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Redundante Long-range BVLOS Lösung 4G LTE + 868 MHz + 2,4 GHZ HD

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24 Antworten in diesem Thema

#1 el Kopto

el Kopto
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Geschrieben 21. Oktober 2018 - 21:25

Aufgrund des inzwischen recht fortgeschrittenen Standes möchte ich euch meine aktuelle Entwicklung vorstellen:

Eine multiple, redundante Funklösung, die 3G (UMTS, HSDPA) bzw. 4G (LTE) mit einer 868 MHz Funkstrecke kombiniert und neben der reinen Fernsteuerung noch zwei serielle Datenkanäle bietet. Der eine Datenkanal (57600 Baud) kann für die Pixhawk-typische Telemetrie benutzt werden, er wird sowohl via 868 MHz als auch über LTE übertragen, der zweite Kanal wird nur über die LTE Strecke vermittelt und erlaubt dann auch höhere Datenraten. Das Videosignal wird derzeit nur über die Mobilfunk-Strecke gestreamt, aber auch da ist schon was zusätzliches in Arbeit.

 

Nach vielen Tests und Optimierungen am Boden war heute Erstflug. Hier ein kurzer Eindruck vom Prototypen:

 

 

Es gibt zwar schon ein paar wenige LTE fähige Lösungen, aber noch weniger bieten eine zusätzliche Redundanz. Ich würde bei der Steuerung eines Kopters nicht allein auf Mobilfunk setzen. Die Kette der beteiligten Komponenten ist i.d.R. schon recht komplex und die Möglichkeiten, dass davon irgendwas auf dem Weg zwischen Steuerung und UAV nicht richtig funktioniert oder zwischenzeitlich hohe Latenzen auftreten (Datenverbindungen haben eine niedrigere Priorität als Sprachpakete) sind vielfältig.

 

Deutlich ruhiger schlafen lässt mich eine Lösung deshalb erst, wenn sie einen Fallback hat. Hier habe ich mich für 868 MHz entschieden. Die Module haben schon eine recht beträchtliche Reichweite (wobei auch hier vieles von den Antennen abhängt) und die Durchdringung von Hindernissen (z.B. Bäume) ist deutlich besser, als bei 2,4 oder 5,8 GHz. Darüber hinaus lässt sich der Range durch zusätzliche Module, die quasi als Relay-Station weitervermitteln, erweitern. Die Module sind CE und ETSI konform, senden also mit Leistungen, die in Europa zulässig sind und nutzen die vorgeschriebenen Störungsminderungstechniken (LBT und AFA). Die Verbindung arbeitet natürlich auch verschlüsselt. Nebenbei handelt es sich also auch um eine wesentlich schwerer angreifbare Funkverbindung, als bei den herkömmlichen 2,4 und 5,8 GHz Systemen. Last but not least besteht die Möglichkeit, innerhalb des Mesh-Netzwerkes die UAVs direkt miteinander kommunizieren zu lassen und Broadcast-Nachrichten an alle innerhalb der Reichweite zu versenden.

 

Die Latenz beträgt über die LTE Strecke je Richtung im Normalfall ca. 100-200 ms, über die 868 MHz Strecke ca. 100 - 300 ms. Die für 868 MHz Module übliche Reichweite liegt im Freien und ohne nennenswerte Störeinflüsse bei einigen Kilometern. Das hängt aber natürlich - wie üblich - stark von den Umgebungsbedingungen ab.

 

Zusätzliche Komfort-Merkmale sind, dass die Lösung mit ganz normalen Hand-Controllern genutzt werden kann, solange sie einen Trainer Port besitzen. In meinem Falle ist es die inzwischen bei vielen beliebte Taranis X9D+. Auf Seiten des Kommando-Empfängers (muss ja nicht zwingend ein Kopter sein) werden die 16 Kanäle dann als S-Bus Signal ausgeliefert, das so ziemlich jeder Flight Controller versteht. Weitere Komfortmerkmale sind die Möglichkeit zur Nutzung von zwei seriellen Schnittstellen, so dass man nicht nur die übliche 57,6 KBaud Telemetrie-Verbindung herstellen kann, sondern auch weiteres Bordequipment steuern bzw, dessen Daten übermittelt bekommen kann.

