Адаптивные антенные решетки с цифровым формированием луча

Ход решения. Таким образом, пусть у каждого спутника будет Т5 передатчиков, тогда общее число передатчиков составит:

Т = Е ^ •

Предлагаемый алгоритм позволяет определить передатчики, которые будут работать на одной частоте, таким образом, всю совокупность передатчиков Т можно будет разбить на N групп, передатчики, находящиеся в одной группе будут работать в некотором частотном диапазоне А/х таком, что

F =Е/•

N

Если обозначить за А/п частоту передатчика, где I е (1..5) - номер передающего спутника; у е (1...5) -номер принимающего спутника; п е (1...Х) - номер группы, в которую входит этот частотный диапазон, то исходя из сказанного все А/у, имеющие одинаковый индекс п, равны между собой и равны соответственно А/. В результате можно получить следующую систему линейных уравнений:

р=Е/,

N

Решением системы будет такое распределение частотных каналов для каждого передатчика, при котором будет обеспечиваться безинтерференционное взаимодействие спутников между собой с одновременным переиспользованием выделенного частотного диапазона.

Приведём краткое словесное описание алгоритма. Исходя из исходных данных построим табличную топологию сети, которую назовём матрицей приема-передачи. Оптимизируем матрицу приема-передачи на предмет исключения изолированных радиостанций. Матрицу приема-передачи разобьём на подматрицы. Из каждой подматрицы составим подматрицы одночастотных сигналов, которой описывают, какой сигнал может быть на одной частоте с другим сигна-

лом. Но эта матрица показывает комбинацию сигналов из двух элементов. Далее применяем алгоритм поиска одночастотных сигналов в каждой подматрицы одночастотных сигналов, найденные связки сигналов назовём «комбинации сигналов», каждые «комбинации», составленные из одночастотных сигналов, записываем в общий список комбинаций сигналов. В списке комбинаций сигналов ищем связующие комбинации, в результате поиска получаем список одночастотных сигналов, в который входят и отдельные сигналы. В списке одночастотных сигналов отображаются как отдельные сигналы, которые будут иметь индивидуальные полосы частот, так и сигналы, которые будут располагаться на одних и тех же частотах, что и является решением задачи.

Вывод. Предлагаемый алгоритм позволяет определить частотный план спутниковой Mesh-сети с произвольной топологией и большой размерностью, так как позволяет разбить исходную Mesh-сеть на совокупность более простых сетей, анализ которых можно провести, используя базовый алгоритм из [1]. Получив систему уравнений (3) и выбирая различные варианты значений AfN и исходя из различных критериев эффективности, можно получать различные варианты соединений спутников, тем самым синтезируя требуемую топологию под конкретную задачу.

Библиографическая ссылка

1. Демичев М. С. Решение задачи частотного планирования mesh-сетей // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки : сб. ст. по мат. XLIV междунар. студ. науч.-практ. конф.

Reference

1. Demichev, M. S. Solution of the problem of frequency planning mesh networks // Scientific community of students XXI century. Engineering SCIENCE: collection of articles on the Mat. XLIV Intern. stud. scientific.-pract. conf.

© Демичев М. С., Гаипов К. Э., 2016

УДК 621.396

АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ЦИФРОВЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ЛУЧА*

Д. Д. Дмитриев1, И. Н. Карцан2

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. Красноярский рабочий, 31

E-mail: kartsan2003@mail.ru

Рассматривается выбор конфигурации, состав и алгоритм управления адаптивной цифровой антенной решетки.

Ключевые слова: адаптивная антенная решетка, помехоустойчивость, диаграмма направленности, командно-измерительный комплекс.

*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 03.10.2016 г. № 14.577.21.0220, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57716X0220).

<Тешетневс^ие чтения. 2016

ADAPTIVE ARRAY ANTENNA DIGITAL BEAMFORMING 1

D. D. Dmitriev1, I. N. Kartsan2

'Siberian federal university 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: kartsan2003@mail.ru

We consider the choice of the configuration, structure and control algorithm for adaptive digital antenna array.

