Prohoster > Blog > quản lý > Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

Nhiệm vụ tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) vẫn phù hợp. Bài viết này thảo luận về các phương pháp để cải thiện tham số này. Bài viết này được viết dành cho các nhà phát triển và vận hành UAV và là phần tiếp theo của loạt bài viết về liên lạc với UAV (ở phần đầu của loạt bài, xem [1].

Điều gì ảnh hưởng đến phạm vi liên lạc

Phạm vi liên lạc phụ thuộc vào modem được sử dụng, ăng-ten, cáp ăng-ten, điều kiện truyền sóng vô tuyến, nhiễu từ bên ngoài và một số lý do khác. Để xác định mức độ ảnh hưởng của một tham số cụ thể đến phạm vi truyền thông, hãy xem xét phương trình phạm vi [2]
(1)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

đâu
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - phạm vi liên lạc yêu cầu [mét];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) — tốc độ ánh sáng trong chân không [m/s];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - tần số [Hz];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - công suất máy phát modem [dBm];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - độ lợi anten máy phát [dBi];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) — tổn hao trên cáp từ modem đến ăng ten máy phát [dB];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - độ lợi anten máy thu [dBi];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) — tổn hao trên cáp từ modem đến ăng ten thu [dB];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - độ nhạy của máy thu modem [dBm];
Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - hệ số suy giảm, có tính đến tổn thất bổ sung do ảnh hưởng của bề mặt Trái đất, thảm thực vật, khí quyển và các yếu tố khác [dB].

Từ phương trình có thể thấy rằng phạm vi được xác định bởi:

  • modem được sử dụng;
  • tần số của kênh vô tuyến;
  • ăng-ten được sử dụng;
  • tổn thất trên cáp;
  • ảnh hưởng đến sự lan truyền của sóng vô tuyến từ bề mặt Trái đất, thảm thực vật, khí quyển, các tòa nhà, v.v.

Tiếp theo, các tham số ảnh hưởng đến phạm vi được xem xét riêng biệt.

Modem được sử dụng

Phạm vi liên lạc chỉ phụ thuộc vào hai thông số của modem: công suất phát Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) và độ nhạy của máy thu Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), hay nói đúng hơn là từ sự khác biệt của chúng - ngân sách năng lượng của modem
(2)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

Để tăng phạm vi liên lạc cần chọn modem có giá trị lớn Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV). Tăng Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) đổi lại, có thể bằng cách tăng Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) hoặc bằng cách giảm Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV). Nên ưu tiên tìm kiếm modem có độ nhạy cao (Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) càng thấp càng tốt), thay vì tăng công suất máy phát Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV). Vấn đề này được thảo luận chi tiết trong bài viết đầu tiên. [1].

Ngoài những vật liệu [1] Điều đáng lưu ý là một số nhà sản xuất, chẳng hạn như Microhard [3], biểu thị trong thông số kỹ thuật của một số thiết bị không phải là mức trung bình mà là công suất cực đại của máy phát, lớn hơn nhiều lần so với mức trung bình và không thể được sử dụng để tính toán phạm vi, vì điều này sẽ dẫn đến phạm vi tính toán vượt xa giá trị thực giá trị. Các thiết bị như vậy bao gồm, ví dụ, mô-đun pDDL2450 phổ biến [4,5]. Thực tế này được rút ra trực tiếp từ kết quả thử nghiệm thiết bị này được thực hiện để đạt được chứng nhận FCC [6] (xem trang 58). Bạn có thể xem kết quả kiểm tra các thiết bị không dây được FCC chứng nhận trên trang web FCC ID [7]bằng cách nhập ID FCC thích hợp vào thanh tìm kiếm, ID này phải có trên nhãn cho biết loại thiết bị. ID FCC của mô-đun pDDL2450 là NS916pDDL2450.

