Cómo aumentar el alcance de comunicación con un vehículo aéreo no tripulado (UAV)

La tarea de aumentar el alcance de la comunicación con un vehículo aéreo no tripulado (UAV) no pierde relevancia. Este artículo analiza los métodos para mejorar esta configuración. El artículo está escrito para desarrolladores y operadores de UAV y es una continuación de una serie de artículos sobre la relación con los UAV (consulte el comienzo del ciclo en [1] .

Lo que afecta el rango de comunicación.

El rango de comunicación depende del módem utilizado, antenas, cables de antena, condiciones de propagación de ondas de radio, interferencia externa y algunas otras razones. Para determinar el grado de influencia de un parámetro en el rango de comunicación, considere la ecuación del rango [2]
(1)

$$

$$R = \ frac {c} {4 \ pi F} 10 ^ {\ frac {P_ {TXdBm} + G_ {TXdB} + L_ {TXdB} + G_ {RXdB} + L_ {RXdB} + | V | _ { dB} -P_ {RXdBm}} {20}},$$

donde
$$$R$ - alcance de comunicación deseado [metros];
$$$c \ aprox 3 \ cdot 10 ^ 8$ - velocidad de la luz en el vacío [m / seg];
$$$F$ - frecuencia [Hz];
$$$P_ {TXdBm}$ - potencia del transmisor del módem [dBm];
$$$G_ {TXdB}$ - ganancia de la antena del transmisor [dBi];
$$$L_ {TXdB}$ - pérdidas en el cable desde el módem a la antena del transmisor [dB];
$$$G_ {RXdB}$ - ganancia de antena del receptor [dBi];
$$$L_ {RXdB}$ - pérdida de cable del módem a la antena del receptor [dB];
$$$P_ {RXdBm}$ - sensibilidad del receptor del módem [dBm];
$$$| V | _ {dB}$ - factor de atenuación, teniendo en cuenta las pérdidas adicionales debido a la influencia de la superficie de la Tierra, la vegetación, la atmósfera y otros factores [dB].

La ecuación muestra que el rango está determinado por:

• módem usado;
• frecuencia del canal de radio;
• antenas aplicables;
• pérdidas de cable;
• influencia en la propagación de ondas de radio de la superficie de la Tierra, vegetación, atmósfera, edificios, etc.

Además, los parámetros que afectan el rango se consideran por separado.

Módem usado

El rango de comunicación depende solo de dos parámetros del módem: potencia del transmisor $$$P_ {TXdBm}$ y sensibilidad del receptor $$$P_ {RXdBm}$ o, mejor dicho, por su diferencia: el presupuesto de energía del módem
(2)

$$

$$B_m = P_ {TXdBm} -P_ {RXdBm}.$$

Para aumentar el rango de comunicación, es necesario elegir un módem con un valor grande $$$B_m$ . Click para ampliar $$$B_m$ a su vez, es posible aumentando $$$P_ {TXdBm}$ o reduciendo $$$P_ {RXdBm}$ . Se debe dar preferencia a la búsqueda de módems con alta sensibilidad ( $$$P_ {RXdBm}$ lo más bajo posible) en lugar de aumentar la potencia del transmisor $$$P_ {TXdBm}$ . Esta pregunta se considera en detalle en el primer artículo [1] .

Además de los materiales [1], debe tenerse en cuenta que los fabricantes individuales, por ejemplo Microhard [3] , indican en las especificaciones de algunos dispositivos no el promedio, sino la potencia máxima del transmisor, que es varias veces mayor que el promedio y que no puede usarse para calcular el rango, t a. Esto conducirá a un fuerte exceso del rango calculado del valor verdadero. Dichos dispositivos incluyen, por ejemplo, el popular módulo pDDL2450 [ 4 , 5 ]. Este hecho se deduce directamente de los resultados de la prueba de este dispositivo, realizado para obtener el certificado FCC [6] (consulte la página 58). Los resultados de las pruebas de dispositivos inalámbricos con certificados FCC se pueden ver en el sitio web de ID de FCC [7] ingresando la ID de FCC apropiada en la barra de búsqueda, que debe estar en la etiqueta que indica el tipo de dispositivo. El módulo pDDL2450 tiene el identificador FCC NS916pDDL2450.

