मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी) के साथ संचार रेंज को कैसे बढ़ाया जाए

मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी) के साथ संचार रेंज बढ़ाने का कार्य प्रासंगिकता नहीं खोता है। यह आलेख इस सेटिंग को बेहतर बनाने के तरीकों पर चर्चा करता है। लेख यूएवी डेवलपर्स और ऑपरेटरों के लिए लिखा गया है और यूएवी के साथ संबंधों के बारे में लेखों की एक श्रृंखला का सिलसिला जारी है (देखें [1] में चक्र की शुरुआत।

संचार सीमा क्या प्रभावित करती है

संचार रेंज का उपयोग मॉडेम, एंटेना, एंटीना केबल, रेडियो तरंग प्रसार की स्थिति, बाहरी हस्तक्षेप और कुछ अन्य कारणों पर निर्भर करता है। संचार रेंज पर एक पैरामीटर के प्रभाव की डिग्री निर्धारित करने के लिए, रेंज समीकरण [2] पर विचार करें।
(1)

$$

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

जहाँ
$$$आर$ - वांछित संचार रेंज [मीटर];
$$$c \ लगभग 3 \ cdot 10 ^ 8$ - वैक्यूम में प्रकाश की गति [एम / सेकंड];
$$$एफ$ - आवृत्ति [हर्ट्ज];
$$$P_ {TXdBm}$ - मॉडेम ट्रांसमीटर पावर [डीबीएम];
$$$G_ {TXdB}$ - ट्रांसमीटर एंटीना गेन [डीबीआई];
$$$L_ {TXdB}$ - मॉडेम से ट्रांसमीटर एंटीना [डीबी] में केबल में नुकसान;
$$$G_ {RXdB}$ - रिसीवर एंटीना लाभ [डीबीआई];
$$$L_ {RXdB}$ - मॉडेम से रिसीवर एंटीना [डीबी] तक केबल में नुकसान;
$$$P_ {RXdBm}$ - मॉडेम रिसीवर की संवेदनशीलता [डीबीएम];
$$$| V | _ {dB}$ - क्षीणन कारक, पृथ्वी की सतह, वनस्पति, वातावरण और अन्य कारकों [डीबी] के प्रभाव के कारण अतिरिक्त नुकसान को ध्यान में रखता है।

समीकरण से पता चलता है कि सीमा द्वारा निर्धारित किया जाता है:

• इस्तेमाल किया मॉडेम;
• रेडियो चैनल की आवृत्ति;
• लागू एंटेना;
• केबल के नुकसान;
• पृथ्वी की सतह, वनस्पति, वायुमंडल, भवनों आदि की रेडियो तरंगों के प्रसार पर प्रभाव।

इसके अलावा, सीमा को प्रभावित करने वाले मापदंडों को अलग से माना जाता है।

प्रयुक्त मॉडेम

संचार रेंज मॉडेम के केवल दो मापदंडों पर निर्भर करती है: ट्रांसमीटर पावर $$$P_ {TXdBm}$ और रिसीवर संवेदनशीलता $$$P_ {RXdBm}$ , या बल्कि, उनके अंतर से - मॉडेम का ऊर्जा बजट
(2)

$$

$$B_m = P_ {TXdBm} -__ {RXdBm}।$$

संचार रेंज को बढ़ाने के लिए एक बड़े मूल्य के साथ एक मॉडेम चुनना आवश्यक है $$$B_m$ । बड़ा करने के लिए क्लिक करें $$$B_m$ बदले में, यह बढ़ कर संभव है $$$P_ {TXdBm}$ या कम करके $$$P_ {RXdBm}$ । उच्च संवेदनशीलता वाले मोडेम की खोज के लिए वरीयता दी जानी चाहिए ( $$$P_ {RXdBm}$ ट्रांसमीटर शक्ति बढ़ाने के बजाय जितना संभव हो उतना कम) $$$P_ {TXdBm}$ । इस प्रश्न पर पहले लेख [1] में विस्तार से विचार किया गया है।

सामग्री [1] के अलावा, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि कुछ निर्माता, उदाहरण के लिए, Microhard [3] , कुछ उपकरणों के विनिर्देशों में इंगित करते हैं कि औसत नहीं, लेकिन शिखर ट्रांसमीटर शक्ति, जो औसत से कई गुना अधिक है और जिसका उपयोग रेंज की गणना करने के लिए नहीं किया जा सकता है, t यह सच मूल्य की गणना की सीमा के एक मजबूत अतिरिक्त करने के लिए नेतृत्व करेंगे। इस तरह के उपकरणों में शामिल हैं, उदाहरण के लिए, लोकप्रिय pDDL2450 मॉड्यूल [ 4 , 5 ]। यह तथ्य सीधे इस उपकरण के परीक्षण परिणामों से आता है, एफसीसी प्रमाण पत्र प्राप्त करने के लिए प्रदर्शन किया [6] (पृष्ठ 58 देखें)। FCC प्रमाणपत्रों के साथ वायरलेस उपकरणों के परीक्षण के परिणाम खोज पट्टी में उपयुक्त FCC आईडी दर्ज करके FCC ID वेबसाइट [7] पर देखे जा सकते हैं, जो कि डिवाइस के प्रकार को इंगित करने वाले लेबल पर होना चाहिए। PDDL2450 मॉड्यूल में FCC पहचानकर्ता NS916pDDL2450 है।

