Аналіз принципів програмного управління антенною системою станцій моніторингу мереж супутникового зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Системи супутникового зв'язку (ССЗ) широко використовуються в багатьох країнах світу та стали невід'ємною частиною інфраструктури телекомунікацій більшості країн. Не тільки розвинуті країни з різноманітними мережами телекомунікацій, але все частіше і країни що ще розвиваються успішно впроваджують супутникові системи зв'язку. Нові супутникові додатки забезпечують швидке створення нових широкомовних служб та приватних мереж.

Не дивлячись на високий рівень автоматизації створюваних радіотехнічних комплексів, в тих антенних системах які використовуються в наш час продовжують використовуватись методи управління, основані на ручній настройці, наведення на джерело випромінювань і діагностиці обладнання, яке входить в антенну систему складовими частинами. Але в наш час дані методи управління не мають достатнього рівня ефективності і не можуть забезпечити високу точність наведення, таку яка потрібна у військовій сфері. Через це постало питання про впровадження нового методу управління, який буде забезпечувати потрібну ефективність в роботі з антенними системами моніторингу мереж супутникового зв'язку.

В даній роботі викладена суть пристрою програмного управління антенною системою станції радіомоніторингу мереж супутникового зв'язку який буде за допомогою програмного забезпечення встановленого на персональнальну електронну-обчислювальну машину (ПЕОМ) проводити наведення діаграми спрямованості антенної системи з високою точністю на супутники-розвідники, які знаходяться на негеостаціонарних орбітах і які належать іншим країнам, для отримання корисної інформації.



1. Аналіз принципів програмного управління антенною системою станцій моніторингу мереж супутникового зв'язку

Супутниковий зв'язок суттєво відрізняється від інших видів радіозв'язку - радіорелейної, тропосферної, іоносферної, стільникової або транкінговой. Так в системах радіорелейного зв'язку протяжність лінії в значній мірі залежить від наявності прямої видимості між абонентами й типу траси (відкрита, напіввідкрита, закрита). В системах загоризонтного зв'язку відстань між станціями визначається станом тропосфери або іоносфери, оскільки дія цих систем заснована на ефекті розсіювання радіохвиль на неоднорідностях в тропосфері (іоносфері) або відбивання від верхніх слоїв іоносфери. Розміри зони обслуговування стільникових і транкіногових систем залежить від висоти під'йому антени базової станції. В системах супутникового зв'язку основними показниками які визначають розміри такої зони, якість обслуговування та енергетику радіоліній, являються тип орбіти та її характеристики.

Я пропоную класифікацію ССЗ, орієнтованих на надання послуг радіотелефонного зв'язку і передачі даних, в основу якої покладені наступні ознаки.

- Тип орбіт які використовуються.

За цією ознакою всі ССЗ діляться на два класи - системи з космічними апаратами (КА) на геостаціонарній орбіті та на негеостаціонарній орбіті. В свою чергу, не геостаціонарні орбіти поділяються на низькоорбітальні, середньовисотні та еліптичні. Крім того, низькоорбітальні системи зв'язку поділяються по виду послуг які вони надають.

- Статус системи.

Залежить від призначення системи, міри обхвату обслуговуємої території, розміщення і належності наземних станцій. В залежності від статуса ССЗ можна розділити на міжнародні (глобальні і регіональні) і національні.

Розрізняють три основних режими роботи системи управління антенами:

- Програмне управління;

- Автоматичне супроводження;

- Комбіноване наведення.

Режим програмного управління полягає в здійсненні переміщення діаграми направленості (ДН) антени по програмі в відповідності з законом переміщення літаючих апаратів. При цьому керуючі сигнали обраховуються та(або) формуються в реальному масштабі часу в програмному пристрої на основі апріорних даних про рух ЛА. Цей режим являється основним для антени радіотелескопів, працюючих з дальніми об`єктами, які знаходяться на відстані приблизно від 30000 кілометрів і більше.

