So erhöhen Sie die Kommunikationsreichweite mit einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV)

Die Aufgabe, die Kommunikationsreichweite mit einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV) zu vergrößern, verliert nicht an Relevanz. Dieser Artikel beschreibt Methoden zum Verbessern dieser Einstellung. Der Artikel richtet sich an UAV-Entwickler und -Betreiber und setzt eine Reihe von Artikeln über die Beziehung zu UAVs fort (siehe den Beginn des Zyklus in [1]) .

Was beeinflusst die Kommunikationsreichweite?

Die Kommunikationsreichweite hängt vom verwendeten Modem, den Antennen, den Antennenkabeln, den Bedingungen für die Funkwellenausbreitung, den externen Störungen und einigen anderen Gründen ab. Um den Grad des Einflusses eines Parameters auf die Kommunikationsreichweite zu bestimmen, betrachten Sie die Reichweitengleichung [2].
(1)

$$

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

wo
$$$R$ - gewünschte Kommunikationsreichweite [Meter];
$$$c \ ca. 3 \ cdot 10 ^ 8$ - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [m / sec];
$$$F$ - Frequenz [Hz];
$$$P_ {TXdBm}$ - Sendeleistung des Modems [dBm];
$$$G_ {TXdB}$ - Antennengewinn des Senders [dBi];
$$$L_ {TXdB}$ - Kabelverluste vom Modem zur Sendeantenne [dB];
$$$G_ {RXdB}$ - Antennengewinn des Empfängers [dBi];
$$$L_ {RXdB}$ - Kabelverluste vom Modem zur Empfangsantenne [dB];
$$$P_ {RXdBm}$ - Empfindlichkeit des Modemempfängers [dBm];
$$$| V | _ {dB}$ - Dämpfungsfaktor unter Berücksichtigung zusätzlicher Verluste aufgrund des Einflusses der Erdoberfläche, der Vegetation, der Atmosphäre und anderer Faktoren [dB].

Die Gleichung zeigt, dass der Bereich bestimmt wird durch:

• verwendetes Modem;
• Frequenz des Funkkanals;
• anwendbare Antennen;
• Kabelverluste;
• Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen auf der Erdoberfläche, Vegetation, Atmosphäre, Gebäuden usw.

Ferner werden die Parameter, die den Bereich beeinflussen, separat betrachtet.

Verwendetes Modem

Die Kommunikationsreichweite hängt nur von zwei Parametern des Modems ab: der Sendeleistung $$$P_ {TXdBm}$ und Empfängerempfindlichkeit $$$P_ {RXdBm}$ oder vielmehr aus ihrem Unterschied - dem Energiehaushalt des Modems
(2)

$$

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

Um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen, muss ein Modem mit einem großen Wert ausgewählt werden $$$B_m$ . Zum Vergrößern anklicken $$$B_m$ Dies ist wiederum durch Erhöhen möglich $$$P_ {TXdBm}$ oder durch Reduzieren $$$P_ {RXdBm}$ . Bevorzugt werden Modems mit hoher Empfindlichkeit gesucht ( $$$P_ {RXdBm}$ so niedrig wie möglich) anstatt die Sendeleistung zu erhöhen $$$P_ {TXdBm}$ . Diese Frage wird im ersten Artikel [1] ausführlich behandelt.

Zusätzlich zu den Materialien [1] ist zu berücksichtigen, dass einige Hersteller, beispielsweise Microhard [3] , in den Spezifikationen einiger Geräte nicht den Durchschnitt angeben, sondern die maximale Sendeleistung, die um ein Vielfaches höher ist als der Durchschnitt und die nicht zur Berechnung der Reichweite verwendet werden kann, t Dies führt zu einer starken Überschreitung des berechneten Bereichs des wahren Wertes. Zu diesen Geräten gehört beispielsweise das beliebte pDDL2450-Modul [ 4 , 5 ]. Diese Tatsache ergibt sich direkt aus den Testergebnissen dieses Geräts, die zur Erlangung des FCC-Zertifikats [6] durchgeführt wurden (siehe Seite 58). Die Ergebnisse der Prüfung von drahtlosen Geräten mit FCC-Zertifikaten können auf der FCC-ID-Website [7] eingesehen werden, indem Sie die entsprechende FCC-ID in die Suchleiste eingeben, die sich auf dem Etikett mit dem Gerätetyp befinden sollte. Das pDDL2450-Modul hat die FCC-Kennung NS916pDDL2450.

