Розробка методів підвищення якості систем управління антеною радіотелескопа РТ-70

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Національне космічне агентство України

Інститут космічних досліджень

Автореферат

Розробка методів підвищення якості систем керування антеною радіотелескопу РТ-70

05.13.03 - системи і процеси управління

Цюх Олександр Михайлович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті космічних досліджень НАН України та НКА України.

Науковий керівник: академік НАН України,

доктор технічних наук,

Кунцевич Всеволод Михайлович,

Інститут космічних досліджень НАН України та НКА України,

почесний директор, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник,

Зєлик Ярема Ігорович,

Інститут космічних досліджень НАН України та НКА України,

провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник,

Житецький Леонід Сергійович,

Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України та МОН України,

старший науковий співробітник

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Радіотелескоп РТ-70, розташований в районі м. Євпаторія, введений в експлуатацію в 1978 році і до цього дня є одним з найбільших в світі радіоастрономічних інструментів. За час експлуатації радіотелескоп використовувався для вирішення різноманітних задач в області радіоастрономії, радіофізики, управління космічними апаратами, міжпланетними станціями та ін. Використання радіотелескопа для вирішення ряду сучасних задач (наприклад, радіоінтерферометрія з наддовгими базами, дослідження сонячно-земних зв'язків та ін.) визначає вищі вимоги до точності наведення РТ-70 на радіоджерела, що призводить до необхідності поліпшення точності роботи системи управління антеною, модернізації окремих підсистем, переводу техніки на сучасну елементну базу. Крім того, тридцятирічна експлуатація антени радіотелескопа РТ-70 призвела до появи похибок наведення антени на радіоджерела до декількох кутових хвилин, які в сантиметровому діапазоні довжин хвиль стали порівняними з шириною діаграми спрямованості антени, що може привести до істотного зменшення або навіть пропадання сигналу, який приймається. При цьому необхідно усвідомлювати, що створення нового аналогічного радіоастрономічного інструменту вимагає високого науково-технічного, виробничого і фінансового потенціалів, які можуть дозволити тільки декілька країн в світі.

Для забезпечення подальшого ефективного функціонування радіотелескопа РТ-70, збереження його конкурентоздатних технічних характеристик і забезпечення високої якості виконуваних задач необхідне проведення комплексу робіт по виявленню і усуненню похибок в системі управління антеною. Аналіз параметрів антени з урахуванням особливостей її побудови і математичного опису дозволяє визначити основні чинники, що викликають похибки наведення, і умови, при яких вони можуть бути мінімізовані. Виявлення функціональних залежностей точності наведення від різних параметрів дає можливість визначити основні співвідношення, які дозволяють передбачити ефективність роботи антенних систем в різних режимах, і враховувати їх в процесі експлуатації антени, що, у свою чергу, дозволяє технічним характеристикам антени відповідати вимогам часу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною таких науково-дослідних робіт ІКД та НЦУВКЗ:

- «Розробка методів прийняття рішень, ідентифікації та адаптивного керування в умовах невизначеності» (1.01.2004-31.12.2007), номер держреєстрації - 0104U003973; участь автора полягає в розробці методів адаптивного керування для забезпечення високої точності САУ.

- теми «ТЕЛЕСКОП» - «Підготовка і забезпечення функціонування систем і інфраструктури комплексу РТ-70 і П-400 в радіоастрономічних експериментах», договір на виконання НДР між НЦУВКЗ і РІНАНУ №3 від 15.05.2001 на підставі державного контракту НКАУ з РІНАНУ №2.2.1-98 «Інтерферометр» Загальнодержавної (Національної) космічної програми України, додаткова угода №7 від 07.05.2001; участь автора полягає в проведенні експериментів, дослідженні явища скручування кутомістної осі антени радіотелескопа РТ-70 від кута місця, розробці способу перетворення інформації, що поступає від датчиків кутового положення індукторного типу, в цифровий код, розробці програмного комплексу для визначення похибок наведення антени на радіоджерела;

- теми «ВИСОТА» - “Корональні діри|діри| і їх прояви|вияви| в геосфері”, договір на виконання НДР Кримської астрофізичної обсерваторії і Центру прийому наукової інформації НЦУВКЗ № 43/01-41 від 28.08.2001 р. відповідно до наказу|наказ-інструкції| Міністерства освіти і науки України № 537 від 20.06.2001 р.; участь автора полягає в підготовці і проведенні експериментів, обробці експериментальних даних, побудові|шикуванні| радіозображень Сонця, обґрунтуванні вимог до точності системи управління антеною радіотелескопа РТ-70;

- теми «ІНТЕРФЕРОМЕТР-НЦУВКЗ» - «Експлуатаційне, балістичне і транспортне забезпечення радіоастрономічних експериментів на комплексі РТ-70», договір на виконання НДР між НЦУВКЗ і РІНАНУ від 27.04.2004 р.; участь автора полягає в проведенні експериментів, дослідженні похибок наведення антени радіотелескопа РТ-70 в динамічному режимі.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення точності системи управління антеною радіотелескопа РТ-70 шляхом розробки методів, програмно-технічних засобів і прикладних програм.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішені такі задачі:

- аналіз стану досліджень характеристик точності САУ великих антен та визначення характеристик радіотелескопів, які забезпечують вирішення задач синтезу якісних радіозображень просторових об'єктів;

- встановлення впливу похибок вимірювання кутових координат на точність побудови радіозображень;

- системний аналіз джерел похибок наведення систем управління великогабаритними антенами та їх класифікація за типами походження;

- дослідження похибок наведення антени радіотелескопа РТ-70 на основі експериментів у різних режимах для всіх робочих значень кута місця;

- вдосконалення методу перетворення аналогової та імпульсної інформації, яка надходить від датчиків кутового положення, в цифровий код;

- дослідження впливу явища скручування кутомістної осі на похибки наведення антени;

- модернізація контуру зворотного зв'язку САУ антеною радіотелескопа РТ-70 з врахуванням підвищення точності визначення кутового положення антени та впливу явища скручування кутомістної осі;

- розроблення методу високоточного визначення кутових координат космічних об'єктів щодо центру діаграми спрямованості антени.

