автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Организация наведения на спутник-ретранслятор в железнодорожном комплексе связи на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика

На правах рукописи

ПЫХОВ Юрий Александрович

ОРГАНИЗАЦИЯ НАВЕДЕНИЯ НА СПУТНИК-РЕТРАНСЛЯТОР В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ КОМПЛЕКСЕ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ТРАЕКТОРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ АНТЕННОГО ДАТЧИКА

05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

з О ЯНВ ,014

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005544596

005544596

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Радиофизика» Концерна ПВО «Алмаз-Антей» (ОАО «Радиофизика»)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Яковлева Светлана Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Классен Виктор Иванович,

ЗАО «Радиокомпания «Вектор», генеральный директор,

профессор Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева

кандидат технических наук,

Ведущая организация:

Равдин Сергей Семенович,

ОАО «Межгосударственная акционерная корпорация «Вымпел», старший научный сотрудник

ОАО «Научно-производственный центр «Вигстар»

Защита диссертации состоится « 2014 г. в О •' ^ " на

заседании диссертационного совета Д 212.156.04

при Федеральном государственном автономном образовательном

учреждении высшего профессионального образования «Московский физико-

технический институт (государственный университет)»

по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московской обл., Институтский

пер., д. 9, Радиотехнический корпус, зал заседаний - ауд. 305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (ГУ).

Р

Дата рассылки автореферата: «

11» У> М^^У) 2014 г. Учёный секретарь диссертационного

совета Д 212.156.04, к.ф.-м.н. Стрыгин Л. В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время идет активная разработка мобильных спутниковых систем связи и телевидения, базирующихся на транспортных средствах (ТС). Широкополосную связь в движении обеспечивают антенные терминалы класса СОТМ (communications-on-the-move), устанавливаемые на различных транспортных средствах.

Характеристики мобильных антенных систем должны обеспечивать беспроводной доступ в Интернет, LAN и мультимедийные услуги, а также прием программ широкого вещания на подвижных транспортных средствах через геостационарные спутники Ка / Ки- диапазонов.

Пропускная способность современных спутниковых линий связи составляет до единиц и десятков мегабайт в секунду. Для обеспечения высокой скорости передачи данных бортовая антенная система должна иметь значения ЭИИМ порядка 25—40 дБи, что обуславливает необходимость применения бортовых узконаправленных антенн.

Для обеспечения устойчивого функционирования канала связи с борта движущегося ТС должно осуществляться точное наведение узкого антенного луча мобильного комплекса на спутник, в условиях маневрирования ТС и колебаний, вызванных неровностями трассы, что требует разработки специальных алгоритмов наведения.

Требования ограничения уровень помех для служб спутниковой радиосвязи, задаваемые международными соглашениями и руководящими документами отрасли, включают требования по стабильности и точности наведения для передающих земных станций. Предусмотрено автоматическое выключение передачи в случае превышения допустимой ошибки наведения.

Таким образом, точность и стабильность наведения в бортовой системе определяют принципиальную возможность функционирования канала связи.

Точное наведение антенны также позволяет снизить энергетические потери, что значительно повышает качество приема и передачи информационного сигнала мобильным терминалом. Зависимость вероятности битовой ошибки (BER) от отношения сигнал/шум на бит для типовых методов канального кодирования и модуляции цифрового сигнала, применяемых в спутниковых линиях связи, характеризуется высокой крутизной. Отсюда даже относительно небольшое повышение отношения сигнал/шум на бит за счет улучшения точности наведения дает значительное снижение BER, которое может исчисляться порядками.

Для обеспечения точного наведения в терминалах связи предусмотрена система управления антенной, которая корректирует ее ориентацию, действующая на основе измерений антенных, либо внешних датчиков.

Небольшие допустимые габариты аппаратуры, размещаемой на ТС, требуют совмещения разных функций в одном устройстве, что делает актуальным совмещение функций, а также оптимальное комплексирование измерительной, управляющей и телекоммуникационной систем.

Таким образом, актуальной является разработка методов наведения на спутник в подвижном терминале спутниковой связи, обеспечивающих:

-устойчивость и точность наведения, определяемые требованиями по помехозащищенности к земным станциям спутниковой связи;

— высокую достоверность и стабильность приема информационного сигнала за счет минимизации энергетических потерь наведения;

— совмещение функций и оптимальное комплексирование телекоммуникационной, измерительной и управляющей систем.

В существующих подвижных комплексах спутниковой связи для наведения используются, главным образом, внешние датчики (инерциальные гироскопические, бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС), магнитные датчики и др.), либо достаточно простые методы сопровождения спутника по измерениям антенного датчика, такие как экстремальный алгоритм ("step-tracking"). Известны также комбинированные системы, в которых дрейф гиродатчиков исправляется периодическим включением экстремального алгоритма, либо по антенным измерениям суммарно-разностным методом. Для всех систем наведения, использующих внешние датчики, существует серьезная проблема комплексирования с антеннами для приема информационного сигнала. Многокомпонентные БИНС имеют высокую стоимость.

В работе рассмотрен альтернативный подход — наведение на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика, в совокупности с измерениями энкодеров, в системе координат, связанной с ТС. Такой подход представляется целесообразным, поскольку антенный датчик и энкодеры являются высокоточными и лишены такого недостатка гироскопических датчиков, как временной уход оси, требующий периодической коррекции.

Методы траекторной фильтрации, широко используемые в радиолокации, для бортовых спутниковых систем связи практически не исследованы. Вопрос об эффективности траекторной фильтрации при сопровождении спутника в системе координат, связанной с маневрирующим ТС, в условиях отсутствия детерминированной модели движения и малой статистической определенности траекторных возмущений, остается открытым. В то же время, траекторная фильтрация может служить эффективным инструментом снижения энергетических потерь в условиях низкого отношения сигнал/шум для современных и перспективных систем спутниковой связи с повышенными требованиями к пропускной способности.

