Comment augmenter la portée de communication avec un véhicule aérien sans pilote (UAV)

La tâche d'augmenter la portée de communication avec un véhicule aérien sans pilote (UAV) ne perd pas de sa pertinence. Cet article décrit les méthodes permettant d'améliorer ce paramètre. L'article est écrit pour les développeurs et opérateurs d'UAV et est une continuation d'une série d'articles sur la relation avec les UAV (voir le début du cycle dans [1] .

Ce qui affecte la portée de communication

La portée de communication dépend du modem utilisé, des antennes, des câbles d'antenne, des conditions de propagation des ondes radio, des interférences externes et d'autres raisons. Afin de déterminer le degré d'influence d'un paramètre sur la plage de communication, considérons l'équation de la plage [2]
(1)

$$

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

où
$$$R$ - portée de communication souhaitée [mètres];
$$$c \ environ 3 \ cdot 10 ^ 8$ - vitesse de la lumière dans le vide [m / sec];
$$$F$ - fréquence [Hz];
$$$P_ {TXdBm}$ - puissance de l'émetteur du modem [dBm];
$$$G_ {TXdB}$ - gain d'antenne de l'émetteur [dBi];
$$$L_ {TXdB}$ - pertes dans le câble du modem à l'antenne de l'émetteur [dB];
$$$G_ {RXdB}$ - gain d'antenne du récepteur [dBi];
$$$L_ {RXdB}$ - pertes dans le câble du modem à l'antenne du récepteur [dB];
$$$P_ {RXdBm}$ - sensibilité du récepteur modem [dBm];
$$$| V | _ {dB}$ - facteur d'atténuation, tenant compte des pertes supplémentaires dues à l'influence de la surface de la Terre, de la végétation, de l'atmosphère et d'autres facteurs [dB].

L'équation montre que la plage est déterminée par:

• modem utilisé;
• fréquence du canal radio;
• antennes applicables;
• pertes de câbles;
• influence sur la propagation des ondes radio de la surface de la Terre, de la végétation, de l'atmosphère, des bâtiments, etc.

De plus, les paramètres affectant la plage sont considérés séparément.

Modem utilisé

La portée de communication ne dépend que de deux paramètres du modem: la puissance de l'émetteur $$$P_ {TXdBm}$ et la sensibilité du récepteur $$$P_ {RXdBm}$ , ou plutôt, de leur différence - le budget énergétique du modem
(2)

$$

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

Afin d'augmenter la portée de communication, il est nécessaire de choisir un modem avec une grande valeur $$$B_m$ . Cliquer pour agrandir $$$B_m$ à son tour, il est possible en augmentant $$$P_ {TXdBm}$ ou en réduisant $$$P_ {RXdBm}$ . Il convient de privilégier la recherche de modems à haute sensibilité ( $$$P_ {RXdBm}$ aussi bas que possible) plutôt que d'augmenter la puissance de l'émetteur $$$P_ {TXdBm}$ . Cette question est examinée en détail dans le premier article [1] .

En plus des matériaux [1], il convient de garder à l'esprit que certains fabricants, par exemple Microhard [3] , indiquent dans les spécifications de certains appareils non pas la moyenne, mais la puissance de crête de l'émetteur, qui est plusieurs fois supérieure à la moyenne et qui ne peut pas être utilisée pour calculer la plage, t Cela conduira à un fort excès de la plage calculée de la valeur réelle. De tels dispositifs incluent, par exemple, le module pDDL2450 populaire [ 4 , 5 ]. Ce fait découle directement des résultats des tests de cet appareil, effectués pour obtenir le certificat FCC [6] (voir page 58). Les résultats des tests des appareils sans fil avec des certificats FCC peuvent être consultés sur le site Web FCC ID [7] en saisissant l'ID FCC approprié dans la barre de recherche, qui doit figurer sur l'étiquette indiquant le type d'appareil. Le module pDDL2450 a l'identifiant FCC NS916pDDL2450.