Об'єктом дослідження є система управління антеною радіотелескопа РТ-70.

Предметом дослідження є методи та засоби підвищення точності системи управління антеною радіотелескопа РТ-70.

Для досягнення поставленої мети дослідження використовувалися наступні методи досліджень: методи оцінювання та покращення якості і точності систем керування, методи синтезу радіозображень, методи системного аналізу, методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- отримали подальший розвиток методи підвищення характеристик точності САУ великогабаритними антенами шляхом врахування або компенсації похибок наведення;

- вперше проаналізовано вплив похибок вимірювання кутових координат на точність побудови радіозображень;

- розширена класифікація джерел похибок наведення систем управління великогабаритними антенами за типами походження;

- вдосконалено метод перетворення інформації, яка надходить від датчиків кутового положення індукторного типу, в цифровий код;

- вперше побудована залежність скручування кутомістної осі антени радіотелескопа РТ-70 від кута місця, що дозволяє враховувати похибку наведення, яка вноситься даним явищем;

- вдосконалено контур зворотного зв'язку САУ антеною радіотелескопа РТ-70 шляхом введення додаткової ланки, яка враховує похибку наведення, обумовлену явищем скручування кутомістної осі.

- вперше розроблено метод високоточного визначення кутових координат радіоджерел щодо радіоосі антени для трьохканальної приймальної системи.

Практичне значення отриманих результатів.

1. У спеціальному програмному забезпеченні і блоці аналого-кодового| перетворення показань датчиків кутового положення|становища| антени перспективного обчислювального управляючого комплексу радіотелескопа РТ-70, розробленого Науково-дослідним виробничим центром «ХАРКОС» за замовленням НЦУВКЗ відповідно до контракту №88/1р від 28.08.2007 (державний реєстраційний номер 01070009707) використані і реалізовані (акт реалізації наукових досліджень від 5.09.2007 р.):

- результати досліджень похибок наведення антени радіотелескопа РТ-70;

- результати досліджень явища скручування кутомістної| осі антени радіотелескопа РТ-70|;

- метод перетворення інформації, яка поступає|надходить| від датчиків кутового положення|становища| індукторного типу|типа|, в цифровий код.

2. Програмний комплекс для визначення похибок наведення антени на радіоджерела використовується під час проведення робіт з використанням радіотелескопа РТ-70.

3. Проведені вимірювання похибок наведення антени дозволили визначити існуючі похибки і використовувати їх в системі управління антеною. Отримані результати допомогли з високою якістю виконати ряд робіт: прийом сигналів від європейських космічних апаратів “Mars Express” і ”Rosetta”, радіолокаційні дослідження тіл Сонячної системи і космічного сміття та ін.

4. Після|потім| будь-яких змін вагових характеристик антени радіотелескопа РТ-70 (монтажу нового або демонтажу старого обладнання) проводяться дослідження похибок наведення антени з використанням розроблених методів та засобів.

Особистий внесок претендента. Автор особисто розробив методи та моделі, які представлено в дисертації, брав участь у всіх експериментальних дослідженнях. Положення, які складають суть дисертації, висновки і рекомендації, зроблені по темі дисертації, були сформульовані і отримані автором самостійно. У спільних публікаціях внесок автора полягає в наступному: [1,15] - підготовка і проведення експериментальних досліджень, обробка результатів експериментів, обґрунтування вимог до точності визначення кутового положення антени; [3,5,16] - системний аналіз похибок наведення антени, підготовка і проведення експериментальних досліджень, визначення похибок наведення антени; [7,8] - вдосконалення методу перетворення інформації, яка поступає від датчиків кутового положення індукторного типу, в цифровий код, розробка програмно-технічних засобів; [9] - розробка методу високоточного визначення кутових координат радіоджерел для трьохканальної приймальної системи; [11,12,14] - підготовка і проведення експериментальних досліджень, побудова радіозображень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, які включені в дисертацію, представлялися і доповідалися на:

1. 4-ой Международной конференции “Системный анализ и управление космическими комплексами”. Евпатория, 28 июня - 2 июля 1999 г.

2. 3-ей Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 29 ноября - 1 декабря 2000 г.

3. 5-ой Международной конференции «Системный анализ и управление космическими комплексами. Исследование и освоение космоса в наступающем веке». Евпатория, 3-8 июля 2000 г.

4. 3-ей международной конференции «Космическая защита Земли -2000». Евпатория, 11-15 сентября 2000 г.

5. III Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос”. Дніпропетровськ, НЦАОМУ, 18-20 квітня 2001 р.

6. international astronomical conference «Extension and Connection of Reference Frames Using Ground Based CCD Technique». Nikolaev, 10 - 13 of October, 2001.

7. Конференции «Солнечная активность и параметры ее прогноза». Крым, п.Научный, 3-8 июня 2002 г.

8. Второй Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Кацивели, Крым, 2002.

9. 12-ой Международной Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии". Севастополь, 9-13 сентября 2002 г.

10. Третьей Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Кацивели, Крым, 2003.

11. Пятой Украинской конференции по космическим исследованиям. Крым, Евпатория, 4-11 сентября 2005 г.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 16 роботах, з яких 3 статті надруковано у фахових наукових виданнях, 13 у матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить перелік умовних позначень, вступ, чотири розділи, висновки, перелік використаних джерел та додаток. Загальний обсяг дисертації складає 120 сторінок, включаючи 43 рисунки, 2 таблиці, список використаних джерел з 53 найменувань на 5 сторінках та 2 додатки на 12 сторінках.

Основна частина

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, описано стан проблеми якісного функціонування системи управління антеною радіотелескопа РТ-70, показано зв'язок роботи з науковими темами, в роботі над якими брав участь автор, визначені мета дисертації, її наукова новизна та практичне значення отриманих результатів і особистий внесок претендента.