В диссертационной работе рассматривается метод построения бортовой системы наведения, основанный на антенных измерениях уровня информационного, либо пилот-сигнала, не требующий применения внешних датчиков ориентации. В случае использования информационного сигнала не требуется также применение специальной антенны и приемника наведения, что обеспечивает совмещение функций измерительной и телекоммуникационной систем. Рассмотрены также вопросы совместной оптимизации функционирования измерительной и управляющей систем с

использованием методов траекторией фильтрации, что позволяет максимально снизить энергетические потери и повысить качество функционирования канала связи.

Таким образом, тематика диссертационной работы связана с актуальными проблемами повышения эффективности функционирования и оптимального комплексирования подсистем терминала подвижной связи.

Целью диссертационной работы является повышение достоверности и стабильности передачи данных, уровня помехозащищенности, совмещение функций телекоммуникационной и измерительной систем в подвижном комплексе спутниковой связи путем построения методов точного наведения антенного луча на спутник-ретранслятор с борта транспортного средства (поезд) на основе траекторной фильтрации антенных измерений.

Объектом исследования является система управления наведением антенного луча на геостационарный спутник-ретранслятор в подвижном комплексе спутниковой связи на поезде.

Предметом исследования являются вопросы построения аппаратурно-алгоритмических методов наведения, основанных на траекторной фильтрации измерений антенного датчика, и оценки их эффективности для повышения качества передачи информации и помехозащищенности.

Задачи диссертационного исследования

1. Сравнительный анализ методов управления наведением антенного луча в существующих бортовых комплексах спутниковой связи.

2. Разработка математических и программных методов оптимизации системы управления наведением на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика для бортовых комплексов связи с электронным, механическим и комбинированным сканированием, информационного и пилот-сигнала.

3. Исследование возможности совмещения функций измерительной и телекоммуникационной систем за счет наведения по антенным измерениям информационного сигнала, без использования других датчиков ориентации.

4. Оценка повышения помехозащищенности, достоверности и стабильности передачи информационного сигнала за счет применения .в задаче точного наведения методов траекторной фильтрации.

5. Обоснование требований к параметрам антенной системы, обеспечивающих заданный допустимый уровень энергетических потерь наведения, определяемый бюджетом линии связи.

6. Разработка базовых математических и программно-алгоритмических моделей (траекторная модель, модель энергетических потерь наведения, модель точности и устойчивости системы наведения), имитационных моделей функционирования систем комплекса связи.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории связи, статистической радиотехники, теории автоматического управления, вычислительной математики, теории вероятности, теории фильтрации, методы имитационного моделирования.

Новые научные результаты

1. Разработана методика точного наведения на спутник-ретранслятор в бортовом комплексе спутниковой связи (поезд) на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика, с использованием нетипового минимаксного критерия оптимизации, обеспечивающего гарантированный уровень показателей достоверности, стабильности передачи информации и помехозащищенности (в части точности наведения) при движении транспортного средства, включая участки маневрирования.

2. Показана возможность организации высокоточного наведения по антенным измерениям уровня информационного сигнала с низким отношением сигнал/шум в условиях маневрирования ТС, что позволяет совместить функции измерительной и телекоммуникационной систем подвижного терминала связи за счет исключения дополнительных датчиков ориентации, связанной с ними аппаратуры и алгоритмов.

3. Разработан вычислительный алгоритм многопараметрической оптимизации системы управления наведением по минимаксному критерию точности (гарантированный минимум энергетических потерь и ошибки наведения), обеспечивающему минимум верхнего порога вероятности битовой ошибки передаваемой информации, на основе численного метода последовательного квадратичного программирования.

4. Предложен и параметрически оптимизирован по критерию гарантированного минимума энергетических потерь, при заданных ограничениях на устойчивость, ряд схемных вариантов системы наведения с дополнительным введением траекторных а —р-у— фильтров на входе системы и внутри звеньев коррекции.

5. Показана эффективность предложенной модификации метода траекторной фильтрации измерений антенного датчика для улучшения функционирования спутниковой линии связи (снижение ВЕЖ до двух порядков и более, сокращение доли времени нарушения условий устойчивого приема информационного сигнала в сотни раз, доли времени нарушения требований помехозащищенности в единицы раз).

6. Исследованы точность и устойчивость построенных систем управления наведением в зависимости от параметров бортового измерительного комплекса (отношение сигнал/шум, темп измерений, медленноменяющаяся ошибка, время задержки, положение спутника в секторе электронного сканирования) и параметров движения ТС.

7. Построен комплекс вычислительно-аналитических методик в программных средах МАТЬАВ, МАТНСАО, 51МЦЫ1МК, реализующих расчет характеристик системы управления наведением, траекторную модель, модель энергетических потерь, оптимизационные методы и имитационные модели функционирования систем комплекса связи.

Научная новизна результатов определяется следующими факторами.

1. В бортовых комплексах спутниковой связи основным методом наведения является использование внешних датчиков ориентации. Антенный датчик используется, главным образом, как вспомогательное средство для корректировки показаний внешних датчиков. В отличие от этого, в работе

рассматривается сопровождение спутника по измерениям антенного датчика как самостоятельного средства, что позволяет упростить системное построение комплекса связи.

2. В единичных разработках для бортовых систем спутниковой связи, где наведение осуществляется по измерениям антенного датчика, используется простой экстремальный алгоритм. В настоящей работе рассматривается наведение на основе траекторной фильтрации антенных измерений, что позволяет максимально снизить энергетические потери.

3. Методы траекторной фильтрации широко применяются в радиолокации, однако используемые в стационарных системах слежения за спутниками методы калмановской фильтрации, основанные на известных уравнениях движения, неприменимы для бортовых систем ввиду маневрирования ТС и плохой статической определенности траекторных возмущений (неровностей трассы). Относительным аналогом могут служить только методы сопровождения маневрирующих объектов.

