автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенные решетки, синтезированные по широкополосному сигналу, для средств связи беспилотных авиационных комплексов

На правах рукописи

САГАДЕЕВ ГУМЕР ИЛЬДАРОВИЧ

АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ, СИНТЕЗИРОВАННЫЕ ПО ШИРОКОПОЛОСНОМУ СИГНАЛУ, ДЛЯ СРЕДСТВ СВЯ'Ш БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ.

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ устройства и их технолог ии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2009

ии345Э795

003459795

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РТ, докт. техн. наук, профессор Седельников Ю.Е.

Официальные оппоненты:

докт. физ-мат. наук, профессор Ибатуллин Э.А. канд. техн. наук Степанов В.В.

Ведущая организация:

ОАО ОКБ «Сокол» г.Казань

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева '"2о" <р^б[хяа2009г. в в0^ часов по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им.. А.Н.Туполева по адресу: Казань, ул. К. Маркса, 10

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по адресу: 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Автореферат разослан 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,: кандидат технических наук, профессор

В.Р. Линдваль

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всех развитых странах проявляется большой интерес к беспилотной летательной технике, используемой для решения широкого спектра как поенных, так и гражданских задач, многие из которых можно охарактеризовать тремя определениями - монотонные, «грязные» и опасные. Прежде всего, речь идет о задачах, где применение беспилотной летательной техники более оправдано, а именно, когда требуется: длительное и монотонное выполнение функций поиска и наблюдения; мониторинг объектов, нахождение возле которых опасно (например, районы радиационных аварий); боевые вылеты в районы, хорошо защищенные средствами ПВО, в которых существует высокий риск потери летательною аппарата. Применение беспилотных летательных аппаратов (Б Л А) перспективно и в тех областях, где отсутствие пилота позволяет сделать летательный аппарат более компактным и дешевым.

В настоящее время беспилотные аппараты совместно с бортовым и па-земным оборудованием рассматриваются как единые беспилотные авиационные комплексы (БАК), решающие определенные гражданские или военные задачи. В состав указанных комплексов входит специализированное бортовое оборудование, средства радиосвязи и наземные средства управления и обработки информации. Работоспособность БАК в целом, и выполнение поставленных задач в частности, напрямую зависят от надежности функционирования линии радиосвязи. К числу основных требований, предъявляемых к ним, помимо собственно передачи информации в требуемом объеме, можно отнести также живучесть, скрытность работы и помехозащищенност ь.

Наиболее остро стоит вопрос обеспечения радиосвязи в БАК с БЛА среднего класса, т.к. с одной стороны, они могут оснащаться не только телевизионными камерами, но и более.информативным оборудованием, с л ругой, имеют значительный радиус действия, достигающий пределов прямой видимости. Создание высокоэффективной аппаратуры радиосвязи для них представляют определенные трудности. В последнее время рассматривав гея использование в этих целях систем радиосвязи с широкополосными и даже сверхширокополосными сигналами.

Таким образом, задача совершенствования тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи воздушного объекта с наземным пунктом управления является актуальной.

Предметом исследования в настоящей работе является аппаратура связи и управления перспективных БАК. Объект исследования - антенные устройства наземной и бортовой составляющих в составе указанных комплексов.

Целью работы является улучшение тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами.

Задача, решаемая в диссертации, состоит в разработке методов повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом на основе использования антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными по широкопо-

лосному сигналу. Решение ее требует рассмотрения частных взаимосвязанных задач:

- анализа требований к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн, выработки критериев и оптимизации указанных требований;

- разработки методов синтезирования ДН малоэлементных бортовых антенных решеток средств связи, использующих широкополосные сигналы, в соответствии с выработанными требованиями и критериями;

- разработки метода формирования направленных свойств антенных решеток наземной аппаратуры связи, использующих широкополосные сигналы, и оптимизацию их в соответствии с выработанными критериями;

- проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению показателей антенн радиосредств связи с БЛА;

- выработки предложений по практической реализации указанных методов и технических решений..

Научная новизна заключается в том, что в работе впервые получены следующие результаты:

- сформулированы требования к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн для средств связи с БЛА, предложены и обоснованы критерии качества антенн;

- предложено использование в качестве бортовых антенн малоэлементных антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу, предложены методы расчета и оптимизации их характеристик и параметров в соответствии с выработанными критериями;

- предложено использование антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу, в качестве наземных антенн, разработаны методы расчета и оптимизации их характеристик и параметров в соответствии с выработанными критериями;

- показано, что использование предложенных подходов и приемов при создании бортовой аппаратуры позволяет существенно повысить потенциал связи и улучшить помехозащищенность канала связи;

- предложена методика пространственно-частотной фильтрации сигналов в многоканальной приемной системе, осуществляемая путем совместного выбора спектрального состава сигналов и параметров весовой обработки, позволяющая осуществлять эффективную селекцию сигнала от выбранного корреспондента при существенном ослаблении приема сигналов в общей полосе частот от других корреспондентов. Представлены результаты расчетов, подтверждающие эффективность предлагаемого подхода, даже для систем с умеренным расширением полосы частот.

Методы исследования. Для достижения поставленных целей в работе использованы методы имитационного моделирования, математические методы оптимизации, математические методы прикладной электродинамики. При проведении расчетов применены современные пакеты прикладных программ Ма1Ьса(1 и МаНаЬ.

Достоверность результатов работы определяется корректным использованием электродинамических моделей анализируемых объектов, использо-

ванием методов анализа, апробированных в аналогичных электродинамических задачах, а также результатами имитационного моделирования.

Теоретическая значимость и практическая ценность полученных результатов.

Использование разработанных подходов позволяет улучшить тактико-технические показатели БАК воздушного мониторинга окружающей среды и технических объектов. Конкретный результат, достигаемый в результате использования методик и рекомендаций, содержащихся в материалах диссертации, состоит в возможности:

- увеличения энергетического потенциала линии радиосвязи, что, п частности, позволяет снизить мощность бортовых радиопередатчиков;

- улучшения показателей помехозащищенности бортовой и наземной составляющих аппаратуры радиосвязи, достигаемого путем осуществления эффективной пространственной селекции, в том числе сигналов разных корреспондентов в общей полосе частот

Апробация результатов диссертации.

Результаты диссертационной работы докладывались на XI, XII, XIII, XIV и XV Международных молодежных НТК "Туполевские чтения" в 20032007 г.г., VIII Международной НТК «VIII Королёвские чтения» Самара 2005, XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» Казань 2005г, IV Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» Н. Новгород 2005, Международной НТК «Авиакосмические технологии и оборудование» Казань 2006, VI Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» Казань 2007г., IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» Казань 2008 г.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 11 - в трудах Международных и национальных научно-технических конференции, 3 - в виде статей в научно-технических журналах, в том числе 2 статьи в изданиях согласно Перечню ВАК.

Использование результатов диссертации и пути дальнейшей реализации. Результаты диссертации в виде методик, рекомендаций, а также количественных оценок нашли практическое использование в работах ОАО «ОКБ «Сокол», а также в учебном процессе ИРЭТ КГТУ им. А.Н.Туполева. Пуш дальнейшей реализации связаны с разработкой приемо-передающих систем связи нового поколения, использующих широкополосные и сверхширокополосные сигналы, в которых антенна и приемник участвуют как единая система. Разработанные подходы и приемы позволят улучшить направленные свойства антенных систем в целях улучшения энергетических параметров радиолиний и повышения помехозащищенности.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- Методики определения и оптимизации характеристик направленности бортовых и наземных антенн средств связи с БЛА, а также критерии для оценки их качества;

- Использование антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными rio широкополосному сигналу, в качестве антенн бортовой аппаратуры, методика и результаты оптимизации их показателей;

- Использование антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу, для аппаратуры наземного пункта управления, методика и результаты оптимизации их показателей;

- Оценки эффективности предлагаемых мер и технических решений, подтверждающие возможность существенного увеличения мощности принимаемого сигнала и повышения помехозащищенности канала связи.

Структура и состав диссертации.

Диссертация содержит 105 стр. текста, список использованных источников, включающий 98 наименований, в том числе 14 работ автора.

П. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор современного состояния беспилотных авиационных комплексов, отмечены тенденции их развития. Огмечено, что активизируются работы в области создания боевой беспилотной авиации, причем имеющиеся в доступных источниках данные свидетельствуют о большом многообразии'перспективных средств, различающихся по характеру и степени сложности выполняемых задач в условиях боевого применения.

Информационная сторона занимает особое место в концепции беспилотной боевой авиации. Общим положением для всех существующих концепций по рассматриваемому вопросу является взгляд на применение беспилотной боевой авиации "как на формирование некоторой информации, ее передачу и обработку с целью реализации определенных боевых действий». 11сзаписимо от способов применения и выполняемых задач пилотируемые и беспилотные самолеты наиболее эффективны тогда, когда они функционируют в рамках единой информационной сети. Отмечается, что специалисты многих государств исследуют концепцию ведения боевых действий вооруженными силами в едином информационном пространстве (Network Centric Warfare), отводя при этом значительную роль беспилотным летательным аппаратам.

Работоспособность системы в целом и выполнение поставленных задач зависит от надежности функционирования линий радиосвязи. Среди важнейших требований, предъявляемых к линии радиосвязи, можно выделить требования пропускной способности, живучести, скрытности работы и помехозащищенности. В настоящее время, как один из наиболее эффективных способов улучшения качественных показателей средств радиосвязи, рассматривается использование сигналов сложной формы (широкополосных, шумо-подобных) с оптимальной обработкой их на приемной стороне. Использование широкополосных сигналов в системах связи способствует существенному улучшению их технических показателей. К числу дополнительных резервов для их совершенствования относится использование бортовых и наземных антенн, построенных с учетом специфических свойств широкополосных сигналов, что позволяет обеспечить дальнейшее улучшение основных пока-

зателей средств радиосвязи. В частности, использование в средствах связи с широкополосными сигналами многоэлементных антенн открывает возможность для ослабления влияния неизбежных интерференционных провалов в ДН бортовых антенн, расположенных на объектах сложной формы, а также для улучшения пространственной селекции сигналов и помех.

Во введении формулируется цель диссертационных исследований, заключающаяся в улучшении тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами (БЛА), формулируется основная задача, решаемая в диссертации, и определяются пути, позволяющие достигнуть поставленную цель.

В главе 1 рассматриваются требования, предъявляемые к антенным устройствам средств связи в составе БАК и основные направления реализации. Выполнение требований к основным техническим показателям, определяющим функционирование системы связи в составе БАК, зависит от значительного числа параметров, которые могут быть разделены на две группы. К первой из них относятся параметры, определяющие архитектуру системы, частотный диапазон, структуру радиосигналов, свойства приемника и устройств обработки информации и др. Ко второй - параметры антенн. Требования к параметрам антенн формулируются исходя из того, ч то при фиксированных параметрах первой группы, показатели качества радиолинии, в общем случае, монотонно зависят от ряда параметров антенн. В качестве основных анализируемых показателей системы связи БАК выделены:

- показатель, определяющий качество передачи информации, монотонно зависящий от уровня сигнала на выходе приемной антенны. Требования к электрическим параметрам антенн определяются исходя из данного показателя. На этой основе сформулирована задача улучшения технических показателей радиолиний по направлениям «БЛА - наземный пункт управления (НПУ)» и "НПУ-БЛА" как задача обеспечения требуемых направленных свойств наземных и бортовых антенн. Отмечено, что особое внимание должно быть обращено на улучшение показателей радиолинии «БЛА-11ПУ».

- показатель помехозащищенности радиолинии, монотонно зависящий от соотношения уровней принимаемого сигнала и помехи (помех). В главе I сформулированы требования к показателям антенн, непосредственно влияющим на свойства помехозащищенности радиолиний с учетом различающихся, в общем случае, направлений прихода и поляризации помех и сигнала. С этой точки зрения антенны должны обеспечивать по возможности лучшее соотношение уровней принятых сигнала и помехи:

— -= <3,п->тах. Указанный критерий, в зависимости ог смысла

Рп(®||'Фп)+ Рщум

задачи, формализованный как минимаксный или срсднеквадратический, используется в качестве показателя, определяющего свойства антенн с точки зрения помехозащищенности радиолинии связи.

Рассмотрены существующие пути улучшения введенных показателей бортовой аппаратуры радиосвязи. Отмечено, что для бортовых антенн, размещаемых на БЛА, как и на любых объектах сложной формы, основные про-

блемы связаны с неравномерностью диаграмм направленности (ДН), в частности с наличием интерференционных провалов. Проведен анализ известных мер, направленных на улучшение равномерности ДН бортовых антенн - оптимальный выбор расположения антенн на корпусе ЛА, прием с переключением, использование антенных решеток, в том числе некогерентных. В силу принципиальных причин указанные методы далеко не всегда могут эффективно решать поставленную задачу. В частности, использование многоэлементных антенн, хотя принципиально и позволяет обеспечить формирование квазиизотропных ДН, имеющих не более двух направлений нулевого излучения при линейной поляризации, требует при приближение к физическому пределу неограниченного увеличения размеров апертуры.

Рассмотрение известных приемов повышения равномерности ДН квазиизотропных бортовых антенн позволяет сделать вывод о том, что в рамках традиционных средств решения и для классических узкополосных систем связи возможности совершенствования электрических показателей бортовых антенн практически исчерпаны. Использование перспективных систем связи с широкополосными сигналами открывает в этом плане новые возможности.

В главе 1 также проведен анализ требований, предъявляемых к антеннам типовых наземных пунктов связи. Отмечается, что требования к их направленным свойствам вытекают из условия обеспечения в режиме передачи максимально возможных значений плотности потока мощности в любой точке возможного нахождения БЛА. Таким образом, наилучшая ДН антенны должна соответствовать условию максимума наименьшего из возможных значений указанной величины с учетом влияния подстилающей поверхности и затухания в атмосфере.

Реализация этого условия фактически означает необходимость использования антенн с управляемыми ДН и высокими значениями коэффициента усиления. Отмечено, что хотя реализация указанного требования не ограничена фундаментальными свойствами антенн, практически всегда действуют те или иные ограничения, связанные с факторами стоимости, габаритами аппаратуры и др. Для многих практических случаев одним из наиболее удачных вариантов является использование антенн, имеющих управляемые или неуправляемые секторные Д11 в азимутальной плоскости и специальной формы по углу места. В диссертации определены указанные оптимальные ДН антенны ИПС для ряда характерных ситуаций, когда летательный аппарат совершает полет по известной траектории, по одной из возможных заданных траекторий; по одной из возможных траекторий при возможности изменения пространственного положения НПС, когда летательный аппарат может находиться в произвольной точке пространства в пределах заданной области.

Формирование заданных ДН в азимутальной плоскости, в том числе с управляемым положением луча, наиболее естественно осуществлять путем использования антенных решеток. Для средств связи с широкополосными сигналами с использованием антенных решеток открываются дополнительные возможности для улучшения направленных свойств антенн. Для этого в

работе используется подход, отличающийся от традиционного, требующего неизменности основных параметров антенн в пределах полосы частот широкополосного сигнала. Используемый подход основан на принципе синтезирования ДН по широкополосному сигналу в антенной системе с частотно-зависимой ДН. В его основу положено рассмотрение пространственного приема и временной (частотной) обработки как единого процесса,, в котором антенна и приемник участвуют как единая система'. Использование этого принципа открывает дополнительные возможности но улучшению направленных свойств антенн бортовой и наземной аппаратуры БАК, построенных с учетом широкополосности сигнала.