रेडियो फ्रीक्वेंसी

रेंज (1) के समीकरण से यह स्पष्ट रूप से निम्न है कि ऑपरेटिंग आवृत्ति कम है $$$एफ$ संचार सीमा जितनी अधिक होगी $$$आर$ । लेकिन, आइए निष्कर्षों पर न जाएं। तथ्य यह है कि समीकरण में शामिल अन्य पैरामीटर भी आवृत्ति पर निर्भर करते हैं। उदाहरण के लिए, एंटीना लाभ $$$G_ {TXdB}$ और $$$G_ {RXdB}$ इस मामले में आवृत्ति पर निर्भर करेगा जब एंटेना के अधिकतम आयाम तय किए जाते हैं, जो सिर्फ अभ्यास में होता है। एंटीना का लाभ $$$जी$ आयाम रहित इकाइयों (समय) में व्यक्त एंटीना के भौतिक क्षेत्र के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है $$$ए$ निम्नानुसार [8]
(3)

$$

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

जहाँ $$$ई_ए$ - एंटीना के एपर्चर की दक्षता, यानी भौतिक के लिए एंटीना के प्रभावी क्षेत्र का अनुपात (एंटीना के डिजाइन पर निर्भर करता है) [8] ।

यह (3) से तुरंत देखा जाता है कि एक निश्चित ऐन्टेना क्षेत्र के लिए, आवृत्ति के वर्ग के अनुपात में लाभ बढ़ता है। हम एंटीना लाभ के लिए आयाम रहित इकाइयों का उपयोग करते हुए (1) , (1) , पहले पुनर्लेखन (1) को प्रतिस्थापित करते हैं $$$G_ {TX}$ । $$$G_ {RX}$ केबल की हानि $$$L_ {TX}$ । $$$L_ {RX}$ और क्षीणन गुणक $$$| V |$ साथ ही वाट्स का उपयोग करना $$$P_ {TX}$ और $$$P_ {RX}$ इसके बजाय डी.बी.एम. तो
(4)

$$

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

जहां गुणांक है $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ निश्चित ऐन्टेना आयामों के लिए एक स्थिर है। इस प्रकार, इस स्थिति में, संचार सीमा सीधे आवृत्ति के लिए आनुपातिक होती है, अर्थात, आवृत्ति जितनी अधिक होती है, उतनी ही अधिक सीमा होती है। निष्कर्ष। एंटेना के निश्चित आयामों के साथ, रेडियो लाइन की आवृत्ति बढ़ने से एंटेना के दिशात्मक गुणों में सुधार करके संचार रेंज में वृद्धि होती है। हालांकि, यह ध्यान में रखना चाहिए कि बढ़ती आवृत्ति के साथ, गैसों, वर्षा, ओलों, बर्फ, कोहरे और बादलों के कारण वातावरण में रेडियो तरंगों का क्षीणन भी बढ़ता है [2] । इसके अलावा, बढ़ती लंबाई के साथ, वातावरण में क्षीणन भी बढ़ता है। इस कारण से, प्रत्येक पथ की लंबाई और औसत मौसम की स्थिति के लिए, वाहक आवृत्ति का कुछ अधिकतम मूल्य है, जो वातावरण में संकेत क्षीणन के अनुमेय स्तर द्वारा सीमित है। आइए हम अंतिम समाधान को उस संचार रेंज पर रेडियो चैनल की आवृत्ति के प्रभाव के सवाल पर छोड़ते हैं जहां पृथ्वी की सतह और वायु तरंगों के प्रसार पर वायुमंडल के प्रभाव पर विचार किया जाएगा।

एंटेना

संचार सीमा लाभ के रूप में इस तरह के एक एंटीना पैरामीटर द्वारा निर्धारित की जाती है $$$G_ {dB}$ (अंग्रेजी शब्दावली में लाभ), डीबीआई में मापा जाता है। लाभ एक महत्वपूर्ण मिश्रित पैरामीटर है, क्योंकि यह ध्यान में रखता है: (1) एक आइसोट्रोपिक एमिटर (आइसोट्रोपिक, इसलिए डीबी में सूचकांक I) की तुलना में रिसीवर की दिशा में ट्रांसमीटर ऊर्जा को केंद्रित करने के लिए एंटीना की क्षमता; (2) एंटीना में ही नुकसान [ 8 , 9 ]। संचार रेंज को बढ़ाने के लिए, उन लोगों से उच्चतम संभव लाभ मूल्य के साथ एंटेना चुनना चाहिए जो बड़े पैमाने पर आयामी मापदंडों और मार्गदर्शन प्रणाली की क्षमताओं के लिए उपयुक्त हैं। ऐन्टेना की ऊर्जा को केंद्रित करने की क्षमता मुक्त नहीं है, लेकिन केवल एंटीना के आकार (एपर्चर) को बढ़ाकर। उदाहरण के लिए, प्राप्त करने वाला एंटीना जितना बड़ा होगा, उतना बड़ा क्षेत्र वह रिसीवर के इनपुट को आपूर्ति करने के लिए ऊर्जा एकत्र करने में सक्षम होगा, और अधिक ऊर्जा, प्राप्त सिग्नल जितना मजबूत होगा, यानी, संचार सीमा बढ़ जाएगी। इस प्रकार, आपको पहले एंटेना के अधिकतम आयामों को निर्धारित करना होगा जो हाथ में काम करने के लिए पर्याप्त हैं और खोज क्षेत्र को इस पैरामीटर तक सीमित करते हैं, और फिर अधिकतम लाभ पर ध्यान केंद्रित करते हुए एक विशिष्ट एंटीना मॉडल की खोज करते हैं। दूसरा ऐन्टेना पैरामीटर जो अभ्यास के लिए महत्वपूर्ण है, बीम की चौड़ाई (बीमवर्क) [ 8 , 10 ], कोणीय डिग्री में मापा जाता है। एक नियम के रूप में, बीम की चौड़ाई को ऐन्टेना के केंद्र से दो स्थानिक दिशाओं के बीच के कोण के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिस पर एंटीना का लाभ इस एंटीना के लिए अधिकतम से 3 डीबी घट जाता है। अजीमुथ और ऊंचाई में बीम की चौड़ाई बहुत भिन्न हो सकती है। यह पैरामीटर नियम के अनुसार एंटीना के आयामों से निकटता से संबंधित है: अधिक आयाम - कम बीम चौड़ाई। यह पैरामीटर सीधे रेंज समीकरण में शामिल नहीं है, लेकिन यह यूएवी के लिए एक ग्राउंड स्टेशन (एनएस) के एंटीना को इंगित करने की प्रणाली के लिए आवश्यकताओं को निर्धारित करता है, क्योंकि एनएस पर, दृढ़ता से दिशात्मक एंटेना का उपयोग किया जाता है, कम से कम मामलों में जब अधिकतमकरण होता है। यूएवी के साथ संचार एक प्राथमिकता है। वास्तव में, जबकि एनएस ट्रैकिंग सिस्टम आधे बीम की चौड़ाई या उससे कम यूएवी के बराबर एंटीना को इंगित करने का एक कोणीय सटीकता प्रदान करता है, प्राप्त / उत्सर्जित सिग्नल का स्तर अधिकतम से 3 डीबी से नीचे नहीं गिरेगा। किसी भी परिस्थिति में चयनित ऐन्टेना के बीम की चौड़ाई का आधा हिस्सा एज़िमथ या ऊंचाई में एनएस एंटेना पॉइंटिंग सिस्टम की कोणीय त्रुटि से कम नहीं होना चाहिए।

