EMC a interferencia v mestských kanáloch: merania a odporúčania

Prehľad problematiky EMC v mestských kanáloch pre UAV

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) bezpilotných lietadiel (UAV) v mestskom prostredí je výslednicou vzájomného pôsobenia vlastných emisií platformy, hustej externej elektromagnetickej prevádzky a špecifík šírenia v „urban canyon“ kanáloch. Zabezpečenie spoľahlivého prenosu riadiacich a užitočných dát vyžaduje integrovaný prístup: návrh hardvéru a antén, plánovanie frekvencií, metódy merania in-situ a robustné prevádzkové odporúčania. Tento článok systematicky rozoberá zdroje interferencie, modely kanála, meracie metodiky a praktické zásahy pre navrhovanie a prevádzku UAV v mestách.

Typické zdroje interferencie v meste a ich spektrálne znaky

Bunkové siete 4G/5G (FR1, FR2): širokopásmové OFDM nosné s vysokým EIRP zo základňových staníc; potenciálne presiaknutie do prijímačov C2 (command-and-control) a video downlinkov cez nelineárne intermodulácie.
Wi-Fi/Bluetooth/IoT v ISM pásmach: vysoko obsadené 2,4 GHz a 5 GHz s hustým CSMA/CA prístupom; krátke bursty, frekvenčný hopping, vysoká kolokačná hustota na strechách a balkónoch.
Mestská infraštruktúra: spínané zdroje v LED osvetlení, reklamné panely, električkové trakčné systémy; dominantné vedené emisie s možným vyžarovaním na kábloch.
Bezpečnostné a priemyselné systémy: video prenosy, mikrovlnné mosty, radarové senzory pre dopravu (24/60/77 GHz); periodické pulzné alebo FMCW spektrá.
Vnútrolodné zdroje UAV: ESC a motory, vysokoprúdové vedenia, DC-DC meniče a digitálne zbernice; špičky a harmonické v pásmach LF–UHF, prelievanie do RF cez anténne napájacie siete.

Urban canyon kanál: vlastnosti a dôsledky

Mestský kanál charakterizuje silná viaccestnosť, tieňovanie budov, difrakcie hrán a premenlivý Doppler pri manévrovaní UAV. Typické parametre:

RMS delay spread: 50–500 ns pre 2,4/5 GHz; až niekoľko μs v širokých uliciach s výškovými budovami.
K-faktor (Rician): nízky až stredný; pri LOS nad úrovňou striech stúpa, v hlbokých uliciach klesá (takmer Rayleigh).
Dopplerovo spektrum: kombinované z vlastného pohybu (5–25 m/s) a pohybu reflektorov (vozidlá); rozšírenie rádovo jednotky kHz v pásmach ISM.
Polarizačný mix: časté depolarizačné efekty pri odrazoch; výhodná je duálna alebo kruhová polarizácia a kombinácia MIMO vetiev.

Požiadavky EMC a regulačné rámce relevantné pre UAV

Hoci detaily závisia od jurisdikcie, pri návrhu a validácii sa v praxi opierame o nasledujúce triedy požiadaviek:

Emisné limity platformy: vedené a vyžarované (napr. triedy pre priemyselné/telekomunikačné zariadenia); zameranie na harmonické ESC a spínaných zdrojov.
Imunita rádiových modulov: odolnosť voči rušeniu v pásme a mimo pásmo, odolnosť voči blokovaniu (blocking), intermodulačná odolnosť a selektivita front-endu.
Efektívne využitie spektra: výkonové obmedzenia EIRP v ISM, koexistencia s verejnými sieťami, povinnosti pre LBT (listen-before-talk) alebo DFS v 5 GHz.

Meracie stratégie: laboratórne vs. in-situ

Komplexná validácia vyžaduje kombináciu kontrolovaného laboratórneho testovania a terénnych letových meraní v reprezentatívnych lokalitách.