В главе 2 рассматриваются бортовые антенны с ДН, синтезированными по широкополосному сигналу. Отмечены особенности работы аппаратуры радиосвязи БЛА, роль и особенности выполнения антенн в виде антенных решеток. К указанным особенностям можно отнести то обстоятельство, что связь, как правило, осуществляется с одним наземным пунктом управления (НПУ). Однако в процессе полета БЛА может принимать различные положения по отношению к НПУ, что и приводит к требованию квазиизотропности ДН антенн в пределах заданного телесного угла. Организация двухсторонней связи с наземным пунктом включает функции приема и передачи, выполняемые бортовой аппаратурой и, соответственно, предъявляет указанные требования к бортовым антеннам как к передающим, так и приемным. Кроме того, в зависимости от характера задач, решаемых БАК и наличия технических возможностей по оснащению аппаратными средствами и размещению антенн па БЛА, можно рассматривать как приемные, так и передающие антенны с управляемыми и неуправляемыми ДН.

Представлена модель антенной решетки и сформулирован принцип синтезирования бортовой антенной решетки в общем случае. Указано, что ДН по широкополосному сигналу представляет собой результат совместной пространственно-частотной фильтрации, осуществляемой приемной системой, включающей многоэлементную антенну и приемное устройство с многоканальной частотной обработкой сигналов, принятых элементами антенн. В такой системе результирующая ДН по широкополосному сигналу может быть представлена в виде:

^ (0,<р)=с|(Й (0,ф,со)|к.(щ))11<й,

где (Й (о, ф, о>)| - матрица-строка спектра принятого сигнала на выходе системы излучателей приемной антенны и |К(ш)) - матрица-столбец весовой функции, определяющей обработку в приемной системе.

В свою очередь, величины (б (8,ф,со)| определяются спектром передаваемого сигнала О(ю) и зависят от параметров передающей антенны (Й (О, ф, го) = 0(ю)(К ПР (ел 0, ф)||, где функции, (Кр|г(о>, 0,<р)|- представляют собой

1 Существо именно такого подхода сформулировано И.Я.Иммореевым (Проблемы антенной техники. Под ред. Л.Д.Бахраха и Д.И.Воскресенского М.:Радио и связь, 1989.стр. 66-87).

-7-

коэффициенты передачи радиоканала, включающего передающую антенну и соответствующий элемент приемной антенной решетки. Таким образом, при фиксированных параметрах одной из антенн и радиотрассы управление результирующей ДН можно осуществлять как изменением спектра передаваемого сигнала О(ш), так и весовой функции |К(<о)), а также их совместным изменением. Принцип синтезирования ДН антенны по широкополосному сигналу в общем случае состоит в целенаправленном выборе спектра передаваемого сигнала С)(о>) и весовой функции |К(ш)) с целью получения результирующей ДН с требуемыми свойствами.

Применительно к бортовым антеннам средств радиосвязи, выделены задачи улучшения показателей антенной системы БЛЛ в режимах приема и передачи. 13 первом случае варьируемыми параметрами являются значения вектора столбца весовой функции |К(ш)), определяющей обработку сигналов в приемной системе при неизменных спектральном составе сигнала и параметрах передающей антенны НПУ. В режиме передачи варьируются, в общем случае, спектр передаваемого сигнала и параметры бортовой антенны, аналогичные амплитудно-фазовому распределению и определяющие значения величин (КРТДт,0,ф)| при условии оптимальной обработки принятого сигнала в приемной системе ЦПУ.

Каждая из указанных задач рассматриваются в двух вариантах, соответствующих принципу управляемых и неуправляемых ДН бортовых антенн. 11ринщш управляемых ДН заключается в том, что в малоэлементной бортовой антенной системе предусмотрена возможность изменения соответствующих параметров - весовых коэффициентов |К(ш)}, параметров амплитудно-фазового распределения, влияющих на величины (КррДтДф)!, а также спектра передаваемого сигнала с целью обеспечения наибольшего излучения в направлении па НПУ или наилучшего приема радиопередач от НПУ, соответственно текущим изменениям взаимной ориентации БЛА и НПУ. При неуправляемых ДН в режимах приема и передачи указанные параметры выбираются неизменными, исходя из требования максимально возможной степени изотропности антенн в заданных телесных секторах углов.

Для перечисленных вариантов сформулированы и решены задачи оптимизации предающей и приемной бортовых антенн, а также задача синтеза бортовой приемной антенны с компенсацией приема помехи. Рассмотренные задачи проиллюстрированы на модельном примере, соответствующем случаю расположения антенн на объекте цилиндрической формы при различном числе их и расположении на объекте. Показано, что использование предложенной методики позволяет добиться значительного улучшения показателей радиолинии не только при использовании управляемых ДН, но и фиксированных (неуправляемых), сформированных по широкополосному сигналу с постоянными спектральным составом и параметрами амплитудно-фазового распределения или соответствующими весовыми коэффициентами.

Полученные численные результаты свидетельствуют о возможности существенного улучшения показателей как управляемых, так и неуправляемых

бортовых антенн. Приведенные расчеты демонстрируют возможность увеличения результирующего КУ антенны, состоящей из нескольких элементов, в режиме приема от 14 до 70 раз, в режиме передачи - ог 2 до 16 раз, при увеличении относительной частотной полосы до 17%. Показано, что использование предложенного метода при синтезировании ДН приемных антенн приводит к более ощутимому выигрышу и обсуждены причины данного эффекта.

В главе 3 рассматриваются вопросы построения приемных антенн НПС с ДН, синтезированными по широкополосному сигналу. Особенности их связаны как с необходимостью организации связи с несколькими БЛА при их различных ракурсах относительно НПУ, так и с тем, что различные корреспонденты связи могут использовать сигналы, различающиеся но структуре или спектральному составу. Кроме того, необходимо учитывать возможность присутствия источников помех, причем направления прихода полезных сигналов и помех могут быть как различными, так и достаточно близкими. Исходя из перечисленных особенностей, предложено в качестве наземной антенны использовать антенну с управляемой ДН, синтезированной по широкополосному сигналу.

Рассмотрена модель приемной антенной системы из N элементов, синтезированной по широкополосному сигналу. Результирующая ДН ее по отношению к сигналу «своего» передатчика со спектральным составом С(,)(<в) может существенно отличаться от ДН по отношению к сигналу от другого корреспондента (или, соответственно, помехи) со спектром 0(к1(ю):

рр(0,ф)= (<°)е» в> <?) К» (ю>1а),

(в,

где индекс р=э или р=к относится к случаям приема сигнала и помехи соответственно.

Для рассматриваемых приложений синтез заданной диафаммы направленности по широкополосному сигналу состоит, в общем случае, в выборе весовых функций К,(а) и спектрального состава ансамбля сигналов б^Чю), р= 1,...з, ..М, согласно некоторому критерию качества (2(К(со),0("(ю),01к)(<»)). Выбор этого критерия, в свою очередь, определяется поставленной целью и отражает соответствие некоторой совокупности требований к показателям направленности многоэлементной системы с обработкой сигнала.

В главе 3 сформулирована и решена задача синтеза ДН приемной системы, осуществляющей наилучший прием сигнала со спектром О(,)(о>), приходящего с заданного направления (0,,<р,), при условии исключения приема помехи со спектром (¡""'(ел), приходящей с направления (0к,<рк). Показано, что при произвольном фиксированном сочетании направлений прихода сигнала (0,,(р,) и помехи (9к,фк), включая их совпадение, возможно полное исключение нежелательного приема (без учета влияния погрешностей реализации) при отсутствии дополнительных энергетических потерь, практически

всегда имеющих место при использовании классических ФАР с формированием управляемого провала в ДН. Необходимым условием этого является ортогональность спет ров сигнала 0(,)(ш) и помехи С|М(ю) с некоторым весом Л(ш,0,ф,0,,ф,), зависящем от парциальных ДН элементов антенной решетки. На основании этого делается вывод о невозможности осуществления идеальной селекции при неизменных частотных свойствах сигнала и изменяющемся пространственном положении источников сигнала и помехи. В этих случаях, в перспективе, селекция может осуществляться на основе адаптации параметров сигнала к помеховой обстановке.

Па модельных примерах по казана возможность ослабления приема помехи в антенной системе из 6...8 элементов и равному им числу частотных каналов. Приведенные результаты расчетов подтверждают возможность полного исключения приема помех с заданного направления без энергетических потерь, при сохранении уровня приема полезного сигнала. При этом при настройке системы на фиксированное направление прихода помехи и действительном его изменении в широких пределах сохраняется существенное ослабление нежелательного приема, составляющее даже в худшем случае величину не менее 18 дБ.

