автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Сфокусированные антенные решетки в составе радиоэлектронных средств группы малоразмерных беспилотных летательных аппаратов

На правах рукописи

ВЕДЕНЬКИН ДЕНИС АНДРЕЕВИЧ

СФОКУСИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ В СОСТАВЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ГРУППЫ МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 И АР 2012

Казань 2012

005013585

Работа выполнена на кафедре Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ».

Научный руководитель:

Доктор техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Республики Татарстан, Седельников Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Пономарев Леонид Иванович, доктор техн. наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», профессор кафедры 406

Анфиногентов Владимир Иванович, доктор техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», профессор кафедры СМ

Ведущая организация:

ФГУП «Калужский научно-исследовательский радиотехнический институт» (КНИРТИ)

Защита диссертации состоится «6»апреля 2012 года в 16:00 часов на заседании диссертационного Совета Д212.079.04 при Казанском Национальном исследовательском техническом университете имени А.Н. Туполева (КАИ) по адресу: г. Казань, ул. Карла Маркса, д. 31/7, ауд. 504.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева-КАИ.

Отзыв на автореферат, в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, прошу выслать по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, д. 10, КНИТУ-КАИ, ученому секретарю диссертационного Совета Д212.079.04 доценту Седову С.С.

Автореферат разослан « 3 » с&О рТО 2012 г.

Ученый секретарь ' !■'

Диссертационного Совета,

Седов. С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Научно-технический прогресс обеспечивает быстрые темпы развития техники и расширение ее возможностей, но подавляющее число современных технических систем продолжают быть ориентированными на человека, как ключевое звено в управлении этими системами, несмотря на все составляющие «человеческого фактора». Дальнейшее развитие техники будет требовать переосмысление роли человека, особенно остро эта проблема будет проявляться в тех человеко-машинных системах, в которых человек выполняет функцию на пределе своих физиологических возможностей. Выход, в частности в авиации, найден в переходе к беспилотным авиационным системам (БАС), позволяющим решать различные задачи в условиях, при которых применение пилотируемой авиации нецелесообразно.

Из всего многообразия БАС необходимо выделить использование малоразмерных аппаратов, способных ввиду малых размеров, высокой маневренности и возможности старта с небольшого пускового устройства или даже с руки выполнять свои функции на территории со сложным рельефом. Круг решаемых ими задач ограничен низкой энерговооруженностью, малой продолжительностью полета, ощутимому влиянию окружающей среды и сложностью компоновочных решений. Традиционным для подобных БАС было использование их на уровне тактического звена - ведение наблюдения и разведки.

В последние годы начинают предлагаться новые варианты применения малоразмерных БАС в основе которых лежит концепция сетецентризма. Возможность объединения отдельных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) в едином информационном пространстве позволяет расширить сферу их применения и ставить перед организованной группой малоразмерных БЛА новые задачи: повышение потенциала связи БЛА, ведение радиоэлектронной борьбы, пеленгацию источников радиоизлучения и даже выполнение ударных функций. Потенциал в решении этих задач определяется новыми качествами, приобретенными с организацией отдельных БЛА в боевую робототехническую группировку.

Идея группового применения малоразмерных БЛА для организации радиосвязи в дальней зоне предложена Ramu S. Chandra, S.H. Breheny, R. D'Andrea. Однако для многих перспективных применений размеры антенной решетки (АР), образованной антеннами отдельных аппаратов, могут достигать нескольких сотен метров и более! Это означает, что в

значительном диапазоне дальностей следует рассматривать работу этих решеток в зоне Френеля и новые качества, вытекающие из этого обстоятельства подлежат обязательному изучению. Основная возможность, которую «приобретает» АР в зоне Френеля - возможность фокусировки в некоторую область пространства на удалении от апертуры, соизмеримое с ее размерами.

Таким образом исследование свойств разреженных антенных решеток различных типов, сфокусированных в зоне Френеля и выработка на их основе предложений по практической реализации систем, использующих принцип сфокусированной апертуры является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности радиоэлектронных средств малоразмерной беспилотной авиационной техники группового применения.

Основная задача заключается в исследовании свойств сфокусированных антенных решеток, образованных радиосредствами группы БЛА и выработке на их основе практических рекомендаций и предложений по практическому применению.

Решение основной задачи требует рассмотрения ряда более частных взаимосвязанных задач:

1. разработки математической модели антенной решетки, образованной радиотехническими средствами группы БЛА и критериев качества применительно к задачам радиосвязи в типовых условиях применения групп БЛА;

2. на основании разработанной модели и предложенных критериев получение оценок качества когерентной антенной решетки в зависимости от ее параметров и положения точки фокусировки, в том числе с учетом влияния дестабилизирующих факторов;

3. разработки модели некогерентной антенной решетки, образованной радиотехническими средствами группы БЛА и получение оценок ее основных параметров;

4. выработки рекомендаций по построению и практическому применению сфокусированных антенных решеток в задачах радиосвязи и радиоэлектронной борьбы.