Розділ 1 присвячено аналізу особливостей побудови систем автоматичного управління (САУ) наземними антенами для космічного зв'язку і радіоастрономії.

Основним завданням САУ наземної антенної установки (АУ) для космічного зв'язку та радіоастрономії є наведення головного максимуму діаграми спрямованості антени (ДСА) в задану точку простору і переміщення ДСА відповідно до реального руху космічного об'єкту (КО) з урахуванням деформацій конструкції антени. Відмітною особливістю САУ наземними АУ, що в значній мірі полегшує задачу їх реалізації, є те, що орбіти КО в більшості випадків апріорі відомі, що дозволяє заздалегідь обчислити траєкторію слідкування, тобто прогнозувати закон зміни кутових координат АУ в часі.

Про якість САУ судять, перш за все, по тому, наскільки вона забезпечує виконання головної і кінцевої задачі, що покладається на комплекс пристроїв, які обслуговується даною САУ. Показником ефективності АУ служить абсолютне підсилення антени при роботі в певному діапазоні довжин хвиль. Проблеми космічної телекомунікації, радіоастрономії і радіолокації планет Сонячної системи вимагають створення великогабаритних антен і радіотелескопів, які мають велику ефективну площу і високе підсилення при роботі в сантиметровому діапазоні довжин хвиль. Ширина діаграми спрямованості таких антен складає долі кутових хвилин. Щоб уникнути втрат в потенціалі радіолінії АУ наводити потрібно так, щоб робота відбувалася в безпосередній близькості максимуму ДСА, тому критерієм якості роботи САУ наземними АУ служить сумарна похибка наведення. При цьому максимум ефективності досягається при мінімумі сумарної похибки наведення. Т.ч. надалі під якістю роботи САУ наземними АУ розуміємо точність наведення антени в задану область простору.

Показано ефективність застосування великогабаритних антен при синхронних спостереженнях поверхні Сонця в різних діапазонах довжин хвиль для побудови висотної стратифікації параметрів плазми і магнітного поля в районі корональних дір. Обговорюються результати синхронних спостережень Сонця в оптичному і радіодіапазонах. В експериментальних дослідженнях використовувалися радіотелескоп РТ-70 і антенна система АДУ-1000. Побудовано розподіли щільності джерел радіовипромінювання на відстанях порядку радіусу Сонця, які добре узгоджуються з даними оптичних вимірювань. Здійснення подібних спостережень в постійному режимі дозволяє побудувати часову картину розвитку активних областей на Сонці і розповсюдження викидів з них на траєкторіях, направлених на Землю.

Показано, що для побудови якісних радіозображень об'єктів необхідне вирішення задачі відновлення зображень, яка припускає знання діаграми спрямованості антени, її положення в кожен момент часу, точне вимірювання потоку випромінювання від джерела. За результатами проведених експериментальних досліджень зроблено висновок, що найбільшу похибку в процесі аналізу експериментальних даних на радіотелескопі РТ-70 вносять дані про кутове положення антени. Отже, для підвищення якості побудови радіозображень об'єктів необхідно збільшувати точність даних про кутове положення антени.

У розділі 2 розглянуто вплив похибок системи управління антеною на точність відновлення радіозображень об'єктів.

Розглянуто одновимірну задачу, чого досить для розуміння впливу похибок вимірювання кутового положення антени на точність відновлення зображень в задачах синтезу у випадку симетричної діаграми спрямованості.

Залежно від виду функції розподілу яскравості по об'єкту і форми діаграми спрямованості, наявність похибки вимірювання кутової координати по-різному впливає на якість відновлення зображень. У зв'язку з цим, розглянуто вплив похибок вимірювання кутової координати для гаусової діаграми спрямованості, що характерно для радіотелескопа РТ-70, і декількох типових розподілів яскравості по об'єкту: рівномірного; д-функції; функції, що лінійно-змінюється; нелінійної функції.

Показано, що вплив похибки на точність синтезу зображень залежить не від абсолютного значення похибки вимірювання кутової координати, а від співвідношення цієї похибки і ширини діаграми спрямованості антени.

Розділ 3 присвячено системному аналізу джерел похибок системи управління антеною радіотелескопа РТ-70 і шляхам їх усунення.

Тридцятирічна експлуатація антени радіотелескопа РТ-70 призвела до появи похибок наведення антени на радіоджерела до декількох кутових хвилин, які в сантиметровому діапазоні довжин хвиль стали порівняними з шириною діаграми спрямованості АУ. Проведені роботи по радіоастрономічних програмах показали, що існують статична і динамічна складові похибок наведення антени радіотелескопа РТ-70. З метою зменшення похибок наведення в процесі робіт оператору регулярно доводилося примусово вводити поправки по куту місця 0,5 - 3 кут. хв. в систему управління антеною радіотелескопа, щоб забезпечити максимум сигналу, що приймається. При цьому помітна тенденція до збільшення похибок при зменшенні кута місця. Для забезпечення успішного функціонування радіотелескопа РТ-70, збереження його унікальних технічних характеристик і забезпечення якісного виконання задач необхідне проведення комплексу робіт по виявленню і усуненню похибок наведення для підтримки високих точностних характеристик САУ антени.

Проведено системний аналіз джерел похибок систем управління великогабаритних антен. Представлено класифікацію похибок наведення антен за типами походження: астрономічні, методичні, інструментальні, динамічні та похибки дзеркальної системи. У дисертаційній роботі поставлено задачу зменшення методичних та інструментальних похибок шляхом розробки програмно-технічних засобів для підвищення точності позиціонування антени. Зокрема, зважаючи на високі вимоги сучасних задач, для вирішення яких використовується радіотелескоп РТ-70, необхідно підвищити точність визначення фактичних координат АУ, розробити метод вимірювання положення КО щодо електричної осі антени, уточнити вплив деформацій опорно-поворотного пристрою на точність наведення антени.

