автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Наземные пространственно-распределенные антенные системы радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов

904613064 На правах рукописи

ЛУЧКИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

НАЗЕМНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОЛИНИЙ УПРАВЛЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.12. 07 - «Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

1 8 НОЯ 2010

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2010

004613064

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

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Седельников Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Рябова Наталья Владимировна, заведующая кафедрой РТиС МарГТУ

кандидат технических наук Логинов Сергей Сергеевич, начальник сектора ФГУП «ФНПЦ «Радиоэлектроника» им. В. И. Шимко»

Ведущая организация:

ОАО «ОКБ «Сокол», г. Казань

Защита состоится 26 ноября 2010 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.10

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета имени А. Н. Туполева.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте Казанского государственного технического университета имени А. Н. Туполева www.kai.ru.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета МЬ Седов С. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В радиосвязи, в последнее время, значительное внимание уделяется системам, использующим в своей основе множественные пространственно-распределенные передающие и (или) приемные позиции (антенны). В радиолокации также одним из перспективных направлений развития является переход к многопозиционным радиолокационным системам, состоящим из разнесенных в пространстве передающих и приемных (или прнемо-передающих) позиций. Подобные системы благодаря совместной обработке информации, принимаемой (передаваемой) множественными пространственно-разнесенными позициями, обеспечивают ряд преимуществ.

Многопозиционные радиотехнические системы покрывают достаточно протяженные области пространства. При этом их совокупные антенные системы имеют значительные размеры, и фактически зона действия таких систем является зоной Френеля. В зоне Френеля интерференционная картина поля зависит не только от пространственных углов, но и от расстояния - удаления точки наблюдения. Преимущества, достигаемые в подобных системах, связаны с характером зависимости пространственных характеристик электромагнитного поля, формируемого ими. Это, в свою очередь, предопределяет интерес к изучению влияния пространственных характеристик электромагнитного поля на показатели радиотехнических систем и к зависимости пространственных характеристик электромагнитного поля от параметров многопозиционных радиотехнических систем (пространственно-распределенных антенных систем).

Принципиально методика анализа характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем сводится к решению прямой внешней задачи, которая заключается в определении распределения поля по заданному амплитудно-фазовому распределению антенной системы.

Изучение поля излучения антенной системы базируется на определении ее характеристик и закономерностей их изменения от изменения параметров антенной системы. Следующим шагом является анализ флуктуации амплитуды и фазы поля в определенных направлениях, на флуктуации характеристик поля антенной системы. Знание характеристик пространственно-распределенных антенных систем и их изменения позволяет определить их влияния на характеристики (показатели) многопозиционных радиотехнических систем.

Применение многопозиционных радиотехнических систем, в том числе для передачи информации и управления беспилотными авиационными комплексами - важная и актуальная задача, в первую очередь, требующая решения прямой внешней задачи для пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

Таким образом, цели и задачи работы можно сформулировать следующим образом.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов за счет применения пространственно-распределенных антенных систем.

Поставленная цель достигается решением основной задачи, заключающейся в исследовании характеристик пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, и определении их влияния на информационно-

технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов. Решение обозначенной задачи требует решения следующего круга частных задач:

1 Анализ и определение характеристик интерференционной картины поля в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

2 Оценка влияния параметров пространственно-распределенных антенных систем (длина волны, размеры антенной системы, количество излучателей антенной системы, дальность фокусировки, ширина полосы сигнала и пр.) на характеристики поля формируемого ими.

3 Оценка влияния ошибок и флуктуаций параметров антенных систем на характеристики поля.

4 Оценка влияния характеристик поля на информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

5 Выработка предложений по практической реализации пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, для радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Объект исследования. Пространственно-распределенные антенные системы, сфокусированные в зоне Френеля, радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Предмет исследования. Характеристики пространственно-распределенных антенных систем и информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использованы аналитические методы теории вероятности, математической статистики, численные методы прикладной электродинамики. Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения для задач математического моделирования в среде МАТЬАВ.

Научная новизна. В работе впервые:

1 Проанализированы и определены характеристики интерференционной картины поля в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

2 Определено влияние широкополосности сигнала на характеристики поля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

3 Получена оценка влияния ошибок амплитуды и фазы на характеристики поля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

4 Определено влияние характеристик поля излучения пространственно-распределенных антенных систем и их изменения на основные информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

5 Проработаны варианты реализации пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, позволяют улучшить информационно-технические показатели радиолиний управления и переда-

чи информации и могут быть рекомендованы для использования при проектировании радиотехнических средств связи беспилотных авиационных комплексов.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международная молодежная научная конференция «XV Туполевские чтения» (Казань, 2007); VI Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007); 6-ая Международная выставка конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2007); VI Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2008); Международная молодежная научная конференция «XVI Туполевские чтения» (Казань, 2008); Девятая международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2008); Седьмая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009); Международная молодежная научная конференция «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2010); V Международная научно-практическая конференция «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2010).

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением методов расчета поля излучения в зоне Френеля антенных систем, обоснованностью упрощающих допущений, а также результатами математического моделирования.

Реализация результатов. Теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы при разработке технических предложений по совершенствованию информационно-технических показателей командных радиолиний в рамках опытно-конструкторских работ по разработке воздушных мишеней в ОАО «ОКБ «Сокол», а также внедрены в учебный процесс в КГТУ им. А. Н. Туполева.

Публикации. Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 2 работы в журналах из списка, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 106 наименование отечественных и зарубежных источников, в том числе 11 работ автора, и содержит 137 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 2 таблицы и 2 приложения.

Личный вклад автора состоит в адаптации подхода к расчету поля излучения антенной системы во временной области для определения интерференционной картины поля в зоне Френеля антенной системы с учетом структуры сигнала, разработке алгоритмов и специального программного обеспечения для математического моделирования в среде MATLAB, анализе результатов, также автором разработан вариант аппаратурной реализации пространственно-распределенной антенной системы.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:

1 Применение пространственно-распределенных антенных систем,

сфокусированных в зоне Френеля, для радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

2 Характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

3 Временной подход расчета интерференционной картины поля в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

4 Результаты оценок характеристик интерференционной картины поля про-страпствснно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, и основные закономерности их изменения.

5 Влияние характеристик интерференционной картины поля пространственпо-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, решаемые задачи, перечислены основные положения, выносимые на защиту. Приведена структура диссертации, форма апробации и внедрения ее результатов.

В первой главе дано обобщенное описание пространственно-распределенных антенных систем. Систематизированы основные характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем сфокусированных в зоне Френеля.

Предваряя изложение результатов первой главы, отметим, что в классической теории антенн в качестве базовой модели, для которой устанавливаются наиболее важные закономерности, используется поперечно излучающая линейная антенна с синфазным распределением излучающих токов. Для рассматриваемого случая аналогом является линейная эквидистантная разреженная антенная решетка (PAP) с изотропными антеннами с амплитудно-фазовым распределением, обеспечивающим фокусировку поля в точку, расположенную на нормали к PAP на конечном расстоянии Л, как показано на рисунке 1.

На рисунке 2 показано типичное распределение плотности потока мощности в зоне Френеля PAP в окрестности точки фокусировки в плоскости 0XY. Из рисунка видно, что распределение плотности потока мощности неравномерно как по направлению. так и по дальности. При этом в интерференционной картине поля можно выделить область фокусировки, представляющую фокальное пятно, ограниченное по ширине и глубине, а также вторичные интерференционные максимумы, соизмеримые по уровню плотности потока мощности с главным. В работе введены следующие ха-

PllCVHOK 1.

рактеристики, позволяющие достаточно полно описать пространственное распределение интенсивности поля.

Смешение фокального пятна по глубине (Rcu) - определяется в продольном направлении, как расстояние между заданным (/?„,/?„) и фактическим (R,. ,ßh ) значениями дальности до точки фокусировки.

Коэффициент направленного действия (£>) - отношение интенсивности излучения в направлении главного максимума к среднему значению интенсивности излучения по всем направлениям (на поверхности полной сферы, охватывающей антенну, при одинаковых - конечных расстояниях в обоих случаях).

