Антенная система
ANTENNA SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к радиотехническим системам связи на основе фазированной антенной решетки с использованием моноимпульсного метода автосопровождения и может использоваться для обеспечения получения телеметрической информации с борта летательных аппаратов.
Известна антенная система в виде наземного мобильного измерительного комплекса, содержащего приемную антенную систему, блок управления приемной антенной системой, систему спутниковой связи, блок фильтрации, усилительный блок, частотный преобразователь, распределитель сигнала, преобразователь радиосигнала в видеосигнал, блок преобразования видеосигналов в код, обеспечивающая прием сигналов телеметрической информации с борта космического объекта и трансляцию ее на пункт управления. Недостатком данной системы является невысокая точность определения направления на объект контроля.
Наиболее близким аналогом является адаптивная антенная решетка (Наземный мобильный измерительный комплекс, Патент RU 2 188 508 C1, Н04В 7/26, 06.11.2001), выполненная в виде квадратной плоской апертуры, каждый элемент которой разделен на два канала, один из которых подключен к сумматорам строк, другой к сумматорам столбцов. Выходы сумматоров строк и столбцов подключены к перемножителям, где сигналы адаптивно взвешиваются с заданными коэффициентами (Адаптивные антенны, С.С. Шесняк, М.П. Попов, Военная инженерно-космическая краснознаменная академия им. А.Ф. Можайского, С.Петербург - 1995 г.). Данная система обеспечивает сопровождение космического объекта основным лепестком диаграммы направленности по заданной программе. Направление на объект и автосопровождение осуществляется в пределах основного луча диаграммы направленности, при этом производится прием телеметрической информации с борта и передача ее на пульт управления.
Недостатком такой системы является также невысокая точность определения направления на объект (цель), которая лежит в пределах ширины основного луча, что допустимо для осуществления режима автосопровождения по программируемой траектории космического объекта и недостаточно для объектов контроля с нештатным отклонением по траектории. Особенно это критично, если при нештатном отклонении или непрограммируемом маневре имеет место потеря радиосвязи с объектом. Например, при дальности до объекта контроля в 500 км и ширине диаграммы направленности порядка пяти градусов погрешность определения координаты по азимуту составит 43 км. Такая ситуация является типичной при испытаниях экспериментальных образцов летательных аппаратов. Поиск аварийного объекта контроля на местности после его падения представляет определенную трудность, а иногда из-за рельефа местности и грубой оценки координат места падения, отыскать объект не представляется возможным.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности определения направления на цель антенной системой с автоматическим сопровождением цели.
Технический результат достигается тем, что в антенную систему на базе цифровой фазированной решетки (ФАР), содержащую n приемных элементов по горизонтали и m приемных элементов по вертикали, где n и m больше единицы, состоящих из излучателей, подсоединенных ко входам соответствующих сумматоров и через усилители, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) подключенных к каждому из перемножителей по азимуту и углу места, ко вторым входам которых подключены соответствующие выходы постоянно запоминающих устройств (ПЗУ) весовых коэффициентов по азимуту и углу места, а выходы перемножителей к соответствующим входам сумматоров по строкам и столбцам, выходы которых подключены к соответствующим входам обнаружителя сигналов, входам регистрирующего устройства и соответствующим входам устройства автосопровождения по азимуту и углу места, к временному входу регистрирующего устройства подключены последовательно соединенные устройство приема сигналов единого времени и блок формирования сигналов единого времени, информационные выходы устройства автосопровождения по азимуту и углу места соединены с соответствующими входами регистрирующего устройства, дополнительно введены элемент ИЛИ, анализатор амплитуд входных сигналов, измерительные входы которого подключены соответственно к выходам сумматоров по строкам и столбцам, а информационные выходы подключены через устройство формирования угловых поправок к дополнительным входам регистрирующего устройства и ко входам коррекции устройства автосопровождения по азимуту и углу места, при этом выход синхронизации устройства формирования угловых поправок подключен через один из входов элемента ИЛИ ко входу синхронизации регистрирующего устройства, а выход синхронизации обнаружителя сигналов соединен со входом синхронизации устройства автосопровождения по азимуту и углу места, входом синхронизации анализатора амплитуд и со вторым входом элемента ИЛИ.