Похибка наведення антени на радіоджерело визначається по відхиленню напряму максимуму діаграми спрямованості від програмних значень. Для її вимірювання антену відхиляють на заданий кут і по положенню максимуму сигналу, що приймається, визначають похибку наведення. Для вимірювань використовуються точкові джерела радіовипромінювання, якими є квазари і космічні апарати. Набір статистичних даних для різних положень по куту місця і азимуту дозволяє обчислити систематичні похибки по обох координатах і дисперсію випадкових похибок.

Така методика була реалізована на антені радіотелескопа РТ-70 в діапазонах довжин хвиль 6 і 3.5 см, в яких діаграма спрямованості складає порядка трьох і двох кутових хвилин відповідно. Вимірювання проводилися з використанням режиму сканування по куту місця при програмному супроводі квазарів 3С147 і 3С295 протягом трьох діб. Вимірювання виконані практично на всіх кутах місця, що дозволяє побудувати адекватні залежності для похибок наведення антени на радіоджерела. Аналіз отриманих даних показав, що випадкова похибка не перевищує десять кутових секунд, а систематична змінювалася від декількох кутових секунд на високих кутах місця до трьох кутових хвилин в десятиградусній кутомістній зоні. Результати вимірювань похибок наведення антени за допомогою природних радіоджерел представлено на рис.2.

Два нижні ряди точок відповідають вимірюванням похибок наведення антени на довжині хвилі 6 см, два верхніх - 3,5 см. Причому для вимірювань на кожній з довжин хвиль нижні ряди крапок відповідають руху антени вниз, а верхні - вгору. В області кутів місця 45-50 градусів спостерігається нелінійність, обумовлена перевагою центру мас антени у бік дзеркальної частини. Результати вимірювань на різних довжинах хвиль в принципі повторюють один одного, проте між ними існує систематична різниця близько 40Ѕ, що пояснюється конструктивними особливостями побудови дзеркальної системи радіотелескопа РТ-70, перш за все похибкою установки опромінювачів діапазонів 6 і 3,5 см.

Для виявлення джерел похибок наведення антени з метою підвищення точності наведення антени проведено цикл експериментів на РТ-70. Предметом дослідження було обрано ланцюг зворотного зв'язку кутомістного каналу системи управління, оскільки саме тут спостерігалися найбільші похибки наведення антени. Такий вибір був обумовлений ще і тим, що конструктивно в системі управління РТ-70 використовується тільки один з двох датчиків положення по куту місця, розташованих на протилежних кінцях кутомістної осі. оператор вибирає датчик вручну, і, отже, від його вибору може залежати точність наведення антени. Суть експерименту полягала в визначенні характеристик ланцюга зворотного зв'язку, для чого одночасно реєструвалися вихідні коди, що відповідають кутовому положенню антени. Для цих цілей розроблено і виготовлено контролер передачі даних.

На рис.3 представлена зміна показань двох каналів перетворювачів аналогової і імпульсної інформації в цифровий код (ПАііЦК), на які подається один і той самий сигнал від датчика кутового положення (2 верхніх графіка), в часі (для наочності графіки рознесені по вертикальній осі). Кожен з каналів має розкид значень ±10 кутових секунд з довірчою вірогідністю 0,9. Це досить багато для того, щоб забезпечити паспортну точність наведення антени ±30 кутових секунд, особливо якщо врахувати, що є окремі викиди, які суттєво перевищують значення ±10 секунд.

З метою визначення можливості зменшення розкиду показань вихідних кодів, відповідних кутовому положенню антени, розроблено контролер високоточного визначення показань датчиків. При його виготовленні використано вдосконалений автором метод перетворення аналогової та імпульсної інформації в цифровий код, який дозволяє поліпшити стабільність роботи ланцюга зворотного зв'язку і збільшити кількість розрядів вихідного коду з 18 до 20. На рис.3 показано вихідний сигнал контролера високоточного визначення показань датчиків (нижній графік), що має похибку за рахунок дискретизації близько 1 кут. сек. (для наочності графіки рознесені по вертикальній осі). Очевидне істотне зменшення розкиду значень, що обумовлене меншою похибкою дискретизації і використанням нового методу перетворення аналогової та імпульсної інформації в цифровий код. Показано, що основну похибку ланцюга зворотного зв'язку антени вносить пристрій ПАІІЦК. Для зменшення цієї похибки необхідно використовувати більш високоточний перетворювач аналогової і імпульсної інформації, яка поступає від датчика положення, з меншою похибкою дискретизації (близько 1 кутової секунди).

Суть експерименту по дослідженню явища скручування кутомістної осі антени полягала в синхронній реєстрації показань обох датчиків кутового положення при різних кутах нахилу АУ. Для дослідження явища скручування кутомістної осі антени радіотелескопа РТ-70 використовувався контролер передачі даних. Результати експериментів, які отримані на множині реалізацій, представлені на рис.4, де по вертикальній осі відкладена різниця показань датчиків, а по горизонтальній - кут місця. Очевидно, що існує систематична (середнє значення рівне 163 кут.сек.) і випадкова (середньоквадратичне відхилення 50,5 кут.сек.) різниці показань датчиків. З рис.4 видно, що при нахилі антени різниця зростає до кутів 20-30 градусів, а потім швидко зменшується. Цей факт говорить про наявність скручування кутомістної осі, яке досягає значень до 2 кут. хв.

