Paano Magkalkula ng Badyet ng RF Link para sa Mga Link ng Data ng UAV

Ang isang link ng data ng UAV ay maaaring magmukhang maaasahan sa panahon ng isang maikling pagsubok sa lupa at mabibigo pa rin kapag ang sasakyang panghimpapawid ay umabot sa maximum na hanay, mga bangko, umakyat, o nagdadala ng isang high-rate na video stream. Ang kahirapan ay hindi lamang pagpili ng sapat na kapangyarihan ng pagpapadala; bawat antenna gain, pagkawala ng hardware, pagkawala ng propagation, threshold ng receiver, at kondisyon ng pagpapatakbo ay dapat na sama-samang suriin.

Isang praktikal Ginagawa ng UAV data link budget ang mga variable na iyon sa isang pagtatantya ng natanggap na kapangyarihan at magagamit na margin. Ang pagkalkula ay nagsisimula sa kaso ng misyon, sumusunod sa RF path mula sa transmitter patungo sa receiver, nagdaragdag ng mga pagkalugi na nauugnay sa paglipad, at ipinapakita kung ang mga link ng kontrol at payload ay nagpapanatili ng sapat na reserba.

 

Magsimula sa Misyon, Hindi sa Formula

Paghiwalayin ang mga kinakailangan sa uplink, telemetry, at payload

Ang data ng command, telemetry, at payload ay hindi dapat ituring bilang isang generic na daloy ng trapiko. Ang isang command uplink ay maaaring magdala ng kaunting data ngunit nangangailangan ng mababang latency at napakataas na pagpapatuloy. Maaaring tiisin ng Telemetry ang isang mas mababang rate, habang ang isang HD video downlink ay maaaring kumonsumo ng karamihan sa magagamit na kapasidad at humingi ng mas malakas na signal para sa napiling modulasyon nito.

Itala ang pinakamababang payload throughput, maximum na katanggap-tanggap na latency, packet-loss tolerance, at kinakailangang availability para sa bawat serbisyo. Gumamit ng application throughput sa halip na ang peak physical-layer rate ng radyo, dahil ang protocol overhead, retransmissions, kontrolin ang trapiko, at pagbabago ng modulasyon ay nagpapababa sa kapasidad na magagamit sa payload. Samakatuwid, dapat suriin ang badyet ng UAV data link laban sa hindi bababa sa dalawang threshold: isa para sa pagpapanatili ng command at kontrol, at isa pa para sa pagpapanatili ng kinakailangang video o sensor stream.

Piliin ang pinakamasamang punto sa flight envelope

Ang distansya ay dapat na kumakatawan sa pinakamahina na makatotohanang punto sa ruta, hindi lamang ang ina-advertise na radius ng misyon. Para sa isang sasakyang panghimpapawid sa ibang taas mula sa ground station, gumamit ng slant range:

Slant range = √(pahalang na distansya⊃2; + pagkakaiba sa taas⊃2;)

Ang geometry lamang ay hindi tumutukoy sa pinakamasamang punto. Ang mga pagliko ng pagbabangko, pagbabago ng pitch, matatarik na anggulo ng elevation, return heading, at paglalagay ng kargamento ay maaaring maglagay sa ground station sa mas mahinang bahagi ng airborne antenna pattern. Ang tamang input ng misyon ay ang posisyon at saloobin ng sasakyang panghimpapawid na gumagawa ng pinakamahinang mapagkakatiwalaang link, kahit na ang isa pang punto ay bahagyang mas malayo.

 

Ilagay ang Bawat Nakuha at Pagkatalo sa Isang Pagkalkula

Bumuo ng input sheet mula sa isang aktwal na pagsasaayos ng radyo

Magsimula sa isang kumpletong operating mode. Huwag pagsamahin ang pinakamataas na kapangyarihan ng pagpapadala, sensitivity ng narrowband, pinakamalawak na channel, at maximum na rate ng data kapag hindi maaaring mangyari nang sabay-sabay ang mga pagtutukoy na iyon.