Tần số kênh vô tuyến

Từ phương trình phạm vi (1) Rõ ràng là tần số hoạt động càng thấp Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), phạm vi liên lạc càng lớn Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV). Nhưng chúng ta đừng vội kết luận. Thực tế là các thông số khác có trong phương trình cũng phụ thuộc vào tần số. Ví dụ, độ lợi anten Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) и Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) sẽ phụ thuộc vào tần số trong trường hợp khi kích thước tối đa của anten đã sửa, đó chính xác là những gì xảy ra trong thực tế. Ăng-ten Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), được biểu thị bằng đơn vị không thứ nguyên (lần), có thể được biểu thị bằng diện tích vật lý của ăng-ten Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) theo cách sau [8]
(3)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

đâu Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) - hiệu suất khẩu độ ăng-ten, tức là tỷ lệ giữa diện tích hiệu dụng của ăng-ten và diện tích vật lý (tùy thuộc vào thiết kế ăng-ten) [8].

Của (3) Rõ ràng là đối với một vùng ăng-ten cố định, mức tăng tăng tỷ lệ với bình phương tần số. Hãy thay thế (3) в (1), đã viết lại trước đó (1) sử dụng các đơn vị không thứ nguyên để đạt được độ lợi anten Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), tổn hao cáp Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) và hệ số suy giảm Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)và cũng sử dụng Watts cho Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) и Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) thay vì dBm. Sau đó
(4)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

hệ số ở đâu Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) là hằng số đối với kích thước anten cố định. Do đó, trong tình huống này, phạm vi liên lạc tỷ lệ thuận với tần số, tức là tần số càng cao thì phạm vi càng lớn. Đầu ra. Với kích thước cố định của ăng-ten, việc tăng tần số của liên kết vô tuyến sẽ dẫn đến tăng phạm vi liên lạc bằng cách cải thiện đặc tính định hướng của ăng-ten. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi tần số tăng lên thì sự suy giảm sóng vô tuyến trong khí quyển do khí, mưa, mưa đá, tuyết, sương mù và mây gây ra cũng tăng theo. [2]. Hơn nữa, khi chiều dài đường truyền tăng lên, sự suy giảm trong khí quyển cũng tăng lên. Vì lý do này, đối với mỗi chiều dài đường dẫn và điều kiện thời tiết trung bình trên đó, có một giá trị tối đa nhất định của tần số sóng mang, bị giới hạn bởi mức suy giảm tín hiệu cho phép trong khí quyển. Chúng ta hãy để giải pháp cuối cùng cho câu hỏi về ảnh hưởng của tần số của kênh vô tuyến đến phạm vi liên lạc đến phần sẽ xem xét ảnh hưởng của bề mặt và khí quyển Trái đất đến sự lan truyền của sóng vô tuyến.

Ăng ten

Phạm vi liên lạc được xác định bởi tham số ăng-ten như độ lợi Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) (đạt được trong thuật ngữ tiếng Anh), được đo bằng dBi. Độ lợi là một tham số tổng hợp quan trọng vì nó tính đến: (1) khả năng tập trung năng lượng của máy phát về phía máy thu so với bộ bức xạ đẳng hướng (do đó chỉ số i tính bằng dBi); (2) tổn thất trong chính ăng-ten [8,9]. Để tăng phạm vi liên lạc, bạn nên chọn ăng-ten có giá trị khuếch đại cao nhất có thể từ những ăng-ten phù hợp về thông số trọng lượng, kích thước cũng như khả năng của hệ thống dẫn đường. Khả năng tập trung năng lượng của ăng-ten không phải được cung cấp miễn phí mà chỉ bằng cách tăng kích thước (khẩu độ) của ăng-ten. Ví dụ, ăng-ten thu càng lớn thì diện tích mà nó có thể thu thập năng lượng để cung cấp cho đầu vào máy thu càng lớn và năng lượng càng lớn thì tín hiệu thu được càng mạnh, tức là phạm vi liên lạc sẽ tăng lên. Do đó, trước tiên bạn phải quyết định kích thước ăng-ten tối đa phù hợp với vấn đề đang được giải quyết và giới hạn vùng tìm kiếm theo tham số này, sau đó tìm kiếm một kiểu ăng-ten cụ thể, tập trung vào mức tăng tối đa. Tham số anten quan trọng thứ hai để thực hành là băng thông chùm tia [8,10], được đo bằng độ góc. Thông thường, độ rộng chùm tia được định nghĩa là góc giữa hai hướng không gian tính từ tâm của ăng-ten mà tại đó mức tăng ích của ăng-ten giảm đi 3 dB so với mức tối đa của ăng-ten đó. Chiều rộng của mẫu theo góc phương vị và độ cao có thể khác nhau rất nhiều. Thông số này liên quan chặt chẽ đến kích thước của anten theo quy luật: kích thước lớn hơn - độ rộng chùm tia nhỏ hơn. Tham số này không được đưa trực tiếp vào phương trình phạm vi, nhưng chính tham số này xác định các yêu cầu đối với hệ thống dẫn đường ăng-ten của trạm mặt đất (GS) trên UAV, vì GS, theo quy định, sử dụng ăng-ten có tính định hướng cao, ít nhất là trong các trường hợp trong đó phạm vi liên lạc được tối đa hóa với UAV là ưu tiên hàng đầu. Thật vậy, miễn là hệ thống theo dõi NS đảm bảo độ chính xác góc của việc hướng ăng-ten vào UAV bằng một nửa chiều rộng của mẫu hoặc nhỏ hơn, thì mức tín hiệu thu/phát sẽ không giảm xuống dưới 3 dB so với mức tối đa. Trong mọi trường hợp, một nửa độ rộng chùm tia của ăng-ten được chọn không được nhỏ hơn sai số góc của hệ thống định vị ăng-ten NS theo góc phương vị hoặc độ cao.

