كيفية زيادة نطاق الاتصال باستخدام مركبة جوية بدون طيار (UAV)

مهمة زيادة نطاق الاتصال باستخدام مركبة جوية بدون طيار (UAV) لا تفقد أهميتها. تتناول هذه المقالة طرق تحسين هذا الإعداد. المقالة مكتوبة لمطوري ومشغلي الطائرات بدون طيار وهي امتداد لسلسلة من المقالات حول العلاقة مع الطائرات بدون طيار (انظر بداية الدورة في [1] .

ما يؤثر على نطاق الاتصالات

يعتمد نطاق الاتصال على المودم المستخدم ، والهوائيات ، وكابلات الهوائي ، وظروف انتشار الموجات الراديوية ، والتداخل الخارجي ، وبعض الأسباب الأخرى. لتحديد درجة تأثير المعلمة على نطاق الاتصال ، فكر في معادلة النطاق [2]
(1)

$$

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

حيث
$$$R$ - مدى الاتصال المطلوب [متر] ؛
$$$c \ approx 3 \ cdot 10 ^ 8$ - سرعة الضوء في فراغ [م / ثانية] ؛
$$$F$ - التردد [هرتز] ؛
$$$P_ {TXdBm}$ - قدرة مرسل المودم [dBm] ؛
$$$G_ {TXdB}$ - كسب هوائي المرسل [dBi] ؛
$$$L_ {TXdB}$ - خسائر في الكبل من المودم إلى هوائي المرسل [dB] ؛
$$$G_ {RXdB}$ - كسب هوائي المستقبل [dBi] ؛
$$$L_ {RXdB}$ - خسائر في الكبل من المودم إلى هوائي الاستقبال [dB] ؛
$$$P_ {RXdBm}$ - حساسية مستقبل المودم [dBm] ؛
$$$| V | _ {dB}$ - عامل التوهين ، مع مراعاة الخسائر الإضافية بسبب تأثير سطح الأرض والنباتات والغلاف الجوي وعوامل أخرى [ديسيبل].

توضح المعادلة أن النطاق يتم تحديده بواسطة:

• مودم مستعمل
• تردد قناة الراديو ؛
• الهوائيات المطبقة ؛
• خسائر الكابلات ؛
• التأثير على انتشار الموجات الراديوية لسطح الأرض ، الغطاء النباتي ، الجو ، المباني ، إلخ.

علاوة على ذلك ، يتم اعتبار المعلمات التي تؤثر على النطاق بشكل منفصل.

استخدام المودم

يعتمد نطاق الاتصال على معلمتين فقط من المودم: قدرة المرسل $$$P_ {TXdBm}$ وحساسية الاستقبال $$$P_ {RXdBm}$ ، أو بالأحرى ، من فرقهم - ميزانية الطاقة للمودم
(2)

$$

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

من أجل زيادة نطاق الاتصالات ، من الضروري اختيار مودم بقيمة كبيرة $$$B_m$ . اضغط للتكبير $$$B_m$ في المقابل ، فمن الممكن عن طريق زيادة $$$P_ {TXdBm}$ أو عن طريق الحد $$$P_ {RXdBm}$ . يجب إعطاء الأفضلية للبحث عن أجهزة المودم ذات الحساسية العالية ( $$$P_ {RXdBm}$ منخفضة قدر الإمكان) بدلاً من زيادة قدرة جهاز الإرسال $$$P_ {TXdBm}$ . تم تناول هذا السؤال بالتفصيل في المقالة الأولى [1] .

بالإضافة إلى المواد [1] ، ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن بعض الشركات المصنعة ، على سبيل المثال Microhard [3] ، تشير في مواصفات بعض الأجهزة إلى عدم وجود المتوسط ​​، ولكن قدرة مرسل الذروة ، والتي أكبر بعدة مرات من المتوسط ​​والتي لا يمكن استخدامها لحساب المدى ، ر إلى هذا سيؤدي إلى وجود فائض قوي في النطاق المحسوب للقيمة الحقيقية. تتضمن هذه الأجهزة ، على سبيل المثال ، وحدة pDDL2450 الشائعة [ 4 ، 5 ]. هذه الحقيقة تتبع مباشرة من نتائج اختبار هذا الجهاز ، التي أجريت للحصول على شهادة لجنة الاتصالات الفدرالية [6] (انظر الصفحة 58). يمكن عرض نتائج اختبار الأجهزة اللاسلكية التي تحمل شهادات FCC على موقع معرف FCC [7] عن طريق إدخال معرف FCC المناسب في شريط البحث ، والذي يجب أن يكون على الملصق الذي يشير إلى نوع الجهاز. تحتوي الوحدة النمطية pDDL2450 على معرف FCC NS916pDDL2450.

