Дальность радиосвязи с беспилотным воздушным судном: радиогоризонт, зона Френеля, антенны и ретранслятор #

Модуль «Радиолинии управления и передачи данных беспилотных воздушных судов». 

Физические пределы дальности радиосвязи с беспилотным воздушным судном: радиогоризонт, первая зона Френеля, вклад высоты мачты и коэффициента усиления антенны. Разобран расчёт линии связи на дальность 60 километров с использованием направленных антенн и ретранслятора, а также порядок диагностики, когда рекомендации выполнены, а связь не установлена.

Назначение статьи и результаты обучения

Дальность радиосвязи с беспилотным воздушным судном чаще всего пытаются увеличить наращиванием мощности передатчика. В большинстве практических случаев этот ресурс расходуется впустую: предел дальности определяется не мощностью, а геометрией линии связи, свойствами антенн и потерями в трактах. После изучения настоящей статьи внешний пилот умеет:

• определять дальность радиогоризонта и указывать участки полётного задания, на которых связь физически невозможна при любой мощности передатчика;
• рассчитывать радиус первой зоны Френеля и объяснять, почему оптическая видимость воздушного судна не гарантирует устойчивого приёма видеоизображения и телеметрии;
• оценивать вклад высоты мачты и коэффициента усиления антенны в дальность радиолинии;
• планировать радиолинию дальностью 60 километров на основе направленных антенн и ретранслятора, а не увеличения мощности передатчика;
• выполнять последовательную диагностику радиолинии в случае, когда подготовительные мероприятия выполнены, а связь не установлена.

Термины и сокращения

В настоящей статье применяются следующие обозначения: дБ и дБи — децибел и децибел относительно изотропной антенны; дБм — децибел относительно мощности один милливатт; МГц и ГГц — мегагерц и гигагерц; км и м — километр и метр; Вт — ватт. Обозначения единиц приведены в соответствии с ГОСТ 8.417-2002.

Радиогоризонт: где связь физически невозможна

3.1. Физика предела дальности

Радиоволны диапазонов от сотен мегагерц до нескольких гигагерц распространяются приблизительно прямолинейно. Поверхность Земли искривлена, поэтому на достаточном расстоянии прямая линия между антеннами опускается ниже поверхности. Начиная с этой дальности энергия сигнала к приёмнику не приходит вовсе: препятствием служит сама планета. Дифракция сигнала в область геометрической тени даёт затухание в десятки децибел и быстро растёт с удалением за горизонт, поэтому устойчивая связь за радиогоризонтом на рассматриваемых диапазонах невозможна при любой мощности передатчика.

Атмосфера преломляет радиоволны вниз, к поверхности Земли, поэтому радиоволны распространяются несколько дальше оптического горизонта. Для стандартной атмосферы используется коэффициент эффективного радиуса Земли \( k = 4/3 \). Расчётная дальность радиогоризонта для одной антенны, установленной на высоте \( h \), определяется формулой 1:

\[ d_{\text{РГ}} = 4{,}12 \cdot \sqrt{h}, \tag{1} \]

где \( d_{\text{РГ}} \) — дальность радиогоризонта в километрах, \( h \) — высота антенны в метрах. Для линии связи из двух антенн дальность радиогоризонта равна сумме дальностей каждой антенны (формула 2):

\[ d_{\text{РГ}} = 4{,}12 \cdot \left( \sqrt{h_1} + \sqrt{h_2} \right), \tag{2} \]

где \( h_1 \) и \( h_2 \) — высоты установки антенн наземной станции и БВС в метрах.

3.2. Справочные значения дальности радиогоризонта

Таблица 1 — Дальность радиогоризонта одиночной антенны (расчёт по формуле 1, учебные ориентиры)

Таблица 2 — Дальность радиогоризонта радиолинии «наземная станция и БВС» (расчёт по формуле 2, учебные ориентиры)

Из таблицы 2 следует важный практический вывод. При антенне наземной станции на мачте высотой 10 метров и высоте полёта БВС 120 метров радиогоризонт составляет 58,2 километра: дальность 60 километров недостижима при любой мощности. Увеличение высоты мачты до 15 метров поднимает радиогоризонт до 61,1 километра и открывает возможность работы на дальности 60 километров.

