Cara meningkatkan jangkauan komunikasi dengan kendaraan udara tak berawak (UAV)

Tugas meningkatkan jangkauan komunikasi dengan kendaraan udara tak berawak (UAV) tidak kehilangan relevansi. Artikel ini membahas metode untuk meningkatkan pengaturan ini. Artikel ini ditulis untuk pengembang dan operator UAV dan merupakan kelanjutan dari serangkaian artikel tentang hubungan dengan UAV (lihat awal siklus di [1] .

Apa yang mempengaruhi jangkauan komunikasi

Jangkauan komunikasi tergantung pada modem yang digunakan, antena, kabel antena, kondisi perambatan gelombang radio, gangguan eksternal, dan beberapa alasan lainnya. Untuk menentukan tingkat pengaruh parameter pada rentang komunikasi, pertimbangkan persamaan rentang [2]
(1)

$$

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

dimana
$$$R$ - rentang komunikasi yang diinginkan [meter];
$$$c \ kira-kira 3 \ cdot 10 ^ 8$ - kecepatan cahaya dalam ruang hampa [m / detik];
$$$F$ - frekuensi [Hz];
$$$P_ {TXdBm}$ - daya pemancar modem [dBm];
$$$G_ {TXdB}$ - gain antena pemancar [dBi];
$$$L_ {TXdB}$ - kehilangan kabel dari modem ke antena pemancar [dB];
$$$G_ {RXdB}$ - gain antena penerima [dBi];
$$$L_ {RXdB}$ - kehilangan kabel dari modem ke antena penerima [dB];
$$$P_ {RXdBm}$ - sensitivitas penerima modem [dBm];
$$$| V | _ {dB}$ - Faktor atenuasi, dengan memperhitungkan kerugian tambahan karena pengaruh permukaan bumi, vegetasi, atmosfer, dan faktor-faktor lain [dB].

Persamaan menunjukkan bahwa rentang ditentukan oleh:

• modem yang digunakan;
• frekuensi saluran radio;
• antena yang berlaku;
• kerugian kabel;
• pengaruh pada perambatan gelombang radio dari permukaan bumi, vegetasi, atmosfer, bangunan, dll.

Selanjutnya, parameter yang mempengaruhi rentang dipertimbangkan secara terpisah.

Modem bekas

Jangkauan komunikasi hanya tergantung pada dua parameter modem: daya pemancar $$$P_ {TXdBm}$ dan sensitivitas penerima $$$P_ {RXdBm}$ , atau lebih tepatnya, dari perbedaan mereka - anggaran energi modem
(2)

$$

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

Untuk meningkatkan jangkauan komunikasi, perlu untuk memilih modem dengan nilai besar $$$B_m$ . Klik untuk memperbesar $$$B_m$ pada gilirannya, itu mungkin dengan meningkatkan $$$P_ {TXdBm}$ atau dengan mengurangi $$$P_ {RXdBm}$ . Preferensi harus diberikan untuk mencari modem dengan sensitivitas tinggi ( $$$P_ {RXdBm}$ serendah mungkin) daripada meningkatkan daya pemancar $$$P_ {TXdBm}$ . Pertanyaan ini dipertimbangkan secara rinci dalam artikel pertama [1] .

Selain bahan [1], harus diingat bahwa beberapa produsen, misalnya Microhard [3] , menunjukkan dalam spesifikasi beberapa perangkat bukan rata-rata, tetapi daya pemancar puncak, yang beberapa kali lebih besar dari rata-rata dan yang tidak dapat digunakan untuk menghitung kisaran, t Ini akan menyebabkan kelebihan yang kuat dari rentang yang dihitung dari nilai sebenarnya. Perangkat tersebut termasuk, misalnya, modul pDDL2450 populer [ 4 , 5 ]. Fakta ini secara langsung mengikuti dari hasil pengujian perangkat ini, dilakukan untuk mendapatkan sertifikat FCC [6] (lihat halaman 58). Hasil pengujian perangkat nirkabel dengan sertifikat FCC dapat dilihat di situs web ID FCC [7] dengan memasukkan ID FCC yang sesuai di bilah pencarian, yang harus berada pada label yang menunjukkan jenis perangkat. Modul pDDL2450 memiliki pengidentifikasi FCC NS916pDDL2450.