Ширина фокального пятна (ДМГ) - определяется как величина угла раствора главного фокусного максимума распределения поля, в какой либо плоскости и на заданном уровне напряжения или мощности.

Глубина фокального пятна (ДМL) - определяется в продольном направлении, как расстояние между ближним и дальним краями области фокусировки на заданном уровне напряжения или мощности.

Уровень вторичных интерференционных максимумов. Учитывая немонотонный характер зависимости поля не только от пространственных углов, но и от дальности необходимо определять закономерности изменения вторичных интерференционных максимумов как в поперечном направлении (по направлению), так и в продольном направлении (по глубине зоны Френеля).

Уровень вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении (ST) - характеризуется отношением уровня наибольшего вторичного интерференционного максимума к уровню главного фокусного максимума, находящихся на конечном расстоянии, равном дальности фактического положения точки фокусировки. Уровень вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении (S, ) - определяется как отношение максимального значения КНД в области фокусировки к максимальному значению КНД в области наибольшего вторичного интерференционного максимума на дальности, отличной от дальности до области фокусировки.

Ввиду сложного характера зависимости поля в зоне Френеля сфокусированной разреженной антенной решетки от пространственных углов и расстояния, простой аналитической модели, позволяющей определять характеристики интерференционной картины поля, в настоящее время не найдено. Расчет интерференционной картины поля реализован на ЭВМ в виде отдельных подпрограмм, разработанных в соответствии с рассмотренной в работе математической моделью PAP.

При общепринятых допущениях, принимаемых для упрощения анализа антенных решеток, а именно: антенны являются изотропными и излучают (принимают) электромагнитное поле (ЭМП) равномерно во всех направлениях; взаимная связь между антеннами отсутствует; ЭМП сигналов излучаемых (принимаемых) антеннами

поляризовано в одном направлении, к решению прямой внешней задачи применен подход, основанный на определении интерференционной картины поля по результатам расчетов во временной области.

Согласно данному подходу напряженность электрического поля распределенного по раскрыву PAP может быть описано как амплитудно-фазовое распределение

= (1) где у/, - фаза радиосигнала подводимого к i-му элементу PAP, / - центральная частота сигнала, А - величина напряженности электрического поля г-го элемента PAP (А = V6QP, где Р - подводимая мощность).

Напряженность электрического поля, формируемая г'-ым элементом, в дальней

зоне

jW

Д^о^оЬ — е"'"'' /О,-,У,-,г,), (2)

где к = 2кЦ - волновое число, W - сопротивление среды распространения,

Rt - расстояние от i-то элемента PAP с координатами (x^y^z.) до точки наблюдения

с координатами (jr„,y0,z0) R, = ^(лг0 -х)2 + (>•„ -у,)2 +(z0 -г,)2 .

Учитывая принцип суперпозиции, результирующее поле от N излучателей запишется как сумма полей ог каждого из них

(3)

Тогда плотность потока мощности в направлении ß на конечной дальности R будет равна

I'll

П.

^ = tlweldt'

(4)

где Т

-Я/

время интегрирования.

Таким образом, интерференционная картина поля определяется значениями вектора Пойнтинга на конечных дальностях {R} и направлениях {ß}. По рассчитанной картине распределения поля, в зоне Френеля сфокусированной PAP, определяются, рассмотренные выше, характеристики.

В работе оценка характеристик сводится к их определению для следующего ряда значений параметров PAP: количество излучателей PAP (N)- 4, 8, 16, 32, 64, 128; расстояние между соседними элементами или шаг PAP (d), X - 4, 8, 16, 32, 64, 128; длина волны (А), м - 10, 1, 0.1; дальность до точки фокусировки (R) -двенадцать точек, равномерно распределенных в диапазоне от L до Лтм

Смещение фокального пятна. Результаты оценки смещения дальности фокусировки в виде нормированной зависимо-

А

R.

Rf,

RF

сти —— сунке 3.

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

показаны на ри-

Рисунок 3. Зависимость фактической дальности фокусировки от заданной дальности для определенного ряда значений параметров при N = 4 (О), 8 (Д), 16 (□), 32 (•), 64 (А), 128 (в).

С увеличением дальности фокусировки увеличивается смещение фокачьного пятна. Учитывая глубину фокального пятна, можно говорить о фокусировке близкой к не смещенной, в пределах которой отклонение фактической дальности положения точки фокусировки от заданной не превышает величину, равную половине глубины фокального пятна. На заданной дальности фокусировки половина глубины

фокального пятна по уровню половины мощности составляет ~0.035й,„м, а отклонение фактической точки фокусировки от заданной па этой дальности находится в пределах ~(0.01..0.02)/?тс. При увеличении заданной дальности фокусировки смещение фактической дальности фокусировки фокального пятна Лсм увеличивается. Дальность фокусировки равную ~0. !??„„„ можно назвать границей «несмещенной» дальности фокусировки.

Зависимость смещения фактической дальности фокусировки от заданной в диапазоне дальностей фокусировки Л ;0.05 с погрешностью, не превышающей 5%, может быть аппроксимирована выражением

■ 0.95'

А

(5)

ми

/MLn

0.05

А

Глубина фокального пятна. Для определения основных закономерностей изменения глубины фокального пятна использована зависимость вида

-—— , где М, - глуоина

фокального пятна соответствующая фактической дальности точки фокусировки М1та -максимальный размер области фокусировки соответствующий максимальному значению фактической дальности до точки фокусировки, результаты оценки которой представлены на рисунке 4. Данная зависимость имеет квадратичный характер, и может быть описана выражением ' Я ,

1 О

I - i ' ¡0 .tf _____j&t.-0-

-МЛ*" ! ___1

■ »■ . liiHlHFgffi i

0.02 0.04 0.06 0.08

0.1

Re,

W

Рисунок 4. Зависимость нормированной глубины фокального пятна от нормированной фактической дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N = 4 (о), 8 (Д), 16 (□), 32 (.), 64 (А), 128 (■),

М,

(6)

-X 10

где п = const.

Для дальностей фокусировки получено значение коэффициента п-16, при погрешности не превышающей 5%.

Определена зависимость глубины фокального пятна (Л/, т) для максимальной заданной дальности фокусировки (ftmil) от длины волны и разме-

4000 6000 I.M

10000

Рисунок 5. Зависимость глубины фокального нятка от длины волны и размеров PAP при Х=10 м (Д), 1 м (с), 0.1 м (О).

ров РЛР. Характер изменения максимального размера глубины фокального пятна от линейных размеров PAP и длины волны показан на рисунке 5. Из рисунка видно, что зависимость может быть аппроксимирована выражением

(7) .

где к = const. При помощи метода наименьших квадратов получено значение коэффициента ¿=0.44 при этом погрешность не превышает 5%.

На основании соотношений (6), (7) с учетом того, что Rmx - ¿/^ получено выражение отражающее зависимость глубины фокального пятна от параметров PAP

М,

RJ

¡d¿ X

• пк

К,Я

r2j.

l2

(8)

Ширина фокального пятна. Результаты оценки ширины фокального пятна показаны на рисунке 6.

Установлено, что ширина фокального пятна М, в диапа- 1.5

зоне дальностей фокусировки Я е[й„„;0.1 •/?„,,] прямо пропорциональна длине волны и 0.5 обратно ■ пропорциональна размерам PAP. Данная зависимость "о о.1 0.2 0.3 0.4 может быть описана выражением вида

я

, ------- , — , I 1 i 1 I I t f 1

1 ' * ^jdraS^ 1

> t 1

1 1 1 1 1 I ) 1

0.2

Rf/r

/пт

МТ » m

L

Рисунок 6. Зависимость нормированной ширины фокального пятна от нормированной фактической дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N = 4 (о), 8 (Л), 16 (-), 32 (•), 64 (Ж), 128 (■).

При малом количестве элементов PAP (n <. 16) наблюдается зависимость ширины фокального пятна от их количества.

