Анализ влияния параметров двухканальной моноимпульсной системы на основе зеркальной антенны с одним облучателем на ошибки измерения угловых координат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ влияния параметров двухканальной моноимпульсной системы на основе зеркальной антенны с одним облучателем на ошибки измерения угловых координат

Н.Ю. Воробьев

Аннотация

В статье исследуется влияние рассогласования комплексных коэффициентов передачи суммарного и разностного каналов на точность определения угловых координат в моноимпульсной системе с одним рупорным облучателем. Исследования проводятся на основе экспериментальных диаграмм направленности зеркальной антенны с диаметром рефлектора 3.5 м.

Ключевые слова: Моноимпульсная система сопровождения, зеркальная антенна, суммарная и разностная диаграммы направленности, пеленгационная характеристика, ошибки определения угловых координат.

The effect of mismatches of sum and difference transmission channel complex coefficients on direction-finder deviation is investigated. The researches are completed on basis of experimental of results for corrugated horn 3,5 meter reflector antenna.

Keywods: Monopulse tracking system, reflector antenna, sum pattern and difference pattern, direction-finding characteristic, direction-finder deviation.

Нахождение большого количества (до нескольких десятков тысяч) космических объектов (КО) в околоземном пространстве вызывает необходимость регулярного контроля их орбит с целью обеспечения безопасного функционирования активных космических аппаратов (КА). Необходимые точности определения углового положения КО могут составлять величины порядка угловых секунд.

В существующих измерительных комплексах для проведения высокоточных измерений широкое распространение получили интерферометрические методы. Однако массовое применение этих методов в диапазонах частот выше 10 ГГц затруднено из-за стоимости синхронизации, когда сигналы принимаются несколькими горизонтально разнесенными антеннами. Альтернативным вариантом для проведения высокоточных измерений в Ku- и Ka-диапазонах является использование моноимпульсного метода, который при относительно небольших размерах антенн позволяет реализовать точности измерений до единиц угловых секунд.

Для реализации моноимпульсного метода в зеркальных антеннах в основном используются два способа: на основе четырех облучателей с последующим формированием суммарной и разностной диаграмм направленности (ДН) или с использованием одного рупорного облучателя, в котором формирование указанных ДН происходит на основной и одной из высших мод соответственно. В первом случае суммарная и разностная ДН формируются как сумма и соответственно разность ДН облучателей [1-3]. Во втором случае формирование суммарной диаграммы направленности происходит с использованием основного типа волны (), а формирование разностной диаграммы направленности с использованием высших типов волн , , () [4-8].

Второй вариант построения излучающей системы является предпочтительным, т.к. при его использовании реализуется оптимальное возбуждение одной и той же апертуры зеркальной антенны как для суммарного, так и для разностного каналов, что позволяет добиваться высоких энергетических характеристик антенной системы. Однако, несмотря на кажущуюся простоту реализации данного варианта построения моноимпульсной системы, его применение связано с рядом сложностей. В первую очередь, это определяется тем, что формирование парциальных ДН по углу места и азимуту происходит путем сложения сигнала суммарного канала с сигналом разностного канала с четырьмя различными комплексными коэффициентами , и , , что соответствует плоскостям , и , , показанным на рис.1.

Независимо от конкретной схемы устройства формирования парциальных ДН наличие частотной дисперсии, обусловленной необходимостью работы в широком диапазоне частот, температурной нестабильности и технологических погрешностей приводит к различию параметров каналов, участвующих в формировании парциальных диаграмм направленности, между собой. Следствием этого является неправильное формирование сигнала ошибки об угловой величине отклонения КА от равносигнального направления (РСН) и соответственно снижение точности измерений положения КА.

Анализ влияния указанных факторов на точность измерения угловых координат в известных работах [1-8] не проводился, что делает актуальным направление этих исследований для практики.

Целью статьи является анализ влияния рассогласования параметров в каналах моноимпульсной системы на величину ошибок измерения угловых координат в системе высокоточных траекторных измерений на основе зеркальной антенны Ka-диапазона с диаметром рефлектора 3,5 м.