केबल

संचार रेंज को अधिकतम करने के लिए, एनएस - यूएवी रेडियो लिंक के ऑपरेटिंग आवृत्ति पर सबसे कम संभव क्षीणन (केबल क्षीणन या केबल हानि) के साथ केबलों का उपयोग करना आवश्यक है। केबल में रैखिक क्षीणन को dB में व्यक्त केबल लंबाई के इनपुट पर 1 मीटर (मीट्रिक प्रणाली में) की केबल लंबाई के आउटपुट पर सिग्नल के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। केबल का नुकसान $$$L_ {dB}$ रेंज समीकरण में शामिल (1) केबल लंबाई द्वारा रैखिक क्षीणन को गुणा करके निर्धारित किया जाता है। इस प्रकार, अधिकतम संभव संचार रेंज प्राप्त करने के लिए, न्यूनतम संभव रैखिक क्षीणन के साथ केबलों का उपयोग करना और इन केबलों की लंबाई को कम करना आवश्यक है। एनएस मॉडेम ब्लॉक को सीधे एंटेना के बगल में मस्तूल पर स्थापित किया जाना चाहिए। यूएवी मामले में, मॉडेम को एंटेना के करीब संभव के रूप में स्थित होना चाहिए। अलग-अलग, यह चयनित केबल के प्रतिबाधा की जांच करने के लायक है। यह पैरामीटर ओम में मापा जाता है और आमतौर पर 50 या 75 ओम होता है। केबल की प्रतिबाधा, मॉडेम एंटीना कनेक्टर और एंटीना पर कनेक्टर स्वयं समान होना चाहिए।

पृथ्वी की सतह प्रभाव

इस खंड में, हम एक सादे या समुद्री सतह पर रेडियो तरंगों के प्रसार पर विचार करते हैं। यह स्थिति अक्सर यूएवी का उपयोग करने के अभ्यास में पाई जाती है। पाइपलाइनों, बिजली लाइनों, कृषि फसलों, कई सैन्य और विशेष अभियानों के यूएवी से निगरानी - यह सब इस मॉडल द्वारा अच्छी तरह से वर्णित है। मानव अनुभव हमें एक तस्वीर के साथ चित्रित करता है जिसमें वस्तुओं के बीच एक संबंध संभव है यदि वे एक दूसरे के देखने के प्रत्यक्ष ऑप्टिकल क्षेत्र में हैं, अन्यथा संचार असंभव है। हालांकि, रेडियो तरंगें ऑप्टिकल रेंज से संबंधित नहीं हैं, इसलिए, उनके साथ स्थिति कुछ अलग है। इस संबंध में, यूएवी के डेवलपर और ऑपरेटर के लिए निम्नलिखित दो तथ्यों को याद रखना उपयोगी है।

1. एनएस और यूएवी के बीच दृष्टि की रेखा के अभाव में रेडियो रेंज में संचार संभव है।
2. यूएवी के साथ कनेक्शन पर अंतर्निहित सतह का प्रभाव तब भी महसूस किया जाएगा, जब एनएस / यूएवी की ऑप्टिकल लाइन पर कोई ऑब्जेक्ट नहीं हैं।

पृथ्वी की सतह के पास रेडियो तरंगों के प्रसार की बारीकियों को समझने के लिए, रेडियो तरंगों के प्रसार के एक महत्वपूर्ण क्षेत्र की अवधारणा के साथ खुद को परिचित करना उपयोगी है [2] । रेडियो तरंगों के प्रसार के पर्याप्त क्षेत्र में किसी भी वस्तु के अभाव में और पृथ्वी की सतह से परावर्तन के अभाव में, श्रेणी गणना मुक्त स्थान के लिए सूत्रों के अनुसार की जा सकती है, अर्थात। $$$| V | _ {dB}$ (1) को 0. के बराबर लिया जा सकता है। हालांकि, आवश्यक क्षेत्र में वस्तुएं हैं, या पृथ्वी की सतह से महत्वपूर्ण प्रतिबिंब हैं, तो यह नहीं किया जा सकता है। अंजीर में। 1, बिंदु A एक ऊंचाई पर स्थित एक बिंदु उत्सर्जक को दर्शाता है $$$h_1$ पृथ्वी की सतह के ऊपर, जो समान दिशा में सभी दिशाओं में विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का उत्सर्जन करता है। ऊंचाई पर बिंदु B पर $$$h_2$ क्षेत्र की तीव्रता को मापने के लिए एक रिसीवर होता है। इस मॉडल में, रेडियो तरंग प्रसार का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र अंक ए और बी में foci के साथ एक दीर्घवृत्त है।


