Como aumentar o alcance da comunicação com um veículo aéreo não tripulado (UAV)

A tarefa de aumentar o alcance da comunicação com um veículo aéreo não tripulado (UAV) não perde relevância. Este artigo descreve métodos para melhorar essa configuração. O artigo foi escrito para desenvolvedores e operadores de UAV e é uma continuação de uma série de artigos sobre o relacionamento com UAVs (consulte o início do ciclo em [1]) .

O que afeta o alcance da comunicação

O alcance da comunicação depende do modem usado, das antenas, dos cabos da antena, das condições de propagação das ondas de rádio, da interferência externa e de outros motivos. Para determinar o grau de influência de um parâmetro na faixa de comunicação, considere a equação da faixa [2]
(1)

$$

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

onde
$$$R$ - alcance de comunicação desejado [metros];
$$$c \ aproximadamente 3 \ cdot 10 ^ 8$ - velocidade da luz no vácuo [m / seg];
$$$F$ - frequência [Hz];
$$$P_ {TXdBm}$ - potência do transmissor do modem [dBm];
$$$G_ {TXdB}$ - ganho da antena do transmissor [dBi];
$$$L_ {TXdB}$ - perdas no cabo do modem para a antena do transmissor [dB];
$$$G_ {RXdB}$ - ganho da antena do receptor [dBi];
$$$L_ {RXdB}$ - perdas no cabo do modem para a antena do receptor [dB];
$$$P_ {RXdBm}$ - sensibilidade do receptor do modem [dBm];
$$$| V | _ {dB}$ - fator de atenuação, levando em consideração perdas adicionais devido à influência da superfície da Terra, vegetação, atmosfera e outros fatores [dB].

A equação mostra que o intervalo é determinado por:

• modem usado;
• frequência do canal de rádio;
• antenas aplicáveis;
• perdas de cabos;
• influência na propagação de ondas de rádio da superfície da Terra, vegetação, atmosfera, edifícios, etc.

Além disso, os parâmetros que afetam a faixa são considerados separadamente.

Modem usado

O alcance da comunicação depende apenas de dois parâmetros do modem: potência do transmissor $$$P_ {TXdBm}$ e sensibilidade do receptor $$$P_ {RXdBm}$ , ou melhor, pela diferença - o orçamento de energia do modem
2)

$$

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

Para aumentar o alcance da comunicação, é necessário escolher um modem de alto valor $$$B_m$ . Clique para ampliar $$$B_m$ por sua vez, é possível aumentando $$$P_ {TXdBm}$ ou reduzindo $$$P_ {RXdBm}$ . Deve-se dar preferência à busca de modems com alta sensibilidade ( $$$P_ {RXdBm}$ o mais baixo possível) em vez de aumentar a potência do transmissor $$$P_ {TXdBm}$ . Esta questão é considerada em detalhes no primeiro artigo [1] .

Além dos materiais [1], deve-se ter em mente que alguns fabricantes, por exemplo, Microhard [3] , indicam nas especificações de alguns dispositivos não a média, mas a potência do transmissor de pico, que é várias vezes maior que a média e que não pode ser usada para calcular o alcance, t Isso levará a um forte excesso do intervalo calculado do valor verdadeiro. Tais dispositivos incluem, por exemplo, o popular módulo pDDL2450 [ 4 , 5 ]. Esse fato decorre diretamente dos resultados dos testes deste dispositivo, realizados para obter o certificado FCC [6] (na página 58). Os resultados do teste de dispositivos sem fio com certificados da FCC podem ser visualizados no site da ID da FCC [7] , digitando a ID da FCC apropriada na barra de pesquisa, que deve estar no rótulo indicando o tipo de dispositivo. O módulo pDDL2450 possui o identificador da FCC NS916pDDL2450.

Radiofrequência

A partir da equação da faixa (1), segue -se claramente que quanto menor a freqüência de operação $$$F$ , maior o alcance da comunicação $$$R$ . Mas, não vamos nos apressar nas conclusões. O fato é que outros parâmetros incluídos na equação também dependem da frequência. Por exemplo, ganhos de antena $$$G_ {TXdB}$ e $$$G_ {RXdB}$ dependerá da frequência no caso em que as dimensões máximas das antenas forem fixadas , o que acontece na prática. Ganho da antena $$$G$ expresso em unidades sem dimensão (tempos) pode ser expresso em termos da área física da antena $$$A$ como se segue [8]
(3)

$$

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

onde $$$e_a$ - a eficiência da abertura da antena, ou seja, a razão entre a área efetiva da antena e a física (depende do design da antena) [8] .