Frekuensi radio

Dari persamaan rentang (1) jelas mengikuti bahwa semakin rendah frekuensi operasi $$$F$ , semakin besar jangkauan komunikasi $$$R$ . Tapi, jangan terburu-buru mengambil kesimpulan. Faktanya adalah bahwa parameter lain yang termasuk dalam persamaan juga tergantung pada frekuensi. Misalnya, keuntungan antena $$$G_ {TXdB}$ dan $$$G_ {RXdB}$ akan tergantung pada frekuensi dalam kasus ketika dimensi maksimum antena diperbaiki , yang terjadi dalam praktek. Keuntungan antena $$$G$ dinyatakan dalam satuan tanpa dimensi (kali) dapat dinyatakan dalam hal area fisik antena $$$A$ sebagai berikut [8]
(3)

$$

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

dimana $$$e_a$ - efisiensi bukaan antena, yaitu, rasio area efektif antena dengan fisik (tergantung pada desain antena) [8] .

Segera terlihat dari (3) bahwa untuk area antena tetap, gain bertambah sebanding dengan kuadrat frekuensi. Kami mengganti (3) menjadi (1) , sebelumnya menulis ulang (1) menggunakan unit tanpa dimensi untuk penguatan antena $$$G_ {TX}$ , $$$G_ {RX}$ kehilangan kabel $$$L_ {TX}$ , $$$L_ {RX}$ dan pengali atenuasi $$$| V |$ serta menggunakan watt untuk $$$P_ {TX}$ dan $$$P_ {RX}$ bukannya dBm. Lalu
(4)

$$

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

dimana koefisiennya $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ adalah konstanta untuk dimensi antena tetap. Jadi, dalam situasi ini, jangkauan komunikasi berbanding lurus dengan frekuensi, yaitu, semakin tinggi frekuensinya, semakin besar rentangnya. Kesimpulan Dengan dimensi antena yang tetap, meningkatkan frekuensi saluran radio mengarah ke peningkatan jangkauan komunikasi dengan meningkatkan sifat terarah antena. Namun, harus diingat bahwa dengan meningkatnya frekuensi, pelemahan gelombang radio di atmosfer yang disebabkan oleh gas, hujan, hujan es, salju, kabut dan awan juga meningkat [2] . Selain itu, dengan bertambahnya panjang jalur, atenuasi di atmosfer juga meningkat. Untuk alasan ini, untuk setiap panjang lintasan dan kondisi cuaca rata-rata, ada beberapa nilai maksimum dari frekuensi pembawa, dibatasi oleh tingkat redaman sinyal yang diizinkan di atmosfer. Mari kita tinggalkan solusi terakhir untuk pertanyaan tentang pengaruh frekuensi saluran radio pada rentang komunikasi ke bagian di mana pengaruh permukaan bumi dan atmosfer terhadap perambatan gelombang radio akan dipertimbangkan.