تردد الراديو

من معادلة المدى (1) يتبع ذلك بوضوح أنه كلما انخفض تردد التشغيل $$$F$ ، أكبر مجموعة الاتصالات $$$R$ . ولكن ، دعونا لا نتسرع في الاستنتاجات. والحقيقة هي أن المعلمات الأخرى المدرجة في المعادلة تعتمد أيضا على التردد. على سبيل المثال ، مكاسب الهوائي $$$G_ {TXdB}$ و $$$G_ {RXdB}$ سوف يعتمد على التردد في الحالة عندما يتم إصلاح الأبعاد القصوى للهوائيات ، وهو ما يحدث فقط في الممارسة العملية. كسب الهوائي $$$G$ يمكن التعبير عنها بوحدات بدون أبعاد (مرات) من حيث المساحة المادية للهوائي $$$دولا$ على النحو التالي [8]
(3)

$$

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

حيث $$$e_a$ - كفاءة فتحة الهوائي ، أي نسبة مساحة الهوائي الفعالة إلى المادية (يعتمد على تصميم الهوائي) [8] .

يتبين على الفور من (3) أنه بالنسبة لمنطقة الهوائي الثابت ، يزداد الكسب بما يتناسب مع مربع التردد. نحن نستبدل (3) في (1) ، نعيد كتابة (1) سابقًا باستخدام وحدات غير محددة الأبعاد لكسب الهوائي $$$G_ {TX}$ . $$$G_ {RX}$ فقدان الكابل $$$L_ {TX}$ . $$$L_ {RX}$ وتخفيف المضاعف $$$| V |$ وكذلك استخدام واط ل $$$P_ {TX}$ و $$$P_ {RX}$ بدلا من ديسيبل. ثم
(4)

$$

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

أين هو المعامل $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ هو ثابت لأبعاد الهوائي الثابت. وبالتالي ، في هذه الحالة ، يكون نطاق الاتصال متناسبًا تمامًا مع التردد ، أي أنه كلما زاد التردد ، زاد النطاق. الاستنتاج. مع الأبعاد الثابتة للهوائيات ، تؤدي زيادة تردد خط الراديو إلى زيادة في نطاق الاتصال من خلال تحسين خصائص اتجاه الهوائيات. ومع ذلك ، يجب ألا يغيب عن البال أنه مع زيادة التردد ، يزداد أيضًا توهين الموجات الراديوية في الجو الناجم عن الغازات والأمطار والبرد والثلوج والضباب والسحب [2] . علاوة على ذلك ، مع زيادة طول المسار ، يزداد التوهين في الغلاف الجوي أيضًا. ولهذا السبب ، يوجد حد أقصى لقيمة تردد الموجة الحاملة لكل طول مسار ومتوسط ​​الأحوال الجوية ، مقيدًا بمستوى التوهين المسموح به في الغلاف الجوي. دعونا نترك الحل النهائي لمسألة تأثير تردد القناة الراديوية على مدى الاتصال إلى القسم حيث سيتم النظر في تأثير سطح الأرض والغلاف الجوي على انتشار الموجات الراديوية.

هوائيات

يتم تحديد نطاق الاتصال بواسطة معلمة الهوائي مثل الكسب $$$G_ {dB}$ (الكسب في مصطلحات اللغة الإنجليزية) ، ويقاس بوحدة ديسيبل. الكسب هو معلمة مركبة مهمة ، لأنه يأخذ في الاعتبار: (1) قدرة الهوائي على تركيز طاقة المرسل في اتجاه المستقبل بالمقارنة مع باعث موحد الخواص (متباين الخواص ، وبالتالي الفهرس i في dBi) ؛ (2) الخسائر في الهوائي نفسه [ 8 ، 9 ]. لزيادة نطاق الاتصال ، ينبغي للمرء اختيار الهوائيات ذات أعلى قيمة كسب ممكنة من تلك المناسبة لمعلمات الأبعاد الجماعية وقدرات نظام التوجيه. قدرة الهوائي على تركيز الطاقة ليست مجانية ، ولكن فقط عن طريق زيادة حجم (فتحة) الهوائي. على سبيل المثال ، كلما كان هوائي الاستقبال أكبر ، زادت المساحة التي ستتمكن من جمع الطاقة لتزويدها بمدخل المستقبل ، وكلما زادت الطاقة ، زادت الإشارة المستقبلة ، أي نطاق الاتصال. وبالتالي ، يجب عليك أولاً تحديد الأبعاد القصوى للهوائيات المناسبة للمهمة قيد البحث وقصر البحث على هذه المعلمة ، ثم البحث عن نموذج هوائي معين ، مع التركيز على الكسب الأقصى. المعلمة الثانية للهوائي المهم في الممارسة هي عرض الحزمة (عرض الحزمة) [ 8 ، 10 ] ، المقاسة بالدرجات الزاوية. وكقاعدة عامة ، يُعرّف عرض الحزمة بأنه الزاوية بين اتجاهين مكانيين من مركز الهوائي الذي يتناقص فيه كسب الهوائي بمقدار 3 ديسيبل عن الحد الأقصى لهذا الهوائي. يمكن أن يكون عرض الشعاع في السمت والارتفاع مختلفًا تمامًا. ترتبط هذه المعلمة ارتباطًا وثيقًا بأبعاد الهوائي وفقًا للقاعدة: المزيد من الأبعاد - عرض الحزمة أقل. لا يتم تضمين هذه المعلمة بشكل مباشر في معادلة المدى ، ولكنها تحدد متطلبات نظام توجيه هوائي المحطة الأرضية (NS) إلى الطائرات بدون طيار ، لأنه في NS ، عادةً ما تستخدم هوائيات الاتجاه بقوة ، على الأقل في الحالات التي يكون فيها تكبير النطاق التواصل مع الطائرات بدون طيار هو أولوية. في الواقع ، في حين أن نظام التتبع NS يوفر دقة زاوية لتوجيه الهوائي إلى UAV تساوي نصف عرض الحزمة أو أقل ، فإن مستوى الإشارة المستقبلة / المنبعثة لن يقل عن 3 ديسيبل من الحد الأقصى. يجب ألا يكون نصف عرض الحزمة للهوائي المحدد تحت أي ظرف من الظروف أقل من الخطأ الزاوي لنظام توجيه هوائي NS في السمت أو الارتفاع.