Результаты приближения ширины фокального пятна для количества элементов PAP (N > 16) в диапазоне дальностей фокусировки Л Е ;0.1 показывают, что ширина фокального пятна может быть описана (9) при коэффициенте ш = 0.88 с погрешностью не превышающей 5%.

Коэффициент направленного действия. Результаты оценки коэффициента направленного действия в области фокусировки PAP сфокусированной в зоне Френеля показаны на рисунке 7. Анализируя результаты оценки КНД можно отметить, КНД зависит от дальности фокусировки. На некотором

удалении от PAP КНД достигает J Рисунок 7. Зависимость КНД в области фокусировки от

максимального значения равно- нормированной фактической дальности фокусировки го числу излучателем PAP, после для определенного ряда значений параметров

чего снижается. На участке при N = 4 (с), 8 (д), ]6 (с), 32 (•), 64 (А), 128 («).

дальности R б[Ктп ;0.05 ■ J КНД может быть определен выражением

D-0.9-N. (10)

При этом ошибка аппроксимации не превышает 5%. При аппроксимации КНД выражением (10) в диапазоне Л е[Ды„;0.1-ошибка не превышает -10%.

Уровень вторичных интерференционных максимумов. Как показывают результаты многократных расчетов в зоне Френеля сфокусированной линейной эквидистантной PAP уровни вторичных интерференционных максимумов и. как следствие, их количество неравномерны и зависят от глубины фокусировки. На глубинах близких к минимальным дальностям фокусировки на результирующее поле большое влияние оказывают уровни сигналов, имеющие различную величину из-за большого различия «относительных» длин путей распространения сигналов от различных элементов PAP, но, несмотря на это, выделяются вторичные интерференционные максимумы, равные по уровню главному фокусному максимуму. При увеличении дальности фокусировки происходит выравнивание уровней сигналов от различных элементов PAP, и как следствие, наблюдается картина с более равномерным распределением уровней вторичных интерференционных максимумов. Таким образом, выражение отражающее зависимость уровня вторичных интерференционных максимумов для эквидистантной PAP при применении монохроматического сигнала может быть записано в следующем виде ST = 0.

Рассматривая оценки интерференционной картины поля в продольном направлении, проходящем через точку фокусировки, для некоторых крайних значений параметров из ряда значений длин волн, количества излучателей PAP и шага PAP можно отметить, что на различных глубинах возникают вторичные интерференционные максимумы близкие главному. Как показывают результаты многочисленных расчетов, па уровень вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении значительное влияние оказывает шаг PAP. При шаге PAP (измеряемом в длинах волн) большем числа излучателей PAP уровень вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении соизмерим с уровнем главного фокусного максимума, как показано на рисунке 8 а, а при шаге PAP меньшем числа излучателей PAP КНД в области главного фокусного максимума превышает КНД вне данной области, как показано на рисунке 8 б.

Во второй главе введено понятие коэффициента широкополосности, отражающее зависимость относительной длительности сигнала от ширины полосы частот, занимаемой сигналом, и рабочей частоты.

— —4 1

j

!

!

щ, ■IN

0 0.0! 0.1 11.15 11

К'

Рисунок 8. Зависимость нормированного КНД от нормированной дальности (i?'=Ä/maxR), при ß=ir/2, d=128 N=16 (я) d=16 N=128 (о).

(И)

/л /, + /«

Оценки влияния широкополосности сигналов выполнены для с;гучая прямоугольного радиоимпульса, который при увеличении коэффициента широкополосности до единицы вырождается в двуполярный сверхкороткий импульс. Временной подход, описанный выше, адаптирован для учета коэффициента широкополосности радиосигнала и разности времен его прихода в различные точки PAP или от различных элементов PAP в ту или иную точку наблюдения с учетом существования сигнала в ограниченные промежутки времени в ограниченных областях пространства.

Результаты анализа по выполненным расчетам для ряда значений коэффициента широкополосности (rj) - 1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.01 можно сформулировать следующим образом:

1 Возможность фокусировки близкая к несмещенной сохраняется в диапазоне дальностей фокусировки Rmx], при этом наблюдаются отклонения фактического положения точки фокусировки от заданного на величину, не превышающую ~0.0IRmax

В отмеченном диапазоне дальностей фокусировки широкополосность сигнала не оказывает сколь либо значительного влияния на смешение фактической дальности положения фокального пятна относительно заданной. Характер изменения данной зависимости близок характеру, полученному для монохроматического сигнала, также может быть описан выражением (5).

2 В диапазоне дальностей фокусировки ;0.1-] зависимость (6) слабо зависит от коэффициента широкополосности, влияние которого приводит к незначительному увеличению глубины фокального пятна. Результаты оценки п для различных коэффициентов широкополосности приведены в таблице 1.

Таблица 1

1 11 1 0.5 0.25 0.1 0.01

1 п 2.1 18 17 16 16

3 Ширина фокального пятна, в диапазоне дальностей фокусировки слабо зависит от дальности, также может быть описана выражением (9). Мри увеличении коэффициента широкополосности происходит незначительное увеличение ширины фокального пятна от ДОт ~0.88— при 77—>0 до ДПт " —

при »7—>1. Результаты оценки т для различных коэффициентов широкополосности приведены в таблице 2. Таблица 2

Г Ч 1 1 0.5 0.25 0.1 0.01

т 1 | 0.97 0.93 0,91 0.88

4 Максимальное значение КНД зависит от дальности фокусировки. На некотором удалении от PAP КНД достигает максимального значения равного числу излучателей PAP, после чего снижается. На участке дальности Я £[.7?^ ;0.05 • Rmit ] КНД может быть определен выражением (10).

5 1- с 4lJU U <г, дЬ -5-------

грппри tynerffryn пзчо. rffl я oxetdd tf1-

ea r- f, i n i ^ I

0.02

0.04 0.06

0.08

5 Уровень вторичных интерференционных, максимумов в поперечном направлении зависит от количества элементов PAP и коэффициента широкополосности радиосигнала; данная зависимость может быть описана следующем эмпирическим выражением

S, =101og(l + A^r. (13)

Результаты оценки уровня вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении для N=8 для определенного ряда значений параметров показаны на рисунке 9.

6 При шаге PAP (измеряемом в л.), меньшем числа излучателей PAP, уровень вторичных интерференционных максимумов уже при монохроматическом сигнале меньше уровня главного фокусного максимума, а при увеличении коэффициента широкополосно-сти эта разница увеличивается. Как показывают результаты расчетов выполненных для ряда значений параметров PAP превышение уровня КНД главного максимума над КНД вторичных максимумов может достигать 9 дБ.

При шаге PAP d > Nk и дальности до точки фокусировки находящейся в пределах от ~Rai„ до ~0.05Яшах характер зависимости может быть описан эмпирическим выражением

Рисунок 9. Зависимость уровня вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении от дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров приЛ'=#, г/=/, 0.5,0.25,0.1,0.01 (маркеры с, д, с, А соответственно)

Sl. дБ -5

-ю.

ii V"*-*'"^

¿ли/я. илесы^ gyMSüü г., л 1:»!OTSStelfti?tii0"dC % ° °о° ° о;

1 О О О о ! О О OjO 0

0.02

0.04

1;>1

0.06

0.08

0.1

/iijvix

Рисунок 10. Зависимость уровия вторичиых интерференционных максимумов в продольном направлении от дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N-8, гр1, 0.5, 0.25,0.1,0.01 (маркеры о, Д, о, А соответственно)

SL-10Iog(l +0.5-ЛГ^Г. (14)

Результаты оценки уровня вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении для N-8 для определенного ряда значений параметров показаны на рисунке 10.

В третьей главе исследовано влияние случайных ошибок фазы и амплитуды на рассматриваемые характеристики PAP, сфокусированной в зоне Френеля.

В реальных системах, особенно пространственно-распределенных, сказываются ошибки положения элементов PAP в пространстве, отличия токов в элементах PAP от расчетных, влияние условий распространения волн в пространстве - случайных неод-нородностей среды, шероховатой подстилающей поверхности, многолучевости и пр. В общем случае отмеченные влияния имеют случайный характер, и как следствие приводят к случайному характеру электромагнитного поля и его характеристик.