Ang mga yunit ay may iba't ibang tungkulin. Ang dBm ay nagpapahayag ng ganap na antas ng kapangyarihan, ang dBi ay naglalarawan ng antenna gain na nauugnay sa isang isotropic radiator, at ang dB ay nagpapahayag ng gain o loss ratio. Dahil ang equation ay logarithmic, ang mga nadagdag ay idinagdag at ang mga pagkalugi ay direktang ibinabawas.

Ang mga detalye ng produkto ay dapat ituring bilang mga naka-link na kondisyon sa pagpapatakbo. Sinusuportahan ng WDS DDLmesh airborne series ang mapipiling broadband at narrowband na lapad ng channel, adaptive BPSK hanggang 64QAM modulation, adjustable RF output option, 2×2 MIMO functions, at receiver sensitivity na −103 dBm sa 5 MHz o −117 dBm sa 2500 kHz. Inilalarawan ng mga value na ito kung bakit dapat pumili muna ang worksheet ng bandwidth at rate ng serbisyo: hindi magagamit ang narrowband sensitivity upang patunayan na gagana ang broadband video stream.

Kalkulahin ang pagkawala ng landas ng free-space mula sa frequency at slant range

Para sa isang walang harang na point-to-point na landas, kalkulahin ang pagkawala ng free-space path na may dalas sa MHz at distansya sa mga kilometro:

FSPL (dB) = 32.4 + 20 log10(fMHz) + 20 log10(dkm)

Ang pagkawala ng landas ng libreng espasyo ay kumakatawan sa isang kundisyon ng sanggunian sa halip na mga dahon, diffraction ng terrain, pagbara ng airframe, interference, o misalignment ng antenna. Ang mga epektong iyon ay nangangailangan ng hiwalay na mga allowance o isang mas detalyadong modelo ng pagpapalaganap.

Sa 2.4 GHz sa 10.01 km, ang kalkulasyon ay:

FSPL = 32.4 + 20 log10(2400) + 20 log10(10.01)

FSPL ≈ 120.0 dB

Ang dalas na ipinasok sa GHz sa halip na MHz ay ​​magbubunga ng 60 dB na error sa bersyong ito ng equation. Kaya dapat ipakita ang mga unit sa tabi ng bawat input cell sa halip na iwanan sa memorya.

Kalkulahin ang EIRP at hinulaang natanggap na kapangyarihan

Pinagsasama ng katumbas na isotropically radiated na kapangyarihan ang mga termino ng transmit-side:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Kung ang transmitter ay gumagawa ng 30 dBm, ang antenna ay nagbibigay ng 2 dBi sa nauugnay na direksyon, at ang cable path ay nawawalan ng 1 dB, ang EIRP ay 31 dBm. Dapat suriin ang halagang ito laban sa mga panuntunang nalalapat sa napiling dalas at lokasyon ng pagpapatakbo.

Ang hinulaang kapangyarihan ng tatanggap ay:

Prx = Ptx + Gtx − Ltx − FSPL − Ladditional + Grx − Lrx

Panatilihing nakikita ang mga karagdagang pagkalugi. Ang isang hindi maipaliwanag na 'safety factor' ay nagpapahirap sa pagtukoy kung ang modelo ay may kasamang polarization mismatch, airframe shadowing, tracking error, connector tolerance, o isang mataas na ingay na kapaligiran. Ang mga hiwalay na entry ay nagpapadali din sa data ng flight-test sa ibang pagkakataon na ihambing sa orihinal na badyet ng link ng data ng UAV.

Panghuli, kalkulahin ang air-to-ground at ground-to-air na mga landas sa magkahiwalay na column. Maaaring magkapareho ang mga ito ng distansya at pagkawala ng libreng espasyo, ngunit ang iba't ibang kapangyarihan ng pagpapadala, pag-install ng antenna, cable run, bandwidth, at sensitivity threshold ay maaaring lumikha ng makabuluhang magkakaibang mga margin.

