Як розрахувати бюджет радіозв’язку для каналів передачі даних БПЛА

Канал передачі даних БПЛА може виглядати надійним під час короткого наземного випробування та все одно вийти з ладу, коли літальний апарат досягає максимальної дальності, нахиляється, набирає висоти або передає високошвидкісний відеопотік. Складність полягає не просто у виборі достатньої потужності передачі; кожен посилення антени, апаратні втрати, втрати при розповсюдженні, поріг приймача та робочі умови повинні бути оцінені разом.

Практичний Бюджет лінії передачі даних БПЛА перетворює ці змінні на оцінку отриманої потужності та корисного запасу. Розрахунок починається з прикладу місії, слідує радіочастотному тракту від передавача до приймача, додає втрати, пов’язані з польотом, і показує, чи зберігають достатній резерв канали керування та корисного навантаження.

 

Почніть із місії, а не з формули

Розділіть вимоги до висхідної лінії зв’язку, телеметрії та корисного навантаження

Дані команд, телеметрії та корисного навантаження не слід розглядати як один загальний потік трафіку. Командна висхідна лінія може передавати мало даних, але потребує низької затримки та дуже високої безперервності. Телеметрія може терпіти нижчу швидкість, тоді як низхідна лінія HD-відео може споживати більшу частину доступної ємності та вимагати сильнішого сигналу для вибраної модуляції.

Запишіть мінімальну пропускну здатність корисного навантаження, максимальну прийнятну затримку, толерантність до втрати пакетів і необхідну доступність для кожної служби. Використовуйте пропускну здатність додатків, а не пікову швидкість фізичного рівня радіостанції, оскільки накладні витрати на протокол, повторні передачі, контроль трафіку та зміна модуляції зменшують ємність, доступну для корисного навантаження. Таким чином, бюджет лінії передачі даних БПЛА слід перевіряти принаймні за двома пороговими значеннями: одним для підтримки командування та контролю, а іншим для підтримки необхідного потоку відео або датчиків.

Виберіть найгіршу точку в зоні польоту

Відстань має представляти найслабшу реалістичну точку на маршруті, а не просто оголошений радіус місії. Для літака на іншій висоті від наземної станції використовуйте нахил:

Діапазон нахилу = √(горизонтальна відстань⊃2; + різниця висот⊃2;)

Сама по собі геометрія не визначає найгіршу точку. Повороти, зміни тангажу, круті кути підйому, зворотні курси та розміщення корисного навантаження можуть поставити наземну станцію в слабшу частину діаграми спрямованості бортової антени. Правильні вхідні дані місії - це позиція та положення літака, які створюють найслабшу надійну ланку, навіть якщо інша точка знаходиться трохи далі.

 

Обчислюйте кожен прибуток і втрату в одному розрахунку

Створіть аркуш введення з однієї фактичної конфігурації радіо

Почніть з одного повного режиму роботи. Не поєднуйте найвищу потужність передачі, вузькосмугову чутливість, найширший канал і максимальну швидкість передачі даних, якщо ці характеристики не можуть виконуватися одночасно.

Блоки мають різні ролі. дБм виражає абсолютний рівень потужності, дБі описує посилення антени відносно ізотропного випромінювача, а дБ виражає коефіцієнт посилення або втрат. Оскільки рівняння є логарифмічним, прибуток додається, а збиток віднімається безпосередньо.

Специфікації продукту слід розглядати як пов’язані умови експлуатації. Бортова серія WDS DDLmesh підтримує ширину широкосмугового та вузькосмугового каналів, адаптивну модуляцію BPSK через 64QAM, параметри радіочастотного виходу, що регулюються, функції 2×2 MIMO та чутливість приймача −103 дБм на 5 МГц або −117 дБм на 250 кГц. Ці значення ілюструють, чому робоча таблиця повинна спочатку вибрати пропускну здатність і швидкість обслуговування: вузькосмугова чутливість не може бути використана для підтвердження того, що широкосмуговий відеопотік буде працювати.

Розрахуйте втрати на шляху вільного простору на основі частоти та діапазону нахилу

Для безперешкодного маршруту «точка-точка» обчисліть втрати на шляху вільного простору з частотою в МГц і відстанню в кілометрах:

FSPL (дБ) = 32,4 + 20 log10(фМГц) + 20 log10(дкм)

Втрати на траєкторії у вільному просторі представляють собою еталонну умову, а не листя, дифракцію на місцевості, блокування планера, перешкоди або зміщення антени. Для цих ефектів потрібні окремі допуски або більш детальна модель розповсюдження.

На 2,4 ГГц на відстані 10,01 км розрахунок такий:

FSPL = 32,4 + 20 log10(2400) + 20 log10(10,01)

FSPL ≈ 120,0 дБ

Частота, введена в ГГц, а не в МГц, призведе до помилки 60 дБ у цій версії рівняння. Тому одиниці вимірювання слід відображати поруч із кожною клітинкою введення, а не залишати в пам’яті.

