增加无人机（UAV）通信范围的任务仍然具有现实意义。 本文讨论改进该参数的方法。 本文是为无人机开发人员和操作员撰写的，是有关与无人机通信的系列文章的延续（有关该系列的开头部分，请参阅 .
影响通讯范围的因素有哪些
通信范围取决于所使用的调制解调器、天线、天线电缆、无线电波传播条件、外部干扰和其他一些原因。 为了确定特定参数对通信范围的影响程度，请考虑范围方程
(1)
哪里
——所需的通信范围[米]；
— 真空中的光速[米/秒]；
——频率[Hz]；
— 调制解调器发射机功率 [dBm]；
— 发射机天线增益 [dBi]；
— 从调制解调器到发射机天线的电缆损耗 [dB]；
— 接收机天线增益 [dBi]；
— 从调制解调器到接收器天线的电缆损耗 [dB]；
— 调制解调器接收器的灵敏度 [dBm]；
— 衰减乘数，考虑由于地球表面、植被、大气和其他因素影响造成的额外损耗[dB]。
从方程可以看出，范围由下式决定：
- 使用的调制解调器；
- 无线电频道的频率；
- 使用的天线；
- 电缆损耗；
- 对地球表面、植被、大气、建筑物等无线电波传播的影响。
接下来，分别考虑影响范围的参数。
使用调制解调器
通信范围仅取决于调制解调器的两个参数：发射器功率 和接收灵敏度 ，或者更确切地说，从它们的差异 - 调制解调器的能量预算
(2)
为了增加通讯范围，需要选择数值较大的调制解调器 。 增加 反过来，可以通过增加 或通过减少 。 应优先搜索具有高灵敏度的调制解调器（ 尽可能低），而不是增加发射机功率 。 这个问题在第一篇文章中有详细讨论。 .
除了材料之外 值得记住的是，一些制造商，例如 Microhard ，有些设备的规格中标明的不是平均值，而是发射机的峰值功率，该峰值功率比平均值大几倍，不能用来计算距离，因为这会导致计算出的距离大大超过真实距离价值。 例如，此类设备包括流行的 pDDL2450 模块 [,]。 这一事实直接源自该设备为获得 FCC 认证而进行的测试结果 （参见第 58 页）。 FCC 认证的无线设备的测试结果可以在 FCC ID 网站上查看 在搜索栏中输入适当的 FCC ID，该 ID 应位于指示设备类型的标签上。 pDDL2450 模块的 FCC ID 为 NS916pDDL2450。
无线电频道频率
从极差方程 显然，工作频率越低 ，通讯范围越大 。 但我们不要急于下结论。 事实上，方程中包含的其他参数也取决于频率。 例如，天线增益 и 将取决于天线最大尺寸的情况下的频率 固定的，这正是实践中发生的情况。 天线增益 ，以无量纲单位（次）表示，可以用天线的物理面积来表示 如下
(3)
哪里 — 天线孔径效率，即有效天线面积与物理面积之比（取决于天线设计） .