 

Das Funktions-Schema sieht etwa so aus:

 

45423585082_e580e7e1b5_h.jpg

 

Zusätzlich zur Funkverbindung bietet die Lösung eine eigene kleine "Ground Control Station" mit 7 Zoll Bildschirm, auf dem die wichtigsten Parameter der Telemetrie (Spannung, Postion, Speed etc.) sowie eine Kartendarstellung angezeigt werden. Die Verbindung zu einer "großen" Ground Control Station auf einem Laptop (z.B. Mission Planner oder QGroudnControl) erfolgt via Bluetooth.

 

45422390552_36e2c51ccc_k.jpg

 

Wie man sieht, ist das ganze noch ein Test-Prototyp. Das Air Modul wiegt derzeit 98g. Ziel ist, das ganze auf ca. 70g zu bringen.

 

 

Zu den Verbindungskosten:
Das Datenvolumen, das für die Steuerung und Telemetrie übermittelt wird, ist gering. Da wird man sich schon viel Mühe geben müssen, um zumindest auf 1 GB / Monat zu kommen. In dem Moment, wo ein Videostream übertragen werden soll, sieht es natürlich anders aus. Aber auch da arbeitet die Zeit für uns. Congstar hat z.B. inzwischen eine flexible "Fair Flat" im Angebot. Sie geht bis 10 GB pro Monat und kostet zusammen mit der LTE High Speed Option maximal 30 EUR / Monat. Solange man sie nur wenig (bis 2 GB) nutzt, fallen mindestens 15 EUR / Monat (+ 5 EUR für die LTE 50 Option) an. Prima ist, dass man dabei von der guten Netzabdeckung der Telekom profitiert und monatlich kündigen kann, also keine vorgegebene Vertragslaufzeit einhalten muss. Natürlich muss man das dann alles noch mit 2 multiplizieren, denn es ist ja sowohl am Boden als auch auf dem Aircraft eine Karte erforderlich.


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#2 Umi

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Geschrieben 21. Oktober 2018 - 22:02

Bei EBay gibt es gerade günstige Datenkarten aus Österreich:
Prepaid mit Roaming 36GB über 5 Monate für 19,99€ insgesamt.
https://www.ebay.de/...d-/273518902660
Ich verwende so ne Karte im mobilen Wifi Router, funktioniert gut!

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#3 el Kopto

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Geschrieben 21. Oktober 2018 - 22:14

Danke für den Tipp. Nutzt allerdings offenbar das O2 Netz. Man sollte also vorher checken, wie die Abdeckung in den gewünschten Bereichen ist.



#4 Umi

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Geschrieben 21. Oktober 2018 - 22:24

Die Karte nutzt durchs Roaming was gerade da ist, ich war auch schon über E-Plus mit 3G verbunden.
Angeblich macht sie auch über die Telekom 4G.

Dein Kopter ist ein sehr interessantes Projekt, fliegt allerdings noch etwas schwammig.
Echt vielversprechend das ganze!

#5 el Kopto

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Geschrieben 21. Oktober 2018 - 22:35

Die Karte nutzt durchs Roaming was gerade da ist, ich war auch schon über E-Plus mit 3G verbunden.
Angeblich macht sie auch über die Telekom 4G.


Sofern da noch über das Ausland geroamt wird, wäre es interessant, mal die damit entstehenden Latenzen zu ermitteln.
 

Dein Kopter ist ein sehr interessantes Projekt, fliegt allerdings noch etwas schwammig.
Echt vielversprechend das ganze!

 
Der Kopter dient nur als Testvehikel, um den geht es zumindest in diesem Thread nicht. Einen Quad würde ich auch nicht ernsthaft für BVLOS Anwendungen in Erwägung ziehen. Ich habe da noch PIDs von einer anderen Propeller/Payload-Bestückung drauf, deshalb waren sie hier recht weich. Zum Testen der Funklösung ist das eher nebensächlich. Wenn man über die LTE Strecke geht, ist das Steuergefühl durch die Latenz ohnehin nicht mehr ganz so direkt, wie bei herkömmlichen Steuerungen.



#6 Umi

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Geschrieben 21. Oktober 2018 - 22:37

Habe gerade mal zum testen manuell auf das Telekom Netz gewechselt, funktioniert auch mit 4G.