4. В работе использован известный класс траекторных фильтров «скользящего» сглаживания для сопровождения маневрирующих объектов, однако для оптимального выбора параметров системы наведения предложен нетиповой минимаксный критерий точности, в отличие от применяемого в радиолокационных системах критерия минимума дисперсии ошибки слежения. Минимаксный критерий более соответствует специфическим задачам обеспечения достоверности передаваемых данных, требований по помехозащищенности в части точности наведения и стабильности канала связи, поскольку регулирует эти факторы не в среднем, а в каждый момент работы, включая участки маневров ТС.

5. Рассмотрено применение траекторных фильтров не только для теоретически известной задачи сглаживания единичных измерений антенного датчика, но и внутри звеньев коррекции системы управления.

6. Анализ энергетических потерь наведения и соответствующих показателей стабильности и достоверности передачи информации по каналу связи выполнен на основе максимально приближенных к реальным траекторных моделей движения ТС (программный комплекс «Универсальный механизм»), что позволяет получить более достоверные оценки показателей функционирования подвижного комплекса связи.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в развитии методов математической оптимизации и программно-алгоритмического моделирования систем подвижного комплекса спутниковой связи для решения задач повышения достоверности и стабильности передачи информации, уровня помехозащищенности, совмещения функций и оптимального комплексирования телекоммуникационной, измерительной и управляющей систем.

Практическая ценность

1. Показана возможность построения высокоточной системы наведения на основе измерений антенного датчика и энкодеров в составе подвижного комплекса спутниковой связи на поезде, реализуемой с учетом ограничений

по энергетическому балансу линии связи и требований регламента по помехозащите в части стабильности и точности наведения, устанавливаемых для спутниковых систем связи.

2. Обоснована возможность совмещения функций измерительной и телекоммуникационной систем комплекса подвижной связи путем организации наведения на спутник-ретранслятор на основе антенных измерений информационного сигнала, что позволяет исключить дополнительные датчики ориентации в составе измерительной системы, связанную с ними с ними аппаратуру и алгоритмы управления.

3. Разработан метод выбора параметров системы наведения, обеспечивающий минимальные ошибки наведения и энергетические потери при наихудших траекторных характеристиках ТС, что позволяет повысить гарантированный уровень помехозащищенности, стабильности приема информационного сигнала и достоверности передаваемых данных.

4. Разработан комплекс программ, реализующий процедуры численной многопараметрической оптимизации, имитационные модели функционирования систем комплекса подвижной спутниковой связи и вспомогательные алгоритмы, позволяющий на стадии проектирования определить эффективность использования различных вариантов структуры и параметров систем для повышения качества передачи данных.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

В соответствии с пунктом 11 Паспорта специальности 05.12.13 «Разработка научно-технических основ технологии создания сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного функционирования», в диссертации разработаны методики проектирования подвижного комплекса спутниковой связи, обеспечивающие повышение эффективности функционирования по критериям помехозащищенности, стабильности канала связи и достоверности передаваемой информации, путем минимизации энергетических потерь и ошибок наведения за счет применения специальных модификаций методов траекторной фильтрации антенных измерений.

В соответствии с пунктом 13 Паспорта «Разработка методов совмещения телекоммуникационных, измерительных и управляющих систем», в диссертации разработан метод высокоточного наведения по антенным измерениям уровня информационного сигнала, без применения дополнительных датчиков ориентации в составе измерительной системы, что позволяет совместить функции телекоммуникационной и измерительной систем подвижного терминала спутниковой связи.

В соответствии с пунктом 14 «Разработка методов исследования, моделирования и проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций», в диссертации разработаны методы исследования характеристик управляющей, телекоммуникационной и измерительной систем подвижного терминала спутниковой связи, основанные на программно-аналитическом и имитационном моделировании показателей точности наведения на спутник-ретранслятор, уровня стабильности канала

связи, достоверности передаваемой информации и помехозащищенности. Методы позволяют осуществить оптимальный выбор параметров систем подвижного терминала связи на этапе проектирования.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы в разработках ОАО «Радиофизика» в рамках ОКР «Изучение вариантов построения низкопрофильной высокоэффективной мобильной антенны спутниковой связи для установки на поезде». Имеется акт о внедрении. Результаты могут быть использованы в научных и инженерных исследованиях организаций, занимающихся проектированием подвижных систем спутниковой связи и телевидения, с целью повышения технических характеристик разрабатываемых систем.

Апробация результатов работы. Результаты исследовательских работ по теме диссертации были обсуждены и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях и форумах:

50-я научная конференция МФТИ. Москва - Долгопрудный, 2007 г.

VI Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии», Москва, 2008 г.

VII Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь — перспективные технологии», Москва, 2009 г.

VIII Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь — перспективные технологии», Москва, 2010 г.

II Межотраслевой молодёжный научно-технический форум «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики - 2010» , Москва, 2010 г.

Достоверность результатов работы обеспечена совпадением результатов, полученными методами численной оптимизации и имитационного моделирования, сравнением с аналогичными научно-техническими разработками, апробациями на научных конференциях, публикацией результатов исследования в рецензируемых научных изданиях. Базовый вариант алгоритма наведения, основанного на траекторной фильтрации измерений антенного датчика, технически реализован и проявил работоспособность при испытаниях.

Публикации по работе. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах. Из них 4 работы (3,5,7,9) опубликованы в периодическом издании, рекомендуемом ВАК (журнал «Радиотехника»),

Все основные результаты, описанные в публикациях, получены лично автором.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы составляет 192 страницы, включая 62 рисунка. Список литературы содержит 74 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика организации наведения на спутник-ретранслятор на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика (включая возможность работы по информационному и пилот-сигналу) и энкодеров с борта подвижного комплекса спутниковой связи на поезде.

2. Алгоритм многопараметрической оптимизации системы управления наведением на основе критерия гарантированного минимума энергетических потерь, специфичного для системы связи (случаи механического, электронного и комбинированного сканирования).