Предметом исследования являются свойства разреженных антенных решеток, сфокусированных в зоне Френеля.

Объектом исследования является антенная система, образованная радиосредствами беспилотных летательных аппаратов группового применения.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы элементы теории антенных решеток, методы математического моделирования, элементы теории вероятности и математической статистики. Численное моделирование проводилось в среде МаШСАБ 14.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. предложены и сформулированы параметры разреженных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля;

2. определены количественные значения этих параметров для «детерминированной» и случайной разреженной когерентной антенной решетки в зависимости от числа элементов, длины волны, размеров решетки и расстояния до точки фокусировки;

3. получены количественные оценки значений параметров некогерентной разреженной случайной антенной решетки, сфокусированной в зоне Френеля;

4. выработан ряд рекомендаций по построению и практическому применению в составе аппаратуры группы беспилотных летательных аппаратов и предложены новые технические решения.

Практическая ценность диссертации.

Полученные в работе результаты позволяют повысить эффективность группового применения БЛА в составе перспективных комплексов, в том числе радиоэлектронной борьбы и ударных средств за счет повышения потенциала радиосвязи, улучшения показателей скрытности и помехозащищенности радиолиний и могут быть рекомендованы к использованию при проектировании радиотехнических средств беспилотных авиационных комплексов нового поколения.

На защиту выносятся:

1. применение случайных разреженных антенных решеток, сфокусированных в зоне Френеля для повышения эффективности радиосредств беспилотной авиационной техники;

2. свойства когерентных и некогерентных антенных решеток, сфокусированных в зоне Френеля;

3. оценки возможностей реализации сфокусированных антенных решеток в составе радиосредств БЛА группового применения, включая построение переизлучающих решеток, оценку влияния дестабилизирующих факторов и погрешностей определения координат излучателей на возможность и эффективность фокусировки;

4. варианты практического применения случайных разреженных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля.

Личный вклад автора заключается в аналитическом обзоре литературы по тематике проведенных исследований, постановке и решении диссертационных задач, в создании математической модели, исследовании свойств изучаемых случайных разреженных антенных решеток, сфокусированных в зоне Френеля с соответствующими выводами и предложении вариантов практического применения случайных разреженных антенных решеток.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2006), XVI международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2008), XVII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь -2011» (Воронеж, 2011), XII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций (Казань, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 работах. В их числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, I - патент РФ на полезную модель, 1 - положительное решение по патентной заявке, 2 - журнальные статьи, тезисы и материалы научно-технических конференций.

Использование результатов диссертации. Результаты диссертации в виде методик, рекомендаций и количественных оценок использованы в работах ООО «ОКБ Сокол», в том числе по теме «Зеница», научно-исследовательской работе, выполняемой в рамках Договора о сотрудничестве КНИТУ-КАИ и ООО «ОКБ Сокол», а также в учебном процессе КНИТУ-КАИ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 108 рисунков и 8 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 99 наименований и 3 приложений на 3 страницах.

Во введении дан краткий обзор современного состояния беспилотных авиационных комплексов, отмечены тенденции их развития. Имеющиеся данные свидетельствуют о перспективности дальнейшего развития беспилотных средств с функциями разведки, в том числе радиотехнической, радиоэлектронной борьбы, ударных функций. В числе перспективных направлений - групповое использование малоразмерных аппаратов, что выдвигает в число актуальных задачи совершенствования радиоэлектронных средств, создаваемых с учетом специфики группового применения БЛА. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены некоторые задачи и особенности группового применения БЛА для ряда характерных задач- воздушного наблюдения, ведения радиотехнической разведки, постановки помех. Использование в этих целях сфокусированных антенных решеток, образованных радиосредствами БЛА группы позволяет повысить потенциал связи радиолинии БЛА - пункт управления, осуществить пеленгацию источника излучений, а также повысить эффективность радиоподавления за счет создания помех, прицельных по трем пространственным координатам.

В главе приведен краткий обзор свойств сфокусированных антенн и работ, содержащих данные исследований в области сфокусированных антенн. Выявлены основные отличия рассматриваемых антенных решеток от известных. Наиболее существенными из них являются случайная геометрия решетки и сильно разреженный ее характер. Показано, что традиционные параметры, используемые для описания излучающих свойств антенн, недостаточно характеризуют качественные свойства полей, сфокусированных случайными разреженными антенными решетками. С учетом специфики использования указанных решеток в составе комплексов группового применения введены показатели, отражающие свойства формируемых электромагнитных полей:

1. Энергетический выигрыш - как величина аналогичная КНД традиционной решетки и характеризующая повышение напряженности

поля в точке фокусировки по сравнению с одиночным ненаправленным излучателем, располагающимся в центре решетки, при равной суммарной излученной мощности

„ _ Ефок(хф,уф) ЗФФ ~ Е0(хф,уф) (1)

2. Размеры области фокусировки. Поскольку форма области фокусировки в целом оказывается близка к эллипсу, ее размеры оценивают в двух направлениях - продольном и поперечном. По аналогии с диаграммой направленности антенны продольный и поперечный размеры области фокусировки определяются по уровню 0,707 от максимального значения напряженности поля в точке фокусировки.

