CC BY
189
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Незевак Владислав Леонидович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Старший научный сотрудник научно-исследовательской части, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 44-39-23.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Незевак, В. Л. Основные зависимости изменения объема электроэнергии от параметров графика движения поездов на участках постоянного тока c I-м типом профиля [Текст] / В. Л. Незевак // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. -№ 2 (30). - С. 87 - 99.
Nezevak Vladislav Leonidovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, Russia. Senior researcher of Scientific-research part, Ph. D. in engineering, associate professor of the department «Electrical supply of railway transport», OSTU. Phone: +7 (3812) 44-39-23. E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Nezevak V. L. Main dependences of flow change electricity from the traffic traffic schedule on dc current sites for sections with I type of profile. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 30, no. 2, pp. 87 - 99. (In Russian).
УДК 621.396.62, 621.396.67
В. С. Марюхненко, Е. С. Гармышева
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В КОМПЛЕКСЕ ЛОКОМОТИВНЫХ УСТРОЙСТВ БЕЗОПАСНОСТИ
Аннотация. Выполнены анализ структуры комплекса локомотивных устройств безопасности (КЛУБа) и сравнение технических характеристик и особенностей конструкции наземных стационарных и транспортных антенн приемной аппаратуры глобальной спутниковой радионавигационной системы (СРНС). На основе анализа важности применения в структуре КЛУБа приемной аппаратуры СРНС и особенностей ее функционирования показано, что уменьшение ошибок позиционирования локомотивов, связанное с необходимостью повышения отношения «сигнал/шум» на входе приемника, может бать достигнуто применением активных фазированных антенных решеток (АФАР), которые способны формировать узконаправленные диаграммы направленности с коммутацией направлений их максимумов в соответствии с координатами навигационных спутников рабочего созвездия. Рассмотрены особенности формирования узконаправленных диаграмм направленности и возможности управления ими в линейный и плоской равномерных АФАР. Показано, что применение АФАР в наземной аппаратуре пользователя сопряжено с необходимостью: а) изменения подхода к конструированию ее для конкретных областей применения - в конструкции должна быть предусмотрена плоская поверхность необходимого размера; б) модернизации алгоритма приема и обработки сигналов СРНС, который должен учитывать конечное время переключения диаграмм направленности, угол маски, количество и координатное распределение навигационных спутников в рабочем созвездии.
Ключевые слова: спутниковая радионавигационная система, антенна, диаграмма направленности, активная фазированная антенная решетка.
№2021370)ш ИЗВЕСТИЯ Трансси6а 99
Victor S. Maryukhnenko, Eugeniya C. Garmysheva
Irkutsk State Transport University (ISTU), Irkutsk, the Russian Federation
ANALYSIS OF THE RECEPTION OF SIGNALS OF THE SATELLITE RADIONAVIGATION SYSTEM BY PHASEED ANTENNA GRIDS IN A COMPLEX
OF SAFETY DEVICES FOR LOCOMOTIVE
Abstract. The structure of a complex of locomotive safety devices (CLSD) is analyzed. A comparison of technical characteristics and design features of ground stationary and transport antennas of the receiving equipment of the global satellite radio navigation system (SRNS) is made. On this basis, the importance of using SRNS in the CLSD structure is shown. It has also been shown that the decrease in locomotive positioning errors associated with the need to increase the signal-to-noise ratio at the input of the receiver can be achieved by the use of active phased array antennas (APARs). APAR are able to form narrowly directional patterns with the commutation of their maximum directions in accordance with the coordinates of the constellation's navigation satellites. Features of the formation of narrowly directional patterns and the possibility of controlling them in a linear and flat uniform APAR are considered. It is shown that the use of APAR in the ground-based equipment of the user is associated with the need: a) changing the approach to designing it for specific applications, - a flat surface of the required size should be provided in the design; b) the modernization of the algorithm for receiving and processing SRNS signals, which must take into account the finite switching time of the radiation patterns, the angle of the mask, the number and coordinate distribution of the navigation satellites in the working constellation.
Keywords: satellite radio navigational system, the active phased array antenna, the directional pattern.