Radiofrecuencia

De la ecuación de rango (1) se deduce claramente que cuanto menor es la frecuencia de operación $$$F$ , mayor es el rango de comunicación $$$R$ . Pero, no nos apresuremos a sacar conclusiones. El hecho es que otros parámetros incluidos en la ecuación también dependen de la frecuencia. Por ejemplo, las ganancias de antena $$$G_ {TXdB}$ y $$$G_ {RXdB}$ dependerá de la frecuencia en el caso en que las dimensiones máximas de las antenas sean fijas , lo que sucede en la práctica. Ganancia de antena $$$G$ expresado en unidades adimensionales (tiempos) puede expresarse en términos del área física de la antena $$$A$ como sigue [8]
(3)

$$

$$G = \ frac {4 \ pi} {c ^ 2} A e_a F ^ 2,$$

donde $$$e_a$ - la eficiencia de la apertura de la antena, es decir, la relación entre el área efectiva de la antena y la física (depende del diseño de la antena) [8] .

De inmediato (3) se ve que para un área de antena fija, la ganancia aumenta en proporción al cuadrado de la frecuencia. Sustituimos (3) en (1) , reescribiendo previamente (1) usando unidades adimensionales para la ganancia de antena $$$G_ {TX}$ , $$$G_ {RX}$ pérdida de cable $$$L_ {TX}$ , $$$L_ {RX}$ y multiplicador de atenuación $$$| V |$ así como el uso de vatios para $$$P_ {TX}$ y $$$P_ {RX}$ en lugar de dBm. Entonces
(4)

$$

$$R = \ frac {4 \ pi F} {c} \ sqrt {K \ frac {P_ {TX} L_ {TX} L_ {RX} | V |} {P_ {RX}}},$$

donde es el coeficiente $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ es una constante para dimensiones de antena fija. Por lo tanto, en esta situación, el rango de comunicación es directamente proporcional a la frecuencia, es decir, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es el rango. Conclusión Con dimensiones fijas de las antenas, el aumento de la frecuencia de la línea de radio conduce a un aumento en el rango de comunicación al mejorar las propiedades direccionales de las antenas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que con el aumento de la frecuencia, la atenuación de las ondas de radio en la atmósfera causadas por gases, lluvia, granizo, nieve, niebla y nubes también aumenta [2] . Además, al aumentar la longitud del camino, la atenuación en la atmósfera también aumenta. Por esta razón, para cada longitud de ruta y condiciones climáticas promedio, hay un valor máximo de la frecuencia portadora, limitado por el nivel permisible de atenuación de la señal en la atmósfera. Dejemos la solución final a la cuestión de la influencia de la frecuencia del canal de radio en el rango de comunicación a la sección donde se considerará la influencia de la superficie de la Tierra y la atmósfera en la propagación de las ondas de radio.

