Система автоматичного управління потужністю передавача засобів радіозв'язку військового призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації імені Героїв Крут

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ ПОТУЖНІСТЮ ПЕРЕДАВАЧА ЗАСОБІВ РАДІОЗВ'ЯЗКУ ВІЙСЬКОВОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Кузавков Василь Вікторович, доктор технічних наук, доцент

Зарубенко Артур Олександрович, ад'юнкт

Єгоров Юрій Анатолійович, заступник командира військової частини А0565

Мотрич Анатолій Васильович, начальник штабу військової частини А0565

Київ

Анотація

передавач радіозв'язок військовий потужність

У статті на основі аналізу рекомендацій MCE-R M.1801-2 (02/2013) та MCE-R M.1580-4 (03/2012) запропоновано функціональну схему системи автоматичного управління потужністю передавача. Визначено функціональні ланки системи, а також представлена математична модель каналу цієї системи та її передатна функція, яка є основою для проведення дослідження методом математичного моделювання в інтерактивній системі MATLAB. Результати моделювання можуть бути використані при плануванні новітніх та модернізації наявних засобів радіозв'язку.

Запропонована система автоматичного управління потужністю передавача дозволить: зменшити енергоспоживання, тобто підвищити енергоефективність акумуляторних батарей радіозасобів, майже повністю компенсувати вплив завмирань на якість радіоприйому, знизити напруженість електромагнітної обстановки, що сприятиме забезпеченню електромагнітної сумісності.

Ключові слова: електромагнітна обстановка, електромагнітна сумісність, засоби радіозв'язку, приймач, передавач, система автоматичного управління потужністю, атенюатор, канал системи, передатна функція.

Аннотация

В статье на основе анализа рекомендаций MCE-R M.1801-2 (02/2013) и MCE-R M.1580-4 (03/2012) предложена функциональная схема системы автоматического управления мощностью передатчика. Определены функциональные звенья системы, а также представлена математическая модель канала этой системы и ее передаточная функция, которая является основой для проведения исследования методом математического моделирования в интерактивной системе MATLAB. Результаты моделирования могут быть использованы при планировании новых и модернизации существующих средств радиосвязи.

Предложенная система автоматического управления мощностью передатчика позволит: уменьшить энергопотребление, то есть повысить энергоэффективность аккумуляторных батарей радиосредств, почти полностью компенсировать влияние замираний на качество радиоприема, снизить напряженность электромагнитной обстановки, что будет способствовать обеспечению электромагнитной совместимости.

Ключевые слова: электромагнитная обстановка, электромагнитная совместимость, средства радиосвязи, приемник, передатчик, система автоматического управления мощностью, аттенюатор, канал системы, передаточная функция.

Annotation

Kuzavkov Vasyl, Doct. Sci.(Engineering), Associate Professor, Head of the Department of the Military Institute of Telecommunications and Informatization Named after Heroes of Kruty, Kyiv, Ukraine,

Zarubenko Artur, Postgraduate, Military Institute of Telecommunications and Informatization Named after Heroes of Kruty, Kyiv, Ukraine,

Iehorov Iuriy, Deputy Commander of the Military Unit A0565, Kyiv, Ukraine,

Motrych Anatolii, Chief of Staff of the Military Unit A0565, Kyiv, Ukraine

THE SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL OF THE TRANSMITTER POWER OF MILITARY RADIO COMMUNICATIONS

The experience of the Anti-Terrorist Operation in Eastern Ukraine and the experience of local armed conflicts at the beginning of the 21st century testify to the significant role of communication and the military command system as a whole in achieving this goal.

The analysis revealed that NATO member countries are developing effective ways to address the challenges of automating the operation of radio communications at various levels of government, their reliability and resilience.

The principles of organization of radio communication and technical characteristics of radio communication means of the Armed Forces of Ukraine do not allow to fully satisfy the needs of troop management in the conditions of modern combat. The main disadvantages of the existing radio communication system are: insufficient automation of the processes of installation, maintenance of radio communication, non-compliance with the requirements for connectivity and electromagnetic compatibility.

The quality of signals received in a radio communication channel should be assessed not only by the quality of radio communication means, ie their ability to receive signals of different power, to amplify, convert and transmit them to the input of the terminal device, but also by the characteristics of the propagation medium. In practice, signal reception is always carried out in the presence of interference in space. For high-quality signal reception in the radio channel, it is necessary to organize a return channel to control the transmitter radiation power.

A promising direction in solving this problem should be considered - the introduction of automatic control systems for the operation of radio communication facilities, which are designed and modernization of existing models.