الكابلات

لزيادة نطاق الاتصال إلى الحد الأقصى ، من الضروري استخدام كبلات بأقل توهين ممكن (توهين الكبل أو فقد الكبل) عند تردد التشغيل لراديو NS - UAV. يُعرَّف التوهين الخطي في الكبل بأنه نسبة الإشارة عند إخراج طول الكبل البالغ 1 متر (في النظام المتري) للإشارة عند دخل طول الكبل ، معبراً عنه بالديسيبل. خسائر الكابلات $$$L_ {dB}$ يتم تضمينها في معادلة المدى (1) بضرب التوهين الخطي بطول الكابل. وبالتالي ، للحصول على أقصى مدى اتصال ممكن ، من الضروري استخدام كابلات بأقل توهين خطي ممكن وتقليل طول هذه الكابلات. يجب تثبيت كتل مودم NS مباشرة على الصاري المجاور للهوائيات. في حالة الطائرات بدون طيار ، يجب أن يكون المودم أقرب مكان ممكن للهوائيات. بشكل منفصل ، يجدر التحقق من مقاومة الكابل المحدد. تقاس هذه المعلمة بالأوم وعادة ما تكون 50 أو 75 أوم. يجب أن تكون مقاومة الكبل وموصل هوائي المودم والموصل الموجود على الهوائي نفسه متساويين.

تأثير سطح الأرض

في هذا القسم ، نعتبر انتشار الموجات الراديوية على سطح عادي أو سطح البحر. غالبًا ما يوجد هذا الموقف في ممارسة استخدام الطائرات بدون طيار. مراقبة من الطائرات بدون طيار من خطوط الأنابيب وخطوط الكهرباء والمحاصيل الزراعية والعديد من العمليات العسكرية والخاصة - كل هذا موصوف بشكل جيد من قبل هذا النموذج. تجربة الإنسان ترسم لنا صورة يكون فيها الاتصال بين الأشياء ممكنًا إذا كانت في مجال الرؤية البصرية المباشرة لبعضها البعض ، وإلا فإن التواصل أمر مستحيل. ومع ذلك ، لا تنتمي الموجات الراديوية إلى النطاق البصري ، وبالتالي ، فإن الوضع معها يختلف إلى حد ما. في هذا الصدد ، من المفيد لمطور ومشغل الطائرات بدون طيار أن يتذكر الحالتين التاليتين.

1. التواصل في نطاق الراديو ممكن في غياب خط البصر بين NS و UAV.
2. سيشعر تأثير السطح الأساسي على الاتصال بالطائرة بدون طيار حتى عند عدم وجود كائنات على الخط البصري لجهاز NS - UAV.