3. Продольная скрытность излучения. Вводится для оценки снижения напряженности электромагнитного поля создаваемого случайной разреженной антенной решеткой в направлении от решетки за пределами области фокусировки по сравнению с одиночным излучателем на интервале расстояний [уф; уф + Дтах ]

тах

- (2)

Уф

4. Угловая скрытность излучения. Вводится аналогичным образом для оценки уменьшения напряженности электромагнитного поля создаваемого случайной разреженной антенной решеткой за пределами точки фокусировки по сравнению с одиночным излучателем на

расстоянии Яф в секторе углов [а',2я -а], где а - направление на

границу области фокусировки.

5. Коэффициент прямоугольности. Данный параметр характеризует равномерность электромагнитного поля в области фокусировки.

Вторая глава посвящена изучению свойств случайных разреженных когерентных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля. Показано, что с учетом ряда принятых допущений пространственное распределение напряженности поля при фиксированной суммарной

мощности излучения | = Ръ =1 можно представить в виде

Л=1

= (3)

п=1

где / - комплексные амплитуды токов возбуждения элементов решетки;

еп (Кп ) - парциальное распределение напряженности поля излучения

п-го элемента при единичной излучаемой мощности;

- вектора, характеризующие пространственное положение

излучателей и точки наблюдения.

Для наиболее естественного случая, когда мощности излучения каждого из элементов считаются равными оптимальная фокусировка в

точку Я соответствует сопряженному значению фазы электромагнитного

поля в точке Кп излученного изотропным излучателем, расположенным в

(т \ С (Д.)

точке фокусировки -.---

еЛК)

Рассмотрены варианты сфокусированных антенных решеток, соответствующих полету БЛА строем и «роем», т.е. при детерминированном и случайном пространственном расположении элементов в пределах некоторой области пространства. С целью оценки основных характеристик, введенных в главе 1 в зависимости от числа излучателей, размеров апертуры и расстояния до точки фокусировки. Оценки проводились путем постановки серии вычислительных экспериментов с последующей обработкой их результатов, включая оценки доверительных интервалов. При проведении расчетов использована модель решетки (3) при исходных данных, характерных для перспективных задач группового применения малоразмерных БЛА:

1. Количество элементов - до 30;

2. Максимальный размер области расположения элементов - до 2 км;

3. Длина волны \ — 2.5 м., Хг — 0.25 м., А3 = 0.025 м.;

4. Расстояние до точки фокусировки Кф 10,30,50,70,90 км.

Моделирование проводилось в несколько этапов:

1. Исследование детерминированной решетки;

2. Исследование случайной решетки с постоянным угловым шагом и переменным расстоянием от центра до излучателя (квазислучайная решетка первого рода);

3. Исследование случайной решетки с постоянным расстоянием от излучателя до центра и случайным угловым положением (квазислучайная решетка второго рода);

4. Исследование случайной антенной решетки со случайным угловым шагом и случайным расстоянием от центра решетки до излучателя;

5. Исследование влияния погрешностей определения координат излучателей.

В результате моделирования получены количественные оценки основных параметров разреженных когерентных решеток, сфокусированных в зоне Френеля. Установлено, что при размерах апертуры до 2 км, расстояниях до точки фокусировки от 10 до 90 км, числе излучателей равным до 30 и длинах волны 2,5м., 0,25м., 0,025м. исследуемые параметры зависят и изменяются следующим образом:

1. энергетический выигрыш зависит преимущественно от числа

излучателей, и численно равен по напряженности ;

2. поперечный и продольный размер области фокусировки, нормированные к длине волны изменяются в пределах [10, 60] и [200, 100000) соответственно. Размеры зависят преимущественно от соотношения расстояния до точки фокусировки Лф и максимального размера антенны Яант, при увеличении /Яашп продольные и

поперечные размеры увеличиваются;

3. коэффициент продольной скрытности лежит в пределах [1,5; 5.4], увеличивается с увеличением количества излучателей, но с увеличением

длины волны и Кф1 Яшт уменьшается;

4. коэффициент угловой скрытности слабо зависит от длины волны, соотношения Яф /в.а1т, и лежит в пределах [4,8; 5.35], но возрастает с

увеличением числа излучателей;

5. коэффициент прямоугольности практически не зависит от числа

излучателей, длины волны и соотношения Кф ¡&шт и лежит в пределах [0.1; 0.35]. При этом наиболее частое значение, принимаемое

коэффициентом прямоугольности составляет порядка 0.3;

6. погрешность определения координат излучателей не должна превышать 0.25Д.

Третья глава посвящена исследованию свойств случайных разреженных некогерентных сфокусированных антенных решеток. Принцип действия некогерентной антенной решетки состоит в следующем. В режиме передачи отдельные элементы антенной решетки излучают радиосигналы в виде коротких импульсов f(t) в различные моменты времени. Характерным примером может служить PJIC с ударным возбуждением антенны. Излучаемый сигнал представляет собой апериодический колебательный процесс в виде нескольких периодов резонансной частоты антенны с быстро убывающей амплитудой. Временная расстановка излучаемых импульсов выполнена таким образом, чтобы в заданной точке (хф,уф) - точке фокусировки, происходило

одновременное воздействие всех излученных сигналов.

