Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0155

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0155
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"
Название доклада
Технологии создания высокоскоростных помехозащищенных спутниковых систем связи, основанных на использовании методов пространственной селекции и увеличения спектральной эффективности сигналов
Докладчик
Дмитрие Дмитрий Дмитриевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является разработка и расчетно-экспериментальные исследования методов пространственной селекции в многолучевых гибридно-зеркальных антенных системах, пространственного разделения и повышения спектральной эффективности сигналов для повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи.
Научные задачи, подлежащие решению в ходе выполняемых работ:
- исследование и разработка эффективных методов и средств пространственной селекции в спутниковых системах связи, оснащенных многолучевыми антеннами на основе гибридно-зеркальных антенн;
- расширение пропускной способности спутниковых систем связи за счет увеличения спектральной эффективности применяемых сигналов.
Основными задачами исследования в соответствии с поставленной целью являются:
- разработка методов повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи, основанных на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем;
- разработка компьютерных моделей функциональной адаптации многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем в условиях помеховой обстановки и проведение с их помощью имитационного моделирования методов повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи;
- изготовление и экспериментальные исследования макета адаптивной многолучевой гибридно-зеркальной антенны, реализующего разработанные методы.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время все более широкое распространение получают системы спутниковой связи (ССС), которые используются в интересах различных потребителей. Основными требованиями к перспективным ССС являются: существенное расширение пропускной способности каналов связи, освоение новых частотных диапазонов, возможность гибкого управления трафиком в зависимости от нагрузки на канал связи, подразумевающая формирование многолучевых диаграмм направленности (ДН) в пределах зоны обслуживания, высокая помехоустойчивость при воздействии как преднамеренных, так и индустриальных помех.
Для реализации требований по формированию многолучевых ДН и повышения помехоустойчивости в спутниковом ретрансляторе могут быть использованы многолучевые антенны на базе гибридно-зеркальных антенн (ГЗА). Применение ГЗА на перспективных космических аппаратах имеет преимущества (в основном по стоимости и массе) по сравнению с фазированной антенной решеткой. Несмотря на то, что адаптивные ГЗА имеют меньшие углы сканирования, но для геостационарных космических аппаратов данный недостаток несущественен и окупается более простой конструкцией и меньшей массой (от 30 до 45 кг).
В качестве новых научных результатов, полученных в ходе исследования, следует признать разработанные методы управления диаграммой направленности, которые позволили реализовать в макете ГЗА формирование узкого и контурного лучей с коэффициентом усиления 39,2 и 36,2 дБ соответственно.
Наиболее ценными результатами экспериментальных исследований можно считать результаты по подавлению помех с использованием пространственной селекции. Глубина подавления широкополосной прямошумовой помехи с применением адаптивных алгоритмов составила 32,1 дБ.
Описание исследования

За основу исследования взята семилучевая адаптивная ГЗА с облучателем в виде 19-элементной решетки с кластерным формированием лучей, где для формирования одного луча используется семь элементов решетки. Для повышения эффективности работы антенны при выполнении проекта был разработан метод синтеза амплитудно-фазового распределения (АФР) облучающей решетки ГЗА на основе градиентного алгоритма. Он позволяет синтезировать ДН антенны желаемой формы и формировать провалы не только в направлении главного лепестка ДН, но и в направлении боковых лепестков.

Особенностью метода является то, что для ускорения расчета АФР целевая функция ограничена набором точек, задаваемых программно, что позволило уменьшить время синтеза в 5 раз по сравнению с классическим градиентным методом. В качестве критерия для синтеза ДН используется уровень усиления сигнала в заданных точках антенны.

Использование заранее синтезированных вариантов АФР облучающей решетки позволило уменьшить время адаптации к помехе на 25% по сравнению с классическими алгоритмами адаптации.

Разработанный алгоритм позволяет определять направление прихода помехи без использования дополнительных антенн. Если несколько помеховых сигналов действуют с близких направлений, то система подавления помех, используя один кластер и задавая различные варианты подавления сигнала, может реализовать подавление нескольких помех одновременно. Если помехи разнесены на достаточный угол, то используются соседние кластеры. Для двух помех одновременно система подавления помех первоначально формирует провал для главного лепестка ДН каждого канала, далее уточняет его угловые координаты по гексагональной решетке. При соблюдении порога отношения сигнал/шум для одного из каналов система сохраняет угловое положение главного лепестка ДН и продолжает перебор для второй помехи до достижения требуемого коэффициента подавления.

Проведенное компьютерное моделирование режимов отклонения луча ГЗА показало достаточный для КА на ГСО диапазон углов сканирования при удовлетворительных показателях деградации главного лепестка ДН – расширение главного лепестка и увеличение уровня боковых лепестков.

Также с применением компьютерной модели была рассмотрена работа ГЗА при нескольких сценариях помеховой обстановки – имитировалось подавление одной и двух широкополосных помех, одной узкополосной, двух широкополосных и одной узкополосных при различном направлении их воздействия – подавление отдельного кластера, двух и трех кластеров по боковым лепесткам (рисунок 1).