Antenas

El rango de comunicación está determinado por un parámetro de antena como la ganancia $$$G_ {dB}$ (ganancia en terminología inglesa), medida en dBi. La ganancia es un parámetro compuesto importante, porque tiene en cuenta: (1) la capacidad de la antena para enfocar la energía del transmisor en la dirección del receptor en comparación con un emisor isotrópico (isotrópico, de ahí el índice i en dBi); (2) pérdidas en la antena misma [ 8 , 9 ]. Para aumentar el rango de comunicación, uno debe elegir antenas con el valor de ganancia más alto posible de aquellas que sean adecuadas para los parámetros de dimensiones masivas y las capacidades del sistema de guía. La capacidad de la antena para enfocar la energía no es libre, sino solo al aumentar el tamaño (apertura) de la antena. Por ejemplo, cuanto mayor sea la antena receptora, mayor será el área en la que podrá recolectar energía para suministrarla a la entrada del receptor, y cuanta más energía, más fuerte será la señal recibida, es decir, el rango de comunicación aumentará. Por lo tanto, primero debe determinar las dimensiones máximas de las antenas que son adecuadas para la tarea en cuestión y limitar la búsqueda a este parámetro, y luego buscar un modelo de antena específico, centrándose en la ganancia máxima. El segundo parámetro de antena que es importante para la práctica es el ancho del haz (ancho del haz) [ 8 , 10 ], medido en grados angulares. Como regla, el ancho del haz se define como el ángulo entre dos direcciones espaciales desde el centro de la antena en el que la ganancia de la antena disminuye en 3 dB desde el máximo para esta antena. El ancho del haz en acimut y elevación puede ser muy diferente. Este parámetro está estrechamente relacionado con las dimensiones de la antena de acuerdo con la regla: más dimensiones, menos ancho de haz. Este parámetro no se incluye directamente en la ecuación de alcance, pero determina los requisitos para el sistema de apuntar la antena de una estación terrestre (NS) a UAV, ya que en el NS, generalmente se usan antenas fuertemente direccionales, al menos en los casos en que la maximización del alcance La comunicación con los UAV es una prioridad. De hecho, mientras que el sistema de seguimiento NS proporciona la precisión angular de apuntar la antena al UAV igual a la mitad del ancho del haz o menos, el nivel de la señal recibida / emitida no caerá por debajo de 3 dB desde el máximo. Bajo ninguna circunstancia la mitad del ancho del haz de la antena seleccionada debe ser menor que el error angular del sistema de puntería de la antena NS en acimut o elevación.

Cables

Para maximizar el rango de comunicación, es necesario utilizar cables con la atenuación más baja posible (atenuación de cable o pérdida de cable) a la frecuencia de funcionamiento del enlace de radio NS - UAV. La atenuación lineal en el cable se define como la relación de la señal en la salida de la longitud del cable de 1 m (en el sistema métrico) a la señal en la entrada de la longitud del cable, expresada en dB. Pérdidas de cable $$$L_ {dB}$ incluidos en la ecuación de rango (1) se determinan multiplicando la atenuación lineal por la longitud del cable. Por lo tanto, para obtener el rango de comunicación máximo posible, es necesario utilizar cables con la atenuación lineal más baja posible y minimizar la longitud de estos cables. En NS, los bloques de módem deben instalarse directamente en el mástil junto a las antenas. En el caso de UAV, el módem debe ubicarse lo más cerca posible de las antenas. Por separado, vale la pena verificar la impedancia del cable seleccionado. Este parámetro se mide en ohmios y generalmente es de 50 o 75 ohmios. La impedancia del cable, el conector de la antena del módem y el conector de la antena deben ser iguales.

Efecto de la superficie de la tierra

En esta sección, consideramos la propagación de ondas de radio sobre una superficie llana o marina. Esta situación a menudo se encuentra en la práctica del uso de UAV. Monitoreo desde vehículos aéreos no tripulados de tuberías, líneas eléctricas, cultivos agrícolas, muchas operaciones militares y especiales: todo esto está bien descrito por este modelo. La experiencia humana nos pinta con una imagen en la que es posible una conexión entre los objetos si están en el campo de visión óptico directo el uno del otro, de lo contrario la comunicación es imposible. Sin embargo, las ondas de radio no pertenecen al rango óptico, por lo tanto, la situación con ellas es algo diferente. En este sentido, es útil para el desarrollador y operador del UAV recordar los siguientes dos hechos.

1. La comunicación en el rango de radio es posible en ausencia de línea de visión entre el NS y el UAV.
2. La influencia de la superficie subyacente en la conexión con el UAV se sentirá incluso cuando no haya objetos en la línea óptica del NS - UAV.