Пиковое значение напряженности поля в произвольной точке с координатами (.V, у) при единичных амплитудах излученных сигналов с точностью до постоянной равна:

Е(х, у) = max i -——г- (4)

' \ R, [х,У)

Аналогично случаям когерентной решетки проведен количественный анализ основных показателей, введенных в главе 1. Анализ осуществлен путем численного моделирования на основе модели (4). Проведенное моделирование некогерентных сфокусированных антенных решеток включало следующие этапы:

1. Моделирование линейной некогерентной антенной решетки;

2. Моделирование плоской антенной решетки;

3. Анализ влияния погрешности определения координат излучателей на параметры некогерентной сфокусированной антенной решетки.

Установлено, что при дальностях до точки фокусировки до 5км., длине

линейной антенной решетки Lmm до 2км, длительности импульса Знс и

числом излучателей равным 9 исследуемые параметры изменяются следующим образом:

1. Поперечный размер области фокусировки изменяется в пределах от 14 до 700 метров и зависит от длительности импульса и соотношения

Кф/^ат, ■

2. Продольный размер области фокусировки изменяется в пределах от 35 до 14100 м. и зависит от длительности импульса и соотношения

Кф / Ашн •

При моделировании случайной разреженной плоской антенной решетки с размером до 2 км., расстоянием до точки фокусировки до 950 м, длительностью импульса Знс и количеством излучателей равным 9 были получены следующие результаты:

1. Поперечный размер области фокусировки изменяется в пределах от 14 до 1656 м, и зависит от длительности импульса, соотношения Яф /Ятш, и близости точки фокусировки к излучателю антенной решетки.

2. Продольный размер области фокусировки изменяется в пределах от 12 до 444 м, и зависит от длительности импульса, соотношения Кф ¡&а,т

и близости точки фокусировки к излучателю антенной решетки.

3. Погрешность определения координат излучателя не должна

Ти ■ с превышать ± —^—.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации и варианты использования разреженных сфокусированных решеток в задачах радиосвязи и радиоэлектронной борьбы. Рассмотрено влияние дестабилизирующих факторов, главным образом неоднородности атмосферы, на степень расфазировки электромагнитных полей. Показано, что для типовых значений длин волн 0.1...1м. и дальностей 10...50 км., для типовых усредненных параметрах тропосферы, флуктуации фазы не ограничивают существенным образом возможности практической реализации рассматриваемых решеток при использовании диапазона длин волн не короче дециметрового.

Не менее существенный вопрос состоит в необходимости обеспечения требуемого фазового управление элементами решетки, причем в условиях непрерывного изменения значений координат излучателей и дальностей до точки фокусировки. Проведенное численное моделирование показало, что в основном, требование к точности определения координат

соответствуют аналогичным, относящимся к параметрам «обычных» решеток, сфокусированных в дальней зоне (т.е. менее половины длины волны). Таким образом, известные решения, основанные на текущем определении координат излучателей с помощью существующих навигационных средств, мо1ут быть успешно реализованы для диапазонов длин волн не короче метрового, или в лучшем случае, верхней части дециметрового.

Наиболее перспективный путь реализации когерентных сфокусированных решеток состоит в использовании принципа активного переизлучения, когда требуемое сопряженное значение фазы излучения каждого из элементов автоматически обеспечивается специальными аппаратными средствами. Рассмотрено несколько вариантов реализации переизлучающих устройств. Проведена оценка реализуемости переизлучающей случайной разреженной когерентной антенной решетки, сфокусированной в зоне Френеля в части оценки допустимого усиления в тракте сопряжения фазы. Показано, что реализация принципа переизлучения возможна при достаточно высоких коэффициентах усиления тракта

где Ят - минимальное расстояние между отдельными БЛА группы. Это означает, что при = 100 м, Я = 1м, М = 9 К < 40дБ. При

меньших расстояниях или большем усилении необходимо использование других методов, например разделения сигналов либо во времени, либо по частоте.

Получены оценки влияния изменения частоты на эффективность фокусировки. Показано, что при относительное изменении частоты на

величину до А/ = 4.48-10"5 относительно номинальной не приводит к существенному ухудшению введенных параметров.

Предложен ряд вариантов использования принципа сфокусированной решетки в различных прикладных задачах.

1. Связь с удаленным наземным или воздушным пунктом управления. Основу составляет принцип активной сфокусированной переизлучающей антенной решетки. Преимущества - увеличение потенциала связи, снижение общего уровня излучений вне требуемого направления и, как

(5)

следствие, повышение скрытности действия.

2. Использование некогерентных антенных решеток в задаче двумерной пеленгации источника импульсных излучений. Рассмотрены варианты реализации и даны оценки пеленгационных характеристик в продольном и поперечном направлениях.