的 显而易见，对于固定的天线面积，增益与频率的平方成正比增加。 我们来代替 в ，之前重写过 使用无量纲单位计算天线增益 , , 电缆损耗 , 和衰减系数 ，并且还使用瓦特 и 而不是 dBm。 然后
(4)
其中 是系数 是固定天线尺寸的常数。 因此，在这种情况下，通信范围与频率成正比，即频率越高，范围越大。 输出。 在天线尺寸固定的情况下，增加无线电链路的频率可以通过改善天线的方向特性来增加通信范围。 然而，必须记住，随着频率的增加，由气体、雨、冰雹、雪、雾和云引起的无线电波在大气中的衰减也会增加。 。 此外，随着路径长度的增加，大气中的衰减也增加。 因此，对于每个路径长度和其上的平均天气条件，存在一定的载波频率最大值，该最大值受到大气中信号衰减的允许水平的限制。 让我们把无线电信道的频率对通信范围的影响问题的最终解决方案留给考虑地球表面和大气对无线电波传播的影响的部分。
天线
通信范围由增益等天线参数决定 （英语术语增益），以 dBi 为单位测量。 增益是一个重要的综合参数，因为它考虑到： (1) 与各向同性辐射器相比，天线将发射器的能量集中到接收器的能力（因此索引 i 的单位为 dBi）； (2) 天线本身的损耗[,]。 为了增加通信范围，应在重量、尺寸参数以及制导系统能力合适的天线中选择增益值尽可能高的天线。 天线聚焦能量的能力并不是免费提供的，而是只能通过增加天线的尺寸（孔径）来实现。 例如，接收天线越大，能够收集能量提供给接收器输入的面积就越大，能量越多，接收到的信号就越强，即通信范围增加。 因此，您必须首先确定足以解决问题的最大天线尺寸，并通过该参数限制搜索区域，然后搜索特定的天线模型，重点关注最大增益。 实践中第二个重要的天线参数是波束宽度[,]，以角度测量。 通常，波束宽度定义为距天线中心的两个空间方向之间的角度，在该角度处天线增益从该天线的最大值减少 3 dB。 方位角和仰角图案的宽度可能变化很大。 根据以下规则，该参数与天线的尺寸密切相关：尺寸越大 - 波束宽度越小。 该参数并不直接包含在距离方程中，但正是该参数决定了无人机上地面站（GS）天线制导系统的要求，因为 GS 通常使用高方向性天线，至少在在范围最大化的情况下，与无人机的通信是优先考虑的。 事实上，只要 NS 跟踪系统确保将天线指向无人机的角度精度等于或小于图案宽度的一半，接收/发射信号的电平就不会低于最大值 3 dB。 在任何情况下，所选天线的波束宽度的一半都不应小于 NS 天线指向系统在方位角或仰角方面的角度误差。
电缆
为了最大化通信范围，您需要使用线性衰减（电缆衰减或电缆损耗）尽可能低的电缆 工作中 NS-UAV 无线电链路的频率。 电缆中的线性衰减定义为 1 m 电缆段（公制）输出处的信号与电缆段输入处的信号之比，以 dB 表示。 电缆损耗 包含在范围方程中 ，通过将线性衰减乘以电缆长度来确定。 因此，为了获得最大可能的通信范围，您需要使用线性衰减尽可能最低的电缆，并尽量缩短这些电缆的长度。 在 NS 上，调制解调器单元必须直接安装在天线旁边的桅杆上。 在无人机机身中，调制解调器应尽可能靠近天线。 检查所选电缆的阻抗也是值得的。 该参数以欧姆为单位测量，通常等于 50 或 75 欧姆。 电缆、调制解调器的天线连接器和天线本身的连接器的阻抗必须相等。
地球表面的影响
在本节中，我们将研究无线电波在平原或海面上的传播。 这种情况在无人机使用实践中经常出现。 无人机对管道、电力线、农作物、许多军事和特种行动的监控——所有这些都可以通过该模型得到很好的描述。 人类经验为我们描绘了这样一幅图景：如果物体处于彼此直接光学可见的范围内，则物体之间的通信是可能的，否则通信是不可能的。 然而，无线电波不属于光学范围，因此情况有所不同。 在这方面，无人机开发商和运营商记住以下两个事实是有用的。
1. 即使 NS 和无人机之间没有直接可见性，也可以在无线电范围内进行通信。