Para comprender los detalles de la propagación de ondas de radio cerca de la superficie de la Tierra, es útil familiarizarse con el concepto de una región significativa de propagación de ondas de radio [2] . En ausencia de objetos en la zona sustancial de propagación de ondas de radio y en ausencia de reflejos de la superficie de la tierra, el cálculo del rango se puede realizar de acuerdo con las fórmulas para el espacio libre, es decir. $$$| V | _ {dB}$ in (1) puede tomarse igual a 0. Sin embargo, si hay objetos en la zona esencial o hay reflejos significativos de la superficie de la tierra, entonces esto no se puede hacer. En la fig. 1, el punto A representa un emisor de puntos ubicado a una altura $$$h_1$ sobre la superficie de la Tierra, que emite energía electromagnética en todas las direcciones con la misma intensidad. En el punto B a la altitud $$$h_2$ Hay un receptor para medir la intensidad del campo. En este modelo, una región significativa de propagación de ondas de radio es un elipsoide con focos en los puntos A y B.


Fig. 1. Área de propagación de ondas de radio significativa

El radio del elipsoide en su parte "más gruesa" está determinado por la expresión [2]
(5)

$$

$$r = \ sqrt {(2 \ div3) \ frac {cR} {F}}. $$$

De (5) se puede ver que $$$r$ dependiente de la frecuencia $$$F$ inversamente el más pequeño $$$F$ , cuanto más "grueso" es el elipsoide ( $$$F_1 <F_2$ en la fig. 1) Además, el "grosor" del elipsoide aumenta a medida que aumenta la distancia entre los objetos de comunicación. Para ondas de radio $$$r$ puede ser bastante impresionante, así que con $$$R =$ 10 km $$$F =$ 2,45 GHz obtenemos $$$r =$ 50 ÷ 60 m.

Consideremos ahora un objeto opaco representado por un triángulo gris en la Fig. 1. Influirá en la propagación de ondas de radio con una frecuencia $$$F_1$ , porque se encuentra en una zona de propagación significativa y prácticamente no tendrá ningún efecto en la propagación de ondas de radio con una frecuencia $$$F_2$ . Para ondas de radio del rango óptico (luz), el valor $$$r$ pequeño, por lo tanto, el efecto de la superficie de la Tierra sobre la propagación de la luz en la práctica no se siente. Dado que la superficie de la Tierra es una bola, es fácil entender que a medida que aumenta la distancia $$$R$ , la superficie subyacente se moverá cada vez más hacia una zona de propagación significativa, bloqueando así el flujo de energía desde el punto A al punto B: al final de la historia, la comunicación con el UAV se interrumpe. De manera similar, afectarán la comunicación y otros objetos en la ruta, como golpes de terreno, edificios, bosques, etc. El casco del UAV y los elementos estructurales que caen en una zona significativa también afectarán el alcance de la comunicación.

Consideremos ahora el arroz. 2 en el que un objeto opaco cubre completamente una zona de propagación sustancial de una onda de radio con una frecuencia $$$F_2$ haciendo imposible la comunicación a esta frecuencia. Al mismo tiempo, comunicación de frecuencia. $$$F_1$ todavía es posible porque parte de la energía "salta" sobre un objeto opaco. Cuanto más baja es la frecuencia, más allá del horizonte óptico puede propagarse una onda de radio, manteniendo una conexión estable con el UAV.


Fig. 2. Superposición de un área de propagación de ondas de radio significativa

El grado de influencia de la superficie de la Tierra en la comunicación también depende de la altura de la antena. $$$h_1$ y $$$h_2$ . Cuanto mayor sea la altura de las antenas, mayor será la distancia de los puntos A y B que se pueden separar, evitando que los objetos o la superficie subyacente entren en un área significativa.