É imediatamente visto em (3) que, para uma área de antena fixa, o ganho aumenta na proporção do quadrado da frequência. Substituímos (3) por (1) , reescrevendo anteriormente (1) usando unidades adimensionais para o ganho da antena $$$G_ {TX}$ , $$$G_ {RX}$ perda de cabo $$$L_ {TX}$ , $$$L_ {RX}$ multiplicador de atenuação $$$| V |$ bem como o uso de watts para $$$P_ {TX}$ e $$$P_ {RX}$ em vez de dBm. Então
4)

$$

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

onde está o coeficiente $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ é uma constante para as dimensões fixas da antena. Assim, nesta situação, o alcance da comunicação é diretamente proporcional à frequência, ou seja, quanto maior a frequência, maior o alcance. Conclusão Com dimensões fixas das antenas, aumentar a frequência da linha de rádio leva a um aumento no alcance da comunicação, melhorando as propriedades direcionais das antenas. No entanto, deve-se ter em mente que, com frequência crescente, a atenuação das ondas de rádio na atmosfera causada por gases, chuva, granizo, neve, neblina e nuvens também aumenta [2] . Além disso, com o aumento do comprimento do caminho, a atenuação na atmosfera também aumenta. Por esse motivo, para cada comprimento de caminho e condições climáticas médias, existe algum valor máximo da frequência da portadora, limitado pelo nível permitido de atenuação do sinal na atmosfera. Deixemos a solução final para a questão da influência da frequência do canal de rádio no alcance da comunicação, na seção em que serão consideradas a influência da superfície da Terra e da atmosfera na propagação de ondas de rádio.

Antenas

O alcance da comunicação é determinado por um parâmetro de antena como o ganho $$$G_ {dB}$ (ganho na terminologia em inglês), medido em dBi. O ganho é um parâmetro composto importante, pois leva em consideração: (1) a capacidade da antena de focalizar a energia do transmissor na direção do receptor em comparação com um emissor isotrópico (isotrópico, daí o índice i em dBi); (2) perdas na própria antena [ 8 , 9 ]. Para aumentar o alcance da comunicação, deve-se escolher antenas com o maior valor de ganho possível daqueles que são adequados para os parâmetros dimensionais da massa e para as capacidades do sistema de orientação. A capacidade da antena de focar energia não é livre, mas apenas aumentando o tamanho (abertura) da antena. Por exemplo, quanto maior a antena receptora, maior a área em que será capaz de coletar energia para fornecer à entrada do receptor e quanto mais energia, mais forte será o sinal recebido, ou seja, o alcance da comunicação aumentará. Portanto, você deve primeiro determinar as dimensões máximas das antenas adequadas à tarefa em questão e limitar a área de pesquisa a esse parâmetro e, em seguida, procurar um modelo de antena específico, com foco no ganho máximo. O segundo parâmetro da antena que é importante para a prática é a largura do feixe (largura do feixe) [ 8 , 10 ], medida em graus angulares. Como regra, a largura do feixe é definida como o ângulo entre duas direções espaciais do centro da antena, no qual o ganho da antena diminui em 3 dB do máximo para essa antena. A largura do feixe em azimute e elevação pode ser muito diferente. Este parâmetro está intimamente relacionado às dimensões da antena de acordo com a regra: mais dimensões - menor largura do feixe. Esse parâmetro não é incluído diretamente na equação de faixa, mas determina os requisitos para o sistema de apontar a antena de uma estação terrestre (NS) para os UAVs, pois no NS, antenas fortemente direcionais geralmente são usadas, pelo menos nos casos em que a maximização da faixa A comunicação com UAVs é uma prioridade. De fato, enquanto o sistema de rastreamento NS fornece uma precisão angular de apontar a antena para o UAV igual a metade da largura do feixe ou menos, o nível do sinal recebido / emitido não cairá abaixo de 3 dB do máximo. Sob nenhuma circunstância a metade da largura do feixe da antena selecionada deve ser menor que o erro angular do sistema apontador da antena NS em azimute ou elevação.

