СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
METHOD FOR TRANSMITTING INFORMATION

Изобретение относится к системам связи и может быть использовано для расширения зоны обслуживания в районах, где отсутствует или наблюдается неустойчивый прием радиотелевизионного сигнала сверхвысокой частоты (СВЧ) от космического аппарата (КА).
Прямому прохождению сигнала от источника сигнала космического аппарата до точки приема препятствует рельеф местности: наличие холма, или горной преграды, или при расположении точки приема в ложбине. В таких случаях используют специальные линии СВЧ-связи и ретрансляторы.
Известны способы передачи информации, реализованные в станциях спутниковой связи. Указанные станции обычно представляют собой приемопередающие радиостанции с одной общей антенной (на прием и на передачу). Для наведения антенны в этих станциях используют способы, в которых проводят режим программного наведения в заданную точку пространства, а также режим точного наведения по принимаемому сигналу (режим автосопровождения). Переход в режим автосопровождения осуществляют с помощью поиска и захвата сигнала (Покрас A.M., Сомов A.M., Цуриков Г.Г. Антенны земных станций спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1985 г., с.35-76).
В режиме точного наведения по принимаемому сигналу могут использоваться различные методы: метод экстремального наведения, моноимпульсный метод и др.
Недостатком данных способов является трудность реализации точного программного наведения антенны, что связано с необходимостью использования достаточно сложных точных измерительных средств.
Известен способ передачи информации, использованный в станции спутниковой связи, содержащей параболическую зеркальную антенну с СВЧ-блоком и блоками азимутальной и угломестной осей, блок наведения антенны, вычислительное устройство, снабженное программами, включая программы наведения антенны (Фролов О.П. Антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 2000 г., с.260-265).
В данном способе проводят режим программного наведения антенны по углу места и азимуту в заданную точку пространства, а также режим точного наведения антенны на источник сигнала с использованием автосопровождения, реализованного посредством метода экстремального наведения. Режим точного наведения антенны осуществляют путем перехода из режима программного наведения с использованием поиска и захвата сигнала.
Недостатком данного способа является значительная погрешность программного наведения. Это обусловлено, прежде всего, ошибкой определения меридиана.
Прототипом изобретения является способ передачи информации, реализованный в ретрансляторе, содержащем приемную и передающую параболические зеркальные антенны, а также СВЧ-блоки, блоки азимутальной и угломестной осей приемной и передающей антенн. В состав ретранслятора также входят блок наведения приемной антенны и вычислительное устройство, снабженное программами, включая программы наведения антенны (патент РФ №2308154, Н04В 5/00, 2007 г.).
В данном способе осуществляют наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала по углу места и азимуту с использованием программного разворота по углу места и азимуту и точного наведения по принимаемому сигналу, а также программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию в соответствии с расчитанными углом места и азимутом.
U
Недостатком данного способа является относительно невысокая точность наведения по азимуту приемной антенны на источник сигнала и передающей антенны на абонентскую станцию. Ошибка наведения обусловлена значительными нестационарными потерями радиотелевизионного сигнала в атмосфере из-за осадков при работе в К-диапазоне частот (частота принимаемого сигнала 10,95-11,7 ГГц).
Предлагаемое изобретение относится к ретрансляторам, характеризующимся относительно невысокой скоростью передачи информации, имеющим сравнительно широкую диаграмму направленности антенны (1,5-3 градуса).
Рассматриваемые ретрансляторы устанавливаются на жестком основании. Приемная антенна принимает радиотелевизионный сигнал от КА. Точность положения современных КА («Экспресс», «Галс») высока и составляет 3-6 угловых минут. В связи с указанным, при требуемой точности наведения приемной и передающей антенн (18-36 угловых минут) достаточно ограничиться начальным наведением этих антенн и зафиксировать положение антенн на время эксплуатации до проведения очередных регламентных работ или ремонта. Это позволяет повысить экономичность ретранслятора, поскольку электропитание систем наведения указанных антенн отключают.
Отклонение основания ретранслятора от горизонтальной плоскости (ошибка негоризонтальности) может быть определена с помощью устройства местной вертикали, например маятникового типа, а также жидкостного уровня.
Точность программного наведения приемной и передающей антенн по углу места определяется ошибкой определения горизонтальной плоскости, ошибкой положения КА, ошибками местонахождения ретранслятора и абонентской станции (навигационными ошибками) и приборными ошибками. Для рассматриваемых ретрансляторов точность программного наведения антенн по углу места соответствует требованиям.
Для определения меридиана может быть использован радиокомпас, работающий от спутниковой радионавигационной системы. Радиокомпас с приемлемыми размерами (измерительной базой 3-6 метров) имеет точность (по уровню 3σ 20-45 угловых минут. Этого недостаточно для анализируемых ретрансляторов. Кроме того, использование радиокомпаса приводит к увеличению массы, габаритов, электропотребления и стоимости ретранслятора.
В прототипе в качестве физически реализуемого азимутального базового направления используют направление оптической оси приемной антенны ретранслятора на источник сигнала. При этом направление меридиана, которое используется в программе наведения передающей антенны ретранслятора по азимуту, находят расчетным путем. Данный метод не требует дополнительных аппаратурных затрат.
Ошибка программного наведения передающей антенны на абонентскую станцию по азимуту является суммой ошибки положения КА, навигационной ошибки, а также приборных ошибок (отработки угла). Ошибка положения современных КА существенно меньше, чем ошибка радиокомпаса.
В прототипе точное наведение приемной антенны на источник сигнала осуществляют с помощью метода экстремального наведения. Этот метод широко используют в станциях спутниковой связи из-за простоты аппаратурной реализации.
При использовании данного метода осуществляют сравнение сигналов, снимаемых в одинаковые временные интервалы, разнесенные по времени. Поэтому нестабильность принимаемого радиотелевизионного сигнала во времени из-за потерь в атмосфере приводит к дополнительной погрешности наведения, которая может превысить допустимое значение.
Технической задачей изобретения является повышение точности наведения по азимуту приемной антенны на источник сигнала и передающей антенны на абонентскую станцию в условиях потерь радиотелевизионного сигнала в атмосфере.
Для достижения указанного технического результата в способе передачи информации, включающем наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала по углу места и азимуту с использованием программного разворота по углу места и азимуту и точного наведения по принимаемому сигналу, а также программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию в соответствии с расчитанными углом места и азимутом, разворот приемной антенны по азимуту проводят в заданном направлении дискретно с измерением сигнала, при первом превышении сигнала заданного первого порогового значения производят остановку приемной антенны с измерением сигнала и определением скорости изменения сигнала в течение заданного первого интервала времени, после этого при допустимой скорости изменения сигнала продолжают разворот приемной антенны в заданном направлении при конечной величине сигнала первого интервала времени, меньшей первого порогового значения, до последующего превышения сигнала первого порогового значения, а при конечной величине сигнала, большей первого порогового значения, сначала осуществляют разворот приемной антенны в обратном направлении до уменьшения сигнала до величины, меньшей первого порогового значения в заданных пределах, после чего производят разворот приемной антенны в заданном направлении до последующего превышения сигнала первого порогового значения, после этого осуществляют остановку приемной антенны с измерением сигнала в течение заданного второго интервала времени, определяют с использованием измеренного сигнала и фиксируют в вычислительном устройстве ретранслятора азимут приемной антенны, соответствующий первому пороговому значению сигнала, после чего из данного фиксированного положения приемную антенну разворачивают на заданное количество шагов, при этом для группы сигналов, соответствующих последним соседним шагам, определяют среднее значение, которое вместе с сигналом, измеренным в указанном фиксированном положении, используют для нахождения абсолютной крутизны диаграммы направленности приемной антенны и определения граничного значения сигнала путем сравнения найденной абсолютной крутизны с заданными опорными значениями, затем продолжают разворот приемной антенны по азимуту, при котором в вычислительном устройстве определяют разности текущего и предшествующего значений сигнала, а также производят сравнение текущего сигнала с найденным граничным значением сигнала, при этом, пока значение сигнала меньше граничного значения, разворот приемной антенны продолжают при фиксации положительной разности указанных сигналов, а при отрицательной разности текущего и предшествующего значений сигнала, которую фиксируют как сбой, осуществляют реверс приемной антенны с повторным измерением двух указанных значений сигнала, причем разворот приемной антенны продолжают после фиксации одного сбоя и последующей положительной разности текущего и предшествующего значений сигнала при фиксации двух сбоев подряд, а также при превышении измеряемого сигнала граничного значения разность текущего и предыдущего значений сигнала определяют при развороте приемной антенны на два шага; при этом разворот приемной антенны продолжают, если при последовательном ее развороте на заданную группу шагов фиксируют положительную разность текущего и предшествующего значений сигнала заданное количество раз, равное количеству шагов в группе, а если указанное заданное количество раз фиксируют отрицательную разность текущего и предшествующего значений сигнала, то осуществляют остановку приемной антенны в положении, соответствующем первому шагу данной группы, на заданный третий интервал времени, фиксируют данное контрольное значение азимута приемной антенны, характеризующее прохождение максимума сигнала по изменению полярности разности текущего и предшествующего значений сигнала, если при указанном развороте приемной антенны фиксируют разнополярные разности текущего и предшествующего значений сигнала, то проводят повторные измерения текущего и предшествующего значений сигнала с реверсом приемной антенны для ее положения, соответствующего первому шагу указанной группы шагов до тех пор, пока количество разностей одного знака станет равным указанному заданному количеству, при этом при положительной разности продолжают разворот приемной антенны, а при отрицательной разности производят ее остановку в положении, соответствующем первому шагу, и фиксируют контрольное значение азимута, затем по результатам измерения и обработки сигнала при контрольном значении азимута определяют максимум сигнала, программу первого хода приемной антенны - рабочий ход или измерительный ход, скорость изменения сигнала, а также второе пороговое значение при первом измерительном ходе, после этого при допустимых значениях максимума сигнала и скорости изменения сигнала производят разворот приемной антенны в том же направлении и остановку на второй интервал времени - при уменьшении сигнала до первого порогового значения при первом рабочем ходе, или до второго порогового значения - при первом измерительном ходе, определяют и вводят в вычислительное устройство азимут, соответствующий пороговому значению сигнала, при этом азимуты, соответствующие первому пороговому значению, используют для нахождения азимута, соответствующего максимуму сигнала при первом ходе приемной антенны, затем производят разворот приемной антенны в обратную сторону, при этом при первом рабочем ходе осуществляют остановку приемной антенны при контрольном значении азимута на заданный четвертый интервал времени с измерением сигнала и определением скорости изменения сигнала, а при первом измерительном ходе приемной антенны последовательно осуществляют остановки с измерением сигнала и определением скорости изменения сигнала при контрольном значении азимута на заданный пятый интервал времени, а также при уменьшении сигнала до второго порогового значения на второй интервал времени с измерением сигнала и определением азимута, соответствующего второму пороговому значению сигнала, при этом азимуты, соответствующие второму пороговому значению, используют для нахождения азимута, соответствующего максимуму сигнала при втором ходе приемной антенны, затем, при допустимых значениях максимума сигнала и скорости изменения сигнала, приемную антенну разворачивают в обратную сторону, осуществляют остановку при контрольном значении азимута на заданный шестой интервал времени с измерением сигнала и определением скорости изменения сигнала, найденное для первого или второго хода приемной антенны значение азимута, соответствующего максимуму сигнала, при допустимых значениях максимума сигнала и скорости изменения сигнала используют при расчете программного азимута абонентской станции и наведении по азимуту приемной антенны на источник сигнала и передающей антенны на абонентскую станцию.