Radiofrequenz

Aus der Bereichsgleichung (1) ergibt sich eindeutig, dass die Betriebsfrequenz umso niedriger ist $$$F$ desto größer ist die Kommunikationsreichweite $$$R$ . Aber lassen Sie uns nicht zu Schlussfolgerungen eilen. Tatsache ist, dass andere in der Gleichung enthaltene Parameter auch von der Frequenz abhängen. Zum Beispiel Antennengewinne $$$G_ {TXdB}$ und $$$G_ {RXdB}$ hängt von der Frequenz in dem Fall ab, in dem die maximalen Abmessungen der Antennen festgelegt sind , was in der Praxis nur vorkommt. Antennengewinn $$$G$ ausgedrückt in dimensionslosen Einheiten (Zeiten) kann als physikalische Fläche der Antenne ausgedrückt werden $$$A$ wie folgt [8]
(3)

$$

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

wo $$$e_a$ - die Effizienz der Apertur der Antenne, dh das Verhältnis der effektiven Fläche der Antenne zur physikalischen (abhängig von der Gestaltung der Antenne) [8] .

Aus (3) ist sofort ersichtlich, dass für einen festen Antennenbereich die Verstärkung proportional zum Quadrat der Frequenz zunimmt. Wir ersetzen (3) durch (1) und schreiben (1) zuvor mit dimensionslosen Einheiten für den Antennengewinn neu $$$G_ {TX}$ , $$$G_ {RX}$ Kabelverlust $$$L_ {TX}$ , $$$L_ {RX}$ und Dämpfungsmultiplikator $$$| V |$ sowie mit Watt für $$$P_ {TX}$ und $$$P_ {RX}$ statt dBm. Dann
(4)

$$

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

wo ist der Koeffizient $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ ist eine Konstante für feste Antennenabmessungen. Somit ist in dieser Situation der Kommunikationsbereich direkt proportional zur Frequenz, d. H. Je höher die Frequenz ist, desto größer ist der Bereich. Fazit Bei festen Abmessungen der Antennen führt eine Erhöhung der Frequenz der Funkleitung zu einer Erhöhung der Kommunikationsreichweite durch Verbesserung der Richtcharakteristiken der Antennen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass mit zunehmender Frequenz auch die Dämpfung der Funkwellen in der Atmosphäre durch Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken zunimmt [2] . Darüber hinaus nimmt mit zunehmender Weglänge auch die Dämpfung in der Atmosphäre zu. Aus diesem Grund gibt es für jede Weglänge und durchschnittliche Wetterbedingungen einen Maximalwert der Trägerfrequenz, der durch den zulässigen Pegel der Signaldämpfung in der Atmosphäre begrenzt ist. Überlassen wir die endgültige Lösung der Frage des Einflusses der Frequenz des Funkkanals auf die Kommunikationsreichweite dem Abschnitt, in dem der Einfluss der Erdoberfläche und der Atmosphäre auf die Ausbreitung von Funkwellen betrachtet wird.

