автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство связи с объектом и алгоритмы микропроцессорного контроллера многолучевой зеркальной антенны

На правах рукописи

ЧАПЛЫГИН Игорь Александрович

УСТРОЙСТВО СВЯЗИ С ОБЪЕКТОМ И АЛГОРИТМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОНТРОЛЛЕРА МНОГОЛУЧЕВОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Специальность 05.13.05 "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2005

Работа выполнена на кафедре "Конструирование и технология электронно-вычислительных средств" ГОУ ВПО "Курский государственный технический университет".

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ,

д. ф.-м. н., профессор Захаров И. С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Довгаль В. М.

- кандидат технических наук, с.н.с. Онучин М.Я.

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем (г. Москва)

Защита состоится "23" ЦЮПЯ 2005 г. в4б часов на заседании диссертационного совета Д.212.105.02 в Курском государственном техническом университете (305040 г. Курск, ул. 50 лет Октября д. 94, конференц-зал)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Д.212.105.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Автореферат разослан " МО А_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

/Титенко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основное направление развития современных информационно-вычислительных систем и сетей определяется реализацией мировой стратегии интеграции технологий информатики и связи в единую инфоте-лекоммуникационную инфраструктуру. Реализация данной стратегии невозможна без соответствующих систем управления элементами и устройствами, обеспечивающими формирование и поддержание заданного качества каналов информационно-вычислительных сетей.

В рамках этой стратегии для России, имеющей обширные, расположенные в северных широтах территории с недостаточно развитой инфраструктурой информационно-вычислительных систем и сетей, спутниковые каналы с заданной скоростью передачи информации находят все большее применение. Для удовлетворения растущих потребностей информационно-вычислительных систем по пропускной способности, стремительного роста сетей спутниковой связи на базе технологи УБАТ требуется повышение энергетического потенциала спутниковых радиолиний, осуществляемое в современных и перспективных технических решениях применением в системах управления и передачи данных многолучевых гибридных зеркальных антенн (ГЗА), предусматривающих объединение в единое целое зеркальной системы и вы несенного из фокуса многоэлементного облучающего устройства. Для оперативного перераспределения частотно-энергетического ресурса ретрансляторов связи требуется разработка устройств управления характеристиками ГЗА.

В многолучевых зеркальных антеннах формирование отклоненных от фокальной оси диаграмм направленности осуществляется путем размещения элементов сложного облучающего устройства в различных точках фокальной области зеркальной системы. Одной из проблем, возникающих при реализации многолучевых зеркальных антенн, является проявление фазовых искажений, приводящих к снижению плотности потока мощности в заданном пространственном направлении, которая характеризуется коэффициентом направленного действия (КНД) антенны и уменьшению величины развязки между парциальными лучами, т. е., к потерям в энергетическом потенциале спутниковой радиолинии. Возникшее противоречие может быть разрешено с помощью микропроцессорных контроллеров ГЗА, управляющие воздействия которых формируются по информации о требуемых свойствах реальной системы, получаемых от эталонной модели.

Известные алгоритмы микропроцессорных контроллеров многолучевых зеркальных антенн имеют ограничения по точности соответствия результатов моделирования реальным измерениям, а также временным затратам на сам процесс моделирования, который может занимать время большее, чем требуемое время реакции системы управления. Эффективное функционирование системы управления ГЗА с использованием— микропроцессорных контроллеров предполагает наличие устройств связи с ия, в качест-

ве которого используются диаграммообразующие схемы, представляющие собой совокупность СВЧ-элементов, обеспечивающих заданное отклонение отдельных лучей диаграммы направленности путем управления амплитудой и фазой подводимых к многоэлементному облучателю сигналов.

В современных конструкциях многолучевых антенн задача предотвращения снижения коэффициента направленного действия (КНД) до конца не решена и для отклоненного луча в лучших образцах может составлять от 6 до 10 дБ Решение данной задачи возможно путем совершенствования УСО, вычислительных алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления параметрами диаграмм направленности с помощью микропроцессорного контроллера.

Таким образом, повышение КНД многолучевой антенны путем усовершенствования алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления ее диаграммами направленности является актуальной задачей, представляет научный и практический интерес.

В качестве объекта исследования выбрана система автоматического управления многоэлементным облучателем спутниковой ГЗА.

Содержание предмета исследований - устройства связи с объектом управления (диаграммообразующие схемы) и алгоритмы микропроцессорного контроллера (вычислительные алгоритмы эталонного моделирования и управления многоэлементным облучателем).

Целью диссертационной работы является разработка устройства связи с объектом и вычислительных алгоритмов микропроцессорного контроллера многолучевой зеркальной антенны, обеспечивающих повышение коэффициента направленного действия и точности наведения антенны

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели фокусирующей подсистемы с учетом изменения ее формы и структуры и составление на ее основе вычислительных алгоритмов микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.

2. Усовершенствование объекта управления путем определения оптимального размещения и ориентации в пространстве элементарных излучателей многоэлементного облучающего устройства, минимизирующих фазовые искажения в каждом луче диаграммы направленности и снижающие потери коэффициента усиления в контуре регулирования.

3. Разработка методики функционального синтеза диаграммообразующих схем УСО.

4. Составление вычислительного алгоритма контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления элементами УСО.

5. Разработка функциональных электрических схем устройства связи с объектом управления и программ микропроцессорного контроллера.

Методы исследования. В работе использованы теория проектирования ЭВМ, теория оптимального управления, теория матриц, методы теории зеркальных антенн, фазированных антенных решеток, методы технической электродинамики, теории множеств, математической логики, теории алгоритмов.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1 Разработана математическая модель фокусирующей подсистемы, основанная на математических методах геометрической оптики, отличающаяся возможностью учета изменения формы и структуры отражающей поверхности и позволяющая составить вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.

2 Разработана структурно-функциональная схема устройства связи с объектом, позволяющая учесть свойства многофункциональности ГЗА и схема организации системы управления многоэлементным облучателем в контуре управления с эталонной моделью.

3. Разработана методика функционального синтеза диаграммообразующих схем УСО, основанная на представлении формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового согласованного фильтра, параметры которого определяются множеством управляющих воздействий, задаваемых матрицами весовых коэффициентов.

4. Созданы вычислительные алгоритмы контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления диаграммообра-зующими элементами УСО, основанные на методе "сшивания" электромагнитных полей в фокальной области ГЗА и позволяющие повысить точность наведения диаграмм направленности антенн, снизить потери коэффициента усиления и уровень бокового излучения.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны модель и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования, использование которых в системах управления многолучевых антенных систем зеркального типа обеспечивает снижение потерь коэффициента направленного действия, повышение точности наведения при отклонении диаграммы направленности.

2. Разработано программное обеспечение для анализа основных параметров антенных систем зеркального типа, подлежащих регулировке в устройствах связи с объектом.

3. Создано техническое решение объекта управления (многолучевой зеркальной антенны), инвариантное к типу и форме используемых рефлекторов зеркальной системы и многоэлементного облучателя и перспективное для организации их промышленного освоения.

Реализация и внедрение. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ "Помехозащита", "Антенна-Р", "Массовка- 99, 2001, 2002", "Олимп-П", "Сплав", "Лавр", проводимых ФГУП НИИ "Квант", 16 ЦНИИИ МО РФ, ООО " Инком", в/ч 71330-Ж.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН" (Орел, ВИПС, 1997 г.); ВНТК "Проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи ВС РФ" (Санкт-Петербург, ВАС, 1998 г); ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН" (Орел, Академия ФАПСИ, 2003 г.); IX ВНТК по криптографии "Проблемы построения, развития и защиты ТКС" (Орел, Академия ФАПСИ, 2001 г.); ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН" (Орел, Академия ФСО, 2005).

Публикации. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 8 статей, патент на изобретение, 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны математическая модель для исследования фокусирующих свойств рефлекторов с различной формой отражающих поверхностей при сканировании [3, 4, 6, 8], методика функционального синтеза диаграммооб-разующих схем [2, 5, 13, 15], алгоритмы синтеза амплитудно-фазового распределения облучающего устройства многолучевых зеркальных антенн [7, 9, 11, 14], алгоритм определения оптимального места расположения и размеров облучающего устройства, технические решения по реализации ГЗА [1, 12 16]

На защиту выносятся:

1. Математическая модель фокусирующей подсистемы и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера ГЗА.

