如何增加与无人机（UAV）的通信范围

增加与无人机（UAV）的通信范围的任务不会失去相关性。 本文讨论了改善此设置的方法。 本文是为无人机开发人员和操作人员编写的，是有关与无人机关系的一系列文章的续篇（请参阅[1]中周期的开始） 。

什么影响沟通范围

通信范围取决于所使用的调制解调器，天线，天线电缆，无线电波的传播条件，外部干扰以及其他一些原因。 为了确定参数对通信范围的影响程度，请考虑范围公式[2]
（1）

$$

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

在哪里
$$$R$ -所需的通讯范围[米]；
$$$c \大约3 \ cdot 10 ^ 8$ -真空中的光速[米/秒]；
$$$F$ -频率[Hz]；
$$$P_ {TXdBm}$ -调制解调器发射机功率[dBm]；
$$$G_ {TXdB}$ -发射机天线增益[dBi]；
$$$L_ {TXdB}$ -从调制解调器到发射机天线的电缆损耗[dB]；
$$$G_ {RXdB}$ -接收机天线增益[dBi]；
$$$L_ {RXdB}$ -从调制解调器到接收机天线的电缆损耗[dB]；
$$$P_ {RXdBm}$ -调制解调器接收器的灵敏度[dBm]；
$$$| V | _ {dB}$ -衰减因子，考虑到由于地球表面，植被，大气和其他因素[dB]的影响而造成的额外损失。

该方程式显示范围由以下因素确定：

• 二手调制解调器；
• 无线电频道的频率；
• 适用的天线；
• 电缆损耗；
• 对地球表面，植被，大气，建筑物等的无线电波传播的影响。

此外，单独考虑影响范围的参数。

二手调制解调器

通信范围仅取决于调制解调器的两个参数：发射机功率 $$$P_ {TXdBm}$ 和接收器灵敏度 $$$P_ {RXdBm}$ 或更确切地说，是从两者之间的差异-调制解调器的能源预算
（2）

$$

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

为了增加通信范围，有必要选择一个较大的调制解调器 $$$B_m$ 。 点击放大 $$$B_m$ 反过来，有可能通过增加 $$$P_ {TXdBm}$ 或减少 $$$P_ {RXdBm}$ 。 应优先搜索具有高灵敏度的调制解调器（ $$$P_ {RXdBm}$ 尽可能低）而不是增加发射器功率 $$$P_ {TXdBm}$ 。 第一篇文章[1]中详细考虑了这个问题。

除了材料[1]之外，还应牢记某些制造商（例如Microhard [3] ）在某些设备的规格中表示的不是平均值，而是峰值发射功率，该峰值功率是平均值的几倍，并且不能用于计算范围t这样做会导致大大超出真实值的计算范围。 这样的设备包括，例如，流行的pDDL2450模块[ 4、5 ]。 该事实直接来自该设备的测试结果，该测试结果是获得FCC证书[6]的结果 （请参阅第58页）。 通过在搜索栏中输入相应的FCC ID，可以在FCC ID网站[7]上查看带有FCC证书的无线设备的测试结果，该ID应该在表示设备类型的标签上。 pDDL2450模块具有FCC标识符NS916pDDL2450。

无线电频率

从范围（1）的方程式可以清楚地看出，工作频率越低 $$$F$ ，通讯范围更大 $$$R$ 。 但是，我们不要急于下结论。 事实是，方程中包含的其他参数也取决于频率。 例如，天线增益 $$$G_ {TXdB}$ 和 $$$G_ {RXdB}$ 在实际情况中，天线最大尺寸固定时的频率将取决于频率。 天线增益 $$$G$ 用无量纲单位（时间）表示可以用天线的物理面积表示 $$如下[8]
（3）

