Радиосвязь-ликбез

Версия 09:11, 6 мая 2021

радиоуправление---автор Книжников ВВ

Благодаря изобретению радио русским ученым Поповым на теории волн немецкого физика Герца появилась радиосвязь! Это основное дистанционное управление для большинства беспилотников на большие расстояния в десятки километров при направленных антеннах и прямой видимости между дроном и оператором!

Ру делиться на аналоговый одноканальный радиосигнал типа АМ, ЧМ, ШИМ и цифровой импульсный сигнал с двоичным кодом, прыгающий по каналам  и своим протоколом связи типа дуплекс ---широкополосная!

Аналоговое ру применяется в гражданском исполнении типа моделей и игрушек при гарантированной дальности связи до пары километров и занимает всегда конкретный канал разрешенного радиодиапозона 27-28Мгц, 35-40Мгц и 144Мгц при непрерывном одностороннем излучении передатчиком радиоволны мощностью 50-500 мвт!

Цифровое ру применяется для профессиональных задач, где требуется повышенная помехо-защищённость двухстороннего канала связи с возможностью приёма телеметрической информации с борта дрона помимо самого удаленного ручного управления! Принцип обмена данными между передатчиком и приёмником по принципу вай-фай связи между радио-модемами с мощность излучения 10-1000мвт! Мощность излучения можно замерить лампотестером с усиками в 1/4 лямбда! Разрешённый диапозон 433Мгц, 900Мгц и 2.4Ггц, 5.8Ггц----чем выше частота прыгающих каналов, тем шире пропускная способность радиоканала от сотен килобит в секунду до нескольких мегабит! Существует несколько стандартов протокола связи в гражданском использовании, каждый со своей математикой и поэтому они не видят друг друга даже в одном радио диапозоне.

Микроприёмники массой менее 10г обычно односторонней связи----телеметрические ру приёмники типа дуплекс более громозкие, но и более чувствительные, надежные и помехозащищённые!

Видеопередающее оборудование работает по тем же принципам, что и радиоуправления!

радиоприёмник

Главная хар-ка приёмника это чувствительность----у цифровых радиоуправляемых доходит до 115дб, у телевизионных аналоговых до 95дб!!!

Чувствительность приёмника сильно портится загрязнением эфира в радиодиапозоне приёма-----например ру на 2.4Ггц и мобильный вай-фай друг друга глушат и дальность связи резко падает в городских условиях в 2-4 раза по сравнению с сельской и не заселённой местностью типа тайга, пустыня или тундра-----поэтому надо искать чистый диапозон в эфире!

Например в городе дальность видеосвязи на 5.8Г при мощности излучения 25 мвт не превышает 400м в прямой видимости, а за городом уже 800м, в малонаселенной глуши или на вершине холма уже 1.6км----при 1.2Г дальность пропорционально вырастит в 2-3 раза !

Чувствительность приёмника проверяется без антенны на малой мощности передатчика----при 0.1мвт излучения дожна быть дальность приёма не менее 10-15 метров! Саму приёмную антенну подбирают к конкретному приёмнику тем же методом----дальность должна быть не менее 30-50м!

Простые приёмники бывают с одной приёмной антенной, вч блоком и дешифратором и сложные типа диверсити с двумя и более принимающеми каскадами----несколько антенн и вч блоков и одним дешифратором на базе микрочипа, который определяет самый чистый и мощный радиосигнал приходящий на разное расположение диаграмм ! Сейчас по мимо низкочастотного восьмиканального шима для управления электроприводов с приёмника стали применять цифровые стандарты типа сбас для увеличения каналов связи до двадцати----- возможность сразу управлять большим кол-вом функций и исполнительных механизмов одновременно! Но на практике сразу использовать более 5- 6 команд в ручном управлении одним оператором не получается-----поэтому большими беспилотниками управляют два-три человека, это пилот отвечающий только за вождение дрона, наводчик систем видеонаблюдения и оружия, машинист манипулятора и других функций! А бортовая автоматика помогает разгрузить одновременную многозадачность операторам дронов!

Исторически напряжение питания сложилось на номинал в 5 вольт при возможном диапозоне 4-6в для питания рулевых машинок напрямую с шины приёмников! Но теперь есть линейки приёмников ру с диапозоном питания 3-35в!

Внимание----обычно приёмники идут в пластмассовом корпусе и попытка их заэкранировать металлическим заземленным корпусом вызывают расстройства вч контуров на плате!