Antennen

Die Kommunikationsreichweite wird durch einen solchen Antennenparameter wie die Verstärkung bestimmt $$$G_ {dB}$ (Gewinn in englischer Terminologie), gemessen in dBi. Die Verstärkung ist ein wichtiger zusammengesetzter Parameter, da er Folgendes berücksichtigt: (1) die Fähigkeit der Antenne, die Sendeenergie im Vergleich zu einem isotropen Sender in Richtung des Empfängers zu fokussieren (isotrop, daher der Index i in dBi); (2) Verluste in der Antenne selbst [ 8 , 9 ]. Um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen, sollten Antennen mit dem höchstmöglichen Verstärkungswert aus denen ausgewählt werden, die für die massendimensionalen Parameter und die Fähigkeiten des Leitsystems geeignet sind. Die Fähigkeit der Antenne, Energie zu fokussieren, ist nicht frei, sondern nur durch Vergrößern der Größe (Apertur) der Antenne. Je größer die Empfangsantenne ist, desto größer ist beispielsweise der Bereich, in dem Energie zum Liefern an den Eingang des Empfängers gesammelt werden kann, und je mehr Energie vorhanden ist, desto stärker ist das empfangene Signal, d. H. Der Kommunikationsbereich nimmt zu. Daher müssen Sie zunächst die maximalen Abmessungen der Antennen ermitteln, die für die jeweilige Aufgabe geeignet sind, und den Suchbereich auf diesen Parameter beschränken. Anschließend müssen Sie nach einem bestimmten Antennenmodell suchen und sich dabei auf die maximale Verstärkung konzentrieren. Der zweite für die Praxis wichtige Antennenparameter ist die Strahlbreite (Beamwidth) [ 8 , 10 ], gemessen in Winkelgraden. Die Strahlbreite ist in der Regel definiert als der Winkel zwischen zwei Raumrichtungen von der Antennenmitte, bei dem der Antennengewinn vom Maximum dieser Antenne um 3 dB abnimmt. Die Strahlbreite in Azimut und Höhe kann sehr unterschiedlich sein. Dieser Parameter hängt eng mit den Abmessungen der Antenne zusammen, und zwar in der Regel: mehr Abmessungen - weniger Strahlbreite. Dieser Parameter ist nicht direkt in der Entfernungsgleichung enthalten, bestimmt jedoch die Anforderungen an das System zum Ausrichten der Antenne einer Bodenstation (NS) auf UAVs, da auf der NS normalerweise stark gerichtete Antennen verwendet werden, zumindest in Fällen, in denen die Reichweite maximiert wird Die Kommunikation mit UAVs hat Priorität. Während das NS-Verfolgungssystem eine Winkelgenauigkeit beim Ausrichten der Antenne auf das UAV gleich der halben Strahlbreite oder weniger bietet, fällt der Pegel des empfangenen / ausgesendeten Signals nicht unter 3 dB vom Maximum. Unter keinen Umständen darf die Hälfte der Strahlbreite der ausgewählten Antenne kleiner sein als der Winkelfehler des NS-Antennenausrichtungssystems in Azimut oder Höhe.

Kabel

Um die Kommunikationsreichweite zu maximieren, müssen Kabel mit der geringstmöglichen Dämpfung (Kabeldämpfung oder Kabelverlust) bei der Betriebsfrequenz der NS-UAV-Funkverbindung verwendet werden. Die lineare Dämpfung im Kabel ist definiert als das Verhältnis des Signals am Ausgang der Kabellänge von 1 m (im metrischen System) zum Signal am Eingang der Kabellänge, ausgedrückt in dB. Kabelverluste $$$L_ {dB}$ die in der Bereichsgleichung (1) enthalten sind, werden durch Multiplizieren der linearen Dämpfung mit der Kabellänge bestimmt. Um den maximal möglichen Kommunikationsbereich zu erhalten, müssen Kabel mit der geringstmöglichen linearen Dämpfung verwendet und die Länge dieser Kabel minimiert werden. Bei NS-Modems müssen Blöcke direkt am Mast neben den Antennen installiert werden. Im UAV-Fall sollte sich das Modem so nahe wie möglich an den Antennen befinden. Unabhängig davon lohnt es sich, die Impedanz des ausgewählten Kabels zu überprüfen. Dieser Parameter wird in Ohm gemessen und beträgt normalerweise 50 oder 75 Ohm. Die Impedanz des Kabels, des Modemanschlusses und des Anschlusses an der Antenne sollte gleich sein.