В главе 4 рассматриваются принципиальные вопросы, связанные с практической реализацией наземных и бортовых антенн, синтезированных по ШП сигналу.

Для организации расчетных процедур синтезирования антенной решетки, установленной на объекте сложной геометрической формы, необходимо предварительное вычисление парциальных ДН ее элементов как комплексных векторных функций частоты. Используемые методы должны обеспечивать достаточную точность при разумной трудоемкости расчетов. В этих целях предлагается использовать метод моментов для проволочной модели небольших электрических размеров и асимптотические методы для объектов больших размеров. Приводится соответствующее обоснование.

Рис. 1 Угловые зависимости КУ 8-ми элементной антенной решетки с обработкой в 8 частотных каналах Сплошные линии - р - й сигнал (помеха), пунктирные линии -5-й сигнал (полезный сигнал). Составспектра О'^Ч 1 1 1 I -1 -1 -1 -1), 1-11-1 -1 -1 1 I].

Нанрааление прихода полезного сигнала: а) 0°, 6)10°.

Проведена оценка эффективности использования методов синтезирования ДН по широкополосному сигналу применительно к бортовым антенным БЛА типовых размеров и формы. Для количественных оценок выбран, как наиболее востребованный, летательный аппарат среднего класса (обоснование приводится). Оценена эффективность синтезированных антенн в режимах передачи и приема в управляемом и неуправляемом вариантах. Результаты расчетов показывают, что уже при использовании 3-х элементной антенны при 2 частотных каналах может достигаться энергетический вышрыш, в случае использования приемной управляемой антенной системы как горизонтальной, так и вертикальной поляризации, по среднему значению КУ до 23 раз. Также показана возможность существенного уменьшения глубины провалов в неуправляемых ДН. Так для приемной неуправляемой антенны из 3 вибраторов при 2 частотных каналах глубина наибольшего интерференционного провала уменьшается до 2,5 раз. Проведенные оценки дают основание сделать вывод об эффективности использования антенн с ДН, синтезированными по широкополосному сигналу, в составе бортовых средств радиосвязи с подвижными объектами.

Для антенных устройств наземной аппаратуры связи и управления, на основании положений, изложенных в Главе 1, предложена схема выполнения в виде линейной антенной решетки, с синтезированной по ШП сигналу Д11 в горизонтальной плоскости и ДН специальной формы - в вертикальной плоскости. Описана методика определения формы указанной ДН в вертикальной плоскости, исходя из типовых условий применения BJJA. Показано, что использование ДН специальной формы позволяет обеспечить энергетический выигрыш до нескольких дБ.

Для осуществления расчетных процедур, связанных с проектированием наземных антенных решеток, синтезированных но широкополосному сигналу, необходимо определение частотных зависимостей парциальных диа1рамм направленности элементов решетки с учетом их взаимной связи. В Главе 4 проведен анализ возможных способов учета явлений взаимной связи элементов решеток и показана возможность использования в этих целях простейших из существующих матричных моделей.

а С

Рис.2. Графики КУ антенной системы БЛА (азимутальная шшскост\.)". а - Графики КУ. Режим передачи, б - Графики КУ. Режим приема.

Проведены оценки эффективности использования антенных решеток наземной приемной аппаратуры, синтезированных по широкополосному сигналу в зависимости от числа излучателей и числа частотных каналов. Показано, что выигрыш в соотношении уровней сигнала к уровню принимаемых помех может составлять величину не менее 20 дБ при умеренном числе излучателей и частотных каналов. Увеличения отношения сигнал/помеха можно добиться как увеличением количества излучателей, так и числа частотных каналов. В частности увеличение количества частотных каналов от 2 до 30 при фиксированном количестве излучателей антенной решетки и постоянстве относительной ширины полосы частот приводит к росту отношения сигнал/помеха для наихудшего случая от значения 11дБ до 23дБ. При этом достигаемое подавление помехи в направлении настройки значительно выше и ограничено только влиянием дестабилизирующих факторов.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Совокупность результатов проведенной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. На основе проведенного анализа определены требования к характеристикам направленности бортовых и наземных антенн средств связи, исходя из условий конкретного применения БЛА. Разработаны методики определения оптимальных ДН.

2. Предложено использование в качестве бортовых антенн средств связи с широкополосными сигналами антенных решеток, с синтезированными ДН. Определены оптимальные значения весовых коэффициентов для случаев управляемых и неуправляемых ДН в режимах приема и передачи. Показана возможность повышения потенциала линии связи и ослабления влияния помех от соседних источников.

3. Предложено использование антенных решеток с синтезированными ДН в наземной аппаратуре средств связи с ШП сигналами. Предложено осуществлять синтезирование их диаграмм направленности при совместном выборе весовых коэффициентов пространственно-частотной обработки и спектрального состава используемых сигналов. Для этих условий показана возможность эффективной селекции излучений от нескольких источников, без ослабления приема полезного сигнала. Также показана возможность повышения потенциала связи.

4. На основании проведенного анализа получены количественные оценки для типичного числа излучателей, типичного числа используемых частотных каналов и размеров и форм БЛА среднего класса. Показано, что использование методов синтезирования ДН бортовых антенн позволяет повысить потенциал связи до 13 дБ для управляемых и до 13 дБ ослабить

влияние интерференционных провалов для неуправляемых ДН. Л также практически полностью исключить влияние помехи за счет антенного фактора. Использование техники синтезирования ДН антенн наземной аппаратуры позволяет для решеток из 6-12 излучателей и 6-12 частотных каналов повысить потенциал связи до 11 дБ, а также увеличить отношение сигнал/помеха до 18 дБ. Полученные зависимости могут использоваться как рекомендации при проектировании средств связи с ШП сигналами.

5. Выработаны рекомендации по практическому осуществлению процедур оптимизации для бортовых антенн, с учетом влияния объекта установки, и наземных антенн, с учетом взаимной связи излучателей в решетке.

IV. СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях, определённых ВАК

1. Сагадеев, Г.И. Синтезирование направленных свойств антенн для радиосредств воздушной подвижной связи, использующих широкополосные сигналы / Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников II Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2007. - Т. 10, №2. - С. 21-26.

2. Сагадеев, Г.И. Пространственно-частотная фильтрация широкополосных сигналов в системах с фазированными антенными решетками / Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников // Инфокоммуникационпые технологии. - 2008. - Т.6, №2. - С.99-104.

Работы, опубликованные в других изданиях

3. Сагадеев. Г.И. Об одном способе определения требуемой диаграммы направленности антенны летательного аппарата / Г.И. Сагадеев, Юсиф С. Юсиф // Тезисы докладов Всеросийской (с международным участием) молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения». - Т. IV. - 2004. - Казань. - С.78.

4. Сагадеев, Г.И. Устранение интерференционных провалов диаграмм направленности антенн систем воздушной подвижной связи / Г.И. Сагадеев // Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королевские чтения». - 2005. - Самара. - С.76.

5. Сагадеев, Г.И. Оптимизация диаграмм направленности антенн систем связи с широкобазовыми сигналами / Г.И. Сагадеев II Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию города Казани «Туполсвские чтения». - 2005. - Казань. -С.87-88.

6. Сагадеев, Г.И. Оптимизация антенн радиолиний связи с воздушным судном / Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников, Юсиф С. Юсиф // Труды Первой научно-технической конференции зарубежных аспирантов и магистрантов. - 2005. - Казань. - С.88.

7. Сагадеев, Г.И. Оптимизация антенн информационно-измерительной аппаратуры ДПЛА с использованием методов математического моде-

лирования / Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников, Юсиф С. Юсиф // Сборник трудов Восемнадцатой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». - 2005. - Казань. -С. 116-118.

8. Сагадеев, Г.И. Анализ и оптимизация характеристик антенн радиолиний связи с ДПЛА / Г.И. Сагадеев, Юсиф С. Юсиф // Труды IV Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов». - 2005. - Н.Новгород. - С.188,

9. Сагадеев, Г.И. Диаграмма направленности антенны радиосвязи с беспилотным летательным аппаратом, синтезированная по широкополосному сигналу / Г.И.Сагадееа // Материалы Международной молодежной научной конференция «XIV Туполевские чтения». - Т.5. - 2006. -Казань.-С. 103-105.