Ключевое правило раздела: Если планируемая дальность полёта превышает дальность радиогоризонта, увеличение мощности передатчика задачу не решает. Единственный способ восстановить прямую радиовидимость — поднять одну из антенн выше либо установить ретранслятор на промежуточной точке с превышением рельефа.

Первая зона Френеля: почему оптической видимости недостаточно

4.1. Энергия радиоволны распределена в объёме

Между передающей и приёмной антеннами энергия радиоволны распространяется не по математически тонкому лучу, а в объёмной области пространства, имеющей форму эллипсоида вращения. Эта область разбивается на зоны Френеля. Первая зона Френеля вносит основной положительный вклад в сигнал у приёмника; препятствие, вторгающееся в первую зону, вызывает дифракционные потери и многолучевое распространение, даже если сама прямая линия между антеннами остаётся свободной. Именно поэтому оптическая видимость воздушного судна с места управления не гарантирует устойчивого приёма видеоизображения и телеметрии.

Радиус первой зоны Френеля в произвольной точке трассы определяется формулой 3:

\[ r_1 = 17{,}32 \cdot \sqrt{\dfrac{d_1 \cdot d_2}{f \cdot d}}, \tag{3} \]

где \( r_1 \) — радиус первой зоны Френеля в метрах; \( d_1 \) и \( d_2 \) — расстояния от рассматриваемой точки до приёмной и передающей антенн в километрах; \( d \) — полное расстояние радиолинии в километрах; \( f \) — рабочая частота в гигагерцах. Максимальный радиус достигается в середине трассы и определяется формулой 4:

\[ r_{1,\max} = 8{,}66 \cdot \sqrt{\dfrac{d}{f}}. \tag{4} \]

4.2. Справочные значения радиуса первой зоны Френеля

Таблица 3 — Максимальный радиус первой зоны Френеля в середине трассы, метры (расчёт по формуле 4, учебные ориентиры)

Инженерное правило очистки зоны: препятствия не должны вторгаться в первую зону Френеля более чем на 40 %, то есть не менее 60 % радиуса первой зоны вдоль всей трассы должно оставаться свободным. Полная очистка зоны считается идеальным условием и применяется при проектировании ответственных радиолиний.

4.3. Выпуклость Земли на длинных трассах

На дальностях в десятки километров препятствием для очистки зоны Френеля становится сама поверхность Земли. Высота выпуклости Земли в середине трассы при стандартной рефракции определяется формулой 5:

\[ h_{\text{вып}} = \dfrac{d^2}{68}, \tag{5} \]

где \( h_{\text{вып}} \) — высота выпуклости в метрах, \( d \) — полное расстояние радиолинии в километрах. Для дальности 10 километров выпуклость составляет 1,5 метра, для 30 километров — 13,2 метра, для 50 километров — 36,8 метра, для 60 километров — 52,9 метра. Таким образом, на трассе дальностью 60 километров прямая линия между антеннами должна проходить минимум на 52,9 метра выше середины трассы, а с учётом очистки 60 % первой зоны Френеля для частоты 915 МГц — ещё на 42,1 метра выше.

Практический смысл раздела: на частоте 2,4 ГГц и дальности 60 километров радиус первой зоны Френеля в середине трассы составляет 43,3 метра. Если антенна наземной станции установлена на уровне грунта, нижняя часть зоны перекрывается подстилающей поверхностью на протяжении километров от станции независимо от оптической видимости аппарата. Высота установки антенн — это не только радиогоризонт, но и очистка зоны Френеля.