Cabos

Para maximizar o alcance da comunicação, é necessário usar cabos com a menor atenuação possível (atenuação ou perda de cabos) na frequência operacional do link de rádio NS - UAV. A atenuação linear no cabo é definida como a razão do sinal na saída do comprimento do cabo de 1 m (no sistema métrico) para o sinal na entrada do comprimento do cabo, expresso em dB. Perdas de cabo $$$L_ {dB}$ incluídos na equação da faixa (1) são determinados multiplicando a atenuação linear pelo comprimento do cabo. Assim, para obter o alcance máximo de comunicação possível, é necessário usar cabos com a menor atenuação linear possível e minimizar o comprimento desses cabos. No NS, os blocos de modem devem ser instalados diretamente no mastro próximo às antenas. No caso do UAV, o modem deve estar localizado o mais próximo possível das antenas. Separadamente, vale a pena verificar a impedância do cabo selecionado. Este parâmetro é medido em ohms e geralmente é de 50 ou 75 ohms. A impedância do cabo, do conector da antena do modem e do conector da própria antena deve ser igual.

Efeito de superfície da Terra

Nesta seção, consideramos a propagação de ondas de rádio sobre uma superfície plana ou marítima. Essa situação é frequentemente encontrada na prática do uso de UAVs. Monitoramento de UAVs de dutos, linhas de energia, culturas agrícolas, muitas operações militares e especiais - tudo isso é bem descrito por este modelo. A experiência humana nos mostra uma imagem na qual uma conexão entre objetos é possível se eles estiverem no campo de visão óptico direto um do outro, caso contrário, a comunicação é impossível. No entanto, as ondas de rádio não pertencem ao alcance óptico; portanto, a situação com elas é um pouco diferente. Nesse sentido, é útil que o desenvolvedor e o operador do UAV se lembrem dos dois fatos a seguir.

1. A comunicação no alcance do rádio é possível na ausência de linha de visão entre o NS e o UAV.
2. A influência da superfície subjacente na conexão com o UAV será sentida mesmo quando não houver objetos na linha óptica do NS - UAV.

Para entender as especificidades da propagação de ondas de rádio perto da superfície da Terra, é útil familiarizar-se com o conceito de uma região significativa de propagação de ondas de rádio [2] . Na ausência de quaisquer objetos na zona substancial de propagação de ondas de rádio e na ausência de reflexos da superfície da Terra, o cálculo do alcance pode ser realizado de acordo com as fórmulas de espaço livre, ou seja, $$$| V | _ {dB}$ em (1) pode ser considerado igual a 0. Se, no entanto, houver objetos na zona essencial ou houver reflexos significativos da superfície da Terra, isso não poderá ser feito. Na fig. 1, o ponto A representa um emissor de ponto localizado a uma altura $$$h_1$ acima da superfície da Terra, que emite energia eletromagnética em todas as direções com a mesma intensidade. No ponto B em altitude $$$h_2$ existe um receptor para medir a intensidade do campo. Nesse modelo, uma região significativa da propagação de ondas de rádio é um elipsóide com foco nos pontos A e B.


Fig. 1. Área significativa de propagação de ondas de rádio

O raio do elipsóide em sua parte "mais grossa" é determinado pela expressão [2]
(5)

$$

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

De (5) pode ser visto que $$$r$ dependente da frequência $$$F$ inversamente, o menor $$$F$ , quanto mais grosso o elipsóide ( $$$F_1 <F_2$ na fig. 1) Além disso, a "espessura" do elipsóide aumenta com o aumento da distância entre os objetos de comunicação. Para ondas de rádio $$$r$ pode ser bastante impressionante, então com $$$R =$ 10 km $$$F =$ 2,45 GHz temos $$$r =$ 50 ~ 60 m.