Paper, based on the analysis of recommendations ITU-R M.1801-2 (02/2013) and ITU-R M.1580-4 (03/2012), offers a functional diagram of the automatic transmitter power control system. The functional parts of the system are determined, as well as the mathematical model of the channel of this system and its transfer function, which is the basis for the study by the method of mathematical modeling in the interactive system MATLAB. The simulation results can be used to plan the latest and upgrade existing radio communications.

The proposed system of automatic transmitter power control will: reduce energy consumption, ie increase the energy efficiency of radio batteries, almost completely compensate for the effects of fading on the quality of radio reception, reduce the electromagnetic environment, which will contribute to electromagnetic compatibility.

Keywords: electromagnetic environment, electromagnetic compatibility, radio communications, receiver, transmitter, automatic power control system, attenuator, system channel, transfer function.

Виклад основного матеріалу

Досвід проведення Антитерористичної операції на Сході України та досвід локальних збройних конфліктів початку XXI століття свідчить про значну роль зв'язку та загалом системи управління військами в досягненні поставленої мети.

Під час аналізу було з'ясовано, що країни-члени НАТО здійснюють розробки ефективних способів, які спрямовано на вирішення задач: забезпечення автоматизації процесів функціонування засобів радіозв'язку (ЗРЗ) різних ланок управління, їх надійності та завадостійкості.

Принципи організації радіозв'язку та технічні характеристики ЗРЗ підрозділів Збройних Сил України не дозволяють повністю задовольнити потреби управління військами в умовах сучасного бою. Основними недоліками існуючої системи радіозв'язку є: недостатня автоматизація процесів встановлення, ведення та підтримки радіозв'язку, невиконання вимог щодо зв'язності та електромагнітної сумісності.

Беручи до уваги вказані недоліки, вирішення цього складного завдання із забезпечення стійкого та надійного радіозв'язку в умовах сучасного бою є актуальним та потребує застосування спеціальних технічних і організаційних заходів із підвищення ефективності функціонування систем і ЗРЗ військового призначення.

Перспективним напрямом у вирішенні цього завдання слід вважати упровадження систем автоматичного управління процесами функціонування ЗРЗ, які проектуються, та модернізація вже наявних зразків.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У джерелах [1-12] визначено, що ЗРЗ, які перебувають на озброєнні Збройних Сил України (іноземного виробництва), мають можливість забезпечення процесів: програмування робочих налаштувань; автоматизації встановлення та підтримки радіосеансу. У роботах [13, 14] зазначено, що однією з найбільш важливих переваг автоматичного управління процесами функціонування ЗРЗ є можливість управління потужністю передавача. Дані системи автоматичного управління потужністю передавача (САУПП) впроваджені та успішно себе зарекомендували в мережах стандарту LTE (Long term evolution), а також радіорелейних та тропосферних засобах зв'язку. У ЗРЗ виробництва Harris, Aselsan, Elbit та Motorola - відсутні САУПП. Потужність передавачів указаних ЗРЗ має 2-4 фіксовані градації та встановлюється на весь час роботи в заданому режимі, незалежно від відстані до кореспондента та без урахування характеристик середовища розповсюдження.

Враховуючи зазначене вище, метою статті є розробка функціональної схеми САУПП для ЗРЗ військового призначення УКХ та КХ діапазонів та визначення ймовірних переваг від її використання. Створення математичної моделі каналів САУПП та представлення її передатної функції, яка є основою для проведення дослідження методом математичного моделювання в інтерактивній системі MATLAB.

Якість прийому сигналів у радіоканалі зв'язку повинно бути оцінено не лише якістю ЗРЗ, тобто їх здатністю приймати сигнали різної потужності, забезпечувати їх підсилення, перетворення та передачу на вхід кінцевого пристрою, а й характеристиками середовища розповсюдження [15, 16].

На практиці прийом сигналів завжди здійснюється за наявності завад у просторі. Для якісного прийому сигналів у радіоканалі необхідно організувати зворотній канал для управління потужністю випромінювання передавача.

Розглянемо основний та зворотній радіоканали як замкнуту САУПП [17, 18]. Такі системи є нелінійними та нестаціонарними, тому потребують застосування цифрових нечітких регуляторів та ПІД-регуляторів [19].

Розглянемо запропоновану функціональну схему САУПП (рис. 1) [17].

Рис. 1 Функціональна схема системи автоматичного управління потужністю передавача засобів радіозв'язку

Передавач (ПРД) в пункті А випромінює в напрямку кореспондента, що знаходиться в пункті В, сигнал потужністю P < P_max на частоті f. Випромінюваний сигнал створює в пункті В на вході приймача (ПРМ) СВЧ-сигнал U _c (t). Задача полягає в визначенні та підтримці необхідного рівня СВЧ-сигналу U _c (t), достатнього для якісного прийому в цій “дуельній” парі.