Высота мачты и коэффициент усиления антенны: что реально добавляет дальность

5.1. Бюджет радиолинии

Уровень сигнала на входе приёмника определяется бюджетом радиолинии (формула 6):

\[ P_{\text{прм}} = P_{\text{прд}} + G_{\text{прд}} + G_{\text{прм}} - L_{\text{св}} - L_{\text{ф}}, \tag{6} \]

где \( P_{\text{прм}} \) — уровень принимаемого сигнала в дБм; \( P_{\text{прд}} \) — мощность передатчика в дБм; \( G_{\text{прд}} \) и \( G_{\text{прм}} \) — коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн в дБи; \( L_{\text{св}} \) — затухание в свободном пространстве в дБ; \( L_{\text{ф}} \) — потери в фидерных трактах, разъёмах и кабелях в дБ. Затухание в свободном пространстве определяется формулой 7:

\[ L_{\text{св}} = 32{,}45 + 20 \lg f + 20 \lg d, \tag{7} \]

где \( f \) — рабочая частота в мегагерцах, \( d \) — расстояние в километрах.

5.2. Арифметика децибел: почему антенна эффективнее мощности

Все четыре статьи бюджета складываются в децибелах линейно, однако ресурсы имеют разную цену. Удвоение мощности передатчика добавляет к бюджету 3 дБ, увеличение мощности в десять раз — 10 дБ, увеличение в сто раз — 20 дБ. Коэффициент усиления антенны добавляет к бюджету столько же децибел, и этот вклад действует на обеих сторонах радиолинии одновременно. Две направленные антенны с КУ 12 дБи, установленные на наземной станции и на БВС, добавляют к бюджету 24 дБ, что эквивалентно увеличению мощности передатчика приблизительно в 250 раз, но без роста массы, энергопотребления и тепловыделения на борту.

Таблица 4 — Типовые коэффициенты усиления антенн радиолиний БВС (справочные значения)

Коэффициент усиления параболической антенны определяется формулой 8:

\[ G = \eta \cdot \left( \dfrac{\pi D}{\lambda} \right)^{2}, \tag{8} \]

где \( \eta \) — коэффициент использования поверхности, принимаемый равным 0,5–0,7; \( D \) — диаметр зеркала; \( \lambda \) — длина волны. Параболическая антенна диаметром 0,6 метра на частоте 2,4 ГГц при \( \eta = 0{,}6 \) обеспечивает КУ 21,3 дБи (учебный ориентир, расчёт по формуле 8).

5.3. Что добавляет высота мачты

Высота мачты наземной станции работает одновременно на три результата: увеличивает дальность радиогоризонта согласно формуле 2; выносит зону Френеля из приземного слоя, перекрытого подстилающей поверхностью; уменьшает влияние местных предметов, экранирующих диаграмму направленности антенны. Подъём антенны с 6 до 15 метров добавляет к радиогоризонту наземной станции 5,9 километра, а на трассах с пересечённым рельефом высота мачты нередко решает задачу очистки зоны Френеля целиком.

5.4. Ограничения направленных антенн

Рост КУ сужает диаграмму направленности антенны. Антенна с КУ 24 дБи имеет ширину диаграммы направленности порядка нескольких градусов и требует точного наведения на БВС, а на больших дальностях — сопровождения цели поворотным устройством. Бортовая направленная антенна должна сохранять ориентацию на наземную станцию при манёврах воздушного судна, что не всегда выполнимо; поэтому на борту часто сохраняют всенаправленную антенну или антенну с умеренным КУ, а основной КУ сосредоточивают на наземной стороне радиолинии.

Дальность 60 километров: направленные антенны и ретранслятор вместо наращивания мощности

6.1. Затухание в свободном пространстве на дальности 60 километров

Таблица 5 — Затухание в свободном пространстве на дальности 60 километров (расчёт по формуле 7, учебные ориентиры)

Затухание 127–143 дБ означает, что доля мощности передатчика, доходящая до приёмной антенны при изотропных антеннах, составляет менее одной стотысячной. Без антенного усиления радиолиния дальностью 60 километров не закрывается ни при какой допустимой мощности передатчика.