Режим автосупроводження полягає в супроводі ЛА по радіосигналу, при якому реалізується принцип управління зі зворотним зв'язком. В цьому режимі формування сигналу управління відбувається при відхиленні осі ДН антени від напрямку на ЛА, який вимірюється радіотехнічними способами задопомогою пеленгаторів.

Режим комбінованого наведення заснований на роз'єднанні програмного управління і автосупроводу по радіосигналу.

Крім вказаних режимів велике значення мають і передбачаються інші, допоміжні режими роботи системи управління наземними антенами, а саме:

- Ручного дистанційного управління;

- Пошуку сигналу ЛА;

- Напівавтоматичного наведення (при якому потрібні умовні координати і швидкості задаються оператором);

- Синхронного зв'язку з іншими антенами (в цьому режимі забезпечується синхронний поворот осей двох чи більше антен від сигналів управління керуючої антени).

антенна орбіта супутниковий алгоритм



2. Розробка пристрою програмного управління антенною системою станції радіомоніторингу мереж супутникового зв'язку

При програмному управлінні антеною виникають та вирішуються такі задачі:

1. Розрахунок прогнозуємої траекторії руху ЛА (цілевказівки) в системі координат, прив'язаній до даної станції;

2. Формування сигналів управління силовим слідкуючим приводом антени в відповідності з цілевказівками;

3. Введення систематичних поправок і виміряних помилок наведення для відповідної корекції сигналів управління;

4. Відстеження цілевказівок силовим слідкуючим приводом антени.

У відповідності з цим структурна схема СУ в режимі програмного наведення включає в себе наступні основні частини:

- Пристрій програмного наведення (ППН), який в загальному випадку реалізує рішення перших трьох з перерахованих задач;

- Силовий слідкуючий привід, який відпрацьовує сигнали управління, які поступають з ППН, і здійснюють поворот виконавчих осей антени у відповідності з цілевказівками;

- Антенна установка як об'єкт управління.

В додатку 1 викладена структурна схема пристрою програмного управління та наведення АС.

В додатку 2 викладена функціональна схема пристрою програмної обробки.

В додатку 3 наведена функціональна схема пристрою програмного управління антенною системою станції радіомоніторингу мереж супутникового зв'язку.

Мікроконтролер ATmega8 виконаний по технології CMOS, 8-розрядний, заснований на AVR архітектурі RISC. Виконуючи одну повноцінну інструкцію за один такт, ATmega8 досягає продуктивність 1 MIPS на МГц, дозволяючи досягнути оптимальне співвідношення продуктивності до споживаної енергії.

ЦАП КР572ПА1 призначена для перетворення 10-розрядного прямого паралельного двійкового коду на цифрових входах в струм на аналоговому виході, який пропорційний значенням коду та (або) опорної напруги. Вона виконана по технології з полі кремнієвими затворами.

КР140УД20 - здвоєний операційний підсилювач.

МАХ202 - 5В двоканальний прийомо/передавач RS-232 з захистом від електростатичного розряду 15кВ.

При використанні цифрового пристрою програмного наведення, крім перерахованих пристроїв, для системи управління характерна наявність перетворювачів аналогових величин в цифрові АЦП - в аналогові ЦАП. АЦП здійснює перетворення аналогових величин (кута повороту та азимуту осей антени) в цифровий код, тобто являється пристроєм, який виконує одночасно операції квантування фактичних кутів повороту антени по куту та по рівню. ЦАП виконує декодування цифрового коду, який поступає з виходу цифрового ППН, в нескінченний керуючий сигнал, який подається на вхід регуляторів слідкуючої системи.

Головною структурною частиною системи програмного управління являється пристрій програмного наведення. Воно формує на своєму виході нескінченні або дискретні сигнали управління, відповідні поточним програмним координатам ЛА, з частотою, яка залежить від характеру траєкторії та динамічних властивостей антени як об'єкта управління. Інша частина структурної схеми СУ виконує функції виконуючого пристрою, який відпрацьовує сигнали (команди) управління ППН.