Cáp

Để tối đa hóa phạm vi liên lạc, bạn cần sử dụng cáp có độ suy giảm tuyến tính thấp nhất có thể (suy hao cáp hoặc suy hao cáp) trên đang làm việc tần số của liên kết vô tuyến NS-UAV. Độ suy giảm tuyến tính trong cáp được định nghĩa là tỷ lệ của tín hiệu ở đầu ra của đoạn cáp 1 m (trong hệ mét) với tín hiệu ở đầu vào của đoạn cáp, được biểu thị bằng dB. Tổn hao cáp Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)bao gồm trong phương trình phạm vi (1), được xác định bằng cách nhân độ suy giảm tuyến tính với chiều dài cáp. Do đó, để đạt được phạm vi liên lạc tối đa có thể, bạn cần sử dụng cáp có độ suy giảm tuyến tính thấp nhất có thể và giảm thiểu độ dài của các cáp này. Trên NS, các bộ modem phải được lắp đặt trực tiếp trên cột bên cạnh ăng-ten. Trong thân UAV, modem phải được đặt càng gần ăng-ten càng tốt. Nó cũng đáng để kiểm tra trở kháng của cáp đã chọn. Thông số này được đo bằng Ohms và thường bằng 50 hoặc 75 Ohms. Trở kháng của cáp, đầu nối ăng-ten của modem và đầu nối trên ăng-ten phải bằng nhau.

Tác động của bề mặt Trái đất

Trong phần này chúng ta sẽ xem xét sự lan truyền của sóng vô tuyến trên mặt đồng bằng hoặc mặt biển. Tình trạng này thường xuyên xảy ra trong thực tế sử dụng UAV. Giám sát UAV đối với đường ống, đường dây điện, cây nông nghiệp, nhiều hoạt động quân sự và đặc biệt - tất cả những điều này đều được mô hình này mô tả rõ ràng. Kinh nghiệm của con người vẽ cho chúng ta một bức tranh trong đó có thể giao tiếp giữa các vật thể nếu chúng nằm trong trường nhìn thấy quang học trực tiếp của nhau, nếu không thì không thể giao tiếp được. Tuy nhiên, sóng vô tuyến không thuộc phạm vi quang học nên tình huống với chúng có phần khác. Về vấn đề này, sẽ rất hữu ích cho người phát triển và vận hành UAV khi ghi nhớ hai sự thật sau đây.

1. Có thể liên lạc trong phạm vi vô tuyến ngay cả khi không có tầm nhìn trực tiếp giữa NS và UAV.
2. Ảnh hưởng của bề mặt bên dưới đến việc liên lạc với UAV sẽ được cảm nhận ngay cả khi không có vật thể nào trên đường quang NS-UAV.

