CC BY
50Достигнутая точность существенно выше известных аналогичных устройств. Например, по данным НИИКП абсолютная погрешность при угловой скорости рамки 0,06 °/с гарантируется на уровне ± 0,013 °/с, а в рассматриваемой системе она составила 0,00025 °/с (5=0,36%).
Значения длительности переходных режимов при изменении угловой скорости от 0 до максимальной приведены в таблице.
Режим Угловая скорость, °/с Длительность, с
Разгон ПВР От 0 до 11,5 0,21 с
Торможение От 11,5 до 0 0,09 с
Реверс От +11,5 до минус 11,5 0,22
Полученные данные параметров переходных процессов вполне приемлемы для реализации.
© Болгов И. С., Муравяткин Ю. И., Бутаков А. Н., Лянзбург В. П., 2013
УДК 621.396.677
ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПРИЕМНАЯ АДАПТИВНАЯ ЦИФРОВАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО РЕТРАНСЛЯТОРА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
В. А. Вечтомов1, Л. И. Пономарев2, В. Е. Мешковский1, С. А. Чурилин1
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Россия, 105005, г. Москва, 2-ая Бауманская, 5. E-mail: [email protected] ^Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) Россия, 125993, г. Москва, A-80, Волоколамское шоссе, 4. E-mail: [email protected]
Предложено конструктивное исполнение перспективной бортовой приемной адаптивной многолучевой антенны с цифровой обработкой информационного сигнала для космического ретранслятора спутниковой связи. Антенна оптимизирована к условиям функционирования на геостационарной орбите. Оценены ее электрические, прочностные и энергомассовые характеристики.
Ключевые слова: бортовая антенна, крупноапертурный излучатель, цифровая обработка.
ADVANCED RECIEVING ADAPTIVE DIGITAL ARRAY FOR SATELLITE COMUNICATION SPACE EXTENDER
V. A. Vechtomov\ L. I. Ponomarev2, V. E. Meshkovskii\ S. A. Churilin1
:The Bauman Moscow State Technical University 5, 2-ya Baumanskaia str., Moscow, 105005, Russia, E-mail: [email protected]
2Moscow Aviation Institute (National Research University) 4, Volokolamskoe shosse, A-80, Moscow, 125993, Russia, E-mail: [email protected]
The design of an advanced receiving adaptive multi-beam antenna with digital information signal processing for satellite communication space extender is suggested. The antenna is optimized for operating procedures on a geostationary orbit. Electric, structural and energetic characteristics of antenna are estimated.
Keywords: airborne antenna, large-aperture radiator, digital processing.
Бортовые антенны во многом определяют тактико-технические характеристики (ТТХ) космических ретрансляторов (РТР). При построении перспективных РТР основной акцент делается на применение цифровых устройств [1], способных обрабатывать большие объемы информации и обеспечивать требуемый уровень помехозащиты. Поэтому построение цифровой антенной решетки (ЦАР), сочетающей в себе малую стоимость, сравнительно небольшой вес, малые продольные размеры, осесимметричное электрическое сканирование лучами в небольших пределах (±8,7°) является актуальной задачей.
В настоящем докладе предложены новые инженерно-технические решения по созданию приемных
ЦАР с зонированным обслуживанием (ЗО) всей видимой части земной поверхности узкими лучами (рис. 1). Решением поставленной задачи, близким к оптимальному, является построение бортовой антенны в виде ЦАР из крупноапертурных излучателей (КАИ), представляющих собой многолучевую антенну (МЛА). Подобная антенна совмещает в себе преимущества как фазированных АР, так и МЛА. Теоретическое обоснование построения такой антенны представлено в ряде работ [2; 3].
Показана целесообразность применения гибридно-линзовой (ГЛА) антенны в качестве КАИ, поскольку в ней отсутствует затенение апертуры массивным облучателем, а малошумящий преобразователь (МШПр)
Системы управления, космическая навигация и связь
и цифровая аппаратура размещаются в приборном отсеке, где они будут закрыты от прямых солнечных лучей и метеоритной пыли приборным блоком РТР.
При разработке конструкции ЦАР (рис. 2) решено отказаться от модульного принципа построения (один КАИ - один модуль) в пользу поэтажного, что позволило сконструировать более прочную, с меньшей
массой бортовую антенну. При конструировании применен принцип автономности: антенна должна быть пригодна для функционирования, испытаний, настройки и транспортировки вне КА, являясь сборочной единицей, готовой к встраиванию в вышестоящую по иерархии - РТР.
Рис. 1. ЗО, формируемые ЦАР: - семерка лучей, формируемая при синфазном (1) и линейном (2) фазовом сдвиге в апертуре ЦАР; б - ЗО при цифровом формировании лучей
Рис. 2. а - конструктивное исполнение ЦАР Х-диапазона; б - блок облучателей КАИ: 1 - волноводная линза КАИ; 2 - панель с линзами; 3, 8 - стойки; 4 - облучатель КАИ; 5 - панель с облучателями; 6 - панель с МШПр; 7 - волноводный тракт; 9 - МШПр; 10 - фланец облучателя; 10 - кронштейн с МШПр
Конструкция ЦАР (рис. 2, а) состоит из семи КАИ, облучателями которых является АР из семи круглых волноводов. Панели 2, 5 и 6 и стойки 3 и 8 выполнены из углепластика. Блок облучателей и фидерного тракта представляет собой единую конструкцию, готовую к встраиванию в вышестоящую по иерархии сборочную единицу - ЦАР.