لفهم تفاصيل انتشار الموجات الراديوية بالقرب من سطح الأرض ، من المفيد أن تتعرف على مفهوم منطقة هامة من انتشار الموجات اللاسلكية [2] . في حالة عدم وجود أي أشياء في المنطقة الكبيرة لانتشار الموجات الراديوية وفي غياب الانعكاسات من سطح الأرض ، يمكن إجراء حساب النطاق وفقًا للصيغ الخاصة بالمساحة الحرة ، أي $$$| V | _ {dB}$ في (1) يمكن أن تساوي 0. ومع ذلك ، إذا كانت هناك كائنات في المنطقة الأساسية ، أو كانت هناك انعكاسات كبيرة من سطح الأرض ، فلا يمكن القيام بذلك. في التين. 1 ، النقطة A يصور باعث النقطة الموجود على ارتفاع $$$h_1$ فوق سطح الأرض ، الذي ينبعث الطاقة الكهرومغناطيسية في جميع الاتجاهات بنفس الكثافة. عند النقطة B على ارتفاع $$$h_2 دولا$ هناك جهاز استقبال لقياس شدة المجال. في هذا النموذج ، توجد منطقة هامة لانتشار الموجات الراديوية في شكل إهليلجي مع بؤر عند النقطتين A و B.


التين. 1. منطقة انتشار موجة راديو كبيرة

يتم تحديد نصف قطر الإهليلجي في الجزء "الأثخن" بواسطة التعبير [2]
(5)

$$

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

من (5) يمكن أن نرى ذلك $$$ص$ تردد يعتمد $$$F$ عكسيا أصغر $$$F$ ، "أثخن" الإهليلجيه ( $$$F_1 <F_2$ في التين. 1). بالإضافة إلى ذلك ، يزيد "سمك" القطع الإهليلجي مع زيادة المسافة بين كائنات الاتصال. لموجات الراديو $$$ص$ يمكن أن تكون مؤثرة جدا ، لذلك مع $$$R =$ 10 كم $$$F =$ 2.45 غيغاهرتز نحصل عليها $$$r =$ 50 ÷ 60 م.

دعونا الآن نفكر في كائن معتم يصور بواسطة مثلث رمادي في الشكل. 1. وسوف تؤثر على انتشار موجات الراديو مع تردد $$$F_1$ ، لأنه يقع في منطقة انتشار كبيرة ، ولن يكون له أي تأثير عمليًا على انتشار الموجات الراديوية بتردد $$$F_2$ . بالنسبة إلى موجات الراديو للمجال البصري (الضوء) ، القيمة $$$ص$ صغير ، وبالتالي ، لا يشعر تأثير سطح الأرض على انتشار الضوء في الممارسة. بالنظر إلى أن سطح الأرض كرة ، فمن السهل أن نفهم ذلك مع زيادة المسافة $$$R$ ، ينتقل السطح الأساسي بشكل متزايد إلى منطقة انتشار كبيرة ، مما يحول دون تدفق الطاقة من النقطة A إلى النقطة B - نهاية القصة ، يتم قطع الاتصال مع الطائرات بدون طيار. بطريقة مشابهة ستؤثر على الاتصالات والأشياء الأخرى على الطريق ، مثل صدمات التضاريس والمباني والغابات ، إلخ. سوف تؤثر بدن الطائرات بدون طيار والعناصر الهيكلية التي تقع في منطقة مهمة أيضًا على نطاق الاتصال.

دعونا الآن النظر في الأرز. 2 الذي يغطي فيه الجسم المعتم بالكامل منطقة انتشار كبيرة لموجة راديوية بتردد $$$F_2$ جعل الاتصالات مستحيلة في هذا التردد. في الوقت نفسه ، تردد الاتصالات $$$F_1$ لا يزال ممكنًا لأن جزءًا من الطاقة "يقفز" فوق كائن غير شفاف. كلما كان التردد أقل ، كلما تجاوزت الأفق البصري الذي يمكن أن تنشره الموجة الراديوية ، مع الحفاظ على اتصال ثابت مع UAV.


التين. 2. تداخل منطقة انتشار موجة راديو كبيرة

تعتمد درجة تأثير سطح الأرض على الاتصال أيضًا على ارتفاع الهوائي $$$h_1$ و $$$h_2 دولا$ . كلما زاد ارتفاع الهوائيات ، زادت المسافة بين النقطتين A و B ، مما يمنع الأجسام أو السطح الأساسي من الدخول إلى منطقة كبيرة.

عندما يقترب السطح الأساسي من منطقة أساسية ، تتأرجح شدة المجال عند النقطة B [2] ، أي أنها ستكون أكبر أو أقل من شدة المجال في المساحة الحرة. ويرجع ذلك إلى انعكاس الطاقة من الأساس. يمكن أن تزيد الطاقة المنعكسة عند النقطة B مع الطاقة الرئيسية في الطور - ثم يحدث ارتفاع في شدة المجال ، أو في الطور المضاد - ثم يحدث انخفاض (وعمق للغاية) في شدة المجال. من المهم أن نتذكر هذا التأثير لفهم تفاصيل التواصل مع الطائرات بدون طيار. يمكن أن يكون سبب فقدان الاتصال مع الطائرات بدون طيار في نطاق معين هو انخفاض محلي في شدة المجال بسبب التذبذبات ، على سبيل المثال ، إذا كنت تطير مسافة أخرى ، فيمكن استعادة الاتصال. لن يحدث الفقدان النهائي للاتصال إلا بعد الإغلاق الكامل للمنطقة الأساسية بواسطة الأجسام أو السطح الأساسي. بعد ذلك ، سيتم اقتراح طرق للتعامل مع عواقب تذبذبات شدة المجال.