Predbežná laboratórna charakterizácia
- Spektrálna analýza emisií pohonov a napájania (150 kHz – 6 GHz) s LISN pre vedené merania a širokopásmovými anténami pre vyžarované.
- Meranie presakov v RF reťazci: S-parametre (S11/S21) antén, filtrov, duplexerov; dynamický rozsah prijímača (IIP3, blokovanie).
- Imunitné skúšky: zarušenie v pásme ±10–20 MHz okolo pracovnej nosnej, swept-CW a modulačné profily (OFDM, LTE/NR) pre realistické zatežovanie.
Kanálové sondovanie a mapovanie spektra in-situ
- Letové profily v rôznych výškach (UL: 10–50 m, SL: 50–120 m, OL: nad strechami) a trajektóriách (ulice, námestia, nábrežia).
- Meranie RSSI, SNR, PER/BLER, EVM, časovej rozptylovej funkcie (PDP) a koherenčnej šírky pásma; periodika logovania 10–100 ms.
- Záznam spektra „waterfall“ s 1–5 MHz rozlíšením a geotagom; identifikácia rušivých zdrojov podľa signatúr (Wi-Fi, 5G, radar).

Odporúčaná meracia výbava a konfigurácie

Vektorový spektrálny analyzátor/SDR: 9 kHz – 7,5/13/26 GHz, s možnosťou I/Q záznamu a externého GPSDO.
Kanálový sondovací vysielač: PN sekvencie (m-seq), OFDM piloty, nastaviteľná šírka pásma 5–40 MHz.
Kalibrované antény: log-periodické pre 400 MHz – 6 GHz, horn pre 18–40 GHz, duálna polarizácia.
LISN a prúdové sondy: pre vedené emisie do 30 MHz a diagnostiku prúdenia rušenia po zväzkoch.
Letový logger: synchronizovaný s autopilotom; záznam GNSS, attitude, napätí/prúdov a RF metrík.

Postupy kalibrácie a odhadu neistoty merania

Správna interpretácia dát vyžaduje kalibráciu meracieho reťazca a kvantifikáciu neistôt:

Amplitúdová kalibrácia: kalibračný generátor, sledovanie zisku predzosilňovačov a strát káblov (±0,5–1,5 dB).
Frekvenčná presnosť: GPSDO/OCXO stabilizácia; pre Doppler a EVM kritické (±0,1 ppm).
Časová synchronizácia: PPS pre sondovač a logger (±100 ns) pre spoľahlivé PDP a koherenčné odhady.
Opakovateľnosť profilov: minimálne 3 prelety tou istou trasou; štatistická agregácia (medián, 5./95. percentil).

Analytické metriky pre hodnotenie spoľahlivosti linky

Disponibilita prepojenia: percento času so SNR > SNR_th (napr. 12 dB pre QPSK 1/2) a PER < 1 %.
Koexistencia index: podiel kanálového času bez prekrývajúcich sa rušení > −80 dBm v 1 MHz RB.
Margin od blokovania: rozdiel medzi úrovňou rušenia mimo pásma a prahom blokovania prijímača (napr. −35 dBm v ±20 MHz).
EMC „self-compatibility” skóre: odhad vnútorného presaku medzi subsystémami (napr. ESC→GNSS, VTx→C2 Rx) vyjadrený ako potlačenie v dB pri pracovných frekvenciách.

Modelovanie a mitigácia: od antén po MAC vrstvu

Anténne systémy
- Smerovosť a umiestnenie: antény C2 na vrch, video downlink na spodok trupu; min. 10–15 cm separácia pri 2,4/5,8 GHz.
- Polarizačná diverzita: kombinácia H/V alebo kruhovej polarizácie znižuje fading.
- Filtre a duplexery: SAW/BAW pred LNA, ostré LPF/HPF v TX; potlačenie harmonických > 40 dB.
Elektrická architektúra
- Hviezdicové zemnenie RF modulov, galvanické oddelenie telemetrie, feritové korálky na napájacích vetvách RF.
- Rozdelenie napájania: zvlášť pre RF a pre motory/ESC; LC filtre s rezonančnou frekvenciou pod 50 kHz.
Fyzická a linková vrstva
- Adaptívne MCS s hysteréziou, FEC s nízkou latenciou (konvolučné/LDPC) a ARQ s limitom retransmisií.
- Frekvenčná agilita: preladenie v rámci kanálového plánu pri detekcii interferencie (DFS/LBT).
- Časové plánovanie: duty-cycle limit pre video bursty, prioritizácia C2 nad payload traffic (QoS, WMM/TSN).