Способ реализуется благодаря проведению дополнительных режимов, связанных с наведением приемной антенны ретранслятора на источник сигнала.
В качестве примера рассматривается ретранслятор, в котором приемная и передающая антенны представляют собой направленную параболическую зеркальную антенну с шириной диаграммы направленности - ϕДН, равной 120 угловых минут.
Для частоты 11,5 ГГц диаметр такой антенны составляет 0,9 метра.
Высокой считается точность наведения антенны с потерями по мощности 0,5 дБ, что соответствует погрешности наведения ± 0,2 ϕДН. Для рассматриваемого примера это соответствует ошибке наведения ± 24 угловые минуты.
Способ иллюстрируется фиг.1-3, на которых приведены: на фиг.1 - функциональная схема ретранслятора, на фиг.2 - блок-схема режимов наведения приемной и передающей антенн ретранслятора, на фиг.3 - блок-схема подпрограммы определения контрольного значения азимута приемной антенны.
Ретранслятор, изображенный на фиг.1, содержит приемную антенну 1, на которой установлен СВЧ-блок 2 приемной антенны, соединенный первым выходом с размещенным на передающей антенне 3 СВЧ-блоком 4 передающей антенны. СВЧ-блок 2 и СВЧ-блок 4 предназначены для усиления, фильтрации и преобразования частоты ретранслируемого СВЧ-сигнала. Второй выход СВЧ-блока 2 приемной антенны соединен с блоком 5 наведения приемной антенны, предназначенным для преобразования СВЧ-сигнала в сигнал, используемый для точного наведения приемной антенны 1. Для управления по азимутальной оси 6 приемной антенны 1 ретранслятор содержит блок 7 азимутальной оси приемной антенны, а для управления по угломестной оси 8 приемной антенны 1 - блок 9 угломестной оси приемной антенны.
Для управления по азимутальной оси 10 передающей антенны 3 ретранслятор содержит блок 11 азимутальной оси передающей антенны, а для управления по угломестной оси 12 передающей антенны - блок 13 угломестной оси передающей антенны 3.
В состав блоков 7 и 9 приемной антенны и блоков 11 и 13 передающей антенны входят приводы, обеспечивающие повороты антенн вокруг осей.
Ретранслятор содержит также вычислительное устройство 14, предназначенное для управления приемной антенной 1 и передающей антенной 3 и соединенное с блоком 5, а также с блоками 7, 9, 11 и 13. В состав ретранслятора входит также устройство 15 ввода данных.
Приемная антенна 1 ретранслятора предназначена для усиления принимаемого радиотелевизионного сигнала 16, приходящего от источника сигнала, а передающая антенна 3 - для усиления излучаемого радиотелевизионного сигнала 17, поступающего от ретранслятора на абонентскую станцию.
На фиг.2 изображены режимы:
18 - программное наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала по углу места;
19 - разворот приемной антенны ретранслятора по азимуту;
20 - определение скорости изменения сигнала;
21 - определение первого азимута, соответствующего пороговому значению сигнала;
22 - определение граничного значения сигнала;
23 - определение контрольного значения азимута приемной антенны ретранслятора;
24 - определение второго азимута, соответствующего пороговому значению сигнала;
25 - контроль сигнала (программа Рх-1);
26 - рабочий ход (программа Их-1) приемной антенны ретранслятора;
27 - контроль сигнала (программа Их-1);
28 - наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала по азимуту;
29 - программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию по углу места;
30 - программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию по азимуту.
Здесь программа Рх-1 обозначает программу первого хода приемной антенны - рабочий ход, а программа Их-1 - программу первого хода - измерительный ход.
На фиг.2 показаны известные штатные режимы наведения антенн ретранслятора, а также новые дополнительные режимы, использование которых позволило обеспечить получение указанного технического результата.
Блок-схема отражает последовательность режимов и их взаимосвязь.
При установке и вводе ретранслятора в эксплуатацию производится его начальная выставка. При этом обычно при помощи шайб и прокладок, а также измерительных средств (уровень, теодолит) осуществляется выставка азимутальных осей антенн перпендикулярно горизонтальной плоскости. Взаимная привязка азимутальных систем (нулевых азимутальных отсчетов) приемной и передающей антенн производится при изготовлении ретранслятора с помощью посадочных штифтов, если используется общее основание для обеих антенн. При раздельных основаниях антенн их азимутальная привязка осуществляется при установке ретранслятора с помощью теодолита и технологических зеркал.
Предложенный способ передачи информации реализуется следующим образом.
После подачи на ретранслятор питания осуществляют известный штатный режим 18 (фиг.2) - программное наведение приемной антенны 1 ретранслятора на источник сигнала по углу места.
Программное наведение по углу места приемной и передающей антенн 1 и 3 ретранслятора (фиг.1) проводят на рассчитанные от горизонтальной плоскости углы. Эти углы вводят в вычислительное устройство 14 ретранслятора при изготовлении ретранслятора или при его установке с помощью устройства 15 ввода данных.
В рассматриваемом примере ретранслятора, приведенном на фиг.1, при точном наведении приемной антенны 1 ретранслятора на источник сигнала используется экстремальный метод наведения, который не требует дополнительных аппаратурных затрат. Для реализации точного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала используют блок 5 и вычислительное устройство 14.
Разворот приемной антенны 1 вокруг угломестной оси 8 проводят с помощью блока 9, управляемого от вычислительного устройства 14.
В предлагаемом способе используется дискретное (пошаговое) сканирование приемной антенны 1 и передающей антенны 3. Оно может быть реализовано с помощью шагового мотора или двигателя, управляемого дискретными сигналами.
В предлагаемом изобретении в угломестном и азимутальном приводах приемной антенны 1 и передающей антенны 3 применяется шаговый мотор. Эти приводы обеспечивают требуемые точность и быстродействие, имеют малые массу и габариты, простую схему управления приводом и измерения угла.
Использование шагового мотора позволяет при эксплуатации обеспечить механическую фиксацию положения антенны. При этом снижается электропотребление за счет отключения электропитания от систем управления антеннами.
Преимущества использования шагового мотора по сравнению с винтовой передачей, которая широко применяется в станциях спутниковой связи, заключается в более высоком быстродействии, а также в отсутствии ограничения по углу при автоматическом наведении по азимуту.
Существенным преимуществом шаговых моторов применительно к предлагаемому изобретению является возможность гибкого управления движением антенны (реверс, остановка). Кроме того, в предлагаемом способе погрешность измерения сигнала, обусловленная дискретным перемещением приемной антенны 1, уменьшается благодаря использованию линеаризации.
В рассматриваемом примере ретранслятора суммарную погрешность программного наведения приемной антенны 1 по углу места на КА находят по формуле:
где ΔГП - ошибка негоризонтальности, ΔКА - ошибка положения КА, ΔПО - приборная ошибка (отработки угла).