Keywords: adaptive antenna array, noise immunity, radiation pattern, command-measuring complex.

В настоящее время адаптивные цифровые антенные решетки (ЦАР) применяются в основном в радиолокации. Первая в России следящая антенна с электронным сканированием для радиолокационной станции была разработана под руководством Ю. Я. Юрова в 1955 году. Гибкость применения ЦАР, отсутствие механических приводов вращения, практически мгновенное перенацеливание лучей, возможность построения многолучевых антенн обусловливает высокую востребованность ЦАР не только в радиолокации, но и в системах навигации и связи. Однако применение антенных решеток в радиолокации имеет свои особенности. Очень важная область применения адаптивных антенных решеток - цифровые системы связи. Имеется целый ряд публикаций, посвященных созданию систем 5G, где адаптивная многолучевая антенна может значительно увеличить пропускную способность каналов связи. Многие исследователи рассматривают возможность использования адаптивных антенных решеток в навигационных приемниках. В этом случае акцент делается на способность подавлять помехи и направлять луч диаграммы направленности на навигационные космические аппараты [1-3].

Отечественные исследователи также обращают внимание на проблему цифрового формирования диаграммы направленности. Кроме того, как в России, так и за рубежом акцент делается на построение бортовых радиолокационных станций, систем связи с возможностью подавления помех.

Тенденции в развитии и реализации цифровых антенных решеток следующие:

1. Разработка и внедрение новых методов построения адаптивных ЦАР с большим количеством модулей и габаритными размерами апертуры.

2. Обеспечение в ЦАР пространственной фильтрации помех и адаптации к помеховой обстановке.

3. Разработка способов управления независимым движением отдельных лучей в многоканальных ЦАР.

4. Применение алгоритмов автоматического поиска, захвата и сопровождения объектов для стабильного и гарантированного обеспечения обмена информацией.

5. Создание и совершенствование радиотехнических элементов новых типов и методов, позволяющих ослабить взаимовлияние элементов ЦАР.

Несмотря на огромный массив публикаций по теме адаптивных антенных решеток с цифровым фор-

мированием луча, очень мало конкретных публикаций об их использовании в командно-измерительных системах управления космическими аппаратами, которые имеют свои особенности. Прежде всего, это требования по одновременному сопровождению нескольких спутников, возможности определения навигационных параметров по принимаемому сигналу, высокоточной синхронизации всех систем.

При поиске путей создания адаптивной антенной решетки с цифровым диаграммообразованием и управления лучами для обмена командно-телеметрической информацией с космическими аппаратами необходимо учитывать несколько особенностей таких систем. Антенная система должна иметь диаграмму направленности с несколькими каналами слежения за космическими аппаратами, а диаграмма направленности каждого канала, в свою очередь, должна обладать, насколько это возможно, узким главным лепестком. При этом боковые лепестки должны быть как можно меньшими для подавления помех, приходящих с направления, отличного от направления максимума диаграммы направленности. Задача устройства адаптивной обработки - сформировать провалы диаграммы направленности в направлении на источники помех. Вместе с тем прямой перенос методов адаптивной обработки из радиолокации невозможен, поскольку требует учета некоторых особенностей:

- в разрабатываемой адаптивной антенной решетке предполагается одновременный прием сигналов космических аппаратов, действующих с различных направлений, что потребует создания сложной многоканальной диаграммообразующей схемы, системы слежения за положением космических аппаратов и применения адаптивных алгоритмов в каждом канале приема;

- в командно-измерительных системах необходимо определять навигационные параметры космических аппаратов по принятому полезному сигналу, откуда вытекают требования по высокоточной калибровке приемных и передающих каналов адаптивной антенной решетки, обеспечивающие выравнивание группового времени запаздывания сигналов и определение взаимного положения элементов адаптивной антенной решетки.

Эти особенности накладывают определенные требования к техническим характеристикам, выбору конфигурации, составу и алгоритмам управления адаптивной цифровой антенной решетки.