Vamos agora considerar um objeto opaco representado por um triângulo cinza na Fig. 1. Irá influenciar a propagação de ondas de rádio com freqüência $$$F_1$ , porque está localizado em uma zona de propagação significativa e praticamente não terá efeito na propagação de ondas de rádio com uma frequência $$$F_2$ . Para ondas de rádio da faixa óptica (luz), o valor $$$r$ pequeno, portanto, o efeito da superfície da Terra na propagação da luz na prática não é sentido. Dado que a superfície da Terra é uma bola, é fácil entender que, à medida que a distância aumenta $$$R$ , a superfície subjacente se moverá cada vez mais para uma zona de propagação significativa, bloqueando assim o fluxo de energia do ponto A ao ponto B - no final da história, a comunicação com o UAV é interrompida. De maneira semelhante, eles afetarão a comunicação e outros objetos na rota, como solavancos, prédios, florestas, etc. O casco do UAV e os elementos estruturais que caem em uma zona significativa também afetam o alcance da comunicação.

Vamos agora considerar o arroz. 2, em que um objeto opaco cobre completamente uma zona de propagação substancial de uma onda de rádio com uma frequência $$$F_2$ impossibilitando a comunicação nessa frequência. Ao mesmo tempo, comunicação por frequência $$$F_1$ ainda é possível porque parte da energia "salta" sobre um objeto opaco. Quanto menor a frequência, mais além do horizonte óptico uma onda de rádio pode se propagar, mantendo uma conexão estável com o UAV.


Fig. 2. Sobreposição de uma área significativa de propagação de ondas de rádio

O grau de influência da superfície da Terra na comunicação também depende da altura da antena $$$h_1$ e $$$h_2$ . Quanto maior a altura das antenas, maior a distância dos pontos A e B, que podem ser afastados, impedindo que objetos ou superfície subjacente entrem em uma área significativa.

À medida que a superfície subjacente se aproxima de uma zona essencial, a intensidade do campo no ponto B irá oscilar [2] , ou seja, será maior ou menor que a intensidade do campo no espaço livre. Isto é devido ao reflexo da energia do subjacente. A energia refletida pode somar no ponto B a energia principal na fase - então ocorre um aumento na força do campo, ou na fase antifásica -, em seguida, ocorre uma diminuição (e bastante profunda) na força do campo. É importante lembrar desse efeito para entender as especificidades da comunicação com os VANTs. A perda de comunicação com o UAV em um determinado intervalo pode ser causada por uma diminuição local na intensidade do campo devido a oscilações, ou seja, se você voar mais longe, a conexão poderá ser restaurada. A perda final da comunicação ocorrerá somente após o fechamento completo da zona essencial por objetos ou pela superfície subjacente. A seguir, serão propostos métodos para lidar com as conseqüências das oscilações da força do campo.

Fórmulas para calcular o fator de atenuação $$$| V | _ {dB}$ ao propagar ondas de rádio sobre uma superfície lisa da Terra são bastante complexas, especialmente para distâncias $$$R$ excedendo o alcance do horizonte óptico [2] . Portanto, em uma análise mais aprofundada do problema, recorreremos à modelagem matemática usando um conjunto de programas de computador do autor. Considere a tarefa típica de transmitir vídeo do UAV para o NS usando um modem 3D Link [11] da Geoscan. Os dados iniciais são os seguintes.

1. Altura de suspensão da antena HC: 5 m.
2. Altitude de vôo do UAV: ​​1000 m.
3. Freqüência de rádio: 2,45 GHz.
4. Ganho da antena NS: 17 dB.
5. Ganho da antena UAV: ​​3 dB.
6. Potência do transmissor: +25 dBm (300 mW).
7. Velocidade no canal de vídeo: 4 Mbps.
8. A sensibilidade do receptor no canal de vídeo: -100,4 dBm (para a banda de frequência ocupada pelo sinal de 12 MHz).
9. A superfície subjacente: solo seco.
10. Polarização: vertical.

A distância da linha de visão para essas entradas é 139,6 km. Os resultados do cálculo na forma de potência do sinal na entrada do receptor do modem em dBm são apresentados na Fig. 3)


Fig. 3. A potência do sinal na entrada do receptor do modem 3D Link [11]