С развитием интенсивности перевозок ужесточаются требования к их безопасности, которые влекут за собой и ужесточение требования к физической, структурной и информационной надежности функционирования комплексов локомотивных систем автоматического управления [1]. В свете этих требований созданы и постоянно совершенствуются на физическом, технологическом и алгоритмическом уровнях комплексные локомотивные устройства безопасности (КЛУБы) [2]. Структурно КЛУБ представляет модули, состоящие из функционально взаимосвязанных подсистем: управления, диагностики, регистрации, сигнализации, обеспечения безопасности движения. В структуру системы обеспечения безопасности движения включена наземная приемная аппаратуры (НПА) спутниковой радионавигационной системы (СРНС), это обусловлено необходимостью высокой точности позиционирования поезда (локомотива) на станциях и на перегонах.
Решение посредством СРНС задач навигации [3], которые во многом определяют безопасность транспортных средств, осуществляется путем обработки радиосигналов от навигационных спутников (НС), принимаемых НПА пользователя [4]. Передача сигналов навигационных спутников и их прием НПА пользователя производятся посредством передающих и приемных антенн. Передающая антенна устанавливается на борту НС. Она преобразует колебания электрического тока, формируемые бортовым радиопередатчиком навигационных сигналов, в электромагнитные волны. Приемная антенна решает обратную задачу - задачу преобразования электромагнитных колебаний в колебания электрического тока или напряжения, регистрируемые в электрических цепях как радионавигационные сигналы. Важнейшим параметром, которым характеризуется антенна, является коэффициент направленного действия1 [5, 6].
Вследствие ограниченной мощности (порядка 18 ■ 27 дБ/Вт) радиопередатчиков, устанавливаемых на навигационных спутниках СРНС, больших расстояний (сотни километров) от НС до наземной аппаратуры пользователей, а также необходимости облучать электромагнитными колебаниями значительную площадь (порядка 2-106 м2) на поверхности Земли
В электродинамике [6] доказывается теорема обратимости, на основании которой электродинамические параметры конкретной антенны, передающей (излучающей) радиосигналы на длине волны X, сохраняются, если переключить антенну на прием радиосигналов той же длины волны.
мощность сигнала НС в точке расположения НПА пользователя незначительна и составляет -150 ^ -165 дБ/Вт [4]. Одновременно с сигналом НС приемник НПА пользователя принимает множество шумов и помех различного происхождения.
При условии, что мощность Pi передатчика z'-го НС равномерно распределяется по поверхности Земли в телесном угле 0 < 4п, а также, если ограничиться только внутренними шумами приемника НПА пользователя, отношение мощности сигнала к мощности шумов на его входе
PG
Y — i LEU (1) Т"х i — вО?Т„ П leu'
где Gleu - коэффициент направленного действия приемной антенны НПА пользователя; Di - расстояние между i-м НС и антенной НПА пользователя; ПНпА - эффективная полоса приемника НПА пользователя; TR - температура нагрева эквивалентного резистора, согласованного с сопротивлением излучения антенны, создающего на входе приемника НПА пользователя шумы, равные по мощности его внутренним шумам.
Как следует из формулы (1), отношение «сигнал/шум» на входе приемника НПА теоретически можно увеличить в GLEU раз. Следовательно, для улучшения качества обработки навигационных сигналов и повышения точности навигационных измерений необходимо увеличивать коэффициент направленного действия антенны в направлении НПА - НС. Так как для функционирования НПА пользователя необходим прием навигационных сигналов от r > 4 НС, то следует создавать r суженных диаграмм направленности, направленных на свой НС каждая (рисунок 1). Существуют естественные ограничения на создание линейной, или апертурной, антенны с r узкими, да еще и сканирующими положение НС диаграммами направленности [7].
Орбиты иапигационных спутников
Рисунок 1 - Наземная приемная аппаратура пользователя с «веером» диаграмм направленности с явно выраженными направленными свойствами: - навигационный спутник; БР - диаграмма направленности; 0ху2 - прямоугольная система координат, связанная с положением наземного приемника; Оху - горизонтальная плоскость, касательная к поверхности Земли в точке О; Ох, 02 - координатные оси, направленные соответственно вдоль касательной к Земле на восток и вдоль местной вертикали; 0у - координатная ось, перпендикулярная плоскости 0x2 и составляющая с осями Ох и 02 правую тройку
Поэтому выход следует искать в применении активных фазированных антенных решеток, которые способны создавать относительно узкие диаграммы направленности с практически мгновенным сканированием [8 - 10].
Цель статьи: исследование необходимости, возможности и особенностей применения антенных фазированных решеток в приемной наземной аппаратуре пользователя глобальной спутниковой навигационной системы.