अंजीर। 1. महत्वपूर्ण रेडियो तरंग प्रसार क्षेत्र

अपने "सबसे मोटे" भाग में दीर्घवृत्त की त्रिज्या अभिव्यक्ति द्वारा निर्धारित होती है [2]
(5)

$$

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

(5) से यह देखा जा सकता है कि $$$आर$ आवृत्ति पर निर्भर $$$एफ$ विपरीत रूप से छोटा $$$एफ$ , "मोटा" दीर्घवृत्त ( $$$F_1 <F_2$ अंजीर में। 1)। इसके अलावा, संचार की वस्तुओं के बीच बढ़ती दूरी के साथ दीर्घवृत्त की "मोटाई" बढ़ जाती है। रेडियो तरंगों के लिए $$$आर$ के साथ काफी प्रभावशाली हो सकता है $$$आर =$ 10 कि.मी. $$$F =$ 2.45 गीगाहर्ट्ज़ हमें मिलता है $$$आर =$ 50 m 60 मीटर।

आइए अब अंजीर में एक ग्रे त्रिकोण द्वारा चित्रित एक अपारदर्शी वस्तु पर विचार करें। 1. यह एक आवृत्ति के साथ रेडियो तरंगों के प्रसार को प्रभावित करेगा $$$F_1$ , क्योंकि यह एक महत्वपूर्ण प्रसार क्षेत्र में स्थित है, और व्यावहारिक रूप से आवृत्ति के साथ रेडियो तरंगों के प्रसार पर कोई प्रभाव नहीं पड़ेगा $$$F_2$ । ऑप्टिकल रेंज (प्रकाश) की रेडियो तरंगों के लिए, मान $$$आर$ छोटे, इसलिए, व्यवहार में प्रकाश के प्रसार पर पृथ्वी की सतह का प्रभाव महसूस नहीं किया जाता है। यह देखते हुए कि पृथ्वी की सतह एक गेंद है, यह समझना आसान है कि जैसे-जैसे दूरी बढ़ती है $$$आर$ अंतर्निहित सतह तेजी से एक महत्वपूर्ण प्रसार क्षेत्र में चली जाएगी, इस प्रकार बिंदु A से बिंदु B तक ऊर्जा का प्रवाह अवरुद्ध होता है - कहानी का अंत, UAV के साथ संचार बाधित होता है। इसी तरह से वे मार्ग पर संचार और अन्य वस्तुओं को प्रभावित करेंगे, जैसे इलाके धक्कों, इमारतों, जंगलों, आदि। UAV पतवार और एक महत्वपूर्ण क्षेत्र में गिरने वाले संरचनात्मक तत्व भी संचार रेंज को प्रभावित करेंगे।

आइए अब हम चावल पर विचार करें। 2 जिसमें एक अपारदर्शी वस्तु एक आवृत्ति के साथ एक रेडियो तरंग के पर्याप्त प्रसार क्षेत्र को पूरी तरह से कवर करती है $$$F_2$ इस आवृत्ति पर संचार को असंभव बनाना। उसी समय, आवृत्ति संचार $$$F_1$ अभी भी संभव है क्योंकि ऊर्जा का हिस्सा एक अपारदर्शी वस्तु पर "कूदता है"। कम आवृत्ति, ऑप्टिकल क्षितिज से परे एक रेडियो तरंग प्रसार कर सकती है, जो यूएवी के साथ एक स्थिर संबंध बनाए रखती है।


अंजीर। 2. एक महत्वपूर्ण रेडियो तरंग प्रसार क्षेत्र का ओवरलैप

संचार पर पृथ्वी की सतह के प्रभाव की डिग्री भी एंटीना की ऊंचाई पर निर्भर करती है $$$h_1$ और $$$h_2$ । एंटेना की ऊंचाई जितनी अधिक होगी, अंक ए और बी की दूरी को अलग किया जा सकता है, एक महत्वपूर्ण क्षेत्र में वस्तुओं या अंतर्निहित सतह को रोकने से रोका जा सकता है।

जैसा कि अंतर्निहित सतह एक आवश्यक क्षेत्र के करीब पहुंचती है, बिंदु B पर क्षेत्र की ताकत [2] को दोलन करेगी, अर्थात यह मुक्त स्थान में क्षेत्र की ताकत से अधिक या कम होगा। यह अंतर्निहित से ऊर्जा के प्रतिबिंब के कारण है। परावर्तित ऊर्जा चरण में मुख्य ऊर्जा के साथ बिंदु B में जुड़ सकती है - फिर क्षेत्र की ताकत में वृद्धि होती है, या एंटीपेज़ में - फिर क्षेत्र की ताकत में कमी (और काफी गहरी) होती है। यूएवी के साथ संचार की बारीकियों को समझने के लिए इस प्रभाव को याद रखना महत्वपूर्ण है। एक निश्चित सीमा पर यूएवी के साथ संचार का नुकसान दोलन के कारण क्षेत्र की ताकत में स्थानीय कमी के कारण हो सकता है, अर्थात, यदि आप कुछ और दूरी पर उड़ान भरते हैं, तो कनेक्शन बहाल किया जा सकता है। संचार का अंतिम नुकसान वस्तुओं या अंतर्निहित सतह द्वारा आवश्यक क्षेत्र को पूरी तरह से बंद करने के बाद ही होगा। अगला, क्षेत्र शक्ति दोलनों के परिणामों से निपटने के लिए तरीकों का प्रस्ताव किया जाएगा।