Erdoberflächeneffekt

In diesem Abschnitt betrachten wir die Ausbreitung von Funkwellen über eine Ebene oder Meeresoberfläche. Diese Situation tritt häufig in der Praxis der Verwendung von UAVs auf. Überwachung von Rohrleitungen, Stromleitungen, landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, vielen militärischen und speziellen Operationen von UAV aus - all dies wird durch dieses Modell gut beschrieben. Die menschliche Erfahrung malt uns mit einem Bild, in dem eine Verbindung zwischen Objekten möglich ist, wenn sie sich im direkten optischen Sichtfeld voneinander befinden, andernfalls ist eine Kommunikation unmöglich. Funkwellen gehören jedoch nicht zum optischen Bereich, daher ist die Situation bei ihnen etwas anders. In dieser Hinsicht ist es für den Entwickler und den Betreiber des UAV nützlich, sich an die folgenden beiden Fakten zu erinnern.

1. Kommunikation im Funkbereich ist möglich, wenn keine Sichtverbindung zwischen NS und UAV besteht.
2. Der Einfluss des Untergrunds auf die Verbindung mit dem UAV ist auch dann zu spüren, wenn sich keine Objekte auf der optischen Linie des NS-UAV befinden.

Um die Besonderheiten der Ausbreitung von Funkwellen in der Nähe der Erdoberfläche zu verstehen, ist es hilfreich, sich mit dem Konzept einer signifikanten Ausbreitungsregion von Funkwellen vertraut zu machen [2] . In Abwesenheit irgendwelcher Objekte in der wesentlichen Ausbreitungszone von Funkwellen und in Abwesenheit von Reflexionen von der Erdoberfläche kann die Entfernungsberechnung gemäß den Formeln für den freien Raum durchgeführt werden, d.h. $$$| V | _ {dB}$ in (1) kann gleich 0 genommen werden. Wenn sich jedoch Objekte in der wesentlichen Zone befinden oder es signifikante Reflexionen von der Erdoberfläche gibt, kann dies nicht durchgeführt werden. In Abb. In 1 zeigt Punkt A einen Punktemitter, der sich in einer Höhe befindet $$$h_1$ über der Erdoberfläche, die elektromagnetische Energie in alle Richtungen mit gleicher Intensität abgibt. Am Punkt B in der Höhe $$$h_2$ Es gibt einen Empfänger zur Messung der Feldstärke. In diesem Modell ist ein signifikanter Bereich der Funkwellenausbreitung ein Ellipsoid mit Brennpunkten an den Punkten A und B.


Abb. 1. Signifikantes Funkwellenausbreitungsgebiet

Der Radius des Ellipsoids in seinem "dicksten" Teil wird durch den Ausdruck [2] bestimmt.
(5)

$$

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

Aus (5) ist das ersichtlich $$$r$ frequenzabhängig $$$F$ umgekehrt der kleinere $$$F$ , je "dicker" das Ellipsoid ( $$$F_1 <F_2$ in fig. 1). Außerdem nimmt die "Dicke" des Ellipsoids mit zunehmendem Abstand zwischen den Kommunikationsobjekten zu. Für Funkwellen $$$r$ kann sehr beeindruckend sein, also mit $$$R =$ 10 km $$$F =$ 2,45 GHz bekommen wir $$$r =$ 50 ÷ 60 m.