2. Структурно-функциональная схема устройства связи с объектом и схема организации системы управления многоэлементным облучателем.

3 Методика функционального синтеза диаграммообразующих схем устройства связи с объектом.

4. Вычислительный алгоритм контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления элементами УСО.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка литературы из 86 наименований и 3-х приложений. Общий объем диссертации -165 страниц, включая 29 рисунков, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проанализированы возможности существующих систем управления сетей фиксированной (ФСС), подвижной (ПСС) и радиовещательной (РСС) спутниковых служб.

На основании анализа систем управления сетей спутниковой связи различного назначения, процедур их функционирования и управления ресурсом выявлена устойчивая тенденция к расширению мультисервисных услуг, пре-

доставляемых данными сетями путем увеличения их пропускной способности, внедрением современных сетевых технологий управления и передачи данных, цифровой передачи речи и видеоизображений. Основным направлением увеличения пропускной способности является повторное использование частотного ресурса на основе применения многоэлементных облучающих устройств ГЗА и увеличения скорости передачи информации в пределах возможностей по реализации энергетического потенциала спутниковых радиолиний на участках "вниз", "вверх" за счет больших (£>/Л > 100) рефлекторов.

Управление ресурсом сетей осуществляется с базовых (центральных и региональных) земных станций перераспределением пространственного положения "парциальных лучей" ГЗА по измеряемому трафику в подсистеме управления с учетом заявленных на этапе развертывания системы спутниковой связи (ССС) энергетических параметров антенны. Управляющие воздействия системы управления ССС формируются по критерию минимум среднеквадратиче-скоро отклонения реализуемых зон покрытия многолучевой антенны от требуемых, что обеспечивает устойчивое управление ресурсом ретранслятора связи. Подобный подход предполагает наличие в системах управления опорного сигнала по контролируемым параметрам и устройства его формирования, в качестве которого может выступать эталонная модель объекта управления, а именно гибридной зеркальной антенны. В данном случае наблюдается значительное увеличение временных затрат на процесс вычисления контролируемых параметров, обусловленный не только выполнением требований по точности соответствия результатов моделирования реальным измерениям при контроле и диагностике, но и подходами, взятыми за основу при построении вычислительных алгоритмов эталонного моделирования. Противоречие между требуемым временем реакции системы управления и временными затратами на сам процесс моделирования зачастую приводит к невозможности решения задачи управления параметрами радиолинии в реальном масштабе времени.

С учетом современного состояния техники проектирования гибридных зеркальных антенн различного назначения определены цели и задачи исследования, позволяющие обеспечить улучшение эксплуатационно-технических характеристик систем управления ГЗА.

Во второй главе рассмотрены методы анализа зеркальных антенн с управляемыми диаграммами направленности. Сделан вывод о том, что применение какого-либо из рассмотренных методов в отдельности не позволяет достаточно полно и эффективно проводить исследование управляемых параметров. Возникает задача их развития путем разработки вычислительных алгоритмов эталонного моделирования и управления многоэлементным облучателем, обеспечивающих снижение потерь коэффициента направленного действия и ошибок по точности наведения многолучевых зеркальных антенн.

На основе математических методов геометрической и физической оптики предложена математическая модель фокусирующей подсистемы ГЗА, позволяющая произвести расчет размеров и формы облучающего устройства для

произвольной структуры и профиля отражающей поверхности при заданном относительно фокальной оси симметрии направлении прихода волн с плоским фазовым фронтом.

В качестве переменных состояния выбрано отклонение точек фокусировки от точки максимальной плотности ГО-лучей. За критерий оптимальности положения фокальной точки зеркальных антенн с рефлекторами различного профиля при произвольном приходе плоского фронта падающей волны принята максимальная плотность отраженных в фокальную область лучей. Функционирование отражающей поверхности рассматривалось в режиме приема при падении электромагнитной волны с плоским фазовым фронтом, направление которой задано ортом г° = (- тп всоь ¿;,-.ип в.ип £,соз в), где (в,с) - углы сферической системы координат. Отраженные в фокальную область лучи имеют направляющий вектор г\ ={рх>Ру,Р2)=>:0 2" •

Процедура формирования модели базируется на трех этапах На первом находится положение точки фокусировки в фокальной области по максимуму плотности лучей как результат решения системы уравнений.

1 т

-1 Г"

1 и

- 2

ти

1 т

- Г -V

<"Т

I Я!

- I

-У/р1р1 -г,Р>Р'

оЦЧ

мч

н

-1пр'р{\=- 1 '/=1

У)

АН

-Х,Р}Р{

1'\'у

)Ч

Н

1 т)=\

мч

н

-у,рЦ -у^Ч'

(1)

где каждый элемент системы уравнений есть элемент матрицы преобразования пространственных параметров внешних характеристик ГЗА в оцениваемые параметры системы управления, т - число лучей, отраженных от рефлектора в фокальную область; ] - номер луча, отраженного от точки (г/,у1 ? 1,) на рефлекторе; - направляющие коэффициенты произвольною луча; (*„, >'0 ,га,) - координаты искомой точки. На втором этапе находится плоскость оптимального расположения апертуры облучающего устройства. С этой целью в фокальной области вводится плоскость, проходящая через точку, найденную в результате решения системы (1).

Искомая плоскость отвечает максимальной плотности пересекающих ее лучей, а полярные параметры плоскости определяются в результате минимизации функционала:

(■> [т у_,

(2)

где I = 1 - т - номер переменной плоскости в фокальной области рефлектора с направляющими коэффициентами (р\,р\,р\) и перпендикулярной к произвольно взятому у-му лучу; - координаты точки пересечения у -х лу-

чей с г -й плоскостью. На третьем этапе определяется центр тяжести по плотности лучей неоднородной плоской фигуры, описывающей фокальную область в заданной (2) плоскости:

А Г

уО') м

лп ■ Уп

т

I

1,/п

>0 /0.0' Ая >п

Ус

к=1

ж*

" /

I 1/п к-1 '

00 у.0.«)1*1

"1 'Уп /

(3)

г'

координаты точки пересечения у -го луча с выбранной г -й плоскостью в преобразованной к плоскости системе координат (х',у',2{), относительно которой оп-

ределяется переменная плотность лучей п\х'\,!^ \ (*!/у!''') - координаты

точек пересечения / -х лучей с той же / -й плоскостью, определяющих переменную плотность лучей.

В области центра излучения антенны определено сфокусированное рефлектором электромагнитное поле:

¡1ф

ч

КОЦ

"гп

[)-ОРо)Ро]ро \J-CJро)РО]

ехр< 1к

Л, (4)

где (х,у,:) - координаты точки отражения на рефлекторе; (х,, ^, ^) - координаты точки наблюдения; ра - орт в точку наблюдения; в - угол сферической системы координат; площадь поверхности рефлектора; ] = 2[п х н\ - ток на поверхности рефлектора в приближении физической оптики.

Сравнительный анализ результатов расчетов, полученных методом геометрической и физической оптики, показывает практически полное совпадение максимальной плотности геометрооптических лучей и максимальной напряженности электромагнитного поля в фокальной области зеркальных антенн с рефлекторами различного профиля.

На основе предложенной математической модели составлен вычислительный алгоритм микропроцессорного контроллера ГЗА (рис. 1).

Подобный подход к исследованию фокусирующих свойств зеркальных антенн с различной формой отражающей поверхности (параболоид вращения, эллипсоид вращения, сфера) позволил выяснить пределы изменения уровня поля в области центра излучения антенн каждого типа с осесимметричными и осенесимметричными рефлекторами, определить возможные пределы управления при заданном уровне падения напряженности поля в секторе углов 0 = (0ч-60°), сравнить полученные результаты с результатами для антенн с рефлекторами различного типа.