क्षीणन कारक की गणना के लिए सूत्र $$$| V | _ {dB}$ जब पृथ्वी की एक चिकनी सतह पर रेडियो तरंगों का प्रसार काफी जटिल होता है, खासकर दूरियों के लिए $$$आर$ ऑप्टिकल क्षितिज की सीमा से अधिक [2] । इसलिए, समस्या के आगे विचार में, हम लेखक के कंप्यूटर कार्यक्रमों के एक सेट का उपयोग करके गणितीय मॉडलिंग का सहारा लेंगे। जियोस्कैन से 3 डी लिंक [11] मॉडेम का उपयोग करके यूएवी से एनएस तक वीडियो प्रसारित करने के विशिष्ट कार्य पर विचार करें। प्रारंभिक डेटा इस प्रकार हैं।

1. एचसी एंटीना की सस्पेंशन ऊंचाई: 5 मीटर।
2. यूएवी उड़ान ऊंचाई: 1000 मीटर।
3. रेडियो फ्रीक्वेंसी: 2.45 गीगाहर्ट्ज़।
4. एनएस एंटीना लाभ: 17 डीबी।
5. यूएवी एंटीना लाभ: 3 डीबी।
6. ट्रांसमीटर पावर: +25 डीबीएम (300 मेगावाट)।
7. वीडियो चैनल में गति: 4 एमबीपीएस।
8. वीडियो चैनल में रिसीवर की संवेदनशीलता: d100.4 डीबीएम (12 मेगाहर्ट्ज सिग्नल द्वारा कब्जा की गई आवृत्ति बैंड के लिए)।
9. अंतर्निहित सतह: सूखी मिट्टी।
10. ध्रुवीकरण: ऊर्ध्वाधर।

इन इनपुट के लिए लाइन-ऑफ-विज़न दूरी 139.6 किमी है। DBm में मॉडम रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल पावर के रूप में गणना परिणाम अंजीर में प्रस्तुत किए जाते हैं। 3।


अंजीर। 3. 3 डी लिंक मॉडेम के रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल की शक्ति [11]

अंजीर में नीला रंग। 3 एनएस रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल की शक्ति है, पृथ्वी की सतह के प्रभाव को ध्यान में रखते हुए, हरे रंग की वक्र एनएस रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल की शक्ति है जब मुक्त स्थान में संचार होता है, और लाल सीधी रेखा इस रिसीवर की संवेदनशीलता को इंगित करती है। किमी में दूरी X अक्ष के साथ स्थित है, और dBm में शक्ति Y अक्ष के साथ स्थित है। रेंज के उन बिंदुओं पर, जिस पर नीले रंग की वक्र लाल के ऊपर होती है, यूएवी से सीधे वीडियो रिसेप्शन संभव है, अन्यथा कोई संचार नहीं होगा। ग्राफ से यह देखा जा सकता है कि दोलनों के कारण संचार का नुकसान 37.137.8 किमी और 60.865.1 किमी की सीमा में होगा। इस मामले में, कनेक्शन का अंतिम विराम बहुत आगे आएगा - 120.6 किमी की उड़ान के बाद। 126.3 किमी के बिंदु पर दिखाई देने वाली नीले रंग की वक्र पर कूद इस तथ्य के कारण है कि (रेडियो दृश्यता क्षेत्र में), गणना हस्तक्षेप सूत्रों के अनुसार की जाती है, और इस सीमा के बाद (जो कि, रेडियो छाया के क्षेत्र में), फ़ॉक डिवर्ट फ़ार्मुलों के अनुसार [ २] ।

जैसा कि पहले ही ऊपर उल्लेख किया गया है, एनएस एंटीना के स्थान पर एंटीपेज़ में पृथ्वी की सतह से प्रत्यक्ष और परिलक्षित सिग्नल को जोड़ने के कारण क्षेत्र की ताकत में गिरावट उत्पन्न होती है। फ्री स्पेस में पावर लेवल के साथ ओवरहेड चैनल में पावर लेवल की तुलना करने से, यह निम्नानुसार होता है कि फेज में पृथ्वी की सतह से एक प्रत्यक्ष और परावर्तित किरण के जोड़ से उपरोक्त स्पेस चैनल का बजट फ्री स्पेस में चैनल के सापेक्ष 6 dB तक बढ़ सकता है, या किरणों के ऊपर चैनल को पूरी तरह से नष्ट कर सकता है यदि किरणों को जोड़ दें। चरण से बाहर। आप 2 शर्तों को पूरा करके एंटीपेज़ में बीम के जोड़ के कारण एनएस पर संचार के नुकसान से छुटकारा पा सकते हैं।

1. एनएस पर कम से कम दो प्राप्त चैनलों (आरएक्स विविधता) के साथ एक मॉडेम का उपयोग करें, उदाहरण के लिए 3 डी लिंक [11] ।
2. विभिन्न ऊंचाई पर मस्तूल पर प्राप्त एंटेना की स्थिति।

