Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0220

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0220
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
Разработка и экспериментальные исследования адаптивных цифровых антенных решеток для построения на их основе командно-измерительных систем наземного комплекса управления космическими аппаратами
Докладчик
Карцан Игорь Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является разработка методов и средств управления диаграммой направленности цифрового антенной решетки (ЦАР) командно-измерительной системы (КИС) и, как следствие, существенное улучшение основных технико-экономических показателей КИС наземного комплекса управления (НКУ) космическими аппаратами (КА):
- увеличение количества одновременно сопровождаемых КА;
- защита от всех видов помех за счет реализации адаптивных алгоритмов пространственной фильтрации;
- повышение оперативности управления обменом информации с КА и производительности технологических операций;
- повышение надежности КИС НКУ за счет исключения механических элементов привода антенной системы.
Научные задачи, подлежащие решению в ходе выполняемых работ:
1. Разработка новых принципов построения командно-измерительной системы с использованием ЦАР, организации взаимодействия составных частей, калибровки и юстировки антенных модулей.
2. Разработка методов формирования многолучевой диаграммы направленности ЦАР с возможностью слежения за несколькими космическими аппаратами и формирования провалов в направлении на источники помех.
3. Разработка методов измерения навигационных параметров (псевдодальности и псевдоскорости) по принятому полезному сигналу в интересах эфемеридного обеспечения.
4. Разработка методов синхронизации разнесенных в пространстве структурных элементов командно-измерительной системы, обеспечивающие когерентный режим их работы.
5. Создание и исследование компьютерной модели адаптивной цифровой антенной решетки, реализующей разработанные методы.
6. Создать и исследовать лабораторный макет адаптивной цифровой антенной решетки.
Актуальность и новизна исследования
Тематика разработки антенных комплексов КИС НК), непрерывно следящих за К), является актуальной со времени первого спутника. Современные КИС имеют антенны с механическим приводом управления, у которых диаметр рефлектора составляет 10 м и более. Несмотря на имеющийся у них ряд преимуществ, КИС такого типа способны одновременно сопровождать не более одного КА, не обеспечивая при этом одновременной передачи командно-программной информации и приема телеметрии.
Для исключения вышеупомянутых недостатков при разработке и производстве современных КИС предлагается перейти к применению адаптивных ЦАР, что позволит повысить оперативность управления обменом информации с космическим аппаратом и производительность технологических операций, сократить временной интервал проведения технологического цикла управления.
К преимуществам ЦАР можно отнести:
- возможность синтеза диаграммы направленности;
- способность ЦАР к многосигнальной передаче и приёма сигналов в широком телесном угле;
- возможность реализации глубокой пространственной компенсации помеховых сигналов, что обеспечивает недостижимую ранее помехоустойчивость.
Таким образом, существует актуальная задача теоретических и экспериментальных исследований адаптивной ЦАР для обмена командно-телеметрической информацией с космическими аппаратами. Развитие и внедрение адаптивных ЦАР в системы НКУ позволит принимать командную и телеметрическую информацию от всех видимых КА, что позволит существенно повысить оперативность управления, улучшить эксплуатационные характеристики КИС, в том числе помехоустойчивость за счет пространственно-временной обработки сигналов.
Описание исследования

Адаптивные антенные решетки с цифровым диаграммообразованием позволяют реализовать специальные виды амплитудно-фазового распределения в раскрыве и применять различные методы обработки сигналов, принятых отдельными излучателями антенны. В результате можно получать низкие уровни боковых лепестков диаграммы направленности, использовать адаптивные алгоритмы оптимальной пространственно-временной фильтрации сигналов на фоне помех, создавать многолучевые диаграммы направленности для одновременного слежения за несколькими космическими аппаратами.