Рис 1 Алгоритм эталонного моделирования фокусирующей подсистемы ГЗА на микропроцессорном контроллере

Сравнение показывает, что по энергетическим характеристикам, а именно по плотности лучевого потока в фокальной области наиболее предпочтительным для управления параметрами является параболический рефлектор (рис. 2) Вместе с тем, при управлении параметрами параболоида вращения формирование парциального луча должно обеспечиваться кластерной группой, размеры которой изменяются в пределах 2.. 2,5X. Размеры кластерной группы сферического и эллиптического рефлекторов не превышает ТК при тех же пределах отклонения луча (рис. 3).

V/, отн ед

0,995

0.75

0,25

сфера 1 1 1 1

____-___ 1 . эллипс-— 4 - »1— 1 1 параболоид | .1 ♦

- ----- ' 1 -1---1.

4 8 в, град

Рис 2 Зависимости плотности лучевого потока в фокальной области ГЗА от угла отклонения ДН

4 8 0, град

Рис 3 Зависимости размеров облучающего устройства по оси х' от угла отклонения ДН

Сделан вывод о необходимости оценки степени влияния проявляющихся систематических ошибок, вносимых рефлектором при формировании отклоненных от фокальной оси лучей, на основные энергетические параметры объекта управления, разработке алгоритмов расчета и синтеза весовых коэффициентов управления амплитудно-фазовым распределением, обеспечивающим реализацию процедур управления с одновременной компенсацией фазовых искажений в раскрыве основного рефлектора.

В третьей главе на основе предложенной модели фокусирующей подсистемы ГЗА с использованием методов геометрической оптики и геометрической теории дифракции разработан алгоритм расчета максимального числа взаимно независимых областей управления по пространственным параметрам.

Размеры сечения области фокусировки ГЗА и связанные с ними степени пространственной развязки лучей (рис. 4), пересчитанные к длине волны ¿/Л для различной компоновки ГЗА, при заданном секторе сканирования, выраженном в ширинах диаграммы направленности (ШДН), определены как расстояние между точкой пересечения крайних лучей рефлектора и некоторой точки С{хк.:к) на каустике.

14,4 11 2 8,0 4 8

(с1, гфГк —4.мУн.

4>?= У

у -•И [А

„,,_ 1 ^ >

У

** { г• ■ 'Л * Л

9 ШДН

16 12,8 9,6 6,4

3,2

г/Л рИ

п 2 И*» ■5 В

щ -хА Т1 33 Щ Щ ......

н Н_1 я , , , „1 -

с 1 Щ ' ^ 1 я-

Р— = 1.1 и] ¡2 ДЦ

~1± 1 1 ^ ! _; [Щ

0 2468 10 02468 10

Рис 4 Зависимости развязки лучей (с!1_[ и размеров области фокусировки с1/Х

от угла отклонения лучей 0, при различных раскрывах рефлектора //О

Данный алгоритм позволил оценить количество взаимно независимых лучей, формируемых в режиме приема для различной компоновки ГЗА; выработать требования к размерам, месту расположения облучателя, величине допустимой развязки между взаимно независимыми направлениями для создания ДН специальной формы и выбрать вариант компоновки ГЗА.

Разработана методика функционального синтеза диаграммообразующих схем УСО, основанная на представлении формирователя диаграмм направленности в виде углового (АУФ) либо пространственного (АПФ) фильтра (рис. 5), где роль переходной характеристики для АУФ и АПФ выполняют характеристики направленности антенны в режиме приема Г(к) и апертурная функция л,(р), соответственно. Апертурная функция, пересчитанная в фокальную область, есть сумма "единичных" функций

= е4(*><^к> (5)

где 1/„,(/ф) - функция модуляции амплитуды сигнала; У(р,кт)~ случайная комплексная величина, определяемая средой распространения, антенной системой и передаваемым (принимаемым) сигналом; {к,р)л (а„я) - фазовый множитель, определяемый углом прихода волны (Л,„); а„ - орт вектора из точки отражения на поверхности рефлектора в точку наблюдения; Гф-{/-/„ + [рг )/с+Ас1п/с]- время распространения волны от источника до точки наблюдения в фокальной плоскости; / - текущее время; г„ - время распространения волны от источника до начала координат; р - вектор, определяющий положение точки на рефлекторе^ - скорость света; ? - (а' зт0со*£ + у ппвсоаС + г со.чв); М„ - ди - <у„; -параметр, определяющий расстояние до точки наблюдения; -текущая точка наблюдения в фокальной области; ] = 2[Н х л] - ток на поверхности рефлектора.

Рис 5 Представление ГЗА в виде пространственного или углового фильтра

В корреляционном интеграле оптимального приемника апертурная функция/!*^,г) ГЗА является комплексно сопряженной функцией входного сигнала Е&{р,{) и зависит (см. (5)) от времени распространения, частоты (спектра частот сигнала) и направления прихода волны. Значение корреляционного интеграла

М N

Е«ы*(')= | X X (р'.1)А* (р О^и Ж может быть найдено с помощью корре-

0т=1л=1.у>

лятора или согласованного фильтра (см. рис.5), где т = \(\)М - число лучей (кластеров); п = 1(1)Л' - число элементов в кластере, формирующем луч.

Показано, что представление ГЗА в виде пространственного или углового фильтра принципиально не отличается. Формирование требуемого амплитудно-фазового распределения (АФР) сигналов в ГЗА возможно не только изменением места положения используемых излучателей кластера по алгоритму (1), (2), (3), их количества и ориентации при условии согласования поля в фокальной области с полем в апертуре облучателя, но и регулировкой весовых коэффициентов Новизна данной методики определяется тем, что позволяет выполнить синтез структуры УСО для любой конфигурации поверхности отражения. Вариант построения полнодоступной схемы УСО представлен на рисунке 6

Рис 6 Структурно-

ИВиВВшт , функциональная схема УСО

Микроконтроллер

На основе предложенной методики разработан вычислительный алгоритм синтеза весовых коэффициентов управления амплитудно-фазовым распределением, обеспечивающий реализацию процедур управления в заданный временной промежуток регулирования и компенсацию фазовых искажений в раскрыве основного рефлектора при формировании системой управления отклоненных парциальных лучей (рис. 7).

Вычислительный алгоритм построен на основе метода фокального синтеза и метода интегральных уравнений путем решения задачи согласования апли-тудно-фазового распределения на раскрывах волноводных излучателей прямоугольной формы облучающего устройства с полем в фокальной области рефлектора. Полученная система линейных алгебраических уравнений, позволяет рассчитать требуемые амплитудные и фазовые коэффициенты возбуждения излучателей облучающей антенной решетки с учетом взаимосвязи элементов.

Представление поля в фокальной области выполнено в виде разложения в ряд Фурье по ортогональной системе собственных функций элементов облучающей антенной решетки. На основе метода фокального синтеза и интегральных уравнений с использованием свойства непрерывности поля на раскрывах волноводов и ортогональности собственных функций V * ; V".; V" ; , полу-

чены основная и дополнительная системы алгебраических уравнений, решение которых позволяет определить комплексные амплитуды падающей и отраженной от раскрыва волн, распространяющихся в волноводе:

ди, тп

Ут'п' * (.Н дН V 'Л ./ ,Е ,аЕ )

Хт'п' ^т'п'

5- \dpmrfrBpmn

п=/

— г^ -/У

^гИИртп ¡)МИртп

+[ Артгг Врт)^ Ш- рт

н

т'п" р

я"

Тпт „ [■>!

■/ннл "

V», 2 /»»

Хит

(6)

(7)

где Г', О1 - коэффициенты, характеризующие степень связи между различными типами волн на раскрыве волновода при р = р' или степень связи между типами волн на раскрывах различных волноводов при р р'; р' - обозначает волновод, относительно которого определяются искомые величины; N - число волноводов в антенной решетке

Рис 7 Алгоритм расчета матриц весовых коэффициентов управления УСО

Условие согласования поля на раскрыве антенной решетки с электромагнитным полем, наводимым рефлектором в режиме приема, выполняется при составлении дополнительной системы уравнений (7), учитывающей взаимосвязь элементов облучающей решетки. Определенные в результате решения (6), (7) комплексные амплитуды падающих и отраженных от раскрыва волн позволяют реализовать требуемые коэффициенты возбуждения.