3. Использование принципа фокусировки для реализации ложных авиационных целей. Предложен способ построения (Патентная заявка №2011100712. Устройство имитации отраженных сигналов РЛС. //Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е., Булатов Д.Х. Положительное решение о выдаче патента), разработана структурная схема устройства для имитации отраженных сигналов и алгоритм работы парной ложной цели, приведены оценки функционирования в различных режимах.

Рис. 1. Структурная схема устройства для имитации отраженных сигналов РЛС

4. Система постановки помех. Использование принципа фокусировки позволяет осуществить постановку помех прицельных по трем

пространственным координатам. Предложен вариант (Патент РФ на полезную модель №113019 от 27.01.2012 г. Система постановки помех мобильным пунктам радиосвязи со сверхширокополосными сигналами. //Веденькин Д.А., Седелъникоа Ю.Е., Васильев C.B.) системы создания помех при групповом применении станций помех, устанавливаемых на малоразмерных беспилотных летательных аппаратах. Разработана структурная схема системы постановки помех мобильным станциям. Разработан алгоритм работы системы. Приведены оценки эффективности системы по сравнению с одиночным излучателем.

приемная антенна

приемник

передающая антенна

приемник линии синхронизации

вычислитель

приемник спутниковой навигационной системы

_ схема задержки

оконечный усилитель 1

Второй приемник спутниковой навигационной системы

передатчик линии синхронизации

передающая антенна линии синхронизации

12 П

10

генератор та кто- I вых импульсов N+1

Рис. 2. Структурная схема системы постановки помех мобильным системам радиосвязи со сверхширокополосными сигналами

Заключение

Совокупность результатов работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи, исследования свойств сфокусированных антенных решеток, образованных приемопередатчиками группы беспилотных летательных аппаратов и выработку на их основе рекомендаций и предложений по практическому применению.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Разработана модель антенной решетки, образованной группой малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, как случайная разреженная антенная решетка, сфокусированная в зоне Френеля и сформулированы критерии для оценки ее характеристик применительно к задачам радиосвязи и радиоэлектронной борьбы.

2. На основании разработанной модели и предложенных критериев получены количественные оценки качества разреженной когерентной решетки, в том числе размеров сфокусированной области и показателей скрытности действия в зависимости от числа излучателей, длины волны и геометрических соотношений между размером антенной решетки и дальностью до точки фокусировки. Получены оценки влияния дестабилизирующих факторов, ограничивающие возможность практической реализации.

3. На основании разработанной модели некогерентной антенной решетки, образованной приемопередающими устройствами группы беспилотных летательных аппаратов получены количественные оценки размеров области фокусировки в зависимости от геометрических соотношений и параметров сигнала.

4. Выработаны рекомендации по реализации когерентных и некогерентных решеток в группе беспилотных летательных аппаратов, в том числе в виде активных переизлучающих систем. Предложены новые варианты использования принципа сфокусированной разреженной антенной решетки для задач радиосвязи с группой аппаратов, задач радиоэлектронной борьбы и создания ложных авиационных целей.

Список работ, отражающих основное содержание диссертации

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

}. Веденькин Д.А. Сфокусированные антенные решетки для систем радиосвязи с группой малоразмерных летательных аппаратов. Физика волновых процессов и радиотехнические системы, т. №5 (10), 2007г.

2. Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е. Активные сфокусированные антенные решетки для радиотехнических средств малоразмерных летательных аппаратов. Физика волновых процессов и радиотехнические системы, т. №4(11), 2008г.

Работы, опубликованные в других изданиях

3. Система постановки помех мобильным пунктам радиосвязи со сверхширокополосными сигналами //Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е., Васильев C.B. Патент РФ на полезную модель№113019 от27.01.2012г.

4. Устройство имитации отраженных сигналов PJ1C НВеденькин Д.А., Седельников Ю.Е., Булатов Д.Х. Патентная заявка №2011100712. Положительное решение о выдаче патента.

5. Веденькин Д.А. Системы связи с группой беспилотных летательных аппаратов. Электронное приборостроение, №1, Изд. Новое знание, Казань, 2008 г.

6. Веденькин ДА., Седельников Ю.Е. Оценка возможности реализации СФАР, использующей принцип переизлучения, путем анализа значений коэффициента усиления. Электронное приборостроение, №2, Изд. Новое знание, Казань, 2008 г.

7. Веденькин Д.А., Бармин C.B. Антенны с сфокусированной апертурой для средств связи с воздушными объектами. Тезисы к XII Туполевским чтениям, 2004 г.

8. Веденькин ДА. Влияние изменения частоты связи группы БЛА на форму и размеры области фокусировки, XVI Туполевские чтения, труды конференции, том 3,2008г.

9. Веденькин ДА., Седельников Ю.Е. Случайные некогерентные сфокусированные антенные решетки и варианты их применения, Сборник трудов конференции "Радиолокация, навигация и связь -2011", 2011 г.