Betrachten wir nun ein undurchsichtiges Objekt, das in Abb. 2 durch ein graues Dreieck dargestellt ist. 1. Es beeinflusst die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz $$$F_1$ , weil es sich in einer signifikanten Ausbreitungszone befindet und praktisch keine Auswirkung auf die Ausbreitung von Funkwellen mit einer Frequenz hat $$$F_2$ . Für Funkwellen des optischen Bereichs (Licht) der Wert $$$r$ Daher ist die Auswirkung der Erdoberfläche auf die Ausbreitung von Licht in der Praxis nicht zu spüren. Angesichts der Tatsache, dass die Erdoberfläche eine Kugel ist, ist dies mit zunehmender Entfernung leicht zu verstehen $$$R$ Bewegt sich der Untergrund zunehmend in eine signifikante Ausbreitungszone, so wird der Energiefluss von Punkt A nach Punkt B blockiert - am Ende der Geschichte wird die Kommunikation mit dem UAV unterbrochen. In ähnlicher Weise beeinträchtigen sie die Kommunikation und andere Objekte auf der Route, z. B. Bodenunebenheiten, Gebäude, Wälder usw. Der UAV-Rumpf und die Strukturelemente, die in eine signifikante Zone fallen, beeinträchtigen auch die Kommunikationsreichweite.

Betrachten wir nun Reis. 2, in der ein undurchsichtiges Objekt eine wesentliche Ausbreitungszone einer Funkwelle mit einer Frequenz vollständig abdeckt $$$F_2$ Kommunikation bei dieser Frequenz unmöglich machen. Gleichzeitig Frequenzkommunikation $$$F_1$ immer noch möglich, weil ein Teil der Energie über ein undurchsichtiges Objekt „springt“. Je niedriger die Frequenz, desto weiter über den optischen Horizont hinaus kann sich eine Funkwelle ausbreiten und eine stabile Verbindung zum UAV aufrechterhalten.


Abb. 2. Überlappung eines signifikanten Funkwellenausbreitungsgebiets

Der Grad des Einflusses der Erdoberfläche auf die Kommunikation hängt auch von der Höhe der Antenne ab $$$h_1$ und $$$h_2$ . Je höher die Antennen sind, desto größer kann der Abstand zwischen den Punkten A und B sein, um zu verhindern, dass Objekte oder darunter liegende Oberflächen in einen signifikanten Bereich eindringen.

Nähert sich der Untergrund einer wesentlichen Zone, so oszilliert die Feldstärke am Punkt B [2] , dh sie ist entweder größer oder kleiner als die Feldstärke im freien Raum. Dies ist auf die Reflexion der Energie aus dem Basiswert zurückzuführen. Die reflektierte Energie kann sich am Punkt B mit der Hauptenergie in der Phase addieren - dann tritt ein Anstieg der Feldstärke oder ein gegenphasiger Anstieg auf - dann tritt ein Abfall (und ein ziemlich tiefer) der Feldstärke auf. Es ist wichtig, sich an diesen Effekt zu erinnern, um die Besonderheiten der Kommunikation mit UAVs zu verstehen. Der Kommunikationsverlust mit dem UAV in einem bestimmten Bereich kann durch eine lokale Abnahme der Feldstärke aufgrund von Oszillationen verursacht werden, d. H., Wenn Sie eine weitere Strecke fliegen, kann die Verbindung wiederhergestellt werden. Der endgültige Kommunikationsverlust tritt erst nach vollständiger Schließung der wesentlichen Zone durch Gegenstände oder den Untergrund ein. Als nächstes werden Methoden vorgeschlagen, um die Folgen von Feldstärkenoszillationen zu behandeln.

Formeln zur Berechnung des Dämpfungsfaktors $$$| V | _ {dB}$ Die Ausbreitung von Radiowellen über eine glatte Erdoberfläche ist insbesondere für Entfernungen recht komplex $$$R$ den Bereich des optischen Horizonts überschreiten [2] . Daher greifen wir zur weiteren Betrachtung des Problems auf die mathematische Modellierung unter Verwendung einer Reihe von Computerprogrammen des Autors zurück. Betrachten Sie die typische Aufgabe der Videoübertragung vom UAV zum NS mithilfe eines 3D-Link-Modems [11] von Geoscan. Die anfänglichen Daten sind wie folgt.