Fréquence radio

De l'équation de la gamme (1), il résulte clairement que plus la fréquence de fonctionnement est basse $$$F$ , plus la portée de communication est grande $$$R$ . Mais ne nous précipitons pas vers les conclusions. Le fait est que d'autres paramètres inclus dans l'équation dépendent également de la fréquence. Par exemple, les gains d'antenne $$$G_ {TXdB}$ et $$$G_ {RXdB}$ dépendra de la fréquence dans le cas où les dimensions maximales des antennes sont fixes , ce qui arrive juste en pratique. Gain d'antenne $$$G$ exprimé en unités adimensionnelles (temps) peut être exprimé en termes de surface physique de l'antenne $$$A$ comme suit [8]
(3)

$$

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

où $$$e_a$ - l'efficacité de l'ouverture de l'antenne, c'est-à-dire le rapport de la surface effective de l'antenne sur le physique (dépend de la conception de l'antenne) [8] .

On voit immédiatement d'après (3) que pour une zone d'antenne fixe, le gain augmente proportionnellement au carré de la fréquence. Nous substituons (3) à (1) , en réécrivant précédemment (1) en utilisant des unités sans dimension pour le gain d'antenne $$$G_ {TX}$ , $$$G_ {RX}$ perte de câble $$$L_ {TX}$ , $$$L_ {RX}$ et multiplicateur d'atténuation $$$| V |$ ainsi que l'utilisation de watts pour $$$P_ {TX}$ et $$$P_ {RX}$ au lieu de dBm. Alors
(4)

$$

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

où est le coefficient $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ est une constante pour les dimensions fixes de l'antenne. Ainsi, dans cette situation, la plage de communication est directement proportionnelle à la fréquence, c'est-à-dire que plus la fréquence est élevée, plus la plage est grande. Conclusion Avec des dimensions fixes des antennes, l'augmentation de la fréquence de la ligne radio conduit à une augmentation de la portée de communication en améliorant les propriétés directionnelles des antennes. Cependant, il faut garder à l'esprit qu'avec l'augmentation de la fréquence, l'atténuation des ondes radio dans l'atmosphère provoquée par les gaz, la pluie, la grêle, la neige, le brouillard et les nuages ​​augmente également [2] . De plus, avec l'augmentation de la longueur du trajet, l'atténuation dans l'atmosphère augmente également. Pour cette raison, pour chaque longueur de trajet et conditions météorologiques moyennes, il existe une valeur maximale de la fréquence porteuse, limitée par le niveau admissible d'atténuation du signal dans l'atmosphère. Laissons la solution finale à la question de l'influence de la fréquence du canal radio sur la portée de communication à la section où sera considérée l'influence de la surface de la Terre et de l'atmosphère sur la propagation des ondes radio.