Розглянемо структуру та функціонування окремих частин системи програмного управління антеною більш детально.

Пристрій програмного наведення зазвичай включає в себе наступні функціональні частини:

- Пристрій обрахунку, який формує сигнали управління, відповідні поточним програмним координатам літаючого апарату;

- Пристрій корекції програми;

- Пристрій пошуку сигналу;

- Пристрій пошуку сигналу і виходу на зв'язок ;

- Пристрій зв'язку з приводом антени;

- Центральний пульт управління.

3. Алгоритм програмного модуля аналізу та управління

Інкрементальні датчики лінійних переміщень, звані також квадратурними енкодерами, формують імпульси, по яких приймаючий пристрій визначає поточне положення координати шляхом підрахунку числа імпульсів лічильником. Для прив'язки системи відліку на початок відліку, інкрементальні датчики мають референтні мітки, через які потрібно пройти після включення устаткування.

Інкрементальні датчики обертання і датчики кута при обертанні формують імпульси, по яких приймаючий пристрій визначає поточне положення координати шляхом підрахунку числа імпульсів лічильником. Для прив'язки системи відліку інкрементальні датчики мають референтну мітку («маркер»), одну на зворот, через яку потрібно пройти після включення устаткування. Для визначення відстані і напряму переміщення застосовуються два канали («синус» і «косинус», що позначаються в документації зазвичай як A і В), у яких ідентичні послідовності імпульсів (меандр) зрушені на 90° відносно один одного, в сучасних енкодерах використовується також сигнал «мітка на зворот» («маркер», референтна мітка, що позначається як Z, C[2] або R ), який у поєднанні з менш точним кінцевиком дозволяє визначити точне положення «нуля» координати приводу. Багато спеціалізованих мікропроцесорів підтримують ці три сигнали за допомогою відповідного Quadrature Encoder Interface.

Абсолютний багатооборотний (4096 зворотів) енкодер (8192 положення на зворот) Абсолютні датчики лінійних переміщень показують поточну координату відразу при включенні, без необхідності проходження референтних міток. Абсолютні датчики обертання і датчики кута визначають поточну координату без необхідності переміщення осей верстата. Одиноборотні датчики визначають поточну координату лише в межах одного повного звороту валу, а багатооборотні датчики можуть додатково розпізнавати декілька повних зворотів.

Оптичні енкодери мають жорстко закріплений на валу скляний диск з оптичним растром. При обертанні валу растр переміщається відносно нерухомого растру, при цьому модулюється світловий потік, що приймається фотодатчиком. Абсолютні оптичні енкодери -- це датчики кута повороту, в яких кожному положенню валу відповідає унікальний цифровий вихідний код, який поряд з числом зворотів є основним робочим параметром датчика. Абсолютні оптичні енкодери, так само як і інкрементальниє енкодери, прочитують і фіксують параметри обертання оптичного диска.

Магнітні енкодери реєструють проходження магнітних полюсів магнітного елементу, що обертається, безпосередньо поблизу чутливого елементу, перетворюючи ці дані у відповідний цифровий код.

Механічні і оптичні енкодери з послідовним виходом містять диск з діелектрика або скла з нанесеними опуклими, провідними або непрозорими ділянками. Прочитування абсолютного кута повороту диска робиться лінійкою перемикачів або контактів в разі механічної схеми і лінійкою оптронів в разі оптичної. Вихідні сигнали є кодом Грея, що дозволяє позбавитися від неоднозначності інтерпретації сигналу.