A medida que la superficie subyacente se aproxima a una zona esencial, la intensidad del campo en el punto B oscilará [2] , es decir, será mayor o menor que la intensidad del campo en el espacio libre. Esto se debe al reflejo de la energía del subyacente. La energía reflejada puede sumarse en el punto B con la energía principal en la fase, luego se produce un aumento en la intensidad del campo o en la antifase, luego se produce una disminución (y bastante profunda) en la intensidad del campo. Es importante recordar este efecto para comprender los detalles de la comunicación con los UAV. La pérdida de comunicación con el UAV en un cierto rango puede ser causada por una disminución local en la intensidad de campo debido a oscilaciones, es decir, si vuela más distancia, la conexión puede restablecerse. La pérdida final de comunicación ocurrirá solo después del cierre completo de la zona esencial por los objetos o la superficie subyacente. A continuación, se propondrán métodos para tratar las consecuencias de las oscilaciones de intensidad de campo.

Fórmulas para calcular el factor de atenuación $$$| V | _ {dB}$ cuando la propagación de ondas de radio sobre una superficie lisa de la Tierra es bastante compleja, especialmente para distancias $$$R$ excediendo el rango del horizonte óptico [2] . Por lo tanto, en una mayor consideración del problema, recurriremos al modelado matemático utilizando un conjunto de programas informáticos del autor. Considere la tarea típica de transmitir video desde el UAV al NS utilizando un módem 3D Link [11] de Geoscan. Los datos iniciales son los siguientes.

1. Altura de suspensión de la antena HC: 5 m.
2. Altitud de vuelo del UAV: ​​1000 m.
3. Frecuencia de radio: 2.45 GHz.
4. Ganancia de antena NS: 17 dB.
5. Ganancia de antena UAV: ​​3 dB.
6. Potencia del transmisor: +25 dBm (300 mW).
7. Velocidad en el canal de video: 4 Mbps.
8. La sensibilidad del receptor en el canal de video: −100.4 dBm (para la banda de frecuencia ocupada por la señal de 12 MHz).
9. La superficie subyacente: suelo seco.
10. Polarización: vertical.

La distancia de la línea de visión para estas entradas es de 139,6 km. Los resultados del cálculo en forma de potencia de señal a la entrada del receptor del módem en dBm se presentan en la Fig. 3)


Fig. 3. La potencia de la señal en la entrada del receptor del módem 3D Link [11]

La curva azul en la fig. 3 es la potencia de la señal en la entrada del receptor NS, teniendo en cuenta la influencia de la superficie de la tierra, la curva verde es la potencia de la señal en la entrada del receptor NS cuando se comunica en el espacio libre, y la línea recta roja indica la sensibilidad de este receptor. La distancia en km se representa a lo largo del eje X, y la potencia en dBm se representa a lo largo del eje Y. En esos puntos de rango en los que la curva azul se encuentra por encima de la roja, es posible la recepción directa de video desde el UAV, de lo contrario no habrá comunicación. Se puede ver en el gráfico que debido a las oscilaciones, la pérdida de comunicación ocurrirá en el rango de 37.1–37.8 km y más allá en el rango de 60.8–65.1 km. En este caso, la ruptura final de la conexión llegará mucho más lejos, después de 120,6 km de vuelo. El salto en la curva azul visible en el punto de 126.3 km se debe al hecho de que, hasta este rango (es decir, en la región de visibilidad de radio), el cálculo se realiza de acuerdo con fórmulas de interferencia, y después de este rango (es decir, en la región de sombra de radio), de acuerdo con las fórmulas de difracción de Fock [ 2]

Como ya se mencionó anteriormente, las caídas en la intensidad de campo surgen debido a la adición de una señal directa y reflejada desde la superficie de la Tierra en antifase en la ubicación de la antena NS. A partir de una comparación del nivel de potencia en el canal superior con el nivel de potencia en el espacio libre, se deduce que la adición de un rayo directo y reflejado desde la superficie de la tierra en fase puede aumentar el presupuesto del canal superior a 6 dB en relación con el canal en el espacio libre, o destruir completamente el canal superior si los rayos se suman a fuera de fase Puede deshacerse de la pérdida de comunicación en el NS debido a la adición de haces en antifase al cumplir 2 condiciones.

1. Utilice en el NS un módem con al menos dos canales de recepción (diversidad RX), por ejemplo, 3D Link [11] .
2. Coloque las antenas receptoras en el mástil a diferentes alturas.