Letové stratégie a plánovanie prevádzky v meste

Výber koridorov: preferovať trasy nad úrovňou striech alebo mestské doliny s menšou záťažou ISM (mestské parky, vodné toky).
Výškové profily: nad 60–80 m AGL často klesá rušenie z Wi-Fi; treba však počítať s 5G sektorovým osvetlením na strechách.
Časovanie misií: zníženie rušenia mimo špičiek (ranné hodiny), pri podujatiach počítať s preťažením ISM a verejných sietí.
Predletová spektrálna kontrola: rýchle „sweep & decide“ – výber kanála s najvyššou voľnou kapacitou a najnižším podielom duty-cycle konkurenčných signálov.

EMC návrh platformy: mechanika, tienenie a káblovanie

Tienenie RF a digitálnych modulov: plechové kryty s vodivým tesnením; pozor na vetracie otvory – mriežky s rozmerom < λ/20.
Káblové trasy: kríženie RF a výkonových káblov pod pravým uhlom; skrútené páry pre signály, koaxiálne vedenia s kvalitným opletením.
Upevnenie antén: vzdialenie od uhlíkových ramien (vodivé kompozity), použitie dielektrických stĺpikov; vyhnúť sa tieňovaniu batériou.
Uzemnenie a referencie: jediné bodové prepojenie RF zeme s rámom; minimalizácia slučiek, použitie nízkoimpedančných prepojov.

Koexistencia viacerých rádií na palube

Typická paluba nesie C2 linku, video downlink, GNSS, RTK, prípadne 4G/5G modem. Koexistencia vyžaduje:

Kanálový plán: oddelenie nosných aspoň o 20–40 MHz v 2,4/5 GHz; pre LTE/NR vyhnúť sa harmonickým a násobkom lokálnych oscilátorov.
Časová koordinácia: TDM sloty pre vysielače s vysokým EIRP; prioritizácia telemetrie/riadenia.
Priestorová separácia: antény na protiľahlých ramenách; využitie smerových patchov pre video a všesmerových pre C2.
Filtračná banka: notch filtre pre kolidujúce kanály a LPF/HPF reťazce na potlačenie mimo pásma.

Špecifiká GNSS a magnetometra v meste

GNSS multipath a spoofing riziká: tieniace „kaňony“ znižujú C/N₀; odporúčané je viackonštelačné sledovanie a RAIM/RTK-float s IMU fúziou.
Magnetometer: rušenie od prúdov ESC a oceľových konštrukcií; kalibrácia na mieste misie, magnetická mapa a obmedzenie používania pri nízkych rýchlostiach.

Diagnostika a korelácia udalostí počas letov

Pre korektné vyhodnotenie výpadkov spojenia a anomálií je nutná korelovaná telemetria:

Časovo zarovnané logy: autopilot (EKF stavy), RF metriky (RSSI/SNR/BLER), napájanie (napätie/prúd), údaje o teplote modulov.
Spektrálne „snapshoty“ v čase incidentu (I/Q okno 100–200 ms) pre neskoršiu identifikáciu signatúr rušenia.
Udalostné značky (tagy) pre preladenie, stratu paketov, failsafe prechody a RTH aktivácie.