Перетворений вимірювальним елементом (ВЕ) рівень сигналу U(t) порівнюється з рівнем опорної напруги U₀ в пристрої порівняння (ПП) і виробляється сигнал помилки неузгодженості 8(t) ⁼ U ₀^_ U (t). Цей сигнал перетворюється в формуючому пристрої (ФП) у форму, зручну для передачі по зворотньому каналу, і через ПРД в пункті В передається в сторону ПРМ пункту А на іншій частоті f. У пункті А сигнал виділяється ПРМ, перетворюється ФЕ на сигнал управління 6(t), який поступає на керівний пристрій (УП). Як УП використовується регуляторний механізм, за допомогою якого переналаштовується атенюатор (АТН).

Управління потужністю ПРД здійснюється за безпосереднього впливу керівного сигналу на СВЧ-атенюатор, який знаходиться в ПРД в розриві тракту між джерелом потужності (генератор СВЧ-коливань) та навантаженням (антенна система). Атенюатор плавно регулює вихідну потужність ПРД в пункті А і тим самим змінює рівень сигналу на вході ПРМ в пункті В. Якщо при завмиранні рівень сигналу U _c (t) в пункті В починає зменшуватися, то потужність ПРД в пункті А зростає на таку величину, що рівень сигналу U _c (t) в пункті В відновлюється до початкового (необхідного) значення.

Вихідна потужність ПРД в пункті А може регулюватися АТН дискретно, наприклад, динамічний діапазон, що дорівнює 45 дБ, ділиться на 9 градацій, величиною по 5 дБ.

Розглянуту САУПП представимо у вигляді двох зв'язаних каналів однієї “дуельної” пари: канал передачі даних (канал зв'язку); канал управління (рис. 2). У цій системі ПРД включає в себе модулятор і передавач. Кожний канал системи

Рис. 2 Система автоматичного управління потужністю передавача у вигляді двох каналів однієї пари засобів радіозв'язку

Сигнал U(t) ПРМ₁ порівнюється з опорним сигналом U₀ в ПП, помилка неузгодженості якого через ПРМ₂ подається на УП (регулятор). Регулятор через СВЧ-атенюатор керує потужністю ПРД^ зменшуючи тим самим помилку неузгодженості. Опорний сигнал U₀ непрямим чином задає якість прийомного СВЧ-сигналу U_c(t) на вході ПРМ_Г Канали системи є нестаціонарними елементами та містять ланки чистого запізнювання, але в лінійному наближенні передатну функцію каналу можна представити у вигляді:

де s - комплексна змінна Лапласа (змінна S-подібної функції), b - значення максимуму функції, -- Т - час запізнювання.

Математична модель каналу системи, яка представлена передатною функцією (1), описує затухання й запізнювання (за а„^- b тільки запізнювання) сигналу в ідеальному середовищі (без завад) і фільтрацію сигналу вихідним фільтром у ПРМ.

Потужність на виході ПРД, що регулюється атенюатором, можливо виразити нелінійною залежністю:

де P_max - потужність генератора СВЧ-коливань, md^{(t )} - сигнал на вході ATH. Нелінійна характеристика ATH зображена на рис. 3.

Рис. 3 Нелінійна характеристика атенюатора

Таким чином, у статті представлена функціональна схема САУПП ЗРЗ. Визначено функціональні ланки системи, а також представлено математичну модель каналу цієї системи та її передатну функцію (1), яка є основою для проведення дослідження методом математичного моделювання в інтерактивній системі MATLAB.

Запропонована САУПП дозволить: зменшити енергоспоживання, тобто підвищити енергоефективність акумуляторних батарей ЗРЗ, майже повністю компенсувати вплив завмирань на якість радіоприйому, знизити напруженість електромагнітної обстановки, що сприятиме забезпеченню електромагнітної сумісності.

Список використаних джерел

1. Інструкція з експлуатації. ASELSAN PRC-5712, 2018. 24 с.

2. Інструкція з експлуатації. ASELSAN PRC-5333, 2018. 16 с.

3. Інструкція з експлуатації. ASELSAN PRC 9651, 2019. 113 с.

4. Інструкція з експлуатації. ASELSAN 9661 V-UHF RT2, 2019. 73 с.

5. ELBIT operator manual for VHF/FM radio sets CNR-9000, 2013. 224 c.

6. ELBIT operator manual for VHF/FM radio sets CNR-9100HDR, 2014. 236 c.

7. Инструкция по эксплуатации радиостанций DM серии 4000 2015. 149 с.

8. Инструкция по эксплуатации ретранслятора Моторола DR 3000 2013. 16 с.

9. HARRIS RF-7800 M-MP Багатодіапазонна ранцева радіостанція. Посібник з експлуатації / пер. на укр. мову з видання: PUBLICATION NUMBER: 10515-0334-4200 SEPTEMBER, 2015. 280 с.