Ошибка определения углового положения КА на орбите , зависящая от ошибок определения отклонения направления на КА от РСН, может быть представлена с помощью формулы

, (1)

где и _ соответственно ошибки определения направления на КА относительно РСН антенны по углу места и азимута (рис. 1).

Возникающие при отклонении КА от РСН антенны сигналы, пропорциональные и , определяются как диаграммами направленности зеркальной антенны по суммарному и разностному каналам, так и задаваемыми в устройстве формирования сигнала ошибки (УФСО) комплексными коэффициентами (). При этом коэффициенты , используются при формировании парциальных ДН по углу места (плоскости и ), а коэффициенты , _ при формировании парциальных ДН по углу азимута ( и ). Амплитуды коэффициентов и должны быть равны, а фазы различаться на ( и соответственно). Аналогично должны быть равны амплитуды коэффициентов и , а фазы также различаться на ( и соответственно). Структурная схема УФСО показана на рис. 2.

Парциальные ДН, формируемые в угломестной плоскости, могут быть представлены с использованием соотношений

, (2)

. (3)

и аналогичным образом парциальные ДН, формируемые в азимутальной плоскости

, (4)

. (5)

Сигнал , определяющий отклонение КА от РСН по углу места, формируется следующим образом

. (6)

Аналогичное выражение справедливо для сигнала, определяющего отклонение КА от РСН в азимутальной плоскости

. (7)

На основе измеренных значений и угловое отклонение КА от РСН определяется следующим образом

, (8)

, (9)

где _ крутизна пеленгационной характеристики, полученной по результатам калибровок системы угловых измерений.

Калибровка осуществляется по находящемуся в дальней зоне и неподвижному в картинной плоскости источнику путем измерения уровней сигналов и для известных отклонений ( и соответственно) источника от РСН антенны.

Выбор коэффициентов суммирования () проводится с учетом требований к уровню пересечения парциальных ДН, что определяет крутизну пеленгационной характеристики (ПХ) и диапазон углов близкого к линейному участка пеленгационной характеристики. Однако отмеченные выше факторы приводят к изменению комплексных коэффициентов и , и от номинальных значений, что обуславливает появление ошибок при измерении угловых координат. В частности, при отклонении КА от РСН в угломестной плоскости ( и ) и рассогласовании коэффициентов и возникает ошибка определения . Кроме того, из соотношений (2)-(7) следует возникновение эффекта возникновения ложного сигнала об отклонении КА от РСН в азимутальной плоскости. Аналогичные эффекты имеют место и в случае отклонения КА в азимутальной плоскости. Таким образом, ошибка определения отклонения КА от РСН в каждой из плоскостей зависит от всех четырех коэффициентов (), что может быть представлено в виде функционала

, (10)

вид которого определяется соотношениями (2)-(9).

Для проведения исследований использовались результаты измерений суммарной и разностной ДН, формируемых зеркальной антенной с облучателем на высших модах, показанным на рис.3.

Данные диаграммы, полученные с использованием зеркальной антенны диаметром 3,5 м в Ka-диапазоне, приведены на рис. 4.

На рис. 5 приведены зависимости нормированной величины ошибок (штриховая линия) и (сплошная линия) от величины отклонения амплитуды коэффициентов и соответственно от номинальных значений.

При проведении исследований рассматривался случай отклонения КА от РСН в угломестной плоскости на величину при , и (рис. 5,а и 5,бсоответственно).

Как следует из полученных результатов, величина ошибки определения углового положения КА как в угломестной, так и азимутальной плоскости линейно зависит от отклонения амплитуды соответствующего коэффициента.

Однако в ортогональной по отношению к плоскости отклонения КА влияние отклонения модуля коэффициентов на порядок меньше по сравнению с основной плоскостью.