Для визначення складових похибок наведення антени по куту місця і азимуту розглянуто конструкцію підвіски дзеркала антени радіотелескопа на кутомістній осі. Математичну модель скручування представлено на основі стрижня круглого перетину. Виявлено, що похибкою наведення за рахунок скручування осі по азимуту можна нехтувати, а похибка по куту місця вносить істотний внесок до сумарної похибки наведення антени:

Скручування кутомістної осі достатньо точно було апроксимовано функціональною залежністю вигляду (суцільна крива на рис.4)

Явище скручування кутомістної осі антени радіотелескопа істотно впливає на точність наведення при роботі в сантиметровому діапазоні довжин хвиль. Запропонована функціональна залежність скручування кутомістної осі від положення антени по куту місця дозволяє практично повністю усунути систематичну складову похибки наведення, що вноситься даним явищем. радіотелескоп антена великогабаритний

Врахування явища скручування дозволило зменшити похибки позиціонування антени радіотелескопа РТ-70 на радіоджерела (рис.5). Як і на рис.2, два нижні ряди відповідають вимірюванням на довжині хвилі 6 см, два верхніх - 3,5 см. Очевидне зменшення похибок наведення антени радіотелескопа РТ-70 на радіоджерела. Регулярні вимірювання показують, що вони залежать від вагових і жорсткістних характеристик антени, і змінюються при кожному монтажі-демонтажі устаткування. Врахування похибок позиціонування антени проводиться на етапі підготовки цілевказівок.

Отже, в результаті проведення досліджень встановлено, що на точність наведення антени радіотелескопа РТ-70 істотний вплив роблять похибки обумовлені:

- нестабільністю роботи приладів перетворення аналогової і імпульсної інформації в цифровий код (рис.3);

- скручуванням кутомістної осі антени радіотелескопа РТ-70 (рис.4);

- наявністю похибок позиціонування (рис.5).

Ланка W_ЗЗ1(р) (рис.6) відрізняється від W_ЗЗ(р) (рис.1) більшою точністю перетворення вхідних величин в кут И_вим, відповідний положенню АУ. Похибка за рахунок скручування И_скр є малою в порівнянні з діапазоном робочих кутів місця антени (5-90 градусів) і повільно змінюється в часі, оскільки швидкість антени обмежена, тому ланка W_скр(р) не чинить впливу на характеристики стійкості САУ антеною радіотелескопа РТ-70 . И_ПП враховує похибки позиціонування ау на етапі підготовки цілевказівок.

Розділ 4 присвячено напрямкам модернізації системи управління антеною радіотелескопа РТ-70. Відповідно до поставлених задач|задач| дисертаційного дослідження модернізацію САУ можна розділити на дві складові: технічну і методичну. Перша з|із| них отримала|одержувати| втілення у програмно-технічних|технічних| засобах, друга - у програмних.

У першій його частині йдеться про технічне удосконалення антени радіотелескопа РТ-70. Проведено ретельний аналіз конструктивної побудови і принципів роботи системи контролю кутового положення антени. У розділі 3 показано, що датчик кутового положення здатний забезпечити точність вимірювання кутового положення антени вищу від приладів ПАІІЦК. Підвищення точності визначення кутового положення необхідне і для підвищення якості синтезу радіозображень об'єктів, що показано в розділі 2.

При модернізації приладів перетворення аналогової і імпульсної інформації в цифровий код враховувалося декілька чинників:

- пристрій, що розробляється, повинен бути повністю сумісний з датчиками кутового положення і обчислювальним управляючим комплексом;

- розрядність приладу повинна бути не менше 20 для забезпечення високої точності вимірювання кутового положення, що необхідно для задачі синтезу радіозображень;

- можливість врахування явища скручування кутомістної осі антени радіотелескопа РТ-70;

- можливість гнучкої корекції похибок наведення, які неможливо врахувати або компенсувати за допомогою обчислювального управляючого комплексу;

- можливість підключення додаткових пристроїв, для зняття показань датчиків кутового положення.

З урахуванням перерахованих вимог розроблено структурну схему програмно-апаратного комплексу для перетворення інформації, яка поступає з датчиків кутового положення в цифровий код, що задовольняє перерахованим вище умовам. В її основу покладено удосконалений автором метод перетворення аналогової та імпульсної інформації в цифровий код, який використовувався в контролері високоточного визначення показань датчиків.

Друга частина розділу присвячена методичному удосконаленню антени радіотелескопа РТ-70.

Розроблено метод високоточного визначення кутових координат космічних об'єктів щодо центру діаграми спрямованості антени, яка припускає одночасний аналіз огинаючих сигналів, що приймаються, в трьох каналах, радіоосі яких не співпадають. оскільки рівні сигналів визначаються положенням об'єкту щодо напряму радіоосі, то їх співвідношення є індивідуальними характеристиками кожної точки траєкторії. Вимірюючи співвідношення сигналів в кожен момент часу і порівнюючи з розрахованими по відомій формі діаграми спрямованості, можна визначити кутове положення об'єкту з високою точністю.

На рис.7 показано перетин діаграм спрямованості площиною, перпендикулярною до напряму радіоосі антени (картинною площиною), і проекцію ділянки однієї з можливих траєкторій руху радіоджерела в топоцентричній системі координат. По горизонтальній осі відкладені значення азимута, по вертикальній - кута місця. Початок системи координат суміщений з напрямом радіоосі 1-го каналу, а приймальна система розташована так, що вісь ОА проходить через центр другої діаграми спрямованості. Для точкових джерел сигнали на виході кожного з каналів визначатимуться їх положенням і рознесенням осей діаграм спрямованості.

Враховуючи, що форма головної пелюстки діаграми спрямованості для параболічних антен добре описується гаусовою кривою, можна записати систему з двох незалежних рівнянь для співвідношень сигналів в приймальних каналах, що дозволяє отримати аналітичний розв'язок для знаходження азимута і кута місця:

A2, A3, h3 - кутове рознесення осей діаграм спрямованості.

_0,5- ширина діаграми спрямованості по рівню половинної потужності;

S21 - відношення потужності сигналу в другому каналі до потужності сигналу в першому;

S31 - відношення потужності сигналу в третьому каналі до потужності сигналу в першому.

Отримані співвідношення не залежать від коефіцієнта посилення в кожному з каналів, за умови їх ідентичності, і рівня сигналу, що приймається.

