增加無人機（UAV）通訊範圍的任務仍然具有現實意義。本文討論改進該參數的方法。本文是為無人機開發人員和操作員撰寫的，是有關與無人機通信的系列文章的延續（有關該系列的開頭部分，請參閱 .
影響通訊範圍的因素有哪些
通訊範圍取決於所使用的數據機、天線、天線電纜、無線電波傳播條件、外部幹擾和其他一些原因。為了確定特定參數對通訊範圍的影響程度，請考慮範圍方程
(1)
哪裡
——所需的通訊範圍[公尺]；
— 真空中的光速[米/秒]；
——頻率[Hz]；
— 數據機發射機功率 [dBm]；
— 發射機天線增益 [dBi]；
— 從數據機到發射機天線的電纜損耗 [dB]；
— 接收機天線增益 [dBi]；
— 從數據機到接收器天線的電纜損耗 [dB]；
— 數據機接收器的靈敏度 [dBm]；
— 衰減乘數，考慮因地球表面、植被、大氣和其他因素影響造成的額外損耗[dB]。
從方程式可以看出，範圍由下式決定：
- 使用的數據機；
- 無線電頻道的頻率；
- 使用的天線；
- 電纜損耗；
- 對地球表面、植被、大氣、建築物等無線電波傳播的影響。
接下來，分別考慮影響範圍的參數。
使用數據機
通訊範圍僅取決於調變解調器的兩個參數：發射器功率 和接收靈敏度 ，或者更確切地說，從它們的差異 - 調製解調器的能量預算
(2)
為了增加通訊範圍，需要選擇數值較大的數據機 。增加 反過來，可以透過增加 或透過減少 。應優先搜尋具有高靈敏度的調變解調器（ 盡可能低），而不是增加發射機功率 。這個問題在第一篇文章中有詳細討論。 .
除了材料之外 值得記住的是，一些製造商，例如 Microhard ，有些設備的規格中標明的不是平均值，而是發射機的峰值功率，該峰值功率比平均值大幾倍，不能用來計算距離，因為這會導致計算出的距離大大超過真實距離價值。例如，此類設備包括流行的 pDDL2450 模組 [,]。這一事實直接源自於該設備為獲得 FCC 認證而進行的測試結果 （請參閱第 58 頁）。 FCC 認證的無線裝置的測試結果可以在 FCC ID 網站上查看 在搜尋欄中輸入適當的 FCC ID，該 ID 應位於指示裝置類型的標籤上。 pDDL2450 模組的 FCC ID 為 NS916pDDL2450。
無線電頻道頻率
從極差方程 顯然，工作頻率越低 ，通訊範圍越大 。但我們不要急於下結論。事實上，方程式中包含的其他參數也取決於頻率。例如，天線增益 и 將取決於天線最大尺寸的情況下的頻率 固定的，這正是實踐中發生的情況。天線增益 ，以無量綱單位（次）表示，可以用天線的物理面積來表示 通過以下方式
(3)
哪裡 — 天線孔徑效率，即有效天線面積與物理面積之比（取決於天線設計） .