2. 即使 NS-UAV 光线上没有物体，也会感受到下垫面对与无人机通信的影响。
要了解地球表面附近无线电波传播的具体情况，熟悉无线电波传播重要区域的概念很有用 。 在无线电波传播的重要区域中没有任何物体的情况下，可以使用自由空间公式进行范围计算，即 в 可以取等于0。如果基本区域中有物体，则不能这样做。 在图中。 1 在 A 点有一个点发射器，位于一定高度 地球表面上方，向各个方向发射强度相等的电磁能。 B点海拔高度 有一个用于测量场强的接收器。 在该模型中，无线电波传播的基本区域是一个焦点位于 A 点和 B 点的椭球体。
米。 1. 无线电波传播的重要区域
椭球体“最厚”部分的半径由以下表达式确定
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的 很明显 取决于频率 成反比，越少 ，椭球体“越厚”（ 在图中1）。 此外，椭球的“厚度”随着通信对象之间距离的增加而增加。 对于无线电波 可以有一个相当令人印象深刻的价值，所以当 10公里 我们得到 2.45 GHz 50÷60 m。
现在让我们考虑一下图 1 中灰色三角形所描绘的不透明物体。 XNUMX.它会影响某个频率的无线电波的传播 ，因为它位于重要的传播区域，并且对具有一定频率的无线电波的传播几乎没有影响 。 对于光学范围（光）内的无线电波，该值 很小，因此在实际中感受不到地球表面对光传播的影响。 考虑到地球表面是一个球体，很容易理解，随着距离的增加 ，下垫面将越来越多地移入重要的传播区域，从而阻止能量从 A 点到 B 点的流动 - 故事结束，与无人机的通信中断。 路线上的其他物体，如不平坦的地形、建筑物、森林等，同样会影响通信。
现在让我们看一下图。 2 其中不透明物体完全覆盖了具有一定频率的无线电波传播的重要区域 ，使得该频率上的通信变得不可能。 同时，在频率上进行通信 也是可能的，因为部分能量“跳跃”到不透明物体上。 频率越低，无线电波可以传播到越远的光学地平线之外，从而保持与无人机的稳定通信。
米。 2.覆盖无线电波传播的重要区域
地球表面对通信的影响程度还取决于天线的高度 и 。 天线的高度越大，A 点和 B 点可以移开的距离就越大，而不会导致物体或下面的表面落入较大区域。
当物体或下垫面移动到一个重要区域时，B 点的场强将会振荡 ，即它将大于或小于平均场强。 这是由于物体反射能量而发生的。 反射能量可以在 B 点与主能量同相添加 - 然后场强发生上升，或者反相 - 然后场强发生下降（并且相当深）。 记住这种效应对于理解无人机通信的细节非常重要。 在一定范围内与无人机失去通信可能是由于振荡导致场强局部降低而导致的，也就是说，如果您再飞行一段距离，连接就可以恢复。 只有在相当大的区域被物体或下面的表面完全阻挡后，才会发生最终的通信丢失。 接下来，将提出应对场强振荡后果的方法。
衰减系数的计算公式 当无线电波在地球光滑的表面上传播时，它们非常复杂，特别是对于距离而言 ，超出光学地平线范围 。 因此，在进一步考虑这个问题时，我们将使用作者的计算机程序集进行数学建模。 让我们考虑使用 3D Link 调制解调器将视频从 UAV 传输到 NS 的典型任务 来自 Geoscan 公司。 初始数据如下。
1. NS天线安装高度：5 m。
2、无人机飞行高度：1000米。
3. 无线电链路频率：2.45 GHz。
4. NS天线增益：17 dB。
5、无人机天线增益：3dB。
6. 发射机功率：+25 dBm (300 mW)。
7. 视频通道速度：4 Mbit/秒。
8、视频通道接收灵敏度：-100.4dBm（12MHz信号占用频段）。
9、基质：干燥土壤。
10. 极化：垂直。
这些初始数据的视距距离将为 128.8 公里。 图 3 给出了调制解调器接收器输入端信号功率（以 dBm 为单位）形式的计算结果。 XNUMX.