10. Веденькин ДА., Седельников Ю.Е. Свойства когерентных антенных решеток сфокусированных в ближней зоне, Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2011, Казань, 2011г.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ АЗЗ

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10

61 12-5/3209

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА

На правах рукописи

ВЕДЕНЬКИН ДЕНИС АНДРЕЕВИЧ

СФОКУСИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ В СОСТАВЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ГРУППЫ МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05 Л 2.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Седельников Ю.Е.

Казань 2012

Содержание

Введение...............................................................................................................

Постановка цели и задачи исследования....................................................Ю

ГЛАВА I. Сфокусированные антенные решетки образованные группой

БЛА.............................................................................................................................11

1.1 Радиотехническая система группы БЛА...............................................11

1.2. Сфокусированные антенны...................................................................13

1.3. Когерентные и некогерентные сфокусированные антенны..............17

1.4. Параметры разреженных сфокусированных антенных решеток......19

ГЛАВА II. Исследование случайных разреженных когерентных антенных

решеток сфокусированных в зоне Френеля............................................................26

2.1 Задачи анализа.........................................................................................26

2.2. Модель антенной решетки....................................................................29

2.3. Количественный анализ параметров сфокусированных решеток ....35

2.4. Исследование параметров разреженных когерентных решеток,

сфокусированных в зоне Френеля.......................................................................36

2.4.1. Моделирование: принцип, описание, критерии, обработка

результатов.........................................................................................................36

2.4.2. Исследование детерминированной решетки................................38

2.4.3. Исследование квазислучайной решетки первого рода................46

2.4.4. Исследование квазислучайной решетки второго рода................49

2.4.5. Исследование случайной разреженной антенной решетки........52

2.4.6. Оценка погрешности определения координат излучателей.......60

Выводы по главе II........................................................................................64

ГЛАВА III. Исследование случайных разреженных некогерентных

сфокусированных антенных решеток.....................................................................66

3.1. Некогерентные антенные решетки.......................................................66

3.2. Оценка параметров некогерентной разреженной сфокусированной решетки...................................................................................68

3.2.1 Организация моделирования..........................................................68

3.2.1. Линейная некогерентная решетка.................................................69

3.2.2. Плоская сфокусированная антенная решетка..............................73

3.2.3. Случайная некогерентная антенная решетка...............................74

3.3. Оценка влияния погрешности определения координат излучателей некогерентной антенной решетки на возможность фокусировки...................77

Выводы по главе III.......................................................................................78

ГЛАВА IV. Вопросы реализации и практического использования.............79

4.1. Реализация когерентной сфокусированной антенной решетки........79

4.1.1. Особенности реализации................................................................79

4.1.2 Фазированная сфокусированная антенная решетка.....................81

4.1.3. Активная переизлучающая антенная решетка.............................83

4.1.4. Пути реализации..............................................................................86

4.1.5. Эффекты расфокусировки, обусловленные движением цели....88

4.1.6. Допустимая излучаемая мощность...............................................89

4.1.6 Допустимая погрешность частоты связи.......................................92

4.2. Реализация некогерентной сфокусированной решетки.....................93

4.3. Рекомендации по использованию сфокусированных решеток в аппаратуре организованной группы БЛА...........................................................94

4.3.1. Основные свойства случайных сфокусированных антенных решеток...............................................................................................................95

4.4. Варианты практического использования сфокусированных решеток: некогерентная система постановки импульсных помех...................................97

4.5. Варианты практического использования сфокусированных решеток: пеленгация с использованием некогерентной системы..................................103

4.6. Варианты практического использования сфокусированных решеток: ложная авиационная цель...................................................................................Ш

4.7. Выбор геометрии сфокусированной решетки...................................120

4.8. Связь с воздушным командным пунктом..........................................122

Выводы по главе IV.....................................................................................124

Заключение.......................................................................................................125

Список использованных источников............................................................126

Приложение 1..................................................................................................136

Приложение 2..................................................................................................137

Приложение 3..................................................................................................138

Введение

В отечественной и зарубежной литературе немало говорится об активном развитии в мире беспилотных летательных аппаратов (БЛА). В настоящее время в различных странах уже созданы сотни типов БЛА, отличающиеся как по конструкции, так и по летно-тактическим возможностям. Они могут использоваться для решения широкого спектра военных задач: от стратегического и оперативного уровня до тактического, включая выполнение полета в интересах отдельных военнослужащих. БЛА превращается в элемент единого информационного поля и в ближайшем будущем разведывательную информацию в установленный пункт будут передавать даже ракеты, ведущие разведку в процессе полета до объекта поражения.

Уровень распространения в мире БЛА позволил экспертам центра оборонной информации США сделать следующее заявление в области стратегии безопасности XXI века: «Есть две технологии, открывающие новые возможности, - беспилотные летательные аппараты и устройства космического базирования... Беспилотные самолеты, разработанные изначально для разведки и наблюдения, превращаются в беспилотные боевые воздушные средства».