Antennes

La portée de communication est déterminée par un paramètre d'antenne tel que le gain $$$G_ {dB}$ (gain en terminologie anglaise), mesuré en dBi. Le gain est un paramètre composite important, car il prend en compte: (1) la capacité de l'antenne à focaliser l'énergie de l'émetteur dans la direction du récepteur par rapport à un émetteur isotrope (isotrope, donc l'indice i en dBi); (2) pertes dans l'antenne elle-même [ 8 , 9 ]. Pour augmenter la portée de communication, il convient de choisir des antennes avec la valeur de gain la plus élevée possible parmi celles qui conviennent aux paramètres de masse et aux capacités du système de guidage. La capacité de l'antenne à focaliser l'énergie n'est pas gratuite, mais seulement en augmentant la taille (ouverture) de l'antenne. Par exemple, plus l'antenne réceptrice est grande, plus la zone sur laquelle elle pourra collecter de l'énergie pour être fournie à l'entrée du récepteur est grande, et plus elle est importante, plus le signal reçu est fort, c'est-à-dire que la portée de communication augmentera. Ainsi, vous devez d'abord déterminer les dimensions maximales des antennes qui conviennent à la tâche à accomplir et limiter la recherche à ce paramètre, puis rechercher un modèle d'antenne spécifique, en vous concentrant sur le gain maximal. Le deuxième paramètre d'antenne qui est important pour la pratique est la largeur de faisceau (largeur de faisceau) [ 8 , 10 ], mesurée en degrés angulaires. En règle générale, la largeur du faisceau est définie comme l'angle entre deux directions spatiales à partir du centre de l'antenne auquel le gain d'antenne diminue de 3 dB par rapport au maximum pour cette antenne. La largeur du faisceau en azimut et en élévation peut être très différente. Ce paramètre est étroitement lié aux dimensions de l'antenne selon la règle: plus de dimensions - moins de largeur de faisceau. Ce paramètre n'est pas directement inclus dans l'équation de portée, mais il détermine les exigences du système de pointage de l'antenne d'une station au sol (NS) vers les UAV, car sur la NS, des antennes fortement directionnelles sont généralement utilisées, du moins dans les cas où la maximisation de la portée La communication avec les drones est une priorité. En effet, alors que le système de poursuite NS offre une précision angulaire de pointage de l'antenne vers l'UAV égale à la moitié de la largeur du faisceau ou moins, le niveau du signal reçu / émis ne descendra pas en dessous de 3 dB par rapport au maximum. En aucun cas, la moitié de la largeur du faisceau de l'antenne sélectionnée ne doit être inférieure à l'erreur angulaire du système de pointage d'antenne NS en azimut ou en élévation.

Les câbles

Pour maximiser la portée de communication, il est nécessaire d'utiliser des câbles avec l'atténuation la plus faible possible (atténuation ou perte de câble) à la fréquence de fonctionnement de la liaison radio NS-UAV. L'atténuation linéaire dans le câble est définie comme le rapport du signal à la sortie de la longueur de câble de 1 m (dans le système métrique) au signal à l'entrée de la longueur de câble, exprimé en dB. Pertes de câble $$$L_ {dB}$ inclus dans l'équation de plage (1) sont déterminés en multipliant l'atténuation linéaire par la longueur du câble. Ainsi, pour obtenir la portée de communication maximale possible, il est nécessaire d'utiliser des câbles avec l'atténuation linéaire la plus faible possible et de minimiser la longueur de ces câbles. Sur les modems NS, les blocs doivent être installés directement sur le mât à côté des antennes. Dans le cas des UAV, le modem doit être situé le plus près possible des antennes. Séparément, il convient de vérifier l'impédance du câble sélectionné. Ce paramètre est mesuré en ohms et est généralement de 50 ou 75 ohms. L'impédance du câble, du connecteur d'antenne du modem et du connecteur de l'antenne elle-même doit être égale.

Effet de surface de la Terre

Dans cette section, nous considérons la propagation des ondes radio sur une surface de plaine ou de mer. Cette situation se retrouve souvent dans la pratique d'utilisation des drones. Surveillance à partir d'UAV de pipelines, de lignes électriques, de cultures agricoles, de nombreuses opérations militaires et spéciales - tout cela est bien décrit par ce modèle. L'expérience humaine nous donne une image dans laquelle une connexion entre des objets est possible s'ils sont dans le champ de vision optique direct les uns des autres, sinon la communication est impossible. Cependant, les ondes radio n'appartiennent pas à la gamme optique, par conséquent, la situation avec elles est quelque peu différente. À cet égard, il est utile que le développeur et l'exploitant de l'UAV se souviennent des deux faits suivants.

1. La communication dans la portée radio est possible en l'absence de ligne de vue entre le NS et l'UAV.
2. L'influence de la surface sous-jacente sur la connexion avec l'UAV se fera sentir même lorsqu'il n'y a aucun objet sur la ligne optique du NS-UAV.