10. HARRIS MPR-9600 Тактична короткохвильова радіостанція. Інструкція з експлуатації / пер. на укр. мову з видання: PUBLICATION NUMBER: 10515-0228-4200 JUNE, 2011 Rev. 185 с.

11. HARRIS RF-7850M-HH Багатодіапазонна портативна радіостанція. Посібник з експлуатації / пер. на укр. мову з видання: NUMBER: 10515-0461-4204 OCTOBER, 2015 Rev. C. 193 с.

12. Рекомендация МСЭ-R M.1801-2 (02/2013) Стандарты радиоинтерфейса для систем широкополосного беспроводного доступа подвижной службы, включая мобильные и кочевые применения, действующих на частотах ниже 6 ГГц

13. Рекомендация МСЭ-R M.1580-4 (03/2012) Общие характеристики нежелательных излучений базовых станций, использующих наземные радиоинтерфейсы IMT-2000

14. Военные системы радиосвязи / Ю.П. Климник, И.Н. Никольский, В.Ф. Пивоваров и др. Л.: ВАС. 1985. 576 с.

15. Наритник Т.М., Почерняєв В.М., Уткін Ю.В. Радіорелейні та тропосферні системи передачі: навч. посіб. Полтава: Видавництво ПВІЗ, 2006. 419 с.

16. Радиорелейные и спутниковые системы передачи: учебник для вузов / А.С. Немировский, О.С. Данилович и др. М.: Радио и связь, 1986. 392 с.

17. Тропосферная связь / Л.И. Яковлев, Г.В. Дедюкин и др. М.: Воениздат, 1984. 256 с.

18. Гостев В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления. К.: Радіоаматор, 2008. 972 с.

References

1. Operating Instructions. ASELSAN PRC-5712, 2018. 24 p. [in Ukrainian].

2. Operating Instructions. ASELSAN PRC-5333, 2018. 16 p. [in Ukrainian].

3. Operating Instructions. ASELSAN PRC 9651, 2019. 113 p. [in Ukrainian].

4. Operating Instructions. ASELSAN 9661 V-UHF RT2, 2019. 73 p. [in Ukrainian].

5. eLbIT operator manual for VHF/FM radio sets CNR-9000, 2013. 224 p. [in English].

6. ELBIT operator manual for VHF/FM radio sets CNR-9100HDR, 2014. 236 p. [in English].

7. Operating manual for radio stations DM 4000 series 2015.149 p. [in Russian].

8. Instruction manual for the repeater Motorola DR 3000 2013.16 p. [in Russian].

9. Motorola DR 3000 2013 repeater operation manual. 16 p. [in Ukrainian].

10. HARRIS MPR-9600 Tactical shortwave radio. Operating instructions / lane. In Ukrainian langua-ge from publication: PUBLICATION NUMBER: 10515-0228-4200 JUNE, 2011 Rev. 185 p. [in Ukrainian].

11. HARRIS RF-7850M-HH Multi-band portable radio. Operating manual / lane. In Ukrainian language from publication: NUMBER: 10515-0461-4204 OCTOBER, 2015 Rev. P. 193 p. [in Ukrainian].

12. Recommendation ITU-R M.1801-2 (02/2013) Radio interface standards for broadband wireless access systems in the mobile service, including mobile and nomadic applications, operating below 6 GHz [in Russian].

13. Recommendation ITU-R M.1580-4 (03/2012) General characteristics of unwanted emissions from base stations using the terrestrial radio interfaces of IMT-2000 [in Russian].

14. Klimnik, Yu.P., Nikolskiy, I.N., Pivovarov V.F. and others (1985) Voyennyye sistemy radiosvyazi. Military Radio Communication Systems. L.: VAS. 576 p. [in Russian].

15. Narytnyk, T.M., Pochernyayev, V.M., Utkin, Yu.V. (2006) Radioreleyni ta troposferni systemy peredach. “Radio Relay and Tropospheric Transmission Systems”: textbook. Poltava: PVIZ Publishing House. 419 p. [in Ukrainian].

16. Nemirovsky, A.S., Danilovich, O.S. (1986) Radioreleynyye i sputnikovyye sistemy peredachi: uchebnik dlya vuzov. “Radio Relay and Satellite Transmission Systems”: textbook for universities. M.: Radio and Communication. 392 p. [in Russian].

17. Yakovlev, L.I., Dedyukin, G.V. and others (1984) Troposfernaya svyaz. Tropospheric Communication. M.: Voenizdat. 256 p. [in Russian].

18. Gostev, V.I. (2008) Nechetkiye regulyatory v sistemakh avtomaticheskogo upravleniya. “Fuzzy Controllers in Automatic Control Systems”. K.: Radioamator. 972 p. [in Russian].

Размещено на Allbest.ru