Приборную ошибку привода с шаговым мотором определяют по формуле:
где ΔШС - ошибка шагового сканирования (дискретности), ΔЗП - ошибка изготовления зубчатой передачи (шагового мотора и редуктора), ΔШО - ошибка выставки нуля шагового мотора относительно базовой плоскости.
Для рассматриваемого примера ретранслятора выбран шаг перемещения приемной антенны 1 и передающей антенны 3 по азимуту и по углу места - 6 угловых минут. Ошибка ΔШС равна половине шага, т.е. 3 угловым минутам.
Приняты следующие значения ошибок: ΔЗП=4 угловые минуты, ΔШО=3 угловые минуты.
При этом погрешность ΔПО составляет 5,8 угловых минут.
КА
Приняты ΔГП=2 угловые минуты и ΔКА=6 угловых минут, при этом погрешность ΔУМ составляет 8,6 угловых минут. Это существенно меньше допустимой погрешности (24 угловые минуты).
После окончания режима 18 (фиг.2) осуществляют штатный режим 19 - разворот приемной антенны ретранслятора по азимуту.
В прототипе после поиска и захвата сигнала точное наведение антенны на максимум сигнала осуществляется с помощью экстремального метода. Для рассматриваемого примера ретранслятора проводится анализ точности наведения антенны на источник сигнала при использовании экстремального метода с учетом потерь сигнала в атмосфере.
U
-2
-2
При работе в К-диапазоне в условиях сильного ливня потери сигнала в атмосфере по мощности превышают 10-20 дБ. В условиях затяжного дождя потери по мощности не превышают 2-4 дБ. Для приемного канала рассматриваемого примера ретранслятора принимается время измерения сигнала - 1 секунда, время переброса приемной антенны 1 из одного положение в другое - 0,4 секунды, погрешность от шума по уровню 3б при максимальном сигнале (без учета потерь) составляет 0,5·10 от сигнала (по напряжению), при максимальном сигнале (с учетом потерь) - 1·10 сигнала. Допустимое уменьшение принимаемого сигнала из-за потерь в атмосфере при осадках принимается по мощности 6 дБ (по напряжению в 2 раза).
-2
Приемный канал рассматриваемого примера ретранслятора в режиме экстремального наведения имеет погрешность дискретности преобразования измеряемого сигнала в цифровой сигнал 0,5·10 от максимального сигнала (с учетом потерь). Кроме того, имеется случайная погрешность, обусловленная нестационарными потерями сигнала в атмосфере (осадки, туман). В предложенном способе она учитывается в общей погрешности от потерь сигнала в атмосфере при осадках в виде дополнительного запаса на случайный разброс.
Суммарную случайную погрешность измеряемого сигнала (по напряжению) находят по формуле:
где ΔUш - погрешность от шума, Δд - погрешность дискретности преобразования сигнала.
Погрешность ΔUш определяется полосой частот принимаемого сигнала, погрешность Δд - выбранным дискретом преобразования. Поэтому погрешности ΔUш, Δд и ΔUсс не зависят от величины измеряемого сигнала.
-2
При минимальном допустимом значении принимаемого сигнала погрешность ΔUсс равна 1,1·10 Uсм, где Uсм - величина принимаемого сигнала, соответствующая максимуму диаграммы направленности приемной антенны 1.
Ошибку определения азимута Азм, соответствующего максимуму принимаемого сигнала, при использовании экстремального метода наведения находят по формуле:
где S - крутизна диаграммы направленности в рабочей области (в пределах ± 0,2_ϕДН от Азм).
Для рассматриваемого примера .
Ошибка ΔАзм составляет 0,026 ϕДН.
Затем производят наведение оптической оси антенны на КА. При этом максимальная ошибка операции дна составляет половину шага, что соответствует 0,025 ϕДН.
Суммарная ошибка наведения оптической оси антенны на КА по азимуту определяют по формуле:
Она составляет 0,036 ϕДН или 4,3 угловых минут.
При эксплуатации ретранслятора к этой ошибке начального наведения антенны на КА добавляется ошибка положения КА, т.е. зона возможного перемещения КА, которая составляет для рассматриваемого примера 12 угловых минут (0,1 ϕДН).
ЗНА
Поэтому ошибка начального наведения антенны на КА (при суммарной допустимой ошибке ± 0,2 ϕДН) должна не превышать 0,1 ϕДН. С запасом ее следует брать (0,06-0,08) ϕДН. Поскольку ошибка наведения из-за потерь в атмосфере ΔПА является систематической ошибкой, то суммарная ошибка начального наведения является алгебраической суммой ΔПА и ΔА. Следовательно, допустимая ошибка ΔПА должна составлять (0,024-0,044) ϕДН.
Принимается допустимая ошибка ΔПА=0,034 ϕДН.
При использовании экстремального метода наведения антенны ошибку ΔПА определяют с помощью формулы:
ПА
где Δ U - разность двух сигналов, обусловленная потерями сигнала в атмосфере.
ПА
см
-2
Для рассматриваемого примера допустимая величина Δ U равна 2,04·10 U.
ПА
Для нахождения Δ U используют формулу:
где Δ tи - время измерения сигнала, Δ tд - время движения антенны из одного положения в другое, V - средняя скорость изменения сигнала Uc из-за потерь в атмосфере за интервал времени (Δ tи+Δ tд).
ПА
-2
-2
В рассматриваемом примере для Δ tи=1 с, Δ tд=0,4 с при допустимой величине Δ U=2,04·10 Uсм допустимая максимальная скорость V равна 1,46·10 Uc/c.
Следовательно, при скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере выше указанной, погрешность наведения антенны на КА по азимуту при эксплуатации превышает требуемую величину.
Возможно применение метода наведения антенны на источник сигнала с одновременным измерением сигналов, разность которых используется для нахождения ошибки наведения антенны. В частности, могут быть использованы дополнительно две рупорные антенны для наведения антенны по азимуту. Недостатки этого метода: увеличение массы аппаратуры на 8-20 кг, электропотребления и особенно существенно -габаритов.
Изобретение позволяет значительно повысить точность начального азимутального наведения антенн ретранслятора в условиях потерь радиосигнала в атмосфере при обеспечении массы и габаритов таких же, как и при использовании экстремального метода.
В предложенном способе азимут, соответствующий максимуму принимаемого сигнала Ucм, находят при азимутальном движении приемной антенны 1 с измерением ее углового положения и величины сигнала с помощью формулы:
1
2
где Аз и Аз - значения азимута, соответствующие одинаковой величине сигнала, которая равна заданному пороговому значению.
Уменьшение погрешности, вызванной потерей сигнала в атмосфере, обеспечивается благодаря выбору порогового значения сигнала на крутом участке диаграммы направленности приемной антенны 1.
Максимальное значение сигнала, поступающего на вход вычислительного устройства 14 (без учета потерь в атмосфере при осадках), имеет разброс, обусловленный начальным разбросом параметров источника сигнала и приемного канала ретранслятора, а также уходом параметров при эксплуатации. Если принять нижнее значение максимума сигнала Uсм как номинальную величину Uсмн, то наибольшее значение Uсм, которое обозначается maxUсм, больше Uсмн на указанную зону разброса и уходов параметров.
Для рассматриваемого в качестве примера ретранслятора принимается max Uсм=1,1 Uсмн.
При максимальных допустимых потерях сигнала в атмосфере наименьшее допустимое значение максимума сигнала обозначаетсям min Uсм.
Для рассматриваемого примера ретранслятора min Uсм=0,5 Uсмн.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить требуемую точность азимутального наведения приемной антенны 1 и передающей антенны 3 для заданного разброса максимума сигнала Uсм, а также для заданного максимально допустимого значения средней скорости ухода сигнала из-за потерь в атмосфере - Vд. Таким образом, предлагаемый способ может быть реализован при следующих ограничениях:
Особенность определения средней скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере заключается в том, что оно может быть проведено за измерительный интервал времени (по разности начального и конечного значений сигнала) для неподвижной антенны или при возвращении антенны в начальное положение.
Для обеспечения фиксации порогового значения сигнала на крутом участке диаграммы направленности при сравнительно высокой скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере вводят перестройку порогового значения.
Из-за значительного разброса максимума сигнала в предлагаемом способе используют две программы первого хода приемной антенны 1:
Рх-1 - первый ход - рабочий;
Их-1 - первый ход - измерительный.
Здесь первый ход приемной антенны 1 - это ее первый разворот в заданном направлении до реверса после уменьшения величины принимаемого сигнала до порогового значения.
Программу Рх-1 реализуют при относительно небольших потерях сигнала, когда максимум сигнала Uсм больше заданного граничного значения Uсмг. Программу Их-1 осуществляют для условия minUсм≤Uсм≤Uсмг.
Результаты измерительного хода используют для перестройки порогового значения -уменьшения его величины.
Разворот приемной антенны 1 по азимуту для захвата сигнала, принимаемого от КА, может составить полный круг. Захват сигнала фиксируют по превышению величины сигнала заданного первого порогового значения. Это пороговое значение выбирают таким, чтобы оно было меньше наименьшего максимума сигнала и больше, чем максимальная величина сигнала от бокового лепестка диаграммы направленности приемной антенны 1. Таким образом обеспечивают защиту от ложного захвата сигнала.