В четвертом разделе на основе метода интегрального представления поля разработан алгоритм расчета основных параметров и характеристик излучения ГЗА. учитывающий реальную компоновку зеркальной системы и переменную в пространстве фокальной области зону возбуждения. Характеристика направленности ГЗА представлена в виде соотношения

Е(в,£)АЕф{в,£)УО<е<в- ЪЕт(д,4)Ув <в<я), (8)

I т~ 1 J

где Еф{в,£)=Еф(кЯ)=1rllftfo.J,)^, или /?)=({в]^][а))= Вт[эт]а = BT[<Ti] i=i /=1

В - поле излучения антенны, вычисляемое токовым методом; Ет(в,£)~ поле излучения т-й дифракционной точки зеркала, вычисляемое методом геометрической теории дифракции (ГТД); в - угол, при котором метод ГТД имеет достаточную точность, А, = (а, /2)А,; а, = максимальный радиус раскрыва рефлектора в сечении по углу <р; q,, s 1 - нули полинома Лежандра; известные коэффициенты; \2[H,n\rj{nz )}= ^(g,,.?,)

На основе предложенных математических моделей разработаны алгоритмы численного моделирования процедур расчета пределов изменения фокальной области ГЗА при управлении ДН, ориентации облучателя и его размеров, расчета характеристик излучения облучающей системы и самой антенны, выполненные на языке Delphi.

Предложена структура организации системы управления многоэлементным облучателем ГЗА разработанной конструкции (рис. 8).

Рис 8 Структура организации системы управления гза

Изложена методика экспериментальных исследований, описана установка для проведения экспериментальных работ. В соответствии с поставленной целью исследований, а именно проверкой справедливости полученных методом геометрической и физической оптики оптимального геометрического места расположения облучающего устройства, для требуемого угла отклонения ДН использовалась осенесимметричная зеркальная антенна с облучающим устройством в виде трех точечных облучателей с частотно-независимыми фидерными трактами. Коэффициент усиления антенны при отклонении ДН измерялся методом сравнения с эталонной антенной, в качестве которой использовалась та же самая антенна с ДН не отклоненной от нормали. Измерение ДН антенного устройства производилось методом вращающейся антенны при работе исследуемой антенны на прием. Практическая установка фазовых центров излучателей в расчетные положения показала совпадение расчетных и измеренных углов отклонения максимума ДН с точностью не хуже 0,06°, а форма ДН предсказывается с ошибкой в области дальних боковых лепестков не более чем на 3 дБ, что подтверждает правильность теоретических выводов

Разработанные в ходе диссертационных исследований УСО и алгоритмы эталонного моделирования позволяют разработчикам получить практические рекомендации по проектированию систем управления ГЗА.

В заключении дается обобщение основных теоретических и практических результатов, полученных в диссертационной работе.

В приложениях представлен вывод основных соотношений для определения амплитудно-фазового распределения на раскрыве волноводных излучателей облучающей решетки, приводятся листинги программ расчета областей фокусировки и фокального центра ГЗА при сканировании, ориентации облучателя и его размеров, расчета характеристик излучения антенны.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. На основе математических методов геометрической оптики разработаны математическая модель и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера фокусирующей подсистемы ГЗА, обеспечивающие учет изменения формы и структуры отражающей поверхности при отклонении направления прихода волн с плоским фазовым фронтом относительно фокальной оси в заданном секторе углов, а также позволяющие снизить время расчета параметров в контуре систем управления с эталонной моделью по сравнению с методом физической оптики более чем на порядок;

2. Разработана структурно-функциональная схема устройства связи с объектом и структура организации управления многоэлементным облучателем, позволяющие "набирать" кластеры излучателей произвольной формы для управления параметрами отдельных ДН.

3. На основе представления формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового согласованного фильтра, разработана процедура структурного синтеза диаграммообразующих схем УСО, инвариант-

ная к типу, форме и компоновке поверхностей отражения.

4. На основе метода "сшивания" интегральных уравнений электромагнитных полей в фокальной области ГЗА разработан вычислительный алгоритм контроллера многолучевой антенны, для расчета матриц амплигудных и фазовых весовых коэффициентов управления диаграммообразующими элементами УСО, позволяющий повысить точность наведения диаграмм направленности антенн до величины не хуже 0,1 ШДН, снизить потери коэффициента КНД для каждого из парциальных лучей на 2...3 дБ за счет компенсации фазовых искажений в раскрыве основного рефлектора.

5 С использованием разработанной математической модели предложена конструкция объекта управления (многолучевой антенной системы) с компенсацией фазовых искажений, обеспечивающая снижение потерь коэффициента направленного действия и повышение точности наведения антенны за счет снижения уровня боковых лепестков на 3 .4 дБ и симметрии парциальных диаграмм направленности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Чаплыгин, И. А. Многолучевая неапланатическая ГЗА [Текст] / Н. С. Архипов, В. С. Кочетков, А. В. Тихонов, И. А. Чаплыгин, В. М. Щекотихин // Патент РФ №2181519, 2001.

2 Чаплыгин, И. А. Представление гибридных зеркальных антенн в виде пространственных и угловых фильтров [Текст] / Н. С. Архипов, И. С. Захаров, И. А. Чаплыгин // Телекоммуникации,- 2000 - № 3 - С. 29-37.

3. Чаплыгин, И. А. Пространственное разнесение лучей для рефлекторов в виде параболического цилиндра [Текст] / Н. С. Архипов, В. С. Кочетков, И. С. Некрасов, И. А Чаплыгин // Телекоммуникации - 2000 - № 6,- С. 30-34.

4. Чаплыгин, И. А. Форма распределения и плотность лучевого потока в фокальной области рефлекторов гибридных зеркальных антенн [Текст] / Н. С Архипов, В. С. Кочетков, И. С. Некрасов, И. А. Чаплыгин // Телекоммуникации.- 2001. № 1.- С. 25-30.

5. Чаплыгин, И. А. Эффективность облучающей волноводной решетки при сканировании в ГЗА [Текст] / Н. С. Архипов, И. С. Некрасов, И. А. Чаплыгин // Телекоммуникации. - 2001. № 3 - С. 21-23.

6. Чаплыгин, И.А. Характеристики многофункциональных антенных систем

зеркального типа [Текст] / Н. С. Архипов, И. А. Чаплыгин // Телекоммуникации. -2004. № 4. С. 36-39.

7. Чаплыгин, И. А Синтез амплитудно-фазового распределения в облучающих антенных решетках МФАСЗТ при пространственной обработке сигналов [Текст] / Н.С.Архипов, И.А.Чаплыгин // НТСб Академия ФАПСИ. -Орел, 2003. № 15. - С. 28-36.

8 Чаплыгин, И А Характеристики фокальной области зеркальных антенн при ПВОС сигналов в трактовке метода геометрии масс [Текст] / Н.С. Архипов,

И. А. Чаплыгин, А. Е. Умнов // НТСб Академия ФАПСИ. -Орел, 2003. № 15. -С. 56-64.

9. Чаплыгин, И. А. Метод геометрии масс в задачах синтеза зеркальной системы многофункциональной антенных систем при ПВОС [Текст] / Н. С. Архипов, И. А. Чаплыгин, И. С. Вилесов // НТСб Академия ФАПСИ. -Орел. 2003.

№ 15.-С. 8-15.

10. Чаплыгин, И. А. Подход к определению требований по отклонению диаграммы направленности антенн коллективных и распределительных приемных установок СНТВ [Текст] / И. А. Чаплыгин // Тез. доклада на ВНТК. - Орел: Академия ФСО, 2005,- С. 221-222.

11. Чаплыгин, И А. Облучающие устройства гибридных зеркальных антенн в виде волноводно-рупорных излучателей произвольного поперечного сечения [Текст] / Н. С. Архипов, И А. Чаплыгин, А. С. Кадура // Тез. доклада на ВНТК. - Орел: Академия ФАПСИ, 2003.- С. 275-277.

12. Чаплыгин, И. А. Предложения по реализации антенного комплекса для организации приема спутникового непосредственного телевизионного вещания [Текст] / Тезин А В., Ширко А. И , Чаплыгин И. А., Шугуров Д. В. // Тез. доклада на ВНТК. - Орел: Академия ФАПСИ, 2003 - С. 257-258.