Để hiểu chi tiết cụ thể về sự truyền sóng vô tuyến gần bề mặt Trái đất, sẽ rất hữu ích nếu bạn làm quen với khái niệm về một vùng truyền sóng vô tuyến đáng kể [2]. Trong trường hợp không có bất kỳ vật thể nào trong vùng truyền sóng vô tuyến đáng kể, việc tính toán phạm vi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các công thức về không gian trống, tức là Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) в (1) có thể lấy bằng 0. Nếu có vật thể trong vùng thiết yếu thì điều này không thể thực hiện được. Trong bộ lễ phục. 1 tại điểm A có một điểm phát nằm ở độ cao Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) phía trên bề mặt Trái đất, nơi phát ra năng lượng điện từ theo mọi hướng với cường độ bằng nhau. Tại điểm B ở độ cao Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) có một máy thu để đo cường độ trường. Trong mô hình này, vùng truyền sóng vô tuyến thiết yếu là một hình elip có tiêu điểm tại các điểm A và B.

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)
Cơm. 1. Diện tích lan truyền sóng vô tuyến đáng kể

Bán kính của hình elip ở phần “dày nhất” của nó được xác định bằng biểu thức [2]
(5)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

Của (5) Rõ ràng là Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) phụ thuộc vào tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) tỷ lệ nghịch thì càng nhỏ Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), hình elip càng dày (Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) trong bộ lễ phục. 1). Ngoài ra, “độ dày” của ellipsoid tăng lên khi khoảng cách giữa các đối tượng giao tiếp ngày càng tăng. Đối với sóng vô tuyến Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) có thể có một giá trị khá ấn tượng, vì vậy khi Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)10 km, Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)Chúng tôi nhận được 2.45 GHz Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)50 60m.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét vật thể mờ đục được mô tả bằng hình tam giác màu xám trong Hình. 1. Nó sẽ ảnh hưởng đến sự lan truyền của sóng vô tuyến có tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), vì nó nằm trong vùng lan truyền đáng kể và hầu như không ảnh hưởng đến việc truyền sóng vô tuyến có tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV). Đối với sóng vô tuyến trong phạm vi quang học (ánh sáng), giá trị Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) nhỏ nên không thấy ảnh hưởng của bề mặt Trái đất đến sự truyền ánh sáng trong thực tế. Xét rằng bề mặt Trái Đất là một hình cầu, dễ hiểu rằng với khoảng cách ngày càng tăng Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), bề mặt bên dưới sẽ ngày càng di chuyển vào vùng lan truyền đáng kể, do đó ngăn chặn dòng năng lượng từ điểm A đến điểm B - kết thúc câu chuyện, liên lạc với UAV bị gián đoạn. Các vật thể khác trên tuyến đường, chẳng hạn như địa hình không bằng phẳng, các tòa nhà, rừng rậm, v.v., cũng sẽ ảnh hưởng tương tự đến việc liên lạc.

Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào hình. 2 trong đó một vật thể mờ đục bao phủ hoàn toàn một vùng truyền sóng vô tuyến có tần số đáng kể Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), khiến việc liên lạc trên tần số này không thể thực hiện được. Đồng thời, truyền thông trên tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) cũng có thể xảy ra vì một phần năng lượng “nhảy” qua vật thể mờ đục. Tần số càng thấp thì sóng vô tuyến có thể lan truyền càng xa, duy trì liên lạc ổn định với UAV.

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)
Cơm. 2. Bao phủ một vùng truyền sóng vô tuyến đáng kể

Mức độ ảnh hưởng của bề mặt Trái Đất đến thông tin liên lạc còn phụ thuộc vào độ cao của anten Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) и Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV). Chiều cao của anten càng lớn thì khoảng cách mà các điểm A và B có thể dịch chuyển xa nhau càng lớn mà không để vật thể hoặc bề mặt bên dưới rơi vào một diện tích đáng kể.