El espaciado de las alturas de las antenas receptoras debe hacerse de modo que las caídas en la intensidad de campo en la ubicación de una antena se compensen por niveles superiores a la sensibilidad del receptor en la ubicación de la otra antena. En la fig. La Figura 4 muestra el resultado de este enfoque para el caso de la ubicación de una antena HC a una altura de 5 m (curva sólida azul), y la otra a una altura de 4 m (curva discontinua azul).


Fig. 4. La potencia de la señal en las entradas de dos receptores del módem 3D Link desde antenas ubicadas a diferentes alturas

. 4 la fecundidad de este método es claramente visible. De hecho, en toda la distancia de vuelo del UAV, hasta un rango de 120,6 km, la señal en la entrada de al menos un receptor NS excede el nivel de sensibilidad, es decir, el video de la placa no se interrumpirá en toda la distancia de vuelo.

Sin embargo, el método propuesto ayuda a mejorar la confiabilidad del enlace de radio UAV → NS exclusivamente, ya que la capacidad de instalar antenas a diferentes alturas solo está disponible en NS. Para garantizar el mismo espacio de antena de 1 m de altura en el UAV no es posible. Para aumentar la confiabilidad del enlace de radio NS → UAV, se pueden usar los siguientes enfoques que utilizan varias antenas de transmisión (diversidad TX).

1. Aplicar la señal del transmisor NS a esa antena que recibe una señal más potente del UAV.
2. Utilice códigos espacio-temporales, por ejemplo, el código Alamouti [12] .
3. Utilice la tecnología de control para antenas de haz (formación de haz) con la capacidad de controlar la potencia de la señal enviada a cada una de las antenas.

El primer método es casi óptimo en el problema de la comunicación con los UAV. Es simple y en él toda la energía del transmisor va en la dirección correcta: a una antena posicionada de manera óptima. Por ejemplo, en un rango de 54.5 km (ver Fig. 4), la señal del transmisor se alimenta a una antena suspendida a 5 metros, y a una distancia de 63 km a una antena suspendida a 4 metros. Este método se utiliza en el módem 3D Link [11]. El segundo método no utiliza datos a priori sobre el estado del canal de comunicación UAV → NS (niveles de señales recibidas en las salidas de las antenas), por lo tanto, divide la energía del transmisor por igual entre dos antenas, lo que inevitablemente conduce a pérdidas de energía, ya que una de las antenas puede fallar. fuerza de campo. El tercer método para la calidad de la comunicación es equivalente al primero, pero mucho más difícil de implementar.

Los métodos de diversidad RX y TX también ayudan a resolver otro problema desagradable en las comunicaciones de radio con UAV, a saber, sombrear antenas con el casco o elementos de diseño de UAV durante las maniobras. De hecho, dado que al maniobrar estos objetos puede estar en una zona significativa de propagación de ondas de radio, su influencia en la comunicación será significativa debido al área de sección transversal pequeña del elipsoide de la zona sustancial cerca de las antenas de UAV, es decir, estos objetos pueden superponerse completamente a la zona significativa. Para resolver este problema, en los canales de comunicación NS → UAV y UAV → NS, debe usar un módem en el UAV que admita la diversidad RX y la diversidad TX, por ejemplo, 3D Link [11] . Las antenas en UAV deben colocarse de modo que durante las maniobras de UAV para al menos una de las antenas de UAV en la línea de antena NS - UAV, no haya elementos estructurales del UAV.