Первое пороговое значение сигнала выбирают исходя из реализации программы Рх-1, при которой первый ход приемной антенны 1 является рабочим. Это позволяет уменьшить время осуществления предложенного способа, поскольку вероятность потерь сигнала в атмосфере, при которых величина Uсм меньше Uсмг, сравнительно невелика.
Крутой участок диаграммы направленности должен выбираться по относительной крутизне, которая для текущего значения сигнала Uci определяется по формуле:
i
где ΔАз и ΔUc - изменение азимута и сигнала Uci соответственно.
Абсолютная крутизна находится по формуле:
i
Снижение Uc позволяет уменьшить угловую ошибку ΔАз при относительном изменении сигнала из-за потерь.
Максимальное значение относительной крутизны So соответствует диапазону (0,25-0,45) Uсм.
При реализации режима 19 (фиг.2) разворот приемной антенны 1 (фиг.1) по азимуту в заданном направлении проводят дискретно с измерением сигнала до первого превышения сигнала заданного первого порогового значения. Если величина при начальном измерении сигнала больше первого порогового значения, то сначала осуществляют разворот приемной антенны 1 по азимуту в обратном направлении (реверс), а затем в заданном направлении, после уменьшения сигнала до величины, меньшей первого порогового значения. Вероятность реверса для рассматриваемого примера ретранслятора составляет менее 0,01.
При проведении режима 19 (фиг.2), при движении приемной антенны 1 (фиг.1) с помощью вычислительного устройства 14 производят фиксацию углового положения приемной антенны 1 и измерения сигнала с заданной частотой. В ретрансляторах, в приводах которых применяют шаговые моторы, угловое положение приемной антенны 1 определяют по количеству подаваемых на привод импульсов. Частота измерения (опроса) сигнала, поступающего на вычислительное устройство 14 от блока 5 наведения приемной антенны, выбирается исходя из конкретной аппаратурной реализации ретранслятора. При этом для каждого дискретного положения (шага) приемной антенны 1 проводят осреднение сигнала. Поэтому период обновления сигнала равен времени одного шага.
Время измерения сигнала (на одном шаге) - Δtu и величину шага - Δ Азш выбирают такими, чтобы разность соседних сигналов (соседних шагов) с заданным запасом превышала ошибку измерения сигнала в диапазоне (0,2-0,8) максимального значения сигнала. Кроме того, ошибка дискретности по углу, равная половине шага, должна быть в 4-10 раз меньше суммарной ошибки наведения.
Для рассматриваемого примера ретранслятора угловая скорость перемещения обеих антенн составляет 1 градус/с, величина шага - 6 угловых минут, время измерения сигнала на одном шаге - 0,1 с.
Суммарную случайную ошибку сигнала при времени измерения Δtu находят с помощью формулы (3). При этом погрешность от шума меняется обратно пропорционально √Δtu, a погрешность дискретности преобразования от времени измерения не зависит.
Для рассматриваемого примера ретранслятора максимальное значение сигнала от бокового лепестка приемной антенны 1 меньше максимума сигнала основного лепестка по мощности на 13 дБ (по напряжению в 4,5 раза).
При наибольшем максимуме сигнала maxUсм=1,1 Uсмн максимальный сигнал от бокового лепестка составляет Uбл=0,24 Uсмн.
Для рассматриваемого примера ретранслятора берется граничное значение Uсмг=0,8 Uсмн, при этом среднее значение максимума сигнала в диапазоне (0,8-1,1) Uсмн равно 0,95 Uсмн. Ему соответствует диапазон максимальной относительной крутизны диаграммы направленности (0,33±0,1) Uсмн.
1
1
1
Выбирают первое пороговое значение сигнала Uп=0,33 Uсмн. При этом выполняются условия Uп>Uбл и Uп<minUсм.
-2
-2
-2
-2
-2
1
Для времени измерения Δtu=0,1 с и принятой величины ошибки ΔUш=0,5·10 Uсмн (при Δtu=1 с) определяют ΔUш=1,58·10 Uсмн. С учетом ошибки Δд=0,25·10 Uсмн из формулы (3) находят ΔUcc=1,6·10 Uсмн. Это соответствует 4,8·10 Uп.
Осреднение сигнала для уменьшения случайной ошибки используют для всех интервалов времени измерения сигнала, используемых в данном способе.
1
1
Величина ошибки определена по уровню 3σ при нормальном законе распределения ошибки. Она существенно меньше разности соседних сигналов ΔUсш, которая при Uc=Uп и minUcм=0,5 Uсмн составляет (0,1-0,14) Uп.
-2
Случайная ошибка разности двух сигналов Δср равна ΔUсс√2. Для рассматриваемого примера она составляет 2,2·10 Uсмн.
При первом превышении сигнала первого порогового значения во время движения приемной антенны 1 в заданном направлении осуществляют дополнительный режим 20 (фиг.2) - определение скорости изменения сигнала.
1
При этом производят остановку приемной антенны 1 (фиг.1), измерение сигнала и определение средней скорости изменения сигнала в течение заданного первого интервала времени Δtu.
Для нахождения средней скорости изменения сигнала V и ошибки ее определения ΔV на расчетном интервале времени Δtp используют формулы:
где ΔUc - разность сигнала в начале и конце интервала Δtp, Δcр - ошибка разности сигнала ΔUc, Δtoe - время осреднения сигнала.
Первый интервал времени находят исходя из допустимой ошибки определения скорости изменения сигнала.
Для всех интервалов времени с осреднением сигнала принимают линейную модель изменения сигнала из-за потерь в атмосфере. Поэтому начальное и конечное значения сигнала ΔUc соответствуют середине интервала Δtoc.
Соотношение интервала Δtoc и расчетного интервала времени выбирают исходя из конкретных параметров ретранслятора. Для рассматриваемых ретрансляторов это соотношение составляет 0,25-0,35.
1
1
1
В данном режиме в вычислительном устройстве 14 определяют скорость V с помощью формулы (12) при Δtp=Δtu и Δtoc=Δtoc.
1
1
1
1
1
1
В вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора вводят значения Δtu, Δtoc, а также ошибку ΔV, рассчитанную по формуле (13) для Δtp=Δtu, Δtoc=Δtoc и значение найденной ошибки Δср=Δср.
1
Запрет наведения осуществляют, если скорость V больше допустимого значения.
1
1
1
1
1
1
После окончания интервала времени Δtu продолжают разворот приемной антенны 1 в заданном направлении, если величина сигнала за время Δtu уменьшилась до величины меньше Uп. Если же величина сигнала больше Uп, то сначала осуществляют разворот приемной антенны 1 в обратном направлении до уменьшения сигнала до величины, меньшей Uп в заданных пределах. Разность между Uп и величиной сигнала, при которой осуществляют остановку и реверс приемной антенны 1, должна обеспечить защиту от сбоя при обратном переходе первого порогового значения. Для рассматриваемых ретрансляторов это реализуют с помощью разворота приемной антенны 1 на один дополнительный шаг. После этого производят разворот приемной антенны 1 в заданном направлении.
При последующем превышении измеряемого сигнала первого порогового значения во время движения приемной антенны 1 в заданном направлении осуществляют дополнительный режим 21 (фиг.2) - определение первого азимута, соответствующего пороговому значению сигнала.
i
i
При этом производят остановку приемной антенны 1 (фиг.1), измерение сигнала Uc в течение заданного второго интервала времени, а также определение и ввод в вычислительное устройство 14 азимута приемной антенны Aз.
2
Значение Δtu выбирают исходя из допустимой случайной ошибки определения азимута, соответствующего первому пороговому значению сигнала, и вводят в вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора.
1
Азимут Aз, соответствующий первому пороговому значению сигнала, в вычислительном устройстве 14 определяют с помощью формулы:
1
Найденное значение Aз фиксируют в вычислительном устройстве 14.
Затем проводят режим 22 (фиг.2) - определение граничного значения сигнала.
A
Для рассматриваемых ретрансляторов граничное значение Uсг вводят для фиксации пологого участка диаграммы направленности и изменения метода обработки сигналов. Его находят при вычитании сигнала, соответствующего режиму 21 (фиг.2), из сигнала, получаемого при развороте приемной антенны 1 (фиг.1) на заданное количество шагов. Найденную в вычислительном устройстве 14 с помощью формулы (11) по указанной разности абсолютную крутизну S сравнивают с опорными значениями, введенными при изготовлении ретранслятора. Эти опорные значения (например, 5-15) приведены к одному масштабу Uсм=Uсмн и привязаны к соответствующему максимуму сигнала. Например, в рассматриваемом примере ретранслятора при Uсм=0,8 Uсмн
A
S=0,15 Uсм/0,1 ϕДН=0.12 Uсмн/0,1 ϕДН, а при Ucm=0,5 Uсмн
A
S=0,1 Uсм/0,1 ϕДН=0,05 Uсмн/0,1 ϕДН.
A
Для повышения точности определения S и Uсг используют среднее значение заданного количества измерений.
A
A
Для промежуточных найденных величин S выбор Uсм в вычислительном устройстве 14 проводят с использованием линейной зависимости отклонений ΔS и ΔUсм.
A
Запрет на наведение вводят, если найденная величина S меньше минимального опорного значения.
