійсно, протягом усього дистанції польоту БЛА, аж до дальності 110.8 км сигнал на вході хоча б одного приймача СР перевищує рівень чутливості, тобто відео з борту не буде перериватися на всій дистанції польоту.
Запропонований метод, проте, допомагає підвищити надійність виключно радіолінії БЛА → НС, тому можливість встановити антени на різній висоті є тільки на НС. Забезпечити ж рознесення антен по висоті 1 м на БЛА неможливо. Для підвищення надійності радіолінії НС→БЛА можна використовувати такі підходи.
1. Подавати сигнал передавача НС в ту антену, яка приймає від БЛА потужніший сигнал.
2. Використовувати просторово-часові коди, наприклад код Аламоуті .
3. Використовувати технологію керування ДН антени (beamforming) з можливістю керування потужністю сигналу, що спрямовується в кожну з антени.
Перший спосіб близький до оптимального завдання зв'язку з БЛА. Він простий і в ньому вся енергія передавача прямує в потрібному напрямку - оптимально розташовану антену. Наприклад, на дальності 50 км (див. рис. 4) сигнал передавача подається до антени, підвішеної на 5 метрах, а на дальності 60 км — до антени, підвішеної на 4 метрах. Саме цей спосіб використовується в модемі 3D Link . Другий спосіб не використовує апріорних даних про стан каналу зв'язку БЛА→НС (рівнем прийнятих сигналів на виходах антен), тому він ділить енергію передавача порівну між двома антенами, що неминуче призводить до втрат енергії, оскільки одна з антен може перебувати в провалі напруги поля. Третій спосіб якості зв'язку еквівалентний першому, але набагато складніший у реалізації.
Розглянемо далі питання про вплив частоти радіохвиль на дальність зв'язку з БЛА з урахуванням впливу поверхні, що підстилає. Вище було показано, що збільшення частоти вигідно, тому що при фіксованих габаритах антен це призводить до збільшення дальності зв'язку. Однак, питання про залежність від частоти не розглядалося. З слід, що відношення коефіцієнтів посилення антен, рівних за площею та спроектованих для роботи на частотах и , так само
(6)
Для 2450 МГц; 915 МГц отримаємо 7.2 (8.5 дБ). Приблизно так і відбувається практично. Порівняємо, наприклад, параметри наступних антен виробника Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (frequency: 0.83–0.96 GHz; beamwidth: 70°/70°; gain: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (frequency: 2.3–2.5 GHz; beamwidth: 30°/30°; gain: 15 dBi).
Дані антени зручно порівнювати, тому що вони виконані в однакових корпусах 27х27 см, тобто мають однакову площу. Зауважимо, що коефіцієнт посилення антен відрізняється на 15-8 = 7 дБ, що близько до розрахункового значення 8.5 дБ. З характеристик антен також видно, що ширина ДН антени на діапазон 2.3-2.5 ГГц (30 ° / 30 °) більш ніж вдвічі, ніж ширина ДН антени діапазону 0.83 - 0.96 ГГц (70 ° / 70 °), тобто · Підсилення антен при однакових габаритах зростає дійсно за рахунок поліпшення спрямованих властивостей. З урахуванням того, що в лінії зв'язку використовується 2 антени відношення становитиме 2∙8.5=17 дБ. Таким чином, при однакових габаритах антен енергетичний бюджет радіолінії з частотою 2450 МГц буде більше на 17 дБ, ніж бюджет лінії із частотою 915 МГц. У розрахунку також врахуємо той факт, що на БЛА застосовують, як правило, штирьові антени для яких габарити не настільки критичні, як для розглянутих панельних антен НС. Тому приймемо коефіцієнти посилення антени БЛА для частот и рівними. Тобто. різниця енергетичних бюджетів ліній становитиме 8.5 дБ, а чи не 17 дБ. Результати розрахунку, виконаного для цих вихідних даних та висоти підвісу антени НС 5 м наведено на рис. 5.