Очевидно, що для взаємного розташування діаграм спрямованості, як показано на рис.7, відхилення по азимуту A має логарифмічну залежність від S21 (5), а область значень відхилень по куту місця h залежно від співвідношень S21 і S31 для фіксованих значень _0,5, A₂, A₃, h₃ якісно представлена на рис.8 (6). очевидно, що для області робочих значень S21 і S31 (S21?0, S31?0) завжди існує однозначне рішення.

Основна складність використання вказаного методу визначення кутових координат полягає у формуванні декількох ідентичних діаграм спрямованості. Установка спеціального опромінювача і декількох приймальних систем вимагає істотних як матеріальних так і налагоджувальних витрат, спрямованих на отримання однакових каналів. Для джерел, що характеризуються стабільним рівнем інтенсивності випромінювання, можливе часове розділення каналів, коли реально використовується одна діаграма спрямованості, яка по черзі відхиляється на задані кути. Сигнали, відповідні кожному з положень антени, приводяться до єдиного часового масштабу і далі обробляються по розглянутій методиці.

Як приклад роботи методу часового розділення каналів розглянуто варіант з двома ідентичними каналами, діаграми спрямованості яких рознесені по азимуту на кут А₀. Сигнал на виході другого каналу такий же, як і в першому (за винятком шумів), але зсунутий за часом. Тобто, якщо сигнал, що приймається, зсунути за часом, то можна отримати сигнал, ідентичний сигналу другого каналу і обчислити азимут. При цьому необхідно щоб інтенсивність радіоджерела не змінювалася. Результати обчислень для ширини діаграми спрямованості по рівню половинної потужності _0,5=92 кут. хв. представлені на рис.9. По вертикальній осі відкладені значення відхилень азимута радіоджерела від радіоосі антени, по горизонтальній - час. Крива 1 відповідає дійсній зміні азимута джерела. Крива 2 обчислена з урахуванням фонової складової сигналу, що приймається, а крива 3 - без фону для рознесення діаграм спрямованості на кут А₀=25 кут. хв. Крива 4 отримана без урахування фону для А₀=10 кут. хв.

оскільки сигнал, що реєструється, складається з випромінювання фону і радіоджерела, з рис.9 видно, що наявність фонової складової вносить істотну похибку до визначення азимута і, отже, вимагає введення апаратної або програмної компенсації. Крива 2 перетинає дійсну траєкторію в місці, розташованому посередині між центрами діаграм спрямованості А₀/2, де співвідношення S21 рівне одиниці і досягається найбільша точність визначення азимута. Істотно більшої точності можна досягти, якщо компенсувати вплив фону (криві 3,4).

Застосування розглянутого методу обробки сигналів дозволило отримати точність визначення азимута радіоджерела за одне вимірювання близько від ширини діаграми спрямованості, а за рахунок усереднювання серії вимірювань - близько. Відмінності між обчисленими і дійсними значеннями в межах ділянки пов'язані з наявністю шумів, неточністю прив'язки вимірювань до шкали єдиного часу і дискретністю аналогово-цифрового перетворювача. Найбільша точність досягається при рознесенні діаграм спрямованості на кут _0,5/2.

Описаний вище метод часового розділення каналів отримав прикладне застосування для визначення похибок наведення антени на радіоджерела. Для цієї мети розроблено програмний комплекс. Перед наведенням антени радіотелескопа на радіоджерело знімаються показання радіометра, які відповідають рівню фонового випромінювання. Потім під час програмного супроводу об'єкту спостереження послідовно знімаються рівні сигналу, що приймається, в трьох точках, відповідних рознесенню діаграм спрямованості як показано на рис.7, для чого в обчислювальному управляючому комплексі вводяться відповідні поправки до програмних значень. Після цього за формулами (5) та (6) розраховуються похибки наведення антени по куту місця і азимуту.

Розроблений програмний комплекс ефективно використовується при спостереженні точкових об'єктів (кутовий розмір яких значно менше ширини діаграми спрямованості) і дозволяє:

- точно визначати положення об'єкту всередині діаграми спрямованості за рахунок використання інформації про апаратну функцію антени;

- використовувати часове розділення каналів для об'єктів зі стабільним рівнем випромінювання;

- визначати похибки наведення антени за допомогою спеціального програмного комплексу.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу підвищення точності системи управління антеною радіотелескопа РТ-70. Отримали подальший розвиток методи дослідження характеристик точності наведення великогабаритних антен. Розроблені методи, програмно-технічні та програмні засоби дозволили істотно підвищити точність наведення антени радіотелескопа РТ-70 і використовуються при вирішенні сучасних задач радіоастрономії і астрофізики: радіоінтерферометрії з наддовгими базами, дослідження сонячно-земних зв'язків, автономних спостережень і т.д.

Основні наукові результати та висновки дисертаційних досліджень:

1. Проведено аналіз особливостей побудови і режимів роботи САУ сучасними наземними АУ для космічного зв'язку і радіоастрономії. Обґрунтовано допуски на точність наведення головного максимуму діаграми спрямованості антени в задану точку простору і її переміщення відповідно до заданої програми.

2. Показано, що при вирішенні некоректних задач синтезу радіозображень необхідне знання положення електричної осі антени з високою точністю, тобто необхідне збільшення точності роботи ланцюга зворотного зв'язку САУ антеною радіотелескопа РТ-70, і в першу чергу - датчиків кутового положення.

3. Досліджено вплив похибок визначення кутового положення АУ на точність синтезу радіозображень для типових розподілів яскравості об'єктів у просторі. Встановлено, чим повільніше змінюється щільність потоку джерела в просторі, тим менше похибка визначення кутового положення антени впливає на точність відновлення радіозображень і навпаки.

4. Проведено системний аналіз джерел похибок систем управління великогабаритними антенами. З урахуванням практичного досвіду виконано аналіз якості функціонування системи управління антеною радіотелескопа РТ-70, проведено експериментальні дослідження і на їх основі вироблено механізми, які дозволяють усунути або врахувати існуючі похибки наведення антени.