1. Aufhängehöhe der HC-Antenne: 5 m.
2. UAV Flughöhe: 1000 m.
3. Radiofrequenz: 2,45 GHz.
4. Verstärkung der NS-Antenne: 17 dB.
5. UAV-Antennengewinn: 3 dB.
6. Sendeleistung: +25 dBm (300 mW).
7. Geschwindigkeit im Videokanal: 4 Mbit / s.
8. Empfindlichkeit des Empfängers im Videokanal: −100,4 dBm (für das vom 12-MHz-Signal belegte Frequenzband).
9. Untergrund: trockener Boden.
10. Polarisation: vertikal.

Die Sichtweite für diese Eingänge beträgt 139,6 km. Die Berechnungsergebnisse in Form der Signalleistung am Eingang des Modemempfängers in dBm sind in Abb. 1 dargestellt. 3.


Abb. 3. Die Signalstärke am Eingang des Empfängers des 3D-Link-Modems [11]

Die blaue Kurve in Abb. 3 ist die Signalleistung am Eingang des NS-Empfängers unter Berücksichtigung des Einflusses der Erdoberfläche, die grüne Kurve ist die Signalleistung am Eingang des NS-Empfängers bei der Kommunikation im freien Raum und die rote gerade Linie gibt die Empfindlichkeit dieses Empfängers an. Die Entfernung in km ist auf der X-Achse und die Leistung in dBm auf der Y-Achse aufgetragen. In den Bereichen, in denen die blaue Kurve über der roten liegt, ist ein direkter Videoempfang vom UAV möglich, da sonst keine Kommunikation stattfindet. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass aufgrund von Schwingungen der Kommunikationsverlust im Bereich von 37,1 bis 37,8 km und weiter im Bereich von 60,8 bis 65,1 km auftreten wird. In diesem Fall kommt die endgültige Unterbrechung der Verbindung noch viel weiter - nach 120,6 Flugkilometern. Der Sprung auf die im Punkt 126,3 km sichtbare blaue Kurve ist darauf zurückzuführen, dass bis zu diesem Bereich (dh im Bereich der Radiosichtbarkeit) die Berechnung nach Interferenzformeln erfolgt und nach diesem Bereich (dh im Bereich des Radioschattens) nach den Fock-Beugungsformeln [ 2] .

Wie bereits oben erwähnt, entstehen Einbrüche in der Feldstärke durch die Addition eines direkten und reflektierten Signals von der Erdoberfläche gegenphasig am Ort der NS-Antenne. Aus einem Vergleich des Leistungspegels im Freileitungskanal mit dem Leistungspegel im freien Raum folgt, dass das Hinzufügen eines direkten und reflektierten Strahls von der Erdoberfläche in der Phase das Budget des oberirdischen Kanals auf 6 dB relativ zum Kanal im freien Raum erhöhen oder den oberirdischen Kanal vollständig zerstören kann, wenn sich die Strahlen summieren außer Phase. Sie können den Kommunikationsverlust auf dem NS durch die Hinzufügung von Strahlen in Gegenphase beseitigen, indem Sie 2 Bedingungen erfüllen.

1. Verwenden Sie am NS ein Modem mit mindestens zwei Empfangskanälen (RX-Diversity), z. B. 3D-Link [11] .
2. Positionieren Sie die Empfangsantennen in unterschiedlichen Höhen am Mast.

Der Abstand der Höhen der Empfangsantennen sollte so bemessen sein, dass die Einbrüche der Feldstärke am Ort der einen Antenne durch Pegel ausgeglichen werden, die höher sind als die Empfindlichkeit des Empfängers am Ort der anderen Antenne. In Abb. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis dieses Ansatzes für den Fall, dass sich eine HC-Antenne in einer Höhe von 5 m (blaue durchgezogene Kurve) und die andere in einer Höhe von 4 m (blaue gestrichelte Kurve) befindet.


Abb. 4. 3D Link ,

. 4 . , , 120.6 , . . .

, , →, . . . 1 . → , (TX diversity).