Pour comprendre les spécificités de la propagation des ondes radio près de la surface de la Terre, il est utile de se familiariser avec le concept d'une région significative de propagation des ondes radio [2] . En l'absence d'objets dans la zone substantielle de propagation des ondes radio et en l'absence de réflexions de la surface de la Terre, le calcul de la portée peut être effectué selon les formules de l'espace libre, c'est-à-dire $$$| V | _ {dB}$ dans (1) peut être pris égal à 0. Si, cependant, il y a des objets dans la zone essentielle, ou s'il y a des réflexions importantes de la surface de la terre, alors cela ne peut pas être fait. Dans la fig. 1, le point A représente un émetteur ponctuel situé à une hauteur $$$h_1$ au-dessus de la surface de la Terre, qui émet de l'énergie électromagnétique dans toutes les directions avec la même intensité. Au point B en altitude $$$h_2$ il y a un récepteur pour mesurer l'intensité du champ. Dans ce modèle, une région importante de propagation des ondes radio est un ellipsoïde avec des foyers aux points A et B.


Fig. 1. Zone de propagation importante des ondes radio

Le rayon de l'ellipsoïde dans sa partie "la plus épaisse" est déterminé par l'expression [2]
(5)

$$

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

D'après (5), on peut voir que $$$r$ dépendant de la fréquence $$$F$ inversement le plus petit $$$F$ , plus l'ellipsoïde est "épais" ( $$$F_1 <F_2$ sur la fig. 1). De plus, l '"épaisseur" de l'ellipsoïde augmente avec l'augmentation de la distance entre les objets de communication. Pour les ondes radio $$$r$ peut être assez impressionnant, donc avec $$$R =$ 10 km $$$F =$ 2,45 GHz, nous obtenons $$$r =$ 50 ÷ 60 m.

Considérons maintenant un objet opaque représenté par un triangle gris sur la Fig. 1. Il influencera la propagation des ondes radioélectriques avec une fréquence $$$F_1$ , car il est situé dans une zone de propagation importante, et n'aura pratiquement aucun effet sur la propagation des ondes radioélectriques avec une fréquence $$$F_2$ . Pour les ondes radio de la gamme optique (lumière), la valeur $$$r$ petit, par conséquent, l'effet de la surface de la Terre sur la propagation de la lumière dans la pratique ne se fait pas sentir. Étant donné que la surface de la Terre est une boule, il est facile de comprendre qu'à mesure que la distance augmente $$$R$ , la surface sous-jacente se déplacera de plus en plus dans une zone de propagation importante, bloquant ainsi le flux d'énergie du point A au point B - la fin de l'histoire, la communication avec le drone est interrompue. De la même manière, ils affecteront la communication et d'autres objets sur l'itinéraire, tels que les bosses du terrain, les bâtiments, les forêts, etc. La coque de l'UAV et les éléments structurels qui tombent dans une zone importante affecteront également la portée de communication.

Considérons maintenant le riz. 2 dans laquelle un objet opaque recouvre complètement une zone de propagation substantielle d'une onde radio avec une fréquence $$$F_2$ rendant la communication impossible à cette fréquence. Dans le même temps, la communication de fréquence $$$F_1$ toujours possible car une partie de l'énergie «saute» sur un objet opaque. Plus la fréquence est basse, plus loin au-delà de l'horizon optique une onde radio peut se propager, maintenant une connexion stable avec le drone.


Fig. 2. Chevauchement d'une zone de propagation d'ondes radioélectriques importante

Le degré d'influence de la surface de la Terre sur la communication dépend également de la hauteur de l'antenne $$$h_1$ et $$$h_2$ . Plus la hauteur des antennes est grande, plus la distance des points A et B peut être éloignée, empêchant les objets ou la surface sous-jacente d'entrer dans une zone importante.