Во влияния случайных ошибок на характеристики PAP большую роль играет межпозиционная (пространственная) корреляция амплитуд и фаз поля в совпадающие моменты времени (после устранения различий запаздывания сигналов) и их дисперсия (или среднеквадратичное отклонение).

Оценки влияния флуктуации амплитуды и фазы на характеристики PAP, проведены при следующих допущениях:

- амплитудное распределение в отсутствие ошибок равномерное;

- ошибки в антенне стационарны, т. е. среднее значение и дисперсии ошибок постоянны вдоль системы;

- коэффициент корреляции уровня амплитуды и фазы зависит лишь от разности координат («-«,) (взаимного расположения элементов PAP);

- коэффициент корреляции имеет вид гв = е с' , rf = е ,где се радиусы корреляции в относительных единицах, связанные с радиусами корреляции амплитудных ге и фазовых гр ошибок соотношениями с„ - , cf = .

Принятые допущения позволяют в определенной мере упростить вычисления и последующую оценку влияния радиуса корреляции ошибок и их дисперсии на характеристики PAP.

Выбор коэффициента корреляции в гауссовой форме, конечно, произволен. Он оправдывается тем, что во многих случаях принятый закон корреляции удовлетворительно соответствует экспериментальным данным и достаточно удобен при теоретических исследованиях. Именно поэтому такие функции широко применяются при исследовании статистики антенн, а также в работах по распространению волн в среде со случайными неоднородностями.

Случайную амплитуду электрической напряженности поля i-го элемента PAP А, представлена в виде

A«V\ (15)

А.

где Д, - амплитудное распределение в отсутствие ошибок; Bl - In— - уровень флук-

А>

туации амплитуды.

Флуктуации фазы поля i-го элемента PAP

¥> -V0( +ДС/. (16)

где ц/ы - заданная фаза i-го элемента PAP; Д ул - флуктуации заданной фазы i-го элемента PAP.

bi и Д tyt рассматриваются как нормальные случайные функции со средними

значениями bi = Вш, Ai/л = 0, дисперсиями в1 -в^ » сг*, Д(г// = агг и коэффициен-

[В,-До] [в, -в*

тами корреляции rn(i,j) - —1-1-'■—, rr{i,j)

Vi Vi

"в ¡"В,-

Моделирование случайного процесса (будь то флуктуации амплитуды, или флуктуации фазы), результатом которого станут реализации составляющих случайного вектора, выполнено в рамках корреляционной теории.

По полученным результатам статистического моделирования сделаны следующие выводы:

1 При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы большем длины PAP (св =10,cf =10) ошибки сказываются не значительно. По мере увеличения радиуса корреляции ошибок PAP приближается к когерентной системе. Зависимости характеристик интерференционной картины поля приближаются к характеристикам в отсутствие ошибок.

2 При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы меньшими длины PAP (е„ -0.1, с,, =0.1) влияние ошибок возрастает. При уровне ошибок фазы стг s 20' и уровне ошибок амплитуды аа s 0.5 искажения характеристик происходят незначительные. При уровне ошибок фазы ат г 40* и уровне ошибок амплитуды as г 1 происходят значительные искажения характеристик.

В четвертой главе рассмотрено влияние характеристик поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации, а именно на дальность действия, пропускную способность, достоверность передачи информации, помехозащищенность, живучесть, также рассмотрена возможность определения местоположения объекта находящегося в зоне фокального пятна. Показано, что согласно пространственно-временной теории при оптимальном приеме сигналов если источник сигнала и (или) источник помех находятся в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы, то отношение сигнал-шум (сигнал-помеха) зависит как от направления приема, так и от дальности. Даже если источник сигнала и источник помех находятся на одном направлении, но на различных дальностях, то отношение сигнал-помеха (степень подавления внешних помех) возрастает за счет пространственной селекции по направлению и по дальности, что достигается в результате рассмотренного фокусирования пространственно-распределенной антенной системы.

Разработана структура пространственного фильтра, обеспечивающего фокусировку поля сигнала в заданной области пространства в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы.

Предложен вариант аппаратурной реализации разработанной структуры пространственного фильтра на базе цифровых технологий обработки и передачи информации1 .

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

В приложении приведены результаты расчетов характеристик поля PAP с учетом влияния ошибок амплитуды и фазы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Совокупность результатов выполненной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи повышения информационно-технических показателей ра-

' Патентная заяЕка № 2010129156 от 13,07.2010 г. Устройство когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов / Седельников Ю. Е., Лучкин С. А.

диолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов за счет применения пространственно-распределенных антенных систем.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Систематизированы основные характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

2. Показан подход к решению прямой внешней задачи, основанный на определении интерференционный картины поля по результатам расчетов во временной области. Рассматриваемый подход адаптирован для расчета интерференционной картины поля с учетом временной структуры сигналов, разности времен запаздывания сигналов при их распространении от различных точек раскрыва антенны и влияния флуктуаций амплитуды и фазы сигнала в различных точках раскрыва антенны.

3. Проанализированы основные закономерности изменения характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенной антенной системы от ряда значений параметров, в том числе от коэффициента широкополосности радиосигнала. По результатам анализа выполнена аппроксимация соответствующих закономерностей и получены формульные выражения определяющие зависимость характеристик поля от параметров пространственно-распределенных антенных систем.

4. Получены оценки влияния флуктуаций амплитуды и фазы поля на характеристики поля пространственно-распределенных антенных систем. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы большем длины пространственно-распределенной а!ггенной системы (с„ = 10 -10) ошибки сказываются не значительно. По мере увеличения радиуса корреляции ошибок пространственно-распределенная антенная система приближается к когерентной системе. Зависимости характеристик интерференционной картины поля приближаются к характеристикам в отсутствие ошибок. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы меньшем длины пространственно-распределенной антенной системы (се = 10,»10) влияние ошибок возрастает.

При уровне ошибок фазы а^ & 20' и уровне ошибок амплитуды ав 5 0.5 искажения характеристик происходят незначительные. При уровне ошибок фазы г 40' и уровне ошибок амплитуды <ув ^ 1 происходят значительные искажения характеристик.

5. Определено влияние характеристик пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов. Разработана структура пространственного фильтра обеспечивающего фокусировку поля сигнала в заданной области пространства в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы. Предложен вариант аппаратурной реализации разработанной структуры пространственного фильтра на базе цифровых технологий обработки и передачи информации.

СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1 С. А. Лучкин, Ю. С. Седельников. Пространственно-распределенные радиотехнические средства связи и управления беспилотных авиационных комплексов //

Нелинейный мир. № 8, т. 6, 2008. (Журнал в журнале Распределенные устройства и системы: теория и приложения. Выпуск 1,2008.) с. 75-80.

2 С. А. Лучкин, Р. Р. Низамутдинов. Снижение уровней боковых лепестков сфокусированных антенных решеток // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. № 5, т. 10,2007 С. - 33-35.

Прочие публикации:

3 С. А. Лучкин, P.P. Низамутдинов. Снижение влияния побочных всплесков при применении разреженных апертур сфокусированных в зоне Френеля // Труды конференции. VI международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Казань, 2007, С. -191-192.

4 С. А. Лучкин, О. В. Потапова, Р. Р. Низамутдинов, Ю. Е. Седельников Эффективные алгоритмы обработки сигналов в эхолокационных устройствах с многоэлементной синтезированной апертурой // Тезисы докладов б-й Международной выставки конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 2007. С. - 200-201

5 С. А. Лучкин. Пространственно-временное описание сигнала принимаемого разреженной апертурой // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XV Туполевские чтения. Казань, 2007, Том IV. С. - 124-127.

6 С. А. Лучкин. Разреженные антенные решетки, сфокусированные в зоне Френеля, как средство определения местоположения // Тезисы докладов. Девятая международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций». Казань, 2008, С. - 305-307.

7 С. А. Лучкин. Точность определения дальности в зоне Френеля // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XVI Туполевские чтения. Казань, 2008, Том III, С. - 391-393.