 

Magpasya Kung Gumagana Pa rin ang Link sa Flight

Ihambing ang natanggap na kapangyarihan sa tamang halaga ng sensitivity

Ang sensitivity ng receiver ay hindi isang permanenteng katangian ng isang radyo. Karaniwan itong nagbabago sa bandwidth, modulasyon, coding, target na pagganap ng error, at kung minsan ang bilang ng mga aktibong RF chain. Dapat lang ilagay ng isang sensitivity value ang UAV data link budget kapag tumutugma ito sa operating mode na kinakailangan ng application.

Kalkulahin ang paunang margin ng link bilang:

Link margin = Hinulaang natanggap na kapangyarihan − Receiver sensitivity

Kung ang hinulaang signal ay −78 dBm at ang naaangkop na sensitivity ay −103 dBm, ang paunang margin ay 25 dB. Sinasabi ng resultang iyon na ang nakamodelong signal ay 25 dB sa itaas ng napiling threshold ng receiver sa ilalim ng mga pagpapalagay na ipinasok sa worksheet.

Reserve margin para sa pagbabago ng mga kondisyon ng field

Ang fade margin ay ang magagamit na reserba sa pagitan ng inaasahang operating signal at ang minimum na antas na kinakailangan para sa napiling serbisyo. Ito ay sumisipsip ng mga pagkalugi na nag-iiba sa oras o hindi mahuhulaan nang tumpak sa panahon ng pagpaplanong nakabatay sa desk. Ang kinakailangang reserba ay nakasalalay sa kritikal na misyon, katanggap-tanggap na oras ng pagkaantala, kapaligiran ng landas, dalas, pag-uugali ng antenna, at kumpiyansa ng data ng pag-input.

Isama ang mga allowance para sa polarization error, connector tolerance, ground-antenna pointing, airframe blockage, partial obstruction, multipath, at kawalan ng katiyakan sa pag-install. Ang interference ay dapat hawakan nang mabuti dahil hindi nito palaging binabawasan ang natanggap na kapangyarihan ng signal; sa halip, maaari nitong pataasin ang epektibong ingay at pataasin ang antas ng signal na kailangan para sa isang partikular na rate ng data. Sa isang simpleng sheet ng pagpaplano, ang epektong iyon ay maaaring kinakatawan bilang isang konserbatibong sensitivity na parusa, kung ito ay malinaw na may label.

Ang clearance ng Fresnel ay nararapat sa isang maikling pagsusuri sa ruta para sa mga mababang landas na malapit sa lupain, mga halaman, mga gusali, o sa lupa. Hindi ginagarantiyahan ng visual na linya ng paningin ang isang hindi nababagabag na rehiyon ng pagpapalaganap. Kung saan ang clearance ay kaduda-dudang, isang terrain-aware propagation study ay mas angkop kaysa umasa lamang sa libreng space loss.

Isaalang-alang ang saloobin ng sasakyang panghimpapawid at pattern ng antenna

Ang halaga ng antenna sa isang pagkalkula ng link ng UAV ay dapat na ang pakinabang patungo sa kabilang radyo, hindi lamang ang maximum na bilang na naka-print sa isang datasheet. Ang isang omnidirectional antenna sa azimuth ay maaari pa ring magkaroon ng malalim na elevation na null, habang ang pag-install malapit sa carbon fiber, mga baterya, motor, wiring, camera, o iba pang mga antenna ay maaaring maghugis muli ng epektibong pattern nito.

Ang roll, pitch, at yaw samakatuwid ay nabibilang sa pagsusuri ng disenyo. Ang isang naka-bangko na pagliko ay maaaring paikutin ang polarization o ituro ang isang null patungo sa istasyon, habang ang isang overhead pass ay maaaring ilagay ang ground antenna sa labas ng pinakamalakas na rehiyon ng elevation. Ang pinaka uAng seful UAV data link budget ay naglalaman ng magkakahiwalay na mga sitwasyon para sa level flight, maximum na bangko, climb, overhead transit, at return heading.