1. Anlegen des Signals des NS-Senders an die Antenne, die ein stärkeres Signal vom UAV empfängt.
2. Verwenden Sie raum-zeitliche Codes, zum Beispiel den Alamouti-Code [12] .
3. Verwenden Sie die Steuerungstechnologie für Strahlantennen (Beamforming) mit der Möglichkeit, die Leistung des an jede der Antennen gesendeten Signals zu steuern.

Die erste Methode ist in Bezug auf das Problem der Kommunikation mit UAVs nahezu optimal. Es ist einfach und die gesamte Energie des Senders fließt in die richtige Richtung - zu einer optimal positionierten Antenne. Beispielsweise wird in einer Entfernung von 54,5 km (siehe 4) das Sendesignal einer Antenne zugeführt, die in 5 Metern Entfernung hängt, und in einer Entfernung von 63 km einer Antenne, die in 4 Metern Entfernung hängt. Diese Methode wird im 3D-Link-Modem verwendet. [11] . → ( ), , , . . . , .

RX diversity TX diversity , — . , . . , - , . . . → → , RX diversity, TX diversity, 3D Link [11] . , — .

Als nächstes betrachten wir die Frage des Einflusses der Frequenz von Funkwellen auf die Kommunikationsreichweite mit dem UAV unter Berücksichtigung des Einflusses der darunter liegenden Oberfläche. Es hat sich oben gezeigt, dass eine Erhöhung der Frequenz vorteilhaft ist, da dies bei festen Abmessungen der Antennen zu einer Vergrößerung der Kommunikationsreichweite führt. Das Problem der Abhängigkeit$$| V | d B der Frequenz wurde nicht berücksichtigt. Aus(3)folgt, dass das Verhältnis der Antennenverstärkung flächengleich und für den Betrieb bei Frequenzen ausgelegt ist$|V|_{dB}$$$$F_1$ und $$F 2 ist gleich$F_2$
(6)

$$

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

Für $$F 1 = 2450 MHz;$F_1=$$$F 2 = 915 MHz erhalten wir$F_2=$$$G 1 / G 2 ≤ 7,2 (8,5 dB). Genau das passiert in der Praxis. Vergleichen Sie beispielsweise die Parameter der folgenden Antennen des Herstellers Wireless Instruments:$G1/G2\approx$

• WiBOX PA 0809-8V [13] (Frequenz: 0,83-0,96 GHz; Strahlbreite: 70 ° / 70 °; Verstärkung: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (Frequenz: 2,3–2,5 GHz; Strahlbreite: 30 ° / 30 °; Verstärkung: 15 dBi).

, . . 2727 , . . . , 15−8=7 , 8.5 . , 2.3–2.5 (30°/30°) , 0.83–0.96 (70°/70°), . . . , 2 $$$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$ 2∙8.5=17 . , $$$F_1=$ 2450 17 , $$$F_2=$ 915 . , , , , . $$$F_1$ und $$$F_2$ . Das heißtDie Differenz der Energiebudgets der Leitungen beträgt 8,5 dB, nicht 17 dB. Die Ergebnisse der für diese Ausgangsdaten durchgeführten Berechnung und die Aufhängehöhe der HC-Antenne 5 m sind in Abb. 2 dargestellt. 5.


Abb. 5. Die Signalleistung am Eingang des Empfängers für Funkverbindungen mit Frequenzen von 915 und 2450 MHz

. 5 , 106.7 915 120.6 2450 . , 915 . — , . . . , - . , , .