10.Сагадеев, Г.И. Использование антенн с диаграммой направленности, синтезированной по широкополосному сигналу, для средств радиосвязи с беспилотным летательным аппаратом. / Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников // Материалы международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование». - 2006. - Казань. -С.220-221.-

11 .Сагадеев, Г.И. Синтез диаграммы направленности антенной системы Д1U1A с использованием широкополосных сигналов / Г.И. Сагадеев // Груды VI Международной научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», - 2007. - Казань. -С.190-191.

12.Сагадеев, Г.И. Использование широкополосных сигналов для синтеза диаграммы направленности антенной системы беспилотного летательного аппарата / Г.И. Сагадеев // Материалы международной молодежной научной конференции «XV Туполевские чтения». - 2007. - Казань.

- С.88.

13.Сагадеев, Г.И. Пространственно-частотная фильтрация широкополосных сигналов антенными решетками / Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников // Электронное приборостроение. - 2008. - Выпуск 1(52). - Казань.

- С.63-68.

14.Кулатов, М.М. Анализ эффективности анте'нных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу / М.М. Булатов, Г.И. Сагадеев, Ю.Е. Седельников // Тезисы докладов IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций». - 2008. - Казань. - С.311-312.

Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 0,93. Уч. изд. л. 0,91.

_Тираж 100. Заказ М1._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К.Маркса, 10

Введение.

Глава 1. Требования к антенным устройствам средств связи и направления их реализации.

1.1 Требования к антеннам средств связи.

1.1.1 Требования к антеннам средств связи в общем случае.

1.1.2 Требования к энергетическим показателям.

1.1.3 Требования к показателям помехозащищенности.

1.2 Пути улучшения антенн средств связи.

1.2.1 Пути улучшения бортовых антенн.

1.2.2 Пути улучшения наземных антенн.

1.3 Выводы по Главе 1.

Глава 2. Бортовые антенны с диаграммами направленности, I синтезированными по широкополосному сигналу.

2.1 Принцип синтезирования антенных решеток.

2.2 Задачи применительно к бортовым антенным решеткам.

2.2.1 Особенности бортовых антенных решеток.

2.2.2 Модель антенной решетки, синтезированной по широкополосному сигналу.

2.2.3 Задачи оптимизации бортовых антенных решеток.

2.2.4 Иллюстрации синтеза диаграмм направленности.

2.3 Выводы по Главе 2.

Глава 3. Наземные антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу.

3.1 Особенности наземных антенн.

3.2 Модель наземной антенны, синтезированной по широкополосному сигналу.

3.3 Иллюстрации применения широкополосных сигналов в антенных решетках наземных средств связи.

3.4 Выводы по главе 3.

Глава 4. Вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу.

4.1 Возможности аппаратной реализации широкополосных систем связи

4.2 Оценки эффективности бортовых антенн.

4.2.1 Организация расчетных процедур.

4.2.2 Численные оценки эффективности бортовых антенн.

4.3 Оценка эффективности антенн наземной части радиоаппаратуры.

4.3.1 Требования к антенне наземной части радиоаппаратуры.

4.3.2 Схема наземной антенны.

4.3.3 Модель антенной решетки наземной антенны.

4.3.4 Результаты расчетов.

4.4 Выводы по Главе 4.

В настоящее время наблюдается большой интерес к беспилотной летательной технике практически во всех развитых странах. Благодаря революционному развитию ряда технических направлений в последнее десятилетие беспилотные летательные аппараты (БЛА) или дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) представляются эффективными для решения широкого спектра как военных, так и гражданских задач, многие из которых можно охарактеризовать тремя определениями - монотонные, «грязные» и опасные. Прежде всего речь идет о задачах, где применение беспилотной летательной техники более перспективно по сравнению с пилотом на борту, а именно, тогда когда требуется: а) длительное и монотонное выполнение функций (к примеру, поиск и наблюдение) б) мониторинг объектов, нахождение возле которых опасно для человеческого организма (к примеру, районы радиационных аварий) в) боевые вылеты в районы, хорошо защищенные средствами ПВО, в которых существует высокий риск потери летательного аппарата.

Существует перспектива применения БЛА и в тех областях, где отсутствие пилота на борту позволяет сделать летательный аппарат более компактным и дешевым.

По оценкам американских экспертов, сегодня активно занимаются проблемами создания ДПЛА около 45 стран. Среди них США, Израиль, Иран, Швеция, Бельгия, Италия, Франция, Великобритания, Германия, Австралия и др. развитые и даже развивающиеся страны.

Наиболее интенсивное развитие беспилотной летательной техники наблюдается в США, где затрачивается 73% от расходов на разработку и производство БЛА, осуществляемых во всем мире. [1,2] В ближайшие годы финансирование военных программ развития БЛА в США планируется увеличить почти на порядок, так что к 2010 г оно будет составлять ежегодно около $3 млрд.[3]

Совершенно очевидно, что наряду с сугубо военными разработками в области БЛА появятся также средства и технологии двойного назначения. Американская авиационная индустрия, испытывающая кризис в результате падения спроса на пассажирские самолеты, уже сейчас активно изучает области возможного расширения спроса в гражданской сфере на беспилотную технику и делает настойчивые попытки изменить законодательство для того, чтобы устранить бюрократические препятствия к ее широкому внедрению в народном хозяйстве[4]. К наиболее перспективным направлениям можно отнести использование БЛА в транспортной и сельскохозяйственной авиации, для связи, охраны объектов, регулирования транспортных потоков в крупных городах и т.п.

Однако особенно активно в последнее время все же говорят о боевой беспилотной авиации (ББА). В книге [5] приведен ретроспективный анализ функциональных концепций беспилотной боевой авиации.

Как видно из рисунка, в функциональном плане вся предыстория развития беспилотной боевой авиации ориентирована на решение ударных (в том числе ударно-разведывательных) задач. Единственными разработками беспилотных истребителей, отмеченными на рис.В.1 индексами 3, 4 и 5, являются соответственно:

3-робототехнический миниатюризированный ББС-истребитель одноразового применения RAAC, концепция которого была выдвинута ВВС США в 1990 г;

4-миниатюризированный ББС-истребитель MALI, разрабатывавшийся фирмой Нортроп Грумман в начале 90-х годов как реализация концепции ББС RAAC;

5-малоразмерный ББС-истребитель "Архангел" разработки английской фирмы Авпро, специализирующейся на проектных исследованиях по перспективным системам вооружения.

Стадия I Стадия II

N разр

8 -46

4 -h 2 - многоразовые ББЛА - одноразовые ББЛА

Ударные и разведывательные ББЛА 7 щ 8

2 — ББЛА - истребители

N разр у[] 9 4

10

111213

1970

1980

1990

2000

Рис. В.1. Ретроспективный анализ функциональных концепций беспилотной боевой авиации.

Что же касается ББЛА ударного назначения, то весьма устойчивую линию развития подобных боевых средств в предыдущие годы представляла разработка беспилотных летательных аппаратов одноразового применения, во многом идентичных авиационным крылатым ракетам. Помимо уже рассмотренной под индексом 1 разработки ударного варианта БЛА BQM-34 к этой категории ББЛА относятся следующие разработки, представленные на рис. В.1 индексами 6-13:

6-робототехнический БЛА-камикадзе "Брэйв-200" разработки фирмы

Боинг;

7-робототехнический БЛА-камикадзе "Брэйв-3000" разработки фирмы Боинг;

8-робототехнический БЛА-камикадзе "Ларк" разработки израильской фирмы IAI;

9-робототехнический БЛА-камикадзе "Вампир" разработки английской фирмы Шорт;

10-робототехнический БЛА-камикадзе "Харли" разработки израильской фирмы IAI;

11-робототехнический БЛА-камикадзе 'Тайфун" разработки германской фирмы Атлас;

12 - БЛА BQM-53 (новая модификация ударного варианта БЛА BQM-34) в варианте постановщика помех средствам ПВО противника, предложенный фирмой Нортроп Грумман для использования вместо-самолета-РЭБ "Праулер";

13-БЛА BQM-34 с ударным вооружением в виде ракет "Хелфайр".