Antena

Rentang komunikasi ditentukan oleh parameter antena seperti penguatan $$$G_ {dB}$ (gain dalam terminologi bahasa Inggris), diukur dalam dBi. Gain adalah parameter komposit yang penting, karena memperhitungkan: (1) kemampuan antena untuk memfokuskan energi pemancar ke arah penerima dibandingkan dengan emitor isotropik (isotropik, maka indeks i dalam dBi); (2) kerugian pada antena itu sendiri [ 8 , 9 ]. Untuk meningkatkan jangkauan komunikasi, seseorang harus memilih antena dengan nilai gain setinggi mungkin dari yang sesuai untuk parameter dimensi massa dan kemampuan sistem panduan. Kemampuan antena untuk memfokuskan energi tidak gratis, tetapi hanya dengan meningkatkan ukuran (bukaan) antena. Misalnya, semakin besar antena penerima, semakin besar area yang akan dapat mengumpulkan energi untuk memasok ke input penerima, dan semakin banyak energi, semakin kuat sinyal yang diterima, mis., Jangkauan komunikasi akan meningkat. Dengan demikian, Anda harus terlebih dahulu menentukan dimensi maksimum antena yang memadai untuk tugas yang dihadapi dan membatasi pencarian untuk parameter ini, dan kemudian mencari model antena tertentu, dengan fokus pada penguatan maksimum. Parameter antena kedua yang penting untuk latihan adalah lebar balok (beamwidth) [ 8 , 10 ], diukur dalam derajat sudut. Sebagai aturan, lebar balok didefinisikan sebagai sudut antara dua arah spasial dari pusat antena di mana penguatan antena berkurang 3 dB dari maksimum untuk antena ini. Lebar balok dalam azimuth dan elevasi bisa sangat berbeda. Parameter ini terkait erat dengan dimensi antena sesuai dengan aturan: lebih banyak dimensi - lebar balok lebih sedikit. Parameter ini tidak secara langsung dimasukkan dalam persamaan rentang, tetapi menentukan persyaratan untuk sistem pengarahan antena stasiun bumi (NS) ke UAV, karena pada NS, antena directional yang kuat biasanya digunakan, setidaknya dalam kasus ketika jangkauan maksimalisasi Komunikasi dengan UAV adalah prioritas. Memang, sementara sistem pelacakan NS memberikan akurasi sudut mengarahkan antena ke UAV sama dengan setengah lebar balok atau kurang, tingkat sinyal yang diterima / dipancarkan tidak akan turun di bawah 3 dB dari maksimum. Dalam keadaan apa pun seharusnya setengah lebar balok antena yang dipilih kurang dari kesalahan sudut sistem pengarah antena NS dalam azimuth atau elevasi.

Kabel

Untuk memaksimalkan jangkauan komunikasi, perlu menggunakan kabel dengan atenuasi serendah mungkin (atenuasi kabel atau kehilangan kabel) pada frekuensi pengoperasian tautan radio NS - UAV. Redaman linear dalam kabel didefinisikan sebagai rasio sinyal pada output dari panjang kabel 1 m (dalam sistem metrik) dengan sinyal pada input panjang kabel, dinyatakan dalam dB. Kerugian kabel $$$L_ {dB}$ termasuk dalam persamaan rentang (1) ditentukan dengan mengalikan redaman linear dengan panjang kabel. Jadi, untuk memperoleh jangkauan komunikasi semaksimal mungkin, perlu menggunakan kabel dengan atenuasi linear serendah mungkin dan meminimalkan panjang kabel ini. Pada blok modem NS harus dipasang langsung pada tiang di sebelah antena. Dalam kasus UAV, modem harus ditempatkan sedekat mungkin dengan antena. Secara terpisah, ada baiknya memeriksa impedansi kabel yang dipilih. Parameter ini diukur dalam ohm dan biasanya 50 atau 75 ohm. Impedansi kabel, konektor antena modem dan konektor pada antena itu sendiri harus sama.

Efek permukaan bumi

Pada bagian ini, kami mempertimbangkan penyebaran gelombang radio di atas permukaan yang datar atau laut. Situasi ini sering ditemukan dalam praktik menggunakan UAV. Pemantauan dari UAV saluran pipa, saluran listrik, tanaman pertanian, banyak operasi militer dan khusus - semua ini dijelaskan dengan baik oleh model ini. Pengalaman manusia melukiskan kita dengan gambar di mana koneksi antara objek dimungkinkan jika mereka berada dalam bidang pandang optik langsung satu sama lain, jika tidak komunikasi tidak mungkin. Namun, gelombang radio tidak termasuk dalam rentang optik, oleh karena itu, situasinya agak berbeda. Dalam hal ini, berguna bagi pengembang dan operator UAV untuk mengingat dua fakta berikut.

1. Komunikasi dalam jangkauan radio dimungkinkan karena tidak adanya garis pandang antara NS dan UAV.
2. Pengaruh permukaan yang mendasarinya pada koneksi dengan UAV akan terasa bahkan ketika tidak ada objek pada garis optik NS-UAV.