صيغ لحساب عامل التوهين $$$| V | _ {dB}$ عندما تكون موجات الراديو المنتشرة على سطح أملس من الأرض معقدة للغاية ، خاصة بالنسبة للمسافات $$$R$ يتجاوز نطاق الأفق البصري [2] . لذلك ، في مزيد من النظر في المشكلة ، سوف نلجأ إلى النمذجة الرياضية باستخدام مجموعة من برامج الكمبيوتر للمؤلف. النظر في المهمة النموذجية لنقل الفيديو من الطائرات بدون طيار إلى NS باستخدام مودم 3D لينك [11] من Geoscan. البيانات الأولية هي على النحو التالي.

1. ارتفاع تعليق هوائي HC: 5 م.
2. ارتفاع الطائرة بدون طيار: 1000 م.
3. تردد الراديو: 2.45 غيغاهرتز.
4. كسب هوائي NS: 17 ديسيبل.
5. كسب هوائي الطائرات بدون طيار: 3 ديسيبل.
6. قوة الارسال: +25 ديسيبل (300 ميجاوات).
7. السرعة في قناة الفيديو: 4 ميغابت في الثانية.
8. حساسية المستقبِل في قناة الفيديو:: 100،4 dBm (لنطاق التردد الذي تشغله إشارة 12 MHz).
9. السطح الأساسي: التربة الجافة.
10. الاستقطاب: العمودي.

تبلغ مسافة خط الرؤية لهذه المدخلات 139.6 كم. يعرض الشكل نتائج حساب القدرة عند دخل مستقبل المودم بوحدة dBm. 3.


التين. 3. قوة الإشارة عند إدخال مستقبل مودم 3D Link [11]

المنحنى الأزرق في التين. 3 هي قوة الإشارة عند دخل مستقبل NS ، مع مراعاة تأثير سطح الأرض ، والمنحنى الأخضر هو قوة الإشارة عند دخل مستقبل NS عند الاتصال في الفضاء الحر ، ويشير الخط الأحمر المستقيم إلى حساسية هذا المستقبل. يتم رسم المسافة بالكيلومترات على طول المحور X ، ويتم رسم القدرة بالديسيبل على طول المحور ص. عند نقاط النطاق التي يقع فيها المنحنى الأزرق فوق اللون الأحمر ، يكون استقبال الفيديو المباشر من الطائرات بدون طيار ممكنًا ، وإلا لن يكون هناك اتصال. يمكن ملاحظة من الرسم البياني أنه بسبب التذبذبات ، سيحدث فقدان الاتصال في حدود 37.1 إلى 37.8 كم وأكثر في المدى من 60.8 إلى 65.1 كم. في هذه الحالة ، سيأتي الانهيار النهائي للتوصيل إلى أبعد من ذلك بكثير - بعد 120.6 كم من الرحلة. إن القفز على المنحنى الأزرق المرئي عند نقطة 126.3 كم يرجع إلى حقيقة أنه ، حتى هذا النطاق (أي في منطقة رؤية الراديو) ، يتم الحساب وفقًا لصيغ التداخل وبعد هذا النطاق (أي في منطقة ظل الراديو) ، وفقًا لصيغ حيود Fock [ 2] .

كما ذكرنا سابقًا ، تنشأ الانخفاضات في شدة المجال بسبب إضافة إشارة مباشرة ومنعكسة من سطح الأرض في المرحلة المضادة في موقع هوائي NS. من مقارنة مستوى الطاقة في القناة العلوية مع مستوى الطاقة في المساحة الحرة ، يترتب على ذلك أن إضافة شعاع مباشر ومنعكس من سطح الأرض في الطور يمكن أن يزيد ميزانية القناة الموجودة فوق الأرض إلى 6 ديسيبل بالنسبة للقناة في الفضاء الحر ، أو يدمر القناة الموجودة فوق سطح الأرض تمامًا إذا خارج المرحلة. يمكنك التخلص من فقدان الاتصال على NS بسبب إضافة الحزم في الطور المضاد عن طريق استيفاء 2 شروط.

1. استخدم مودم في NS يحتوي على قناتين استقبال على الأقل (تنوع RX) ، على سبيل المثال 3D Link [11] .
2. ضع هوائيات الاستقبال على الصاري على ارتفاعات مختلفة .