Диаграмма направленности адаптивной антенной решетки определяется амплитудами и фазами возбуждения излучателей, и если обеспечить их независимое регулирование, то можно получить требуемую, в пределах принципиальной реализуемости, диаграмму направленности. При электронном регулировании можно управлять формой диаграммы направленности -направлением главного луча (или нескольких) и направлением провалов.

Вектор амплитудно-фазового распределения формирует система управления лучом по известным координатам космических аппаратов.

Для повышения помехоустойчивости командно-измерительного комплекса весовые коэффициенты расчета амплитудно-фазового распределения определяются адаптивно к изменению помеховой обстановки. Для этого в адаптивном процессоре вычисляется обратная корреляционная матрица помех, которая содержит всю информацию о пространственном положении постановщиков помех и уровне преднамеренных помех. Физическая реализация указанных требований к командно-измерительным системам возможна за счет применения систем цифрового диа-граммообразования.

Цифровое формирование диаграммы направленности на базе аналогово-цифровых преобразователей и сигнальных процессоров позволяет повысить точность измерения благодаря идентичности по усилению приемных каналов, сформировать дополнительные диаграммы направленности антенны для решения задач компенсации помех в той же апертуре антенной решетки без установки дополнительных антенн и обеспечивает эффективное ослабление активных помех за счет высокой степени корреляции сигналов в основных и компенсирующих каналах. Обработка принятых сигналов осуществляется в цифровом виде на цифровых сигнальных процессорах и одноплатной ЭВМ с реализацией всех задач временной обработки сигналов, первичной и вторичной обработки информации и сопряжения с потребителями по стандартным цифровым каналам обмена.

Библиографические ссылки

1. Adaptation algorithms for satellite communication systems equipped with hybrid reflector antennas / I. N. Kartsan, V. N. Tyapkin, D. D. Dmitriev, A. E. Goncharov, P. V. Zelenkov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Сер. "International Scientific and Research Conference on Topical Issues in Aeronautics and Astronautics (Dedicated to the 55th Anniversary from the Foundation of SibSAU)". 2015. С. 012010.

2. Метод синтеза амплитудно-фазового распределения гибридно-зеркальной антенны / В. И. Серенков, И. Н Карцан, Д. Д. Дмитриев // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 664-669.

3. Spatial Filtering Algorithms in Adaptive Multi-Beam Hybrid Reflector Antennas / V. N. Tyapkin, I. N. Kartsan, D. D. Dmitriev, A. E. Goncharov // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings.

References

1. Adaptation algorithms for satellite communication systems equipped with hybrid reflector antennas / Kart-san I. N., Tyapkin V. N., Dmitriev D. D., Goncharov A. E., Zelenkov P. V. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Сер. "International Scientific and Research Conference on Topical Issues in Aeronautics and Astronautics (Dedicated to the 55th Anniversary from the Foundation of SibSAU)". 2015. P. 012010.

2. The synthesis method of amplitude-phase distribution of hybrid reflector antenna. V. I. Serenkov, I. N. Kartsan, D. D. Dmitriev. Bulletin of the Siberian State Aerospace University academician M. F. Reshetnev. 2015. Vol. 16, № 3. P. 664-669.

3. Spatial Filtering Algorithms in Adaptive Multi-Beam Hybrid Reflector Antennas / V. N. Tyapkin, I. N. Kartsan, D. D. Dmitriev, A. E. Goncharov // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings.

© Дмитриев Д. Д., Карцан И. Н., 2016

УДК 621.317.08

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕЦИЗИОННОЙ КАЛИБРОВКИ БОРТОВЫХ И НАЗЕМНЫХ НАВИГАЦИОННЫ1Х И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

М. В. Ермолаев, Д. И. Марарескул, Е. В. Ислентьев

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация,662972, г. Железногорск, ул. Ленина, 52 e-mail: ermakc@iss-reshetnev.ru

Приведены основные принципы обеспечения прецизионной калибровки бортовых информационно-навигационных комплексов и беззапросных измерительных средств НКУ ГЛОНАСС. Дано общее описание методик калибровки.

Ключевые слова: ГЛОНАСС, прецизионные измерения, имитатор навигационных сигналов, приемник навигационных сигналов, калибровка.