Untuk memahami secara spesifik perambatan gelombang radio di dekat permukaan bumi, akan berguna untuk membiasakan diri Anda dengan konsep daerah propagasi gelombang radio yang signifikan [2] . Dengan tidak adanya objek di zona substansial propagasi gelombang radio dan tidak adanya pantulan dari permukaan bumi, perhitungan rentang dapat dilakukan sesuai dengan rumus untuk ruang bebas, yaitu. $$$| V | _ {dB}$ dalam (1) dapat diambil sama dengan 0. Jika, bagaimanapun, ada benda-benda di zona esensial, atau ada refleksi signifikan dari permukaan bumi, maka ini tidak dapat dilakukan. Dalam gbr. 1, titik A menggambarkan pemancar titik yang terletak di ketinggian $$$h_1$ di atas permukaan Bumi, yang memancarkan energi elektromagnetik ke segala arah dengan intensitas yang sama. Di titik B di ketinggian $$$h_2$ ada penerima untuk mengukur intensitas medan. Dalam model ini, wilayah signifikan dari perambatan gelombang radio adalah ellipsoid dengan fokus pada titik A dan B.


Fig. 1. Daerah propagasi gelombang radio yang signifikan

Jari-jari ellipsoid di bagian "paling tebal" ditentukan oleh ekspresi [2]
(5)

$$

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

Dari (5) dapat dilihat bahwa $$$r$ tergantung pada frekuensi $$$F$ berbanding terbalik lebih kecil $$$F$ , "lebih tebal" ellipsoid ( $$$F_1 <F_2$ dalam ara. 1). Selain itu, "ketebalan" ellipsoid meningkat dengan meningkatnya jarak antara objek komunikasi. Untuk gelombang radio $$$r$ bisa sangat mengesankan, begitu juga dengan $$$R =$ 10 km $$$F =$ 2,45 GHz kita dapatkan $$$r =$ 50 ÷ 60 m.

Mari kita sekarang mempertimbangkan objek buram yang digambarkan oleh segitiga abu-abu pada Gambar. 1. Ini akan mempengaruhi perambatan gelombang radio dengan frekuensi $$$F_1$ , karena terletak di zona rambat yang signifikan, dan praktis tidak akan berpengaruh pada rambatan gelombang radio dengan frekuensi $$$F_2$ . Untuk gelombang radio dari rentang optik (cahaya), nilainya $$$r$ kecil, oleh karena itu, efek permukaan bumi pada perambatan cahaya dalam praktiknya tidak terasa. Mengingat bahwa permukaan Bumi adalah sebuah bola, mudah dipahami bahwa seiring meningkatnya jarak $$$R$ , permukaan yang mendasarinya akan semakin bergerak ke zona propagasi yang signifikan, sehingga menghalangi aliran energi dari titik A ke titik B - akhir cerita, komunikasi dengan UAV terputus. Dengan cara yang sama mereka akan mempengaruhi komunikasi dan objek lain pada rute, seperti benjolan medan, bangunan, hutan, dll. Lambung UAV dan elemen struktural yang jatuh ke zona yang signifikan juga akan mempengaruhi jangkauan komunikasi.

Sekarang mari kita pertimbangkan beras. 2 di mana objek buram sepenuhnya mencakup zona propagasi substansial dari gelombang radio dengan frekuensi $$$F_2$ membuat komunikasi tidak mungkin pada frekuensi ini. Pada saat yang sama, komunikasi frekuensi $$$F_1$ masih mungkin karena bagian dari energi "melompati" objek yang buram. Semakin rendah frekuensinya, semakin jauh melampaui cakrawala optik yang dapat disebarkan oleh gelombang radio, menjaga koneksi yang stabil dengan UAV.


Fig. 2. Tumpang tindih area propagasi gelombang radio yang signifikan

Tingkat pengaruh permukaan bumi pada komunikasi juga tergantung pada ketinggian antena $$$h_1$ dan $$$h_2$ . Semakin besar tinggi antena, semakin besar jarak titik A dan B dapat dipindahkan terpisah, mencegah benda atau permukaan yang mendasarinya memasuki area yang signifikan.

Ketika permukaan yang mendasarinya mendekati zona esensial, kekuatan medan pada titik B akan terombang-ambing [2] , yaitu, ia akan menjadi lebih besar atau lebih kecil dari kekuatan medan di ruang bebas. Ini karena pantulan energi dari yang mendasarinya. Energi yang dipantulkan dapat bertambah pada titik B dengan energi utama dalam fase - maka kenaikan terjadi pada kekuatan medan, atau dalam antiphase - maka terjadi penurunan (dan cukup dalam) pada kekuatan medan. Penting untuk mengingat efek ini untuk memahami spesifikasi komunikasi dengan UAV. Hilangnya komunikasi dengan UAV pada rentang tertentu dapat disebabkan oleh penurunan lokal dalam kekuatan medan karena osilasi, yaitu, jika Anda terbang agak jauh, koneksi dapat dipulihkan. Kehilangan komunikasi terakhir akan terjadi hanya setelah penutupan lengkap zona penting oleh benda-benda atau permukaan yang mendasarinya. Selanjutnya, metode akan diusulkan untuk menghadapi konsekuensi dari osilasi kekuatan medan.