ينبغي إجراء مباعدة بين ارتفاعات هوائيات الاستقبال بحيث يتم تعويض الانخفاضات في شدة المجال في موقع أحد الهوائيات بمستويات أعلى من حساسية المستقبل في موقع الهوائي الآخر. في التين. يوضح الشكل 4 نتيجة هذا النهج لحالة موقع هوائي HC واحد على ارتفاع 5 أمتار (منحنى صلب أزرق) والآخر على ارتفاع 4 أمتار (منحنى متقطع أزرق).


التين. 4. قدرة الإشارة عند مدخلات مستقبلين لمودم 3D Link من هوائيات تقع على ارتفاعات مختلفة

. 4 ثمار هذه الطريقة واضحة للعيان. في الواقع ، على مدى مسافة رحلة الطائرات بدون طيار بأكملها ، وحتى مدى 120.6 كم ، تتجاوز الإشارة عند دخل مستقبل NS واحد مستوى الحساسية ، أي لن يتم مقاطعة الفيديو من اللوحة عند مسافة الرحلة بأكملها.

ومع ذلك ، تساعد الطريقة المقترحة على تحسين موثوقية الرابط اللاسلكي UAV → NS بشكل حصري ، حيث إن القدرة على تثبيت الهوائيات على ارتفاعات مختلفة لا تتوفر إلا على NS. للتأكد من أن تباعد الهوائي البالغ ارتفاعه 1 متر على UAV غير ممكن. لزيادة موثوقية الوصلة الراديوية NS → UAV ، يمكن استخدام الطرق التالية التي تستخدم عدة هوائيات إرسال (تنوع TX).

1. لتطبيق إشارة مرسل NS على ذلك الهوائي الذي يستقبل إشارة أكثر قوة من الطائرات بدون طيار.
2. استخدم الرموز المكانية الزمانية ، على سبيل المثال ، رمز Alamouti [12] .
3. استخدم تقنية التحكم لهوائيات الشعاع (تكوين الحزمة) مع القدرة على التحكم في قوة الإشارة المرسلة إلى كل من الهوائيات.

الطريقة الأولى هي قريبة من الأمثل في مشكلة التواصل مع الطائرات بدون طيار. إنها بسيطة وفيها تذهب كل طاقة جهاز الإرسال في الاتجاه الصحيح - إلى هوائي في وضع مثالي. على سبيل المثال ، على مدى 54.5 كم (انظر الشكل 4) ، يتم تغذية إشارة المرسل بهوائي معلق على ارتفاع 5 أمتار ، وعلى مسافة 63 كم إلى هوائي معلق عند 4 أمتار. تستخدم هذه الطريقة في مودم 3D Link [11]. لا تستخدم الطريقة الثانية بيانات مسبقة عن حالة قناة اتصال UAV → NS (مستويات الإشارات المستقبلة عند مخرجات الهوائيات) ، وبالتالي ، فإنها تقسم طاقة المرسل بالتساوي بين هوائيين ، مما يؤدي حتماً إلى فقد الطاقة ، لأن أحد الهوائيات قد يكون في حالة فشل شدة المجال. الطريقة الثالثة لجودة الاتصال تعادل الطريقة الأولى ، ولكن تنفيذها أكثر صعوبة.

تساعد أيضًا طرق تنوع RX و TX على حل مشكلة غير سارة أخرى أثناء الاتصال اللاسلكي مع الطائرات بدون طيار ، أي تظليل الهوائيات بعناصر تصميم الهيكل أو الطائرات بدون طيار أثناء المناورات. في الواقع ، لأنه عندما تكون المناورة في هذه الأجسام في منطقة كبيرة من انتشار الموجات الراديوية ، فإن تأثيرها على التواصل سيكون مهمًا نظرًا لصغر مساحة المقطع العرضي للقطع الإهليلجي للمنطقة الكبيرة بالقرب من هوائيات الطائرات بدون طيار ، على سبيل المثال ، يمكن لهذه الأجسام أن تغطي المنطقة الكبيرة تمامًا. لحل هذه المشكلة ، في قنوات الاتصال NS → UAV و UAV → NS ، تحتاج إلى استخدام مودم على UAV يدعم كل من تنوع RX وتنوع TX ، على سبيل المثال 3D Link [11] . يجب وضع الهوائيات على الطائرات بدون طيار بحيث لا توجد عناصر هيكلية للطائرات بدون طيار خلال مناورات الطائرات بدون طيار لواحد على الأقل من هوائيات الطائرات بدون طيار على خط هوائي NS - UAV.