На фиг. 1 изображена блок-схема антенной системы на базе цифровой фазированной решетки, на фиг. 2 - 4 - диаграммы направленности основного и парциальных лучей антенной системы и график ориентировочной зависимости отклонения направления на цель от соотношения амплитуд сигнала в основном луче к амплитуде сигнала в парциальном луче, поясняющие работу устройства.
Устройство на фиг. 1 содержит n приемных элементов 1 по горизонтали и m приемных элементов 2 по вертикали, где n и m больше единицы, состоящих из излучателей 3, подсоединенных ко входам соответствующих сумматоров 4, последовательно соединенных сумматоров 4, усилителей 5, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 6. АЦП 6 подключены к каждому из двух перемножителей: 7 по азимуту и 8 по углу места, ко вторым входам которых подключены соответствующие выходы постоянно запоминающих устройств (ПЗУ) весовых коэффициентов по азимуту 9 и углу места 10, а выходы перемножителей к соответствующим входам сумматоров по строкам 11 и столбцам 12, выходы которых подключены к соответствующим входам обнаружителя сигналов 13, входам регистрирующего устройства 14 и соответствующим входам устройства автосопровождения по азимуту и углу места 15, к временному входу регистрирующего устройства 14 подключены последовательно соединенные устройство приема сигналов единого времени 16 и блок формирования сигналов единого времени 17, информационные выходы устройства автосопровождения по азимуту и углу места 15 соединены с соответствующими входами регистрирующего устройства 14, измерительные входы анализатора амплитуд входных сигналов 19 подключены соответственно к выходам сумматоров по строкам 11 и столбцам 12, а информационные выходы анализатора амплитуд входных сигналов 19 подключены через устройство формирования угловых поправок 20 к дополнительным входам регистрирующего устройства 14 и ко входам коррекции устройства автосопровождения по азимуту и углу места 15, при этом выход синхронизации устройства формирования угловых поправок 20 подключен через один из входов элемента ИЛИ 18 ко входу синхронизации регистрирующего устройства 14, а выход синхронизации обнаружителя сигналов 13 соединен со входом синхронизации устройства автосопровождения по азимуту и углу места 15, входом синхронизации анализатора амплитуд 19 и со вторым входом элемента ИЛИ 18.
Устройство работает следующим образом. Антенная система принимает радиосигналы, излучаемые телеметрическим передатчиком с движущегося объекта контроля и осуществляет режим автосопровождения по принимаемым сигналам, используя моноимпульсный метод определения направления на цель по принимаемым сигналам в пассивном режиме. При этом радиосигналы, излучаемые телеметрическим передатчиком с объекта контроля, принимаются излучателями 3 приемных элементов 1 по горизонтали и излучателями 3 приемных элементов 2 по вертикали. Сигналы с выходов излучателей 3 суммируются соответствующими сумматорами 4, усиливаются соответствующими усилителями 5 и поступают на АЦП 6. Оцифрованные сигналы с выходов каждого АЦП 6 поступают на входы соответствующих двух перемножителей по азимуту 7 и углу места 8, на другие входы которых поступают весовые коэффициенты с ПЗУ по азимуту 9 и ПЗУ по углу места 10. Информация с соответствующих перемножителей поступает на входы сумматора по строкам 11 соответствующим углу места и на входы сумматора по столбцам 12 соответствующим азимуту, с выходов сумматоров по строкам 11 и по столбцам 12 поступает на регистрирующее устройство 14, на входы обнаружителя сигналов 13, входы устройства автосопровождения 15 и измерительные входы анализатора амплитуд 19. Обнаружитель сигналов 13 из принимаемых сигналов на фоне помех и отраженных сигналов выделяет полезный сигнал и формирует разрешающий сигнал на вход синхронизации (разрешающий вход) устройства автосопровождения по азимуту и углу места 15, на вход синхронизации анализатора амплитуд входных сигналов 19 и через один из входов элемента ИЛИ 18 на вход синхронизации регистрирующего устройства 14. Устройство автосопровождения по азимуту и углу места 15 по заданному алгоритму обеспечивает направление основного луча диаграммы направленности на источник сигналов, информация с устройства автосопровождения по азимуту и углу места 15 в виде данных о направлении основного луча диаграммы направленности поступает на соответствующие входы регистрирующего устройства 14, одновременно с этим регистрирующее устройство 14 при получении синхронизирующего сигнала осуществляет регистрацию принятой полезной телеметрической информации. Анализатор амплитуд 19 при получении синхронизирующего сигнала с обнаружителя сигналов 13 производит сравнение амплитуд принимаемых сигналов в основном луче диаграммы направленности с амплитудой сигналов в парциальном луче. Результаты сравнения амплитуд с информационных выходов анализатора амплитуд входных сигналов 19 поступают на устройство формирования угловых поправок 20. Устройство формирования угловых поправок 20 формирует сигналы угловых поправок по азимуту и углу места, которые поступают на соответствующие входы регистрирующего устройства 14.
