Важной характеристикой земных станций (ЗС) систем спутниковой связи (ССС), влияющей на эффективность их функционирования, является помехоустойчивость как к преднамеренным, так и непреднамеренным помехам. Учитывая возрастающее число космических аппаратов, располагаемых на различных орбитах, а также работу ЗС ССС в потенциале с несколькими такими объектами, возникает необходимость расширения её функциональных возможностей. Такие ЗС ССС принято называть многофункциональными [3].
Для решения этой задачи существующие в настоящее время и перспективные ЗС ССС оснащаются фазированными антенными решётками (ФАР), элементами которых являются различные излучатели, среди них можно выделить волноводные излучатели, отличающиеся более высокой конструкторско-эксплуатационной устойчивостью.
Повышение помехоустойчивости ЗС с ФАР достигается за счет пространственной режекции мешающих сигналов, реализуемой в ФАР путем управления комплексными амплитудами токов в излучателях решетки на основе решения задачи параметрического синтеза [1; 4; 6].
Цель работы – разработка метода параметрического синтеза ФАР ЗС ССС, удовлетворяющей требованиям по обеспечению её помехоустойчивости и многофункциональности.
Поскольку в системах спутниковой связи используются эллиптически поляризованные волны, предложенный в докладе метод параметрического синтеза ФАР рассмотрен применительно к электродинамической модели решетки прямоугольных волноводов, возбуждаемых одновременно волнами Н10 и Н01.
С математической точки зрения задача параметрического синтеза ФАР наземной ССС формулируется так: найти вектор комплексных амплитуд токов в элементах ФАР, максимизирующий заданный функционал, т.е.:
(1)
- вектор комплексных амплитуд токов в элементах ФАР, обеспечивающий максимизацию заданного функционала; 
- заданный энергетический функционал; 
- вектор возбуждающих ФАР токов; 
- функция распределения шумов и помех, нормированная к собственным шумам приемной системы; 
- направление основного излучения АР; 
- отношение сигнала к помехам и шумам (ОСПШ); 
- смещение ДН; 
- пространство комплексных амплитуд токов; W – множество вариантов помеховой обстановки; 
- пространственный сектор сканирования ФАР.
Одним из известных подходов к решению такой задачи является метод энергетической оптимизации, основанный на представлении заданного энергетического функционала в виде отношения эрмитовых форм с последующим применением теоремы об экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм [2]. Вместе с тем для расширения функциональных возможностей ЗС ССС, связанных с обеспечением сопровождения спутников на различных орбитах, целесообразно в раскрыве ФАР одновременно с диаграммой направленности (ДН), обеспечивающей прием сигналов, формировать ДН, обеспечивающие сопровождение спутников, т.е. разностные ДН, причем как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях наблюдения.
Для одновременного формирования в раскрыве АР трех ДН (одной суммарной и двух разностных) разделим раскрыв решетки на четыре подрешетки, как показано в [5], каждая из которых образует один луч с фазовым центром, совпадающим с геометрическим центром подрешетки.
Из комбинаций четырёх лучей, по аналогии с амплитудными суммарно-разностными моноимпульсными системами [5], образуются три искомые векторные ДН:
, (2)
, (3)
, (4)
где 
- ненормированная векторная ДН 
-го луча АР; 
- зависимость 
-й составляющей векторной ДН 
-го луча моноимпульсной группы от направления в пространстве 
; 
.
Поскольку и 
, и 
в общем случае зависят как от 
, так и от 
(комплексные амплитуды 
-й составляющей первичного поля -й подрешетки в волноводе 
),
то скалярный 
-й компонент -го луча моноимпульсной группы, зависящий от направления в пространстве, определяется выражением:
, (5)
где 
; 
; 
; 
; 
, причем 
- ненормированные парциальные комплексные ДН АР (для -го компонента поля) при возбуждении 
-го волновода -й подрешетки волной 
(при 
) или 
(при 
) единичной амплитуды, учитывающие взаимную связь между волноводами.
Для -й компоненты -го луча с учетом эллиптической поляризации волноводов в матричной форме получим:
(6)
где 
, 
- 
-мерные вектор-строка и вектор-столбец.
С учетом (6) и (2)-(4) для векторных ДН можем записать:
, (7)
, (8)
(9)
Таким образом, все три ДН антенной решетки фазовой суммарно-разностной моноимпульсной системы являются функциями от вектора комплексных амплитуд токов 
порядка 2S, образуемого из векторов комплексных амплитуд токов 
четырех подрешеток.