Lorsque la surface sous-jacente approche d'une zone essentielle, l'intensité du champ au point B oscille [2] , c'est-à-dire qu'elle sera soit supérieure ou inférieure à l'intensité du champ dans l'espace libre. Cela est dû à la réflexion de l'énergie du sous-jacent. L'énergie réfléchie peut s'additionner au point B avec l'énergie principale dans la phase - alors une augmentation se produit dans l'intensité du champ, ou en antiphase - puis une diminution (et assez profonde) se produit dans l'intensité du champ. Il est important de se souvenir de cet effet pour comprendre les spécificités de la communication avec les drones. La perte de communication avec l'UAV à une certaine distance peut être causée par une diminution locale de l'intensité du champ due aux oscillations, c'est-à-dire que si vous parcourez une distance supplémentaire, la connexion peut être rétablie. La perte finale de communication ne se produira qu'après fermeture complète de la zone essentielle par des objets ou la surface sous-jacente. Ensuite, des méthodes seront proposées pour faire face aux conséquences des oscillations d'intensité de champ.

Formules de calcul du facteur d'atténuation $$$| V | _ {dB}$ lors de la propagation des ondes radio sur une surface lisse de la Terre sont assez complexes, en particulier pour les distances $$$R$ dépassant la plage de l'horizon optique [2] . Par conséquent, en approfondissant le problème, nous recourrons à la modélisation mathématique en utilisant un ensemble de programmes informatiques de l'auteur. Considérez la tâche typique de transmission vidéo de l'UAV vers le NS à l'aide d'un modem 3D Link [11] de Geoscan. Les données initiales sont les suivantes.

1. Hauteur de suspension de l'antenne HC: 5 m.
2. Altitude de vol d'UAV: 1000 m.
3. Fréquence radio: 2,45 GHz.
4. Gain d'antenne NS: 17 dB.
5. Gain d'antenne d'UAV: 3 dB.
6. Puissance de l'émetteur: +25 dBm (300 mW).
7. Vitesse dans le canal vidéo: 4 Mbps.
8. La sensibilité du récepteur dans le canal vidéo: -100,4 dBm (pour la bande de fréquence occupée par le signal 12 MHz).
9. La surface sous-jacente: sol sec.
10. Polarisation: verticale.

La distance de visibilité de ces entrées est de 139,6 km. Les résultats du calcul sous forme de puissance du signal à l'entrée du modem-récepteur en dBm sont présentés sur la Fig. 3.


Fig. 3. La puissance du signal à l'entrée du récepteur du modem 3D Link [11]

La courbe bleue de la fig. 3 est la puissance du signal à l'entrée du récepteur NS, en tenant compte de l'influence de la surface de la terre, la courbe verte est la puissance du signal à l'entrée du récepteur NS lors de la communication dans l'espace libre et la ligne droite rouge indique la sensibilité de ce récepteur. La distance en km est tracée le long de l'axe X et la puissance en dBm est tracée le long de l'axe Y. Aux points de portée où la courbe bleue se situe au-dessus du rouge, la réception vidéo directe de l'UAV est possible, sinon il n'y aura pas de communication. On peut voir sur le graphique qu'en raison des oscillations, la perte de communication se produira dans la plage de 37,1 à 37,8 km et plus loin dans la plage de 60,8 à 65,1 km. Dans ce cas, la rupture définitive de la connexion viendra beaucoup plus loin - après 120,6 km de vol. Le saut sur la courbe bleue visible au point de 126,3 km est dû au fait que, jusqu'à cette plage (c'est-à-dire dans la zone de visibilité radio), le calcul se fait selon des formules d'interférence, et après cette plage (c'est-à-dire dans la zone d'ombre radio), selon les formules de diffraction de Fock [ 2] .

Comme déjà mentionné ci-dessus, des baisses de l'intensité du champ surviennent en raison de l'ajout d'un signal direct et réfléchi de la surface de la Terre en antiphase à l'emplacement de l'antenne NS. À partir d'une comparaison du niveau de puissance dans le canal aérien avec le niveau de puissance dans l'espace libre, il s'ensuit que l'ajout d'un rayon direct et réfléchi de la surface de la Terre en phase peut augmenter le budget du canal hors sol à 6 dB par rapport au canal dans l'espace libre, ou détruire complètement le canal hors sol si les rayons s'additionnent à déphasé. Vous pouvez vous débarrasser de la perte de communication sur le NS due à l'ajout de faisceaux en antiphase en remplissant 2 conditions.