米。 3. 3D Link 调制解调器接收器输入端的信号强度
图中蓝色曲线。 3是NS接收器输入端的信号功率，红色直线表示该接收器的灵敏度。 X 轴显示以 km 为单位的范围，Y 轴显示以 dBm 为单位的功率。 在蓝色曲线位于红色曲线之上的那些范围点，可以从无人机直接接收视频，否则将无法进行通信。 从图中可以看出，由于振荡，在35.5-35.9 km范围内将出现通信丢失，进一步在55.3-58.6 km范围内将出现通信丢失。 在这种情况下，最终断开连接将发生在更远的地方 - 在飞行 110.8 公里之后。
如上所述，场强下降的原因是直接信号和从地球表面反射的信号在 NS 天线位置的反相相加。 您可以通过满足 2 个条件来消除由于故障而导致 NS 上的通信丢失。
1. 在 NS 上使用具有至少两个接收通道（RX 分集）的调制解调器，例如 3D Link .
2. 将接收天线放置在 NS 桅杆上 不同 高度。
接收天线的高度间隔必须使得一个天线位置处的场强下降能够通过高于另一天线位置处的接收器灵敏度的水平来补偿。 在图中。 图 4 显示了这种方法的结果，其中一个 NS 天线位于 5 m 高度（蓝色实线），另一个位于 4 m 高度（蓝色虚线）。
米。 4. 位于不同高度的天线的两个 3D Link 调制解调器接收器输入端的信号功率
从图. 图 4 清楚地显示了该方法的成果。 事实上，在无人机的整个飞行距离（直至110.8公里的范围）中，至少一个NS接收器输入端的信号超过了灵敏度水平，即在整个飞行距离中，来自板卡的视频不会中断。
然而，所提出的方法仅有助于提高 UAV→NS 无线电链路的可靠性，因为只有 NS 才具备在不同高度安装天线的能力。 无法确保无人机上天线的高度间隔为 1 m。 为了提高 NS→UAV 无线电链路的可靠性，可以使用以下方法。
1. 将 NS 发射机信号馈送到从无人机接收更强大信号的天线。
2.使用空时码，例如Alamouti码 .
3. 使用天线波束成形技术，能够控制发送到每个天线的信号功率。
第一种方法在与无人机通信的问题上接近最佳。 它很简单，所有发射机能量都被引导到正确的方向 - 到达最佳位置的天线。 例如，在 50 公里范围内（见图 4），发射机信号被馈送到悬挂在 5 米处的天线，而在 60 公里范围内，则馈送到悬挂在 4 米处的天线。 这是3D Link调制解调器中使用的方法 。 第二种方法不使用有关 UAV→NS 通信信道状态的先验数据（天线输出处接收信号的电平），因此它将发射机能量在两个天线之间平均分配，这不可避免地导致能量损失，因为天线的场强可以是空穴。 第三种方法在通信质量方面与第一种方法相当，但实现难度要大得多。
让我们进一步考虑无线电波频率对无人机通信范围的影响问题，同时考虑下垫面的影响。 上面表明，增加频率是有益的，因为在天线尺寸固定的情况下，这会导致通信范围的增加。 但依赖问题 没有考虑频率。 从 由此可见，面积相等并设计工作频率的天线增益之比 и ， 等于
(6)
为 2450兆赫； 我们得到 915 MHz 7.2（8.5 分贝）。 这大约是实践中发生的情况。 例如，我们比较一下 Wireless Instruments 的以下天线的参数：
- WiBOX PA 0809-8V [13]（频率：0.83–0.96 GHz；波束宽度：70°/70°；增益：8 dBi）；
- WiBOX PA 24-15 [14]（频率：2.3–2.5 GHz；波束宽度：30°/30°；增益：15 dBi）。
比较这些天线很方便，因为它们是在相同的 27x27 厘米外壳中制成的，即它们具有相同的面积。 请注意，天线增益相差 15−8=7 dB，接近计算值 8.5 dB。 从天线的特性还可以清楚地看出，2.3–2.5 GHz (30°/30°) 范围内的天线方向图宽度是 0.83–0.96 范围内的天线方向图宽度的两倍多GHz（70°/70°），即相同尺寸的天线增益实际上由于方向性的改善而增加。 考虑到通信线路中使用2根天线，比例 将为 2∙8.5=17 dB。 因此，在天线尺寸相同的情况下，频率相同的无线电链路的能量预算 2450 MHz 将比线路预算多 17 dB 915兆赫。 在计算中，我们还考虑到无人机通常使用鞭状天线，其尺寸不像所考虑的 NS 平板天线那么重要。 因此，我们接受无人机天线增益的频率 и 平等的。 那些。 线路能量预算的差异将为 8.5 dB，而不是 17 dB。 对这些初始数据和 NS 天线 5 m 高度进行的计算结果如图 5 所示。 XNUMX.