प्राप्त एंटेना की ऊंचाइयों के अंतर को बनाया जाना चाहिए ताकि एक एंटीना के स्थान पर क्षेत्र की ताकत में डुबकी को दूसरे एंटीना के स्थान पर रिसीवर की संवेदनशीलता से अधिक के स्तर से मुआवजा दिया जाए। अंजीर में। चित्रा 4 5 मीटर (नीला ठोस वक्र) की ऊंचाई पर एक एचसी एंटीना के स्थान के मामले के लिए इस दृष्टिकोण का परिणाम दिखाता है, और दूसरा 4 मीटर (नीला धराशायी वक्र) की ऊंचाई पर।


अंजीर। 4. विभिन्न ऊंचाई पर स्थित एंटेना से 3 डी लिंक मॉडेम के दो रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल की शक्ति

। 4 इस पद्धति का फल स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। दरअसल, पूरे यूएवी की उड़ान दूरी, 120.6 किमी की सीमा तक, कम से कम एक एनएस रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल संवेदनशीलता स्तर से अधिक होता है, यानी बोर्ड से वीडियो पूरी उड़ान दूरी पर बाधित नहीं होगा।

हालांकि, प्रस्तावित विधि, विशेष रूप से यूएवी → एनएस रेडियो लिंक की विश्वसनीयता में सुधार करने में मदद करती है, क्योंकि विभिन्न ऊंचाइयों पर एंटेना स्थापित करने की क्षमता केवल एनएस पर उपलब्ध है। यूएवी पर 1 मीटर की ऊँचाई वाले एक ही एंटीना की जगह सुनिश्चित करना संभव नहीं है। NS → UAV रेडियो लिंक की विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए, कई ट्रांसमिटिंग एंटेना (TX विविधता) का उपयोग करते हुए निम्नलिखित तरीकों का उपयोग किया जा सकता है।

1. एनएस ट्रांसमीटर के सिग्नल को उस एंटीना पर लागू करने के लिए जो यूएवी से अधिक शक्तिशाली सिग्नल प्राप्त करता है।
2. उदाहरण के लिए, अनुपात-अस्थायी कोड का उपयोग करें, आलमूटी कोड [12] ।
3. प्रत्येक एंटीना को भेजे गए सिग्नल की शक्ति को नियंत्रित करने की क्षमता के साथ बीम एंटेना (बीमफॉर्मिंग) के लिए नियंत्रण प्रौद्योगिकी का उपयोग करें।

पहली विधि यूएवी के साथ संचार की समस्या में इष्टतम के करीब है। यह सरल है और इसमें ट्रांसमीटर की सारी ऊर्जा सही दिशा में जाती है - एक आशा के मुताबिक एंटीना के लिए। उदाहरण के लिए, 54.5 किमी (चित्र 4 देखें) की सीमा पर, ट्रांसमीटर संकेत 5 मीटर की दूरी पर निलंबित एंटीना को खिलाया जाता है, और 63 किमी की दूरी पर 4 मीटर की दूरी पर एक एंटीना को निलंबित कर दिया जाता है। इस पद्धति का उपयोग 3D लिंक मॉडेम [11] में किया जाता है। दूसरी विधि यूएवी की स्थिति पर एक प्राथमिक डेटा का उपयोग नहीं करती है → एनएस संचार चैनल (एंटेना के आउटपुट पर प्राप्त संकेतों का स्तर), इसलिए, यह ट्रांसमीटर ऊर्जा को दो एंटेना के बीच समान रूप से विभाजित करता है, जो अनिवार्य रूप से ऊर्जा नुकसान की ओर जाता है, क्योंकि एंटेना में से एक विफलता हो सकती है। क्षेत्र की ताकत। संचार की गुणवत्ता के लिए तीसरी विधि पहले के बराबर है, लेकिन लागू करने के लिए बहुत अधिक कठिन है।

RX विविधता और TX विविधता विधियां यूएवी के साथ रेडियो संचार में एक और अप्रिय समस्या को हल करने में मदद करती हैं, अर्थात्, युद्धाभ्यास के दौरान पतवार या यूएवी डिजाइन तत्वों के साथ एंटेना को छायांकित करना। दरअसल, जब से इन वस्तुओं का पैंतरेबाज़ी करना रेडियो तरंगों के प्रसार के एक महत्वपूर्ण क्षेत्र में हो सकता है, तो संचार पर उनका प्रभाव महत्वपूर्ण होगा, क्योंकि यूएवी आभूषणों के पास पर्याप्त क्षेत्र के दीर्घवृत्तीय क्षेत्र के छोटे क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र के कारण, अर्थात्, ये ऑब्जेक्ट महत्वपूर्ण ज़ोन को पूरी तरह से ओवरलैप कर सकते हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, संचार चैनलों NS → UAV और UAV → NS में, आपको UAV पर एक मॉडेम का उपयोग करने की आवश्यकता है जो RX विविधता और TX विविधता दोनों का समर्थन करता है, उदाहरण के लिए 3D लिंक [11] । यूएवी पर एंटेना को तैनात किया जाना चाहिए ताकि एनएसए - यूएवी एंटीना लाइन पर यूएवी एंटेना के कम से कम एक यूएवी युद्धाभ्यास के दौरान, यूएवी डिजाइन तत्व न हों।