Ang MIMO at tumanggap ng pagkakaiba-iba ay maaaring mapabuti ang katatagan, ngunit ang benepisyo ay dapat sumunod sa nakadokumentong radio mode at naka-install na antenna separation. Pangunahing ginagamit ang spatial multiplexing upang madagdagan ang kapasidad, samantalang ang pagkakaiba-iba ay nilayon upang mapabuti ang katatagan laban sa pagkupas. Ang pagdaragdag ng arbitrary na 'MIMO gain' sa natanggap na kapangyarihan ay maaaring mag-overstate ng performance.

Suriin ang parehong mga direksyon ng link at ang parehong mga limitasyon ng pagganap

Ang isang two-way na koneksyon ay nalilimitahan ng mas mahina nitong direksyon. Ang downlink ay maaaring may mas mataas na airborne transmit power at nagdadala ng mabigat na trapiko ng video, habang ang command uplink ay maaaring gumamit ng ibang ground antenna, setting ng channel, o sensitivity na kinakailangan. Ang katumbasan ng pagpapalaganap ay hindi ginagawang magkapareho ang kumpletong mga kadena ng kagamitan.

Ang hanay ng misyon ay dapat na nakabatay sa alinmang threshold ang unang naabot. Maaaring manatiling nakokontrol ang isang UAV pagkatapos na maging hindi magamit ang video stream, ngunit hindi iyon nangangahulugan na natugunan na ang orihinal na kinakailangan sa pag-link ng data.

 

Magpatakbo ng Isang Mahusay na Halimbawa, Pagkatapos Hamunin ang Resulta

Kumpletuhin ang isang makatotohanang pagkalkula ng UAV data-link

Isaalang-alang ang isang naglalarawang 2.4 GHz air-to-ground na link na may 10 km horizontal range at 500 m na pagkakaiba sa taas. Ang napiling pagsasaayos ng radyo ay gumagamit ng 1 W bawat RF chain, katumbas ng 30 dBm bawat chain, at isang 5 MHz channel na may −103 dBm sensitivity. Ang halimbawa ay isang ehersisyo sa pagkalkula sa halip na isang garantisadong paghahabol sa hanay.

Ang slant range ay √(10⊃2; + 0.5⊃2;), o humigit-kumulang 10.01 km. Ang pagkawala ng libreng espasyo ay humigit-kumulang 120 dB, habang ang EIRP ay 30 + 2 − 1, o 31 dBm. Ang natanggap na kapangyarihan ay nagiging 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Ang paghahambing ng −78 dBm sa −103 dBm ay nag-iiwan ng 25 dB ng nominal na margin. Mukhang magagawa iyon sa papel, ngunit ipinapalagay nito ang malinaw na linya ng paningin, tumpak na mga nakuha ng antenna, walang hindi na-modelong pagkawala ng pag-install, at pagiging sensitibo ng receiver na naaangkop sa kinakailangang serbisyo. Ang pagkalkula ng kabaligtaran ng direksyon ay dapat pa ring kumpletuhin gamit ang sarili nitong mga halaga ng transmitter, antenna, at receiver.

Stress-test ang budget bago aprubahan ang disenyo

Ang nominal na resulta ay dapat na ngayong hamunin sa halip na tanggapin. Ipagpalagay na ang isang banked turn at airframe placement ay nagdudulot ng 6 dB ng antenna-pattern loss. Kung ang interference at kawalan ng katiyakan sa pagpapatupad ay magpapataw ng karagdagang katumbas na 4 dB na parusa, ang available na margin ay bumaba mula 25 dB hanggang humigit-kumulang 15 dB.