بعد ذلك ، ننظر في مسألة تأثير تردد الموجات الراديوية على نطاق الاتصال مع الطائرات بدون طيار ، مع مراعاة تأثير السطح الأساسي. لقد ظهر أعلاه أن زيادة التردد أمر مفيد ، لأنه مع الأبعاد الثابتة للهوائيات ، يؤدي ذلك إلى زيادة في نطاق الاتصال. ومع ذلك ، فإن مسألة التبعية$$| الخامس | لم يؤخذ d B من التردد في الاعتبار. من(3)يستنتج أن نسبة كسب الهوائي ، مساوية في المساحة ومصممة للعمل على ترددات$|V|_{dB}$$$$F_1$ و $$F 2 يساوي$F_2$
(6)

$$

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

إلى $$F 1 = 2450 ميجا هرتز ؛$F_1=$$$F 2 = 915 ميغاهرتز نحصل عليها$F_2=$$$G 1 / G 2 ≈ 7.2 (8.5 ديسيبل). هذا هو بالضبط ما يحدث في الممارسة العملية. قارن ، على سبيل المثال ، معلمات الهوائيات التالية من الشركة المصنعة Wireless Instruments:$G1/G2\approx$

• WiBOX PA 0809-8V [13] (التردد: 0.83–0.96 جيجا هرتز ؛ عرض الحزمة: 70 درجة / 70 درجة ؛ الكسب: 8 ديسيبل) ؛
• WiBOX PA 24-15 [14] (التردد: 2.3-2.5 جيجا هرتز ؛ عرض الحزمة: 30 درجة / 30 درجة ؛ الكسب: 15 ديسيبل).

من المريح مقارنة هذه الهوائيات ، لأنها مصنوعة في حالات مماثلة 27 × 27 سم ، أي أنها لها نفس المنطقة. لاحظ أن كسب الهوائي يختلف بمقدار 15-8 = 7 ديسيبل ، وهو قريب من القيمة المحسوبة البالغة 8.5 ديسيبل. ويمكن ملاحظة ذلك من خصائص الهوائيات التي يكون عرض حزمة الهوائي لها في المدى من 2.3 إلى GHz 2 (30 ° / 30 °) أضيق مرتين من عرض حزمة الهوائي للنطاق GHz 0،96- GHz (70 ° / 70 °) ، أي ينمو كسب الهوائي بنفس الأبعاد حقًا بسبب تحسن خصائص الاتجاه. بالنظر إلى أن الهوائيات 2 تستخدم في خط الاتصال ، فإن النسبة$$( G 1 T X G 1 R X ) / ( G 2 T X G 2 R X ) 2 ∙ 8.5 = 17 dB. وبالتالي ، بنفس أبعاد الهوائيات ، ترتبط ميزانية الطاقة للراديو بتردد$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$F 1 = 2450 ميجاهرتز سيكون 17 ديسيبل أكثر من خط الميزانية مع التردد$F_1=$$$F 2 = 915 ميغاهرتز. في الحساب ، نأخذ أيضًا في الحسبان حقيقة أنه ، كقاعدة عامة ، يتم استخدام هوائيات الدبوس على الطائرات بدون طيار التي لا تكون الأبعاد لها مهمة مثل هوائيات لوحة NS التي تم اعتبارها. لذلك ، نأخذ كسب هوائي الطائرات بدون طيار للترددات$F_2=$$$$F_1$ و $$F 2 على قدم المساواة.$F_2$ أيالفرق في ميزانيات الطاقة للخطوط سيكون 8.5 ديسيبل بدلاً من 17 ديسيبل. تظهر في الشكل نتائج الحساب الذي أُجري لهذه البيانات الأولية وارتفاع تعليق هوائي HC 5 m. 5.


التين. 5. قدرة الإشارة عند دخل المستقبل لوصلات الراديو العاملة على ترددات 915 و 2450 ميجاهرتز

من التين. يوضح الشكل 5 بوضوح أن نطاق الاتصال مع زيادة في تردد التشغيل ونفس مساحة هوائي NS يزيد من 106.7 كم لخط راديو بتردد من 915 MHz إلى 120.6 كم لخط بتردد قدره 2450 MHz. ومع ذلك ، فإن خط 915 ميغاهرتز لديه تردد أقل التذبذب. تذبذبات أقل - انخفاضات شدة المجال أقل ، أي احتمال أقل لمقاطعة الاتصالات مع الطائرات بدون طيار على مسافة الرحلة بأكملها. ولعل هذا هو بالضبط ما يجعل نطاق الموجات دون جيجا هرتز من الموجات الراديوية شائعًا لخطوط الاتصال عن بعد والقيادة مع الطائرات بدون طيار باعتبارها الأكثر موثوقية. في الوقت نفسه ، عند تنفيذ مجموعة الإجراءات الموضحة أعلاه للحماية من تذبذبات شدة المجال ، توفر خطوط الراديو جيجاهيرتز مدى اتصال أطول من خلال تحسين خصائص اتجاه الهوائيات.