A curva azul na fig. 3 é a potência do sinal na entrada do receptor NS, levando em consideração a influência da superfície da Terra, a curva verde é a potência do sinal na entrada do receptor NS ao se comunicar no espaço livre, e a linha reta vermelha indica a sensibilidade desse receptor. A distância em km é plotada ao longo do eixo X, e a potência em dBm é plotada ao longo do eixo Y. Nos pontos de alcance em que a curva azul está acima do vermelho, é possível a recepção direta de vídeo do UAV, caso contrário não haverá comunicação. Pode ser observado no gráfico que, devido a oscilações, a perda de comunicação ocorrerá no intervalo de 37,1 a 37,8 km e mais no intervalo de 60,8 a 65,1 km. Nesse caso, a interrupção final da conexão vai muito além - após 120,6 km de voo. O salto na curva azul visível no ponto de 126,3 km deve-se ao fato de que, até esse intervalo (ou seja, na região de visibilidade por rádio), o cálculo é feito de acordo com as fórmulas de interferência e após esse intervalo (ou seja, na região da sombra do rádio), de acordo com as fórmulas de difração de Fock [ 2]

Como já mencionado acima, diminuições na intensidade do campo surgem devido à adição de um sinal direto e refletido da superfície da Terra na fase antifase no local da antena NS. A partir de uma comparação do nível de potência no canal aéreo com o nível de potência no espaço livre, conclui-se que a adição de um raio direto e refletido da superfície da Terra em fase pode aumentar o orçamento do canal acima do solo para 6 dB em relação ao canal no espaço livre ou destruir completamente o canal acima se os raios somarem fora de fase. Você pode se livrar da perda de comunicação no NS devido à adição de feixes na fase antifase, cumprindo 2 condições.

1. Use no NS um modem com pelo menos dois canais de recebimento (diversidade RX), por exemplo, 3D Link [11] .
2. Posicione as antenas receptoras no mastro em diferentes alturas.

O espaçamento das alturas das antenas receptoras deve ser feito de modo que as quedas na intensidade do campo no local de uma antena sejam compensadas por níveis superiores à sensibilidade do receptor no local da outra antena. Na fig. A Figura 4 mostra o resultado dessa abordagem no caso da localização de uma antena HC a uma altura de 5 m (curva sólida azul) e a outra a uma altura de 4 m (curva tracejada azul).


Fig. 4. A potência do sinal nas entradas de dois receptores do modem 3D Link a partir de antenas localizadas em diferentes alturas

. 4 A fecundidade desse método é claramente visível. De fato, em toda a distância de vôo do UAV, até um alcance de 120,6 km, o sinal na entrada de pelo menos um receptor NS excede o nível de sensibilidade, ou seja, o vídeo da placa não será interrompido em toda a distância de vôo.

O método proposto, no entanto, ajuda a melhorar a confiabilidade do link de rádio UAV → NS, já que a capacidade de instalar antenas em diferentes alturas está disponível apenas no NS. Para garantir o mesmo espaçamento da antena de 1 m de altura no UAV, não é possível. Para aumentar a confiabilidade do link de rádio NS → UAV, as seguintes abordagens usando várias antenas de transmissão (diversidade TX) podem ser usadas.

1. Aplicar o sinal do transmissor NS à antena que recebe um sinal mais poderoso do UAV.
2. Use códigos espaço-temporais, por exemplo, o código Alamouti [12] .
3. Use a tecnologia de controle para antenas de feixe (formação de feixe) com a capacidade de controlar a potência do sinal enviado a cada uma das antenas.

O primeiro método está próximo do ideal no problema de comunicação com os UAVs. É simples e nele toda a energia do transmissor vai na direção certa - para uma antena posicionada de maneira ideal. Por exemplo, a um alcance de 54,5 km (veja a Fig. 4), o sinal do transmissor é alimentado a uma antena suspensa a 5 metros e a uma distância de 63 km a uma antena suspensa a 4 metros. Este método é usado no modem 3D Link [11]. O segundo método não utiliza dados a priori sobre o estado do canal de comunicação UAV → NS (níveis de sinais recebidos nas saídas da antena), portanto, divide a energia do transmissor igualmente entre duas antenas, o que inevitavelmente leva a perdas de energia, pois uma das antenas pode estar com falha força do campo. O terceiro método para a qualidade da comunicação é equivalente ao primeiro, mas muito mais difícil de implementar.