Розрахуйте EIRP та прогнозовану отриману потужність

Еквівалентна ізотропно випромінювана потужність об’єднує умови передаючої сторони:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Якщо передавач створює 30 дБм, антена забезпечує 2 дБі у відповідному напрямку, а шлях кабелю втрачає 1 дБ, EIRP становить 31 дБм. Це значення слід перевірити на відповідність правилам, які застосовуються до вибраної частоти та робочого місця.

Прогнозована потужність приймача тоді:

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

Тримайте додаткові втрати видимими. Єдиний 'фактор безпеки' без пояснення ускладнює визначення того, чи містить модель невідповідність поляризації, затінення планера, помилку відстеження, допуск роз'єму або середовище з підвищеним шумом. Окремі записи також спрощують порівняння пізніших даних польотних випробувань із початковим бюджетом лінії передачі даних БПЛА.

Нарешті, розрахуйте шляхи повітря-земля та земля-повітря в окремих стовпцях. Вони можуть мати однакову відстань і втрату вільного простору, але різні потужності передачі, встановлення антен, прокладка кабелю, смуга пропускання та пороги чутливості можуть створювати суттєво різні запаси.

 

Вирішіть, чи посилання все ще працює під час польоту

Порівняйте отриману потужність із правильним значенням чутливості

Чутливість приймача не є постійною характеристикою радіо. Зазвичай він змінюється залежно від пропускної здатності, модуляції, кодування, показників цільової помилки та іноді кількості активних радіочастотних ланцюгів. Значення чутливості має вводитися в бюджет лінії передачі даних БПЛА лише тоді, коли воно відповідає режиму роботи, необхідному для програми.

Розрахуйте початкову маржу посилання як:

Запас зв'язку = Прогнозована отримана потужність − Чутливість приймача

Якщо прогнозований сигнал дорівнює -78 дБм, а застосовна чутливість -103 дБм, початковий запас становить 25 дБ. Цей результат говорить про те, що змодельований сигнал на 25 дБ перевищує вибраний поріг приймача відповідно до припущень, введених у робочу таблицю.

Резерв запасу для змін польових умов

Запас завмирання — це корисний резерв між очікуваним робочим сигналом і мінімальним рівнем, необхідним для вибраної послуги. Він поглинає втрати, які змінюються з часом або які неможливо точно передбачити під час кабінетного планування. Необхідний резерв залежить від критичності місії, прийнятного часу перерви, середовища траєкторії, частоти, поведінки антени та достовірності вхідних даних.

Включіть допуски на помилку поляризації, допуски роз’єму, наведення наземної антени, блокування планера, часткову обструкцію, багатопроменевість і невизначеність встановлення. З перешкодами слід поводитися обережно, оскільки вони не завжди зменшують потужність отриманого сигналу; замість цього він може підвищити ефективний рівень шуму та збільшити рівень сигналу, необхідний для даної швидкості передачі даних. У простому аркуші планування цей ефект може бути представлений як консервативне покарання за чутливість, якщо це чітко позначено.

Дозвіл Френеля заслуговує на коротку перевірку маршруту для доріжок на низькій висоті поблизу місцевості, рослинності, будівель або землі. Візуальна лінія прямої видимості не гарантує непорушеної області розповсюдження. Якщо відстань викликає сумніви, дослідження розповсюдження з урахуванням рельєфу місцевості є більш доцільним, ніж покладатися лише на втрату вільного простору.

Враховуйте положення літака та діаграму спрямованості антени

Значення антени в розрахунках лінії зв’язку БПЛА має бути коефіцієнтом підсилення до іншої радіостанції, а не просто максимальним числом, надрукованим у таблиці даних. Всеспрямована антена по азимуту все ще може мати глибокі нульові кути місця, тоді як встановлення поблизу вуглецевого волокна, акумуляторів, двигунів, проводів, камер чи інших антен може змінити її ефективну діаграму спрямованості.

Тому крен, крен і поворот належать до огляду дизайну. Нахилений поворот може обертати поляризацію або спрямовувати нуль у бік станції, тоді як прохід над головою може розташувати наземну антену за межами області найбільшої висоти. Найбільш уБюджет каналу передачі даних БПЛА містить окремі сценарії для горизонтального польоту, максимального крену, набору висоти, транзиту над головою та зворотного курсу.

MIMO та рознесеність прийому можуть підвищити стійкість, але перевага повинна відповідати задокументованому радіорежиму та встановленому розділенню антен. Просторове мультиплексування в основному використовується для збільшення пропускної здатності, тоді як різноманітність призначена для підвищення стійкості до завмирання. Додавання довільного 'підсилення MIMO' до отриманої потужності може завищити продуктивність.

Перевірте обидва напрямки зв’язку та обидва пороги продуктивності

Двостороннє з'єднання обмежене його слабшим напрямком. Низхідна лінія може мати вищу потужність передачі в повітрі та передавати інтенсивний відеотрафік, тоді як висхідна лінія може використовувати іншу наземну антену, налаштування каналу або вимоги до чутливості. Взаємність поширення не робить повні ланцюги обладнання ідентичними.