Rumus untuk menghitung faktor atenuasi $$$| V | _ {dB}$ ketika merambatkan gelombang radio di atas permukaan bumi yang halus cukup rumit, terutama untuk jarak $$$R$ melebihi rentang cakrawala optik [2] . Oleh karena itu, dalam pertimbangan lebih lanjut dari masalah ini, kami akan menggunakan pemodelan matematika menggunakan seperangkat program komputer dari penulis. Pertimbangkan tugas khas mentransmisikan video dari UAV ke NS menggunakan modem 3D Link [11] dari Geoscan. Data awal adalah sebagai berikut.

1. Tinggi suspensi antena HC: 5 m.
2. Ketinggian penerbangan UAV: ​​1000 m.
3. Frekuensi radio: 2,45 GHz.
4. Penguatan antena NS: 17 dB.
5. Penguatan antena UAV: ​​3 dB.
6. Daya pemancar: +25 dBm (300 mW).
7. Kecepatan dalam saluran video: 4 Mbps.
8. Sensitivitas penerima di saluran video: −100,4 dBm (untuk pita frekuensi yang ditempati oleh sinyal 12 MHz).
9. Permukaan yang mendasarinya: tanah kering.
10. Polarisasi: vertikal.

Jarak pandang untuk input ini adalah 139,6 km. Hasil perhitungan dalam bentuk daya sinyal pada input dari penerima modem di dBm disajikan pada Gambar. 3.


Fig. 3. Kekuatan sinyal pada input dari penerima modem 3D Link [11]

Kurva biru dalam gambar. 3 adalah kekuatan sinyal pada input penerima NS, dengan mempertimbangkan pengaruh permukaan bumi, kurva hijau adalah kekuatan sinyal pada input penerima NS ketika berkomunikasi di ruang bebas, dan garis lurus merah menunjukkan sensitivitas penerima ini. Jarak dalam km diplot sepanjang sumbu X, dan kekuatan dalam dBm diplot sepanjang sumbu Y. Pada titik-titik rentang di mana kurva biru terletak di atas merah, penerimaan video langsung dari UAV dimungkinkan, jika tidak maka tidak akan ada komunikasi. Dapat dilihat dari grafik bahwa akibat osilasi, kehilangan komunikasi akan terjadi pada kisaran 37,1-37,8 km dan selanjutnya dalam kisaran 60,8-65,1 km. Dalam hal ini, pemutusan terakhir koneksi akan datang lebih jauh - setelah penerbangan 120,6 km. Lompatan pada kurva biru yang terlihat pada titik 126,3 km disebabkan oleh kenyataan bahwa, hingga kisaran ini (yaitu, di wilayah visibilitas radio), perhitungan dilakukan menurut rumus interferensi, dan setelah rentang ini (yaitu, di wilayah bayangan radio), menurut rumus difraksi Fock [ 2] .

Seperti yang telah disebutkan di atas, kemiringan dalam kekuatan medan timbul karena penambahan sinyal langsung dan pantulan dari permukaan bumi dalam antifase di lokasi antena NS. Dari perbandingan tingkat daya di saluran overhead dengan tingkat daya di ruang bebas, dapat disimpulkan bahwa penambahan sinar langsung dan pantulan dari permukaan bumi secara bertahap dapat meningkatkan anggaran saluran di atas permukaan tanah menjadi 6 dB relatif terhadap saluran di ruang bebas, atau menghancurkan saluran saluran di atas permukaan tanah sepenuhnya jika sinar ditambahkan hingga keluar dari fase. Anda dapat menyingkirkan hilangnya komunikasi di NS karena penambahan balok dalam antiphase dengan memenuhi 2 kondisi.