3. Структурные схемы системы управления наведением с использованием траекторных a-ft-у- фильтров на входе системы и в звеньях коррекции.

4. Оценки повышения эффективности функционирования телекоммуникационной системы по критериям достоверности передаваемой информации, стабильности канала связи и помехозащищенности, за счет снижения энергетических потерь и ошибок наведения на основе предложенного варианта траекторной фильтрации.

5. Обоснование вывода о возможности совмещения функций телекоммуникационной и измерительной систем путем организации наведения по антенному датчику информационного сигнала.

6. Результаты исследования точности и устойчивости построенных систем управления наведением в зависимости от характеристик бортового измерительного комплекса и внешних факторов.

7. Комплекс вычислительных методик в программных средах MATLAB, MATHCAD, SIMULINK, реализующих расчет характеристик системы наведения, траекторную модель, модель энергетических потерь, оптимизационные методы и имитационные модели систем комплекса связи.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована основная цель, показаны научная новизна и практическая значимость результатов, приведено краткое описание структуры диссертации.

В первой главе проведен обзор существующих методов построения бортовых систем спутниковой связи и обоснована постановка задачи. Охарактеризована структура и методы организации спутниковой системы связи, включая энергетический баланс линии связи. Показана роль точности и устойчивости наведения в обеспечении качества передачи информационного сигнала. Приведены технические характеристики существующих и проектируемых мобильных систем спутниковой связи и телевидения (разработки фирм KVH Industries, Raymarine, Navcom Intellian Technologies, Ñera, ETRI, «Радиофизика» и др.). Охарактеризован ряд проектов мобильных систем с выраженной спецификой организации наведения (системы для приема TV-сигнала со спутников «Koreasat», «Koreasat—3», системы связи ACTS Mobile Terminal, DREAMS).

Указано на применение в ряде мобильных систем методов обратной связи за счет использования измерений уровня сигнала от спутника антенным датчиком (технология DBT). Описаны комбинированные системы целеуказания с обработкой сигналов гиродатчиков и их уточнением алгоритмом шагового сканирования. Дана характеристика бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС).

Выделены основные принципы организации наведения в бортовых системах спутниковой связи, показаны различия со стационарными комплексами.

Определена постановка задачи: построение, параметрическая оптимизация и оценка эффективности для задач связи схем коррекции системы управления наведением с использованием методов траекторной фильтрации, включая совместный выбор параметров измерительной и управляющей систем.

Во второй главе дается описание базовых моделей: модели траекторий спутника, антенного датчика и сервопривода.

Модель движения геостационарного спутника формируется путем пересчета угловых координат спутника из геоцентрической в строительную систему координат ТС, с использованием модели угловых эволюций ТС. При моделировании движения поезда был использован программный комплекс «Универсальный механизм» (ЦМ), разработанный в Брянском ГТУ, позволяющий учитывать механическую конфигурацию вагона и в целом поезда, форму рельсового пути на повороте, совокупность колебаний, вызванных неровностями рельсов и присутствием колебательных элементов в конструкции. Для моделирования углового движения ТС вводится система координат пути ПСК (рис. 1), моделируются углы поворота вокруг осей X„,' . В качестве модели поворота взята 5-кривая (рис. 2) с переходными участками, имеющими переменный радиус кривизны, где постоянным является угловое ускорение, чередующимися с участками, где постоянными являются радиус кривизны и угловая скорость. Возможно задание различной формы неровностей рельсов (рис. 3). Рассмотрена модель вагона, принятая в Манчестерских тестах.

Сопровождение спутника производится в базовой строительной системе координат (БСК) оси которой связаны с осями вагона (рис. 4). Пример траектории спутника показан на рис. 5, 6.

и>

Рис.1 - Система координат пути (ПСК)

Рис. 2 - 5 — кривая поворота

Рис. 3 — Примеры неровностей рельсового пути

Рис. 4 — Базовая строительная с.к. (БСК)

6 8 10 12 14 16 18 20

Рис. 5 - Траектория спутника в БСК Рис. 6 - Первые производные

угловых координат спутника в БСК

Модель антенных измерений и потерь при приеме сигнала.

Рассматриваются случаи зеркальной антенны и прямоугольной ФАР.

ДН идеализированной антенны с зеркалом в форме параболоида вращения в дальней зоне имеет вид:

Р(Э) =

и/''1—)

2Jl(kRsmЗ) _ 5шх00

где Jl(z) - функция Бесселя 1-го порядка; к = 2я/А — волновое число; Я -радиус раскрыва; В,, - первый корень уравнения 7/^=0; х00 - половина угловой ширины главного максимума излучения по нулям.

Для получения ДН прямоугольной ФАР использован множитель направленности при равномерном амплитудном распределении

где

.„ ка

Ч\. = —ех

х 2 дг

ш кЬ т = —е

У 2

е — вектор,

¥

* У

направленный на спутник; а, Ь - размеры ФАР по осям х, у.

Описан суммарно-разностный метод измерения угловых координат и различные способы формирования пеленгационных лучей. В среде

МАТНСАО проведен расчет ДН парциального и суммарного каналов (последний служит для приема информационного сигнала). Получена зависимость потерь на обзор в суммарном канале от углового отклонения спутника по отношению к равносигнальному направлению.

Модель сервопривода. В качестве математической модели привода взято апериодическое звено 2-го порядка с передаточной функцией

IV (р) =-;-, где Те и Т - электромагнитная и

Те-Тт-Р-+Т1Р + \

электромеханическая постоянные времени. Рассматривается режим управления приводом по координате, угол поворота рабочей оси измеряется датчиком углового перемещения (фотоэлектронным энкодером).

В третьей главе дано описание принятой методики наведения для случаев механического, электронного и смешанного сканирования, охарактеризованы ошибки измерения угловых координат спутника антенной системой, приведены координатные преобразования, получены линеаризационные формулы.