$$

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

在哪里 $$$e_a$ -天线孔径的效率，即天线有效面积与物理面积之比（取决于天线的设计） [8] 。

从（3）可以立即看出，对于固定的天线区域，增益与频率的平方成正比增加。 我们将（3）代入（1）中 ，然后使用无量纲单位重写（1）作为天线增益 $$$G_ {TX}$ ， $$$G_ {RX}$ 电缆损耗 $$$L_ {TX}$ ， $$$L_ {RX}$ 和衰减倍增器 $$$| V |$ 以及使用瓦特 $$$P_ {TX}$ 和 $$$P_ {RX}$ 而不是dB​​m。 然后
（4）

$$

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

系数在哪里 $$$K = A_ {TX} e_ {aTX} A_ {RX} e_ {aRX}$ 是固定天线尺寸的常数。 因此，在这种情况下，通信范围与频率成正比，即频率越高，范围越大。 结论 在天线尺寸固定的情况下，增加无线电线路的频率会通过改善天线的方向性而导致通信范围的增加。 但是，必须记住，随着频率的增加，由气体，雨水，冰雹，雪，雾和云引起的大气中无线电波的衰减也会增加[2] 。 而且，随着路径长度的增加，大气中的衰减也增加。 因此，对于每个路径长度和平均天气状况，都有一定的载波频率最大值，受大气中信号衰减的允许水平限制。 让我们把无线电信道的频率对通信范围的影响的问题留给最后的解决方案，该部分将考虑地球表面和大气对无线电波传播的影响。

天线类

通信范围由诸如增益之类的天线参数确定 $$$G_ {dB}$ （以英语术语获得），以dBi为单位。 增益是一个重要的复合参数，因为它考虑了：（1）与各向同性发射器相比，天线将发射器能量集中在接收器方向上的能力（各向同性，因此指数i以dBi表示）； （2）天线本身的损耗[ 8，9 ]。 为了增加通信范围，应该从那些适合质量尺寸参数和制导系统能力的天线中选择增益值最高的天线。 天线聚焦能量的能力不是免费的，而只能通过增加天线的尺寸（孔径）来实现。 例如，接收天线越大，将能够收集能量以提供给接收器的输入的面积越大，并且能量越大，接收信号越强，即通信范围将增加。 因此，您必须首先确定适合当前任务的天线的最大尺寸，并将搜索区域限制为该参数，然后搜索特定的天线模型，重点是最大增益。 对于实践而言重要的第二个天线参数是波束宽度（波束宽度）[ 8，10 ]，以角度为单位。 通常，波束宽度定义为距天线中心的两个空间方向之间的角度，在该角度处天线增益从该天线的最大值降低3 dB。 波束在方位角和仰角上的宽度可以有很大的不同。 根据以下规则，该参数与天线的尺寸密切相关：尺寸更大-波束宽度更小。 此参数未直接包含在距离方程中，但它确定了将地面站（NS）的天线指向UAV的系统的要求，因为至少在距离最大化的情况下，在NS上通常使用强方向性天线与无人机的通信是优先事项。 确实，虽然NS跟踪系统提供了将天线指向UAV的角精度，等于波束宽度的一半或更小，但接收/发射信号的电平不会低于最大值的3 dB。 在任何情况下，所选天线的波束宽度的一半在任何情况下都不应小于NS天线指向系统在方位角或仰角上的角度误差。

电缆线

为了最大化通信范围，有必要使用在NS – UAV无线电链路的工作频率上具有尽可能低的衰减（电缆衰减或电缆损耗）的电缆。 电缆中的线性衰减定义为电缆长度为1 m（在公制中）的输出信号与电缆长度输入的信号之比，以dB为单位。 电缆损耗 $$$L_ {dB}$ 通过将线性衰减乘以电缆长度来确定范围方程式（1）中包含的值。 因此，为了获得最大可能的通信范围，必须使用具有尽可能低的线性衰减的电缆，并使这些电缆的长度最小。 在NS调制解调器上，必须将模块直接安装在天线旁边的天线杆上。 在无人飞行器的情况下，调制解调器应放置在尽可能靠近天线的位置。 另外，值得检查所选电缆的阻抗。 此参数以欧姆为单位，通常为50或75欧姆。 电缆，调制解调器天线连接器和天线本身上的连接器的阻抗应相等。