米。 5. 工作频率为 915 和 2450 MHz 的无线电链路接收器输入端的信号功率
从图. 图5清楚地表明，随着工作频率和NS天线相同面积的增加，通信范围从频率为96.3 MHz的无线电链路的915 km增加到频率为110.8 MHz的链路的2450 km 。 然而，915 MHz 线路的振荡频率较低。 振荡越少意味着场强下降越少，即在整个飞行距离内中断与无人机通信的可能性较小。 也许正是这一事实决定了亚千兆赫兹无线电波范围用于指挥和遥测通信线路的普及，其中无人机是最可靠的。 同时，当执行上述一组操作以防止场强振荡时，千兆赫范围内的无线电链路通过改善天线的方向特性来提供更大的通信范围。
从图的考虑从图5中我们还可以得出结论，在阴影区（128.8公里标记之后）降低通信线路的工作频率是有意义的。 事实上，在大约 −120 dBm 的点处，频率的功率曲线 и 相交。 那些。 当使用灵敏度高于−120 dBm的接收器时，频率为915 MHz的无线电链路将提供更长的通信范围。 然而，在这种情况下，必须考虑所需的链路带宽，因为对于如此高的灵敏度值，信息速度会非常低。 例如，3D Link 调制解调器 虽然它提供高达−122 dBm的灵敏度，但总（双向）信息传输速率将为23 kbit/秒，原则上足以满足KTRL与无人机的通信，但显然不足以传输来自地面的视频木板。 因此，亚千兆赫范围确实比 KTRL 的千兆赫范围稍有优势，但在组织视频线路时明显失去了特性。
选择无线电链路频率时，还必须考虑信号在地球大气层中传播时的衰减。 对于 NS-UAV 通信链路，大气中的衰减是由气体、雨、冰雹、雪、雾和云引起的 。 对于低于 6 GHz 的无线电链路工作频率，气体中的衰减可以忽略不计 。 最严重的减弱是在降雨时观察到的，尤其是高强度（阵雨）。 表1 数据展示 频率 3-6 GHz 下不同强度降雨中的线性衰减 [dB/km]。
表 1. 不同强度的降雨中无线电波的线性衰减 [dB/km]（取决于频率）
频率 [GHz] 3 毫米/小时（弱）
12 毫米/小时（中等）
30毫米/小时（强）
70 毫米/小时（雨天）
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
从表中从图 1 可以看出，例如，在 3 GHz 频率下，阵雨中的衰减约为 0.0087 dB/km，在 100 km 路径上将产生 0.87 dB 的总衰减。 随着无线电链路工作频率的增加，雨中的衰减急剧增加。 对于 4 GHz 频率，同一路径上的阵雨衰减已经为 9.1 dB，而在 5 GHz 和 6 GHz 频率下分别为 28 和 57 dB。 然而，在这种情况下，假设整个路线上都发生给定强度的降雨，这在实践中很少发生。 但在高强度降雨频繁的地区使用无人机时，建议选择3GHz以下的无线电链路工作频率。
文学
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来源： habr.com