Перспективами развития беспилотных летательных аппаратов однократного применения являются: повышение точности попадания в цель, увеличение дальности полета, достижение гиперзвуковых скоростей, обеспечение высокой вероятности преодоления ПВО и ПРО на театрах военных действий, создание обычных боевых частей с высоким поражающим действием, расширение номенклатуры объектов поражения, возможность корректировки полетного задания во время полета, попутное использование одноразового БЛА для ведения разведки [1,2]. Для БЛА многократного применения: высокая надежность и живучесть, большая продолжительность и дальность полета, высокие летно-технические и экономические показатели,

возможность ведения комплексной разведки с передачей данных в реальном масштабе времени. [3].

Успешное применение Израилем беспилотных летательных аппаратов в 1982 году в долине Бекаа, стали толчком к развитию данного направления техники и в нашей стране. Из нескольких проектов различных типов беспилотных авиационных комплексов: Строй-Ф, Строй-А и Строй-П в силу ряда причин был реализован самый последний. Комплекс Строй-П с ДПЛА «Пчела» предназначался для разведки танкоопасных направлений в районе высадки десанта. Бортовое оборудование БЛА включает сменный комплекс разведывательной аппаратуры. Управление беспилотным аппаратом осуществляется по введенной заранее программе, или оператором.

Практический интерес к комплексу (еще на тот момент не принятому на вооружение) возник в конце 1994 г., после начала боевых действий в Чечне. В мае 1995 г. войска Северо-Кавказского военного округа впервые применили его для поддержки боевых действий ВДВ.

Приведем некоторые данные ДПЛА «Пчела-1»:

1. дальность полета - 60км;

2. скорость полета 100-180 км/ч;

3. время полета - 2 часа.

На базе ДПЛА «Пчела- 1М» созданы постановщик активных радиопомех «Пчела-1ПМ» и предназначенный для наблюдения за наземными объектами с помощью бортовой обзорной телекамеры с передачей информации в реальном масштабе времени - «Пчела-1ТМ» [4].

В работе [5] авторами приводится следующая классификация беспилотных авиационных систем (БАС):

1. наблюдательная;

2. разведывательная;

3. разведывательно-ударная;

4. ударная;

5. бомбардировочная;

6. истребительная;

7. транспортная;

8. БАС радиоэлектронной борьбы;

9. мишени;

10. имитаторы цели;

11. многоцелевые БАС.

Вполне естественным предложить гражданские варианты применения беспилотной техники:

1. наблюдения;

2. контроля;

3. ретрансляции.

В зависимости от взлетной массы БЛА предложено классифицировать следующим образом [4,5]:

1. микро-БЛА, М0 <5 кг.;

2. мини-БЛА, М0 < 200кг.;

3. миди-БЛА, М0 < 2 т.;

4. макси-БЛА, М0 <20т.;

5. супермакси-БЛА М0 >20 т.

Существующие технические концепции, разработанные в США, предполагают, что разведка с помощью мини-БЛА будет происходить на удалении до 10 км, иметь длительность полета до 1 часа и скорость от 10 до 20 м/с при обеспечении оперативности и круглосуточности наблюдения. При проведении операций в городских условиях мини/микро-БЛА, используемый небольшими группами солдат, способен вести разведку и наблюдение в городских условиях между зданиями и может выполнять функции ретранслятора связи [6,7].

Решаемый круг задач может быть существенно расширен с использованием не одного, а нескольких аппаратов. При этом, помимо

сокращения времени на решение поставленной задачи, группа БЛА позволяет осуществлять наблюдение объекта параллельно с нескольких сторон и ракурсов, существенно расширить область наблюдения, Все это позволяет экономить и без того ограниченный энергетический запас каждого из БЛА. Для организации отдельных БЛА в боевую робототехническую группировку (БРГ) применяется сетецентризм, благодаря которому множество отдельных БЛА объединяются в компьютерную сеть с использованием средств сетеобразования. Именно сетецентризм позволяет организовать связь между любыми двумя аппаратами из группы, обеспечивать управление БРГ, своевременную замену вышедших из строя аппаратов новыми, а самое главное - организовать гибкую и непредсказуемую логику поведения БРГ которой наиболее сложно противодействовать. Это обстоятельство было замечено еще в конце 70-х годов прошлого века, когда исследовательский центр ВВС США, основываясь на результатах моделирования, показал, что наличие у одной из противоборствующих группировок возможностей по перепрограммированию своих боевых компьютеров в течение 48 часов до начала боестолкновения сокращает ее потери не менее, чем в два раза [8]. Подробнее состояние и тенденции развития современной беспилотной авиационной техники рассмотрены в работах [1,3,5-7].

