Для забезпечення стабільного зв’язку дрона з наземною станцією на його рамі встановлюють передавач та антени для посилення сигналу. В статті будемо розбиратись в різних видах обладнання та принципах його роботи. Більше про особливості налаштування радіозв’язку можна дізнатися у статті про протокол lora або expresslrs fpv.
Основи відеозв’язку: VTX та VRX
Система керування FPV працює на відеозв’язку. Основними компонентами є відеопередавач (VTX) на дроні та приймач (VRX) в окулярах оператора чи на моніторі комп’ютера наземної станції.
Відеопередавач (VTX) встановлюють в центральній частині рами дрона приблизно над модулем навантаження для FPV. Таке розташування з надійною фіксацією попереджає вібрації пристрою, які здатні погіршити його функціонування. Передавач підключають до відеокамери, від якої він отримує відеосигнал та передає його оператору, використовуючи певну частоту. Додатково пристрій може мати функцію автоматичного пошуку, сканування діапазону та підтримувати канал, на якому менше перешкод, який менше завантажений.
Деякі відеопередавачі можуть самостійно змінювати потужність передачі. Потужність вимірюється у mW та впливає на дальність передачі сигналу, здатність проникати через перешкоди, як-от бетонні стіни, та забезпечувати якісне, чітке, деталізоване зображення. Передавач отримує живлення від бортової батареї. Якщо його потужність занадто висока, передавач нагрівається, вимагає охолодження, що підвищує енергоспоживання. В результаті акумулятор швидше розряджається, що зменшує дальність польоту.
Частотні діапазони: 5.8 ГГц vs 1.2/1.3 ГГц
Частота пов’язана з довжиною хвилі. Чим нижче частота, тим довше хвиля. Низька частота дає стабільніший сигнал на великій відстані, він краще долає перешкоди на шляху. Висока частота (та відповідно коротка хвиля) здатна передавати більший обсяг інформації, але не підходить для складної місцевості. Для забезпечення високої швидкості та перешкодостійкості сигналів, якими FPV-дрони обмінюються з оператором, використовують антени з найбільш ефективними частотними діапазонами, як-от:
- 5.8 ГГц. Це є основний стандарт для відкритої місцевості. Уможливлює швидку передачу даних з мінімальною затримкою та високою якістю деталізованого відеозображення. Через слабку пробивну здатність не підходить для дальніх польотів з перешкодами.
- 1.2/1.3 ГГц. Вибір для передачі стабільного сигналу на великі дистанції з перешкодами у вигляді нерівного рельєфу, дерев тощо. Вимагає великих антен, що підходять для дронів більших розмірів. Частота більш сумісна з аналоговими системами.
Вибирати антену за частотним діапазоном варто лише відповідно до умов виконання місії, а не за окремими технічними характеристиками.
Типи антен та поляризація
FPV-антена передає та приймає радіохвилі певного діапазону частот, що відповідає її технічним характеристикам. Відеопередавач формує сигнал, а антена лише його передає. Головною характеристикою антени є її поляризація (спрямованість коливань радіохвилі), яка буває лінійна та кругова. Важливо, щоб антени на передавачі та приймачі були з однаковою поляризацією.
Для оснащення FPV-дронів у польотах на незначну відстань перевагу надають антенам з круговою поляризацією, оскільки з ними можлива висока стабільність сигналу навіть під час маневрів безпілотника у складних погодних умовах. Для віддалених польотів краще підійде лінійна поляризація з вищим коефіцієнтом підсилення у цільовому напрямку.
LoRa (Long Range) це енергоефективна технологія радіозв’язку на великих відстанях. Вона адаптує швидкість передачі даних відповідно до запиту на якість результату та залежно від відстані до приймача. Уможливлює надійний контакт навіть за наявності перешкод. LoRa використовує лінійну частотну модуляцію сигналів, тому забезпечує їх кращу якість без впливу шумів та перешкод.