радиомаяк

В случае аварии дрона на маршруте и его не возврате на базу всегда активируетя аварийный автономный радиомаяк, работающий в импульсном режиме до одной недели -----есть два вида

1) жпс-трекер посылающий смс сообщение по сотовой связи на мобильный телефон с текущими координатами маяка!

2) радиожучок с встроенным жпс приёмником работающий обычно в диапозоне 433Мгц на любительские цифровые радиостанции с синтезатором речи, проговаривающим текущие координаты!

Принцип локации, как у охоты на лис---если при аварии видеолинк не отключился на борту, то можно также засечь азимут потеряшки по силе сигнала на направленную антенну видеоприёмника и идти на цель постепенно уменьшая чувствительность ручной настройкой канала!

причины применения ретранслятора

В условиях плохого приема радиосигналов с борта дрона применяется высотный рентранслятор на базе аэростата или коптера---- причин слабого сигнала множество

1) слишком большое удаление дрона от базы!

2) выход дрона из зоны Френеля, где диаграмма приёма у экрана земли выглядит как яйцо в космос, вместо булика на высоте!

3) вход дрона в зоны радиоаномалий типа залежи подземных руд, железнодорожные линии электропоездов, линии электропередачи высокого напряжения, большие отдельно стоящие металлоконструкции в виде ангаров, мостов, небоскребов, башен, труб, кораблей, вышек сотовой и радиорелейной связи!

4) большая напряженность радиопомех в зоне мегаполисов от мобильной связи и вай фай интернета!

5) работа дрона на малой высоте или на поверхности земли или воды, а также в лесистой местности!

6) выход дрона из зоны прямой видимости сну по причине радиотени от строений, холмов и деревьев!

7) наличие на маршруте зон с открытой дуговой электросваркой и искрообразования от контактно-проводного электротранспорта типа троллебус, трамвай, электричка, как источников широко-импульсной радиопомехи!

8) интерференция радиоволн в зоне приема на земле от всех отражающих поверхностей с электропроводящими свойствами типа зелёной кроны деревьев,металлопластиковые заборы, рекламные щиты и окна,висящие провода, железобетонные фасады строений----

это всё так называемое радиоболото, где сильно вязнет радиосигнал в 10раз!

смысл поднятия ретранслятора на высоту 100-300 метров это попасть в зону прямой видимости с дроном---чем выше , тем устойчивее радиосвязь!

это полный эквивалент вышек сотовой связи,городских телебашен или вершина голой горы или холма! 

связки диапозов радиоканалов

Если видиолинк между дроном и ретранслятором в диапозоне 1.2 ггц, то передача на сну всегда в другом диапозоне например 2.4 или 5.8 ггц ----- главное чтоб гармоники сигналов с ретранслятора на сну и на дрон не попадали на частоты каналов приёма! При ручном управлении дроном со сну вне режима автопилотирования по программе диапозон ру или радиомодема также должен быть разным --- например с земли идёт связь по 35-40 мгц на ретранслятор, а на дрон уже 433 или 900мгц! Для увеличения пробивной дальности видеолинка и радиоуправления на ретрансляторе используютя направленные антенны типа яги ортогонально расположенных друг к другу с минимальной боковой парусностью! При цифровом линке на борту дрона достаточно одной антенны для передачи видео, телеметрии и команд управления по принципу вай-фая на ретранслятор, а затем на компьютер сну!

Разновидностью ретранслятора является летающий видеосканер на базе маленького квадрокоптера для контроля других бпла в ближнем пространстве ----достаточно подняться выше окружающих домов в городе или деревьев в лесу на высоту 100-150 метров и просканировать весь диапозон видеолинка!

Дальность радиосвязи

Напряжённость электромагнитного поля волны обратно расстоянию, а вот мощность излучения падает в квадрате от расстояния!!!!

Где степень напряжённости 20lg(Uo/U)=20дб эквивалентно 10кратному усилению----

0дб=усиление в 1, 1дб=1.1, 2дб=1.2, 3дб=1.4, 4дб=1.6, 5дб=1.8, 6дб=2, 10дб=3.2, 18дб=8, экв32дб=20дб+12дб=10х4=40

Степень мощности  излучения 10lg(Рo/Р)=10дбм эквивалентно 10 усилению----

1мвт=0дбм, 10мвт=10дбм, 100мвт=20дбм, 1вт=30дбм, 10вт=40дбм

Так называемый бюджет линии обеспечивает предельную дальность устойчивой связи между передатчиком и приёмником, как сумма логарифмов в дедибелах мощности излучения , коэф.усиления антенны передатчика №1, коэф.чувствительности приёмника и коэф.усиления антенны №2 для чистого космического вакуума,он же эфир!