13. Чаплыгин, И А. Сравнение вероятностных характеристик распределения лучевого потока в фокальной области рефлекторов ГЗА [Текст] / Н. С Архипов, И. А. Чаплыгин // Тез. доклада на IX ВНТК. - Орел- Академия ФАПСИ, 2001.-С. 193-195.

14. Чаплыгин, И. А. Алгоритм синтеза ОАР гибридной зеркальной антенны на основе метода "сшивания" полей [Текст] / Н. С Архипов, И. А. Чаплыгин // Тез. доклада на IX ВНТК. -Орел: Академия ФАПСИ, 2001.-С. 189-190.

15. Чаплыгин, И. А. Сравнение характеристик распределения лучевого потока в фокальной области рефлекторов ГЗА [Текст] / Н. С. Архипов. И. А. Чаплыгин // Тез. доклада на IX ВНТК. - Орел: Академия ФАПСИ, 2001. С. 189-190.

16. Чаплыгин, И А. Многолучевые зеркальные антенны зонтичного типа [Текст] / НС. Архипов, М А. Сонькин, И. А. Чаплыгин // Тез доклада на ВНТК,-Орел: ВИПС, 1997,-С. 149.

17. Чаплыгин, И. А. Подход к определению требований для комплексов многоканальной радиосвязи [Текст] / НС. Архипов, М. А. Сонькин, И. А. Чаплыгин//Тез. доклада на ВНТК. — СПб.: ВАС, 1998.-С.124.

Соискатель

Чаплыгин И. А.

ИД № 06430 от

Подписано в печать 0.5.06 Формат 60x84 1/16

Печ. л._Тираж 100 экз. Заказ 4$

Курский государственный технический университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

»136 73

РНБ Русский фонд

2006-4 10387

ВВЕДЕНИЕ.

1. Современное состояние и требования предъявляемые к многолучевым антеннам с управляемой диаграммой направленности в системах управления.

1.1. Анализ современного состояния систем спутниковой связи и направления их совершенствования.

1.2. Требования, предъявляемые к многолучевым и сканирующим антеннам систем спутниковой связи.

1.3. Современное состояние практики проектирования зеркальных антенн и направления совершенствования антенных устройств систем спутниковой связи.

1.4. Выводы.

2. Математическая модель фокусирующей подсистемы и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.

2.1. Методы исследования многолучевых гибридных антенн зеркального типа и зеркальных антенн с управляемой диаграммой направленности.

2.2. Фокусирующие свойства многолучевых зеркальных антенн с различными типами отражающей поверхности.

2.3. Оптимальное положение облучателя и геометрические размеры фокальной области антенн различного профиля при отклонении луча.

2.4. Распределение напряженности поля в фокальной области для зеркал различного профиля.

2.5. Выводы.

3. Синтез элементов системы управления многолучевой антенны зеркального типа.

3.1. Оценка требований к компоновке и алгоритм расчета пространственной развязки парциальных лучей в многолучевой антенной системе зеркального типа.

3.2. Синтез устройств связи с объектом на основе представления формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового фильтра.

3.3. Компенсация искажений в апертуре зеркальных антенн на основе синтеза матриц весовых коэффициентов управления УСО.

3.4. Характеристика излучения облучающего устройства кластерного типа на прямоугольных волноводах при компенсации искажений амплитудно-фазового распределения в раскрыве основного рефлектора.

3.5. Выводы.

4. Исследования соответствия алгоритмов эталонного моделирования многолучевой зеркальной антенны.

4.1. Интегральный метод представления поля и его применение для расчета характеристик излучения зеркальных антенн.

4.2. Технологическая схема обработки информации при расчете характеристик излучения ГЗА.

4.3. Технические решения по реализации элементов системы управления арактеристиками многолучевой антенны на основе ГЗА.

4.4. Результаты измерений фокусирующих свойств осенесимметричной параболической антенны при отклонении ДН.

4.5.Вывод ы.

Основное направление развития современных информационно-вычислительных систем и сетей определяется реализацией мировой стратегии интеграции технологий информатики и связи в единую инфотелекоммуникационную инфраструктуру. Реализация данной стратегии невозможна без соответствующих систем управления элементами и устройствами, обеспечивающими формирование и поддержание заданного качества каналов информационно-вычислительных сетей.

В рамках этой стратегии для России, имеющей обширные, расположенные в северных широтах территории с недостаточно развитой инфраструктурой информационно-вычислительных систем и сетей, спутниковые каналы с заданной скоростью передачи информации находят все большее применение. Для удовлетворения растущих потребностей информационно-вычислительных систем по пропускной способности, стремительного роста сетей спутниковой связи на базе технологи VSAT требуется повышение энергетического потенциала спутниковых радиолиний, осуществляемое в современных и перспективных технических решениях применением в системах управления и передачи данных многолучевых гибридных зеркальных антенн (ГЗА), предусматривающих объединение в единое целое зеркальной системы и вынесенного из фокуса многоэлементного облучающего устройства. Для оперативного перераспределения частотно-энергетического ресурса ретрансляторов связи требуется разработка устройств управления характеристиками ГЗА.

В многолучевых зеркальных антеннах формирование отклоненных от фокальной оси диаграмм направленности осуществляется путем размещения элементов сложного облучающего устройства в различных точках фокальной области зеркальной системы. Одной из проблем, возникающих при реализации многолучевых зеркальных антенн, является проявление фазовых искажений, приводящих к снижению плотности потока мощности в заданном пространственном направлении, которая характеризуется коэффициентом направленного действия (КНД) антенны и уменьшению величины развязки между парциальными лучами, т. е., к потерям в энергетическом потенциале спутниковой радиолинии. Возникшее противоречие может быть разрешено с помощью микропроцессорных контроллеров ГЗА, управляющие воздействия которых формируются по информации о требуемых свойствах реальной системы, получаемых от эталонной модели.

Известные алгоритмы микропроцессорных контроллеров многолучевых зеркальных антенн имеют ограничения по точности соответствия результатов моделирования реальным измерениям, а также временным затратам на сам процесс моделирования, который может занимать время большее, чем требуемое время реакции системы управления. Эффективное функционирование системы управления ГЗА с использованием микропроцессорных контроллеров предполагает наличие устройств связи с объектом (УСО) управления, в качестве которого используются диаграммообразующие схемы, представляющие собой совокупность СВЧ-элементов, обеспечивающих заданное отклонение отдельных лучей диаграммы направленности путем управления амплитудой и фазой подводимых к многоэлементному облучателю сигналов.

В современных конструкциях многолучевых антенн задача предотвращения снижения коэффициента направленного действия (КНД) до конца не решена и для отклоненного луча в лучших образцах может составлять от 6 до 10 дБ. Решение данной задачи возможно путем совершенствования УСО, вычислительных алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления параметрами диаграмм направленности с помощью микропроцессорного контроллера.

Таким образом, повышение КНД многолучевой антенны путем усовершенствования алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления ее диаграммами направленности является актуальной задачей, представляет научный и практический интерес.

В качестве объекта исследования выбрана система автоматического управления многоэлементным облучателем спутниковой ГЗА.

Содержание предмета исследований устройства связи с объектом управления (диаграммообразующие схемы) и алгоритмы микропроцессорного контроллера (вычислительные алгоритмы эталонного моделирования и управления многоэлементным облучателем).

Целью диссертационной работы является разработка устройства связи с объектом и вычислительных алгоритмов микропроцессорного контроллера многолучевой зеркальной антенны, обеспечивающих повышение коэффициента направленного действия и точности наведения антенны.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели фокусирующей подсистемы с учетом изменения ее формы и структуры и составление на ее основе вычислительных алгоритмов микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.

2. Усовершенствование объекта управления путем определения оптимального размещения и ориентации в пространстве элементарных излучателей многоэлементного облучающего устройства, минимизирующих фазовые искажения в каждом луче диаграммы направленности и снижающие потери коэффициента усиления в контуре регулирования.

3. Разработка методики функционального синтеза диаграммообразующих схем УСО.

4. Составление вычислительного алгоритма контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления элементами УСО.

5. Разработка функциональных электрических схем устройства связи с объектом управления и программ микропроцессорного контроллера.