Кроме того, можно отметить, что, как следует из сравнения зависимостей ошибок, при отклонении КА от РСН в направлении искаженной парциальной ДН (парциальная ДН ) ошибка определения углового положения КА меньше по сравнению со случаем отклонения КА в противоположном направлении (парциальная ДН ). Для ортогональной плоскости явной зависимости нет, и наблюдается изменение только знака ошибки. Полученные результаты могут быть легко интерпретированы при анализе возникающих ошибок измерения угловых координат при отклонении КА от РСН в азимутальной плоскости ( и , рис. 6,а и 6,б соответственно) и влияния отклонения амплитуд коэффициентов и от номинальных значений.

На рис. 7-10 приведены результаты аналогичных исследований по влиянию отклонений фаз и коэффициентов и на ошибки определения угловых координат КА при различных отклонениях КА от РСН (,,, для рис. 7, 8, 9 и 10 соответственно).

На основе данных зависимостей можно отметить ряд отличий, возникающих в данном случае по сравнению с ранее рассмотренными результатами. Во-первых, зависимость величины нормированной ошибки в угломестной плоскости ( и ) от отклонения фазы коэффициента носит ярко выраженный квадратичный характер. При этом знак ошибки не зависит от знака отклонения фазы. В ортогональной плоскости сохраняется линейная зависимость величины ошибки от отклонения фазы коэффициента. Однако теперь величина ошибки в ортогональной плоскости на порядок больше величины ошибки в плоскости отклонения. Кроме того, знак ошибки определения углового положения КА относительно РСН в ортогональной плоскости не зависит от направления отклонения КА в исходной плоскости ( или ).

угловая координата плоскость

Полученные результаты позволяют оценить полную ошибку определения угловых координат с использованием моноимпульсных систем на базе зеркальной антенны с облучателем на высших модах. На рис. 11 показаны зависимости величины полной ошибки определения углового положения КА, определяемой соотношением (1), нормированной к углу отклонения КА от РСН. Результаты получены для рассмотренного выше случая отклонения КА в угломестной плоскости. На рисунке с индексом а приведена зависимость полной ошибки от ошибки амплитуды, а на рисунке с индексом б _ от ошибки фазы коэффициентов и . На тех же графиках приведены величины среднеквадратических ошибок, обусловленных шумовыми составляющими сигнала КА ( - при соотношении сигнал/шум 7 дБ, - при соотношении сигнал/шум 15 дБ).

На рис. 12 приведены линии уровней полной ошибки определения угловых координат КА от величины отклонений амплитуды и фазы коэффициентов и от номинальных значений.

Приведенные результаты показывают, что, во-первых, отклонения фазы коэффициентов суммирования от номинальных значений оказывают большее влияние на точность измерения угловых координат и, во-вторых, позволяют определить по величине погрешности определения угловых координат максимально допустимые отклонения амплитуды и фазы коэффициентов суммирования , и , от номинальных значений. В частности, отклонения амплитуд коэффициентов в каналах формирования парциальных ДН на 0,5 дБ приводит к появлению дополнительной ошибки, равной флуктуационной ошибке измерения угловых координат при отношении сигнал/шум 15 дБ. В случае наличия фазовых ошибок допустимая величина отклонения фаз данных коэффициентов составляет величину 5 град. При отношении сигнал шум 7 дБ допустимая величина фазовой ошибки увеличивается до 13 град.

Полученные результаты остаются справедливыми и при анализе характеристик моноимпульсной системы в Ku-диапазоне частот.

Таким образом, выполненные для угломерной моноимпульсной системы, построенной на основе зеркальной антенны с облучателем на высших модах, исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. На основе антенн с диаметром рефлектора 3,5 м возможно построение моноимпульсных систем в Ku- и Ka-диапазонах, обеспечивающих точность измерения угловых координат КА порядка угловых секунд.

2. Полученные зависимости связывают достижимую погрешность определения угловых координат КА с величиной рассогласования коэффициентов передачи суммарного и разностного каналов и, как следствие, с величиной отклонения параметров УФСО от номинальных значений и дают возможность определить требования к величине допустимого отклонения параметров в каналах моноимпульсной системы в зависимости от требуемых точностей пеленгации КА. Так при отношении сигнал/шум 15 дБ допустимая величина отклонения амплитуды в каналах формирования парциальных ДН составляет 0,5 дБ и фазы - 5 град. При отношении сигнал/шум 7 дБ допустимое отклонение фазы коэффициентов суммирования возрастает до 13 град.