地球表面效应

在本节中，我们考虑无线电波在平原或海面上的传播。 这种情况通常在使用无人机的实践中发现。 通过无人机对管道，电力线，农作物，许多军事和特殊行动进行监视-此模型很好地描述了所有这些。 人类的经验为我们描绘了一幅图画，其中如果物体在彼此的直接光学视野中，则它们之间可能存在连接，否则就无法进行通信。 但是，无线电波不属于光学范围，因此它们的情况有所不同。 在这方面，对于无人机的开发者和操作者记住以下两个事实是有用的。

1.在NS和UAV之间没有视线的情况下，可以在无线电范围内进行通信。
2.即使在NS ‒无人机的光路上没有任何物体，也会感觉到其下表面对与无人机的连接的影响。

为了了解无线电波在地球表面附近传播的细节，熟悉无线电波重要传播区域的概念很有用[2] 。 在无线电波传播的实质区域中没有任何物体并且没有从地球表面反射的情况下，可以根据自由空间的公式进行距离计算，即 $$$| V | _ {dB}$ 可以将（1）中的a设为等于0。但是，如果在基本区域中有物体，或者地球表面存在明显的反射，则无法做到这一点。 在图。 在图1中，点A描绘了位于高处的点发射器 $$$h_1$ 在地球表面上方，它以相同的强度向各个方向发射电磁能。 在海拔B点 $$$h_2$ 有一个用于测量场强的接收器。 在此模型中，无线电波传播的重要区域是椭圆形，焦点位于A点和B点。


图 1.重要的无线电波传播面积

椭圆体“最厚”部分的半径由表达式[2]确定
（5）

$$

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

从（5）可以看出 $$频率相关 $$$F$ 反之，较小 $$$F$ ，“较厚”的椭圆形（ $$$F_1 <F_2$ 在图。 1）。 另外，椭圆形的“厚度”随着通信对象之间距离的增加而增加。 对于无线电波 $$可以给人留下深刻的印象，因此 $$$R =$ 10公里 $$$F =$ 我们得到2.45 GHz $$$r =$ 50÷60 m。

现在让我们考虑一个不透明的对象，它在图2中用灰色三角形表示。 1.它会影响具有一定频率的无线电波的传播 $$$F_1$ ，因为它位于重要的传播区域，并且实际上不会影响具有一定频率的无线电波的传播 $$$F_2$ 。 对于光学范围（光）的无线电波，该值 $$因此，在实践中不会感觉到地球表面对光传播的影响很小。 由于地球表面是一个球，所以很容易理解，随着距离的增加 $$$R$ ，底层表面将越来越多地进入一个重要的传播区域，从而阻止能量从A点流向B点-故事的结尾，与无人机的通信中断。 它们将以类似的方式影响通信和路线上的其他对象，例如地形颠簸，建筑物，森林等。无人驾驶飞机的船体和进入重要区域的结构元件也会影响通信范围。

现在让我们考虑大米。 在图2中，不透明物体完全覆盖具有一定频率的无线电波的实质传播区域 $$$F_2$ 使无法以该频率进行通信。 同时，频率通讯 $$$F_1$ 仍然有可能，因为部分能量会“跳跃”到不透明的物体上。 频率越低，无线电波越能传播到光学视界之外，从而保持与无人机的稳定连接。


图 2.重要无线电波传播区域的重叠

地球表面对通信的影响程度还取决于天线的高度 $$$h_1$ 和 $$$h_2$ 。 天线的高度越大，点A和B的距离就可以移开越大，从而防止物体或下面的表面进入较大的区域。

当下面的表面接近基本区域时，点B的场强将发生振荡[2] ，即大于或小于自由空间中的场强。 这是由于来自底层的能量反射。 反射的能量可以在B点处与相中的主能量相加-然后场强或反相出现上升-然后场强下降（相当深）。 重要的是要记住这种影响，以了解与无人机通信的细节。 在一定范围内与无人机的通信中断可能是由于振荡引起的场强局部降低而引起的，即，如果您飞得更远，则可以恢复连接。 只有在物体或下面的表面完全封闭基本区域之后，才会发生最终的通信中断。 接下来，将提出一些方法来处理场强振荡的后果。