A continuación, consideramos la cuestión de la influencia de la frecuencia de las ondas de radio en el rango de comunicación con el UAV, teniendo en cuenta la influencia de la superficie subyacente. Se demostró anteriormente que aumentar la frecuencia es ventajoso, ya que con dimensiones fijas de las antenas esto conduce a un aumento en el rango de comunicación. Sin embargo, el tema de la dependencia$$El | V | d B de frecuencia no se consideró. De(3)se deduce que la relación de ganancia de antena, igual en área y diseñada para operar a frecuencias$|V|_{dB}$$$$F_1$ y $$F 2 es igual$F_2$
(6)

$$

$$\frac{G_1}{G_2}=\left(\frac{F_1}{F_2}\right)^2.$$

Para $$F 1 = 2.450 MHz;$F_1=$$$F 2 = 915 MHz obtenemos$F_2=$$$G 1 / G 2 ≈ 7.2 (8.5 dB). Esto es exactamente lo que sucede en la práctica. Compare, por ejemplo, los parámetros de las siguientes antenas del fabricante Wireless Instruments:$G1/G2\approx$

• WiBOX PA 0809-8V [13] (frecuencia: 0.83–0.96 GHz; ancho de haz: 70 ° / 70 °; ganancia: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (frecuencia: 2.3–2.5 GHz; ancho de haz: 30 ° / 30 °; ganancia: 15 dBi).

Es conveniente comparar estas antenas, ya que están hechas en cajas idénticas de 27x27 cm, es decir, tienen la misma área. Tenga en cuenta que la ganancia de la antena difiere en 15-8 = 7 dB, que está cerca del valor calculado de 8.5 dB. También se puede ver por las características de las antenas que el ancho del haz de la antena para el rango 2.3–2.5 GHz (30 ° / 30 °) es más de dos veces más estrecho que el ancho del haz de la antena para el rango 0.83–0.96 GHz (70 ° / 70 °), es decir La ganancia de antena con las mismas dimensiones realmente crece debido a la mejora de las propiedades direccionales. Dado que se usan 2 antenas en la línea de comunicación, la relación$$( G 1 T X G 1 R X ) / ( G 2 T X G 2 R X ) es 2 ∙ 8.5 = 17 dB. Por lo tanto, con las mismas dimensiones de las antenas, el presupuesto de energía del enlace de radio con una frecuencia$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$F 1 = 2450 MHz será 17 dB más que la línea presupuestaria con una frecuencia$F_1=$$$F 2 = 915 MHz. En el cálculo, también tendremos en cuenta el hecho de que, por regla general, las antenas pin se usan en UAV para los que las dimensiones no son tan críticas como las antenas de panel NS consideradas. Por lo tanto, tomamos la ganancia de la antena UAV para frecuencias$F_2=$$$$F_1$ y $$F 2 igual.$F_2$ Es decirLa diferencia en los presupuestos de energía de las líneas será de 8,5 dB, en lugar de 17 dB. Los resultados del cálculo realizado para estos datos iniciales y la altura de suspensión de la antena HC 5 m se muestran en la Fig. 5)


Fig. 5. La potencia de la señal en la entrada del receptor para enlaces de radio que funcionan a frecuencias de 915 y 2450 MHz

De la fig. La Figura 5 muestra claramente que el rango de comunicación con un aumento en la frecuencia de operación y la misma área de la antena NS aumenta de 106.7 km para una línea de radio con una frecuencia de 915 MHz a 120.6 km para una línea con una frecuencia de 2450 MHz. Sin embargo, la línea de 915 MHz tiene una frecuencia de oscilación más baja. Menos oscilaciones: menos caídas de intensidad de campo, es decir, menos probabilidades de interrumpir las comunicaciones con el UAV en toda la distancia de vuelo. Quizás este sea precisamente el hecho que hace que el rango de sub-gigahercios de ondas de radio sea popular para las líneas de comando y comunicación telemétrica con los UAV como los más confiables. Al mismo tiempo, al realizar el conjunto de acciones descritas anteriormente para proteger contra las oscilaciones de la intensidad del campo, las líneas de radio gigahercios proporcionan un rango de comunicación más largo al mejorar las propiedades direccionales de las antenas.