-2
2
В рассматриваемом примере ретранслятора при Uсм=0,8 Uсмн при развороте приемной антенны 1 на четыре шага разность сигналов составляет 0,24 Uсмн. При времени измерения Δtи=0,1с ошибка определения разности сигналов равна 2,2·10 Uсмн, что составляет 9,2% от разности сигналов. При Uсм=0,5 Uсмн эта ошибка равна 22%. В рассматриваемом примере ретранслятора устанавливают интервал Δtи=0,4с и используют среднее значение сигналов при перемещении приемной антенны 1 на 3, 4, 5 и 6 шагов. При этом ошибка определения абсолютной крутизны уменьшается вдвое.
A
Для диапазона 0,8 Uсмн<Uсм≤1,1 Uсмн используют опорные значения S, соответствующие Uсм=0,8 Uсмн; 0,85 Uсмн; 0,9 Uсмн; 0,95 Uсмн; 1,0 Uсмн; 1,05 Uсмн; 1,1 Uсмн.
Граничное значение Uсг устанавливают равным 0,8 Uсм. С учетом погрешностей, обусловленных уходом сигнала, случайной ошибкой и дискретностью измерений, величина Uсг находится в диапазоне (0,82-0,94) Uсм.
A
Для диапазона 0,5 Uсмн≤Uсм≤0,8 Uсмн используют опорные значения S, соответствующие Uсм=0,5 Uсмн; 0,6 Uсмн; 0,7 Uсмн. Граничное значение устанавливают равным 0,8 Uсм.
После окончания режима 22 (фиг.2) проводят режим 23 - определение контрольного значения азимута приемной антенны ретранслятора.
При ее развороте в заданном направлении в вычислительном устройстве 14 (фиг.1) определяют разность текущего и предшествующего значений сигнала, а также производят сравнение текущего сигнала с найденным граничным значением. Для первого текущего сигнала (i=1) предшествующим сигналом является последний сигнал, используемый при определении граничного значения сигнала. При этом, пока значение сигнала меньше граничного значения, отрицательную разность текущего и предшествующего значений сигнала в вычислительном устройстве 14 фиксируют как сбой, после которого осуществляют реверс приемной антенны 1 с повторным измерением двух указанных значений сигнала. Разворот приемной антенны 1 продолжают после фиксации одного сбоя и последующей положительной разности текущего и предшествующего значений сигнала.
При превышении измеряемого сигнала граничного значения разность текущего и предыдущего значений сигнала определяют при перемещении приемной антенны 1 на два шага. Разворот приемной антенны 1 продолжают, если положительную разность текущего и предшествующего значений сигнала фиксируют заданное количество раз. Если заданное количество раз фиксируют отрицательную разность текущего и предшествующего значений сигнала, то осуществляют остановку приемной антенны 1 на заданный третий интервал времени, фиксируют данное контрольное значение азимута приемной антенны 1, соответствующее прохождению максимума сигнала Uсм.
В этом положении приемной антенны 1 проводят измерения сигнала, которые используют для определения средней скорости V изменения сигнала, максимума сигнала, программы первого хода приемной антенны 1 - рабочий ход (Рх-1) или измерительный ход (Их-1), а также второго порогового значения при первом измерительном ходе.
i
i
На фиг.3 приведена блок-схема подпрограммы определения контрольного значения азимута приемной антенны 1 (фиг.1). Блок-схема подпрограммы дана для рассматриваемого примера ретранслятора при использовании программы Рх-1. В вычислительном устройстве 14 с помощью операции 31 (фиг.3) проводят измерение текущего значения сигнала Uc, поступающее с блока 5 (фиг.1). С помощью операции 32 (фиг.3) производят сравнение Uc с граничным значением Uсг.
При выполнении в данной операции условия:
i
продолжают пошаговый разворот приемной антенны 1 (фиг.1) со временем шага Δtu. При этом находят разность ΔUc текущего и предшествующего значений сигнала (операция 33, фиг.3).
Затем проводят операцию сравнения 34.
Если при этом выполняется условие
то продолжают пошаговый разворот приемной антенны 1 (фиг.1) с проведением операций 33 и 34 (фиг.3).
i
i
При увеличении измеряемого сигнала Uc вероятность сбоя при определении разности сигналов ΔUс возрастает. Это обусловлено тем, что величина ΔUc уменьшается из-за уменьшения крутизны диаграммы направленности, а случайная ошибка измерений от величины сигнала не зависит.
i
Для повышения помехозащищенности при определении ΔUc используют повторные измерения. При этом существенно то, что среднее время проводимых операций увеличивается незначительно, поскольку вероятность повторного измерения мала.
СД
С учетом возможного повторения измерений задают допустимую вероятность сбоя Р, причем:
СД1
i
где Р - допустимая вероятность сбоя при одном определении ΔUc.
i
При определении ΔUc должны выполняться ограничения:
СБ
i
СБ1
где Р - вероятность сбоя с учетом повторного определения ΔUc, Р - вероятность сбоя при одном определении ΔUci.
Для пологого участка диаграммы направленности (±0,2 ϕДН относительно Азм) в рассматриваемых ретрансляторах вероятность сбоя с учетом повторного измерения превышает допустимую величину. Поэтому кроме повторных измерений, увеличивают разность сигналов за счет разворота приемной антенны 1 (фиг.1) на два шага.
СД1
СД
СПА
-2
-3
-2
-2
-3
В рассматриваемом примере ретранслятора для Uсм=0,8 Uсмн задается Р=3,2·10. При этом допустимая вероятность двух сбоев Р равна 10. Случайная ошибка разности сигналов Δср равна 2,2·10 Uсмн (по уровню 3σ) при ошибке измерения ΔUcc=1,6·10 Uсмн. Уход сигнала ΔU при скорости изменения V=0,04 Uс/c и Δtu=0.1c составляет 4·10 Uc.
-2
-3
-7
СПА
СД
Первая разность сигналов при i=1 (без учета ухода сигнала) равна 5·10 Uсмн. С учетом ухода сигнала ΔU=1,3·10 Uсмн вероятность сбоя и повторного измерения равна 2·10. Это значительно меньше Р, поэтому повторное измерение ΔUc не требуется.
-2
-2
-3
Для граничного значения Uсг=0,9 Uсм предшествующий сигнал равен 0,87 Uсм. Разность сигналов равна ΔUc=3·10 Uсм=2,4·10 Uсмн, уход сигнала составляет 3·10Uсмн.
-3
СД1
СД
Вероятность сбоя при этом равна 2·10. Она меньше P, но больше Р. В данном случае должно быть предусмотрено повторное измерение.
i
Если при проведении операции 34 (фиг.3) условие (16) не выполняется, то проводят операцию 35. При этом осуществляют повторное измерение сигнала с возвращением приемной антенны 1 (фиг.1) в предшествующее положение, а затем повторное измерение сигнала в текущем положении приемной антенны 1, после чего находят разность этих сигналов ΔUc. Если при операции сравнения 36 (фиг.3) условие (16) не выполняется, то осуществляют переход к более помехозащищенному методу с измерением разности сигналов при развороте приемной антенны 1 (фиг.1) на 2 шага (операция 37, фиг.3) и с прекращением операции 33.
Если при проведении операции сравнения 36 условие (16) выполняется, то продолжают разворот приемной антенны 1 (фиг.1) по азимуту.
1
Если при проведении операции 32 (фиг.3) условие (15) не выполняется, то осуществляют операцию 37, при которой разность двух измеряемых сигналов Ucj и Uc(j-) определяют при развороте приемной антенны 1 (фиг.1) на два шага.
В соответствии с командой (результат «нет», операция 32, фиг.3) прекращают операцию 33 и проводят операцию 37. При этом первое измеряемое значение (j=1) получают путем разворота приемной антенны 1 (фиг.1) на один шаг после прекращения операции 33 (фиг.3). В качестве предшествующего сигнала берут ранее зафиксированный в вычислительном устройстве 14 (фиг.1) сигнал, который предшествовал сигналу Uci.
При следующем шаге приемной антенны 1 определяют разность данного сигнала и сигнала Uci (операция 39, фиг.3).
Если при проведении операции 38 сравнения выполняется условие:
а также это условие выполняется для второго шага при операциях 39 и 40, то разворот приемной антенны 1 (фиг.1) продолжают. Команду на это формируют с помощью операции совпадения И (операция 41, фиг.3).
cj
Если условие (20) не выполняется для первой и второй разности ΔU, то с помощью операции И (операция 42) формируют команду на остановку приемной антенны 1 (фиг.1) в положении, соответствующем первому шагу, на заданный третий интервал времени, а также фиксируют данное контрольное значение азимута Азк приемной антенны 1, соответствующее прохождению максимума сигнала (операция 43, фиг.3).
На фиг.3 показана блок-схема подпрограммы для программы Рх-1 рассматриваемого примера ретранслятора. В данном случае осуществляют сравнение результатов измерений для двух разворотов приемной антенны 1 (фиг.1) на один шаг. При использовании программы первого хода Их-1 (minUcм≤Uсм≤Uсмг) сравнение могут проводить для большего количества измерений. Это количество зависит от вероятности сбоя при проведении операции 37 (фиг.3).
Если первая и вторая разность сигналов ΔUcj имеют разный знак, то дополнительно проводят повторное измерение сигналов и определение их разности для положений приемной антенны 1 (фиг.1), соответствующих зафиксированным сигналам Ucj при j=(i+1) и Uc(j-1) при (j-1)=(i-1), т.е. при развороте на первый шаг. Включение этого измерения производят с помощью операций 44 и 45 - НЕ (инверсия) (фиг.3) и операций 46 и 47 - И. После определения разности сигналов ΔUcj (операция 48), производят операцию 49 сравнения.
