Радиосвязь-ликбез
Радиоуправление---автор Книжников ВВ
Радиоэфир или абсолютный космический вакуум ---это разновидность материи то есть универсальная среда или поле проводящая электромагнитные волны(расширяющийся теплород) и гравитация(схлопывающее давление)---- это разнонаправленные энергии в чистом виде,но при этом сам эфир полностью нейтрален типа ---не имеет массы,электрозаряда,магнитного поля(спин эффект) кроме одного свойства и размерности ----скорости распространения события 300 000 000 м/с!!!
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=0.25 длина волны! Разрешённый диапазон 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 радиодиапазоне 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 диапазон в эфире! Если уровень помех в том же диапазоне -100дб,то реальная чувствительность приёмника будет тоже 100дб вместо заявленных 112дб замерянных в лабораторных условиях глухой радио эхо камеры!потеря в 12дб чувствительности эквивалентно уменьшению дальности приёма в 4 раза!!!
Например в городе дальность видеосвязи на 5.8Г при мощности излучения 25 мвт не превышает 200м в прямой видимости, а за городом уже 400м, в малонаселенной глуши или на вершине холма уже 800м----при 1.2Г дальность пропорционально вырастит в 2-3 раза !
Чувствительность приёмника проверяется без антенны на малой мощности передатчика----при 0.1 мвт излучения должна 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 принимающими 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 диапазоне 4-6в для питания рулевых машинок напрямую с шины приёмников! Но теперь есть линейки приёмников ру с диапазоном 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 активируется 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 диапазоне 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 ретранслятор 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 радио аномалий 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 диапазов радиоканалов
Если видиолинк между дроном и ретранслятором в диапазоне 1.2 ггц, то передача на сну всегда в другом диапазоне 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 диапазон 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 используются 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 видео-сканер 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 диапазон видеолинка!
Дальность радиосвязи
Напряжённость электромагнитного поля волны обратно расстоянию, а вот мощность излучения падает в квадрате от расстояния!!!!
Где степень напряжённости 20lg(U/Uо)=20дб эквивалентно 10 кратному усилению----
0дб=усиление в 1, 1дб=1.1, 2дб=1.25, 3дб=1.4, 4дб=1.6, 5дб=1.8, 6дб=2, 10дб=3.2, 18дб=8, экв32дб=20дб+12дб=10х4=40
Степень мощности излучения принято как 10lg(Р/Ро)=10дбм эквивалентно 10мвт ----
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 децибелах 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. поглощения энергии волны атмосферой (молекулами газов воздуха)!
Поглощение 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 поглощении 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!!!
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 (2х2х1.25)=5 км! на голой горке за городом!!!
Например с видео-передатчиком 1.2Г 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 экв(22дб)=12.5км! ---рекомендуемая высота перепада это 1/10 расстоянию--- предел устойчивой видеокартинки на подстилающей поверхности на высоте 1.2км!
Для сравнения в открытом космосе,где нет паразитного поглощения 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 приёмников дальней космической связи сильно охлаждают чтобы повысить чувствительность!
Где все? космос с точки зрения радиоастрономии
От Солнца до ближайшей звезды 4.2 световых года или 4х(10)13 км!!! если рассчитать бюджет двухсторонней радио линии между нами и мнимыми туземцами , то это не менее 330 дб---- чудовищно мощная и крупногабаритная радио-аппаратура, например наземные станции космической связи только в пределах нашей солнечной системы радиусом всего 4 х(10)10 км это целое здание плюс очень узко направленная антенна типа тарелки диаметром пару-тройку десятков метров !!! А теперь представим , что ближайшая разумная цивилизация нашего уровня находится в 1000 световых годах!!!одним словом чтобы послать им радио сигнал нужной мощности сравнимой с излучением карликовой звезды у нас просто нет такого оборудования !
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 коллинеар 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 5дб 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! подробнее смотри статью "типы антенн"
ограничение
Чтобы ресурс радиопередатчика был большим, требуется хорошее охлаждение электронной платы вч блока радиатором, согласованная 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!
смотри статью "радиопомехи"