De la consideración de la fig. 5, también podemos concluir que en la zona de sombra (después de unos 125 km) tiene sentido reducir la frecuencia de trabajo de la línea de comunicación. De hecho, en un punto de aproximadamente -127.8 dBm, las curvas de potencia para frecuencias$$$F_1$ y $$$F_2$ se cruzan Es decir Cuando se utilizan receptores con una sensibilidad mejor que −128 dBm, la línea de radio a 915 MHz proporcionará un rango de comunicación más largo. En este caso, sin embargo, es necesario tener en cuenta el ancho de banda requerido del enlace, ya que para un valor de sensibilidad tan alto, la velocidad de la información será muy baja. Por ejemplo, la mejor sensibilidad de un módem 3D Link [11] es −122 dBm. Para garantizar un rango de comunicación de 150 km, se requerirá un aumento de la potencia del transmisor con un amplificador externo en 128-122 = 6 dB (es decir, hasta 31 dBm). Existe una versión 3D Link con un transmisor de tal potencia, pero la velocidad de transferencia de información agregada (en ambos lados) será de solo 23 kbit / s, lo que, en principio, es suficiente para la comunicación KTRL con UAV, pero claramente no es suficiente para transmitir video desde la placa. Por lo tanto, el rango de sub-gigahercios, de hecho, tiene una ligera ventaja sobre el rango de gigahercios para KTRL, pero claramente pierde características al organizar líneas de video.

Al elegir la frecuencia de una línea de radio, también se debe tener en cuenta la atenuación de la señal durante la propagación en la atmósfera de la Tierra. Para las líneas de comunicación NS - UAV, la atenuación en la atmósfera es causada por gases, lluvia, granizo, nieve, niebla y nubes [2] . Para frecuencias operativas de enlaces de radio inferiores a 6 GHz, se puede despreciar la atenuación en gases [2] . La atenuación más severa se observa en las lluvias, especialmente de alta intensidad (lluvia). La Tabla 1 muestra los datos [2] sobre la atenuación específica [dB / km] en lluvias de diferentes intensidades para frecuencias de 3–6 GHz.

Tabla 1. La atenuación lineal de las ondas de radio [dB / km] en lluvias de diferentes intensidades dependiendo de la frecuencia

De la mesa. 1 se deduce que, por ejemplo, a una frecuencia de 3 GHz, la atenuación en la ducha será de aproximadamente 0.0087 dB / km, que en el camino de 100 km dará 0.87 dB de atenuación total. Con un aumento en la frecuencia de operación del enlace de radio, la atenuación bajo la lluvia aumenta bruscamente. Para una frecuencia de 4 GHz, la atenuación en la ducha a lo largo del mismo camino ya será de 9,1 dB, y a frecuencias de 5 y 6 GHz: 28 y 57 dB, respectivamente. En este caso, sin embargo, se supone que llueve con una intensidad dada a lo largo de toda la ruta, lo que rara vez es el caso en la práctica. Sin embargo, cuando se utilizan vehículos aéreos no tripulados en áreas donde las lluvias de alta intensidad son frecuentes, se recomienda seleccionar la frecuencia de funcionamiento del enlace de radio por debajo de 3 GHz.

Literatura

1. Smorodinov A.A. Cómo elegir un módem de banda ancha para un vehículo aéreo no tripulado (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Propagación de ondas de radio y operación de enlace de radio. Comunicación Moscú 1971
3. Microhard.
4. Especificación de Pico Digital Data Link pDDL2450.
5. Especificación OEM Picoradio.
6. Informe de prueba de ingeniería. Módulo de enlace de datos digitales Pico 2.4GHz 1W.
7. Identificación de la FCC.
8. CA Balanis. Teoría de la antena. Análisis y diseño. Cuarta edición. John Wiley & Sons. 2016
9. Ganancia de antena. Artículo de Wikipedia
10. Ancho de haz. Artículo de Wikipedia
11. Radio módem digital dúplex 3D Link.
12. SM Alamouti. "Una técnica simple de transmisión de diversidad para comunicaciones inalámbricas" Revista IEEE sobre áreas seleccionadas en comunicaciones. 16 (8): 1451–1458.
13. Antena cliente PTP WiBOX PA 0809-8V.
14. Antena cliente PTP WiBOX PA 24-15.