Всеспрямовані та спрямовані антени
Антени для дронів бувають спрямовані (спіральні та патч-антени) та всеспрямовані. Спрямовані антени випромінюють сигнал лише в одному напрямку з обмеженою площиною покриття, але з високою стабільністю. Всеспрямовані здатні приймати та відправляти сигнали в різних напрямках при польоті дрона на невеликі відстані, але навіть при цьому існує зона низького підсилення, в якій сигнал буде слабший.
На FPV-дронах частіше встановлюють всеспрямовані антени з круговою поляризацією (RHCP/LHCP). Вони забезпечують стабільність сигналу навіть за умов наявності перешкод, як-от будівлі, дерева чи інші фізичні перепони. Спрямовані антени кругової поляризації, або так звані спіральні антени, краще підходять для віддалених польотів. Вони охоплюють широкі діапазони частот, мають великий коефіцієнт підсилення.
|
Тип антени |
Спрямованість | Переваги |
Недоліки |
| Всеспрямована (Omni) | 360 градусів | Стабільний сигнал у будь-якому положенні дрона | Низька дальність зв’язку |
| Патч-антена (Patch) | Спрямована (секторна) | Висока дальність у межах сектора | Сигнал зникає при вильоті за межі кута огляду |
| Спіральна (Helical) | Вузькоспрямована | Максимальна дальність та пробивна здатність | Потребує точного наведення на дрон |
Найбільш ефективно використовувати дрони з двома антенами з diversity-технологією, яка забезпечує стабільний сигнал на невеликій відстані від наземної станції через всеспрямовану антену, а під час дальніх польотів перемикається на спрямовану (патч-антену), що дає сильніший сигнал за таких умов.
Всеспрямовані антени найкраще підходять для маневрових польотів навколо себе, між будинками. Прикладом є універсальна, багатофункціональна антена “конюшина” (Clover leaf). Вона має компактну форму, схожу на листя трилистої конюшини. Також є конструкція у вигляд гриба.
Антена “пагода” (Pagoda) має кругову поляризацію. Її багаторівнева структура утворює фазовий зсув хвиль між шарами текстоліту, завдяки чому досягається максимальна рівномірність поля, а сигнал впевнено проходить крізь перешкоди. “Пагода” демонструє ідеальну пробивчу стійкість, але має більшу вагу.
Для дальніх польотів підходять направлені патч-антени, які є дуже компактними та ефективними, або спіральні антени (Helical) для конкретного напрямку.
Поняття радіогоризонту
Є об’єктивне обмеження відстані, на яку можна передавати радіосигнал, та яка зумовлена поняттям радіогоризонту. Радіохвилі переміщуються у просторі лише по умовно прямій лінії, оскільки Земля є круглою. На певній відстані проявляється кривина Землі та втрачається сигнал. Цей фрагмент маршруту називається радіогоризонт, або “дальність прямої видимості”, на яку впливають особливості середовища, рельєф землі, однорідність атмосфери тощо. Будь-яка перепона (наприклад, пагорб) може зменшити радіогоризонт.
Збільшити радіогоризонт можна, якщо летіти вище над рівнем моря. На тій самій відстані при зниженні дрона відеосигнал та сигнал керування зникають. Щоб додатково збільшити дальність зв’язку, підіймають антену приймача на щоглі. Суттєво збільшити дальність польоту та стабілізувати сигнал в умовах роботи засобів РЕБ можна за допомогою наземної станції ретранслятора.
Вплив РЕБ на відеосигнал
Засоби радіоелектронної боротьби розпізнають дрони та створюють завади для відеозв’язку та сигналів керування за допомогою радіовипромінювання у вигляді шумів, які можуть пошкодити відео, призвести до затримки запису або навіть знищення сигналу. Все це призводить до погіршення наведення та втрати керування дроном. Системи РЕБ можуть бути різними за принципом роботи та дальністю.
Знаючи, що таке FPV дрон і як він діє, можна мінімізувати завади, використовуючи ретранслятори, БПЛА, які супроводжують ударні дрони ЗСУ, та підсилюють його сигнали. Також можна змінювати частоти, надавати перевагу спрямованим антенам.