1. Gunakan pada NS sebuah modem dengan setidaknya dua saluran penerimaan (keragaman RX), misalnya 3D Link [11] .
2. Posisikan antena penerima pada tiang pada ketinggian yang berbeda .

Jarak dari ketinggian antena penerima harus dibuat sehingga penurunan dalam kekuatan medan di lokasi satu antena dikompensasi oleh tingkat yang lebih tinggi daripada sensitivitas penerima di lokasi antena lain. Dalam gbr. Gambar 4 menunjukkan hasil dari pendekatan ini untuk kasus lokasi satu antena HC pada ketinggian 5 m (kurva solid biru), dan yang lainnya pada ketinggian 4 m (kurva putus-putus biru).


Fig. 4. Daya sinyal pada input dari dua penerima modem 3D Link dari antena yang terletak di ketinggian yang berbeda

. 4 keberhasilan metode ini terlihat jelas. Memang, pada seluruh jarak penerbangan UAV, hingga kisaran 120,6 km, sinyal pada input setidaknya satu penerima NS melebihi tingkat sensitivitas, mis., Video dari board tidak akan terganggu pada seluruh jarak penerbangan.

Metode yang diusulkan, bagaimanapun, membantu meningkatkan keandalan tautan radio UAV → NS secara eksklusif, karena kemampuan untuk memasang antena pada ketinggian yang berbeda hanya tersedia di NS. Untuk memastikan jarak antena yang sama dengan ketinggian 1 m pada UAV tidak dimungkinkan. Untuk meningkatkan keandalan tautan radio NS → UAV, pendekatan berikut ini menggunakan beberapa antena pemancar (keanekaragaman TX) dapat digunakan.

1. Untuk menerapkan sinyal pemancar NS ke antena yang menerima sinyal yang lebih kuat dari UAV.
2. Gunakan kode spatio-temporal, misalnya, kode Alamouti [12] .
3. Gunakan teknologi kontrol untuk antena beam (beamforming) dengan kemampuan untuk mengontrol kekuatan sinyal yang dikirim ke masing-masing antena.

Metode pertama mendekati optimal dalam masalah komunikasi dengan UAV. Sederhana dan di dalamnya semua energi pemancar bergerak ke arah yang benar - ke antena yang diposisikan secara optimal. Misalnya, pada jarak 54,5 km (lihat Gambar 4), sinyal pemancar diumpankan ke antena yang digantung pada 5 meter, dan pada jarak 63 km ke antena yang digantung di 4 meter. Metode ini digunakan dalam modem 3D Link [11]. Metode kedua tidak menggunakan data apriori pada keadaan saluran komunikasi UAV → NS (level sinyal yang diterima pada output antena), oleh karena itu, ia membagi energi pemancar secara merata antara dua antena, yang pasti menyebabkan hilangnya energi, karena salah satu antena mungkin gagal. kekuatan medan. Metode ketiga untuk kualitas komunikasi setara dengan yang pertama, tetapi jauh lebih sulit untuk diterapkan.

Metode RX diversity dan TX diversity juga membantu menyelesaikan masalah lain yang tidak menyenangkan selama komunikasi radio dengan UAV, yaitu, antena peneduh dengan elemen desain lambung atau UAV selama manuver. Memang, karena ketika manuver objek-objek ini dapat berada dalam zona propagasi gelombang radio yang signifikan, pengaruhnya terhadap komunikasi akan signifikan karena area penampang kecil ellipsoid zona substansial dekat antena UAV, mis., Objek-objek ini dapat sepenuhnya tumpang tindih dengan zona signifikan. Untuk mengatasi masalah ini, di saluran komunikasi NS → UAV dan UAV → NS, Anda perlu menggunakan modem pada UAV yang mendukung keragaman RX dan keanekaragaman TX, misalnya 3D Link [11] . Antena pada UAV harus diposisikan sehingga selama manuver UAV untuk setidaknya satu dari antena UAV pada jalur antena NS - UAV, tidak ada elemen struktural dari UAV.