计算衰减系数的公式 $$$| V | _ {dB}$ 当无线电波在地球的光滑表面上传播时非常复杂，尤其是对于远距离 $$$R$ 超出了光学视界的范围[2] 。 因此，在进一步考虑该问题时，我们将使用作者的一组计算机程序求助于数学建模。 考虑使用Geoscan的3D Link [11]调制解调器将视频从UAV传输到NS的典型任务。 初始数据如下。

1. HC天线的悬挂高度：5 m。
2.无人机飞行高度：1000 m。
3.射频：2.45 GHz。
4. NS天线增益：17 dB。
5.无人机天线增益：3 dB。
6.发射器功率：+25 dBm（300 mW）。
7.视频通道中的速度：4 Mbps。
8.视频通道中接收器的灵敏度：-100.4 dBm（对于12 MHz信号占用的频带）。
9.底层表面：干燥的土壤。
10.极化：垂直。

这些输入的视线距离为139.6 km。 调制解调器接收机输入端的信号功率形式的计算结果以dBm为单位，如图2所示。 3。


图 3. 3D Link调制解调器[11]的接收机输入端的信号功率

图中的蓝色曲线。 3是NS接收机输入端的信号功率，考虑到地球表面的影响，绿色曲线是在自由空间中通信时NS接收机输入端的信号功率，红色直线表示此接收机的灵敏度。 沿X轴绘制以km为单位的距离，沿Y轴绘制以dBm为单位的功率。 在蓝色曲线位于红色上方的那些范围内，可以从无人机直接接收视频，否则将无法进行通信。 从图中可以看出，由于振荡，通信损失将发生在37.1–37.8 km范围内，甚至在60.8–65.1 km范围内。 在这种情况下，连接的最终中断将更远-在飞行120.6公里之后。 在126.3公里处可见的蓝色曲线上的跳跃是由于以下事实：在此范围内（即在无线电可见范围内），根据干扰公式进行计算；在此范围之后（即在无线电阴影范围内），根据福克衍射公式[ 2] 。

如上所述，由于在NS天线所在位置反相添加了来自地球表面的直接和反射信号，因此导致了场强下降。 通过比较架空通道的功率水平与自由空间的功率水平，可以得出结论，相距地相加来自地面的直接和反射射线可以使地上通道的预算相对于自由空间中的通道增加至6 dB，或者如果射线合计起来则完全破坏了地上通道异相。 通过满足2个条件，可以消除由于反相添加光束而导致NS失去通信的情况。

1.在NS上使用具有至少两个接收通道（RX分集）的调制解调器，例如3D Link [11] 。
2.将接收天线放置在桅杆上的不同高度。

接收天线的高度应保持一定间距，以使一个天线位置处的场强下降可被高于另一天线位置处的接收器灵敏度的水平所补偿。 在图。 图4显示了这种方法的结果，其中一个HC天线位于5 m的高度（蓝色实线），另一个位于4 m高度（蓝色虚线）。


图 4. 3D Link调制解调器的两个接收器的输入处的信号功率来自不同高度的天线

。 4这种方法的成果清晰可见。实际上，在整个无人机飞行距离上，直到120.6 km的范围，至少一个NS接收器的输入端的信号都超过了灵敏度水平，即，来自主板的视频将不会在整个飞行距离上被打断。

但是，由于仅在NS上才可以使用在不同高度安装天线的功能，因此所提出的方法有助于提高UAV→NS无线电链路的可靠性。为了确保无人飞行器上相同的1 m高的天线间距。为了提高NS→UAV无线电链路的可靠性，可以使用以下使用几个发射天线（TX分集）的方法。

1.将NS发射器的信号施加到从UAV接收更强信号的天线。
2.使用时空代码，例如Alamouti代码[12]。
3.对波束天线（波束成形）使用控制技术，该技术可以控制发送到每个天线的信号的功率。