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#7 hornetwl

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Geschrieben 22. Oktober 2018 - 09:11

Coole Idee!

 

Mit welcher Leistung auf welchen Bändern sendet eigentlich Dein LTE-Modul? Irgendwelche Interferenzen zur Flugsteuerung? Ich hätte hier insbesondere beim hochohmigen I2C-Bus leichte Bauchschmerzen, wenn der Kompass so exponiert und an einem derart langen Kabel sitzt.

 

Bezüglich Roaming: ich glaube nicht, das auch nur ein Byte an Nutzdaten tatsächlich übers Ausland geht. Soweit ich weiß, ist das gesamte Roaming nur ein Buchhaltungstrick zur Gewinnsteigerung (oder Senkunng in diesem Fall), die Netzwerkschicht wird davon nach dem Einbuchen des Teilnehmers nichts wissen



#8 el Kopto

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Geschrieben 22. Oktober 2018 - 09:46

Mit welcher Leistung auf welchen Bändern sendet eigentlich Dein LTE-Modul? Irgendwelche Interferenzen zur Flugsteuerung? Ich hätte hier insbesondere beim hochohmigen I2C-Bus leichte Bauchschmerzen, wenn der Kompass so exponiert und an einem derart langen Kabel sitzt.


Im Moment arbeite ich mit SIM Karten von Congstar. Da dahinter die Telekom steckt, nehme ich an, dass deren Frequenzbänder genutzt werden. Soweit ich es bislang sah, ist das inzwischen meistens 1800 MHz. In einigen ländlichen Regionen vielleicht noch 900 MHz.

 

Mit welcher Sendeleistung die LTE Module arbeiten, weiß ich nicht genau. Es sind die üblichen von Huawei, die sich in den allermeisten USB LTE Sticks befinden. Müsste man ggf. in deren Specs schauen...

 

Eine Beeinträchtigung des I2C Busses vom Magnetometer befürchte ich eigentlich eher nicht. Dafür sind die Frequenzen, in denen die Funkmodule arbeiten, m.E. zu hoch.

 

Demnächst soll die Air Unit bzw. zumindest deren Antennen aber sowieso auf die Unterseite des Kopters wandern, um Abschattungseffekte vom Frame zu reduzieren. Dann sind sie auch weiter weg von dem anderen Geraffel.

 

Mal eine Frage an die Antennenspezialisten:

Im Moment habe ich am 868 MHz Modul so eine T-förmige Antenne dran, wie man sie für das TBS Crossfire kaufen kann ("Immortal T", siehe z.B. hier: https://n-factory.de...al-T-RX-Antenne). Die ist schön klein und leicht. Allerdings bin ich mit der damit erzielbaren Reichweite unzufrieden. Ich habe den Eindruck, dass sie eher auf 915 MHz abgestimmt ist, mit denen die Crossfire Module in vielen Teilen der Welt außerhalb der EU arbeiten.

Deutlich bessere Reichweiten hatte ich, als ich auf beiden Seiten mit so einem Teil gearbeitet habe, wie es oben auf der Bodenstation erkennbar ist. Das Ding ist mir für den Kopter aber zu dick und zu schwer.

 

Ich frage mich deshalb, ob es sinnvoll sein könnte, so eine ImmersionRC "Sander" Antenne zu verwenden. Die sind zwar für 433 MHz gedacht (und dann sind sie lambda/4), aber 868 MHz ist ja ziemlich genau die doppelte Frequenz. Mit ca. 17cm Länge wäre es für 868 MHz annähernd lambda/2. Was meint ihr?



#9 hornetwl

hornetwl
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Geschrieben 22. Oktober 2018 - 18:54

Eine Beeinträchtigung des I2C Busses vom Magnetometer befürchte ich eigentlich eher nicht. Dafür sind die Frequenzen, in denen die Funkmodule arbeiten, m.E. zu hoch.