Os métodos de diversidade RX e diversidade TX também ajudam a resolver outro problema desagradável durante a comunicação por rádio com os UAVs, a saber, antenas de sombreamento com os elementos de design do casco ou UAV durante as manobras. De fato, uma vez que ao manobrar esses objetos pode estar em uma zona significativa de propagação de ondas de rádio, sua influência na comunicação será significativa devido à pequena área de seção transversal do elipsóide da zona substancial próxima às antenas de UAV, ou seja, esses objetos podem se sobrepor completamente à zona significativa. Para resolver esse problema, nos canais de comunicação NS → UAV e UAV → NS, você precisa usar um modem no UAV que suporte tanto a diversidade RX quanto a diversidade TX, por exemplo, 3D Link [11] . As antenas nos UAVs devem ser posicionadas de modo que durante as manobras de UAV para pelo menos uma das antenas de UAV na linha de antenas NS - UAV, não haja elementos de design de UAV.

A seguir, consideramos a questão da influência da frequência das ondas de rádio no alcance da comunicação com o UAV, levando em consideração a influência da superfície subjacente. Foi demonstrado acima que o aumento da frequência é vantajoso, pois com dimensões fixas das antenas isso leva a um aumento no alcance da comunicação. No entanto, a questão da dependência$$| o V | d B a partir da frequência não foi considerada. De(3)segue-se que a relação do ganho da antena, igual em área e projetada para operar em frequências$|V|_{dB}$$$F 1 e$F_1$$$F 2 é igual a$F_2$
(6)

$$

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

Para $$F 1 = 2450 MHz;$F_1=$$$F 2 = 915 MHz temos$F_2=$$$G 1 / G 2 ± 7,2 (8,5 dB). É exatamente isso que acontece na prática. Compare, por exemplo, os parâmetros das seguintes antenas do fabricante Wireless Instruments:$G1/G2\approx$

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

É conveniente comparar essas antenas, porque elas são fabricadas em casos idênticos 27x27 cm, ou seja, possuem a mesma área. Observe que o ganho da antena difere em 15-8 = 7 dB, que é próximo ao valor calculado de 8,5 dB. Também pode ser observado pelas características das antenas que a largura do feixe da antena no intervalo de 2,3 a 2,5 GHz (30 ° / 30 °) é mais de duas vezes mais estreita que a largura do feixe da antena no intervalo de 0,83 a 0,96 GHz (70 ° / 70 °), ou seja. O ganho da antena com as mesmas dimensões realmente cresce devido à melhoria das propriedades direcionais. Dado que 2 antenas são usadas na linha de comunicação, a proporção$$( G 1 T X G 1 R X ) / ( G 2 T X G 2 R X ) é 2 ± 8,5 = 17 dB. Assim, com as mesmas dimensões das antenas, o orçamento de energia do rádio é vinculado a uma freqüência$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$F 1 = 2450 MHz será 17 dB a mais do que a linha do orçamento com uma frequência$F_1=$$$F 2 = 915 MHz. No cálculo, também levamos em conta o fato de que, em regra, as antenas de pinos são usadas em UAVs para as quais as dimensões não são tão críticas quanto as antenas de painel NS consideradas. Portanto, tomamos o ganho da antena UAV para frequências$F_2=$$$F 1 e$F_1$$$F 2 igual.$F_2$ I.e.a diferença nos orçamentos de energia das linhas será de 8,5 dB, em vez de 17 dB. Os resultados do cálculo realizado para esses dados iniciais e a altura de suspensão da antena HC 5 m são mostrados na Fig. 5)


Fig. 5. A potência do sinal na entrada do receptor para links de rádio operando nas frequências de 915 e 2450 MHz

A partir da fig. A Figura 5 mostra claramente que o alcance da comunicação com um aumento na frequência de operação e a mesma área da antena NS aumenta de 106,7 km para uma linha de rádio com uma frequência de 915 MHz a 120,6 km para uma linha com uma frequência de 2450 MHz. No entanto, a linha de 915 MHz possui uma frequência de oscilação mais baixa. Menos oscilações - menos quedas de força no campo, ou seja, menor probabilidade de interromper as comunicações com o UAV durante toda a distância de vôo. Talvez seja esse precisamente o fato de tornar popular a faixa sub-gigahertz de ondas de rádio para linhas de comunicação de comando e telemetria com UAVs como as mais confiáveis. Ao mesmo tempo, ao executar o conjunto de ações descrito acima para proteger contra oscilações da intensidade do campo, as linhas de rádio gigahertz oferecem um maior alcance de comunicação, melhorando as propriedades direcionais das antenas.