Если для двух разностей выполняется условие (20), то осуществляют разворот приемной антенны 1 (фиг.1) по азимуту в заданном направлении. Если условие (20) дважды не выполняется, то производят остановку приемной антенны 1 в положении, соответствующем первому шагу, и фиксируют контрольное значение азимута.
В общем случае, если используют последовательный разворот приемной антенны 1 на один шаг заданное количество раз, то ее разворот продолжают, если фиксируют положительную разность текущего и предшествующего значений сигнала указанное заданное количество раз. Если заданное количество раз фиксируют отрицательную разность текущего и предшествующего значений сигнала, то осуществляют остановку приемной антенны 1 в положении, соответствующем первому шагу, и фиксируют контрольное значение азимута.
Если при указанном развороте приемной антенны фиксируют разнополярные разности текущего и предшествующего значений сигнала, то проводят повторные измерения с реверсом приемной антенны для ее положения, соответствующего развороту на первый шаг, до тех пор, пока количество разностей одного знака станет равным указанному заданному количеству, при этом при положительной разности продолжают разворот приемной антенны, а при отрицательной разности производят ее остановку в положении, соответствующем первому шагу, и фиксируют контрольное значение азимута.
-2
-2
-3
-2
-2
СПА
СМН
СД1
Для рассматриваемого примера ретранслятора на участке диаграммы направленности в пределах ±0,2 ϕДН от Азм разность сигналов для одного шага составляет 1,5·10 Uсм. При Uсм=0,8 Uсмн эта разность равна 1,2·10 Uсмн. С учетом ухода сигнала ΔU=3·10U вероятность сбоя при этом равна 11,5·10 при допустимой величине Р=3,2·10.
-2
-2
-2
-3
-3
СМН
СМН
СМH
СД
Разность сигналов при развороте приемной антенны 1 на два шага равна 2,4·10U. Случайная ошибка остается прежней: Δср=2,2·10 U, ошибка из-за изменения сигнала увеличивается вдвое. Разность сигналов с учетом этой ошибки равна 1,8·10 U. Вероятность сбоя при этом равна 7·10. Поскольку она больше Р=10, то требуется повторное измерение, которое и проводят для рассматриваемого примера ретранслятора.
СКА
В предложенном способе отклонение контрольного значения азимута Азк, характеризующегося значением сигнала U, от Азм не превышает трех шагов с учетом ошибки дискретности (один шаг).
Максимум сигнала определяют с помощью формулы:
КА
где коэффициент К имеет среднее значение и случайный разброс, соответствующий по углу ± 1,5 ΔАзш.
КА
Для рассматриваемого примера ретранслятора это соответствует ошибке Δ Uсмк определения Uсм, равной 0,022 Uсм. Коэффициент К при этом равен (1,022±0,022).
СКА
1
При контрольном значении азимута по первой величине U при времени измерения Δtи в вычислительном устройстве 14 по формуле (21) определяют максимум сигнала Uсм при первом ходе приемной антенны 1.
1
По найденной величине Uсм определяют программу первого хода приемной антенны 1:
1
Ucm>Uсмг - программа Рх-1,
1
minUсм≤Uсм≤Uсмг - программа Их-1.
1
Если Uсм<minUсм, то вводят запрет на наведение.
3
3
2
При контрольном значении азимута в течение заданного третьего интервала времени Δtи проводят измерение сигнала при неподвижной приемной антенне 1. Время измерения Δtи находят исходя из допустимой погрешности определения средней скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере, и вводят в вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора. Найденную среднюю скорость изменения сигнала V используют для определения второго порогового значения при программе Их-1.
2
Определение второго порогового значения Uп в вычислительном устройстве 14 проводят в соответствии с величиной максимума сигнала второго хода приемной антенны 1, который находят по формуле:
П
1
2
П
где Δt - интервал времени между моментами фиксации Ucм и Ucм, которые соответствуют середине интервала времени измерения сигнала. Интервал Δt вводят в вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора.
Здесь второй ход приемной антенны 1 - это ее разворот в обратную сторону после первого хода до уменьшения величины сигнала до второго порогового значения. Для программы Их-1 второй ход является рабочим ходом.
2
Если расчетная величина Uсм меньше minUсм, то вводят запрет на наведение.
2
2
2
2
2
3
3
2
3
2
Аналогично первому пороговому значению второе пороговое значение должно находиться в диапазоне (0,25-0,45) Uсм. Его выбирают равным 0,35 Uсм. Для рассматриваемых ретрансляторов допустимая ошибка ΔV при определении Uсм существенно больше, чем допустимая ошибка для реализации первого рабочего хода. Допустимую ошибку ΔV и соответствующий интервал Δtи определяют из условия минимизации азимутальной ошибки наведения приемной антенны 1 из-за изменения сигнала. Увеличение интервала Δtи приводит, с одной стороны, к снижению азимутальной ошибки из-за уменьшения ошибки ΔV, с другой стороны, - к ее возрастанию из-за увеличения времени рабочего хода. Находят значения Δtи и ΔV, которые обеспечивают минимальную указанную азимутальную ошибку.
3
2
2
2
В вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора вводят значение Δtи, найденное для первого рабочего хода из формулы (13) для допустимого значения ΔV при Δtос=Δtос и найденном значении Δср=Δср.
2
3
3
2
1
При контрольном значении азимута в вычислительном устройстве 14 находят среднюю скорость V за интервал времени Δtи с помощью формулы (12) при Δtр=Δtи и Δtос=Δtос. При первом рабочем ходе приемной антенны 1 также находят среднюю скорость изменения сигнала Vc в соответствии с формулой:
1
При изготовлении ретранслятора в вычислительное устройство 14 вводят ошибку ΔVс, которую определяют по формуле:
1
а также допустимую скорость изменения сигнала, которую находят исходя из допустимой азимутальной ошибки наведения приемной антенны 1 при первом рабочем ходе и найденной ошибки ΔVc.
1
1
2
2
1
2
1
1
В режиме 20 (фиг.2) интервал Δtи выбирают исходя из условия ΔV≤0,5 ΔV, при этом обеспечивается соотношение 0,5 ΔV<ΔVc≤0,56 ΔV. Дальнейшее увеличение интервала Δtи нецелесообразно, поскольку возрастает время начального наведения, а ошибка Δ Vc уменьшается незначительно.
1
2
Найденные скорости Vc и V используют для запрета наведения, если они больше допустимого значения.
2
1
2
Затем осуществляют режим 24 - определение второго азимута, соответствующего пороговому значению сигнала. При этом для программы первого хода Рх-1 продолжают азимутальный разворот приемной антенны 1 (фиг.1) с заданной скоростью до уменьшения величины сигнала до первого порогового значения. После этого осуществляют остановку приемной антенны 1 и измерение сигнала в течение второго интервала времени, а также определение в соответствии с формулой (14) и ввод в вычислительное устройство 14 азимута Аз, соответствующего первому пороговому значению сигнала. Два значения азимута (Aз и Аз), соответствующие первому пороговому значению, используют для нахождения азимута Азм, соответствующего максимуму сигнала первого хода в соответствии с формулой (8).
1
При работе по программе первого хода Их-1 проводят перевод приемной антенны 1 из положения с контрольным значением азимута, соответствующего второму пороговому значению сигнала, с остановкой и измерением сигнала в течение второго интервала времени, а также с определением азимута, соответствующего второму пороговому значению сигнала с помощью формулы (14). Этот азимут является первым азимутом (Аз), соответствующим данному пороговому значению, для последующего рабочего хода приемной антенны 1.
После окончания режима 24 (фиг.2) осуществляют режим 25 - контроль сигнала (программа Рх-1) или режим 26 - рабочий ход (программа Их-1) приемной антенны ретранслятора. Режим 25 проводят при первом рабочем ходе приемной антенны 1 (фиг.1), а режим 26 (фиг.2) - при первом измерительном ходе.
4
СКА2
2
При реализации режима 25 проводят разворот приемной антенны 1 (фиг.1) в обратную сторону с остановкой и измерением сигнала в течение заданного четвертого интервала времени Δtи при контрольном значении азимута. Найденную величину U используют для определения средней скорости изменения сигнала Vс по формуле:
KAi
3
4
4
2
2
в которой i=1, j=2, s=1 и Δt - интервал времени между центрами интервалов Δtи и Δtи. Интервал Δtи определяют исходя из допустимой ошибки определения скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере. Для определения ошибки ΔVс скорости Vc используют формулу:
CKA1
CKA2
KА1
где Δcр - ошибка разности сигналов U и U и Δtр=Δt.
4
KA1
2
2
2
Параметры Δtи, Δt и ΔVс вводят в вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора. Найденную скорость Vc используют для запрета наведения при первом рабочем ходе, если Vc превышает допустимое значение.