的 顯而易見，對於固定的天線面積，增益與頻率的平方成正比增加。我們來代替 в ，之前重寫過 使用無量綱單位計算天線增益 , , 電纜損耗 , 和衰減係數 ，並且還使用瓦特 и 而不是 dBm。然後
(4)
其中 是係數 是固定天線尺寸的常數。因此，在這種情況下，通訊範圍與頻率成正比，即頻率越高，範圍越大。 輸出。 在天線尺寸固定的情況下，增加無線電鏈路的頻率可以透過改善天線的方向特性來增加通訊範圍。然而，必須記住，隨著頻率的增加，由氣體、雨、冰雹、雪、霧和雲引起的無線電波在大氣中的衰減也會增加。 。此外，隨著路徑長度的增加，大氣中的衰減也增加。因此，對於每個路徑長度和其上的平均天氣條件，存在一定的載波頻率最大值，該最大值受到大氣中訊號衰減的允許水平的限制。讓我們把無線電通道的頻率對通訊範圍的影響問題的最終解決方案留給考慮地球表面和大氣對無線電波傳播的影響的部分。
天線類
通訊範圍由增益等天線參數決定 （英文術語增益），以 dBi 為單位測量。增益是一個重要的綜合參數，因為它考慮到： (1) 與各向同性輻射器相比，天線將發射器的能量集中到接收器的能力（因此索引 i 的單位為 dBi）； (2) 天線本身的損耗[,]。為了增加通訊範圍，應在重量、尺寸參數以及導引系統能力適當的天線中選擇增益值盡可能高的天線。天線聚焦能量的能力並不是免費提供的，而是只能透過增加天線的尺寸（孔徑）來實現。例如，接收天線越大，能夠收集能量提供給接收器輸入的面積就越大，能量越多，接收到的訊號就越強，也就是通訊範圍增加。因此，您必須先確定足以解決問題的最大天線尺寸，並透過該參數限制搜尋區域，然後搜尋特定的天線模型，重點關注最大增益。實務上第二個重要的天線參數是波束寬度[,]，以角度測量。通常，波束寬度定義為天線中心的兩個空間方向之間的角度，在該角度處天線增益從該天線的最大值減少 3 dB。方位角和仰角圖案的寬度可能變化很大。根據以下規則，此參數與天線的尺寸密切相關：尺寸越大 - 波束寬度越小。此參數並非直接包含在距離方程式中，但正是此參數決定了無人機上地面站（GS）天線導引系統的要求，因為 GS 通常使用高方向性天線，至少在範圍最大化的情況下，與無人機的通信是優先考慮的。事實上，只要 NS 追蹤系統確保將天線指向無人機的角度精度等於或小於圖案寬度的一半，接收/發射訊號的電平就不會低於最大值 3 dB。在任何情況下，所選天線的波束寬度的一半不得小於 NS 天線指向系統在方位角或仰角方面的角度誤差。
電纜線
為了最大化通訊範圍，您需要使用線性衰減（電纜衰減或電纜損耗）盡可能低的電纜 在職的 NS-UAV 無線電鏈路的頻率。電纜中的線性衰減定義為 1 m 電纜段（公制）輸出處的訊號與電纜段輸入處的訊號之比，以 dB 表示。電纜損耗 包含在範圍方程中 ，透過將線性衰減乘以電纜長度來確定。因此，為了獲得最大可能的通訊範圍，您需要使用線性衰減盡可能最低的電纜，並盡量縮短這些電纜的長度。在 NS 上，數據機單元必須直接安裝在天線旁的桅杆上。在無人機機身中，數據機應盡可能靠近天線。檢查所選電纜的阻抗也是值得的。此參數以歐姆為單位測量，通常等於 50 或 75 歐姆。電纜、調變解調器的天線連接器和天線本身的連接器的阻抗必須相等。
地球表面的影響
在本節中，我們將研究無線電波在平原或海面上的傳播。這種情況在無人機使用實務中經常出現。無人機對管道、電力線、農作物、許多軍事和特種行動的監控——所有這些都可以透過該模型得到很好的描述。人類經驗為我們描繪了這樣一幅圖景：如果物體處於彼此直接光學可見的範圍內，則物體之間的溝通是可能的，否則溝通是不可能的。然而，無線電波不屬於光學範圍，因此情況有所不同。在這方面，無人機開發商和營運商記住以下兩個事實是有用的。
1. 即使 NS 和無人機之間沒有直接可見性，也可以在無線電範圍內進行通訊。