1. Utilisez sur le NS un modem avec au moins deux canaux de réception (diversité RX), par exemple 3D Link [11] .
2. Positionnez les antennes de réception sur le mât à différentes hauteurs.

L'espacement des hauteurs des antennes de réception doit être fait de sorte que les creux de l'intensité du champ à l'emplacement d'une antenne soient compensés par des niveaux supérieurs à la sensibilité du récepteur à l'emplacement de l'autre antenne. Dans la fig. La figure 4 montre le résultat de cette approche pour le cas de l'emplacement d'une antenne HC à une hauteur de 5 m (courbe continue bleue), et l'autre à une hauteur de 4 m (courbe discontinue bleue).


Fig. 4. La puissance du signal aux entrées de deux récepteurs du modem 3D Link provenant d'antennes situées à différentes hauteurs

. 4 la fécondité de cette méthode est clairement visible. En effet, sur toute la distance de vol de l'UAV, jusqu'à une portée de 120,6 km, le signal à l'entrée d'au moins un récepteur NS dépasse le niveau de sensibilité, c'est-à-dire que la vidéo de la carte ne sera pas interrompue sur toute la distance de vol.

Cependant, la méthode proposée contribue à améliorer la fiabilité de la liaison radio UAV → NS exclusivement, car la possibilité d'installer des antennes à différentes hauteurs n'est disponible que sur NS. Pour assurer le même espacement d'antenne de 1 m de hauteur sur l'UAV n'est pas possible. Pour augmenter la fiabilité de la liaison radio NS → UAV, les approches suivantes utilisant plusieurs antennes d'émission (diversité TX) peuvent être utilisées.

1. Appliquer le signal de l'émetteur NS à l'antenne qui reçoit un signal plus puissant de l'UAV.
2. Utilisez des codes spatio-temporels, par exemple, le code Alamouti [12] .
3. Utiliser la technologie de contrôle pour les antennes à faisceau (formation de faisceau) avec la possibilité de contrôler la puissance du signal envoyé à chacune des antennes.

La première méthode est presque optimale dans le problème de la communication avec les drones. C'est simple et toute l'énergie de l'émetteur va dans la bonne direction - vers une antenne positionnée de manière optimale. Par exemple, à une portée de 54,5 km (voir figure 4), le signal de l'émetteur est envoyé à une antenne suspendue à 5 mètres, et à une distance de 63 km à une antenne suspendue à 4 mètres. Cette méthode est utilisée dans le modem 3D Link [11]. La deuxième méthode n'utilise pas de données a priori sur l'état du canal de communication UAV → NS (niveaux de signaux reçus aux sorties des antennes), donc, elle répartit également l'énergie de l'émetteur entre deux antennes, ce qui entraîne inévitablement des pertes d'énergie, car l'une des antennes peut être en panne intensité du champ. La troisième méthode pour la qualité de la communication est équivalente à la première, mais beaucoup plus difficile à mettre en œuvre.

Les méthodes de diversité RX et de diversité TX aident également à résoudre un autre problème désagréable dans les communications radio avec les UAV, à savoir l'ombrage des antennes avec la coque ou les éléments de conception d'UAV pendant les manœuvres. En effet, étant donné que lorsque les manœuvres de ces objets peuvent se trouver dans une zone importante de propagation des ondes radio, leur influence sur la communication sera importante en raison de la petite section transversale de l'ellipsoïde de la zone substantielle à proximité des antennes d'UAV, c'est-à-dire que ces objets peuvent chevaucher complètement la zone significative. Pour résoudre ce problème, dans les canaux de communication NS → UAV et UAV → NS, vous devez utiliser un modem sur l'UAV qui prend en charge à la fois la diversité RX et la diversité TX, par exemple 3D Link [11] . Les antennes des UAV doivent être positionnées de telle sorte que lors des manœuvres d'UAV pour au moins une des antennes d'UAV sur la ligne d'antenne NS-UAV, il n'y ait pas d'éléments structurels de l'UAV.