Кбюд = излучение Tx(Ку.мощ+Ку.ант1)+чувствительность Rx(Ку.чув+Ку.ант2) = Ку.м+Ку.1+Ку.пр+Ку.2

Возможность реальной дальности это разница бюджета линии связи и коэф. поглащения энергии волны средой радиоэфира (молекулами газов воздуха)!

Поглащение сигнала сильно зависит от погодных условий типа тумана, осадков и магнитных бурь, а также наличие листвы на деревьях и интерференции прямого и отраженного сигнала от экранирующих поверхностей типа земля, вода, строения, горы!

Тогда при реальном поглащении атмосферой Земли в прямой видимости с учётом запаса на сигнал-шум 6дб----Кпог=-50дб для 1.2Г---Кпог=-55дб для 2.4Г-----Кпог=-60дб для 5.8Г и математически получаем дальность устойчивой связи в метрах как десять в степени равной Костаток делённый на 20дб--------l(м)=10((Кбюд+Кпог)/20дб)

Расстояние связи в км l=1км х (эквивалент Кдал)---- Кдальности(дб)=(Кбюд+Кпог-60дб),

где -60дб или 1 000 кратного ослабления-затухания эквивалентно 1км дальности !

При ру 2.4Г мощностью 100мвт или Ку.м=20дбм и стандартной чувствительностью Ку.пр=105дб на диполях по 2дб получаем бюджет линии Кбюд=20дбм+2дб+105дб+2дб=129дб и около Кдал=129дб-55дб-60дб=14дб, тогда предел дальность l=1км х (экв14дб)=1км х экв(6дб+6дб+2дб)=1км х (2х2х1.2)=4.8 км! на голой горке за городом!!!

Например с видео-передатчиком 1.1Г мощностью 1 вт или Кум =30дбм и диполе Ку.1=2дб при чувствительности стандартного видеоприёмника Купр= 90дб и направленной антенны типа пятиэлементной уда-яги Ку.2=10дб получаем Кбюд=132дб -------- тогда Кдал=132дб-50дб-60дб=22дб или l=1км х (экв22дб)=12км ---рекомендуемая высота это 1/10 расстоянию--- предел устойчивой видеокартинки на подстилающей поверхности на высоте 1.2км!

Для сравнения в открытом космосе,где нет паразитного поглащения среды, дальность того же комплекта была бы в 320 раз больше или 4000км!!! Например на высоте 40 тысяч км висят спутники-ретрансляторы геостанционарной орбиты для трансляции спутникого телевидения на планету Земля.При запасе двух-трёх мощностей для пробивания сигналом 100 км атмосферы направленное радиоизлучение покрывает до четверти поверхности планеты---- приёмная тарелка телевизора с острой диаграммой направлена строго на спутник в зоне прямой видимости! Чем острее луч диаграммы, тем выше коэф. усиления антенны!!!

Постоянная Больцмана при температуре приёмника 293К=+20С -----тепловой шум радиоэфира (ик-волны)фон= -120дб!!! поэтому входные каскады приёмиков дальней космической связи сильно охлаждают чтобы повысить чувствтельность!

Самые распространенные связки антенн для дальней связи на десятки километров с беспилотником ------

1) при вертикальной поляризации коасильный диполь или V-антенна 2-2.5 дб с диаграммой бубликом или коллениар 4-5дб блином с стороны дрона и направленные антенны типа патч 8-10дб или волновой пяти-элементный канал 10-11 дб(она же Уда-Яги) со стороны СНУ!

2) при круговой поляризации левого и правого вращения хороши клевер 1.5дб с пышкой и семи-восьми витковый хеликс 10-12дб!

3) также применяются антенны би-квадрат 10дб, вивальди 8дб на приём и грибок-пагода 2дб на передачу!

4) в особых случаях сверхдальней связи на сотни километров применяют станции с направленными антенн-трекерами на борту дрона и на сну постоянно нацеленных друг в друга в автоматическом режиме слежения!

ограничение

Чтобы ресурс радиопередатчика был большим, требуется хорошее охлаждение электронной платы вч блока радиатором, согласованая антенна и дефорсирование по удельной мощности излучения----удельная мощность потребления не должна превышать 0.1 вт/г! например-----честная потребляемая мощность передатчика при КПД изл= 25% при массе 30г не более 30х0.1=3вт внутри корпуса бпла! это всего четверть на выходе и 750 мвт излучения при токе потребления 3вт/12в=0.25а!