من النظر في التين. 5 ، يمكننا أيضًا أن نستنتج أنه في منطقة الظل (بعد حوالي 125 كم) ، فإن تقليل وتيرة العمل لخط الاتصال أمر منطقي. في الواقع ، عند نقطة ما يقرب من 127.8 ديسيبل ، منحنيات السلطة للترددات$$$F_1$ و $$$F_2$ تتقاطع. أي عند استخدام مستقبلات ذات حساسية أفضل من -128 ديسيبل ، سيوفر خط الراديو عند 915 ميجاهرتز مدى اتصال أطول. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، من الضروري مراعاة عرض النطاق الترددي المطلوب للرابط ، كما هو لمثل هذه القيمة حساسية عالية ، ستكون سرعة المعلومات منخفضة للغاية. على سبيل المثال ، أفضل حساسية لمودم 3D Link [11] هي -122 ديسيبل. لضمان وجود مدى اتصال يبلغ 150 كم ، ستكون هناك حاجة إلى زيادة في قدرة المرسل بمكبر صوت خارجي بمقدار 128-122 = 6 ديسيبل (أي ما يصل إلى 31 ديسيبل). هناك إصدار ثلاثي الأبعاد للرابط مزود بمثل هذه القدرة ، لكن معدل نقل المعلومات الكلي (على كلا الجانبين) سيكون فقط 23 kbit / s ، وهو ، من حيث المبدأ ، يكفي للاتصال KTRL مع الطائرات بدون طيار ، ولكن من الواضح أنه لا يكفي لنقل الفيديو من اللوحة. وبالتالي ، فإن نطاق جيجاهيرتز ، في الواقع ، له ميزة طفيفة على مدى جيجاهيرتز لـ KTRL ، لكنه يفقد الخصائص بشكل واضح عند تنظيم خطوط الفيديو.

عند اختيار تردد خط الراديو ، يجب على المرء أيضًا أن يأخذ في الاعتبار توهين الإشارة أثناء الانتشار في الغلاف الجوي للأرض. بالنسبة لخطوط اتصال NS - UAV ، يحدث التوهين في الجو بسبب الغازات والأمطار والبرد والثلوج والضباب والسحب [2] . بالنسبة إلى ترددات تشغيل الوصلات الراديوية التي تقل عن GHz 6 ، يمكن إهمال التوهين في الغازات [2] . ولوحظ أضعف التوهين في الأمطار ، خاصة في الكثافة العالية (هطول الأمطار). يوضح الجدول 1 البيانات [2] عن التوهين المحدد [dB / km] في أمطار بكثافة مختلفة للترددات من 3 إلى 6 GHz.

الجدول 1. التوهين الخطي للموجات الراديوية [dB / km] في أمطار بكثافة مختلفة حسب التردد

من الجدول. 1 يترتب على ذلك ، على سبيل المثال ، أن التوهين في الحمام عند تردد قدره GHz 3 سيكون حوالي 0.0087 dB / km ، مما يمنح dB 0.87 من التوهين الكلي على المسير البالغ km 100. مع زيادة وتيرة تشغيل الوصلة الراديوية ، يزداد التوهين في المطر بشكل حاد. في حالة تردد يبلغ GHz 4 ، سيكون التوهين في الحمام على نفس المسار بالفعل 9.1 ديسيبل ، وعند ترددات تتراوح بين 5 و 6 GHz - 28 و 57 dB ، على التوالي. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، يُفترض أن المطر بكثافة معينة يحدث على طول المسار بالكامل ، وهذا نادرًا ما يحدث في الواقع. ومع ذلك ، عند استخدام الطائرات بدون طيار في المناطق التي تتكرر فيها الأمطار الغزيرة ، يوصى باختيار تردد التشغيل لراديو الراديو دون 3 جيجا هرتز.

أدب

1. سمورودينوف أ. كيفية اختيار مودم واسع النطاق لسيارة جوية بدون طيار (UAV). الهبر. 2019.
2. كالينين أي. ، شيرينكوفا إل. انتشار الموجات الراديوية وتشغيل وصلة الراديو. الاتصالات. موسكو. عام 1971.
3. Microhard.
4. مواصفات بيكو البيانات الرقمية pDDL2450.
5. مواصفات بيكوراديو OEM.
6. تقرير الاختبار الهندسي. بيكو 2.4GHZ 1W وحدة ربط البيانات الرقمية.
7. معرف لجنة الاتصالات الفدرالية.
8. CA بالانيس. نظرية الهوائي. التحليل والتصميم. الطبعة الرابعة. جون وايلي وأولاده. عام 2016.
9. كسب الهوائي. مقالة ويكيبيديا.
10. الشعاع. مقالة ويكيبيديا.
11. الرقمية راديو مودم مزدوج لينك.
12. اس ام العموتي. "تقنية تنوع الإرسال البسيطة للاتصالات اللاسلكية." مجلة IEEE على مجالات مختارة في الاتصالات. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP Client Antenna WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP Client Antenna WiBOX PA 24-15.