Введение
Для наземных комплексов радиомониторинга искусственных спутников Земли (ИСЗ), находящихся на низко- и высокоэллиптических орбитах, требуется проектирование и производство соответствующих антенных систем. При этом возникает необходимость повышения эффективности систем автоматического сопровождения ИСЗ. Под эффективностью в данном случае будем понимать получение требуемого эффекта (точности наведения) при минимизации затрат при реализации системы.
Анализ современных методов наведения
Современные методы наведения можно классифицировать
по следующим группам [7]:
ручное наведение;
программное наведение;
автоматическое наведение по принимаемым сигналам;
смешанное наведение.
Ручное наведение чаще всего используется при радиомониторинге геостационарных ИСЗ или в задачах привода в начальную точку ожидания для низколётных ИСЗ.
Программное наведение – это дискретное управление антенной по предварительно вычисленным траекторным параметрам. Как любое дискретное управление, этот метод основан на компенсации ошибки, возникающей в предыдущем шаге относительно последующего. Кроме программных ошибок при этом возникают инструментальные ошибки наведения, обусловленные ограниченной точностью датчиков и несовершенством механизмов сопровождения – ошибки, вызываемые, в частности, инерционностью системы, люфтами в управляемых приводах и т. п. Создание безлюфтовых механизмов, особенно для антенн среднего и большого диаметра, существенно усложняет систему и повышает её стоимость [1].
Снизить погрешность наведения, возникающую при программном методе, позволяет автоматическое наведение, которое в современных станциях приёма сигналов ИСЗ реализуется различными способами.
Так для ИСЗ на квазистационарных орбитах широко распространён метод сканирования пространства. При этом через установленные промежутки времени антенная система производит поиск максимума приёма сигнала. Сканирование происходит обычно в пределах разрешённой ширины диаграммы направленности. Независимо от выбранной траектории сканирования необходимо произвести отсчёты, как минимум, в четырёх направлениях пространства (вверх – вниз, вправо – влево) и выбрать ориентацию с максимальным уровнем [2].
Для низколетящих ИСЗ такая система сопровождения оказывается нерациональной, поскольку требует для принятия решения многократных пробных движений рефлектора. Однако при значительной инерционности массивной антенной системы работоспособность такой схемы сомнительна.
Упростить эту систему позволяет известный способ с вращающимся контррефлектором. При этом контррефлектор должен быть децентрализован относительно облучающей системы, а значит принципиально будут иметь место потери в энергетике принимаемого сигнала. Кроме того, в принимаемом сигнале возникают дополнительные модуляционные искажения, отнюдь не улучшающие качество приёма. Такой метод можно рекомендовать для решения задач обнаружения сигналов, но не для приёма с последующей обработкой.
В связи с вышеизложенным на предприятии в настоящее время оценивается целесообразность разработки моноимпульсной системы сопровождения в Х-диапазоне частот. Сущность таких систем состоит в формировании за счёт разнесённых диаграмм направленности пространственной пеленгационной характеристики, как показано на рисунке 1а. На рисунке 1б показан вариант облучающей системы для моноимпульсного наведения на ИСЗ [3, 4].
Рисунок 1 – Моноимпульсная система сопровождения ИСЗ
Практически существуют как четырёхпортовые, так и пятипортовые моноимпульсные системы. Однако практика их применения в Х-диапазоне весьма ограничена в связи с существенными искажениями пеленгационной характеристики, обусловленными взаимным влиянием близко расположенных, несимметричных относительно оптической оси облучателей [5].
Для иллюстрации предварительных результатов далее использованы результаты моделирования диаграмм направленности [6]. Расчётное моделирование производилось в программе CSTSTUDIOSUITE (ЦСТ СтудиоСьют) для двухзеркальной антенной системы с эллиптическим фокусом (АДЭ) с диаметром зеркала 3,5 м на частоте 8,5 ГГц.
На рисунке 2а представлена трёхмерная диаграмма направленности однопортовой системы, а на 2б – та же характеристика в полярных координатах. Диаграммы направленности центрального облучателя пятипортовой системы представлены на рисунках 3а и 3б.
Рисунок 2 – Диаграммы направленности однопортовой системы
Рисунок 3 – Диаграммы направленности центрального облучателя пятипортовой системы
Как видим, отличия в диаграммах направленности несущественны, по крайней мере, до первого бокового лепестка.
В пятипортовой системе диаграммы направленности антенны для смещённых облучателей также сильно искажаются (рисунки 4а, 4б, 4в).