अगला, हम UAV के साथ संचार तरंगों पर रेडियो तरंगों की आवृत्ति के प्रभाव के सवाल पर विचार करते हैं, अंतर्निहित सतह के प्रभाव को ध्यान में रखते हैं। यह ऊपर दिखाया गया था कि आवृत्ति बढ़ाना लाभप्रद है, क्योंकि एंटेना के निश्चित आयामों के कारण संचार रेंज में वृद्धि होती है। हालाँकि, निर्भरता का मुद्दा$$| वी | डी बी की आवृत्ति पर विचार नहीं किया गया था। से(3)यह इस प्रकार है कि एंटीना लाभ का अनुपात, क्षेत्र में बराबर और आवृत्तियों पर काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है$|V|_{dB}$$$एफ 1 और$F_1$$$एफ 2 बराबर$F_2$
(6)

$$

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

के लिए $$एफ 1 = 2450 मेगाहर्ट्ज;$F_1=$$$F 2 = 915 MHz हमें मिलता है$F_2=$$$जी 1 / जी 2 ≈ 7.2 (8.5 डीबी)। व्यवहार में ठीक यही होता है। उदाहरण के लिए, निर्माता वायरलेस इंस्ट्रूमेंट्स से निम्नलिखित एंटेना के मापदंडों की तुलना करें:$G1/G2\approx$

• वाइबो पीए 0809-8 वी [13] (आवृत्ति: 0.83–0.96 गीगाहर्ट्ज; बीमिंग: 70/70 °; लाभ: 8 डीबीआई);
• वाईबीओएक्स पीए 24-15 [14] (आवृत्ति: 2.3-2.5 गीगाहर्ट्ज; बीमितता: 30 डिग्री / 30 डिग्री। लाभ: 15 डीबीबी)।

इन एंटेना की तुलना करना सुविधाजनक है, क्योंकि वे समान मामलों में 27x27 सेमी में बने होते हैं, अर्थात, उनका एक ही क्षेत्र है। ध्यान दें कि एंटीना लाभ 15-8 = 7 डीबी से भिन्न होता है, जो कि 8.5 डीबी के गणना मूल्य के करीब है। एंटेना की विशेषताओं से यह भी देखा जा सकता है कि रेंज के लिए एंटीना बीम की चौड़ाई 2.3-2.5 गीगाहर्ट्ज (30 डिग्री / 30 डिग्री) एंटीना रेंज की चौड़ाई 0.83–0.96 गीगाहर्ट्ज (70 डिग्री / 70 डिग्री) से दो गुना अधिक संकीर्ण है, अर्थात। समान आयामों के साथ एंटीना लाभ वास्तव में दिशात्मक गुणों के सुधार के कारण बढ़ता है। यह देखते हुए कि 2 एंटेना का उपयोग संचार लाइन, अनुपात में किया जाता है$$( G 1 T X G 1 R X ) / ( G 2 T X G 2 R X ) 2 = 8.5 = 17 dB है। इस प्रकार, एंटेना के समान आयामों के साथ, आवृत्ति के साथ रेडियो लिंक का ऊर्जा बजट$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$एफ 1 = 2450 मेगाहर्ट्ज आवृत्ति के साथ बजट रेखा से 17 डीबी अधिक होगा$F_1=$$$एफ 2 = 915 मेगाहर्ट्ज। गणना में, हम इस तथ्य को भी ध्यान में रखते हैं कि, एक नियम के रूप में, यूएवी पर पिन एंटेना का उपयोग किया जाता है, जिसके लिए आयाम एनएस पैनल एंटेना के रूप में महत्वपूर्ण नहीं हैं। इसलिए, हम आवृत्तियों के लिए यूएवी एंटीना का लाभ उठाते हैं$F_2=$$$एफ 1 और$F_1$$$एफ 2 बराबर।$F_2$ यानीलाइनों के ऊर्जा बजटों में अंतर 17 dB के बजाय 8.5 dB होगा। इन प्रारंभिक आंकड़ों के लिए किए गए गणना के परिणाम और एचसी एंटीना 5 मीटर की निलंबन ऊंचाई अंजीर में दिखाए गए हैं। 5।


अंजीर। 5. 915 और 2450 मेगाहर्ट्ज की आवृत्तियों पर संचालित होने वाले रेडियो लिंक के लिए रिसीवर के इनपुट पर सिग्नल की शक्ति

अंजीर से। चित्रा 5 स्पष्ट रूप से दिखाता है कि ऑपरेटिंग आवृत्ति में वृद्धि के साथ संचार रेंज और एनएस एंटीना का एक ही क्षेत्र 2450 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ 915 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ एक रेडियो लाइन के लिए 106.7 किमी से बढ़ता है। हालांकि, 915 मेगाहर्ट्ज लाइन में कम दोलन आवृत्ति होती है। कम दोलनों - कम क्षेत्र की ताकत डुबकी, यानी पूरे उड़ान दूरी पर यूएवी के साथ संचार को बाधित करने की संभावना कम है। शायद यह ठीक वही तथ्य है जो यूएवी के साथ कमांड और टेलीमेट्रिक संचार लाइनों के लिए सबसे विश्वसनीय के रूप में रेडियो तरंगों की उप-गीगाहर्ट्ज़ रेंज को लोकप्रिय बनाता है। उसी समय, जब क्षेत्र की ताकत के दोलनों से बचाने के लिए ऊपर वर्णित क्रियाओं के सेट को निष्पादित करते हुए, गिगाहर्ट्ज़ रेडियो लाइनें एंटेना के दिशात्मक गुणों में सुधार करके एक लंबी संचार सीमा प्रदान करती हैं।