Khi vật hoặc bề mặt bên dưới di chuyển vào một khu vực đáng kể, cường độ trường tại điểm B sẽ dao động [2], tức là nó sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn cường độ trường trung bình. Điều này xảy ra do sự phản xạ năng lượng từ vật thể. Năng lượng phản xạ có thể được thêm vào điểm B với năng lượng chính cùng pha - sau đó cường độ trường tăng lên hoặc ngược pha - sau đó cường độ trường giảm (và khá sâu). Điều quan trọng là phải nhớ hiệu ứng này để hiểu chi tiết cụ thể về giao tiếp với UAV. Mất liên lạc với UAV ở một phạm vi nhất định có thể do cường độ trường giảm cục bộ do dao động, tức là nếu bạn bay xa hơn một chút, kết nối có thể được khôi phục. Việc mất liên lạc cuối cùng sẽ chỉ xảy ra sau khi một khu vực quan trọng bị chặn hoàn toàn bởi các vật thể hoặc bề mặt bên dưới. Tiếp theo, các phương pháp sẽ được đề xuất để khắc phục hậu quả của dao động cường độ trường.

Công thức tính hệ số suy giảm Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) Khi truyền sóng vô tuyến trên bề mặt nhẵn của Trái đất, chúng khá phức tạp, đặc biệt là đối với khoảng cách Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), vượt quá phạm vi của chân trời quang học [2]. Do đó, để xem xét sâu hơn về vấn đề, chúng tôi sẽ sử dụng mô hình toán học bằng cách sử dụng bộ chương trình máy tính của tác giả. Hãy xem xét một nhiệm vụ điển hình là truyền video từ UAV đến NS bằng modem 3D Link [11] của công ty Geoscan. Dữ liệu ban đầu như sau.

1. Chiều cao lắp đặt anten NS: 5 m.
2. Độ cao bay của UAV: ​​1000 m.
3. Tần số liên kết vô tuyến: 2.45 GHz.
4. Độ lợi anten NS: 17 dB.
5. Độ lợi anten của UAV: ​​3 dB.
6. Công suất máy phát: +25 dBm (300 mW).
7. Tốc độ kênh video: 4 Mbit/giây.
8. Độ nhạy của máy thu trong kênh video: −100.4 dBm (đối với dải tần được chiếm bởi tín hiệu 12 MHz).
9. Chất nền: đất khô.
10. Phân cực: dọc.

Khoảng cách tầm nhìn của những dữ liệu ban đầu này sẽ là 128.8 km. Kết quả tính toán dưới dạng công suất tín hiệu ở đầu vào máy thu modem tính bằng dBm được trình bày trên hình 3. XNUMX.

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)
Cơm. 3. Cường độ tín hiệu ở đầu vào của bộ thu modem 3D Link [11]

Đường cong màu xanh trong hình. 3 là công suất tín hiệu ở đầu vào của máy thu NS, đường thẳng màu đỏ biểu thị độ nhạy của máy thu này. Trục X hiển thị phạm vi tính bằng km và trục Y hiển thị công suất tính bằng dBm. Tại những điểm trong phạm vi mà đường cong màu xanh nằm phía trên đường màu đỏ, có thể thu video trực tiếp từ UAV, nếu không sẽ không có liên lạc. Biểu đồ cho thấy do dao động nên mất liên lạc sẽ xảy ra trong phạm vi 35.5–35.9 km và xa hơn trong phạm vi 55.3–58.6 km. Trong trường hợp này, lần ngắt kết nối cuối cùng sẽ xảy ra xa hơn nhiều - sau chuyến bay 110.8 km.

Như đã đề cập ở trên, cường độ trường giảm xuống do có thêm phản pha tại vị trí ăng-ten NS của tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ bề mặt Trái đất. Bạn có thể thoát khỏi tình trạng mất liên lạc trên NS do lỗi bằng cách đáp ứng 2 điều kiện.

1. Sử dụng modem trên NS có ít nhất hai kênh thu (phân tập RX), ví dụ 3D Link [11].
2. Đặt ăng-ten thu sóng trên cột NS trên khác nhau Chiều cao.