Методы исследования. В работе использованы теория оптимального управления, теория матриц, методы теории зеркальных антенн, фазированных антенных решеток, методы технической электродинамики, теории множеств, математической логики, теории алгоритмов, теория проектирования ЭВМ.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Разработана математическая модель фокусирующей подсистемы, основанная на математических методах геометрической оптики, отличающаяся возможностью учета изменения формы и структуры отражающей поверхности и позволяющая составить вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.

2. Разработана структурно-функциональная схема устройства связи с объектом, позволяющая учесть свойства многофункциональности ГЗА и схема организации системы управления многоэлементным облучателем в контуре управления с эталонной моделью.

3. Разработана методика функционального синтеза диаграммообразующих схем УСО, основанная на представлении формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового согласованного фильтра, параметры которого определяются множеством управляющих воздействий, задаваемых матрицами весовых коэффициентов.

4. Созданы вычислительные алгоритмы контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления диаграммообразующими элементами УСО, основанные на методе "сшивания" электромагнитных полей в фокальной области ГЗА и позволяющие повысить точность наведения диаграмм направленности антенн, снизить потери коэффициента усиления и уровень бокового излучения.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны модель и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования, использование которых в системах управления многолучевых антенных систем зеркального типа обеспечивает снижение потерь коэффициента направленного действия, повышение точности наведения при отклонении диаграммы направленности.

2. Разработано программное обеспечение для анализа основных параметров антенных систем зеркального типа, подлежащих регулировке в устройствах связи с объектом.

3. Создано техническое решение объекта управления (многолучевой зеркальной антенны), инвариантное к типу и форме используемых рефлекторов зеркальной системы и многоэлементного облучателя и перспективное для организации их промышленного освоения.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель фокусирующей подсистемы и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера ГЗА.

2. Структурно-функциональная схема устройства связи с объектом и схема организации системы управления многоэлементным облучателем.

3. Методика функционального синтеза диаграммообразующих схем устройства связи с объектом.

4. Вычислительный алгоритм контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления элементами УСО.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка литературы из 86 наименований и 3-х приложений. Общий объем диссертации - 165 страниц, включая 29 рисунков, 9 таблиц.

4.5. Выводы:

1. Разработанные на основе математических моделей вычислительные алгоритмы эталонного моделирования фокусирующей подсистемы ГЗА, позволяют рассчитать точку установки, размеры ориентацию в пространстве элементов облучающего устройства при отклонении диаграммы направленности антенны относительно фокальной оси.

2. Предложенные алгоритмы расчета характеристик излучения облучающей системы и самой антенны обеспечивают проведение анализа потенциальных электрических характеристик антенных систем зеркального типа, что необходимо при их проектировании.

3. Результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность теоретического заключения о возможности повышения коэффициента усиления, сужения главного лепестка и уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности осенесимметричной антенны зеркального типа путем оптимально расположения облучающего устройства, в фокальной области рефлектора ГЗА.

4. Предложенная конструкция многолучевой антенной системы с компенсацией фазовых искажений, обеспечивает повышение энергетического потенциала радиолинии, точности наведения и решение задач электромагнитной совместимости за счет снижения уровня боковых лепестков мене, увеличения крутизны, симметрии парциальных диаграмм направленности и упрощение реализации элементов и устройств систем управления ГЗА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача разработки алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления диаграммами направленности многолучевых гибридных зеркальных антенн, обеспечивающих управление энергетическим потенциалом радиолинии, повышение точности наведения антенн, снижение потерь коэффициента направленного действия и решение задач электромагнитной совместимости путем улучшения их эксплуатационно-технических характеристик.

В работе рассмотрено современное состояние и практики проектирования многолучевых антенных системы зеркального типа, в результате которого выявлены необходимые и достаточные условия для их использования в качестве объектов управления в системах управления ресурсом сетей спутниковой связи.

На основании анализа систем управления сетей спутниковой связи различного назначения, процедур их функционирования и управления ресурсом выявлена устойчивая тенденция увеличения пропускной способности путем повторное использование частотного ресурса на основе применения многоэлементных облучающих устройств ГЗА и увеличения скорости передачи информации в пределах возможностей по реализации энергетического потенциала спутниковых радиолиний за счет больших (D/X > 100 ) рефлекторов.

На основе математических методов геометрической оптики разработаны математическая модель и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера фокусирующей подсистемы ГЗА, обеспечивающие учет изменения формы и структуры отражающей поверхности при отклонении направления прихода волн с плоским фазовым фронтом относительно фокальной оси в заданном секторе углов, а также позволяющие снизить время расчета параметров в контуре систем управления с эталонной моделью по сравнению с методом физической оптики более чем на порядок.

Разработана структурно-функциональная схема устройства связи с объектом и структура организации управления многоэлементным облучателем, позволяющие "набирать" кластеры излучателей произвольной формы для управления параметрами отдельных ДН.

На основе представления формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового согласованного фильтра, разработана процедура структурного синтеза диаграммообразующих схем УСО, инвариантная к типу, форме и компоновке поверхностей отражения.

На основе метода "сшивания" интегральных уравнений электромагнитных полей в фокальной области ГЗА разработан вычислительный алгоритм контроллера многолучевой антенны, для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления диаграммообразующими элементами УСО, позволяющий повысить точность наведения диаграмм направленности антенн до величины не хуже 0,1 ШДН, снизить потери коэффициента КНД для каждого из парциальных лучей на 2.3 дБ за счет компенсации фазовых искажений в раскрыве основного рефлектора.

С использованием разработанной математической модели предложена конструкция объекта управления (многолучевой антенной системы) с компенсацией фазовых искажений, обеспечивающая снижение потерь коэффициента направленного действия и повышение точности наведения антенны за счет снижения уровня боковых лепестков на 3.4 дБ и симметрии парциальных диаграмм направленности.

Разработанные технологические схемы обработки информации в среде Mathcad, позволяют выполнить анализ свойств зеркальных систем при сканировании для произвольной компоновки, формы и количества рефлекторов, определить оптимальное геометрическое место расположения облучателей, а также осуществить расчет внутренних и внешних характеристик и энергетических параметров антенной системы в целом.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Чаплыгин И. А. и др. Многолучевая неапланатическая ГЗА. Патент РФ № 2181519, кл. С 1 от 15.10.2001.

2. Архипов Н. С., Захаров И. С., Чаплыгин И. А. Представление гибридных зеркальных антенн в виде пространственных и угловых фильтров // Телекоммуникации - 2000 - № 3 - С. 29-37.

3. Чаплыгин И. А. и др. Пространственное разнесение лучей для рефлекторов в виде параболического цилиндра // Телекоммуникации - 2000 - № 6.- С. 30-34.

4. Чаплыгин И. А. и др. Форма распределения и плотность лучевого потока в фокальной области рефлекторов гибридных зеркальных антенн // Телекоммуникации - 2001 - № 1- С. 25-30.

5. Архипов Н. С., Некрасов И. С., Чаплыгин И. А. Эффективность облучающей волноводной решетки при сканировании в ГЗА // Телекоммуникации - 2001 -№3.-С. 21-23.

6. Архипов Н. С., Чаплыгин И. А. Характеристики многофункциональных антенных систем зеркального типа // Телекоммуникации.- 2004 - № 4. С. 36-39.

7. Архипов Н. С., Чаплыгин И. А. Синтез амплитудно-фазового распределения в облучающих антенных решетках МФАСЗТ при пространственной обработке сигналов // Сборник научных трудов Академии ФАПСИ.-Вып. 15 — Орел: Академия ФАПСИ, 2003. С. 28-36.

8. Архипов Н. С., Чаплыгин И. А., Умнов А. Е. Характеристики фокальной области зеркальных антенн при ПВОС сигналов в трактовке метода геометрии масс // Сборник научных трудов Академии ФАПСИ.- Вып. 15,- Орел: Академия ФАПСИ, 2003.- С. 56-64.

9. Архипов Н. С., Чаплыгин И. А., Вилесов И. С. Метод геометрии масс в задачах синтеза зеркальной системы многофункциональной антенных систем при ПВОС // Сборник научных трудов Академии ФАПСИ - Вып. 15 - Орел: Академия ФАПСИ, 2003.- С. 8-15.