अंजीर के विचार से। 5, हम यह भी निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि छाया क्षेत्र (लगभग 125 किमी के बाद) में संचार लाइन की कार्य आवृत्ति कम होने से समझ में आता है। वास्तव में, लगभग −127.8 डीबीएम के बिंदु पर, बिजली आवृत्तियों के लिए घटता है$$एफ 1 और$F_1$$$$F_2$ एक दूसरे को काटना। यानी rece128 डीबीएम से बेहतर संवेदनशीलता वाले रिसीवर का उपयोग करते समय, 915 मेगाहर्ट्ज पर रेडियो लाइन एक लंबी संचार सीमा प्रदान करेगी। इस मामले में, हालांकि, लिंक की आवश्यक बैंडविड्थ को ध्यान में रखना आवश्यक है, जैसा कि ऐसे उच्च संवेदनशीलता मूल्य के लिए, सूचना की गति बहुत कम होगी। उदाहरण के लिए, एक 3D लिंक मॉडेम की सर्वश्रेष्ठ संवेदनशीलता [11] the122 dBm है। इसे 150 किमी की संचार सीमा सुनिश्चित करने के लिए, 128-122 = 6 डीबी (यानी, 31 डीबीएम तक) द्वारा बाहरी एम्पलीफायर के साथ ट्रांसमीटर पावर में वृद्धि की आवश्यकता होगी। ऐसी शक्ति के ट्रांसमीटर के साथ एक 3D लिंक संस्करण है, लेकिन कुल (दोनों तरफ) सूचना अंतरण दर केवल 23 kbit / s होगी, जो, सैद्धांतिक रूप से, UAVs के साथ KTRL संचार के लिए पर्याप्त है, लेकिन बोर्ड से वीडियो प्रसारित करने के लिए स्पष्ट रूप से पर्याप्त नहीं है। इस प्रकार, सब-गीगाहर्ट्ज़ रेंज, वास्तव में, केटीआरएल के लिए गीगाहर्ट्ज़ रेंज पर थोड़ा लाभ है, लेकिन वीडियो लाइनों का आयोजन करते समय विशेषताओं में स्पष्ट रूप से खो देता है।

रेडियो लाइन की आवृत्ति का चयन करते समय, किसी को पृथ्वी के वायुमंडल में प्रसार के दौरान संकेत के क्षीणन को भी ध्यान में रखना चाहिए। एनएस - यूएवी संचार लाइनों के लिए, वायुमंडल में क्षीणन गैसों, बारिश, ओलों, बर्फ, कोहरे और बादलों [2] के कारण होता है । 6 गीगाहर्ट्ज़ से कम के रेडियो लिंक के ऑपरेटिंग आवृत्तियों के लिए, गैसों में क्षीणन को उपेक्षित किया जा सकता है [2] । सबसे गंभीर क्षीणन बारिश में मनाया जाता है, विशेषकर उच्च तीव्रता (वर्षा) का। तालिका 1 में 3 से 6 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों के लिए अलग-अलग तीव्रता के बारिश में विशिष्ट क्षीणन [डीबी / किमी] पर डेटा [2] दिखाया गया है।

तालिका 1. आवृत्ति के आधार पर विभिन्न तीव्रता की बारिश में रेडियो तरंगों [dB / किमी] का रैखिक क्षीणन

मेज से। 1 यह निम्नानुसार है, उदाहरण के लिए, 3 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर शॉवर में क्षीणन लगभग 0.0087 डीबी / किमी होगा, जो 100 किमी पथ पर कुल क्षीणन का 0.87 डीबी देगा। रेडियो लिंक की ऑपरेटिंग आवृत्ति में वृद्धि के साथ, बारिश में क्षीणन तेजी से बढ़ता है। 4 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति के लिए, एक ही रास्ते में शावर में क्षीणन पहले से ही 9.1 डीबी होगा, और क्रमशः 5 और 6 गीगाहर्ट्ज - 28 और 57 डीबी की आवृत्ति पर। इस मामले में, हालांकि, यह माना जाता है कि दी गई तीव्रता के साथ बारिश पूरे मार्ग के साथ होती है, जो शायद ही कभी व्यवहार में होती है। हालांकि, उन क्षेत्रों में यूएवी का उपयोग करते समय, जहां उच्च-तीव्रता वाली बारिश अक्सर होती है, यह 3 गीगाहर्ट्ज से नीचे रेडियो लिंक की ऑपरेटिंग आवृत्ति का चयन करने के लिए अनुशंसित है।

साहित्य

1. स्मारोडिनोव ए.ए. मानवरहित हवाई वाहन (यूएवी) के लिए ब्रॉडबैंड मॉडम कैसे चुनें। Habr। 2019।
2. कालिनिन ए.आई., चेरेंकोवा ई.एल. रेडियो तरंग प्रसार और रेडियो लिंक संचालन। संचार। मास्को। 1971।
3. माइक्रोहार्ड।
4. पिको डिजिटल डेटा लिंक pDDL2450 विनिर्देश।
5. Picoradio OEM विनिर्देशन।
6. इंजीनियरिंग टेस्ट रिपोर्ट। पिको 2.4GHz 1W डिजिटल डेटा लिंक मॉड्यूल।
7. एफसीसी आईडी।
8. सीए बालानिस। एंटीना सिद्धांत। विश्लेषण और डिजाइन। चौथा संस्करण। जॉन विले एंड संस। 2016।
9. एंटीना का लाभ। विकिपीडिया लेख।
10. बीमांरचना। विकिपीडिया लेख।
11. डिजिटल डुप्लेक्स रेडियो मॉडेम 3 डी लिंक।
12. एसएम अलमौटी। "वायरलेस संचार के लिए एक सरल संचारित विविधता तकनीक।" संचार में चयनित क्षेत्रों पर IEEE जर्नल। 16 (8): 1451–1458।
13. PTP क्लाइंट एंटीना WiBOX PA 0809-8V।
14. पीटीपी क्लाइंट एंटीना वाईबीओएक्स पीए 24-15।