5
CKA3
3
KА2
3
5
2
3
3
2
CKA1
CKA3
KA2
5
3
5
KA2
3
3
CKA3
При реализации режима 26 (фиг.2) проводят разворот приемной антенны 1 (фиг.1) в обратную сторону с остановками и измерением сигнала при контрольном значении азимута на заданный пятый интервал времени Δtи, а также при уменьшении сигнала до второго порогового значения на второй интервал времени. Найденную при контрольном значении азимута величину U используют для нахождения средней скорости изменения сигнала Vс в соответствии с формулой (25), в которой i=2, j=3, s=1 и Δt - интервал времени между центрами интервалов Δtи и Δtи. На второй остановке определяют второй азимут Аз, соответствующий второму пороговому значению сигнала, с помощью формулы (14). Азимуты, соответствующие второму пороговому значению, используют для нахождения азимута, соответствующего максимуму сигнала, в соответствии с формулой (8) при втором ходе приемной антенны 1. Ошибку ΔVс скорости Vс находят аналогично ΔVс по формуле (26), в которой: Δcр - ошибка разности сигналов U и U и Δtр=Δt. Интервал Δtи определяют исходя из допустимой ошибки ΔVс. Параметры Δtи, Δt и ΔVс вводят в вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора. Запрет на наведение вводят, если Vс превышает допустимое значение, а также при условии U<min Uсм.
После окончания режима 26 (фиг.2) осуществляют режим 27 - контроль сигнала (программа Их-1). Его проводят при первом измерительном ходе приемной антенны 1 (фиг.1).
CKA4
4
KA3
5
6
4
4
2
CKA3
CKA4
KA3
KA3
4
4
CKA4
При этом производят разворот приемной антенны 1 в обратную сторону с остановкой и измерением сигнала в течение заданного шестого интервала времени при контрольном значении азимута. Найденную величину U используют для определения средней скорости изменения сигнала Vc по формуле (25), в которой i=3, j=4, s=3 и Δt - интервал времени между центрами интервалов Δtи и Δtи. Ошибку ΔVс скорости Vc находят аналогично ΔVc по формуле (26), в которой: Δcр - ошибка разности сигналов U и U и Δtp=Δt. Параметры Δt и ΔVс вводят в вычислительное устройство при изготовлении ретранслятора. Запрет на наведение вводят, если Vc превышает допустимое значение, а также при условии U<min Uсм.
Найденное для первого или второго хода приемной антенны 1 значение азимута, соответствующего максимуму сигнала, используют при наведении по азимуту приемной антенны 1 на источник сигнала и передающей антенны 3 на абонентскую станцию.
Затем проводят штатный режим 28 (фиг.2) - наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала по азимуту. При этом приемную антенну 1 (фиг.1) устанавливают в положение, соответствующее максимуму принимаемого сигнала.
ДНА
Для рассматриваемых ретрансляторов допустимая погрешность наведения приемной антенны 1 и передающей антенны 3 Δ составляет ±0,2 ϕДН. При уходе КА в пределах ±ΔКА допустимая погрешность начального наведения приемной антенны 1 Δднн на КА по азимуту должна соответствовать условию:
3
где К - коэффициент запаса, который выбирают в пределах 0,6-0,8.
ЗМПА
НА
Погрешность Δднн включает: случайную погрешность определения Азм-ΔАзмс, погрешность из-за потерь сигнала в атмосфере при осадках - ΔА и случайную погрешность операции наведения - Δ.
НА
2
1
Погрешность Δ составляет половину шага приемной антенны 1-/ Δ Азш.
Погрешность ΔАзмс в соответствии с формулой (8) находят по формуле:
ЗС1
ЗС2
З1
З2
где ΔА и ΔА - соответственно случайные погрешности А и А.
3С
Случайную погрешность азимута ΔА, соответствующего пороговому значению сигнала Uп, находят по формуле:
A
где ΔUсс - суммарная случайная погрешность сигнала Uc при Uc=Uп, определяемая из формулы (3), S - абсолютная крутизна диаграммы направленности при Uc=Uп.
1
3
Уходы сигнала из-за потерь в атмосфере при первом рабочем ходе приемной антенны 1 при Uc=Uп находят относительно контрольного значения азимута для середины интервала времени Δtи.
Азимутальную ошибку при первом и втором пересечении первого порогового значения определяют соответственно из следующих формул:
При этом время рабочего хода находят по формуле:
1
2
где интервалы времени Δtpx и Δtpx определяют с помощью формул:
1
2
1
2
В формулах (33) и (34) Δtд и Δtд - интервалы времени движения приемной антенны 1 от угла Aз до угла Азк и от угла Азк до угла Аз соответственно
Погрешность азимута, соответствующего максимуму сигнала, из-за потерь в атмосфере в соответствии с выражением (8) определяют по формуле:
Погрешность определения Азм при первом рабочем ходе находят по формуле:
ЗМ
1
2
2
При первом измерительном ходе приемной антенны 1 погрешность ΔА при рабочем ходе находят с помощью формул (36), (35), (28), (29). При этом Аз и Аз соответствуют первому и второму значениям сигнала Uc=Uп, а вместо формул (30) и (31) используют соответственно формулы:
3
4
В этих выражениях Δtрх и Δtрx находят по формулам:
3
4
1
2
В формулах (39) и (40) Δtд и Δtд - время движения приемной антенны 1 от угла Aз до угла Азк и от угла Азк до угла Аз соответственно.
Наведение приемной антенны 1 на КА по азимуту осуществляют разворотом на рассчитанный угол Азм. Погрешность наведения при этом находят по формуле:
ЗМС
Максимальная погрешность ΔА соответствует min Uсм.
-2
A
ЗМС
ЗС1
ЗС2
Для рассматриваемого примера ретранслятора при minUсм=0,5 Uсмн, Δtи=0,1 с, ΔUcc=1,6·10 Uсмн, S=0,06 Uсмн/0,1 ϕДН в соответствии с формулой (28), погрешность ΔА составляет 2,4 угловых минут, при этом ΔA=ΔA=3,2 угловых минут согласно формуле (29).
2
ЗМС
ЗМС
-2
Введение интервала Δtи осреднения сигнала позволяет уменьшить погрешность ΔА. При Δtи=0,4 с погрешность ΔUcc уменьшается до 0,83·10 Uсмн, а погрешность ΔА - до 1,2 угловых минут.
2
ЗМ
ЗМПА
Дальнейшее увеличение Δtи приводит к возрастанию суммарной ошибки ΔА из-за роста ошибки ΔА вследствие увеличения времени рабочего хода.
3
ЗМПА
Для определения расчетного значения интервала Δtи при первом рабочем ходе находят допустимую ошибку азимута, соответствующего максимуму сигнала, из-за потерь сигнала в атмосфере ΔА с помощью формулы (41).
Суммарную случайную погрешность азимутального наведения приемной антенны 1 на КА в соответствии с (41) находят по формуле:
НА
ДНН
ЗМПА
Для рассматриваемого примера ретранслятора с учетом Δ=3 угловые минуты и ΔАзмс=1,2 угловых минут она составляет 3,2 угловых минут. Таким образом, при Δ=8,4 угловых минут допустимая погрешность из-за потерь сигнала в атмосфере ΔА составляет 5,2 угловых минут.
1
2
1
2
При первом рабочем ходе интервал времени Δtд равен 2,3 с учетом реверса приемной антенны 1 при остановке (0,6 с), а интервал Δtд равен 1,2 с. Принимается разворот приемной антенны 1 от Аз до Азм - 14 шагов, от Азм до Аз - 15 шагов, отклонение Азк от Азм - 3 шага.
3
ЗМПА
1
2
1
2
ЗПА1
ЗПА2
1
2
ЗМПА
ЗПА1
1
1
1
-2
Определение интервала Δtи проводят из условия минимизации ошибки ΔА. Найденное значение, которое отвечает указанному условию, составляет 2,2 с. Из формул (33) и (34) получают Δtрx=3,6 с и Δtрx=2,5 с. При равенстве скоростей изменения сигнала (Vс=Vc) ошибки из-за изменения сигнала ΔА и ΔА в соответствии с (30) и (31) относятся так же, как интервалы Δtpx и Δtpx. Для допустимого значения ΔА=5,2 угловых минут из формулы (35) находят ошибку ΔА=6,2 угловых минут. При относительной крутизне So=(0,37-0,45)Uc/0,1 ϕДН для Uc=Uп, с учетом разброса Uсм, и Δtрx=3,6 с уход сигнала из-за потерь в атмосфере составляет (0,195-0,235)Uc. Предельная скорость ухода сигнала Vc при этом составляет (5,4-6,5)·10 Uc/c.
3
СМН
Д
-2
-2
В соответствии с (3) и (13) для интервала Δtи при ΔUш=1,58·10 U (для времени Δtи=0,1 с) и Δ=0,25·10 Uсмн находят (при Δtoc=0,7 с):
-2
-2
ΔUcc=0,7·10 Uсмн и Δср=1·10 Uсмн.
2
1
-2
-2
При этом ошибка ΔV составляет 0,72·10 Uсмн/c или 0,89·10 Uc/c при Ucм=0,8 Ucмн.
1
1
2
П1
п1
1
1
1
3
1
1
1
1
-2
-2
Интервал времени Δtи выбирают исходя из условия ΔV≤0,5 ΔV. Величина сигнала находится в пределах U≤Uc<(U+ΔUсш). Принимают Uc=0,38 Uсмн, находят Δtи=5,4 с, при этом ΔV=0,43·10 Uc/c (при Δtос=1,7 с). Для найденных значений Δtи и Δtи из (24) определяют ΔVс=0,49·10 Uc/c. Дальнейшее увеличение Δtи нецелесообразно, поскольку возрастает общее время начального наведения, а ошибка ΔVс уменьшается незначительно (на 4 процента при увеличении Δtи на 1 с).