При поиске путей создания адаптивной антенной решетки с цифровым диаграммообразованием и управления лучами для обмена командно-телеметрической информацией с космическими аппаратами необходимо учитывать несколько особенностей таких систем. Антенная система должна иметь диаграмму направленности с несколькими каналами слежения за космическими аппаратами, а диаграмма направленности каждого канала, в свою очередь, должна обладать, насколько это возможно, узким главным лепестком. При этом боковые лепестки должны быть как можно меньшими для подавления помех, приходящих с направления, отличного от направления максимума диаграммы направленности. Задача устройства адаптивной обработки – сформировать провалы диаграммы направленности в направлении на источники помех. Многие из этих задач в какой-то степени решены в радиолокационных устройствах. Вместе с тем прямой перенос методов адаптивной обработки из радиолокации невозможен, поскольку требует учета некоторых особенностей:

- в разрабатываемой адаптивной антенной решетке предполагается одновременный прием сигналов космических аппаратов, действующих с различных направлений, что потребует создания сложной многоканальной диаграммообразующей схемы, системы слежения за положением космических аппаратов и применения адаптивных алгоритмов в каждом канале приема;

- в командно-измерительных системах необходимо определять навигационные параметры космических аппаратов по принятому полезному сигналу, откуда вытекают требования по высокоточной калибровке приемных и передающих каналов адаптивной антенной решетки, обеспечивающие выравнивание группового времени запаздывания сигналов и определение взаимного положения элементов адаптивной антенной решетки.

Эти особенности накладывают определенные требования к техническим характеристикам, выбору конфигурации, составу и алгоритмам управления адаптивной цифровой антенной решетки.

Диаграмма направленности адаптивной антенной решетки определяется амплитудами и фазами возбуждения излучателей, и, если обеспечить их независимое регулирование, то можно получить требуемую, в пределах принципиальной реализуемости, диаграмму направленности. При электронном регулировании можно управлять формой диаграммы направленности – направлением главного луча (или нескольких) и направлением провалов. Вектор амплитудно-фазового распределения формирует система управления лучом по известным координатам космических аппаратов.

Для повышения помехоустойчивости командно-измерительного комплекса весовые коэффициенты расчета амплитудно-фазового распределения определяются адаптивно к изменению помеховой обстановки. Для этого в адаптивном процессоре вычисляется обратная корреляционная матрица помех, которая содержит всю информацию о пространственном положении постановщиков помех и уровне преднамеренных помех. Физическая реализация указанных требований к командно-измерительным системам возможна за счет применения систем цифрового диаграммообразования.

Цифровое формирование диаграммы направленности на базе аналогово-цифровых преобразователей и сигнальных процессоров позволяет повысить точность измерения благодаря идентичности по усилению приемных каналов, сформировать дополнительные диаграммы направленности антенны для решения задач компенсации помех в той же апертуре антенной решетки без установки дополнительных антенн и обеспечивает эффективное ослабление активных помех за счет высокой степени корреляции сигналов в основных и компенсирующих каналах. Обработка принятых сигналов осуществляется в цифровом виде на цифровых сигнальных процессорах и одноплатной ЭВМ с реализацией всех задач временной обработки сигналов, первичной и вторичной обработки информации и сопряжения с потребителями по стандартным цифровым каналам обмена.

Результаты исследования

При решении поставленных задач в ходе выполнения ПНИЭР будут получены новые научные результаты – разработаны методы формирования диаграммы направленности адаптивной ЦАР.

Ожидаемый результат выполнения ПНИЭР позволит создать адаптивную цифровую антенную решетку для командно-измерительной системы наземного комплекса управления космическими аппаратами, характеристики которой будут значительно выше, чем у существующих. Перечень научно-технических результатов, планируемых к получению при выполнении ПНИЭР:

- результаты аналитического обзора современного состояния и направлений развития науки и техники в области методов и средств контроля и управления космическими аппаратами наземными средствами с целью определения требований к адаптивной антенной системе. Полученные результаты позволят оценить существующее положение дел, провести сравнительную оценку эффективности существующих принципов, методов и средств в области контроля и управления космическими аппаратами и сделать обоснованный выбор оптимального варианта решения задачи;