Представлені датчики з'єднуються з об'єктом, що обертається, за допомогою нормального або полого валу, останній може бути як крізним, так і некрізним (тупиковим). Вал об'єкту, що обертається, і вал енкодера сполучають механічно за допомогою гнучкої або жорсткої сполучної муфти. Як альтернатива енкодер вмонтовують безпосередньо на вал об'єкту, якщо енкодер має порожнистий вал. У першому випадку вірогідна неспіввісність і допустиме биття компенсуються деформацією гнучкої втулки. У другому можлива фіксація енкодера за допомогою штифта.

Алгоритм програми модуля управління та наведення показаний в додатку 4 та в додатку 5.

В даному пристрої програмного управління використовується енкодер типу E40S8-256-6-L-5, в якому згідно з маркуванням, число 256 означає кількість зубців.

Для визначення напрямку та кута повороту антенної системи необхідно обробити сигнали які надходять від енкодера.

Кут напрямку повороту визначити за формулою (3)

де N - кількість зубців.

З формули (3.1) видно, що ціна поділки одного зубця дорівнює .

Для визначення напрямку повороту антенної системи необхідно проаналізувати сигнали від енкодера та порівняти їх з попередніми значеннями. Коли ці сигнали рівні, то приймається рішення про нерухомий стан АС.

У випадку руху АС вліво, сигнали від фотодіодів будуть змінюватись. Порядок їх зміни наведено в таблиці 1.

Таблиця.1

Д1	Д2	Д1	Д2
0	0	0	1
1	0	1	1
1	1	1	0
0	1	0	0
0	0	0	1

Коли АС буде рухатись вправо, то порядок їх зміни буде інший, таблиця 2.

З таблиці видно, що проаналізувавши два середніх рядка, можна визначити напрям повороту АС.

Таким чином методика обробки сигналу від енкодера буде полягати у наступному:

1. Зчитати сигнали з енкодера;

2. Порівняти з попередніми значеннями;

3. Якщо значення відрізняється від попереднього - визначити напрям повороту;

Таблиця 2

Попередній Д1	Попередній Д2	Д1	Д2
0	0	0	1
0	1	1	1
1	1	1	0
1	0	0	0
0	0	0	1

Для визначення напряму повороту необхідно:

1. Об'єднати читане значення з попереднім, щоб отримати один байт, так як показано в таблиці 1;

2. Виділити два середніх стовпця;

3. Порівняти їх, і якщо число в цьому стовпці дорівнює 4 або 2 то АС рухається вліво, а якщо число в другому стовпці дорівнює 6 або 0, то Ас буде рухатись вправо.

По наведеній методиці буде розроблятись блок-схема алгоритму яка наведена в додатку 6.



Висновок

Викладена інформація для розробки пристрою програмного управління антенною системою станції радіомоніторингу мереж супутникового зв'язку, повністю має всі шанси на те, щоб даний пристрій широко використовувався в військовій сфері для забезпечення надійної роботи АС моніторингу ССЗ. Пристрій, як видно, має достатньо не складну побудову, а також не вимагає великих грошових затрат, що якраз ідеально підходить в наш час, коли фінансування Збройних Сил України (ЗСУ) знаходиться в не найкращому становищі.

За своїми технічними характеристиками він перевершує всі наявні в наш час системи управління, адже для його роботи зведений до мінімуму людський фактор, але підвищена до максимально можливої величини точність та надійність роботи. Саме даний пристрій виведе рівень радіомоніторингу на новий, достатньо перспективний рівень в майбутньому, а також підвищить авторитет ЗСУ.

Виходячи зі зробленої роботи, я можу із впевненістю сказати, що пристрій програмного управління АС станції радіомоніторингу мереж супутникового зв'язку, який докладно розписаний вище забезпечить точне наведення ДС на штучний супутник для його супроводження та перехоплення важливої інформації.



Додаток 1

ні

так

так ні

ні

так

ні

так



Додаток 2

так

ні

так



Додаток 3

СЕЧ



Додаток 4

так

ні

так

ні

так

ні



Додаток 5

ні

так

ні

ні так

так

ні

так



Додаток 6

Размещено на Allbest.ru

...