第一种方法在与无人机的通信问题上接近最佳。这很简单，并且发射机的所有能量都朝着正确的方向传递-到达了最佳位置的天线。例如，在54.5 km的范围内（参见图4），发射机信号被馈送到悬挂在5米处的天线，而在63 km的距离被馈送到悬挂在4米处的天线。 3D Link调制解调器[11]中使用了此方法。。第二种方法不使用关于UAV→NS通信信道状态的先验数据（天线输出处的接收信号电平），因此，它会在两个天线之间平均分配发射机能量，这不可避免地导致能量损失，因为其中一个天线可能会发生故障场强。通信质量的第三种方法与第一种方法等效，但实施起来困难得多。

RX分集和TX分集方法还有助于解决与无人机的无线电通信中的另一个不愉快的问题，即在机动过程中遮蔽带有船体或UAV设计元素的天线。确实，由于操纵这些物体可能会在无线电波的重要传播区域中进行，由于无人机天线附近实质区域的椭球体的横截面面积较小，因此它们对通信的影响将很大，即这些物体可以完全覆盖实质区域。为了解决这个问题，在通信通道NS→UAV和UAV→NS中，您需要在UAV上使用既支持RX分集又支持TX分集的调制解调器，例如3D Link [11]。无人机上的天线应放置在适当的位置，以便在对NS –无人机天线线上的至少一根无人机天线进行无人机操纵时，没有无人机的结构要素。

接下来，我们考虑到无线电波的频率对与无人机的通信距离的影响的问题，同时考虑了下层表面的影响。上面示出了增加频率是有利的，因为在天线的尺寸固定的情况下，这导致通信范围的增加。但是，依赖的问题$$| V | 没有考虑频率 d B。从（3）可以得出，天线增益的比率，面积相等且设计为在一定频率下工作$|V|_{dB}$$$F 1和$F_1$$$F 2等于$F_2$
（6）

$$

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

对于 $$F 1 = 2450 MHz；$F_1=$$$F 2 = 915 MHz，我们得到$F_2=$$$ģ 1 / G ^ 2 ≈ 7.2（8.5 dB）的。这就是实际发生的情况。例如，比较制造商Wireless Instruments的以下天线的参数：$G1/G2\approx$

• WiBOX PA 0809-8V [13]（频率：0.83-0.96 GHz；波束宽度：70°/ 70°；增益：8 dBi）；
• WiBOX PA 24-15 [14]（频率：2.3–2.5 GHz；波束宽度：30°/ 30°；增益：15 dBi）。

比较这些天线很方便，因为它们是在27x27厘米的相同情况下制成的，也就是说，它们具有相同的面积。请注意，天线增益相差15-8 = 7 dB，接近于8.5 dB的计算值。从天线的特性还可以看出，在2.3–2.5 GHz（30°/ 30°）范围内的天线波束宽度比在0.83–0.96 GHz（70°/ 70°）范围内的天线波束宽度窄两倍以上。由于方向性的提高，具有相同尺寸的天线增益实际上会增加。假设在通信线路中使用2根天线，则比率$$（G 1 T X G 1 R X）/（G 2 T X G 2 R X）是2∙8.5 = 17 dB。因此，在天线尺寸相同的情况下，具有频率的无线电链路的能量预算$(G_{1TX}G_{1RX} )/(G_{2TX}G_{2RX})$$$F 1 = 2450 MHz将比预算线高出17 dB，频率为$F_1=$$$F 2 = 915 MHz。在计算中，我们还考虑到以下事实：通常，在尺寸不如所考虑的NS平板天线严格的UAV上使用针形天线。因此，我们将无人机天线的增益用于频率$F_2=$$$F 1和$F_1$$$F 2相等。$F_2$即线路的能量预算之差将是8.5 dB，而不是17 dB。对于这些初始数据和HC天线5m的悬挂高度执行的计算结果示于图4。 5，