Ю.Архипов Н. С., Чаплыгин И. А., Кадура А. С. Облучающие устройства гибридных зеркальных антенн в виде волноводно-рупорных излучателей произвольного поперечного сечения // Материалы ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН". - Орел: Академия ФАПСИ, 2003.- С. 275-277. П.Чаплыгин И. А. Подход к определению требований по отклонению диаграммы направленности антенн коллективных и распределительных приемных установок СНТВ. // Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН". - Орел: Академия ФСО, 2005.- С. 221-222. 12.Чаплыгин И. А. и др. Предложения по реализации антенного комплекса для организации приема спутникового непосредственного телевизионного вещания // Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН". - Орел: Академия ФАПСИ, 2003 - с. 257-258

1 З.Архипов Н. С., Чаплыгин И. А. Сравнение вероятностных характеристик распределения лучевого потока в фокальной области рефлекторов ГЗА // Материалы IX Всероссийской НТК 7-8 февраля 2001 г. "Проблемы построения, развития и защиты ТКС". - Орел: Академия ФАПСИ, 2001.-С. 193-195.

14.Архипов Н. С., Чаплыгин И. А. Алгоритм синтеза ОАР гибридной зеркальной антенны на основе метода "сшивания" полей // Материалы IX Всероссийской НТК 2001 года "Проблемы построения, развития и защиты телекоммуникационных систем".- Орел: Академия ФАПСИ, 2001.-С. 189-190.

15.Архипов Н. С., Чаплыгин И. А. Сравнение характеристик распределения лучевого потока в фокальной области рефлекторов ГЗА // Материалы IX Всероссийской НТК 2001 года "Проблемы построения, развития и защиты телекоммуникационных систем",- Орел: Академия ФАПСИ, 2001. С. 189-190.

16.Архипов Н. С., Сонькин М. А., Чаплыгин И. А. Многолучевые зеркальные антенны зонтичного типа // Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН".- Орел: ВИПС, 1997.- С. 149.

17.Архипов Н. С., Сонькин М. А., Чаплыгин И. А. Подход к определению требований для комплексов многоканальной радиосвязи // Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи ВС РФ". - СПб.: ВАС, 1998. - С.124.

1. Концепция развития национальной системы спутниковой связи и вещания на период до 2010 года, от 2000 г.

2. Федеральная целевая программа "Электронная Россия 2002-2010 гг.", от 5 июля 2001 г.

3. Приложение к журналу. "Технологии и средства связи." Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещанеие." 2004, 2005.

4. Системы спутниковой связи и вещания. Справочники. 1999...2003.

5. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин СВ. Оптимальное управление. -М.: Наука, 1979.

6. Чураков В.П. Оптимальные и адаптивные системы: Учебное пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1987.-256 с ил.

7. Спутниковая связь и вещание. (Справочник) -3-е издание переработанное и дополненное./Под ред. Л.Я. Кантора. -М.: Радио и связь, 1997. -528с.

8. Покрас A.M., Цирлин В.М., Кудеяров Г.Н. Системы наведения антенн земных станций спутниковой связи. -М.: Связь, 1978. -152 с.

9. Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечни Г.В. Спутниковые сети связи: Учеб. Пособие. -М.: "Альпина Паблишер", 2004. 536 с ил.

10. Терентьев В.М., Тетерин Ю.И., Чаплыгин И.А. Основы оптимального проектирования линий радиорелейной тропосферной и спутниковой связи. Пособие по курсовому и дипломному проектированию. -Орел: Академия ФАПСИ, 2002.

11. Покрас А. М., Сомов A.M., Цуриков Г.Г. Антенны земных станций спутниковой связи. -М.: Радио и связь. 1985. 288 с.

12. Архипов И. С, Гряник М. В., Ломан В. И., Нестеренко И. К. Гибридные зеркальные антенны. М.: Радио и связь. Зарубежная радиоэлектроника. №12.-1987.-0.62-78.

13. Фролов О.П. Антенны для земных станций спутниковой связи.-М.: Радио и связь, 2000. -376 с.

14. Архипов Н. С, Гряник М. В., Ломан В. И. I -я Всесоюзная НТК "Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения". Свердловск, УПИ, 1989.

15. Боровиков В. А., Кинбер Б. Е. Геометрическая теория дифракции. М.: Связь, 1978.

16. Справочник по антенной технике. /Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина.- М.: РШРЖР-1997-256 с.

17. Тезин А. В., Ширко А. И., Чаплыгин И. А., Шугуров Д. В. Предложения по реализации антенного комплекса для организации приема спутникового непосредственного телевизионного вещания Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и развития ИТКС СП". Орел: Академия ФАПСИ, 2003.- с. 257-258

18. Бахрах Л. Д., Галимов Г. К. Зеркальные сканирующие антенны: Теория и методы расчета. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981. 302 с.

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

20. Архипов Н. С, Бондарь Л. В., Витовцев А. Г., Ломан В. И. Антеннофидерные системы средств космической связи диапазонов СВЧ-КВЧ Изв. вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1986. Т. 29. 2. 4-15.

21. Клэррикоутс П. Дж. Б., Поултон Дж. Т. Высокоэффективные зеркальные СВЧ-антенны.- ТИИЭР, 1977. Т. 65. 10. 57-97. 22. Вуд П. Анализ и проектирование зеркальных антенн: Пер. с англ./ Под ред. О.П. Фролова. М.: Радио и связь. 1984. 208 с.

22. Драбкин А. Л., Зузенко В. Л., Кислов А. Г. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е. М.: Сов. Радио, 1974. 535 с.

23. Семенов А.А. Теория электромагнитных волн. М.: Изд. МГУ. 1968. 347 с.

24. Алимова Л. И., Кинбер Б. Е., Классен В. И., Шишлов А. В. Асимптотическая теория гибридных зеркальных антенн Сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике. М.: Высшая школа. 1983. вып. 3.

25. Шесняк С, Попов М. В. Адаптивные антенны, СПб.: ВРЖВА им. А. Ф. Можайского. 1995. 611 с.

26. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике: Пер. с англ. Под ред. И. Г. Арамановича. М.: Наука, 1974. 832 с.

27. Архипов Н. С, Захаров И, С, Чаплыгин И. А. Представление гибридных зеркальных антенн в виде пространственных и угловых фильтров Телекоммуникации. 2000. 3. 29-37.

28. Балк М. Б., Болтянский В. Г. Геометрия масс. М.: Наука, ГРФМЛ. 1987.-160 с.

29. Архипов Н. С, Кочетков В. А., Некрасов И. С, Чаплыгин И. А, Форма распределения и плотность лучевого потока в фокальной области рефлекторов гибридных зеркальных антенн Телекоммуникации. 2001. 1.С. 25-30.

30. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ. М.: Связь. 1977. 4 1 2 6 6 7 с.

31. Вольман В. И., Пименов Ю. В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1977.-486 с.

32. Теория связи: Пер. с англ. /Под ред. Б. Р. Левина. М.: Связь, 1972. -392 с.

33. Классен В.И., Кинбер Б. Е., Шишлов А.В., Тоболев А. К. Гбридные и полифокальные антенны. Обзор. В кн.: Антенны. Сб. статей. Вып. 34 Под ред. Пистолькорса. М.: Радио и связь. 1986.

34. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А., Умнов А. Е. Характеристики фокальной области зеркальных антенн при ПВОС в трактовке метода геометрии масс Сборник научных трудов Академии ФАПСИ.- Вып. 15.- Орел: Академия спецсвязи России, 2003. 56-64.

35. Коршунов Ю. М. Математические основы кибернетики. М.: Энергоатомиздат, 1987.-496 с.

36. Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

37. Клэррикоутс П.Дж.Б., Поултон Дж. Т. Высокоэффективные зеркальные СВЧ-антенны. Обзор. Пер.с англ.- ТР1ИЭР.-1977.-т.65.-№10.-С.57-97.

38. Справочник по антенной технике /Под ред. Я. Н. Фельда, Е. Г. Зелкина. М.: РШРЖР. 1997. 256 с.

39. Шифрин Я. С, Корниенко Л. Г. Оптимизация энергетических показателей произвольных антенных решеток со случайными ошибками в возбуждении и размещении излучателей при наличии ограничений на форму диаграммы направленности Радиотехника. Харьков: Вища школа. 1978. вып. 46. 87-98.

40. Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. М.: Энергия. -1975. 528 с.

41. Фукс И. М. Отражение и преломление волны произвольной формы на криволинейной границе

42. Воскресенский Д. И., Кременецкий Д., Гринев А. Ю., Котов Ю. В. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. М.: Радио и связь.-1988.-240 с.

43. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки: Введение

44. Вендик О. Г., Парнес М. Д. Антенны с электрическим сканированием. /Под ред. Л. Д. Бахраха. М.: САЙНС-ПРЕСС. 2002. 232 с.

45. Журавлев А. К., Лукошкин А. П., Поддубный Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1983.

46. Амитей Н., Галиндо В., By Ч. П. Теория и анализ фазированных антенных решеток: Пер.с англ. М.: Мир. 1974. 455 с.

47. Минкович Б. И., Яковлев В. П. Теория синтеза антенн. М.: Сов. радио. 1969.-232 с.

48. Зелкин Е. Г., Соколов В. Г. Методы синтеза антенн. М.: Сов. радио. 1980.-296 с.

49. Бахрах Л. Д., Кременецкий Д. Синтез излучающих систем. М.: Сов.радио. 1974. 232 с.

50. Кинбер Б. Е., Котляр А.Б., Цейтлин В. В. Синтез многоэлементного облучателя сканирующей параболической антенны Радиотехника и электроника.-1977.-№ 9 Т 2 2 С 1859-1865.

51. Горлов М. Г., Коростышевский Е. И., Тартаковский Л. В. Синтез облучателей сканирующего устройства несимметричной параболической зеркальной антенны Радиотехника и электроника. 1978. Т.23. 2. 261.

52. Горлов М. Г. Синтез облучателя для зеркальных антенн с большим отклонением луча Радиотехника. 1982. Т. 37, 1. 79-81.

53. Никольский М. Курс математического анализа. М.: Наука. Т.2. 1983.-448 с.

54. Архипов Н.С. Решение внутренней задачи оптимизации электродинамических систем. //Известия вузов. Кибернетика и ВУЗ. -1992. 27.- 32-37.

55. Воробьев Н. Н. Теория рядов. М.: Наука. 1986. 407 с.

56. Волошин В. А., Коваленко Н. В. Об излучении из раскрыва прямоугольного волновода с бесконечным идеально проводящим фланцем. Др.228. 1973.-30 с.

57. Ямпольский В. Г., Фролов О. П. Антенны и ЭМС. М.: Радио и связь.1983.-272 с.

58. Архипов Н. С, Некрасов И. С Чаплыгин И. А. Эффективность облучающей волноводной решетки при сканировании в ГЗА Телекоммуникации. 3 2 0 0 1 21-23.

59. Сазонов Д. М. Основы матричной теории антенных решеток. //Прикладная электродинамика. М.: Высшая школа, 1983. Вып. 6. 111-162.

60. Архипов Н. Способ согласования внутреннего и внешнего полей фокальной области антенных устройств радиотехнических систем Матема61. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А. Характеристики многофункциональных антенных систем зеркального типа Телекоммуникации.- 2004.- 4.- 36-39. ф

62. Афанасьев В. Н., Колмановский В. С Носов В. Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая школа, 1989. 298 с.

63. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991. 321 с.

64. Уидроу Б., Стирнз Адаптивная обработка сигналов: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

65. Уидроу Б., Мантей П., Грифитс Л. Адаптивные антенные системы ТРШЭР. 1967. Т. 55. 12. 78-95. Ф)

66. Уидроу Б. Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения// ТИИЭР. 1975.-Т. 6 3 12.- 69-99.

67. Ямпольский В. Г., Фролов О. П. Оптимизация антенных систем линий связи. М Радио и связь.-1991. 272 с.

68. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1988.-552 с.

69. Марчук Л.А., Фаттахов В. В. Особенности алгоритма управления ААР, синтезированного по критерию ММВ Известия вузов. Радиоэлектроника. J 1 9 9 3 Т 3 6 5 С 74-79.

70. Дегтярев Ю .И. Методы оптимизации: Учебное пособие для вузов. М.: Сов. радио, 1980. 272 с.

71. Нарбут В. П. Комбинированный ассимптотический метод расчета антенны оптического типа. //Системы экспресс-обработки данных в реальном масштабе времени. Киев: Изд-во КПП, 1979. 82-93.

72. Гавеля Н. П., Истрашкин А. Д., Муравьев Ю. К., Серков В. П. Антенны. Часть II. //Под ред. Муравьева Ю. К. Л.: ВАС, 1963. 542 с.

73. Гусевских В. И., Наймушин М. П., Соболев Б. С Попереченко Б. А., Семенов Б. В., Черных Н. И. Особенности комплексного проектирования многолучевых гибридных зеркальных антенн. //Радиотехника. 6. 1995.-С. 78-83.

74. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А., Кадура А. Облучающие устройства гибридных зеркальных антенн в виде волноводно-рупорных излучателей произвольного поперечного сечения Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН". Орел: Академия ФАПСИ, 2003.-С. 275-277.

75. Патент РФ на изобретение №2181

76. Многолучевая неапланатическая гибридная зеркальная антенна. Бюллетень

78. Архипов Н.С, Кочетков B.C., Тихонов А.В., Чаплыгин И.А. Щекотихин В.М.

79. Мосалов И. В. Комплексные критерии оценки обобщенных качеств полноповоротных зеркальных антенн радиотелескопов. Горький: Препринт 198/НИРФИ, 1985.-23C.

80. Архипов Н. Метод геометрии масс в задачах проектирования МФАСЗТ Математическое и программное обеспечение проектирования систем. Научно-технический сборник. Выпуск 2 Под ред. В. К. Погребного.Томск: Изд-во Томского политех, ун-та, 2002.- 56-62.

81. Архипов Н. С, Кочетков В. С Некрасов И. С Чаплыгин И. А. Пространственное разнесение лучей для рефлекторов в виде параболического цилиндра Телекоммуникации.- 2000.- 6.- 30-34.

82. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А. Синтез амплитудно-фазового распределения в облучающих антенных решетках МФАСЗТ при пространственной обработке сигналов Сборник научных трудов Академии ФАПСИ.- Вып. 15.- Орел: Академия ФАПСИ, 2003. 28-36. I»)

83. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А., Вилесов И. Синтез зеркальной системы МФАСЗТ Сборник научных трудов Академии ФАПСИ.- Вып. 15.- Орел: Академия ФАПСИ, 2003,- 8-15.

84. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А. Сравнение вероятностных характеристик распределения лучевого потока в фокальной области рефлекторов гибридных зеркальных антенн Материалы IX Всероссийской НТК 7-8 февраля Ф 2001 года "Проблемы построения, развития и защиты телекоммуникационных систем". Орел: Академия ФАПСИ, 2001.-С. 193-195.

85. Архипов Н. С, Сонькин М. А., Чаплыгин И. А. Многолучевые зеркальные антенны зонтичного типа Материалы Всероссийской НТК "Проблемы создания и развития ИТКС СП".- Орел: ВИПС, 1997.- 149.

86. Архипов Н. С, Чаплыгин И. А. Алгоритм синтеза ОАР гибридной зеркальной антенны на основе метода "сшивания" полей Материалы IX Всероссийской НТК 7-8 февраля 2001 года "Проблемы построения, развиф) тия и защиты телекоммуникационных систем".- Орел: Академия ФАПСИ, 2001.-С. 189-190.

87. Чаплыгин И.А. Обобщенный алгоритм расчета апертуры ГЗА при сканировании. Исследование требований предъявляемых к земным станциям радиомониторинга. Отчет о НИР "Антенна-?".- Орел: Академия ФАПСИ, 2000.-с. 106-176.

88. Чаплыгин И.А. Методика расчета места положения и границы тела неопределенности по пространственным параметрам в зеркальных антенных системах. Отчет о НИР "Помехозащита 2".- Орел: Академия ФАПСИ, 2000.-С.63-73.

89. Чаплыгин И.А. Синтез амплитудно-фазового распределения в облучающих антенных решетках многофункциональных антенных систем зеркального типа при пространственной обработке сигналов. Отчет о НИР "Массовка 2002".- Орел: Академия ФАПСИ, 2002.- с. 106-176.