2. 即使 NS-UAV 光線上沒有物體，也會感受到下墊面對與無人機通訊的影響。
要了解地球表面附近無線電波傳播的具體情況，熟悉無線電波傳播重要區域的概念很有用 。在無線電波傳播的重要區域中沒有任何物體的情況下，可以使用自由空間公式進行範圍計算，即 в 可以取等於0。如果基本區域中有物體，則不能這樣做。在圖中。 1 在 A 點有一個點發射器，位於某一高度 地球表面上方，向各個方向發射強度相等的電磁能量。 B點海拔高度 有一個用於測量場強的接收器。在這個模型中，無線電波傳播的基本區域是一個焦點位於 A 點和 B 點的橢球體。
米。 1. 無線電波傳播的重要區域
橢球體「最厚」部分的半徑由下列表達式決定
(5)
的 很明顯 取決於頻率 成反比，越少 ，橢球體「越厚」（ 在圖中1）。此外，橢球的「厚度」隨著通訊物件之間距離的增加而增加。對於無線電波 可以有一個相當令人印象深刻的價值，所以當 10公里， 我們得到 2.45 GHz 50÷60 m。
現在讓我們考慮一下圖 1 中灰色三角形所描繪的不透明物體。 XNUMX.它會影響某一頻率的無線電波的傳播 ，因為它位於重要的傳播區域，並且對具有一定頻率的無線電波的傳播幾乎沒有影響 。對於光學範圍（光）內的無線電波，此值 很小，因此在實際中感受不到地球表面對光傳播的影響。考慮到地球表面是一個球體，很容易理解，隨著距離的增加 ，下墊面將越來越多地移入重要的傳播區域，從而阻止能量從 A 點到 B 點的流動 - 故事結束，與無人機的通信中斷。路線上的其他物體，如不平坦的地形、建築物、森林等，同樣會影響通訊。
現在讓我們來看看圖。 2 其中不透明物體完全覆蓋了具有一定頻率的無線電波傳播的重要區域 ，使得該頻率上的通訊變得不可能。同時，在頻率上進行通信 也是可能的，因為部分能量「跳躍」到不透明物體上。頻率越低，無線電波可以傳播到越遠的光學地平線之外，從而保持與無人機的穩定通訊。
米。 2.覆蓋無線電波傳播的重要區域
地球表面對通訊的影響程度也取決於天線的高度 и 。天線的高度越大，A 點和 B 點可以移開的距離就越大，而不會導致物體或下方的表面掉入較大區域。
當物體或下墊面移動到一個重要區域時，B 點的場強將會振盪 ，即它將大於或小於平均場強。這是由於物體反射能量而發生的。反射能量可以在 B 點與主能量同相添加 - 然後場強發生上升，或者反相 - 然後場強發生下降（並且相當深）。記住這種效應對於理解無人機通訊的細節非常重要。在一定範圍內與無人機失去通信可能是由於振盪導致場強局部降低而導致的，也就是說，如果您再飛行一段距離，連接就可以恢復。只有在相當大的區域被物體或下面的表面完全阻擋後，才會發生最終的通訊遺失。接下來，將提出應對場強振盪後果的方法。
衰減係數的計算公式 當無線電波在地球光滑的表面上傳播時，它們非常複雜，特別是對於距離而言 ，超出光學地平線範圍 。因此，在進一步考慮這個問題時，我們將使用作者的電腦程式集進行數學建模。讓我們考慮使用 3D Link 數據機將視訊從 UAV 傳輸到 NS 的典型任務 來自 Geoscan 公司。初始數據如下。
1. NS天線安裝高度：5 m。
2、無人機飛行高度：1000公尺。
3. 無線電鏈路頻率：2.45 GHz。
4. NS天線增益：17 dB。
5.無人機天線增益：3dB。
6. 發射機功率：+25 dBm (300 mW)。
7. 視訊頻道速度：4 Mbit/秒。
8.視訊頻道接收靈敏度：-100.4dBm（12MHz訊號佔用頻段）。
9、基質：乾燥土壤。
10. 極化：垂直。
這些初始資料的視距距離將為 128.8 公里。圖 3 給出了調變解調器接收器輸入端訊號功率（以 dBm 為單位）形式的計算結果。 XNUMX.