Pracovný postup meraní a akceptačné kritériá

Definícia scenárov: 3–5 reprezentatívnych lokalít (úzke ulice, otvorené námestie, nad strechami, pri vodnej ploche).
Letové profily: 3 opakovania, rýchlosť 5/10/15 m/s; výšky 30/80/120 m AGL.
Metriky a prahy:
- C2: disponibilita ≥ 99,5 % pri PER < 1 %; minimálna SNR ≥ 10 dB v 95. percentile.
- Video: stredná latencia < 120 ms, jitter < 20 ms, strata rámcov < 1 %.
- GNSS: C/N₀ > 30 dB-Hz pre ≥ 6 satelitov v 90. percentili.
EMC emisie platformy: žiadny diskrétny pík nad limit +3 dB v 30–1000 MHz (vyžarované) a 150 kHz–30 MHz (vedené).

Praktické odporúčania pre rýchle zlepšenia

Pridanie SAW/BAW predladičov pred LNA v C2 prijímači; typický zisk marginu 6–10 dB proti mimo-pásmovým 5G nosným.
Výmene koaxiálov za nízkoztrátové (napr. RG-316 → RG-142) a skrátenie dĺžok; zisk 1–2 dB prijatej úrovne.
Ferritové klipy na silových zväzkoch motorov a ESC; zníženie vyžarovaných špičiek o 5–15 dBμV/m v pásme VHF/UHF.
Preladenie video linky o 20–40 MHz od dominantného Wi-Fi kanála; pokles kolízií o 30–50 % v špičke.
Oddelenie napájania RF modulov LDO pred DC-DC; redukcia šumu v prijímači o 2–4 dB.

Bezpečnostné a failsafe aspekty pri rušení

Hierarchický failsafe: strata video → degradácia bitrate; strata C2 → autonómne držanie/steig; dlhá strata → RTH pristátie.
Geofencing pre oblasti s vysokou hustotou vysielačov (štadióny, centra podujatí); dynamické znižovanie rýchlosti pri poklese RF KPI.
On-board detekcia rušenia: per-packet SNR, rýchly skener okolia pri PER spike; zápis udalostí pre audit.

Prípadová štúdia: optimalizácia linky v historickom centre

Pri testoch v úzkych uliciach s hrubými stenami (2,4/5 GHz) bol pozorovaný nízky K-faktor a výrazný delay spread. Aplikované opatrenia:

Prechod z jednopolarizačných patchov na duálnu polarizáciu s MRC kombináciou: zlepšenie 95. percentilu SNR o ~3,5 dB.
Implementácia adaptívneho bitrate videa s krátkym oknom (250 ms): pokles výpadkov z 2,1 % na 0,6 % misie.
Notch filter na LTE nosnú ±20 MHz od C2: eliminácia občasného blokovania prijímača.

Check-list pre EMC dizajn a overenie v meste

Antény: správna orientácia, separácia, VSWR < 1,8:1, kalibrácia ziskov.
Káble: minimálne slučky, tienené, správne konektory; ferrity na silových vetvách.
Filtre: SAW/BAW pre Rx, LPF pre Tx; overené potlačenie harmonických.
Napájanie: LDO pre RF, LC filtre; meranie šumového profilu.
Softvér: adaptívny MCS, QoS pre C2, frekvenčná agilita, detekcia rušenia.
Terénne testy: spektrálne mapy, PDP, KPI logy s geotagom; kritériá akceptácie splnené.

Odporúčaný integračný postup

EMC v mestských kanáloch pre UAV je systémový problém, ktorý sa nedá vyriešiť jediným opatrením. Najvyššiu návratnosť prináša kombinácia: premysleného anténneho a elektrického layoutu, filtračných prvkov a softvérovej adaptivity na úrovni PHY/MAC, podporená disciplinovaným meraním v reálnom prostredí. Odporúča sa cyklus „dizajn → laboratórne merania → in-situ validácia → ladenie“ s jasnými KPI a akceptačnými prahmi. Takýto prístup minimalizuje riziko interferencie, zvyšuje disponibilitu kritických liniek a umožňuje bezpečnú a predvídateľnú prevádzku UAV v komplexných mestských scenároch.