Wie gefährlich falsch diese Annahme ist, kannst Du mit eigenen Ohren hören, wenn Du mal ein gerade sendendes Telefon an ein nicht allzu teures Radio hältst. Der Frequenzabstand mag beim Träger hoch sein, aber blöderweise ist der breitbandig moduliert und wird u.U. gepulst. I2C wurde übrigens erfunden um ICs auf einer Platine mit wenigen mm Leiterbahn billig und platzsparend zu verbinden (daher der Name), Kabel waren dafür nie vorgesehen. Den Kompass darüber anzubinden, war vom Designer der ersten FC also keine allzu schlaue Idee, aber mit einem über 10cm langen (ungeschirmten?) Kabel und einem 1W-Sender (?) wenige cm daneben forderst Du dein Glück schon ziemlich heraus. 

 

Lösungsvorschlag: sowas hier. Nicht billig, aber deutlich billiger als ein Crash oder Fly-Away. Der Unterschied: CAN ist vergleichsweise niederohmig, läuft über terminierte und  definiert verdrillte Kabel. Noch dazu wird das Signal symmetrisch übertragen und die Daten durch CRCs geschützt. 

 

 

Ich frage mich deshalb, ob es sinnvoll sein könnte, so eine ImmersionRC "Sander" Antenne zu verwenden. Die sind zwar für 433 MHz gedacht (und dann sind sie lambda/4), aber 868 MHz ist ja ziemlich genau die doppelte Frequenz. Mit ca. 17cm Länge wäre es für 868 MHz annähernd lambda/2. Was meint ihr?

Geht in aller Regel nicht oder zumindest nicht gut (einige 10 dB Verlust).



#10 camangle

camangle
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Geschrieben 22. Oktober 2018 - 19:35

Coole Sache so ein Projekt! Hut ab!

 

Bist du Amateuerfunker? Ich meine die 868er Frequenz wird auch mal für Funkmikrofone genutzt, allerdings nur im Profibereich.

 

Eine Mobilfunkflat gibt es von Telekom/T-Mobile XL-Tarif. Da kannste für 99€ pro Karte Senden, bis die Luft glüht (ohne Roaming, ohne Gigabytebegrenzung, also Ideal für Video ;D  )



#11 el Kopto

el Kopto
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Geschrieben 22. Oktober 2018 - 20:56

Wie gefährlich falsch diese Annahme ist, kannst Du mit eigenen Ohren hören, wenn Du mal ein gerade sendendes Telefon an ein nicht allzu teures Radio hältst. Der Frequenzabstand mag beim Träger hoch sein, aber blöderweise ist der breitbandig moduliert und wird u.U. gepulst.

 
Erst einmal vielen Dank, dass Du Dich so detailliert mit dem System und seinen potentiellen Pitfalls befasst.
 
Gefährlich falsch wäre die Annahme, wenn ich vorher keine Tests gemacht hätte. Bevor ich gestern das erste mal damit in die Luft ging, habe ich die Lösung natürlich schon viele, viele Stunden am Boden in vielen, vielen verschiedenen Situation getestet.
 
Dass ein Radio durch die Modulation bzw. die Pulse eines Smartphones gestört wird, heißt für mich nicht zwangsläufig, dass das auch für I2C Bus Signale im Bereich der 100 - 400 kbps ein Problem darstellt. Wesentlich sensibler reagiert der Bus, wenn die Leitungen parallel zu Brushless Motor Leitungen liegen, wo mit einigen zig kHz und hohen Strömen PWM gepulst wird.
 
Auch die Lang-, Mittel- und Kurzwellensendeanlage mit bis zu 20 kW, die vom Startplatz ungefähr 2 km entfernt war und schon vorher zwei Kopter mit normalen Funksystemen (DJI Lightbrdige und FrSky) verrückt spielen lies, sehe ich da immer noch als die gefährlichere Störquelle.
 

I2C wurde übrigens erfunden um ICs auf einer Platine mit wenigen mm Leiterbahn billig und platzsparend zu verbinden (daher der Name), Kabel waren dafür nie vorgesehen. Den Kompass darüber anzubinden, war vom Designer der ersten FC also keine allzu schlaue Idee, aber mit einem über 10cm langen (ungeschirmten?) Kabel und einem 1W-Sender (?) wenige cm daneben forderst Du dein Glück schon ziemlich heraus.