Khoảng cách độ cao của các ăng-ten thu phải được thực hiện sao cho cường độ trường giảm tại vị trí của một ăng-ten được bù bằng các mức cao hơn độ nhạy của máy thu tại vị trí của ăng-ten khác. Trong bộ lễ phục. Hình 4 cho thấy kết quả của phương pháp này trong trường hợp một ăng-ten NS được đặt ở độ cao 5 m (đường cong liền màu xanh lam) và anten kia ở độ cao 4 m (đường cong chấm màu xanh lam).

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)
Cơm. 4. Công suất tín hiệu ở đầu vào của hai bộ thu modem 3D Link từ các ăng-ten đặt ở các độ cao khác nhau

Từ hình. Hình 4 cho thấy rõ hiệu quả của phương pháp này. Thật vậy, trong toàn bộ quãng đường bay của UAV, lên tới phạm vi 110.8 km, tín hiệu ở đầu vào của ít nhất một máy thu NS vượt quá mức độ nhạy, tức là video từ bảng sẽ không bị gián đoạn trong toàn bộ quãng đường bay. .

Tuy nhiên, phương pháp đề xuất chỉ giúp tăng độ tin cậy của liên kết vô tuyến UAV→NS vì khả năng lắp đặt ăng-ten ở các độ cao khác nhau chỉ có trên NS. Không thể đảm bảo khoảng cách anten 1 m trên UAV. Để tăng độ tin cậy của liên kết vô tuyến NS→UAV, có thể sử dụng các phương pháp sau.

1. Đưa tín hiệu máy phát NS tới ăng-ten nhận tín hiệu mạnh hơn từ UAV.
2. Sử dụng mã không-thời gian, chẳng hạn như mã Alamouti [12].
3. Sử dụng công nghệ tạo chùm anten với khả năng kiểm soát công suất tín hiệu gửi đến từng anten.

Phương pháp đầu tiên gần tối ưu trong vấn đề liên lạc với UAV. Nó đơn giản và trong đó tất cả năng lượng của máy phát đều được hướng đúng hướng - đến một ăng-ten được đặt ở vị trí tối ưu. Ví dụ: ở phạm vi 50 km (xem Hình 4), tín hiệu máy phát được đưa đến ăng-ten treo ở độ cao 5 mét và ở phạm vi 60 km - tới ăng-ten treo ở độ cao 4 mét. Đây là phương pháp được sử dụng trong modem 3D Link [11]. Phương pháp thứ hai không sử dụng dữ liệu tiên nghiệm về trạng thái của kênh liên lạc UAV→NS (mức tín hiệu nhận được ở đầu ra ăng ten), do đó, nó chia đều năng lượng máy phát cho hai ăng ten, điều này chắc chắn dẫn đến tổn thất năng lượng, vì một của anten có thể ở cường độ trường lỗ trống. Phương pháp thứ ba tương đương với phương pháp thứ nhất về chất lượng truyền thông, nhưng khó thực hiện hơn nhiều.

Chúng ta hãy xem xét thêm vấn đề ảnh hưởng của tần số sóng vô tuyến đến phạm vi liên lạc với UAV, có tính đến ảnh hưởng của bề mặt bên dưới. Ở trên đã chỉ ra rằng việc tăng tần số là có lợi vì với kích thước cố định của ăng-ten, điều này dẫn đến phạm vi liên lạc tăng lên. Tuy nhiên, vấn đề phụ thuộc Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) tần số không được xem xét. Từ (3) theo đó tỷ số giữa độ lợi của anten có diện tích bằng nhau và được thiết kế để hoạt động ở tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) и Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV), bằng
(6)

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)

vì Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)2450 MHz; Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)Chúng tôi nhận được 915 MHz Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)7.2 (8.5 dB). Đây là khoảng những gì xảy ra trong thực tế. Ví dụ: hãy so sánh các thông số của ăng-ten sau từ Dụng cụ không dây:

  • WiBOX PA 0809-8V [13] (tần số: 0.83–0.96 GHz; độ rộng chùm tia: 70°/70°; khuếch đại: 8 dBi);
  • WiBOX PA 24-15 [14] (tần số: 2.3–2.5 GHz; độ rộng chùm tia: 30°/30°; tăng: 15 dBi).