Мал. 5. Потужність сигналу на вході приймача для радіоліній, що працюють на частотах 915 та 2450 МГц
З рис. 5 наочно видно, що дальність зв'язку зі збільшенням робочої частоти і однакової площі антени СР збільшується від 96.3 км для радіолінії з частотою 915 МГц до 110.8 км для лінії з частотою 2450 МГц. Однак лінія на частоті 915 МГц має меншу частоту осциляцій. Менше осциляцій - менше провалів напруженості поля, тобто менше ймовірність переривання зв'язку з БЛА по всій дистанції польоту. Можливо, саме цей факт зумовлює популярність субгігагерцового діапазону радіохвиль для командно-телеметричних ліній зв'язку з БЛА як найнадійнішого. У той же час, при виконанні описаного вище комплексу дій захисту від осциляцій напруженості поля, радіолінії гігагерцового діапазону забезпечують велику дальність зв'язку за рахунок поліпшення спрямованих властивостей антен.
З розгляду рис. 5 також можна дійти невтішного висновку у тому, що у зоні тіні (після позначки 128.8 км) зниження робочої частоти лінії зв'язку має сенс. Дійсно, у точці приблизно −120 дБм криві потужності для частот и перетинаються. Тобто. при застосуванні приймачів з чутливістю краще −120 дБм радіолінія на частоті 915 МГц забезпечуватиме велику дальність зв'язку. У цьому випадку, однак, потрібно враховувати потрібну пропускну спроможність лінка, т.к. для такого високого значення чутливості інформаційна швидкість буде дуже мала. Наприклад, модем 3D Link хоча і забезпечує чутливість до −122 дБм, але аггрегатна (в обидві сторони) швидкість передачі при цьому становитиме 23 кбіт/сек, що, в принципі, достатньо для КТРЛ зв'язку з БЛА, але явно недостатньо для передачі відео з борту. Таким чином, субгігагерцовий діапазон, дійсно, має невелику перевагу перед гігагерцовим діапазоном для КТРЛ, але явно програє в характеристиках організації відео ліній.
При виборі частоти радіолінії необхідно враховувати послаблення сигналу під час поширення у атмосфері Землі. Для ліній зв'язку НС-БЛА ослаблення в атмосфері викликається газами, дощем, градом, снігом, туманом та хмарами . Для робочих частот радіоліній менше 6 ГГц ослабленням у газах можна знехтувати . Найбільш сильне ослаблення спостерігається у дощах, особливо високої інтенсивності (зливах). У таблиці 1 наведено дані по поганому загасанню [дБ/км] у дощах різної інтенсивності для частот 3-6 ГГц.
Таблиця 1. Погонне ослаблення радіохвиль [дБ/км] у дощах різної інтенсивності залежно від частоти
Частота [ГГц] 3 мм/год (слабкий)
12 мм/година (помірна)
30 мм/год (сильний)
70 мм/год (злива)
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
З табл. 1 слідує, що, наприклад, на частоті 3 ГГц ослаблення в зливі складе близько 0.0087 дБ/км, що на трасі 100 км дасть 0.87 дБ сумарного послаблення. При підвищенні робочої частоти радіолінії ослаблення дощу різко зростає. Для частоти 4 ГГц ослаблення у зливі на цій же трасі складе вже 9.1 дБ, а на частотах 5 та 6 ГГц – 28 та 57 дБ відповідно. При цьому, однак, передбачається, що дощ із заданою інтенсивністю має місце протягом траси, що рідко буває на практиці. Тим не менш, при використанні БЛА в місцевостях, де нерідкі дощі високої інтенсивності рекомендується вибирати робочу частоту радіолінії нижче значення 3 ГГц.
література
1. Смородинов А.А. Хабр. 2019.
2. Калінін А.І., Черенкова О.Л. Поширення радіохвиль та робота радіоліній. Зв'язок. Москва. 1971.
3.
4.
5.
6.
7.
8. CA Balanis. Antenna theory. Analysis and design. Чотири роки. John Wiley & Sons. 2016.
9. Стаття у Вікіпедії.
10. Стаття у Вікіпедії.
11.
12. SM Alamouti. «A simple transmit diversity technique for wireless communications». IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451-1458.
13.
14.
Джерело: habr.com