Ensuite, nous considérons la question de l'influence de la fréquence des ondes radio sur la portée de communication avec le drone, en tenant compte de l'influence de la surface sous-jacente. Il a été montré ci-dessus que l'augmentation de la fréquence est avantageuse, car avec des dimensions fixes des antennes, cela conduit à une augmentation de la portée de communication. Cependant, la question de la dépendance$$| V | d B de fréquence n'a pas été considéré. De(3),il s'ensuit que le rapport du gain d'antenne, de surface égale et conçu pour fonctionner à des fréquences$|V|_{dB}$$$$F_1$ et $$F 2 est égal$F_2$
(6)

$$

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

Pour $$F 1 = 2450 MHz;$F_1=$$$F 2 = 915 MHz on obtient$F_2=$$$G 1 / G 2 ≈ 7,2 (8,5 dB). C'est exactement ce qui se passe dans la pratique. Comparez, par exemple, les paramètres des antennes suivantes du fabricant Wireless Instruments:$G1/G2\approx$

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

Il est pratique de comparer ces antennes, car elles sont fabriquées dans des boîtiers identiques de 27x27 cm, c'est-à-dire qu'elles ont la même surface. Notez que le gain d'antenne diffère de 15-8 = 7 dB, ce qui est proche de la valeur calculée de 8,5 dB. Il ressort également des caractéristiques des antennes que la largeur du faisceau d'antenne pour la plage 2,3-2,5 GHz (30 ° / 30 °) est plus de deux fois plus étroite que la largeur du faisceau d'antenne pour la plage 0,83-0,96 GHz (70 ° / 70 °), c'est-à-dire Le gain d'antenne avec les mêmes dimensions augmente vraiment en raison de l'amélioration des propriétés directionnelles. Étant donné que 2 antennes sont utilisées dans la ligne de communication, le rapport$$( G 1 T X G 1 R X ) / ( G 2 T X G 2 R X ) est 2 ∙ 8,5 = 17 dB. Ainsi, avec les mêmes dimensions des antennes, le bilan énergétique de la liaison radio avec une fréquence$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$F 1 = 2450 MHz sera 17 dB de plus que la ligne budgétaire avec une fréquence$F_1=$$$F 2 = 915 MHz. Dans le calcul, nous prenons également en compte le fait que, en règle générale, les antennes à broche sont utilisées sur les drones dont les dimensions ne sont pas aussi critiques que pour les antennes de panneau NS considérées. Par conséquent, nous prenons le gain de l'antenne UAV pour les fréquences$F_2=$$$$F_1$ et $$F 2 égal.$F_2$ C'est-à-direla différence dans les bilans énergétiques des lignes sera de 8,5 dB au lieu de 17 dB. Les résultats du calcul effectué pour ces données initiales et la hauteur de suspension de l'antenne HC 5 m sont présentés sur la Fig. 5.


Fig. 5. Puissance du signal à l'entrée du récepteur pour les liaisons radio fonctionnant à des fréquences de 915 et 2450 MHz

De la fig. La figure 5 montre clairement que la portée de communication avec une augmentation de la fréquence de fonctionnement et la même zone de l'antenne NS passe de 106,7 km pour une ligne radio avec une fréquence de 915 MHz à 120,6 km pour une ligne avec une fréquence de 2450 MHz. Cependant, la ligne 915 MHz a une fréquence d'oscillation inférieure. Moins d'oscillations - moins de creux de l'intensité du champ, c'est-à-dire moins susceptibles d'interrompre les communications avec l'UAV sur toute la distance de vol. C'est peut-être précisément le fait que la gamme d'ondes radio sous-gigahertz est populaire pour les lignes de commande et de communication télémétrique avec les drones comme les plus fiables. Dans le même temps, lors de l'exécution de l'ensemble des actions décrites ci-dessus pour se protéger contre les oscillations de l'intensité du champ, les lignes radio gigahertz offrent une portée de communication plus longue en améliorant les propriétés directionnelles des antennes.