Thật thuận tiện khi so sánh các ăng-ten này vì chúng được làm trong cùng một vỏ 27x27 cm, tức là chúng có cùng diện tích. Lưu ý rằng mức tăng ăng-ten chênh lệch 15−8=7 dB, gần với giá trị tính toán là 8.5 dB. Từ các đặc điểm của ăng-ten, cũng có thể thấy rõ rằng chiều rộng của mẫu ăng-ten trong phạm vi 2.3–2.5 GHz (30°/30°) hẹp hơn hai lần so với chiều rộng của mẫu ăng-ten trong phạm vi 0.83–0.96 GHz (70°/70°), tức là độ lợi của ăng-ten có cùng kích thước thực sự tăng lên do sự cải thiện các đặc tính định hướng. Có tính đến thực tế là 2 ăng-ten được sử dụng trong đường truyền thông, tỷ lệ Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) sẽ là 2∙8.5=17 dB. Do đó, với cùng kích thước ăng-ten, ngân sách năng lượng của liên kết vô tuyến có tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)2450 MHz sẽ cao hơn 17 dB so với ngân sách đường truyền có tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)915 MHz. Trong tính toán, chúng tôi cũng tính đến thực tế là các UAV, theo quy luật, sử dụng ăng-ten roi có kích thước không quan trọng bằng ăng-ten bảng NS được xem xét. Vì vậy, chúng tôi chấp nhận mức tăng ăng-ten UAV cho tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) и Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) bình đẳng. Những thứ kia. sự khác biệt trong ngân sách năng lượng của các đường dây sẽ là 8.5 dB chứ không phải 17 dB. Kết quả tính toán được thực hiện đối với các dữ liệu ban đầu này và độ cao 5 m của ăng ten NS được thể hiện trong Hình 5. XNUMX.

Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV)
Cơm. 5. Công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu đối với các đường truyền vô tuyến hoạt động ở tần số 915 và 2450 MHz

Từ hình. Hình 5 cho thấy rõ rằng phạm vi liên lạc khi tăng tần số hoạt động và cùng diện tích của ăng-ten NS tăng từ 96.3 km đối với liên kết vô tuyến có tần số 915 MHz lên 110.8 km đối với liên kết có tần số 2450 MHz. . Tuy nhiên, đường truyền ở tần số 915 MHz có tần số dao động thấp hơn. Ít dao động hơn có nghĩa là cường độ trường giảm ít hơn, tức là ít có khả năng làm gián đoạn liên lạc với UAV trong toàn bộ khoảng cách bay. Có lẽ chính thực tế này đã quyết định mức độ phổ biến của dải sóng vô tuyến dưới gigahertz đối với các đường dây liên lạc chỉ huy và đo từ xa với UAV là đáng tin cậy nhất. Đồng thời, khi thực hiện tập hợp các hành động được mô tả ở trên để bảo vệ khỏi dao động cường độ trường, các liên kết vô tuyến trong phạm vi gigahertz sẽ cung cấp phạm vi liên lạc lớn hơn bằng cách cải thiện đặc tính định hướng của ăng-ten.

Từ việc xem xét Hình. 5, chúng ta cũng có thể kết luận rằng trong vùng bóng tối (sau mốc 128.8 km), việc giảm tần số hoạt động của đường dây liên lạc là có ý nghĩa. Thật vậy, tại điểm xấp xỉ −120 dBm, đường cong công suất đối với tần số Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) и Cách tăng phạm vi liên lạc với máy bay không người lái (UAV) giao nhau. Những thứ kia. Khi sử dụng máy thu có độ nhạy tốt hơn −120 dBm, liên kết vô tuyến ở tần số 915 MHz sẽ cung cấp phạm vi liên lạc dài hơn. Tuy nhiên, trong trường hợp này, băng thông liên kết yêu cầu phải được tính đến, vì đối với giá trị độ nhạy cao như vậy thì tốc độ thông tin sẽ rất thấp. Ví dụ: modem Liên kết 3D [11] Mặc dù nó cung cấp độ nhạy lên tới −122 dBm, tốc độ truyền thông tin tổng hợp (theo cả hai hướng) sẽ là 23 kbit/giây, về nguyên tắc, đủ để liên lạc KTRL với UAV, nhưng rõ ràng là không đủ để truyền video từ trên xuống. Cái bảng. Do đó, phạm vi dưới gigahertz thực sự có lợi thế hơn một chút so với phạm vi gigahertz đối với KTRL, nhưng rõ ràng lại mất đi các đặc điểm khi tổ chức các đường truyền video.