8 С. А. Лучкин, 10. Е. Седельников. Пространственно-распределенные радиотехнические средства связи и управления беспилотных авиационных комплексов // Труды конференции. VII международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Самара, 2008, С. - 104-106.

9 С. А. Лучкин. Влияние структуры разреженной антенной решетки сфокусированной в зоне Френеля на вторичные максимумы трехмерной диаграммы направленности // Труды конференции. Седьмая международная научно-практическая конференция «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». С.-Петербург, 2009, С. - 122-124.

10 С. А. Лучкин. Влияние случайных ошибок на характеристики поля разреженных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля // V Международная научно-практическая конференция «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». Казань, 2010.

11 С. А. Лучкин. Моделирование случайных ошибок в разреженных антенных решетках // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XVIII Туполевские чтения. Казань, 2010. С. - 108-110.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л.1,0. Усл.печ.л. 0,93. Уч. изд. л. 0,97. _Тираж 100. Заказ Н196._

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

Введение.

1 Характеристики интерференционной картины поля в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы.

1.1 Структура пространственно-распределенной радиотехнической системы.

1.2 Разреженные антенные решетки, сфокусированные в зоне Френеля

1.3 Математическая модель разреженной антенной решетки сфокусированной в зоне Френеля.

1.4. Характеристики интерференционной картины поля разреженных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля.

1.5. Оценка характеристик разреженной антенной решетки сфокусированной в зоне Френеля.

1.5.1. Смещение фокального пятна.

1.5.2. Глубина фокального пятна.

1.5.3. Ширина фокального пятна.

1.5.4. Коэффициент направленного действия.

1.5.5. Уровень вторичных интерференционных максимумов.

1.6 Основные результаты и краткие выводы по главе 1.

2 Влияние широкополосности сигнала на характеристики поля разреженной антенной решетки сфокусированной в зоне Френеля.

2.1 Математическая модель PAP использующая широкополосные и сверхширокополосные сигналы.

2.2. Влияния широкополосности сигнала на характеристики поля PAP.

2.2.1 Смещение фокального пятна.

2.2.2 Глубина фокального пятна.

2.2.3 Ширина фокального пятна.

2.2.4 Коэффициент направленного действия.

2.2.5 Уровень вторичных интерференционных максимумов.

2.3 Основные результаты и краткие выводы по-главе 2.

3 Влияние случайных ошибок на характеристики разреженных антенных решеток.

3.1. Математическая модель PAP учитывающая случайные ошибки.

3.2 Оценка влияния флуктуаций фазы на характеристики поля в зоне Френеля PAP.

3.3 Оценка влияния флуктуаций амплитуды на характеристики поля в зоне Френеля PAP.

3.4 Основные результаты и краткие выводы по главе 3.

4 Проработка практической реализации пространственно-распределенных антенных систем.

4.1 Влияние характеристик поля пространственно-распределенных антенных систем сфокусированных в зоне Френеля на характеристики командных и информационных радиолиний.:.

4.1.1 Дальность действия радиолинии.

4.1.2 Пропускная способность радиолинии.

4.1.3 Достоверность передачи информации радиолинии.

4.1.4 Помехозащищенность радиолинии.

4.1.5 Живучесть радиолинии.

4.1.6 Определение координат объектов.

4.1.7 Отношение сигнал-шум.

4.2 Структура оптимальной пространственно-распределенной антенной системы как согласованного фильтра.

4.3 Аппаратурная реализации пространственно-распределенных антенных систем.

4.4 Основные результаты и краткие выводы по главе 4.

В состав беспилотного авиационного комплекса входит беспилотный летательный аппарат с бортовым оборудованием и вооружением.

Применение беспилотного авиационного комплекса осуществляется с использованием наземных средств обеспечения. В состав наземных средств обеспечения в том числе входят радиолинии управления и передачи информации.

Радиолинии управления и передачи информации в наиболее общем случае обеспечивают:

- управление полетом беспилотного авиационного комплекса;

- передачу и прием телеметрической и иной служебной информации беспилотного авиационного комплекса, информации от целевых нагрузок (средств видовой разведки, средств радиотехнической разведки и пр.).

Исторически сложилось разделение каналов управления и передачи информации на низкоскоростной и высокоскоростной канал соответственно [26]. Первый характеризуется скоростью приема (передачи) информации до 5. 100 кбит/с, второй скоростью передачи (приема) информации от 5 Мбит/с. Но несмотря на подобное разделение как для канала управления, так и для канала передачи данных имеют место следующие направления развития:

- повышение пропускной способности канала и скорости передачи информации;

- повышение потенциала радиолинии (радиотехнических средств)

- повышение помехозащищенности [93];

- обеспечение ЭМС радиотехнических средств [86] и ряда других.

Для реализации указанных направлений при разработке радиотехнических средств, применяют:

- сложные сигналы (шумоподобные сигналы [29, 30], сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты [31]);

- помехоустойчивое кодирование [7] и ряд других способов.

В радиосвязи, в последнее время, значительное внимание уделяется системам, использующим в своей основе множественные пространственно-распределенные передающие и (или) приемные антенны (позиции) [1,2].

Пространственно-распределенные системы в случаях, когда простое повышение мощности сигнала и (или) расширение полосы частот не обеспечивают необходимую скорость передачи информации, позволяют добиться повышения скорости передачи информации. В таких системах используются адаптивные антенные решетки со слабо коррелированными антеннами элементами.

В зарубежной литературе [2, 25] подобные системы называются MIMO system (Multiple Input Multiple Output system). В отечественной литературе [1] MIMO systems иногда называют МВМВ системами (системы со многими входами и многими выходами).

Основное преимущество МВМВ систем (MIMO system) заключается в способности осуществлять прием сигналов, пришедших по разным маршрутам [59]. Их использование позволяет существенно увеличить скорость передачи информации и, следовательно, пропускную способность канала связи. В технологии МВМВ (MIMO) дополнительные маршруты распространения сигналов могут использоваться для передачи большего объема информации и последующего восстановления сигналов на принимающей стороне.

Примером практического применения технологии МВМВ (MIMO) может быть разнесенная передача на основе пространственно-временного кодирования [1]. При разнесенной передаче передающая сторона кодирует передаваемые данные, дублируя их трансляцию через разные антенны в разные временные интервалы. В свою очередь, на принимающей стороне выделяются переданные данные, комбинируя специальным образом сигналы, принимаемые в соответствующие промежутки времени. Использование разнесенной передачи позволяет решить проблему организации пространственного разнесения за счет использования разнесенных передающих антенн на передающей стороне без применения разнесенных антенн на приемной стороне (на объекте), где, как правило, нет возможности разместить несколько антенн на достаточном удалении друг от друга.

В радиолокации также одним из перспективных направлений развития является переход к многопозиционным радиолокационным системам, состоящим из разнесенных в пространстве передающих и приемных (или прие-мо-передающих) позиций [5, 6, 27, 63, 64, 65, 80].

Основная идея многопозиционной радиолокации состоит в том, чтобы более эффективно (чем в обычных однопозиционных системах) использовать информацию, заключенную в пространственных характеристиках; электромагнитного поля. Как известно, при облучении цели поле рассеяния создается во всем пространстве (за исключением экранированных областей). Одно-позиционная система извлекает информацию только из одного малого участка поля соответствующего апертуре приемной антенны. В многопозиционных системах информация извлекается из нескольких разнесенных в пространстве поля рассеяния цели (или поля излучения источников сигналов), что позволяет существенно повысить информативность, помехозащищенность и ряд других характеристик.

Развитие многопозиционной радиолокации соответствует общей тенденции в технике - объединению отдельных технических средств в системы, в которых благодаря совместному функционированию и взаимодействию элементов значительно улучшаются основные характеристики и появляются; новые возможности.

Одной из таковых возможностей, открывающейся при применении многопозиционных радиолокационных систем, реализованной в системе с синтезированной фазированной антенной решеткой с использованием метода «голографической матрицы» [60], является измерение расстояние не по временг ной задержке сигнала, как в обычных радиолокаторах, а по пространственному распределению рассеянных волн. Сущность метода обработки данных на базе «голографической матрицы» заключается в одновременной фокусировке передающей и приемной антенн в одну и ту же точку. После фокусировки передающей антенны на данную глубину фокусировка приемной антенны изменяется и производится селективная обработка только того сигнала, который отражается на той глубине, где фокусы приемной и передающей антенн совпадают.