Одним из существенных факторов ограничивающих применение малоразмерных БЛА является их низкая энерговооруженность и как следствие, малая мощность, излучаемая радиопередающими системами аппарата. Одним из способов преодолеть данное ограничение является организация на базе нескольких отдельных БЛА антенной решетки. Один из вариантов организации подобной антенной решетки предложен в работе [9]. Авторами предлагаются идеи по организации наблюдения за некоторым участком местности. За каждым из БЛА закрепляется отдельный участок территории. Следовательно, для успешного наблюдения аппарат должен занять оптимальное место в пространстве с целью получения наилучшего ракурса наблюдения. Порывы

ветра и турбулентные потоки воздуха, нестабильность работы двигателя непременно будут уводить БЛА из оптимальной точки наблюдения. Ошибки, возникающие при этом предлагается компенсировать электронно. Авторы считают, что для решения задачи организации связи группой БЛА, необходим тандем хорошей управляемости аппаратов и чувствительности к определению местоположения БЛА в пространстве. В качестве способа определения мгновенных координат БЛА предлагается использование GPS. Проблемы, связанные с применением GPS навигации в этом аспекте описаны в работе [10].

Авторами предполагается, что антенная решетка будет работать в дальней зоне. На мой взгляд считать, что БЛА будут работать в дальней зоне неверно. Если принять размеры группы БЛА L > 300...500 м., а диапазон рабочих длин волн Я <\...2м, тогда расстояние до условной границы дальней зоны оказывается значительным Ядз > 45.,.250/ш. В то же время для ряда ситуаций,

соответствующих перспективным применениям организованных групп малоразмерных БЛА, расстояние до корреспондента связи может быть меньшим величины Ядз по крайней мере на порядок. Поэтому, идея

предложенная в [9] должна быть трансформирована для обеспечения радиосвязи на расстояниях существенно меньших условной границы дальней зоны. Для этого должна быть организована фокусировка излучения ФАР в заданную точку пространства, соответствующую расположению корреспондента связи. Геометрические размеры подобной антенной решетки будут сравнимы с расстоянием до объекта воздействия, а расстояния между элементами решетки будут существенно больше рабочей длины волны -решетка будет разреженной. Таким образом необходимо проведение исследований антенных решеток, сфокусированных в зоне Френеля с целью определения их свойств, на основе которых возможно существенное улучшение известных и создание новых вариантов аппаратуры БЛА группового применения.

Антенной решетке, составленной из приемо-передающих устройств отдельных аппаратов присуща еще одна важная особенность. В зависимости от тактики применения групп БЛА они могут осуществлять полет организованным строем, либо неупорядоченным «роем». Более того, даже при организации строем в полете будут возникать неизбежные непредсказуемые отклонения координат и ориентации аппаратов.

Таким образом исследование свойств случайных разреженных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля применительно к задачам повышения тактико-технических показателей, в частности связи группы БЛА является современным и актуальным.

Постановка цели и задачи исследования.

Целью работы является повышение эффективности радиоэлектронных средств малоразмерной беспилотной авиационной техники группового применения.

Основная задача заключается в исследовании свойств сфокусированных антенных решеток, образованных радиосредствами группы БЛА, и выработке на их основе практических рекомендаций и предложений по практическому применению.

Решение основной задачи требует рассмотрения ряда более частных взаимосвязанных задач:

1. разработки математической модели антенной решетки, образованной радиотехническими средствами группы БЛА и критериев качества применительно к задачам радиосвязи в типовых условиях применения групп БЛА;

2. на основании разработанной модели и предложенных критериев получение оценок качества когерентной антенной решетки в зависимости от ее параметров и положения точки фокусировки, в том числе с учетом влияния дестабилизирующих факторов;

3. разработки модели некогерентной антенной решетки, образованной радиотехническими средствами группы БЛА и получение оценок ее основных параметров;

4. выработки рекомендаций по построению и практическому применению сфокусированных антенных решеток в задачах радиосвязи и радиоэлектронной борьбы.

ГЛАВА I. Сфокусированные антенные решетки образованные группой БЛА

1.1 Радиотехническая система группы БЛА

Идея образования единой радиосистемы, образуемой из радиосредств группы летательных аппаратов заключается в следующем. Приемо-передающие устройства отдельных аппаратов дополняются линиями связи малого радиуса действия, соединяющими их между собой. Способы такого объединения могут быть различными. В простейшем случае один из аппаратов выполняет ведущие функции и соединение осуществляется по схеме «звезда» (рис. 1.1). возможны и другие, более сложные варианты, например соединение по типу «каждый с каждым», причем с «плавающей» ролью ведущего средства.

Рис. 1.1. Способы объединения в группу: а) - «звезда», б) - «каждый с каждым».

В любом случае при работе в режиме излучения или приема система представляет собой активную антенную решетку. При соответствующей фазировке суммируемых сигналов может быть обеспечено повышение уровня

передаваемых сигналов (или принятого сигнала) и обеспечена более высокая пространственная избирательность при радиоприеме или радиопередаче. Впервые идея такой организации радиолинии связи с группой малоразмерных аппаратов была предложена в работе [9].

Варианты совместного использования потенциала отдельных радиосредств могут быть различными: для осуществления передачи данных наблюдения от группы аппаратов на наземный (НПУ) или воздушный (ВПУ) пункт управления и связи (рис. 1.2), ведения радиотехнической разведки (рис. 1.3) и другие.

Пункт управления

Рис. 1.2. Передача данных наблюдения на ВПУ.

Пункт управления

Групп;

Объект