В этой же работе [5] предложена обобщенная классификация летальных аппаратов ББЛА и говорится о том, что несмотря на то, что история беспилотных и дистанционно пилотируемых летательных аппаратов насчитывает уже не одно десятилетие и богата методическими разработками, такой вопрос как классификация летательных аппаратов беспилотной боевой авиации представляет определенную методическую новизну. Это связано с тем, что ББЛА являются не какими-то новыми вариантами БЛА и ДПЛА, а представляют собой скорее "производную" от летательных аппаратов боевой тактической авиации, полученную с использованием технологий, принятых в создании комплексов ДПЛА и БЛА.

Имеющиеся обобщенные классификации летательных аппаратов беспилотной боевой авиации являются недостаточными для того, чтобы отразить то многообразие ЛА, которое необходимо иметь в виду при рассмотрении беспилотной боевой авиации. С другой стороны, подробные классификации являются избыточными и малонаглядными при использовании для характеристики возможных вариантов ББЛА.

В связи с этим представляют интерес новые подходы к классификации летательных аппаратов беспилотной боевой авиации, предлагаемые американскими разработчиками этого вида авиационной техники. Так, специалисты фирмы Боинг считают, что применительно к беспилотной боевой авиации использовавшиеся до настоящего времени понятия разведывательных беспилотных летательных аппаратов и боевых беспилотных летательных аппаратов должны быть заменены чем-то иным, поскольку сегодня очевидно, что первые из этих ЛА - слишком маломаневренные, а вторые - слишком узкоспециализированные летательные аппараты. Функциональное слияние этих двух типов летательных аппаратов, фактически имеющее сегодня место, должно повлечь за собой и определенное изменение в категорировании беспилотных летательных' аппаратов.

По мнению М. Хэйнца, возглавляющего в отделении "Фантом Уоркс" фирмы Боинг работы по перспективным боевым комплексам, два показателя - сложность выполняемого задания и вероятность боевого противодействия противника - являются теми параметрами, которые в наибольшей степени подходят для определения класса беспилотных боевых летательных аппаратов.

Применительно к целям проводимого исследования подходит использование некоторой промежуточной (по отношению к упомянутым выше) классификации летательных аппаратов беспилотной авиации, основанной на приведенном мнении американских специалистов и различающей функциональную и технологическую сторону классификации. Первая из них учитывает специфику задач и условия их выполнения, характеризующие место ББЛА среди летательных аппаратов беспилотной боевой авиации. Вторая сторона определяет специфические технологии, заимствованные беспилотной боевой авиацией из области беспилотных боевых авиационных систем. Вариант получаемой на основе такого подхода классификации, используемый в данной работе, представлен в табл. 1. Для большей наглядности значками "+" в этой матрице смежности отмечены наиболее вероятные для реализации на практике сочетания признаков классификации ББЛА.

Подчеркнем, что функционально принятая классификация не отождествляет однозначно ББЛА с авиационным средством летального поражения противника. В рамках беспилотной авиации ББЛА может выполнять широкий круг задач, в частности, авиационную разведку в боевых условиях и нелетальное воздействие на противника. Примером последнего является радиоэлектронная борьба, а в перспективе и применение специального высокоэнергетического оружия для вывода из строя электронных систем противника.

Отметим также, что варианты ББС, принятые для конкретизации функциональной стороны классификации, приведены в табл. В.1 в порядке возрастания сложности выполняемых ими задач и сложности условий их применения. Аналогично порядок вариантов ББС, характеризующих технологическую сторону классификации, отражает возрастание сложности эксплуатации ББС и следует возрастанию их размерности.

Табл.В.1

Функциональная сторона классификации Технологическая сторона классификации

Вариант А Вариант В Вариант С

Запуск ББЛА с авиационного носителя Запуск ббла с наземной или корабельной установки Аэродромное и палубное базирование ББЛА

Вариант 6 ББС-истребители многоразового применения +

Вариант 5 ББС-истребители одноразового применения +

Вариант 4 Ударные ББС одноразового применения +

Вариант 3 Ударные ББС и ББВ многоразового применения +* + +*

Вариант 2 Разведывательно-ударные ББС и ББВ многоразового применения +* + +*

Вариант 1 Разведывательные ББС и ББВ многоразового применения +* +

- только для ВВС.

Также в работе [5] отмечается, что информационная сторона занимает особое место в общей концепции беспилотной боевой авиации. Наиболее наглядно это проявилось в программе J-UCAS, проводимой агентством DARPA, где информационная составляющая беспилотной боевой авиации была выделена в самостоятельную систему, получившую обозначение COS (Common Operating System - единая операционная система). По словам М. Фрэнсиса, возглавляющего работы по беспилотной авиации в DARPA, "COS - это все, что находится за пределами авиационного носителя, и все, что обеспечивает объединение беспилотных носителей в единое целое".

В меньшей степени обособление информационной стороны общей концепции беспилотной боевой авиации проявляется в европейской практике. Однако и здесь нельзя не отметить, что фирма Дассо, например, взяв на себя роль общего руководителя работ по ББС тактической категории, в качестве непосредственной части своих работ оставила за собой лишь создание ББС как авиационного носителя оружия, передав вопросы информационной интеграции отдельных ББС в единую систему своему основному партнеру по работе - фирме EADS

Общим положением для всех существующих концепций по рассматриваемому вопросу является взгляд на применение беспилотной боевой авиации "как на формирование некоторой информации, ее передачу и обработку с целью реализации определенных боевых действий».

Очевидно, что независимо от способов применения и выполняемых задач пилотируемые и беспилотные самолеты наиболее эффективны тогда, когда они функционируют в рамках единой информационной сети. В такой сети пилотируемые самолеты могут являться узлами с управляющими функциями, в которых члены экипажа пилотируемых самолетов будут принимать решение о действиях ББС во всех ситуациях, где потребуется участие человека.

К х 5 ¿1 ш>

Рис. В.2. Информационная концепция беспилотной боевой авиации с комплексными пунктами управления различного базирования. 1-бортовые системы приема и обработки информации; 2- сеть оперативного обмена информацией между ББС; 3 - внешние источники информации самолеты радиолокации п радиотехнической разведки; 4 - внешние ретрансляторы (высотные БЛА, спутники связи); 5 - операторские пункты управления ББС (наземные, морские и воздушные); 6 - многоканальные линии связи.

Как это показано на рис. В.2, самые первые представления по данному вопросу выделяли в информационной системе, определяющей возможности боевого функционирования ББС, следующие компоненты, относящиеся к узлам сети и связям между ними:

• информационная сеть оперативного обмена информацией между ББС;

• высокопроизводительные линии двухканальной связи находящихся в воздухе летательных аппаратов с операторскими пунктами;

• источники информации (самолеты радиолокации дальнего наблюдения (РЛДН), самолеты радиолокационного наблюдения и прокладки (РЛНП));

• операторские пункты управления (включая соответствующее вычислительное и интерфейсное оборудование) наземного, морского и воздушного базирования;

• бортовые системы ББС, обеспечивающие получение информации (как внешней информации о боевой, обстановке, так и командной информации от оператора ББС), ее передачу, хранение и обработку (в том числе принятие решений с использованием бортовых управляющих программ)

В разделе Информационно-сетевая интеграция беспилотной боевой авиации работы [5] говорится о том, что технологии, предназначенные'для реализации помехозащищенных и высокопроизводительных каналов обмена информацией между ББС и пунктами управления, не являются спецификой развития именно беспилотной боевой авиации. Они связаны с развитием боевой авиации вообще, и их применение началось еще до текущего этапа создания беспилотной боевой авиации. Точнее, это относится к одной из двух технологий, о которых в данном случае может идти речь, а именно, к технологии единой системы распределения тактической информации (технологии ЕСРТИ).