Selanjutnya, kami mempertimbangkan pertanyaan tentang pengaruh frekuensi gelombang radio pada jangkauan komunikasi dengan UAV, dengan mempertimbangkan pengaruh permukaan yang mendasarinya. Ditunjukkan di atas bahwa meningkatkan frekuensi menguntungkan, karena dengan dimensi antena yang tetap ini mengarah pada peningkatan jangkauan komunikasi. Namun, masalah ketergantungan$$| V | d B frekuensi tidak dipertimbangkan. Dari(3)dapat disimpulkan bahwa rasio penguatan antena, sama dengan luas dan dirancang untuk beroperasi pada frekuensi$|V|_{dB}$$$F 1 dan$F_1$$$F 2 sama dengan$F_2$
(6)

$$

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

Untuk $$F 1 = 2450 MHz;$F_1=$$$F 2 = 915 MHz kita dapatkan$F_2=$$$G 1 / G 2 ≈ 7.2 (8.5 dB). Inilah yang terjadi dalam praktik. Bandingkan, misalnya, parameter antena berikut dari pabrikan Wireless Instruments:$G1/G2\approx$

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

Lebih mudah untuk membandingkan antena ini, karena mereka dibuat dalam kasus yang identik 27x27 cm, yaitu, mereka memiliki area yang sama. Perhatikan bahwa penguatan antena berbeda 15-8 = 7 dB, yang dekat dengan nilai yang dihitung dari 8,5 dB. Dapat juga dilihat dari karakteristik antena bahwa lebar berkas antena untuk kisaran 2,3-2,5 GHz (30 ° / 30 °) lebih dari dua kali lebih sempit daripada lebar antena untuk kisaran 0,83-0,96 GHz (70 ° / 70 °), yaitu. Penguatan antena dengan dimensi yang sama benar-benar tumbuh karena peningkatan sifat terarah. Mengingat bahwa 2 antena digunakan di jalur komunikasi, rasionya$$( G 1 T X G 1 R X ) / ( G 2 T X G 2 R X ) adalah 2 ∙ 8.5 = 17 dB. Dengan demikian, dengan dimensi antena yang sama, anggaran energi tautan radio dengan frekuensi$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$F 1 = 2450 MHz akan menjadi 17 dB lebih dari garis anggaran dengan frekuensi$F_1=$$$F 2 = 915 MHz. Dalam perhitungan, kami juga akan mempertimbangkan fakta bahwa, sebagai suatu peraturan, antena pin digunakan pada UAV yang dimensinya tidak sepenting antena antena NS yang dipertimbangkan. Oleh karena itu, kami memanfaatkan antena UAV untuk frekuensi$F_2=$$$F 1 dan$F_1$$$F 2 sama dengan.$F_2$ Yaituperbedaan dalam anggaran energi garis akan menjadi 8,5 dB, daripada 17 dB. Hasil perhitungan yang dilakukan untuk data awal ini dan ketinggian suspensi antena HC 5 m ditunjukkan pada Gambar. 5.


Fig. 5. Daya sinyal pada input penerima untuk tautan radio yang beroperasi pada frekuensi 915 dan 2450 MHz

Dari ara. Gambar 5 dengan jelas menunjukkan bahwa jangkauan komunikasi dengan peningkatan frekuensi operasi dan area antena NS yang sama meningkat dari 106,7 km untuk saluran radio dengan frekuensi 915 MHz hingga 120,6 km untuk saluran dengan frekuensi 2450 MHz. Namun, saluran 915 MHz memiliki frekuensi osilasi yang lebih rendah. Osilasi yang lebih sedikit - lebih sedikit kekuatan medan yang menurun, mis. Lebih kecil kemungkinannya untuk mengganggu komunikasi dengan UAV pada seluruh jarak penerbangan. Mungkin inilah fakta yang membuat jangkauan gelombang radio sub-GHz populer untuk jalur komunikasi perintah dan telemetri dengan UAV sebagai yang paling andal. Pada saat yang sama, ketika melakukan serangkaian tindakan yang dijelaskan di atas untuk melindungi terhadap osilasi dari kekuatan medan, saluran radio gigahertz menyediakan jangkauan komunikasi yang lebih panjang dengan meningkatkan sifat terarah antena.