图 5.在频率为915和2450 MHz的无线电链路上，接收机输入端的信号功率

从图。图5清楚地表明，随着工作频率的增加和NS天线相同区域的通信范围，从915 MHz频率的无线电线路的106.7 km增加到2450 MHz频率的线路的120.6 km。但是，915 MHz线路的振荡频率较低。更少的振荡-更少的场强下降，即在整个飞行距离内中断与无人机通信的可能性较小。也许恰恰是这样的事实，使得无线电波的亚千兆赫范围成为最可靠的无人机，在命令和遥测通信线路中广受欢迎。同时，当执行上述一组动作以防止场强振荡时，千兆赫无线电线路通过改善天线的方向性而提供了更长的通信范围。

从图的考虑。如图5所示，我们还可以得出结论，在阴影区域（约125公里后），降低通信线路的工作频率是合理的。实际上，在大约-127.8 dBm的一点上，频率的功率曲线$$F 1和$F_1$$$$F_2$ 相交。 即 当使用灵敏度高于-128 dBm的接收机时，915 MHz的无线电线路将提供更长的通信范围。 但是，在这种情况下，有必要考虑链路的所需带宽，因为 对于如此高的灵敏度值，信息速度将非常低。 例如，3D Link调制解调器[11]的最佳灵敏度为−122 dBm。 为了确保150 km的通讯距离，需要使用外部放大器将发射机功率提高128–122 = 6 dB（即，最高31 dBm）。 有一个3D Link版本的发射器具有这种功率，但总的（双方）信息传输速率仅为23 kbit / s，原则上足以与无人机进行KTRL通信，但显然不足以从板上传输视频。 因此，亚千兆赫范围的确比KTRL的千兆赫范围略有优势，但在组织视频线时显然失去了特性。

选择无线电线路的频率时，还必须考虑到在地球大气中传播期间信号的衰减。 对于NS – UAV通信线路，大气中的衰减是由气体，雨水，冰雹，雪，雾和云引起的[2] 。 对于小于6 GHz的无线电链路工作频率，气体中的衰减可以忽略不计[2] 。 在降雨中观察到最严重的衰减，尤其是在高强度（降雨）时。 表1显示了在3-6 GHz频率下，不同强度的降雨中特定衰减[dB / km]的数据[2] 。

表1.在不同强度的雨中，无线电波的线性衰减[dB / km]，取决于频率

从桌子上。 如图1所示，例如，在3GHz的频率下，淋浴器中的衰减将约为0.0087dB / km，在100km的路径上将产生0.87dB的总衰减。 随着无线电链路工作频率的增加，雨中的衰减急剧增加。 对于4 GHz频率，沿着同一路径的淋浴器的衰减将已经是9.1 dB，而在5 GHz和6 GHz的频率下分别为28 dB和57 dB。 然而，在这种情况下，假定沿整个路线都发生了给定强度的降雨，这在实践中很少见。 但是，在经常下大雨的地区使用无人机时，建议选择3 GHz以下的无线电链路工作频率。

文学作品

1. Smorodinov A.A. 如何为无人驾驶飞机（UAV）选择宽带调制解调器。 哈伯 2019。
2. Kalinin A.I.，Cherenkova E.L. 无线电波传播和无线电链路操作。 沟通交流 莫斯科 1971年。
3. 微硬。
4. Pico数字数据链路pDDL2450规范。
5. Picoradio OEM规范。
6. 工程测试报告。 Pico 2.4GHz 1W数字数据链路模块。
7. FCC ID。
8. CA Balanis。 天线理论。 分析和设计。 第四版。 约翰·威利父子。 2016。
9. 天线增益。 维基百科文章。
10. 波束宽度。 维基百科文章。
11. 数字双工无线电调制解调器3D Link。
12. SM Alamouti。 “一种用于无线通信的简单传输分集技术。” IEEE通信领域精选期刊。 16（8）：1451–1458。
13. PTP客户端天线WiBOX PA 0809-8V。
14. PTP客户端天线WiBOX PA 24-15。