Ее использование уже опробовано в практике применения боевой авиации, в связи с чем можно говорить о расширении ее использования на беспилотную боевую авиацию. В перспективе определенную альтернативу ей может составить технология глобальной информационной сети (технология сети "Интернет"). Хотя ее развитие и уступает развитию технологии ЕСРТИ, она может стать основной информационно-сетевой технологией управления авиацией вообще и беспилотной боевой авиацией, в частности.

Действительно, в настоящее время очень актуальна концепция единого информационного пространства обеспечения боевых действий. В работе [6-11] отмечается, что специалисты многих государств исследуют концепцию ведения боевых действий вооруженными силами (ВС) в едином информационном пространстве (ЕИП, Network Centric Warfare), отводя при этом значительную роль беспилотным летательным аппаратам (БДА). В настоящее время сектор БЛА развивается динамичнее других, чему способствует разработка высокочувствительных датчиков и высокоскоростных каналов передачи данных для них. С внедрением сетевых систем управления операциями и модернизацией авиационного разведывательного оборудования увеличивается количество НИОКР в этой области. Разработчикам систем авиаразведки сейчас предстоит решить задачи полного шифрования информации, строительства необходимой инфраструктуры, улучшения возможностей предупреждения об атаках противника.

В ходе изучения первых работ по концепции ЕИП зарубежные эксперты и аналитики поняли то, что БЛА будут играть все более и более важную роль в военных операциях недалекого будущего. Эти операции предусматривают использование разнообразных информационных платформ: разведывательных спутников, воздушных систем дальнего радиолокационного обнаружения и других средств сбора информации, объединенных в сети совместно с потребителями этой информации -самолетами в воздухе, силами на земле и кораблями в море.

В соответствии с данной концепцией, предусматривается внедрение в войска передовых информационных технологий (высокопроизводительных компьютеров, современного программного обеспечения, цифровых систем передачи данных) для объединения рассредоточенных в обширном боевом пространстве разнородных сил и средств (личный состав; органы и пункты управления боевого обеспечения; вооружение и военную технику наземного, воздушного и морского базирования) в формирования со сложной сетевой архитектурой - глобальные и локальные информационные сети.

Однако надо помнить, что работоспособность системы в целом и выполнение поставленных задач напрямую зависит от надежности функционирования линии радиосвязи. В Предложениях по созданию перспективных радиотехнических средствах для Вооруженных Сил РФ (статья в журнале «Национальная оборона», №3, март 2007)[12], среди прочих выделены такие требования к радиотехническим средствам связи как:

- живучесть;

- скрытность работы, т.е. способность противодействовать видовой и радиоэлектронной разведке, так, чтобы свести к минимуму объем информации, получаемой противником о характеристиках РТС и местоположении активных элементов. Основные направления: снижение энергопотенциала передатчиков за счет структурной и информационной избыточности сигналов, расширение рабочей полосы частот - применение сверхширокополосных щумоподобных сигналов, использование парных когерентных излучателей, применение специальных режимов типа «мерцания или «фазового шума» и т.д.;

- распределенная (разнесенная, многопунктная) структура - новый подход к созданию военной техники. Распределенные в пространстве отдельные единицы РТС образуют единую систему (сеть), выполняющую в определенное время в зоне ответственности поставленную задачу;

- многофункциональность — способность решать широкий спектр задач за счет использования программно управляемых модулей РТС и их интерфейсного объединения в систему (сеть).

-и др.

В настоящее время одним из наиболее эффективных способов повышения помехоустойчивости и скрытности связи является использование сигналов сложной формы с оптимальной обработкой их на приемной стороне. К таким сигналам, в частности, относятся широкополосные или шумоподобные сигналы (ШПС)[13-14].

Для БЛА малых размеров, с ограниченной мощностью бортового передатчика, характерно то, что в ДН антенн, как и в других случаях расположения антенн на объектах сложной геометрической формы, имеют место провалы, причем достаточно глубокие [15-19].

Наличие глубоких интерференционных провалов в диаграммах направленности бортовых антенн является существенно ограничивающим фактором. Из-за наличия этих провалов приходиться либо допускать возможность перерывов в связи, либо идти на увеличение мощности передатчика, исходя из минимального значения коэффициента усиления бортовой антенны, соответствующего интерференционным провалам. В свою очередь, увеличение мощности радиопередатчика приводит к увеличению массы аппаратуры: как самого передатчика, так и бортовых источников электропитания. Альтернативой усилению мощности передатчика является использование для синтеза ДН антенн широкополосных сигналов с соответствующей обработкой на приемной стороне, что позволяет «сгладить» провалы ДН.

Идея использовать широкополосные сигналы для качественного улучшения характеристик антенн предложена относительно давно;., в 60-ые годы велись работы в данном направлении. Однако развитие антенной техники в этом направлении было ограничено, в том числе и отсутствием необходимой элементной базы и недостаточным развитием вычислительной техники. В настоящее время, в связи с бурным развитием вычислительной техники, открываются определенные перспективы использования ШПС в системах радиосвязи, для улучшения направленных свойств антенн, обеспечения скрытности радиоканала и повышения помехозащищенности.

Таким образом, на сегодняшний день, актуальной является задача совершенствования тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи воздушного объекта с наземным пунктом. Перспективным для поставленной задачи является использование в системах радиосвязи широкополосных сигналов.

Целью работы является улучшение тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА).

Задача, решаемая в диссертации, состоит в разработке методов повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток, с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Решение задачи подразумевает решение более частных взаимосвязанных задач:

• анализа требований к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн, выработки критериев и оптимизации указанных требований;

• разработки методов синтезирования ДН малоэлементных бортовых антенных решеток средств связи, использующих широкополосные сигналы, в соответствии с выработанными требованиями и критериями;

• разработки метода формирования направленных свойств антенных решеток наземной аппаратуры связи, использующих широкополосные сигналы, и оптимизацию их в соответствии с выработанными критериями;

• проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению показателей антенн радиосредств связи с БЛА;

• выработки предложений по практической реализации указанных методов и технических решений.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. На основе проведенного анализа определены требования к характеристикам направленности бортовых и наземных антенн средств связи, исходя из условий конкретного применения БЛА. Разработаны методики определения оптимальных ДН.

2. Предложено использование в качестве бортовых антенн средств связи с широкополосными сигналами антенных решеток, с синтезированными ДН. Определены оптимальные значения весовых коэффициентов для случаев управляемых и неуправляемых ДН в режимах приема и передачи. Показана возможность повышения потенциала линии связи и ослабления влияния помех от соседних источников.

3. Предложено использование антенных решеток с синтезированными ДН в наземной аппаратуре средств связи с ШП сигналами. Предложено осуществлять синтезирование их диаграмм направленности при совместном выборе весовых коэффициентов пространственно-частотной обработки и спектрального состава используемых сигналов. Для этих условий показана возможность эффективной селекции излучений от нескольких источников, без ослабления приема полезного сигнала. Также показана возможность повышения потенциала связи.

4. На основании проведенного анализа получены количественные оценки для типичного числа излучателей, типичного числа используемых частотных каналов и размеров и форм БЛА среднего класса. Показано, что использование методов синтезирования ДН бортовых антенн позволяет повысить потенциал связи до 13 дБ для управляемых и до 13 дБ ослабить влияние интерференционных провалов для неуправляемых ДН. А также практически полностью исключить влияние помехи за счет антенного фактора. Использование техники синтезирования ДН антенн наземной аппаратуры позволяет для решеток из 6-12 излучателей и 6-12 частотных каналов повысить потенциал связи до 11 дБ, а также увеличить отношение сигнал/помеха до 18 дБ. Полученные зависимости могут использоваться как I рекомендации при проектировании средств связи с ШП сигналами.

5. Выработаны рекомендации по практическому осуществлению процедур оптимизации для бортовых антенн, с учетом влияния объекта установки, и наземных антенн, с учетом взаимной связи излучателей в решетке.

1. Мясников Е.В., Угроза терроризма с использованием беспилотных летательных аппаратов: технические аспекты проблемы. — Центр по изучению проблем разоружения, энергетики и экологии при МФТИ, Долгопрудный, 2004 г. -29 с.