米。 3. 3D Link 數據機接收器輸入端的訊號強度
圖中藍色曲線。 3是NS接收器輸入端的訊號功率，紅色直線表示此接收器的靈敏度。 X 軸顯示以 km 為單位的範圍，Y 軸顯示以 dBm 為單位的功率。在藍色曲線位於紅色曲線之上的那些範圍點，可以從無人機直接接收視頻，否則將無法進行通信。從圖中可以看出，由於振盪，在35.5-35.9 km範圍內將出現通訊遺失，進一步在55.3-58.6 km範圍內將出現通訊遺失。在這種情況下，最終斷開連接將發生在更遠的地方 - 在飛行 110.8 公里之後。
如上所述，場強下降的原因是直接訊號和從地球表面反射的訊號在 NS 天線位置的反相相加。您可以透過滿足 2 個條件來消除因故障而導致 NS 上的通訊遺失。
1. 在 NS 上使用具有至少兩個接收通道（RX 分集）的數據機，例如 3D Link .
2. 將接收天線放置在 NS 桅杆上 不同的 高度。
接收天線的高度間隔必須使得一個天線位置的場強下降能夠透過高於另一個天線位置的接收器靈敏度的水平來補償。在圖中。圖 4 顯示了這種方法的結果，其中一個 NS 天線位於 5 m 高度（藍色實線），另一個位於 4 m 高度（藍色虛線）。
米。 4. 位於不同高度的天線的兩個 3D Link 數據機接收器輸入端的訊號功率
從圖.圖 4 清楚地顯示了此方法的成果。事實上，在無人機的整個飛行距離（直至110.8公里的範圍）中，至少有一個NS接收器輸入端的訊號超出了靈敏度水平，即整個飛行過程中板載視訊不會中斷距離。
然而，所提出的方法僅有助於提高 UAV→NS 無線電鏈路的可靠性，因為只有 NS 才具備在不同高度安裝天線的能力。無法確保無人機上天線的高度間隔為 1 m。為了提高 NS→UAV 無線電鏈路的可靠性，可以使用以下方法。
1. 將 NS 發射機訊號饋送到從無人機接收更強大訊號的天線。
2.使用空時碼，例如Alamouti碼 .
3. 使用天線波束成形技術，能夠控制發送到每個天線的訊號功率。
第一種方法在與無人機通訊的問題上接近最佳。它很簡單，所有發射機能量都被引導到正確的方向 - 到達最佳位置的天線。例如，在 50 公里範圍內（見圖 4），發射機訊號被饋送到懸掛在 5 公尺處的天線，而在 60 公里範圍內，則饋送到懸掛在 4 公尺處的天線。這是3D Link數據機中使用的方法 。第二種方法不使用UAV→NS 通訊通道狀態的先驗資料（天線輸出處接收訊號的電平），因此它將發射機能量在兩個天線之間平均分配，這不可避免地導致能量損失，因為天線的場強可以是空穴。第三種方法在通訊品質方面與第一種方法相當，但實現難度要大得多。
讓我們進一步考慮無線電波頻率對無人機通訊範圍的影響問題，同時考慮下墊面的影響。上面表明，增加頻率是有益的，因為在天線尺寸固定的情況下，這會導致通訊範圍的增加。但依賴問題 沒有考慮頻率。從 由此可見，面積相等且設計工作頻率的天線增益比 и ， 等於
(6)
為 2450兆赫； 我們得到 915 MHz 7.2（8.5 分貝）。這大約是實踐中發生的情況。例如，我們比較一下 Wireless Instruments 的以下天線的參數：
- WiBOX PA 0809-8V [13]（頻率：0.83–0.96 GHz；波束寬度：70°/70°；增益：8 dBi）；
- WiBOX PA 24-15 [14]（頻率：2.3–2.5 GHz；波束寬度：30°/30°；增益：15 dBi）。
比較這些天線很方便，因為它們是在相同的 27x27 公分外殼中製成的，即它們具有相同的面積。請注意，天線增益相差 15−8=7 dB，接近計算值 8.5 dB。從天線的特性也可以清楚看出，2.3–2.5 GHz (30°/30°) 範圍內的天線方向圖寬度是 0.83–0.96 範圍內的天線方向圖寬度的兩倍多GHz（70°/70 °），即相同尺寸的天線增益實際上由於方向性的改善而增加。考慮到通訊線路中使用2根天線，比例 將為 2∙8.5=17 dB。因此，在天線尺寸相同的情況下，頻率相同的無線電鏈路的能量預算 2450 MHz 將比線路預算多 17 dB 915兆赫。在計算中，我們也考慮到無人機通常使用鞭狀天線，其尺寸不像所考慮的 NS 平板天線那麼重要。因此，我們接受無人機天線增益的頻率 и 平等的。那些。線路能量預算的差異將為 8.5 dB，而不是 17 dB。這些初始資料和 NS 天線 5 m 高度進行的計算結果如圖 5 所示。 XNUMX.