Пространственно-распределенные (многопозиционные) радиотехнические системы благодаря совместной обработке информации, принимаемой (передаваемой) множественными пространственно-разнесенными позициями (антеннами) обеспечивают ряд преимуществ [5, 48], способствующих развитию в отмеченных выше направлениях. Некоторые из них:

1 Возможность создания зоны действия требуемой конфигурации. По сравнению с однопозиционными системами дополнительными параметрами, определяющими зону действия многопозиционных систем, является геометрия системы позиций и алгоритм совместной обработки информации. Это позволяет, в частности, изменять зону действия системы в заданном направлении.

2 Энергетические преимущества. Очевидно, что применение дополнительных приемных и (или) передающих позиций повышает общую энергетику системы.

3 Увеличение пропускной способности. Под пропускной способностью обычно понимается предельные возможности скорости передачи информации по каналу связи. Данный показатель также связан с максимальным числом объектов, которое радиотехническая система может обслужить в течение определенного интервала времени.

4 Увеличение объема «сигнальной информации». Под «сигнальной» информацией в рассматриваемом случае можно понимать информацию, содержащуюся, в обратном (принимаемом) сигнале, о движении объекта. Благодаря приему обратных сигналов от объектов с различных направлений объем сигнальной информации в многопозиционных радиотехнических системах существенно возрастает.

5 Повышение защищенности от активных помех [81]. В многопозиционных радиотехнических системах можно применять все способы защиты от активных помех однопозиционных систем, но есть и дополнительные возможности. Некоторые из них связаны с формированием фокального пятна малых угловых размеров и ограниченного по глубине (дальности). Это практически исключает длительное пребывание в фокальном пятне одновременно объекта и источников помех.

6 Повышение живучести. Рассредоточенность в пространстве и избыточное число позиций значительно повышают живучесть многопозиционных радиотехнических систем по сравнению с однопозиционными системами. В отличие от однопозиционных радиотехнических систем, выход из строя одной или даже нескольких позиций многопозиционных систем не приводит к полному нарушению работоспособности, а вызывает лишь определенное ухудшение характеристик.

Помимо достоинств системы с пространственно-распределенными позициями (антеннами) имеют и определенные недостатки. Своего рода «плата» за преимущества. Некоторые из них:

1 Необходимость совместного управления разнесенными позициями. Совместное управление требует решать задачи согласованного сканирования пространства, выбора частот излучения и приема, типов сигналов, использования тех или иных алгоритмов обработки информации и пр.

2 Необходимость передачи данных по межпозиционным линиям связи. Для передачи-данных для организации совместной обработки информации необходимы межпозиционные линии, связи. По которым также передается и командная информация для управления многопозиционной радиотехнической системой.

3 Необходимость синхронизации, передачи опорных колебаний и сигналов, фазирование разнесенных позиций [71, 72]. Для когерентной обработки сигналов необходима взаимная привязка частот передатчиков и гетеродинов приемников. В пространственно-когерентных системах необходима еще и взаимная привязка начальных фаз.

4 Повышение требований к устройствам обработки сигналов и производительности вычислительных средств. Данный недостаток является следствием преимущества многопозиционных радиотехнических систем - значительного увеличения объема информации.

5 Необходимость геодезической или навигационной привязки [73]. Для объединения информации, получаемой разнесенными позициями, необходимо знание местоположения позиций.

Как правило, многопозиционные радиотехнические системы из нескольких позиций с линиями связи и центрами совместной обработки информации сложнее и дороже, чем однопозиционные. Однако сравнение по сложности и стоимости правомерно лишь при близких технических характеристиках. Некоторые характеристики многопозиционных радиотехнических систем недостижимы в однопозиционных, а реализация других требует резкого усложнения и удорожания радиотехнических систем (например, применения фазированных антенных решеток огромных размеров). В [13] применительно к многопозиционным радиолокационным система отмечается, что многопозиционная система со сравнительно простыми однотипными позициями дешевле, чем однопозиционная с близкими техническими характеристиками. Конечно, применение многопозиционных систем целесообразно тогда, когда обычная однопозиционная система не может справиться с поставленными задачами, т. е. при высоких требованиях к информативности, помехозащищенности, живучести [14].

Многопозиционные радиотехнические системы покрывают достаточно протяженные области пространства. При этом их совокупные антенные системы имеют значительные размеры, и фактически зона действия таких систем является зоной Френеля. В зоне Френеля интерференционная картина поля зависит не только от пространственных углов, но и от расстояния - удаления точки наблюдения. Преимущества, достигаемые в подобных системах, связаны с характером зависимости пространственных характеристик электромагнитного поля, формируемого ими. Это, в свою очередь, предопределяет интерес к изучению влияния пространственных характеристик электромагнитного поля на показатели радиотехнических систем и к зависимости пространственных характеристик электромагнитного поля от параметров многопозиционных радиотехнических систем (пространственно-распределенных антенных систем).

Исследованию характеристик интерференционной картины поля в зоне Френеля антенных систем посвящены [8, 9, 10, 11, 12, 15, 61, 66, 67, 68, 69, 70] и ряд других работ. В качестве основных характеристик, применимых для описания интерференционной картины поля в зоне Френеля, используются средние размеры фокального пятна в поперечном направлении (ширина фокального пятна) и средние размеры фокального пятна в продольном направлении (глубина фокального пятна). В [4] также оцениваются средняя интенсивность поля в области фокусировки, смещение фокального пятна относи/ тельно заданной точки. В [7, 8] рассматривается коэффициент усиления и отмечается, что данный показатель не столь полезен, как в дальней зоне, и к нему стоит относиться с особой внимательностью из-за его зависимости не только от направления, но и от дальности.

Пожалуй, общим недостатком отмеченных работ являются допущения о применении узкополосных (монохроматических) сигналов и малом уровне ошибок (флуктуаций) при оценке их влияния на характеристики поля в зоне Френеля (ограничиваются флуктуациями первого порядка малости). Первое допущение не позволяет оценить влияние на характеристики формы сигнала, тогда как именно в форме сигнала заложена вся информация и в реальных системах для передачи полезной информации передают сигналы, изменяемые в соответствии с определенным законом, а не монохроматические сигг налы. Второе допущение не позволяет оценить влияние больших ошибок, например, допущение о флуктуациях фазы первого порядка малости

1 + ¿(р{х) [61] при значениях флуктуаций фазы больших 10.15° при водит к значительным отклонениям заданных ошибок от расчетных.

В реальных системах, особенно пространственно-распределенных, сказываются ошибки положения излучателей в пространстве, отличия токов в излучателях от расчетных, влияние условий распространения волн в пространстве - случайных неоднородностей среды, шероховатой подстилающей поверхности, многолучевости и пр. В общем случае отмеченные влияния имеют случайный характер [3], и как следствие приводят к случайному характеру электромагнитного поля и его характеристик.

Принципиально методика анализа характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем достаточно очевидна. Как и в обычной теории антенн, задача исследования интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем сводится к решению прямой внешней задачи [79, 88, 89], которая заключается в определении интерференционной картины поля антенны по заданному амплитудно-фазовому распределению источников.

Поле в зоне Френеля антенной системы, определяет ряд характеристик: коэффициент усиления, размеры фокального пятна и пр.

Изучение поля излучения антенной системы начинается обычно с определения его характеристик и основных закономерностей их изменения [15].

Следующим шагом на пути изучения поля излучения антенной системы является, естественно, анализ флуктуаций амплитуды и фазы поля, флуктуаций его характеристик [82].