С целью унификации и облегчения монтажа и отработки электрических характеристик применен модульный принцип построения блока облучателей и фидерного тракта (рис. 2, б). Антенна имеет предельно малые продольные габариты, что делает необязательным трансформирование ее в транспортное положение. При этом существенно упрощается конструкция, увеличивается прочность и снижается масса.
Массовые характеристики модуля МЛА: апертуры -0,7 кг; конструкционные панели - 5,7 кг; волноводные тракты и МШУ - 17,29 кг; стяжки - 0,68 кг; крепеж -4,08 кг. Суммарная масса модуля МЛА составляет 28,45 кг.
После МШПр на видеочастоте 1,8 ГГц производится оцифровка информационного сигнала, что позволяет применить цифровое формирование множества узких лучей для покрытия всей видимой с КА на ГСО поверхности Земли (красная линия на рис. 1, а), а также подавить активные помехи в цифровом адаптивном процессоре.
Цифровые комплектующие для аналого-цифрового преобразователя (АЦП) выбирались из класса aerospace с целью обеспечения длительного функ-
а
ционирования на ГСО при воздействии ионизирующего излучения, тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) и повышенной температуры. Микросхемы должны допускать внешнюю синхронизацию, так как в ЦАР одновременно работают большое количество АЦП, а формируемые ими выходные сигналы синхронно поступают в адаптивный процессор. Рассмотрены пути построения АЦП и предложен частотный план для Х-диапазона. Проектирование печатной платы проводилось в САПР Altium Designer.
При потреблении одним АЦП порядка 1,5 Вт и формирователем квадратур - 1 Вт один канал оцифровки сигнала требует 4 Вт мощности. При числе излучателей в ЦАР в количестве 49 шт. два ствола по 40 МГц будут потреблять 196 Вт. При работе в рабочей полосе 400 ГГц потребляемая мощность составит 980 Вт. Следовательно, потребляемая мощность предложенной схемы оцифровки сигнала составляет 200... 1000 Вт. (Следует учесть, что часть мощности потребляется за счет ресурсов, выделенных для цифровой бортовой платформы).
Для оценки живучести и стойкости к внешним воздействиям в условиях космической среды конструкции ЦАР, в том числе по сохранению ТТХ на этапе выведения КА на ГСО, проведен численный анализ ее напряженно-деформированного состояния с использованием программного комплекса MSC.Patran-Nastran для перегрузок порядка 20 g. Получено, что низшая собственная частота колебаний конструкции ЦАР в зачекованном положении составила 47,9 Гц, а перегрузки 20 g в продольном и поперечном направлениях не приводят к пластическим деформациям и лежат в заданных ТТХ пределах.
Пространственная фильтрация помех с помощью адаптивной ЦАР способна увеличить уровень сигнальной помехозащиты (12.25 дБ) еще на 30.40 дБ. В алгоритме принято, что полезным сигналом, принимаемым ЦАР, является сигнал с постоянным значением модуля информационных символов (Constant-Modulus, CM). Пространственная фильтрация помех производится линейно-ограниченным (Linearly Constrained, LC) рекурсивным алгоритмом по критерию наименьших квадратов (Recursive LeastSquares, RLS). Он обеспечивает неадаптивное формирование основного луча ДН каждой из подрешеток в известном направлении на источник полезного сигнала и провалов в ДН в известных направлениях на источники коррелированных помех, которые для соседних подрешеток являются полезными сигналами, а также адаптивное формирование провалов в ДН в неизвестных направлениях на источники некоррелированных помех. Ап-
робация алгоритма проведена на программно-аппаратном комплексе в среде «Спектр-2» [4]. Анализируются процессы адаптации в главном лепестке ДН ЦАР. Показано, что адаптация возможна в 2/3 главного лепестка ДН.
Библиографические ссылки
1. Верзунов Г. В. Бортовая обработка сигналов: перспективы и проблемы // Технологии и средства связи. Спец. выпуск. 2007. С. 52-58.
2. Пономарев Л. И., Вечтомов В. А., Милосер-дов А. С. Многолучевая антенная решетка для системы спутниковой связи // Антенны. 2012. Вып. 5 (180). С. 52-63.
3. Бортовая антенная решетка из крупноапертур-ных излучателей с глобальным обслуживанием с геостационарной орбиты / В. А. Вечтомов, Л. И. Пономарев, А. С. Милосердов, Р. Х. Воронов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2012. С. 297-302.
4. Программно-аппаратный комплекс для моделирования параметров системы спутниковой связи на линии «вверх» / В. А. Вечтомов, К. А. Воробьев, А. Н. Лебедев и др. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2012. С. 297-302.
References
1. Verzunov G. V. Bortovaya obrabotka signalov: perspective i problem. «Tehnologii I sredstva svyazi». (On-board signal processing) Specialniy vipusk, 2007, p. 52-58.
2. Ponomarev L. I., Vechtomov V. A., Miloserdov A. S.
Mnogoluchevaya antennaya reshetka dlia sistemi sputnikovoy svjazi. // Antenni. 2012, part. №5 (180). p. 52-63.
3. Bortovaja antennaja reshetka iz krupnoaperturnih izluchateley s globalnim obslujivaniem geostacionarnoy orbiti. / V. A. Vechtomov, L. I. Ponomarev, A. S. Miloserdov, R. H. Voronov // Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Priborostroenie, 2012, p. 297-302.
4. Programmno-apparatniy kompleks dlja modeliro-vania parametrov sistemi sputnikovoy svjazi na linii «vverh» / V. A. Vechtomov, K. A. Vorobiev, A. N. Lebedev i dr. // Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Priborostroenie, 2012, p. 297-302.
© Вечтомов В. А., Пономарев Л. И., Мешковский В. Е., Чурилин С. А., 2013