5. Експериментально досліджено похибки наведення антени за допомогою джерел природного радіовипромінювання для всіх робочих значень кута місця. У контурі зворотного зв'язку САУ антеною радіотелескопа РТ-70 виявлені похибки визначення кутового положення АУ, які істотно впливають на точність роботи всієї системи управління. Розроблені метод високоточного визначення показань датчиків і контролер на його основі дозволили значно підвищити точність визначення кутового положення антени.

6. Показано, що явище скручування кутомістної осі антени радіотелескопа істотно впливає на точність наведення АУ по куту місця. Врахування даного явища шляхом введення додаткової ланки в контурі зворотного зв'язку САУ дозволяє усунути похибку, зумовлену скручуванням.

7. Розроблено програмно-апаратний комплекс, який забезпечує високу точність вимірювання кутового положення антени радіотелескопа РТ-70 і враховує вплив явища скручування кутомістної осі на точність наведення АУ на КО.

8. Розроблені нові методи визначення кутового положення радіоджерел щодо радіоосі антени, засновані на одночасному аналізі сигналів в трьохканальній приймальній системі. На базі цих методів створено програмне забезпечення для визначення похибок наведення антени на радіоджерела.

9. Значну частину проведених досліджень і розробок використано в спеціальному програмному забезпеченні і блоці аналого-кодового перетворення показань датчиків кутового положення антени перспективного обчислювального управляючого комплексу ОУК-Р радіотелескопа РТ-70, розробленого Науково-дослідним виробничим центром «ХАРКОС» за замовленням НЦУВКЗ.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Власенко В.П. Синхронные наблюдения радиоизлучения Солнца на разных длинах волн / В.П. Власенко, Ю.А. Селиванов, А.Ф. Сорокин, А.М. Цюх // Космічна наука і технологія.- 2003.- Т.9.- №5/6.- С.158-164.

2. Цюх А.М. Исследование явления скручивания угломестной оси антенны радиотелескопа РТ-70 / А.М. Цюх // Проблемы управления и информатики. -2005. - №2. - С.107-111.

3. Набатов А.С. Измерения погрешностей наведения антенны радиотелескопа РТ-70 с помощью источников естественного радиоизлучения / А.С. Набатов, А.Г. Петренко, А.М. Цюх, В.Н. Нестерук, В.Н. Пранцузов, В.П. Власенко, Р.Н. Залужный, О.Н. Пискун // Космічна наука і технологія.-2006.-Т.12.-№4.- С.52-55.

4. Tsyukh A. M. Accuracy refinement determination of objects angular coordinates in radio wave range / A. M. Tsyukh // Extension and Connection of Reference Frames Using Ground Based Technique.- Nikolaev, ATOLL - 2001.- p.208-214.

5. Томилин Ю.Г. Исследование точностных характеристик АК РТ-70 в сантиметровом диапазоне / Ю.Г. Томилин, А.М. Цюх // Системный анализ и управление космическими комплексами: IV Международная конференция: сб. тезисов.- М.- 1999.- С.31.

6. Цюх А.М. Применение цифровой обработки в системе обратной связи радиотелескопа/ А.М. Цюх // Цифровая обработка сигналов и ее применение: 3-я Международная конференция и выставка.- Доклады-2.- Москва.- 2000.- с.47-48.

7. Нестерук В.Н. Характеристики радиотелескопов / В.Н. Нестерук, В.Н. Пранцузов, Ю.Г. Томилин, А.М. Цюх // Системный анализ и управление космическими комплексами. Исследование и освоение космоса в наступающем веке: 5-я Международная конференция: сб. тезисов.- Евпатория.- 2000.- С.62-63.

8. Никитин О.Ю. Учет гомологических факторов радиотелескопов для повышения точности определения навигационных параметров космических объектов / О.Ю. Никитин, В.Н. Пранцузов, Ю.Г. Томилин, А.М. Цюх // Космическая защита Земли -2000: 3-я международная конференция: сб. тезисов.- Евпатория.- 2000.- С.103.

9. Власенко В.П. Прецизионное измерение траектории движения космического объекта в одном появлении / В.П. Власенко, Ю.Г. Томилин, А.Ф. Сорокин, А.М. Цюх // Космическая защита Земли -2000: 3-я международная конференция: сб. тезисов.- Евпатория.- 2000.- С.102.

10. Цюх А.М. Многоканальная приемная система для точного определения угловых координат объектов в радиодиапазоне / А.М. Цюх // Людина і космос: III Міжнародна молодіжна науково-практична конференція: збірник тез. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ.- 2001.- С.124.

11. Степанян Н.Н. Проект. Корональные дыры и их проявления в геосфере / Н.Н. Степанян, Л.И. Цветков, А.Ф. Сорокин, Ю.Г. Томилин, С.А. Капустин, А.М. Цюх, В.Н. Пранцузов, В.П. Власенко // Известия Крымской астрофизической обсерватории.- Вып.98.- 2002- С.230.

12. Сорокин А.Ф. Радионаблюдения солнечных структур / А.Ф. Сорокин, Ю.Г. Томилин, С.А. Капустин, А.М. Цюх, В.Н. Пранцузов, В.П. Власенко // Известия Крымской астрофизической обсерватории.- Вып.98.- 2002.- С.231.

13. Цюх А.М. определение угловых координат радиоисточников с использованием аппаратной функции антенны / А.М. Цюх // - СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: 12-я Международная Крымская конференция: материалы конференции.- Севастополь: Вебер.- 2002.

14. Степанян Н.Н. Многодиапазонный синхронный мониторинг солнечной активности / Степанян Н.Н., Цветков Л.И., Маслов В.И., Сорокин А.Ф., Томилин Ю.Г., Цюх А.М., Нестерук В.Н. // Вторая Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям: сборник тезисов.- Кацивели, Крым.- 2002.- С.76

15. Сорокин А.Ф. Исследование солнечных структур в радиодиапазоне / А.Ф. Сорокин, Ю.А. Селиванов, А.М. Цюх, В.Н. Нестерук, В.П. Власенко // Третья Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям: сборник тезисов.- Кацивели, Крым.- 2003.- С.157.