Основные принципы методики наведения:

- измерение с достаточно высокой частотой (десятки и более герц) угловых координат спутника антенным датчиком в измерительной системе координат (ИСК), связанной с антенной, с применением суммарно-разностного метода;

- пересчет антенных измерений в строительную систему координат (ССК) транспортного средства, с учетом показаний энкодеров;

-применение траекторных а — /?-у — фильтров для сглаживания измерений угловых координат в ССК перед подачей на контур управления; -применение траекторных фильтров в звеньях коррекции системы управления для оценки командной и фактической угловых скоростей вращения антенны;

- априорная параметрическая оптимизация звеньев коррекции системы управления по минимаксному критерию точности (минимум суммы динамической и случайной ошибок слежения по заданному уровню вероятности) с использованием траекторией модели на участке маневра.

В' качестве основного варианта рассматривается измерение координат спутника по информационному сигналу, не требующее применения специальных антенны и приемника наведения, а также внешних датчиков (совмещение функций измерительной и телекоммуникационной подсистем).

Рассматривается также измерение координат спутника по пилот-сигналу с большим отношением сигнал/шум.

В четвертой главе обоснован выбор и даны характеристики исследуемых траекторных фильтров. Для детерминированной модели движения с гауссовским, либо белым шумом траектории и измерений оптимальным по критерию минимума дисперсии ошибки является фильтр Калмана. Однако, специфика задачи сопровождения спутника в системе координат ТС состоит в отсутствии уравнений движения, маневрировании сопровождаемого объекта и наличии колебаний, вызванных неровностями

трассы, в общем случае с неизвестными спектрами. Базовая траекторная модель задается кусочно-полиномиальной зависимостью от времени. Колебательная компонента не может задаваться как шум объекта, а должна рассматриваться как неизвестная ограниченная составляющая движения.

Ввиду данных факторов, выбран квазиоптимальный фильтр с ограниченной эффективной памятью для маневрирующих объектов. Применение а-^-у— фильтра позволяет за счет произвольного выбора коэффициентов, отличных от калмановских, реализовать используемый минимаксный критерий (минимум максимальной по множеству траекторий суммарной ошибки наведения по заданному уровню вероятности).

В пятой главе рассмотрены различные варианты схем коррекции системы наведения с использованием траекторных фильтров для случая механического сканирования. Общая структурная схема рассматриваемой дискретно-непрерывной системы слежения по одной угловой координате представлена на рис. 7. Исследован рад схем коррекции на базе комбинированного управления и РГО-регулирования, отличающихся типом структуры, видом операторов дифференцирования и траекторных фильтров.

единичные

Рис. 7 — Общая структурная схема системы слежения

Рассмотрены также вариации общей структурной схемы (замыкание главной обратной связи по координате перед траекторным фильтром, подача на вход параллельного звена коррекции измерений антенного датчика до траекторного фильтра). В качестве передаточных функций звеньев коррекции рассматривались следующие варианты:

= = — стандартный оператор дифференцирования;

^р(-) = К,(-;«,.А), = .где = - г 1 —-- - передаточная функция

по сглаженной оценке скорости для а-р-фильтра;

= КОД(2;Т1р,Т2р), 1Гас(г) = ЖОД(2;Т,ос,Т1ос),

IV,,,(г:Т.,Т,) =-—-■ + ^—И. _обобщенный оператор дифференцирования. щ 1 2 Т: 2(Г,+Г)-Г2

Для последовательного звена (РЮ-регулятор)

КоАг) = IVРЮ (2) = V+ , где^ = ДГ,. гл, ^ = • (1 + 2• г.), ¿^ = • (1 + г. + г,), 1(1 -1)

тп т

Г„ =-—, т„ ——, Тп - время предварения, Тп — время изодрома. Т * и

Результирующая передаточная функция для общей структурной схемы

= -^-т„ , -, ч , -^о(-),

где }¥пич(г) - передаточная функция приведенной непрерывной части,

Р\Рг-т,-Тт 2-1 Р\Рг-Те-Тт 1-1 (1-1)^ 1 2\ , 2 22 | 2 — 1

(Л- Рх)Р\ -Те-Тт (Р1~Р\)Р1-Те-Тт 1-1-, г

рх, р2 — корни операторного многочлена, ^

Разностное уравнение системы имеет общий рекуррентный вид: У к = -Ук-\<* 1 - - - Ук-1.а1 + ** • "о + • «1 + - + •»,, где Хк - отсчеты угла цели на траектории; ук — отсчеты углового положения исполнительной (антенной) оси, и используется для расчета динамической ошибки системы слежения с!к = ук - хк путем ее моделирования для траекторий спутника.

Запас устойчивости системы определяется показателем колебательности М = тах[Л(<»)/Д0)] (относительный максимум АЧХ

А(а>) = \Ф(]а>)\). Для расчета случайной ошибки на выходе системы наведения в установившемся режиме использован дискретный аналог формулы Парсеваля:

где у-~~7> =

т * ? л. I 1 и»

__2 пых

тд 7 + 1 1 + у

— передаточная функция системы слежения. Распределение оценок азимута А и угла места Е приближенно принято нормальным, имеющим СКЗ стеых и математическое ожидание с1, равное динамической ошибке. Вероятность, что суммарная (динамическая + случайная) ошибка не превышает по модулю значения :

1 2 х ъ(К,0) = -[Ф(К + В) + Ф(К-В)], где В = (11авш, Ф(х) = |ехр(-12 /2) А,

2 о

5 = ^, Л = с1л, = а- - по азимуту; л = , с! = с1Е, сгшх = сг£ - по углу места. Максимальная ошибка по уровню вероятности -я: = /г"' (и*) • <ттх.

При определении суммарных ошибок по азимуту и углу места smax£ использовались максимальные значения динамических ошибок d, = ,, dE = dlmx E, что обеспечивает гарантированные оценки точности.