6.2. Пример расчёта радиолинии управления на частоте 915 МГц

Исходные данные: передатчик наземной станции мощностью 1 Вт (30 дБм); панельная антенна наземной станции с КУ 14 дБи; бортовая антенна БВС с КУ 3 дБи; потери фидерного тракта и разъёмов 3 дБ; затухание в свободном пространстве на дальности 60 километров 127,2 дБ; чувствительность приёмника при низкой скорости обмена данными минус 110 дБм. По формуле 6 уровень принимаемого сигнала составляет:

\[ P_{\text{прм}} = 30 + 14 + 3 - 127{,}2 - 3 = -83{,}2 \text{ дБм}. \]

Запас над чувствительностью приёмника составляет 26,8 дБ: радиолиния управления на дальности 60 километров выполнима при соблюдении условий радиогоризонта и очистки первой зоны Френеля.

6.3. Пример расчёта радиолинии передачи видеоизображения на частоте 1,2 ГГц

Исходные данные: бортовой передатчик видеоизображения мощностью 1 Вт (30 дБм); бортовая антенна с КУ 3 дБи; параболическая антенна наземной станции с КУ 24 дБи; потери фидерного тракта 3 дБ; затухание в свободном пространстве 129,6 дБ; чувствительность приёмника видеоизображения при высокой скорости обмена данными минус 80 дБм. Уровень принимаемого сигнала:

\[ P_{\text{прм}} = 30 + 3 + 24 - 129{,}6 - 3 = -75{,}6 \text{ дБм}. \]

Запас над чувствительностью приёмника составляет только 4,4 дБ, что ниже рекомендуемого запаса на замирание 10–20 дБ. Радиолиния передачи видеоизображения на дальности 60 километров в такой конфигурации работает неустойчиво: замирования, переотражения и рефракция периодически разрушают приём.

6.4. Ретранслятор: два плеча по 30 километров вместо одного плеча в 60 километров

Ретранслятор, установленный в середине трассы на господствующей высоте, разбивает радиолинию на два плеча по 30 километров. Каждое плечо имеет затухание в свободном пространстве на 6 дБ меньше полного: на частоте 1,2 ГГц затухание плеча составляет 123,6 дБ против 129,6 дБ. Ретранслятор принимает ослабленный сигнал, восстанавливает его и передаёт заново с собственным мощностным и антенным ресурсом в каждом плече. Суммарно каждая из двух линий получает выигрыш и по затуханию, и по возможности применить направленные антенны на обоих концах плеча.

Вторая, не менее важная роль ретранслятора — геометрическая. На трассе дальностью 60 километров выпуклость Земли составляет 52,9 метра, а радиус первой зоны Френеля в середине трассы достигает 61–70 метров на частотах 0,9–1,2 ГГц. Ретранслятор, поднятый над серединой трассы, обеспечивает прямую радиовидимость и очистку зоны Френеля каждого плеча там, где единая линия на низкой высоте полёта перекрыта поверхностью Земли.

Ретранслятор размещается на господствующей высоте в средней части трассы: на возвышенности рельефа, на высокой мачте либо на воздушном носителе, удерживаемом на высоте. Приёмопередающая часть ретранслятора оснащается разнесёнными приёмной и передающей антеннами либо дуплексным фильтром для одновременного приёма и передачи; электропитание обеспечивается от автономного источника или от линии электроснабжения, если высота установлена стационарно.

Итоговая формула дальности 60 километров: высота установки обеих антенн, обеспечивающая радиогоризонт и очистку не менее 60 % первой зоны Френеля; направленные антенны на наземной стороне радиолинии; бюджет каждой линии с запасом на замирание не менее 10 дБ; ретранслятор на промежуточной высоте, если прямая радиовидимость трассы не обеспечивается.

Диагностика радиолинии, когда рекомендации выполнены, а связь отсутствует

Если подготовительные мероприятия выполнены, а устойчивая связь не установлена, запрещается беспорядочно менять элементы радиолинии. Диагностика выполняется последовательно, от короткой дистанции к полной.