Aus der Betrachtung von Abb. 5 können wir auch folgern, dass in der Schattenzone (nach ca. 125 km) eine Verringerung der Arbeitsfrequenz der Kommunikationsleitung sinnvoll ist. In der Tat sind bei einem Punkt von ungefähr –127,8 dBm die Leistungskurven für Frequenzen$$$F_1$ und $$$F_2$ kreuzen. Das heißt Bei Verwendung von Empfängern mit einer Empfindlichkeit von mehr als -128 dBm bietet die Funkleitung mit 915 MHz eine längere Kommunikationsreichweite. In diesem Fall muss jedoch die erforderliche Bandbreite der Verbindung berücksichtigt werden für solch einen hohen Empfindlichkeitswert ist die Informationsgeschwindigkeit sehr niedrig. Beispielsweise beträgt die beste Empfindlichkeit eines 3D-Link-Modems [11] –122 dBm. Um eine Kommunikationsreichweite von 150 km zu gewährleisten, ist eine Erhöhung der Sendeleistung mit einem externen Verstärker um 128–122 = 6 dB (d. H. Bis zu 31 dBm) erforderlich. Es gibt eine 3D-Link-Version mit einem Sender mit einer solchen Leistung, aber die Gesamtinformationsübertragungsrate (auf beiden Seiten) beträgt nur 23 kbit / s, was im Prinzip für die KTRL-Kommunikation mit UAVs ausreicht, für die Videoübertragung von der Karte jedoch offensichtlich nicht ausreicht. Somit hat der Sub-Gigahertz-Bereich zwar einen leichten Vorteil gegenüber dem Gigahertz-Bereich für KTRL, verliert jedoch deutlich an Charakteristik beim Organisieren von Videozeilen.

Bei der Auswahl der Frequenz einer Funkleitung muss auch die Dämpfung des Signals während der Ausbreitung in der Erdatmosphäre berücksichtigt werden. Bei NS-UAV-Kommunikationsleitungen wird die Dämpfung der Atmosphäre durch Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken verursacht [2] . Bei Betriebsfrequenzen von Funkstrecken unter 6 GHz kann die Dämpfung von Gasen vernachlässigt werden [2] . Die stärkste Abschwächung wird bei Regen beobachtet, insbesondere bei hoher Intensität (Niederschlag). Tabelle 1 zeigt die Daten [2] zur spezifischen Dämpfung [dB / km] bei Regen unterschiedlicher Intensität für Frequenzen von 3–6 GHz.

Tabelle 1. Die lineare Dämpfung von Funkwellen [dB / km] bei Regen unterschiedlicher Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz

Vom Tisch. Aus 1 folgt, dass beispielsweise bei einer Frequenz von 3 GHz die Dämpfung in der Dusche etwa 0,0087 dB / km beträgt, was auf dem 100 km-Pfad eine Gesamtdämpfung von 0,87 dB ergibt. Mit zunehmender Betriebsfrequenz der Funkverbindung steigt die Dämpfung im Regen stark an. Bei einer Frequenz von 4 GHz beträgt die Dämpfung in der Dusche auf demselben Weg bereits 9,1 dB und bei Frequenzen von 5 und 6 GHz 28 bzw. 57 dB. In diesem Fall wird jedoch davon ausgegangen, dass auf der gesamten Strecke Regen mit einer bestimmten Intensität auftritt, was in der Praxis selten der Fall ist. Bei der Verwendung von UAVs in Gebieten mit starken Regenfällen wird jedoch empfohlen, die Betriebsfrequenz der Funkverbindung unter 3 GHz zu wählen.

Literatur

1. Smorodinov A.A. Auswahl eines Breitbandmodems für ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A. I., Cherenkova E.L. Funkwellenausbreitung und Funkverbindungsbetrieb. Kommunikation Moskau 1971.
3. Microhard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450-Spezifikation.
5. Picoradio OEM-Spezifikation.
6. Engineering-Testbericht. Pico 2,4 GHz 1 W Digital Data Link-Modul.
7. FCC-ID.
8. CA Balanis. Antennentheorie. Analyse und Design. Vierte Auflage. John Wiley & Söhne. 2016.
9. Antennengewinn. Wikipedia-Artikel.
10. Strahlbreite. Wikipedia-Artikel.
11. Digitales Duplex-Funkmodem 3D Link.
12. SM Alamouti. "Eine einfache Sende-Diversity-Technik für die drahtlose Kommunikation." IEEE-Journal zu ausgewählten Kommunikationsbereichen. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP-Client-Antenne WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP-Client-Antenne WiBOX PA 24-15.