Сформулируем задачу синтеза: найти вектор комплексных амплитуд токов , максимизирующий отношение мощности сигнала в суммарном канале моноимпульсной АР 
, принимаемого с равносигнального направления 
, к сумме мощностей шума и помех в суммарном 
и разностных каналах 
, 
, т.е.:
. (10)
Подставим (7)-(9) в (10) при 
, тогда для числителя получим:
(11)
где 
- квадратная блочная (
квадратных блока порядка S/2) матрица порядка 2S со следующей структурой:
, (12)
причем элементы блока с номером 
определяются выражением:
, 
, 
(13)
Соответственно в (11) 
диагональная блочная матрица (
квадратных блока порядка S/2) размера 
, а 
вектор-столбец порядка 2S со следующей структурой:
, 
. (14)
Рассмотрим выражения для мощностей шума и помех, входящих в знаменатель (10), при этом учтем ранее принятые в (12)-(14) обозначения:
(15)
где 
- квадратная блочная ( квадратных блока порядка S/2) матрица порядка 2S со следующей структурой:
, (16)
причем элементы блока с номером 
определяются выражением:
. (17)
(18)
. (19)
(20)
. (21)
С учетом (11), (15), (18) и (20) вместо (10) получим:
(22)
Таким образом, предложенный энергетический функционал (10), учитывающий одновременно требования к трем ДН решетки ЗС ССС, приводится к отношению эрмитовых форм, что позволяет применить к нему теорему об экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм [2] и получить новое решение задачи параметрического синтеза АР.
Решением задачи синтеза АР, функционирующих в условиях помех, является вектор комплексных амплитуд токов 
, максимизирующий (22), который удовлетворяет следующему равенству:
. (23)
где 
- максимальное собственное число пучка форм, определяемого отношением эрмитовых форм (22).
Результаты исследования
Сравнение синтезированных раздельно [5] и совместно ФАР выполнено на модели решетки 
прямоугольных волноводов для равносигнального направления (РСН) (
,
). Размеры волноводов и шаг решетки в ортогональных плоскостях полагались равными: 
и 
соответственно. При решении задачи электродинамического анализа волноводы возбуждались одновременно двумя основными типами волн (
и 
). На ФАР воздействует две помехи 
.
На рис. 1, 2 в виде линий уровней показаны объемные ДН ФАР, полученные при раздельном (рис. 1а, 2а) и совместном (рис. 1б, 2б) способах синтеза соответственно. Как следует из этих рисунков, при раздельном синтезе суммарная и разностная ДН в области равносигнального направления (РСН) искажаются больше, чем при совместном, что является следствием попадания помех в область первого бокового лепестка суммарной ДН, как показано на рис. 1в (помехи отмечены черными точками).
Рис. 1. Суммарные ДН ФАР: а) раздельный синтез ДН; б) совместный синтез ДН; в) синтез ДН при равномерном амплитудном и линейном фазовом распределении
Рис. 2. Разностные угломестные ДН ФАР:
а) раздельный синтез ДН; б) совместный синтез ДН
Данный недостаток ФАР отмечался и ранее, в [5]. Более наглядно характер изменений в ДН иллюстрирует рис. 3, где показаны сечения ДН в главных плоскостях (
) и (
). Видно, что при раздельном синтезе в результате формирования провалов в направлениях двух источников помех главный максимум суммарной ДН (штриховая линия) отклоняется от заданного направления, а уровень боковых лепестков увеличивается (рис. 3а). В результате коэффициент направленного действия ФАР в суммарном канале на 2 дБ меньше, чем при совместном синтезе (непрерывная линия), аналогично ОСПШ меньше на 2,1 дБ. Еще более заметны отличия синтезированных разностных ДН. Так, в разностной угломестной ДН (рис. 3б), синтезированной раздельно (штриховая линия), нуль разностной ДН существенно отклоняется от РСН, также увеличивается уровень боковых лепестков как в разностной угломестной, так и в разностной азимутальной ДН (рис. 3в).
Рис. 3. Сечения ДН при раздельном (IZ) и совместном (N) способе синтеза: а) суммарная ДН в плоскости (); б) разностная угломестная ДН в плоскости (); в) разностная азимутальная ДН в плоскости ()
Недостаток раздельного синтеза ФАР, отмеченный в [5], подтвердился. Задача при раздельном синтезе решается отдельно для каждого из четырех лучей моноимпульсной группы, помехи попадают в главный максимум каждого луча, что в результате процедуры синтеза приводит к существенному искажению ДН.
Сравнение методик синтеза ФАР показывает, что более эффективным является совместный синтез фазовых суммарно-разностных моноимпульсных систем.
Таким образом, в работе предложено решение задачи параметрического синтеза ФАР для наземной станции ССС, обеспечивающее одновременно её помехоустойчивость, возможность приема сигналов и высокоточное сопровождение наблюдаемых объектов в пространстве.
Результаты математического моделирования показали высокую устойчивость полученных решений к воздействию помех вблизи главного максимума ДН информационного канала.
Рецензенты:
Цимбал В.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военная академия РВСН имени Петра Великого» (филиал в городе Серпухов Московской области), г. Серпухов;
Целигоров Н.А., д.т.н., доцент, профессор кафедры Ростовского филиала государственного казенного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российская таможенная академия», г. Ростов-на-Дону.
Библиографическая ссылка
Башлы П.Н., Гладушенко С.Г. СИНТЕЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=17790 (дата обращения: 07.10.2024).