3. Исследования, проведенные на основе экспериментальных ДН антенны Ka-диапазона с диаметром зеркала 3,5 м и математической модели моноимпульсной системы, показали, что:

_ величина ошибки определения углового положения КА в обеих плоскостях линейно зависит от отклонения амплитуды соответствующего коэффициента. Однако в ортогональной по отношению к плоскости отклонения КА влияние отклонения модуля коэффициентов на порядок меньше по сравнению с основной плоскостью. Кроме того, при отклонении КА от РСН в направлении искаженной парциальной ДН ошибка определения углового положения КА меньше по сравнению со случаем отклонения КА в противоположном направлении. Для ортогональной плоскости наблюдается изменение только знака ошибки;

_ влияние отклонений фаз в каналах моноимпульсной системы от номинальных значений на ошибки определения угловых координат КА имеет ряд отличий по сравнению с влиянием отклонений амплитуд. Так зависимость величины нормированной ошибки от отклонения фазы коэффициента носит в соответствующей плоскости ярко выраженный квадратичный характер. При этом знак ошибки не зависит от знака отклонения фазы. В то же время в ортогональной плоскости сохраняется линейная зависимость величины ошибки от отклонения фазы коэффициента. Однако величина ошибки в ортогональной плоскости на порядок больше величины ошибки в плоскости отклонения. Кроме того, знак ошибки определения углового положения КА относительно РСН в ортогональной плоскости не зависит от направления отклонения КА в исходной плоскости.

Литература

1. Леонов А. И., Фомичев К. И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Сов. радио, 1970.

2. Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А. А. Коростелев, Н. Ф. Клюев, Ю. А. Мельник и др. / Под ред. В. Е. Дулевича. 2-е изд., перераб и доп.М.: Сов. радио.1978. 608с.

3. Справочник радиолокации / Под. ред. М. Сколника. Т.4. М.: Сов. радио.1978.

4. M.J. Shiau, Y.H. Choung, C.H. Chen, and M.H. Chen/ NASA ACTS autotrack antenna feed system // Antennas and Propagation Society International Symposium. 1986. V. 24. P.83-86.

5. Lenzing, E.H., Lenzing H.F. Characteristics of the TE21 mode in circular apertures as used for satellite tracking // IEEE Transaction on Aerospace fnd Electronic Systems. 2001. V. 37. P1113-1117.

6. Sharad Patel, Roland Schwerdtfeger, Raj Chugh and John Webb. A Tri-band Antenna with Dual Band TE21 Mode Tracking. Antennas and Propagation Society International Symposium. 1999. V. 1. P.700-703.

7. Lotfy Sakr. The Higer Order Modes In The Feeds Of The Satellite Monopulse Tracking Antennas. // IEEE Melecon 2002. May 7 - 9. Cairo. Egypt.

8. J. Nateghi, L. Mohammady and E. Jedari/ Analysis of the TE21 Mode Monopulse Tracking Technique in LEO Satellite Systems // The Fourth Advanced International Conference on Telecommunications 2008. P.42-45.

9. Демченко В.И., Косогор А.А., Раздоркин Д.Я., Саранов А.А., Гвоздяков Ю.А. Система высокоточных траекторных измерений в Ku-диапазоне // Труды IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». 15-17 июня 2011. - М.: Радиотехника. С.264-274.

10. Воробьев Н.Ю., Габриэльян Д.Д., Демченко В.И., Косогор А.А., Раздоркин Д.Я., Саранов А.А. Влияние рассогласования параметров моноимпульсной системы на основе зеркальной антенны с облучателем на высших модах на точность измерения угловых координат // VI Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь». Москва, 19-22 ноября 2012 г. Т.1. С. 250-254.

11. Коровкин А. Е., Раздоркин Д. Я., Шипулин А. В. Моноимпульсный облучатель зеркальных антенн на высших типах волн // Антенны. 2012. №9(184). С. 14-18.

Размещено на Allbest.ru