При выборе параметров звеньев коррекции в качестве критерия оптимальности принят минимум круговой ошибки р по заданному уровню вероятности W, определяющей энергетические потери на обзор,

За счет выбора параметров {р} звеньев коррекции минимизировались максимальные значения smaA, smaE по множеству допустимых траекторий {tr} на интервале маневра {?,„„„}. Оптимальные параметры звеньев коррекции {р} и точность системы слежения г определяются согласно минимаксному

г = min шах р критерию: {р }£ {tr}, t с ттап.

Программно-аналитическим методом найдены передаточные функции системы управления, получены аналитические условия астатизма 2-го порядка и условия устойчивости для рассмотренных методов коррекции.

Задача параметрической оптимизации звеньев коррекции системы наведения решена численно с помощью метода последовательного квадратичного программирования в программной среде MATLAB.

Наименьшую ошибку в области потерь не более 0,3 - 0,5 дБ обеспечивают варианты схем коррекции, в которых для оценки производных входного и выходного сигналов используются a — ß— фильтры. Использование траекторных or-и a — ß— фильтров на входе системы слежения и для оценки производных в схеме комбинированного управления позволяет увеличить точность слежения до 15%—17%, что снижает энергетические потери наведения на 0,1-0,2 дБ. Для оптимальных параметров звеньев коррекции коэффициент колебательности не превышает 1-1,5 (хорошо демпфированная система).

Исследована зависимость точности наведения от параметров антенной системы (темп сопровождения, отношение сигнал/шум, ширина ДН антенного датчика, электромагнитная постоянная времени, время задержки, медленноменяющаяся (ММ) ошибка единичного измерения). Наиболее существенно на точность наведения влияют отношение сигнал/шум и ММ ошибка. Необходимый темп сопровождения, при котором потери наведения не превышают 0,3-1 дБ, составляет от десятков до 100— 120 Гц.

Проведено имитационное моделирование системы наведения в среде SIMULINK. Модели построены в соответствии с рассмотренными вариантами схем коррекции и использованы для анализа функционирования системы наведения с произвольными, либо расчетными оптимальными параметрами, для модельных траекторий и стандартных сигналов.

Пример результатов моделирования суммарной ошибки слежения приведен на рис. 8. Пример SIMULINK-схемы для сопровождения по азимуту в случае механического сканирования представлен на рис 9.

Построенные 81МиЬГЫК-схемы с упрощениями используются также при анализе систем с электронным и электронно-механическим сканированием.

Рис. 8 — Результаты моделирования суммарной ошибки по азимуту

В шестой главе анализируется алгоритм наведения при независимом проектировании антенной измерительной системы и системы управления приводом. В этом случае при разработке антенной системы доступна лишь информация о точности механического позиционирования в заданном диапазоне отрабатываемых приводом скоростей и ускорений, но нет информации о параметрах системы управления приводом, что понижает потенциальную точность наведения.

Предложена методика выбора параметров корректирующих звеньев системы наведения (траекторных фильтров по азимуту и углу места). Построена модель ошибок траекторного сглаживания, учитывающая корреляцию между случайными составляющими отклонений д, г истинного положения спутника от его оцененного направления в картинной плоскости.

Получена оценка коэффициента корреляции в зависимости от коэффициентов траекторных фильтров и крутизны пеленгационной характеристики, показано малое влияние корреляции в типовых случаях.

Максимальные динамические ошибки механического

позиционирования по азимуту и углу места учитываются путем суммирования с максимальными динамическими ошибками экстраполяции.

В качестве критерия оптимальности принят критерий минимума

круговой ошибки ^ = д/д2 +г2 , определяющей энергетические потери на обзор, по уровню вероятности Ж .

Распределение д, г приближенно полагается нормальным с плотностью:

(Р(д, г) =-- • ехр {-—-— [-+-^--2р -'---'-]}

2лачаг^\-р;г 2(1 -Д,г) <т, <7„ ст, <тг

Вероятность того, что круговая ошибка 5 не превышает значения 5 :

Рис. 9 - Пример БШиЫЫК-схемы (сопровождение по азимуту)

W = F(S) = jj <p(q,r)drdq

■Ji/2+r2SS

Максимальная круговая ошибка по уровню вероятности W : S = {!¥) . Оптимальные коэффициенты фильтров и оценка точности траекторного фильтра s^ определяются из решения задачи

iml4 = min (max S) a ,ß ,a ,ß t

АЛЕЕ

Исследована зависимость суммарной ошибки наведения от максимальной ошибки позиционирования, вида неровностей рельсового пути, временной задержки между моментом измерения и передачей оценок координат контроллеру антенного позиционера.

В рассмотренной области параметров фактическая точность при независимом проектировании ниже на 22% — 28% для диапазона потерь 0,5 — 1 дБ, чем при совместном проектировании (глава 5), что свидетельствует о предпочтительности последнего. Методы траекторной фильтрации позволяют повысить результирующую точность наведения до 9% —11 %.

В седьмой главе проведен анализ схем коррекции с применением траекторных фильтров в системах наведения с электронным и электронно-механическим сканированием. Для случая электронного сканирования рассматривается неподвижная относительно корпуса ТС плоская ФАР, широкоугольный обзор реализован за счет использовании нескольких плоских решеток, располагаемых на поверхностях объекта-носителя. В качестве корректирующего звена системы наведения используется траекторный фильтр для сглаживания измерений антенного датчика. Для случая электронно-механического сканирования рассмотрен азимутальный механический поворот ФАР и электронное сканирование по углу места.

Построены модели ошибок наведения. Исследована эффективность применения на входе системы управления и в звеньях коррекции (для механического сканирования по азимуту) траекторных а — ß — у— фильтров. Рассмотрена зависимость точности наведения от вида траекторных фильтров, ММ ошибки единичного измерения, интервала экстраполяции и положения цели в секторе электронного сканирования (СЭС).