Ang pagtaas ng kapangyarihan ng transmitter ay hindi palaging ang pinakamahusay na unang tugon. Ang mas mataas na output ng RF ay maaaring magpapataas ng kargang elektrikal, pagkawala ng init, timbang ng system, interference, at pagkakalantad sa regulasyon, habang ang mas magandang paglalagay ng antenna ay maaaring makabawi ng ilang decibel nang wala ang mga parusang iyon.

Ang pagsubok sa paglipad ay dapat umusad mula sa maikli, mababang panganib na mga landas patungo sa kumpletong sobre. Itala ang natanggap na lakas ng signal, SNR, modulation, throughput, packet loss, at latency sa antas ng outbound flight, mga pagliko, pag-akyat, overhead pass, at ang return heading. Ang paghahambing sa mga sukat na iyon sa mga kalkulasyon ng sitwasyon ay nagko-convert sa orihinal na worksheet sa isang naka-calibrate na modelo para sa mga misyon sa hinaharap.

 

Konklusyon

Ang isang maaasahang UAV data link na badyet ay dapat sumasalamin sa kumpletong misyon sa halip na isang perpektong line-of-sight na pagkalkula. Ang pagsuri sa parehong direksyon ng link, pagtutugma ng sensitivity ng receiver sa kinakailangang rate ng data, at pagbibigay-daan para sa orientation ng antenna, interference, at pagkalugi sa pag-install ay lumilikha ng mas makatotohanang batayan para sa disenyo at pagsubok sa paglipad.

Maaaring masuri ang mga produkto ng DDLmesh airborne data-link ng Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. sa loob ng parehong prosesong ito, na tumutulong sa mga team na ihambing ang mga operating configuration at pumili ng angkop na mga setting ng power, bandwidth, at modulation. Ang resulta ay isang mas malinaw na landas mula sa paunang pagpaplano ng RF hanggang sa maaasahang command, telemetry, at komunikasyon sa payload.

 

FAQ

Q: Ano ang UAV data link na badyet?

A: Ang UAV data link budget ay nagdaragdag ng transmitter power at antenna gains, ibinabawas ang path at hardware na pagkalugi, pagkatapos ay ikinukumpara ang hinulaang natanggap na power sa receiver threshold.

Q: Ano ang pangunahing RF link budget formula?

A: Ang hinulaang natanggap na kapangyarihan ay katumbas ng kapangyarihan ng transmitter kasama ang pagpapadala at pagtanggap ng mga nakuha ng antenna, minus cable, connector, propagation, polarization, blockage, at iba pang mga pagkalugi sa pagpapatupad.

T: Magkano ang link margin ang kailangan ng isang UAV communication system?

A: Walang universal target. Ang kinakailangang margin ay depende sa kritikalidad ng misyon, dalas, interference, paggalaw ng sasakyang panghimpapawid, katanggap-tanggap na pagkawala, at kumpiyansa sa mga pagpapalagay ng pagpapalaganap.

T: Bakit dapat gamitin ang slant range para sa mga kalkulasyon ng UAV link?

A: Sinasalamin ng slant range ang aktwal na three-dimensional na distansya sa pagitan ng sasakyang panghimpapawid at ground station, na isinasaalang-alang ang parehong pahalang na paghihiwalay at pagkakaiba sa altitude.

T: Dapat bang kalkulahin nang hiwalay ang mga badyet ng uplink at downlink ng UAV?

A: Oo. Ang bawat direksyon ay maaaring gumamit ng iba't ibang transmit power, antenna, cable loss, bandwidth, modulation, at sensitivity ng receiver, na gumagawa ng iba't ibang operating margin.

Q: Ang pagtaas ba ng transmit power ay palaging nagpapabuti sa UAV link reliability?

A: Maaaring mapataas ng mas maraming power ang natanggap na lakas ng signal, ngunit maaaring mas mahalaga ang paglalagay ng antenna, pagkawala ng feeder, bandwidth ng channel, interference, mga limitasyon sa regulasyon, init, at pagkonsumo ng enerhiya.