д
1
1
д
1
д
-2
Допустимую скорость изменения сигнала при первом рабочем ходе V находят как разность минимальной предельной скорости и ΔVс. Это обеспечивает реализацию первого рабочего хода приемной антенны 1 при Vc≤V с учетом ошибок измерений. Запас на случайный разброс скорости изменения сигнала обеспечивают тем, что используют минимальную величину предельной скорости, учитывают ΔVс, а также вводят дополнительно коэффициент запаса, например 0,9. Найденная величина V при этом составляет 4,4·10 Uc/c.
Д
Допустимую скорость изменения сигнала V определяют и вводят в вычислительное устройство 14 при изготовлении ретранслятора.
1
Д
2
Д
1
Д
2
Д
При первом ходе запрет на начальное наведение вводят при V>V, V>V, Vс>V и Vc>V.
2
1
2
KA1
Предельная скорость изменения сигнала на интервале времени Δtрх равна предельной скорости для интервала Δtрx. Погрешность скорости Vс, определяемой из формулы (25), находят с помощью формулы (26). Интервал времени Δt определяют по формуле:
где
4
2
1
Д
1
2
4
2
2
При определении интервала Δtи должно выполняться условие ΔVс≤ΔVс. Это позволяет допустимую скорость V, найденную для интервала Δtpx, распространить на интервал Δtрх. Увеличение Δtи с целью уменьшения ΔVс нецелесообразно, поскольку возрастает время начального наведения при несущественном уменьшении ΔVс.
4
3
2
K1
KA1
3
4
CKA1
CKA2
2
-2
-2
-2
-2
Для рассматриваемого примера ретранслятора найденное значение Δtи равно 0,2 с, интервал Δtg равен Δtg, при этом Δt=1,5 с и Δt=4 с. Для времени осреднения Δtи=2,2 с, ошибка ΔUсс равна 0,43·10 Uсмн, для времени осреднения Δtи=0,2 с, ошибка ΔUсс=1,15·10 Uсмн. Ошибка Δср разности сигналов V и V равна 1,22·10 Uсмн. Для Uсм=0,8 Uсмн определяют ошибку ΔVс=0,38·10 Uc/c.
5
6
3
4
3
4
1
При первом измерительном ходе приемной антенны 1 интервалы Δtи и Δtи определяют исходя из условия минимизации времени начального наведения, т.е. интервалов Δtрх и Δtрx, а также реализации предельных значений скоростей изменения сигнала Vс и Vc, превышающих предельное значение скорости Vс.
5
6
Для рассматриваемого примера ретранслятора указанные условия обеспечивают при использовании минимальных значений Δtи=Δtи=Δtи=0,1 с. Это обусловлено тем, что время второго хода приемной антенны 1 меньше, чем время первого хода.
3
4
3
4
3
4
ЗМПА
ЗМПА1
Из формул (39) и (40) находят Δtpx=1,45 с и Δtрx=1,85 с, при этом Δtд=1,2 с и Δtд=1,6 с. При равенстве скоростей Vс и Vc для допустимого значения ΔА=5,2 угловых минут находят ошибку ΔА=4,7 угловых минут.
3
3
3
KA2
KA1
2
3
5
СКА1
СKA3
3
-2
-2
-2
-2
-2
Уход сигнала за время Δtрх при So=(0,37-0,45) Uc/0,1 ϕДН составляет (0,14-0,17)Uc. Предельная скорость ухода сигнала Vс при этом составляет (9,6-11,7)·10 Uc/c. Погрешность скорости Vс, определяемой из формулы (25), находят с помощью формулы (26). Интервал времени Δt определяют аналогично Δt как сумму Δtpx и Δtрх. Для времени осреднения Δtи=0,1 с, ошибка ΔUсс равна 1,6·10 Uсмн. Ошибка Δcр разности сигналов U и U равна 1,65·10 Uсмн. Для среднего значения Uсм=0,65 Uсмн, находят Δср=2,54·10 Uc и ΔVс=0,63·10 Uc/c.
4
3
4
KA3
KA1
4
K2
Предельная скорость изменения сигнала на интервале времени Δtрx равна предельной скорости для интервала Δtрх. Погрешность скорости Vc, определяемой из формулы (25), находят с помощью формулы (26). Интервал времени Δt определяют аналогично Δt как сумму интервала Δtрx и интервала Δt, который находят по формуле:
6
КА2
KA3
4
-2
-2
При полученных параметрах Δtи=0,1 с, Δt=1,85 с и Δt=3,7 с находят Δcр=2,2·10 Uсмн и ΔVс=0,91·10 Uc/c.
3
4
4
1
Таким образом, предельная скорость изменения сигнала на интервалах Δtpx и Δtрx с учетом максимальной ошибки ΔVс превышает скорость Vc.
-2
-2
Для рассматриваемого примера ретранслятора при использовании предлагаемого способа требуемая точность наведения приемной антенны 1 (фиг.1) по азимуту на КА обеспечивается при увеличении (по сравнению с прототипом) скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере в (3-4,4) раз. Скорость увеличилась до (4,4-6,5)·10 Uc/c по сравнению с 1,46·10 Uc/c.
-2
Ошибка наведения при скорости изменения сигнала (4,4-6,5)·10 Uc/c для прототипа увеличивается в 1,9-2,7 раз - с 8,4 угловых минут до (16,4-22,3) угловых минут.
После проведения режима 28 (фиг.2) последовательно осуществляют штатные режимы: 29 - программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию по углу места и 30 - программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию по азимуту.
Режим 29 проводят аналогично режиму 18.
В рассматриваемом примере ретранслятора суммарную погрешность программного наведения передающей антенны 3 (фиг.1) по углу места на абонентскую станцию находят по формуле:
где ΔН - навигационная ошибка.
При определении местоположения ретранслятора и абонентской станции с помощью спутниковой радионавигационной системы ошибка по координате ΔS в настоящее время составляет 30 м. В ближайшие годы она должна быть уменьшена до 5 м. Угловая ошибка при этом находится по формуле:
где L - расстояние между ретранслятором и абонентской станцией.
Если принять ΔS=5 м и L=6 км, то ошибка ΔН составляет 4 угловые минуты.
AC
Приборную ошибку ΔПО определяют по формуле (2). Погрешность ΔУМ составляет 7,3 угловых минут.
Режим 30 (фиг.2) проводят аналогично режиму 29.
Суммарную погрешность наведения передающей антенны 3 (фиг.1) на абонентскую станцию по азимуту находят по формуле:
ЗМС
ЗМПА
в которой: ΔА - случайная погрешность азимута, соответствующего максимуму сигнала, определяемая из формулы (28), ΔА - систематическая погрешность азимута, соответствующего максимуму сигнала, из-за потерь в атмосфере, определяемая из формулы (35).
ЗМС
ЗМПА
ЗАС
При ошибке ΔКА=6 угловых минут, найденных погрешностях ΔН=4 угловые минуты, ΔПО=5,8 угловых минут, ΔА=1,2 угловых минут и ΔА=5,2 угловых минут погрешность ΔА составляет 14,4 угловых минут. Это существенно меньше допустимой погрешности, которая составляет 24 угловые минуты.
ЗАС
-2
Указанная погрешность ΔА найдена для режима 30 (фиг.2) при обеспечении требуемой точности азимутального начального наведения (8,4 угловых минут) приемной антенны 1 (фиг.1) при скорости изменения сигнала (4,4-6,5)·10 Uc/c.
ЗМС
ЗМПА
Для прототипа формула (48) также справедлива. При этом погрешность ΔА определяют из формулы (4), а погрешность ΔА - из формулы (6).
-2
-2
ЗМС
ЗМПА
ЗАС
ЗМПА
ЗАС
ЗАС
При допустимой скорости изменения сигнала 1,46·10 Uc/c, погрешностях ΔА=3,1 угловых минут и ΔА=4,1 угловых минут суммарная погрешность ΔА составляет 13,6 угловых минут. При скорости изменения сигнала (4,4-6,5)·10 Uc/c погрешности ΔА и ΔА, соответственно, составляют 12,1-17,8 угловых минут и 21,6-27,9 угловых минут, погрешность ΔА увеличивается в 1,6-2,05 раз.
Приведенное описание способа позволяет сделать следующее заключение.
Использование в способе фиксации пороговых значений сигнала на крутом участке диаграммы направленности приемной антенны при ее азимутальном развороте позволяет без дополнительных аппаратурных затрат повысить точность азимутального наведения приемной антенны на КА и передающей антенны на абонентскую станцию в условиях потерь радиотелевизионного сигнала в атмосфере.
При использовании способа требуемая точность наведения приемной антенны на КА по азимуту обеспечивается при увеличении по сравнению с прототипом скорости изменения сигнала из-за потерь в атмосфере в 3-4,4 раза.
При этом ошибка наведения приемной антенны по азимуту на КА уменьшается в 1,9-2,7 раз, а ошибка программного наведения передающей антенны по азимуту на абонентскую станцию уменьшается в 1,6-2,05 раз.