米。 5. 工作頻率為 915 和 2450 MHz 的無線電鏈路接收器輸入端的訊號功率
從圖.圖5清楚地表明，隨著工作頻率和NS天線相同面積的增加，通訊範圍從頻率為96.3 MHz的無線電鏈路的915 km增加到頻率為110.8 MHz的鏈路的2450 km 。然而，915 MHz 線路的振盪頻率較低。振盪越少意味著場強下降越少，即在整個飛行距離內中斷與無人機通訊的可能性較小。也許正是這一事實決定了亞千兆赫茲無線電波範圍用於指揮和遙測通訊線路的普及，其中無人機是最可靠的。同時，當執行上述一組操作以防止場強振盪時，千兆赫範圍內的無線電鏈路透過改善天線的方向特性來提供更大的通訊範圍。
從圖的考慮從圖5我們也可以得出結論，在陰影區（128.8公里標記之後）降低通訊線路的工作頻率是有意義的。事實上，在大約 −120 dBm 的點處，頻率的功率曲線 и 相交。那些。當使用靈敏度高於−120 dBm的接收器時，頻率為915 MHz的無線電鏈路將提供更長的通訊範圍。然而，在這種情況下，必須考慮所需的鏈路頻寬，因為對於如此高的靈敏度值，資訊速度會非常低。例如，3D Link 數據機 雖然它提供高達−122 dBm的靈敏度，但總（雙向）訊息傳輸速率將為23 kbit/秒，原則上足以滿足KTRL與無人機的通信，但顯然不足以傳輸來自地面的視訊木板。因此，亞千兆赫範圍確實比 KTRL 的千兆赫範圍稍有優勢，但在組織視訊線路時明顯失去了特性。
選擇無線電鏈路頻率時，也必須考慮訊號在地球大氣層中傳播時的衰減。對於 NS-UAV 通訊鏈路，大氣中的衰減是由氣體、雨、冰雹、雪、霧和雲引起的 。對於低於 6 GHz 的無線電鏈路工作頻率，氣體中的衰減可以忽略不計 。最嚴重的減弱是在降雨時觀察到的，尤其是高強度（陣雨）。表1 數據展示 頻率 3-6 GHz 下不同強度降雨中的線性衰減 [dB/km]。
表 1. 不同強度的降雨中無線電波的線性衰減 [dB/km]（取決於頻率）
頻率 [GHz]
3 毫米/小時（弱）
12 毫米/小時（中）
30毫米/小時（強）
70 毫米/小時（下雨天）
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
從表中從圖 1 可以看出，例如，在 3 GHz 頻率下，陣雨中的衰減約為 0.0087 dB/km，在 100 km 路徑上將產生 0.87 dB 的總衰減。隨著無線電鏈路工作頻率的增加，雨中的衰減急劇增加。對於 4 GHz 頻率，同一路徑上的陣雨衰減已為 9.1 dB，而在 5 GHz 和 6 GHz 頻率下分別為 28 和 57 dB。然而，在這種情況下，假設整個路線上都發生給定強度的降雨，這在實踐中很少發生。但在高強度降雨頻繁的地區使用無人機時，建議選擇3GHz以下的無線電鏈路工作頻率。
文學
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13.
14.
來源： www.habr.com