Устройство приема сигналов единого времени 16 принимает сигналы спутниковой системы и передает на блок формирования сигналов единого времени 17, который формирует сигналы в требуемом для регистрации формате. Сигналы с выхода блока формирования сигналов единого времени 17 поступают на соответствующий вход регистрирующего устройства 14 для идентификации принимаемой информации по времени.
На фиг. 2 приведен вариант приема информации от цели антенной системой, когда основной луч антенной системы с шириной ϕ = 5° ориентирован строго на цель, при этом отношение амплитуд сигнала в основном луче к амплитуде сигнала в парциальном луче составляет ориентировочно , т.к. коэффициент усиления по мощности в парциальном луче по определению на 3 дБ меньше, чем в основном.
На фиг. 3 приведен вариант, когда направление на цель основного луча диаграммы направленности находится на самой границе основного луча, при этом отношение амплитуд сигнала в основном луче к амплитуде сигнала в парциальном луче составляет ориентировочно .
Если предположить зависимость отношение амплитуд в пределах половины ширины основного луча (ϕ/2) от величины отклонения на цель практически линейной, то она будет иметь вид фиг. 4.
Устройство автосопровождения по азимуту и углу места 15 формирует команду и осуществляет доворот антенного полотна в направлении на цель только когда объект контроля выходит за пределы диаграммы направленности основного луча ϕ и попадает в один из парциальных лучей, и тем самым обеспечивает режим автоматического сопровождения цели. В случае, когда объект контроля не вышел за пределы диаграммы направленности основного луча и связь по каким-то причинам пропала то определение направления на цель фиксируется в пределах диаграммы направленности ширины основного луча равной ϕ, но с учетом введенных анализатора амплитуд 19 и устройства формирования угловых поправок 20 и элемента ИЛИ 18 с соответствующими связями позволяют уточнить направление на цель на момент пропадания связи.
Например, если определение отношения амплитуд принимаемых сигналов в основном луче к амплитуде сигналов в парциальном луче вычислять с точностью 10% и определять Δ ϕ с точностью 0,1 за счет собственных шумов радиоприемного тракта и нелинейности зависимости отношения амплитуд принимаемых сигналов в основном луче к амплитуде сигналов в парциальном луче, то зона определения на цель, при дальности 500 км и ширине диаграммы направленности луча пять градусов вместо 43 км составит , а также при этом будет уточнено направление на цель.
2
2
При использовании двух антенных систем, расположенных перпендикулярно к траектории полета, зона нахождения (поиска) объекта испытаний с 43×43=1845 км сократиться до размеров 2,15×2,15=4,63 км, это позволит при аварийной ситуации пилотируемого объекта сократить время поиска и быстрее оказать помощь. Таким образом, введение анализатора амплитуд входных сигналов, элемента ИЛИ и устройства формирования угловых поправок с указанными связями повышает точность определения направления на цель антенной системой с автоматическим сопровождением цели с использованием моноимпульсного метода автосопровождения.
Все вновь вводимые блоки выполнены по известным схемам, реализованы на современной цифровой элементной базе. Устройство в целом испытано в реальных условиях, получены положительные результаты, подтверждающие заявленные технические решения.