2. Steven J. Zaloga, "UAVs Increase in Importance," Aviation Week & Space Technology, January 19, 2004, p. 1053. "Unmanned Aerial Vehicles Roadmap 2005-2030," Office of the Secretary of Defense, December 2005

3. Robert Little, "FAA's OK Sought for Drones," Baltimore Sun, July 16, 2003

4. Развитие беспилотной боевой авиации и роль информационных технологий в ее реализации. В.В. Володин, А.В. Васильев. Под общей редакцией Е.А. Федосова. Москва, 2005.

5. Михаил Павлушенко, Геннадий Евстафьев, Иван Макаренко Беспилотные летательные аппараты: история, применение, угроза распространения и перспективы развития, Москва, Издательство «Права человека», 2005

6. Даффи П., Кандалов А. А.Н. Туполев. Человек и его самолеты. М.: Московский рабочий, 1999.

7. Предложения по созданию перспективных радиотехнических средствах для Вооруженных Сил РФ. Журнал «Национальная оборона», март 2007

8. В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, С.Л.Портной, И.В.Шахнович Широкополосные беспроводные сети передачи информации. — Техносфера, Москва, 2005г.

9. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.:Радио и связь, 1985

10. S.H. Breheney, R. D , Andrea and J.C.Milner Using Air-borne vehicles-based antenna Array to improve commimica-tion with UAV clusters. \\ Proc. IEEE Conf. on Decision and Control, Dec. 2003, p.4158-4162

11. Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. М.:Сов. Радио. 1967-416с.

12. J. Lux and М. Schaefer Displacing Unpredictable Nulls in Antenna Radiation Patterns- A simple method could be implemented at minimal cost. NASA's Jet// Propulsion Lab., Pasadena, California \\ web site www.nasatech.com/briefs/ Mar05/NP030898.html

13. Steyskal H. Synthesis of antenna pattern with imposed near field nulls. Electron. Letters vol 30 no 24 Nov 1994 h. 2000-2001

14. Landese L., Obellerio F., Rodriges IJ and Pino A.G. Pattern synthesizing of array antenna in presense of conducting bodies of arbitrary shape. Electron. Letters vol 33 no 18 Aug. 1997 . 15121513

15. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. М.: Радио и связь, 1972

16. J. Shan Shium Jan and Euge R. Using GPS to synthesize a large antenna aperture when elements are mobile. In Inst. Of Navigation Nat. Technic.Meeting. Anaheim Jan. 2000

17. Стейн С., Джонс Дж. Принципы современной теории связи и ее применение к передаче дискретных сообщений. М.: Связь,1971-373 с.

18. Радиолокационные устройства. Под ред. В.В. Григорина-Рябова. М.: Сов. Радио, 1970- 680с.

19. David К. Barton Radar system analysis. Prentice-Hall Inc.Englewood Cliffs, New Jersey, 1964 598p

20. Корниенко Л.Г. Теория и техника излучающих и направляющих систем. Издательство ХВУ, Харьков, 1994-626с.

21. Черный Ф.Е. Распространение радиоволн. М.:Сов. Радио,1972-464с.

22. Юсиф Саси Юсиф Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, КГТУ (КАИ), 2007.

23. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии. Под ред.Г.А.Морозова и Ю.Е.Седельникова. М.: Радиотехника, 2003 112с

24. Иммореев И .Я. Широкопол осность фазированных антенных решеток. В кн. Проблемы антенной техники. Под ред. Л.Д.Бахраха и Д.И.Воскресенского М.: «Радио и связь», 1989. стр.61-87

25. Гинзбург В.М., Гузеев И.В., Аронов Ф.А. Отклонение луча при изменении частоты в решетке с параллельным возбуждением управляемых элементов/ЛЗопросы радиоэлектроники. Сер. XII. 1962. - Вып. 7. - С. 14-26.

26. Вольперт А.Р. О частотной зависимости ориентации диаграммы направленности в сканирующих антенных решетках с фазируемыми элементами// Антенны: Сб. статейпод ред. A.A. Пистелькорса. М.: Связь, 1973. - Вып. 17. - С. 35-42.

27. Patel M.R., Arora R.K. Array dispersion effects on matched filter output for linear FM//IEEE Trans. 1978. - Vol.AES-14, N 4. -P. 700-703.

28. Arora K., Arora R.K. Matched filter response to a linear FM signal transmitted through a phased array//IEEE Trans. 1978. - Vol. AES-12, N 12. - P.73-77

29. Белов JI.A., Томский A.M. Искажения широкополосных сигналов в фазированных антенных решетках. Обзор//Зарубежная радиоэлектроника. 1979. - №10. - С. 4258.

30. Антенные решетки. Под редакцией Л.С.Бененсона. М.: Сов. Радио. 1968 - 367с.

31. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. М.: «Советское радио», 1980, 294с.

32. Шувертков В.В., Захаров М.В. Кризис активной локации. // Воздушно-космическая оборона 2005. - №2(21). - С.26-29.

33. Г.П. Дремлюга, С.А. Ески, Ю.Л. Иванов, В.А. Лященко Беспилотные летательные аппараты. Состояние и тенденции развития. Под общей редакцией д.т.н., проф. Иванова Ю.Л. -М.: ЛА «Варяг», 2004 -176с.

34. Быховский М.А. Прием ширкополосных сигналов при помощи адаптивных антенн. // Мобильные системы. август 2006 - С.13-20

35. Громаков Ю.А., Василенко О.О. Цифровые антенные решетки для систем сотовой подвижной связи. / Активные фазированные антенные решетки. Под. Ред. Д.И.Воскресенского М:Радиотехника, 2004 - 488с.

36. Шайдуров Т.Я., Болотин В.В. Возможности сверширокополосных сигналов в диапазоне миллиметровых волн для сетей абонентского доступа. Сетевой электронный научный журнал «Системотехника» №1,2003, http://systech.miem.edu.ru/

37. Иммореев И.Я. Основные возможности и характеристики сверхширокополосных радаров. Радиофизика и Радиоастрономия. Том 7, №4 Декабрь, 2002 стр. 339-344

38. Пространственно-временная обработка сигналов. Под редакцией И.Я. Кремера. М.: «Радио и связь», 1984, 224с.

39. И.Я. Кремер, В.А. Понькин Пространст-венно-временная обработка сигналов в зо-не Френеля. Радиотехника и электроника. №1, 1977, стр.72-79

40. Седельников Ю.Е. Антенно-фидерные устройства. Ка-зань, «Новое Знание», 2000 88с

41. Carter P.S. Antenna arrays around cylinders, PIRE,1943, vol. 31 №12 p. 671-693

42. Антенны. Пер. с англ. под ред. А.И.Шпунтова М.:Сов. Радио. 1951

43. Adachi S.A. A theoretical analysis of semi-infinite conical antennas/ IRE Trans/ 1960, Vol. AP-8, № 6 p. 534-547

44. Landesa L.,Obeleiro F.,Rodriguez J.L.,Pino A.G.Pattern synthesis of array antennas in presence of conducting bod-ies of arbitrary shape. Electron.Letters, vol.33,no.18, Aug. 1998< p.l512-1513

45. Landesa L.,Obeleiro F.,Rodriguez J.L.,Pino A.G.Pattern synthesis of array antennas in presence of dielectric bod-ies. IEEE Trans, of Magnetics, vol.35,no.3, May 1999, p.1522-1525

46. Юу Ф.Т. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию. М.:Сов. Радио, 1979-304с.52.53,54,55,565962,63,64,65,

47. Keller J.B. Diffraction by a convex cylinder. Trans.IRE,vol. AP-4,№3, 1956

48. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. M.: Связь, 1071 -488с.

49. Программный пакет для расчета антенн MMANA. www.smtetts.net

50. Программный пакет для расчета антенн FEKO. www. feko.co.za

51. Антенны с электрическим сканированием. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Под ред. Л.Д. Бахраха. М.: Радиотехника, 2001 -252с

52. Согласованная фильтрация широкополосных сигналов. Р.В.Анашкин, В.А.Анашкин, УДК 621.391.145 Методы и техника измерения66