EMF-Messungen an Mobilfunkstationen EMVU-Prüfung aus der Luft

Drohnengestützte EMF-Messungen an Mobilfunk-Stationen
Drohnengestützte EMF-Messungen an Mobilfunk-Stationen

Thermografische Untersuchungen werden bereits mit Hilfe von kommerziell verfügbaren Drohnen durchgeführt. Mit ihnen lässt sich auch die Messung von elektromagnetischen Feldern an Mobilfunkstationen schneller und einfacher durchführen. Dafür müssen die Drohnen um ein Antennenmodul erweitert werden.

Mobilfunk-Basisstationen, Richtfunkstrecken oder Radaranlagen: Sie alle müssen auf ihre eletromagnetische Verträglichkeit mit der Umwelt (EMVU) überprüft werden. Die notwendigen Messungen werden in der Regel mit handgehaltenen oder stativgestützten Feldgeräten durchgeführt. Der nächste Schritt ist eine Drohnen-getützte EMVU-Prüfung.

Die schnelle Entwicklung innerhalb der unbemannten Luftfahrzeuge (Unmanned Aircraft Systems, UAS) oder umgangssprachlich auch Drohnen oder Copter genannt, macht die Systeme auch für akkreditierte Prüfzentren interessant. Beim HF- und Funkmodulentwickler mit angeschlossenem Prüflabor IMST wurden bereits verschiedene Projekte mit UAS-Unterstützung durchgeführt (siehe Exkurs: Fliegende Sensoren für die Rettungsleitstelle). Die neueste Anwendung sind Messungen von Immissionsszenarien mit UAS im Bereich bis 6 GHz.

Dafür wird eine handelsübliche Drohne (DJI S1000 Octo-Copter) technisch modifiziert und mit einem mobilen Spektrumanalysator erweitert. Parallel zu der Funkverbindung für die Steuerung der Drohne muss eine weitere Zwei-Wege-Verbindung mit einer Bodenstation hergestellt werden. Über diese Verbindung läuft die Kommunikation mit der im UAS integrierten Messtechnik. Sie kann von einem handelsüblichen Laptop aus hergestellt werden. Dafür wird eine Steuerung aus Sender und Empfänger (DJI Lightbridge) in Verbindung mit einem Datalinksystem (Datalink Pro 900 ) verwendet.

Letzteres arbeitet bidirektional mit einer Trägerfrequenz von 869,525 MHz und einer maximalen Übertragungsrate von 115,2 kbit/s und wird mit einem kompakten Rechnersystem auf der Drohne verbunden. An den Mini-PC selbst kann dann mittels USB-LWL-Wandler oder Standard-USB-Schnittstelle der mobile Spektrumanalysator angeschlossen werden. Bild 1 zeigt die Funktionsblöcke des Systems im Überblick.

Proprietäre Software

Die verwendete Software ist in Python geschrieben und nutzt die vom Hersteller des Spektrumanalysators bereitgestellten Treiber. Die Anpassung der Schnittstellen (Schnittstellen-Typ, Geschwindigkeit, Pufferung etc.) erfolgt über Quellencodierung und die Implementierung eines Protokolls mit zyklischer Redundanzprüfung (CRC) zur Fehler­erkennung und einer Segmentierung.

Letztere war notwendig, da aufgrund der Speichergröße der auszutauschenden Daten, diese in mehrere Blöcke unterteilt werden mussten. Da aber lediglich zu Kontrollzwecken komplette Bildschirmansichten versendet werden und sonst nur der interne Speicher des Narda-Messgerätes genutzt wird, ist die Datenübertragung in erster Linie für Befehle von der Bodenstation notwendig.

Die Fehlerkorrektur selbst findet im DJI-Modem statt. Im OSI-Schichtenmodell entspricht das der Sicherungsschicht (Data Link Layer). Die Software auf dem UAS und in der Bodenstation hängt in der Transportschicht (Transport Layer) bidirektional eine Standard-CRC-Prüfsumme an die einzelnen Nachrichtenfragmente an, die auf der jeweiligen Gegenseite geprüft werden. Die Nachrichtenfragmente werden auch als Chunks bezeichnet und sind etwa 1 kB lang.

In der aktuellen Software-/Protokollversion führen Nachrichtenfragmente mit falscher CRC-Prüfsumme zum Verwerfen der kompletten Nachricht. Der UAS-Pilot muss das gleiche Kommando manuell noch einmal senden. Bisherige Untersuchungen, auch unter erschwerten Bedingungen wie eine vergrößerte Entfernungen zwischen Bodenstation und Drohne von bis zu 100 m oder Störeinstrahlung von größeren elektrischen Feldstärken, haben diesen Fall jedoch noch nicht aufgezeigt.

In einer geplanten weiteren Ausbaustufe der Software, in der vor allem das Protokoll erweitert wird, soll bei einer falschen CRC-Prüfsumme automatische eine Wiederholung des jeweiligen Nachrichtenfragments stattfinden, so lange, bis die Nachricht bestehend aus vielen Nachrichtenfragmenten komplett fehlerfrei übertragen wurde. Jede Wiederholung ist auf eine endliche Anzahl von Versuchen begrenzt, so dass bei zu vielen Wiederholungen die komplette Nachricht für ungültig erklärt und eine entsprechende Fehlermeldung angezeigt wird.

Bild 2 zeigt die Struktur der entwickelten Software. Insbesondere die Quellcodierung und das Versehen mit zyklischer Redundanzprüfung sind für eine robuste Datenübertragung mit niedriger Bitrate (9,6 kBaud) notwendig, mit der zum einen eine sehr große Reichweite erzielt wird und zum anderen ein möglichst hoher Störfestigkeitspegel in Bezug auf elektromagnetische Felder.

In Bild 3 sind die einzelnen Softwareelemente für die Bodenstation zu sehen. Dabei befindet sich links das Kommando-Fenster für die Eingabe von Befehlen sowie die Anzeige für die Kommunikation. Der von der Lufteinheit gesendete Bildschirmausschnitt des Spektrumanalysators ist rechts unten dargestellt. Dieser wurde als komprimiertes Bild in mehreren Chunks gesendet. Rechts oben ist das Empfangsspektrum zu sehen, das als Datenreihe gesendet und in der Bodenstation visualisiert wurde.