 

а)

б)

Рисунок 1 – Моделирование семилучевой ДН ГЗА при воздействии двух широкополосных и одной узкополосной помехи в различных ракурсах

 

Проведенное моделирование для случаев воздействия помехи по первому боковому лепестку, скату главного лепестка и главному лепестку ДН показало работоспособность разработанных алгоритмов: при подавлении помехи в направлении первого бокового лепестка ДН и в направлении ската главного лепестка уровень подавлении помехи составил минус 45…50 дБ при неизменном уровне сигнала в остальной зоне обслуживания; при подавлении помехи в направлении главного лепестка ДН наблюдается ухудшение уровня коэффициента усиления до 1 дБ, уровень подавления помехи составляет минус 25 дБ.

Для проверки эффективности разработанных методов в ходе натурных экспериментов был изготовлен макет многолучевой гибридно-зеркальной антенны (рисунок 2). Экспериментальные исследования проводились в безэховой камере с использованием измерительных приборов мирового уровня (рисунок 3).

 

Рисунок 2 – Макет облучающей решетки

Рисунок 3 – Измерение характеристик макета адаптивной ГЗА

 

В ходе проведения экспериментальных исследований была произведена оценка возможностей макета по формированию диаграммы направленности требуемых параметров и подавлению помех – ширине главного лепестка, пределов углового отклонения главного лепестка, размеров формируемой зоны облуживания, глубине подавления помех различного вида.

Результаты исследования

Анализ результатов экспериментальных исследований макета многолучевой ГЗА показал, что разработанные методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи имеют высокий научный уровень.

Исследования радиотехнических характеристик макета показали высокие достигнутые результаты. Подтвержденные в ходе экспериментальных исследований технические характеристики динамического диапазона приемного устройства макета ГЗА позволяют осуществлять подавление помеховых сигналов, мощность которых превышает мощность полезного сигнала на 40…45 дБ. Разработанные методы управления ДН позволили реализовать в макете ГЗА формирование узкого и контурного лучей с коэффициентом усиления 39,2 и 36,2 дБ соответственно.

Наиболее ценными результатами экспериментальных исследований можно считать результаты по подавлению помех с использованием пространственной селекции. Глубина подавления широкополосной прямошумовой помехи с применением адаптивных алгоритмов составила 32,1 дБ.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований макета адаптивной многолучевой ГЗА и результаты имитационного моделирования функциональной адаптации многолучевой ГЗА в условиях помеховой обстановки позволяют говорить о возможности создания бортовых многолучевых адаптивных ГЗА с высокими характеристиками за счет использования разработанных методов:

- формирования провалов в диаграмме направленности до минус 45–50 дБ при снижении уровня полезного сигнала не более чем на 1 дБ при угловом разносе сигнала и помехи не менее чем на 15% от ширины главного лепестка диаграммы направленности;

- уменьшение времени адаптации к помеховой обстановке на 25% относительно классических алгоритмов адаптации с учетом быстродействия современных фазовращателей;

- подавление помех в направлении боковых лепестков диаграммы направленности за счет дополнительного синтеза диаграммы направленности антенны для центральных лучей без усложнения алгоритма расчета и без применения дополнительных антенн;

- существенное (на 15-20 Мбит/с) увеличение скорости доступа абонента к услугам сети.

Оценка эффективности достигнутых характеристик макета многолучевой гибридно-зеркальной антенны в сравнении с современным научно-техническим уровнем показала высокий уровень проводимых в рамках ПНИЭР исследований. В публикациях как российских, так и зарубежных авторов в ведущих научных журналах и сборниках высокорейтинговых конференций рассматриваются вопросы применения адаптивных многолучевых ГЗА.

Методы формирования и управления АФР, разработанные и исследованные в ходе выполнения ПНИЭР, позволяют реализовать характеристики адаптивной многолучевой ГЗА на уровне, сопоставимом с мировым научно-техническим уровнем. Ширина ДН, формируемой макетом ГЗА, составляет менее 1×1°. Кроме того, разработанные методы позволяют, кроме собственно управления ДН, осуществлять подавление помех методами пространственной фильтрации. Коэффициент подавления помех при этом достигает 40 дБ в зависимости от типа помехи.

Практическая значимость исследования
Результаты выполнения ПНИЭР планируется использовать при разработке перспективной единой системы спутниковой связи (ССС) третьего поколения (ЕССС-3). Разработанные методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных ССС, основанные на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем, предназначены для использования при создании широкополосных помехоустойчивых ССС.
Промышленное освоение полученных результатов ПНИЭР – в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» при производстве адаптивных многолучевых ГЗА для перспективных отечественных космических аппаратов связи на их основе. Уменьшение количества элементов ФАР в ГЗА приведет к существенному уменьшению стоимости антенной системы КА (в 4 раза) и ее массы (в 2 раза).
Результаты проекта могут быть востребованы АО «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», другими научными и производственными организациями, и использованы для проведения ОКР, направленных на создание нового поколения отечественных ССС, обеспечивающих предоставление потребителям каналов связи из любой точки мира в условиях сложной электромагнитной обстановки. Реализация результатов проекта окажет существенное влияние на повышение потребительских свойств и конкурентоспособности отечественных спутниковых систем связи.
Разработанные в ходе ПНИЭР методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных ССС, основанные на применении многолучевых ГЗА, позволят обеспечить:
- высокую помехоустойчивость;
- увеличение доступности ССС за счет гибкого управления ДН и перераспределения за счет этого ресурсов космического аппарата в зависимости от времени суток на территории России, плотности населения и других причин;
- существенное (на 15-20 Мбит/с) увеличение скорости доступа абонента к услугам сети;
- уменьшение массы (до двух раз) бортовой антенной системы по сравнению с ФАР с аналогичными характеристикам.