Da consideração do figo. 5, também podemos concluir que na zona de sombra (após cerca de 125 km) diminuir a frequência de trabalho da linha de comunicação faz sentido. De fato, em um ponto de aproximadamente -127,8 dBm, a potência se curva para frequências$$F 1 e$F_1$$$$F_2$ cruzar. I.e. ao usar receptores com sensibilidade melhor que -128 dBm, a linha de rádio em 915 MHz fornecerá um alcance de comunicação mais longo. Nesse caso, no entanto, é necessário levar em consideração a largura de banda necessária do link, pois para um valor de sensibilidade tão alto, a velocidade da informação será muito baixa. Por exemplo, a melhor sensibilidade de um modem 3D Link [11] é de -122 dBm. Para garantir um alcance de comunicação de 150 km, será necessário um aumento na potência do transmissor com um amplificador externo de 128 a 122 = 6 dB (ou seja, até 31 dBm). Existe uma versão 3D Link com um transmissor com essa potência, mas a taxa de transferência de informações agregada (em ambos os lados) será de apenas 23 kbit / s, o que, em princípio, é suficiente para a comunicação KTRL com os UAVs, mas obviamente não é suficiente para a transmissão de vídeo da placa. Assim, o intervalo sub-gigahertz, de fato, tem uma pequena vantagem sobre o intervalo gigahertz para o KTRL, mas claramente perde características ao organizar linhas de vídeo.

Ao escolher a frequência de uma linha de rádio, é preciso também levar em consideração a atenuação do sinal durante a propagação na atmosfera da Terra. Para as linhas de comunicação NS - UAV, a atenuação na atmosfera é causada por gases, chuva, granizo, neve, neblina e nuvens [2] . Para frequências de operação de links de rádio com menos de 6 GHz, a atenuação de gases pode ser negligenciada [2] . A atenuação mais severa é observada nas chuvas, principalmente de alta intensidade (chuvas). A Tabela 1 mostra os dados [2] sobre a atenuação específica [dB / km] em chuvas de diferentes intensidades para frequências de 3 a 6 GHz.

Tabela 1. Atenuação linear de ondas de rádio [dB / km] em chuvas de diferentes intensidades, dependendo da frequência

Da mesa. 1 segue-se que, por exemplo, na frequência de 3 GHz, a atenuação no chuveiro será de cerca de 0,0087 dB / km, que no caminho de 100 km fornecerá 0,87 dB de atenuação total. Com o aumento da frequência operacional do link de rádio, a atenuação na chuva aumenta acentuadamente. Para uma frequência de 4 GHz, a atenuação no chuveiro no mesmo caminho será de 9,1 dB e nas frequências de 5 e 6 GHz - 28 e 57 dB, respectivamente. Nesse caso, no entanto, supõe-se que a chuva com uma dada intensidade ocorra ao longo de toda a rota, o que raramente é o caso na prática. No entanto, ao usar UAVs em áreas onde chuvas de alta intensidade são frequentes, recomenda-se selecionar a frequência de operação do link de rádio abaixo de 3 GHz.

Literatura

1. Smorodinov A.A. Como escolher um modem de banda larga para um veículo aéreo não tripulado (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Propagação de ondas de rádio e operação de link de rádio. Comunicação Moscovo 1971
3. Microhard.
4. Especificação do pico Digital Data Link pDDL2450.
5. Especificação OEM Picoradio.
6. Relatório de Teste de Engenharia. Módulo de Link de Dados Digitais Pico 2.4GHz 1W.
7. ID da FCC.
8. CA Balanis. Teoria da antena. Análise e design. Quarta edição. John Wiley & Sons. 2016.
9. Ganho da antena. Artigo da Wikipedia.
10. Largura de feixe. Artigo da Wikipedia.
11. Link para modem digital via rádio duplex digital.
12. Alamouti SM. "Uma técnica simples de diversidade de transmissão para comunicações sem fio". Revista IEEE sobre Áreas Selecionadas em Comunicações. 16 (8): 1451–1458.
13. Antena cliente PTP WiBOX PA 0809-8V.
14. Antena cliente PTP WiBOX PA 24-15.