7.1. Порядок диагностики

1. Воспроизвести проблему на опорной дистанции 100–500 метров и измерить индикатор уровня принимаемого сигнала (RSSI). Сравнить измеренное значение с расчётом по формуле 6. Если измеренный уровень ниже расчётного более чем на 6 дБ, неисправность находится в аппаратуре и трактах, а не в дальности.
2. Измерить КСВ каждой антенны на рабочей частоте анализатором антенн. Значение КСВ более 2 указывает на повреждение антенны, фидера или разъёма либо на рассогласование.
3. Проверить фидерные тракты: заменить кабели заведомо исправными либо измерить их затухание на рабочей частоте. Потери кабеля на рабочей частоте заносятся в бюджет радиолинии.
4. Проверить совпадение видов поляризации наземной и бортовой антенн. Несовпадение видов поляризации либо встречное направление круговой поляризации вносит потери порядка 20–30 дБ (справочное значение) и полностью разрушает радиолинию при формально исправной аппаратуре.
5. Построить профиль трассы по фактическому рельефу и проверить радиогоризонт и очистку не менее 60 % первой зоны Френеля по всей длине трассы.
6. Оценить помеховую обстановку на рабочей частоте в районе наземной станции: посторонние передатчики и промышленные помехи снижают чувствительность приёмника.
7. Проверить бортовую электромагнитную совместимость: приёмник разносится от передатчика видеоизображения, регуляторов двигателей и импульсных преобразователей питания; экранирование и ориентация антенн проверяются на включённом борту.
8. Выполнить поэтапные испытания дальности: последовательные вылеты на возрастающее удаление с записью RSSI и доли утраченных пакетов телеметрии на каждом рубеже. Рубеж устойчивого обрыва связи сопоставляется с расчётным профилем трассы.

7.2. Типовые скрытые неисправности

Таблица 6 — Признаки скрытых неисправностей радиолинии и способы проверки

Практическое задание

Контрольный список подготовки радиолинии

• Рабочие частоты и мощности передатчиков соответствуют действующим нормативным требованиям, частотный план составлен.
• КСВ каждой антенны измерен на рабочей частоте и составляет менее 1,5.
• Потери фидерных трактов измерены на рабочей частоте и внесены в бюджет радиолинии.
• Дальность радиогоризонта рассчитана для фактических высот обеих антенн и превышает планируемую дальность полёта.
• Профиль трассы построен по фактическому рельефу; очистка не менее 60 % радиуса первой зоны Френеля обеспечена по всей трассе.
• Виды поляризации наземной и бортовой антенн совпадают.
• Запас бюджета радиолинии над чувствительностью приёмника составляет не менее 10 дБ для радиолинии управления и радиолинии передачи видеоизображения.
• Место установки ретранслятора выбрано с учётом прямой радиовидимости обоих плеч радиолинии.
• Опорное измерение RSSI на дистанции 100–500 метров выполнено; отклонение от расчётного значения составляет менее 6 дБ.
• Порядок действий при утрате связи определён и проговорён: переход на резервную радиолинию, возврат БВС в точку взлёта.

Источники

1. Рекомендация МСЭ-R P.525. Расчёт затухания в свободном пространстве.
2. Рекомендация МСЭ-R P.526. Распространение радиоволн за счёт дифракции.
3. Рекомендация МСЭ-R P.452. Процедура прогнозирования влияния распространения радиоволн на радиолинии точка — точка.
4. Стандарт ETSI EN 300 220. Устройства малого радиуса действия, работающие в полосе частот от 25 МГц до 1000 МГц.
5. Стандарт ETSI EN 300 328. Широкополосные системы передачи данных, работающие в полосе частот 2,4 ГГц.
6. Формулы 1–8 и числовые значения таблиц 1–5 настоящей статьи являются учебными ориентирами и получены расчётом по приведённым формулам при коэффициенте эффективного радиуса Земли \( k = 4/3 \) и коэффициенте использования поверхности параболической антенны \( \eta = 0{,}6 \).

Проверено: 30.09.2026