- результаты патентных исследований, которые позволят оценить технический уровень в области научно-технической проблемы, исследуемой в рамках ПНИЭР; тенденции развития и прогноз развития методов и средств управления диаграммой направленности цифровой антенной решетки для обмена командно-телеметрической информацией с космическими аппаратами, патентно-лицензионную ситуацию;

- основные методы и алгоритмы работы адаптивной антенной системы с цифровым диаграммообразованием, в том числе:

- формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки с одновременным приемом сигналов не менее чем от четырех КА;

- калибровки приемных каналов адаптивной антенной решетки, обеспечивающие выравнивание группового времени запаздывания сигналов и определение взаимного положения элементов адаптивной антенной решетки;

- подавления помех с сохранением максимума диаграммы направленности на источник полезного сигнала и фазовых соотношений между сигналами, принимаемых отдельными элементами решетки;

- обеспечения когерентного режима работы структурных элементов КИС;

- измерения навигационных параметров (псевдодальности и псевдоскорости) по принятому полезному сигналу в интересах эфемеридного обеспечения.

- компьютерная модель адаптивной антенной системы с цифровым диаграммообразованием и предназначенная для исследования разработанных методов управления диаграммой направленности цифровой антенной решетки в условиях, приближенным к реальным – воздействие шумов, неидентичности аналоговых трактов, погрешности калибровки приемных каналов и т.п.;

- макет адаптивной цифровой антенной решетки, который позволит исследовать разработанные методы управления диаграммой направленности цифровой антенной решетки;

- эскизная конструкторская документация макета адаптивной цифровой антенной решетки;

- технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации КИС НКУ космическими аппаратами на основе адаптивной цифровой антенной решетки с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера;

- технико-экономическая оценка разработки продукции с использованием результатов ПНИЭР;

- проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка командно-измерительной системы наземного комплекса управления космическими аппаратами на основе адаптивной цифровой антенной решетки».

Практическая значимость исследования
Научные и научно-технические результаты, полученные при выполнении ПНИЭР, могут быть применены при разработке перспективных командно-измерительных систем наземного комплекса управления КА с улучшенными технико-экономическими показателями. Важнейшими улучшаемыми показателями КИС НКУ является:
- увеличение количества одновременно сопровождаемых КА;
- защита от всех видов помех за счет реализации адаптивных алгоритмов пространственной фильтрации;
- повышение оперативности управления обменом информации с КА и производительности технологических операций, сокращение временного интервала проведения технологического цикла управления;
- повышение надежности КИС НКУ за счет исключения механических элементов привода антенной системы.
Применение адаптивных ЦАР в составе КИС НКУ позволит заменить 3-4 КИС на основе параболических антенн.
Востребованность ожидаемых результатов ПНИЭР предполагается в рамках технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система», в Стратегическую программу исследований которой входит тематика проекта.
В первую очередь результаты ПНИЭР предназначены для использования при производстве КИС НКУ КА Индустриальным партнером. В качестве возможных потребителей может быть рассмотрены другие российские и зарубежные предприятия, производящие элементы НКУ: НПО им. Лавочкина (Россия), РКК «Энергия» (Россия), ГКНПЦ им. Н.В. Хруничева (Россия), ПО «Полет» (Россия), Thales Alenia Space (Франция), MDA (Канада) и другие.
Основными конкурентными преимуществами КИС НКУ на основе разрабатываемой адаптивной ЦАР по сравнению с известными российскими и зарубежными аналогами являются:
- одновременный непрерывный прием телеметрической и программно-командной со всех видимых КА.
- высокая помехозащищенность;
- меньшая погрешность измерения дальности и радиальной скорости;
- отсутствие механических приводов антенны и меньшие габариты антенной системы;
- улучшенные показатели надежности.