16. Набатов А.С. Методика измерения погрешностей наведения антенн с помощью источников естественного радиоизлучения и радиосигналов космических аппаратов / А.С. Набатов, А.Г. Петренко, В.Н. Пранцузов, В.П. Власенко, О.Н. Пискун, Р.Н. Залужный, В.Н. Нестерук, А.М. Цюх // Пятая Украинская конференция по космическим исследованиям: сборник тезисов.- Евпатория, Крым.- 2005.- С.31.

Анотації

Цюх О. М. Розробка методів підвищення якості систем управління антеною радіотелескопа РТ-70. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - системи та процеси управління. - Інститут космічних досліджень НАН України та НКА України , Київ, 2009.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення точності системи управління антеною радіотелескопа РТ-70 для вирішення сучасних задач. У роботі отримали подальший розвиток дослідження точностних характеристик великогабаритних антен, направлених на поліпшення якості роботи системи управління антеною, модернізацію окремих підсистем, перевід техніки на сучасну елементну базу. Досліджено явище скручування кутомістної осі антени радіотелескопа РТ-70 при її нахилі, визначено функціональну залежність похибки, що вноситься даним явищем, від кута місця. вдосконалено метод перетворення інформації, яка поступає від датчиків кутового положення індукторного типу, в цифровий код, що дозволяє істотно поліпшити точність визначення кутового положення антени. Розроблена методика і проведені експериментальні дослідження похибок наведення антени радіотелескопа РТ-70 в динамічному режимі, що дозволило визначити їх і врахувати при підготовці цілевказівок. Розроблено метод високоточного визначення кутових координат радіоджерел щодо радіоосі антени для трьохканальної приймальної системи, радіоосі яких не співпадають. У методі використовується одночасний аналіз сигналів в приймальних системах, отримано аналітичне рішення для знаходження азимута і кута місця. Для радіоджерел з постійним рівнем випромінювання запропоновано часове розділення каналів.

Ключові слова: радіотелескоп, система наведення, ланцюг зворотного зв'язку, похибки наведення.

Tsyukh O. M. Working-out of methods of raising quality of the radio-telescope RT-70 aerial management systems. Manuscript.

The thesis for the Candidate's Degree (Technics) in speciality 05.13.03 - Management systems and processes. Space Research Institute of NAS of Ukraine and NSA of Ukraine, Kyiv, 2009.

Dissertation is devoted to working-out of methods of raising quality of the radio-telescope of RT-70 aerial management system for the decision of modern tasks. One can see further development of research of overall dimensions aerials' exact characteristics, that is directed to the improvement of the work quality of the aerial aiming system, some subsystems' modernization, shift of technical facilities to the modern element base. Phenomenon of wring of radio-telescope RT-70 aerial elevation axis is investigated at aerial inclination, functional dependence of error on the corner of the place which is brought by this phenomenon is determinated. The method is developed of high-fidelity determination of radiosources' angular co-ordinates as for the three-channel receiving system, radioaxes of which do not coincide. In the method the simultaneous analysis of signals in the receiving systems is used, the analytical decision is made for determination of place azimuth and corner. For radiosources with permanent level of radiation, the temporal demultiplexing is offered. The method is improved of information transformating which enters from the inductor type sensors of angular position in a digital code, that allows significantly to improve exactness of determination of the arial angle position. The method is developed and experimental researches are conducted on errors of aiming of radio-telescope RT-70 aerial in the run-time mode that allowed to determine them and take into account when preparing the landing guidance

Keywords: radio-telescope, aiming system, chain of feed-back, aiming errors.

Цюх А. М. Разработка методов повышения качества систем управления антенной радиотелескопа РТ-70. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - системы и процессы управления. Институт космических исследований НАН Украины и НКА Украины, Киев, 2009.

В диссертационной работе получили дальнейшее развитие исследования точностных характеристик крупногабаритных антенн, решено актуальную научно-техническую задачу повышения точности системы управления антенной радиотелескопа РТ-70. Обосновано допуски на точность наведения главного максимума диаграммы направленности антенны в заданную точку пространства и ее перемещения в соответствии с заданной программой. Разработанные программно-технические и программные средства позволяют использовать построенный тридцать лет назад радиотелескоп РТ-70 для решения современных задач радиоастрономии и астрофизики: радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, исследования солнечно-земных связей, автономных наблюдений, управления космическими аппаратами и межпланетными станциями и т.д.

Исследовано процесс скручивания угломестной оси антенны радиотелескопа РТ-70 при ее наклоне, определена функциональная зависимость вносимой данным явлением ошибки от угла места. Показано, что явление скручивания угломестной оси антенны радиотелескопа оказывает существенное влияние на точность наведения АУ по углу места. Учет данного явления возможен путем введения дополнительного звена в цепи обратной связи САУ. Ошибки позиционирования антенны радиотелескопа РТ-70 на радиоисточники, обусловленные массо-жесткостными факторами, учитываются на этапе подготовки целеуказаний.

усовершенствован метод преобразования информации, поступающей от датчиков углового положения индукторного типа, в цифровой код, что позволяет существенно повысить точность определения углового положения антенны. Разработана структурная схема программно-аппаратного комплекса для преобразования информации, поступающей с датчиков углового положения в цифровой код.

Разработан метод высокоточного определения угловых координат радиоисточников для трехканальной приемной системы, радиооси которых не совпадают. В методе используется одновременный анализ сигналов в приемных системах, получено аналитическое решение для нахождения азимута и угла места. Для радиоисточников с постоянным уровнем излучения предложено временное разделение каналов, которое обеспечивается последовательными отклонениями антенны на заданные углы. Метод получил прикладное применение для определения ошибок наведения антенны на радиоисточники и реализован в виде программного комплекса.

Ключевые слова: радиотелескоп, система наведения, цепь обратной связи, ошибки наведения.

Размещено на Allbest.ru

...