Знание характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенной антенной системы, основных закономерностей их изменения и их флуктуаций позволяет оценить влияние пространственно-распределенных антенных систем на основные показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

В классической теории антенн в качестве базовой модели, для которой устанавливаются наиболее важные закономерности теории антенн, используется поперечно-излучающая линейная антенна с синфазным распределением излучающих токов. Для рассматриваемого случая аналогом является линейная эквидистантная разреженная антенная решетка (PAP) с изотропными антеннами с амплитудно-фазовым распределением, обеспечивающим фокусировку поля в точку, расположенную на нормали к PAP на конечном расстоянии [39].

Опираясь на вышеизложенное можно заключить, что применение пространственно-распределенных антенных систем, для обеспечения передачи информации и управления беспилотными авиационными комплексами - важная и актуальная задача, в первую очередь, требующая решения прямой внешней задачи для сфокусированной пространственно-распределенной антенной системы, зона действия которой является зоной Френеля. '<

Таким образом, цели и задачи работы можно сформулировать следующим образом.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов за счет применения пространственно-распределенных антенных систем.

Поставленная цель достигается решением основной задачи, заключающейся в исследовании характеристик пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, и определении их влияния на информационно-технические, показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов. Решение обозначенной задачи требует решения следующего круга частных задач:

1 Анализ и определение характеристик интерференционной картины поля, в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

2 Оценка влияния параметров пространственно-распределенных антенных систем (длина волны, размеры антенной системы, количество излучателей антенной системы, дальность фокусировки, ширина полосы сигнала и пр.) на характеристики поля, формируемого ими.

3 Оценка влияния ошибок и флуктуаций параметров антенных систем на характеристики поля.

4 Оценка влияния характеристик поля на информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

5 Выработка предложений по практической реализации пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, для радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 106 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 11 работ автора, и содержит 137 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 2 таблицы и 2 приложения.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Систематизированы основные характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

2. Показан подход к решению прямой внешней задачи, основанный на определении интерференционный картины поля по результатам расчетов во г временной области. Рассматриваемый подход адаптирован для расчета интерференционной картины поля с учетом временной структуры сигналов, разности времен запаздывания сигналов при их распространении от различных точек раскрыва антенны и влияния флуктуаций амплитуды и фазы сигнала в различных точках раскрыва антенны.

3. Проанализированы основные закономерности изменения характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенной антенной системы от ряда значений параметров, в том числе от коэффициента широкополосности радиосигнала. По результатам анализа выполнена аппроксимация соответствующих закономерностей и получены формульные выражения, определяющие зависимость характеристик поля от параметров пространственно-распределенных антенных систем.

4. Получены оценки влияния флуктуаций амплитуды и фазы поля на характеристики поля пространственно-распределенных антенных систем. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы большем длины пространственно-распределенной антенной системы (св =10,ср =10) ошибки сказываются не значительно. По мере увеличения радиуса корреляции ошибок пространственно-распределенная антенная система приближается к когерентной системе. Зависимости характеристик интерференционной картины поля приближаются к характеристикам в отсутствие ошибок. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы меньшем длины пространственно-распределенной антенной системы (св =10,ср =10) влияние ошибок возрастает. При уровне ошибок фазы ар <20° и уровне ошибок амплитуды ав <0.5 искажения характеристик происходят незначительные. При уровне ошибок фазы о9 > 40° и уровне ошибок амплитуды ан > 1 происходят значительные искажения характеристик.

5. Определено влияние характеристик пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов. Разработана структура пространственного фильтра обеспечивающего фокусировку поля сигнала в заданной области пространства в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы. Предложен вариант аппаратурной реализации разработанной структуры пространственного фильтра на базе цифровых технологий обработки и передачи информации.

Заключение

Совокупность результатов выполненной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи повышения информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов за счет применения пространственно-распределенных антенных систем.

1. Д. И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. с. 488.

2. Arogyaswami J. Paulraj, Constantinos В. Papadias. Space-time processing for wireless communication // IEEE Signal processing magazine. November 1997. p. 49-83.

3. Вопросы статистической теории антенн / Шифрин Я.С. М.: «Советское радио», 1970, с. 384.

4. Alexander M. Haimovich, Rick S. Blum, Leonard J. MIMO radar with widely separated antennas // IEEE Signal processing magazine. January 2008. p. 116-129.

5. Многопозиционная радиолокация / Черняк B.C. M.: Радио и связь, 1993. с. 416.

6. Альтернатива средствам воздушного нападения / «Независимое военное обозрение» №17, 23-29 мая 2003.

7. В.А. Турилов. Перспективные информационные технологии для формирования нового облика системы связи и управления Вооруженных Сил РФ // Сборник трудов ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА». № 1,2009. с. 94-102.

8. Справочник по антенной технике: Справ. В 5 т. Т. 1. / Л.Д. Бахрах, Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др; Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зеокина. М.: ИПРЖР, 1997.-256 е.:

9. IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. ap-31, № 4, july 1983, Analysis and synthesis of axial field patterns of focused apertures, William J. Graham, P. 665-668.

10. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я. Кремер, А.И. Кремер, В.М. Петров и др.; Под ред. И.Я. Кремера. М.: Радио и связь, 1984.-224с.

11. IRE Transactions on antennas and propagation, july 1962, Properties of focused apertures in the Fresnel region, John W. Sherman, P. 399-408.

12. A.F.Kay, Near-field gain of aperture antennas, IRE Trans. Antennas Propa-gat., vol. AP-8, pp. 586-593, Nov. 1960.

13. Heimller R.C., Belyea J.E., Tomlinson P.G. Distributed array radar // IEEE Trans. 1983.-Vot. AES-19, № 6.-P. 831-839.

14. Черняк B.C., Заславский Л.П., Осипов JI.B. Многопозиционные радиолокационные станции и системы // Зарубежная радиоэлектроника. -1987. №1.-С. 9-69.

15. Сканирующие антенные системы СВЧ / Перевод с английского под редакцией Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина. М.: «Советское радио», 1966. С.-536.

16. Н.Н. Горобец, А.А. Булгакова. Характеристики направленности разреженных антенных решеток \ Вестник Харьковского Национального Университета им. В.Н. Каразина. 2008 № 834 С. 89-94.

17. Антенные решетки. Сборник, реферативный обзор зарубежных работ.

18. А.П. Курочкин, В.Ф. Лось, В.А. Стрижков. Зависимость энергетической ДН видеоимпульсной антенной решетки от формы импульсов и распределения их амплитуд \ Антенны. 2007 № 3 (118) С. 11-19.

19. А.П. Курочкин, В.Ф. Лось, В.А. Стрижков. Особенности формирования энергетической ДН видеоимпульсной сканирующей антенной решетки \ Антенны. 2007 №1(116).

20. Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. - 368 с.

21. Introduction to Ultra-Wideband Radar Systems. Edition by James D. Taylor, London, Tokyo, CRC Press, Boca Raton, Ann Arbor, 1995.

22. И.Я. Иммореев, A.H. Синявин. Излучение сверхширокополосных сигналов \ Антенны. 2001 № 1 (47) С. 8-16.

23. Характеристики направленности сканирующих антенных решеток, возбуждаемых сверхкороткими импульсами, имеющими «джиттер» Антенны № 3-4, 2003.

24. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. -М, 1985,376 с.

25. Bessai, Horst J. MIMO signals and systems // Springer Science+Business Media, Inc. 2005. p. 206.

26. Долуханов М.П. Распространение радиоволн // М.: «Связь», 1972 С. -336.

27. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами // М.: Радио и связь, 1985 С.-384.

28. Коростелев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем. Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1987. С. - 320.

29. Radar System Performance Modeling / G. Richard Curry. Second edition. London. Artech House. P. 396.

30. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Скляр Б. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. С. - 1104.

31. D. Parker and D.C. Zimmerman, Phased arrays Part II: Implementations, applications and future trends, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, vol. 50, № 3, March 2002, pp. 688-698.

32. D. Parker and D.C. Zimmerman, Phased arrays Part I: Theory and architectures, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, vol. 50, № 3, March 2002, pp. 678-687.

33. P.P. Низамутдинов, O.B. Потапова, Ю.Е. Седельников. Свойства пространственных распределений волновых полей линейных антенн, сфокусированных в зоне Френеля // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.