Рисунок 4 – Диаграммы направленности смещённых облучателей пятипортовой системы
На рисунках 4б и 4в в полярной системе показаны диаграммы направленности в главных плоскостях антенны – вертикальной и горизонтальной. Облучатель находится ниже центрального. Поэтому в вертикальной плоскости диаграмма направленности несимметричная, а в горизонтальной – симметричная, но с провалом по центру. Те же особенности и у диаграмм направленности остальных (кроме центрального) облучателей. При таких диаграммах направленности пеленгационная характеристика получается с неявно выраженным нулём, что приводит к ошибкам наведения.
Повышение точности наведения
Повысить точность наведения предлагается за счёт размещения периферийных облучателей непосредственно на контррефлекторе. На рисунках 5а, 5б представлен вариант такого контррефлектора.
Рисунок 5 – Контррефлектор с облучающими системами
Как видно из рисунков 6а, 6б, 6в основная диаграмма направленности антенны с модифицированным контррефлектором практически не изменилась.
Рисунок 6 – Диаграммы направленности центрального облучателя с модифицированным контррефлектором
Несколько менее изрезанными в области «рабочих» углов оказались и другие диаграммы антенны. На рисунках 7а, 7б, 7в они приведены при облучателе, расположенном ниже фокальной оси антенны.
Рисунок 7 – Диаграммы направленности с облучателем на контррефлекторе
На рисунках 7б и 7в представлены диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Моделирование показало, что при такой структуре облучателей практически невозможно избавиться от боковых составляющих (дребезга диаграммы направленности) в секторах близких к направлению нуля антенной системы. Кроме того, для выделения необходимой составляющей поля оказалось необходимым применение ортомодов для каждого из облучателей.
Более перспективным оказалось использование щелевых облучателей на контррефлекторе антенной системы. На рисунках 8а (вид со стороны рефлектора) и 8б (вид с противоположной стороны) приведены изображения контррефлектора АДЭ с щелевыми облучателями.
Поиск оптимального размещения и формы апертуры облучателей привели к структуре из четырёх радиально направленных щелей размером 2λ х 0,3λ (λ – длина волны), максимально приближенных к центру контррефлектора.
Рисунок 8 – Контррефлектор АДЭ с щелевыми облучателями
Диаграмма направленности центрального облучателя практически не меняется – потери составляют не более 0,5 дБ, а диаграммы направленности щелевых облучателей имеют гладкую характеристику в районе малых углов. Именно малые углы нас интересуют для подстройки антенной системы между командами наведения. На рисунках 9а и 9б приведены диаграммы направленности двух противоположных щелевых облучателей.
Рисунок 9 – Диаграммы направленности двух противоположных щелевых облучателей
Разность этих диаграмм позволяет сформировать в районе малых углов отклонения достаточно гладкую пеленгационную характеристику, приведенную на рисунке 10, полученную численным вычитанием диаграмм направленности (рисунки 9а, 9б).
Недостатком пассивных моноимпульсных систем является возможность увода антенной системы при наличии более мощного ложного сигнала, попадающего в диаграмму направленности антенной системы. Эту проблему должен позволить устранить комбинированный метод наведения, при котором в пределах расчётных данных антенная система наводится по полученным параметрам, а непрерывное уточнение производится моноимпульсным методом. Упрощённая структурная схема такой системы представлена на рисунке 11.
Заключение
В наземных комплексах радиомониторинга ИСЗ, находящихся на низко- и высокоэллиптических орбитах, применяются полноповоротные трехосевые антенные системы с диаметром рефлектора от 1 м до 5 м. При этом антенные системы с диаметром рефлектора более 3 м, как правило, являются двухзеркальными. Для таких антенн в настоящее время ведутся работы по повышению точности сопровождения ИСЗ. Реализация предложенных в докладе рекомендаций обеспечивает повышение точности сопровождения ИСЗ на низко- и высокоэллиптических орбитах.
Литература
Бобков В., Званцугов Н. Системы наведения антенн. – М.: "Первая миля". 2/2010.
Галкин А.П. Основы радиотехнических систем. Учебное пособие. Министерство образования Российской Федерации. Владимирский государственный университет. 2004.
Родс Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. – М.: Сов. радио, 1960.
Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. – М.: Сов. радио, 1975.
Травкин Д. Моноимпульсный метод автосопровождения космических аппаратов "Технологии и средства связи". Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание". 2018.
Фрадкин А.З. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1977.