Дальність місії має ґрунтуватися на тому, який поріг буде досягнуто першим. БПЛА може залишатися керованим після того, як відеопотік стає непридатним для використання, але це не означає, що початкова вимога до каналу передачі даних виконана.

 

Запустіть оброблений приклад, а потім випробувайте результат

Виконайте один реалістичний розрахунок каналу передачі даних БПЛА

Розглянемо ілюстративний канал повітря-земля на частоті 2,4 ГГц із радіусом дії 10 км по горизонталі та перепадом висоти 500 м. Вибрана конфігурація радіо використовує 1 Вт на радіочастотний ланцюг, що еквівалентно 30 дБм на ланцюг, і канал 5 МГц із чутливістю −103 дБм. Прикладом є обчислення, а не заява про гарантований діапазон.

Діапазон нахилу становить √(10⊃2; + 0,5⊃2;), або приблизно 10,01 км. Втрати вільного простору становлять близько 120 дБ, тоді як EIRP становить 30 + 2 − 1, або 31 дБм. Отримана потужність дорівнює 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 дБм.

Порівняння −78 дБм з −103 дБм залишає 25 дБ номінального запасу. На папері це виглядає працездатним, але припускає чітку лінію видимості, точні коефіцієнти підсилення антени, відсутність немодельованих втрат при установці та чутливість приймача, що відповідає необхідній службі. Розрахунок у протилежному напрямку все ще повинен бути завершений власними значеннями передавача, антени та приймача.

Проведіть стрес-тест бюджету перед затвердженням проекту

Номінальний результат тепер слід оскаржити, а не прийняти. Припустімо, що креновий поворот і розташування планера призводять до втрати діаграми спрямованості антени на 6 дБ. Якщо перешкоди та невизначеність реалізації накладають додатковий еквівалентний штраф у 4 дБ, доступний запас падає з 25 дБ до приблизно 15 дБ.

Збільшення потужності передавача не завжди є найкращою першою реакцією. Вищий радіочастотний вихід може збільшити електричне навантаження, розсіювання тепла, вагу системи, перешкоди та нормативний вплив, тоді як краще розміщення антени може відновити кілька децибел без цих штрафів.

Льотне випробування має просуватися від коротких шляхів з низьким ризиком до повного конверта. Записуйте потужність отриманого сигналу, SNR, модуляцію, пропускну спроможність, втрату пакетів і затримку під час горизонтального вихідного польоту, поворотів, набору висоти, проходів над головою та зворотного курсу. Порівняння цих вимірювань з обчисленнями сценарію перетворює оригінальний аркуш на відкалібровану модель для майбутніх місій.

 

Висновок

Надійний бюджет лінії передачі даних БПЛА повинен відображати повну місію, а не ідеальний розрахунок прямої видимості. Перевірка обох напрямків зв’язку, узгодження чутливості приймача з необхідною швидкістю передачі даних і врахування орієнтації антени, перешкод і втрат при установці створює більш реалістичну основу для проектування та льотних випробувань.

Продукти Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. DDLmesh бортового каналу передачі даних можна оцінити в рамках цього самого процесу, допомагаючи командам порівнювати робочі конфігурації та вибирати відповідні параметри потужності, пропускної здатності та модуляції. Результатом є чіткіший шлях від початкового радіочастотного планування до надійного командування, телеметрії та зв’язку з корисним навантаженням.

 

FAQ

З: Що таке бюджет каналу передачі даних БПЛА?

A: Бюджет лінії передачі даних БПЛА додає потужність передавача та підсилення антени, віднімає траєкторію та апаратні втрати, а потім порівнює прогнозовану отриману потужність із порогом приймача.

З: Яка основна формула бюджету радіозв’язку?

Відповідь: Прогнозована отримана потужність дорівнює потужності передавача плюс підсилення передаючої та приймальної антен мінус кабель, роз’єм, розповсюдження, поляризація, блокування та інші втрати реалізації.

Питання: Який запас зв’язку потрібен системі зв’язку БПЛА?

A: Універсальної цілі не існує. Необхідний запас залежить від критичності місії, частоти, перешкод, руху повітряного судна, прийнятних відключень і впевненості в припущеннях про розповсюдження.

Питання: Чому для розрахунків зв’язку БПЛА слід використовувати нахил?

Відповідь: Дальність нахилу відображає фактичну тривимірну відстань між літальним апаратом і наземною станцією, враховуючи як горизонтальну відстань, так і різницю висот.

Питання: чи варто окремо розраховувати бюджети БПЛА на висхідну та низхідну лінії?

A: Так. Кожен напрямок може використовувати різну потужність передачі, антени, втрати в кабелі, пропускну здатність, модуляцію та чутливість приймача, створюючи різні робочі запаси.

Питання: Чи завжди збільшення потужності передачі покращує надійність зв’язку БПЛА?

Відповідь: Більша потужність може збільшити потужність отриманого сигналу, але розташування антени, втрати фідера, пропускна здатність каналу, перешкоди, нормативні обмеження, нагрівання та споживання енергії можуть бути важливішими.