34. Ю.В. Шубарин. Антенны сверхвысоких частот / Харьков, Издательство Харьковского Университета, 1960. С. 285.

35. Цифровая связь / Д. Прокис. Пер. с англ. под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь. 2000. С.-800.

36. Братчиков А.Н., Гринев А.Ю., Волоконно-оптические системы распределения и обработки сигналов антенных решеток. Изв. Вузов. Сер. Радиоэлектроника, 1989, т.32, №2 С. 19-31.

37. Братчиков А.Н., Иоаннесянц М.Р., Анализ современного состояния и тенденция развития элементной базы оптоволоконных систем антенных решеток. М.: Успехи современной радиоэлектроники, 1997, № 7, С. 3-15.

38. К.В. Bhasin, G Anzic, R.R. Kunath and D.J. Connoly, Optical techniques to feed and control GaAs MMIC modules for phased array antennas applications. In proc. AIAA 11th Communication Satellite Systems Conf., March 1986, New York, 1986, pp. 506-513.

39. P.R. Herczfeld, A. Paolella, A.S. Daryoush, et. al. Optical control of MMIC-based T/R modules, Microwave journal, May, 1988, pp. 309-322.

40. Гостюхин B.JI., Трусов B.H., Климачев К.Г., и др. Активные фазированные антенные решетки. -М.: Радио и связь, 1983.

41. Активные элементы модулей активных решеток // Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И. Воскресенского. -М.: Радио и вязь 1981.

42. С. А. Лучкин, Р. Р. Низамутдинов. Снижение уровней боковых лепестков сфокусированных антенных решеток // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. № 5, т. 10, 2007 С. 33-35.

43. С.А. Лучкин. Пространственно-временное описание сигнала принимаемого разреженной апертурой // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XV Туполевские чтения. Казань, 2007, Том IV. С. 124-127.

44. С. А. Лучкин. Моделирование случайных ошибок в разреженных антенных решетках // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XVIII Туполевские чтения. Казань, 2010. С.-108-110.

45. Жарков С., Левинец В. Использование трехмерной »лучевой трассировки для проектирования MIMO-систем // Мобильные системы. 2007, № 12. С.-55-57.

46. Индзука К., Огура X. и др. Радиолокатор на базе голографической матрицы // ТИИЭР, 1976, т. 64, № 10. С. 45-58.

47. Должиков B.B. Средние характеристики круглой апертуры при наличии флуктуаций фазы //Известия вузов. Радиоэлектроника. Киев.-2002. т. 45. №10-с 58-67.

48. Должиков В.В., Сербии A.B. Флуктуации поля в зоне Френеля круглой сфокусированной апертуры при наличии случайных фазовых ошибок //Радиотехника. Всеукр. Межвед. науч.-техн. сб. 2006.Вып 146 с.215-230

49. Я.С. Шифрина, В.В. Должикова. Статистика поля антенны с круглой апертурой, сфокусированной в зону Френеля. Часть 1. Средние характеристики поля // Электромагнитные волны и электронные системы, №9, 2010 с. 15-31.

50. Шифрин Я.С., Назаренко В.А. Поле случайных антенных решеток в зоне Френеля // Радиотехника и электроника 1991,т.36,№1 с. 52-62.

51. Т. Johnsen. Time and Frequency Synchronization in Multistatic Radar // 2002 P. 141-147.

52. H.B. Воробьев, B.A. Грязнов, А.Г. Зайцев, Г.В. Трофимов. Адаптивные излучающие системы с независимой самонастройкой // Радиосистемы: Конфликтно-устойчивые радиоэлектронные системы, 2002, № 8, С. — 45-49.

53. Н.Н. Вакуленко, В.М. Жирков, В.М. Мачулин. Компенсация ошибок топогеодезической привязки и ориентирования трехкоординатных источников радиолокационной информации // Радиосистемы: Конфликтно-устойчивые радиоэлектронные системы, 2002, № 8, С. 33-36.

54. Richard С. Booton, jr. Computational methods for electromagnetics and microwaves / J. WILEY & SONS, Inc. 1992. P. 182.

55. И.Я. Иммореев. Сверхширокополосная локация: основные особенности и отличия от традиционной локации // Электромагнитные волны и электронные системы, № 1, т. 2, 1997. С. 81-88.

56. J. Litva, Digital beamforming in wireless communication / ARTECH HOUSE, Inc. 1996. P.-301.

57. И.Я. Кремер, B.A. Понькин. Пространственно-временная обработка сигналов в зоне Френеля // Радиотехника и электроника, 1977, № 1, С. -72-79.

58. Антенны с электрическим сканированием. О.Г. Вендик, М.Д. Паренс. Поде ред. Л.Д. Бахраха / 2001. С. 252.

59. A.B. Самсонов. Энергетические диаграммы направленности // Антенны, 2005, № 7-8 (98-99). С. 73-78.

60. Авиационные системы радиоуправления. Т. 3 Системы командного радиоуправления. Автономные и комбинированные системы наведения. Под ред А. И. Канащекова и В. И. Меркулова. М.: «Радиотехника», 2004. С. - 320.

61. Jiago,'WU Manqin, JIN Xueming, ANG Zhengxing. Active Phased Array Antenna Based on DDS // 2003. p. 511 -516.

62. Robert J. Mailloux. Phased Array Antenna Handbook / ARTECH HOUSE, Inc. 2005. P.-498.

63. R.C. Hansen. Phased Array Antennas / J. WILEY & SONS, Inc. 1992. P. -182. P.-490:

64. Зернов Н.В., Меркулов Г.В. Энергетические характеристики апертур-ных антенн, излучающих негармонические волны // Радиотехника. 1991, № 1, С.-68-71.

65. Зернов Н.В. Коэффициент направленного действия и эффективная площадь апертурной антенны при излучении и приеме негармонических сигналов // Радиотехника. 1995, № 5. С. 51-55.

66. Зайцев А.В. Исследования электромагнитных полей во временной области // Антенны, 2001, № 6, С. 3-10.

67. Защита от радиопомех. Под ред. Максимова М.В. М.: «Сов. радио», 1976, С.-496.

68. Harry L. Van Trees. Optimum Array Processing / J. WILEY & SONS, Inc. 2002. P. 1443.

69. A. Farina, L. Timmoneri. Real-time STAP techniques // Electronic & communication engineering journal, february 1999, P. 13-22.

70. B.C. Васильев, Д.Н. Ивлев Моделирование пространственных диаграмм направленности антенных систем // Антенны, 2006, № 5, С. 3944.

71. В.А. Стрижков. Анализ пространственных переходных процессов формирования диаграмм направленности фазированными антенными решетками больших размеров // Антенны, 2006, № 8, С. 15-22.

72. Л.Д. Бахрах, О.С. Литвинов, Н.Я. Морозов. Перспективы разработок антенн, излучающих сверхкороткие импульсы // Антенны, 2006, № 7, С.-85-91.

73. М.А. Горшков, О.Н. Маслов, А.С. Раков. Статистические характеристики САФАР в режиме излучения радиоимпульсного сигнала // Антенны, 2007, № 9, С. 21-28.

74. И.С. Варфоломеев, В.А. Павлов. Повышение точности радиопеленгования источников радиоизлучения в ближней зоне // Антенны, 2008, № 3, С.-69-71.

75. Федоров H.H. Основы электродинамики / «Высшая школа». -М.: 1980, С.-399.

76. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов / В. А. Борисов, В. В. Калмыков, Я. М. Ковальчук и др.; Под ред. В. В. Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990. - 304 е.:

77. Пенин П. И., Филлипов JT. И. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. - 256 е.:

78. Радиоэлектронные системы основы теории и применения. Издание второе, переработанное и дополненное / Под ред. Я. Д. Ширмана, М.: Радиотехника, 2007, 511 е.:

79. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Издание второе, переработанное и дополненное. Книга 1. Перевод с английского Ю. П. Адлера и В. Г. Горского. М.: «Финансы и статистика». 1986. -366 с.

80. Бартон Д., Вард Г. Р. Справочник по радиолокационным измерениям. - М.: Совет, радио, 1976. - 392 с.