При электронном сканировании для наведения выбираются измеряемые суммарно-разностным методом биконические координаты спутника и , v . Результаты расчетов свидетельствуют о предпочтительности применения на входе системы а — ß — фильтра, позволяющего увеличить точность наведения на 26% — 48% (снизить потери наведения на 0,4-0,5 дБ) по сравнению со случаем отсутствия траекторного фильтра.

В случае электронно-механического сканирования для сопровождения выбираются азимут А и измеряемая суммарно-разностным методом координата спутника и в угломестной плоскости. По азимуту А проведена параметрическая оптимизация звеньев коррекции для совокупности схем коррекции, рассмотренных в главе 5, и рассчитан

коэффициент колебательности, позволяющий оценить устойчивость системы. На входе контура наведения по азимуту может быть рекомендовано использование а- и а-/3- фильтров, обеспечивающих близкую точность. Для координаты и может быть рекомендован а - фильтр.

Использование траекторных фильтров на входе системы наведения по азимуту А и координате и, а также в звеньях коррекции по азимуту позволяет повысить точность слежения до 18%—34% и снизить энергетические потерь наведения на 0,2 - 0,4 дБ (рисунок 10).

V. Нг

Рис. 10 - Выигрыш по точности и снижение энергетических потерь при использовании траекторных фильтров

В таблице 1 приведены сводные результаты по главам 5-7, характеризующие зависимость точности наведения для построенных оптимальных схем коррекции от параметров антенной системы (рассмотрены типовые диапазоны параметров) и внешних факторов.

Таблица 1 -Разброс точности наведения в зависимости от параметров __ антенной системы и внешних факторов__

Параметр Отн-е ММ Ширина Время Эл.-маг. Положе- Неров-

сигнал- ошибка ДН задержки постоянная ние цели ности

шум единич. времени в СЭС рельсо-

измер. привода вого пути

Разброс до 50% 10-50% 25-30% до 10% 12-20% 4-15% 30-35%

В восьмой главе проанализирована возможность повышения показателей помехозащищенности, достоверности и стабильности передачи информации за счет использования при наведении предложенной модификации траекторных фильтров. Рассмотрен канал с аддитивным белым гауссовским шумом (А\¥0>1). Траекторная фильтрация позволяет снизить потери наведения на А,/ = 0,1.. .0,5 дБ в зависимости от метода сканирования, что приводит к снижению вероятности битовой ошибки (ВЕЯ).

Для случая отсутствия канального кодирования определено снижение ВЕЯ в зависимости от , отношения сигнал/шум на бит с/ и вида модуляции цифрового сигнала. Приведены графики зависимости

/ ВЕК(я) для (ЗРВК- и ОАМ-модуляции. Для исходного диапазона Ю"5-Ю-10 ВЕЯ снижается до 2,5 -20 раз.

Для случая помехоустойчивого канального кодирования проведены расчеты для типовой двухступенчатой системы, включающей сверточное кодирование с внешним кодом Рида — Соломона. При увеличении q на 0,10,5 дБ за счет снижения потерь наведения ВЕЯ снижается в 3 -100 раз.

На основе имитационных моделей в среде 81МиЫЫК оценена доля времени превышения заданных порогов энергетических потерь, обуславливающая уровень помехозащищенности, стабильности наведения и достоверности передачи данных.

Для рассмотренного диапазона параметров применение траекторных фильтров позволяет снизить долю превышений ВЕЯ номинального ВЕЯп (исходя из расчетного бюджета линии связи) и пониженных значений 0,165£7го ... ВЕЯ0 до 1,2—2 раз при механическом и до 100 и более раз при электронном сканировании.

Доля случаев выхода ошибки наведения за пределы рабочего участка пеленгационной характеристики ± 0,25#0 5 снижается в единицы раз при механическом и в сотни раз при электронном сканировании, что обеспечивает условия точного измерения угловых координат суммарно-разностным методом, повышает устойчивость наведения и, таким образом, стабильность функционирования канала связи.

В проведенных численных экспериментах энергетические потери наведения не превышали 0,5 -1 дБ с вероятностью не менее 0,997 на интервале, включающем длительный прямолинейный участок пути и участок маневра, и с вероятностью не менее 0,99 -0,995 на интервале маневра, что удовлетворяет требованиям ограничения уровня помех для служб спутниковой радиосвязи в части точности наведения. Использование траекторной фильтрации позволяет сократить долю времени нарушения условий наведения с потерями не выше 0,5-1 дБ до двух и более раз.

Описана техническая реализация базового варианта алгоритма наведения, основанного на траекторной фильтрации антенных измерений информационного сигнала, проведенная в рамках разработки аппаратуры и тестовых испытаний антенной системы для приема телевизионного сигнала со спутника «КогеаваЪ>. Система осуществляет слежение за спутником и прием аналогового ТВ-сигнала с борта движущегося ТС. Проведенные дорожные испытания свидетельствуют о практической реализуемости алгоритма.

Проведено сравнение результатов с аналогичными научно-техническими разработками. Первая работа реализует исходный упрощенный вариант алгоритма. Во второй рассматривается: а) наведение путем интегрирования показаний гиродатчика, с периодической коррекцией

антенным датчиком по информационному сигналу; б) наведение по пилот-сигналу без применения траекторной фильтрации. В третьей работе используется система наведения на базе комплекта внешних датчиков, с коррекцией антенным датчиком по информационному сигналу. Расчетная точность наведения в настоящей работе аналогична и выше, чем в используемых для сравнения работах.

В Заключении приводятся основные результаты и выводы.

1. Предложена и численно обоснована методика наведения на геостационарный спутник-ретранслятор в комплексе подвижной спутниковой связи на борту ТС (поезд) на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика и энкодеров. Рассмотрены случаи механического, электронного, и комбинированного позиционирования антенного луча, измерение уровней информационного и пилот-сигнала.