Dari pertimbangan ara. 5, kita juga dapat menyimpulkan bahwa di zona bayangan (setelah sekitar 125 km) menurunkan frekuensi kerja jalur komunikasi masuk akal. Memang, pada titik sekitar −127.8 dBm, kurva daya untuk frekuensi$$F 1 dan$F_1$$$$F_2$ berpotongan. Yaitu saat menggunakan penerima dengan sensitivitas lebih baik dari −128 dBm, saluran radio pada 915 MHz akan memberikan jangkauan komunikasi yang lebih panjang. Namun, dalam hal ini, perlu untuk memperhitungkan bandwidth tautan yang diperlukan, seperti untuk nilai sensitivitas yang tinggi, kecepatan informasi akan sangat rendah. Misalnya, sensitivitas terbaik dari modem 3D Link [11] adalah −122 dBm. Untuk memastikan dengan itu rentang komunikasi 150 km, peningkatan daya pemancar dengan amplifier eksternal sebesar 128-122 = 6 dB (mis., Hingga 31 dBm) akan diperlukan. Ada versi 3D Link dengan pemancar dengan kekuatan seperti itu, tetapi laju transfer informasi agregat (di kedua sisi) hanya 23 kbit / detik, yang, pada prinsipnya, cukup untuk komunikasi KTRL dengan UAV, tetapi jelas tidak cukup untuk transmisi video dari papan. Dengan demikian, kisaran sub-gigahertz, memang, memiliki sedikit keunggulan dibandingkan kisaran gigahertz untuk KTRL, tetapi jelas kehilangan karakteristik saat mengatur jalur video.

Saat memilih frekuensi saluran radio, seseorang juga harus memperhitungkan pelemahan sinyal selama propagasi di atmosfer Bumi. Untuk jalur komunikasi NS - UAV, atenuasi di atmosfer disebabkan oleh gas, hujan, hujan es, salju, kabut, dan awan [2] . Untuk frekuensi operasi tautan radio kurang dari 6 GHz, redaman dalam gas dapat diabaikan [2] . Redaman paling parah diamati pada hujan, terutama intensitas tinggi (curah hujan). Tabel 1 menunjukkan data [2] pada redaman spesifik [dB / km] pada hujan dengan intensitas yang berbeda untuk frekuensi 3-6 GHz.

Tabel 1. Redaman linear gelombang radio [dB / km] pada hujan dengan intensitas berbeda tergantung pada frekuensinya

Dari meja. 1 itu mengikuti bahwa, misalnya, pada frekuensi 3 GHz redaman di kamar mandi akan sekitar 0,0087 dB / km, yang pada jalur 100 km akan memberikan 0,87 dB dari total redaman. Dengan meningkatnya frekuensi operasi tautan radio, pelemahan dalam hujan meningkat tajam. Untuk frekuensi 4 GHz, redaman di pancuran di sepanjang jalur yang sama akan menjadi 9,1 dB, dan pada frekuensi 5 dan 6 GHz - 28 dan 57 dB, masing-masing. Namun dalam kasus ini, diasumsikan bahwa hujan dengan intensitas tertentu terjadi di sepanjang rute, yang jarang terjadi dalam praktiknya. Namun, ketika menggunakan UAV di daerah-daerah di mana hujan intensitas tinggi sering terjadi, disarankan untuk memilih frekuensi pengoperasian tautan radio di bawah 3 GHz.

Sastra

1. Smorodinov A.A. Bagaimana memilih modem broadband untuk kendaraan udara tak berawak (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Perambatan gelombang radio dan operasi tautan radio. Komunikasi Moskow 1971.
3. Microhard.
4. Spesifikasi Pico Digital Data Link pDDL2450.
5. Spesifikasi OEM Picoradio.
6. Laporan Uji Teknik. Pico 2.4GHz 1W Modul Tautan Data Digital.
7. ID FCC.
8. CA Balanis. Teori antena. Analisis dan desain. Edisi keempat. John Wiley & Sons. 2016
9. Keuntungan antena. Artikel Wikipedia.
10. Beamwidth. Artikel Wikipedia.
11. Tautan digital modem dupleks radio 3D.
12. SM Alamouti. "Teknik keragaman transmisi sederhana untuk komunikasi nirkabel." Jurnal IEEE pada Bidang-Bidang Terpilih dalam Komunikasi. 16 (8): 1451–1458.
13. Antena Klien PTP WiBOX PA 0809-8V.
14. Antena Klien PTP WiBOX PA 24-15.