Lösungsvorschlag: sowas hier. Nicht billig, aber deutlich billiger als ein Crash oder Fly-Away. Der Unterschied: CAN ist vergleichsweise niederohmig, läuft über terminierte und definiert verdrillte Kabel. Noch dazu wird das Signal symmetrisch übertragen und die Daten durch CRCs geschützt.


Ja, I2C gehört eigentlich von Drohnen verbannt. Auch aus meiner Sicht ein grundlegender Designfehler für derartige Verbindungen. Einen Teil der Fehler können noch Plausi-Prüfungen abfangen (für die dann der Pixhawk bzw. die Flightstacks sogar Counter haben). Auch DJI nutzt schon seit langem CAN für die Verbindungen der Komponenten untereinander. Zum Glück nehmen sich zunehmend auch andere Drohnen-Entwickler dem Thema an. Zubax ist da für mich ganz vorne mit dabei.
 
Was das Kabel des bei der Pixhawk 4 Combo beiliegenden GNSS/Kompass Pucks angeht, vermute ich allerdings, dass es geschirmt ist. Sonst wäre es wohl nicht so dick und schwer.
 

Geht in aller Regel nicht oder zumindest nicht gut (einige 10 dB Verlust).


Hast Du das konkret für die ImmersionRC Sander Whip getestet? Entspricht doch von der Länger her ziemlich genau einer lambda/2 Antenne für 868 MHz....
 

Coole Sache so ein Projekt! Hut ab!
 
Bist du Amateuerfunker? Ich meine die 868er Frequenz wird auch mal für Funkmikrofone genutzt, allerdings nur im Profibereich.
 
Eine Mobilfunkflat gibt es von Telekom/T-Mobile XL-Tarif. Da kannste für 99€ pro Karte Senden, bis die Luft glüht (ohne Roaming, ohne Gigabytebegrenzung, also Ideal für Video ;D  )


868 Mhz wird mittlerweile für viele Anwendungen als Alternative zu 433 MHz genutzt und ist bei weitem noch nicht so "verschmutzt" wie 2,4 GHz oder auch 433 MHz. Ist auch eines der freien ISM Bänder, aber besser reguliert, als 433 Mhz. Wer dort legal und ohne Störungsminderungstechniken funkt, muss für die allermeisten Kanäle einen Duty Cycle von 1/100 einhalten (woran sich aber leider nicht jeder hält). Das reicht dann für Garagentore oder Solarenegie-Anlagen, die ab und zu mal einen Status funken. Alle anderen müssen sich etwas mehr Mühe geben, um ein faires Miteinander zu ermöglichen.

 

Die Telekom LTE Flat dürfte aufgrund ihres derzeit noch sehr hohen Preises wohl nur für absolute Intensiv-Nutzer von Interesse sein. Immerhin brauchst Du für so eine Lösung ja zwei mal den Tarif.



#12 vodoo

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Geschrieben 28. Oktober 2018 - 21:38

Hast Du das konkret für die ImmersionRC Sander Whip getestet?

 

Das habe ich soeben gemacht, an einem AAI N1201SA Antennentester. Original ImmersionRC Sander Antenne. Bei 868 MHz hat sie ein VSWR von 30 bis 34. Bei 1187 MHz sind es dann VSWR ~2.0 und bei 420 MHz ist es VSWR = 1.1.


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#13 el Kopto

el Kopto
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Geschrieben 28. Oktober 2018 - 21:50

OK, danke. Also dann kann ich mir den Test mit der Antenne wohl sparen...

 

Du hast nicht zufällig so eine "Immortal T" Antenne für die TBS Crossfire zum Testen?



#14 vodoo

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Geschrieben 29. Oktober 2018 - 00:53

Die "Immortal T" habe ich zufällig nicht, aber die T für den Sender, welche meiner Erkenntnis nach konstruktiv gleich ist. VSWR 1.14 bei 868 MHz. Die Diamond ist noch eine Spur besser und deutlich breitbandiger. Habe die Bilder dazu vor ein paar Monaten hier publiziert.

 



#15 el Kopto

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Geschrieben 29. Oktober 2018 - 22:04

Danke, sehr hilfreich!

Kannst Du bitte mal die von Dir gemessene "T" von Spitze zu Spitze nachmessen? Mir kommt zumindest meine zu kurz für eine 868 MHz Antenne vor.







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