De la considération de la fig. 5, nous pouvons également conclure que dans la zone d'ombre (après environ 125 km), l'abaissement de la fréquence de travail de la ligne de communication est logique. En effet, à un point d’environ −127,8 dBm, les courbes de puissance pour les fréquences$$$F_1$ et $$$F_2$ se croisent. C'est-à-dire lors de l'utilisation de récepteurs avec une sensibilité meilleure que −128 dBm, la ligne radio à 915 MHz fournira une portée de communication plus longue. Dans ce cas, cependant, il est nécessaire de prendre en compte la bande passante requise de la liaison, comme pour une valeur de sensibilité aussi élevée, la vitesse de l'information sera très faible. Par exemple, la meilleure sensibilité d'un modem 3D Link [11] est de -122 dBm. Pour garantir une portée de communication de 150 km, une augmentation de la puissance de l'émetteur avec un amplificateur externe de 128–122 = 6 dB (c'est-à-dire jusqu'à 31 dBm) sera nécessaire. Il existe une version 3D Link avec un émetteur d'une telle puissance, mais le taux de transfert d'informations global (des deux côtés) ne sera que de 23 kbit / s, ce qui, en principe, est suffisant pour la communication KTRL avec les UAV, mais évidemment pas suffisant pour la transmission vidéo depuis la carte. Ainsi, la gamme sous-gigahertz, en effet, a un léger avantage sur la gamme gigahertz pour KTRL, mais perd clairement en caractéristiques lors de l'organisation des lignes vidéo.

Lors du choix de la fréquence d'une ligne radio, il faut également tenir compte de l'atténuation du signal lors de sa propagation dans l'atmosphère terrestre. Pour les lignes de communication NS - UAV, l'atténuation dans l'atmosphère est causée par les gaz, la pluie, la grêle, la neige, le brouillard et les nuages [2] . Pour les fréquences de fonctionnement des liaisons radio inférieures à 6 GHz, l'atténuation dans les gaz peut être négligée [2] . L'atténuation la plus sévère est observée lors des pluies, en particulier de forte intensité (pluie). Le tableau 1 présente les données [2] sur l'atténuation spécifique [dB / km] dans des pluies de différentes intensités pour des fréquences de 3 à 6 GHz.

Tableau 1. Atténuation linéaire des ondes radio [dB / km] sous des pluies d'intensités différentes selon la fréquence

De la table. 1, il s'ensuit que, par exemple, à une fréquence de 3 GHz, l'atténuation dans la douche sera d'environ 0,0087 dB / km, ce qui sur le trajet de 100 km donnera 0,87 dB d'atténuation totale. Avec une augmentation de la fréquence de fonctionnement de la liaison radio, l'atténuation sous la pluie augmente fortement. Pour une fréquence de 4 GHz, l'atténuation dans la douche le long du même trajet sera déjà de 9,1 dB, et à des fréquences de 5 et 6 GHz - 28 et 57 dB, respectivement. Dans ce cas, cependant, on suppose que des pluies d'une intensité donnée se produisent tout au long du parcours, ce qui est rarement le cas en pratique. Cependant, lors de l'utilisation d'UAV dans des zones où les pluies de haute intensité sont fréquentes, il est recommandé de sélectionner la fréquence de fonctionnement de la liaison radio en dessous de 3 GHz.

Littérature

1. Smorodinov A.A. Comment choisir un modem à large bande pour un véhicule aérien sans pilote (UAV). Habr. 2019.
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