2. Показана возможность высокоточного наведения по информационному сигналу в диапазоне отношения сигнал/шум и энергетических потерь, характерному для подвижных комплексов спутниковой связи и телевидения, что позволяет совместить функции измерительной и телекоммуникационной систем подвижного терминала.

3. На основе методов численной оптимизации построены параметрически оптимальные схемы системы наведения с дополнительным введением траекторных а — р—у — фильтров, на основе нетипового минимаксного критерия точности, обеспечивающего гарантированные максимальную точность наведения, достоверность информационных сигналов и стабильность их приема в наихудших траекторных условиях.

4. Показана эффективность применения метода траекторной фильтрации измерений антенного датчика для задачи наведения на спутник в системе координат, связанной с ТС (увеличение точности наведения до 35%—50%, что обеспечивает снижение энергетических потерь информационного сигнала до 0,4 —0,5 дБ).

5. Для разработанных схем системы наведения точность наведения, соответствующая энергетическим потерям 0,5 - 1 дБ, не превышается с вероятностью порядка 0,99 -0,995 при движении ТС, включая интервалы маневрирования, что отвечает требованиям помехозащищенности для служб спутниковой радиосвязи.

Применение методов траекторной фильтрации позволяет снизить долю времени нарушения требований помехозащищенности в части точности наведения в единицы раз.

6. Снижение энергетических потерь за счет траекторной фильтрации позволяет значительно повысить достоверность передачи данных.

Для типовых методов канального кодирования и модуляции в спутниковых линиях связи возможно снижение вероятности битовой ошибки ( ВЕЯ) до двух порядков и более, снижение доли времени превышения ВЕЯ номинального и пониженных порогов от единиц до 100 и более раз.

7. Траекторная фильтрация позволяет снизить долю времени нарушения условий точного измерения угловых координат суммарно-

разностным методом от единиц до сотен раз, что повышает устойчивость наведения и стабильность приема информационного сигнала.

8. Исследованы точность и устойчивость построенных систем наведения в зависимости от параметров бортового комплекса и дорожных условий. Наибольшее влияние на точность наведения (разброс до 50%) оказывают отношение сигнал/шум и медленноменяющаяся ошибка измерений антенного датчика.

9. Построен комплекс программ в средах МАТЬАВ, МАТНСАЭ, 51МиЬ1ЫК для решения задач проектирования системы наведения, включающий процедуры численной многопараметрической оптимизации, имитационные модели системы наведения и базовые алгоритмы. Результаты имитационного моделирования согласуются с оптимизационными и аналитическими расчетами.

10. Техническая реализация базового варианта алгоритма наведения, основанного на траекторной фильтрации измерений антенного датчика, свидетельствует о практической реализуемости данного алгоритма.

11. Наведение по измерениям антенного датчика, в том числе по измерениям уровня информационного сигнала, потенциально позволяет достигнуть такой же точности слежения, что и методы на основе инерциальных датчиков и многокомпонентных измерительных систем, при сокращении объема аппаратуры и сложностей комплексирования подвижного комплекса спутниковой связи.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Пыхов Ю.А. Выбор оптимального фильтра автосопровождения ретрансляционного спутника связи с борта маневрирующего железнодорожного экипажа // Труды 50-й научной конференции МФТИ. Часть I. Москва - Долгопрудный, 2007 г. С. 145 - 147.

2. Пыхов Ю.А, Яковлева С.Ю. Выбор траекторного фильтра автосопровождения ретрансляционного спутника с борта поезда // Тез. докл. VI Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь — перспективные технологии», Москва, 2008 г. С. 18- 20.

3. Яковлева С.Ю., Пыхов Ю.А. Выбор параметров фильтра автосопровождения ретрансляционного спутника с борта железнодорожного состава. — // «Радиотехника» (Журнал в журнале),

№ 4, 2009 г. («Радиолокация и связь» №7). С. 57 - 63.

4. Пыхов Ю.А, Яковлева С.Ю. Следящая система с коррекцией траекторным фильтром и жесткой обратной связью по скорости для автосопровождения телекоммуникационного спутника с борта поезда // Тез. докл. VII Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь — перспективные технологии», Москва, 2009 г. С. 14-17.

5. Пыхов Ю.А, Яковлева С.Ю. Параметрическая оптимизация траекторных фильтров в антенной системе автосопровождения спутника-

ретранслятора с борта поезда // «Радиотехника» (Журнал в журнале), № 10, 2009 («Радиолокация и связь» № 8), С. 69-77.

6. Пыхов Ю.А., Яковлева С.Ю. Оптимизация комбинированных схем коррекции в системе управления механическим сканированием антенного луча при автосопровождении спутника-ретранслятора с борта поезда // Тез. докл. VIII Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь — перспективные технологии», Москва, 2010 г.

С. 7, 8.

7. Яковлева С.Ю., Пыхов Ю.А. Анализ комбинированных схем коррекции в системе управления механическим позиционированием антенного луча при автосопровождении спутника-ретранслятора с борта поезда // «Радиотехника» (Журнал в журнале), № 10, 2011 г. («Радиолокация и связь» № 12). С. 63 - 70.

8. Пыхов Ю.А. Исследование комбинированных схем коррекции в системе автосопровождения телекоммуникационного спутника с борта поезда // Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск № 45, Москва, 2011. http://www.mai.ru/science/trudv/published.php?ID=25485

9. Пыхов Ю.А., Яковлева С.Ю. Построение схем коррекции с использованием траекторных фильтров в системе управления электронным и электронно-механическим позиционированием антенного луча при автосопровождении спутника-ретранслятора с борта поезда

// «Радиотехника» (Журнал в журнале), № 11, 2012 г. («Радиолокация и связь» № 14). С. 16- 26.

Пыхов Юрий Александрович

Организация наведения на спутник-ретранслятор в железнодорожном комплексе связи на основе траекторией фильтрации измерений антенного

датчика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 22.01.2014. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №17

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9 Отдел оперативной полиграфии «Физтех-полиграф» тел.: (495)408-84-30