Khi chọn tần số liên kết vô tuyến, bạn cũng phải tính đến độ suy giảm của tín hiệu khi nó truyền qua bầu khí quyển Trái đất. Đối với các liên kết liên lạc NS-UAV, sự suy giảm trong khí quyển là do khí, mưa, mưa đá, tuyết, sương mù và mây [2]. Đối với tần số hoạt động của các liên kết vô tuyến nhỏ hơn 6 GHz, có thể bỏ qua sự suy giảm chất khí [2]. Sự suy yếu nghiêm trọng nhất được quan sát thấy khi có mưa, đặc biệt là với cường độ cao (mưa rào). Bảng 1 cho thấy dữ liệu [2] bởi sự suy giảm tuyến tính [dB/km] trong những cơn mưa có cường độ khác nhau ở tần số 3–6 GHz.

Bảng 1. Độ suy giảm tuyến tính của sóng vô tuyến [dB/km] trong các cơn mưa có cường độ khác nhau tùy theo tần số

Tần số [GHz] 3 mm/giờ (yếu)
12 mm/giờ (trung bình)
30 mm/giờ (mạnh)
70 mm/giờ (mưa)

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

Từ cái bàn 1 cho thấy, ví dụ, ở tần số 3 GHz, độ suy giảm trong cơn mưa rào sẽ vào khoảng 0.0087 dB/km, trên đường dẫn 100 km sẽ cho tổng độ suy giảm là 0.87 dB. Khi tần số hoạt động của liên kết vô tuyến tăng lên thì độ suy giảm trong mưa tăng mạnh. Đối với tần số 4 GHz, độ suy giảm trong vòi hoa sen trên cùng một đường dẫn sẽ là 9.1 dB và ở tần số 5 và 6 GHz - tương ứng là 28 và 57 dB. Tuy nhiên, trong trường hợp này, người ta giả định rằng mưa với cường độ nhất định xảy ra dọc theo toàn bộ tuyến đường, điều này hiếm khi xảy ra trong thực tế. Tuy nhiên, khi sử dụng UAV ở những khu vực thường xuyên có mưa cường độ cao, nên chọn tần số hoạt động của đường truyền vô tuyến dưới 3 GHz.

Văn chương

1. Smorodinov A.A. Cách chọn modem băng thông rộng cho máy bay không người lái (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Sự lan truyền sóng vô tuyến và hoạt động của các liên kết vô tuyến. Sự liên quan. Mátxcơva. 1971.
3. Microhard.
4. Thông số kỹ thuật pDDL2450 của Liên kết dữ liệu kỹ thuật số Pico.
5. Đặc điểm kỹ thuật OEM của Picoradio.
6. Báo cáo thử nghiệm kỹ thuật. Mô-đun liên kết dữ liệu kỹ thuật số Pico 2.4GHz 1W.
7. ID FCC.
8. CA Balanis. Lý thuyết anten. Phân tích và thiết kế. Ấn bản thứ tư. John Wiley & Con trai. 2016.
9. Ăng-ten. bài viết Wikipedia.
10. độ rộng chùm tia. bài viết Wikipedia.
11. Modem vô tuyến song công kỹ thuật số 3D Link.
12. SM Alamouti. "Một kỹ thuật phân tập truyền tải đơn giản cho truyền thông không dây." Tạp chí IEEE về các lĩnh vực được lựa chọn trong truyền thông. 16(8):1451–1458.
13. Anten máy khách PTP WiBOX PA 0809-8V.
14. Ăng-ten máy khách PTP WiBOX PA 24-15.

Nguồn: www.habr.com

Thêm một lời nhận xét