1. Особенности антенн наземной аппаратуры пользователей СРНС.
Анализ существующих конструкций, схем и алгоритмов работы наземной аппаратуры пользователей СРНС изначально затруднен тем, что их описание преимущественно носит рекламный характер. Наиболее доступны для анализа источники по аппаратуре GPS2. Это объясняется тем, что GPS имеет удовлетворительные и доступные широкому кругу профессиональных и индивидуальных потребителей точностные характеристики измерений координат при приемлемых стоимостных, массогабаритных и энергетических показателях наземной аппаратуры пользователей [4].
Конструктивно наземная аппаратура пользователей GPS представляет собой, как правило, прямоугольный корпус с панелью управления и индикации, микросхемнопроцессорную плату приема и обработки сигналов и встроенную антенну или вывод для подключения внешней антенны. Антенны приемников наземной аппаратуры пользователей подразделяются на внешние и встроенные, а те и другие - на пассивные и активные [2].
Пассивная антенна выполняет роль преобразователя электромагнитных колебаний (ЭМК) в колебания электрического тока, предварительной широкополосной частотной фильтрации и должна быть согласована с первым каскадом обработки принимаемого сигнала. Активная антенна конструктивно содержит встроенный предварительный широкополосный малошумящий усилитель на несущей частоте [5, 8 - 10].
Внешние антенны монтируются на выносе, соединяются с наземной аппаратурой пользователя при помощи кабеля с характеристическим сопротивлением р = 50 Ом и применяются на крупных подвижных объектах, в подземных паркингах, на нижних этажах зданий и на многих других стационарных объектах транспорта и инфраструктуры, эксплуатация которых нуждается в навигационной информации.
Внутренние антенны используются в малогабаритной наземной приемной аппаратуре СРНС преимущественно легкового автотранспорта, беспилотных летательных аппаратов, индивидуального пользования, ими комплектуют также сотовые телефоны [9].
Из анализа доступных источников следуют особенности антенн наземной аппаратуры пользователей СРНС - общие, не зависящие от типа и фирмы-производителя (таблица 1), и особенные, которые заметно различаются между собой (таблица 2) [8, 9].
Таблица 1 - Общие параметры антенн существующей наземной аппаратуры пользователей GPS
Полоса частот П07, МГц Волновое сопротивление р, Ом Коэффициент шума Мш, дБ Диапазон температур, ° С Поляризация принимаемых ЭМК
1574 ± 10 50 1,5 (-40) •*■ (+85) Правая, круговая
Следует отметить самую общую особенность сведений об антеннах наземной аппаратуры пользователей СРНС всех типов и производителей - это отсутствие данных об их направленных свойствах или хотя бы о коэффициенте направленного действия (КНД). Причиной этого являются следующие особенные требования к приему сигналов навигационных спутников СРНС и возможностям синтеза узконаправленных антенн.
2 GPS (Global system of positioning) - глобальная спутниковая радионавигационная система (США).
102 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017
=
1) Наземный приемник через одну и ту же антенну должен принимать сигналы от рабочего созвездия НС в количестве от четырех и более. Спутники имеют различные координаты и одновременно «захватить» их можно только широкой диаграммой направленности.
2) Антенны с узким лепестком диаграммы направленности должны иметь линейные размеры Ь >> Асрнс, где Ь - линейные размеры антенны, А,срнс ~ 20 см - средняя длина волны принимаемых сигналов, что явно противоречит требованиям миниатюризации и широкой доступности услуг спутниковой навигации.
3) Важность направленных свойств антенны настолько высока для улучшения всех показателей качества приема сигналов НС и применение в наземной аппаратуре пользователей СРНС в каком-либо виде направленных антенн - такое важное техническое преимущество, что производитель обязательно упомянул бы об этом в рекламных целях.
На этом основании можно сделать вывод о том, что антенны, применяемые в настоящее время в наземной аппаратуре пользователей СРНС всех производителей, - это всенаправ-ленные антенны.
Таблица 2 - Электрические характеристики и габариты антенн наземной аппаратуры пользователей
Тип антенны Полоса частот, Коэф. Коэффици- Габариты Область применения
МГц шума, дБ ент усиления, дБ антенны, мм
Внешняя спиральная 1575,42 ± 10 2,5 26 165 х 78,74 Морская и речная си-
ГЛОНАСС/GPS-aHTeHHa стема навигации
Встраиваемая патч-антенна, 1575,42 ± 10 1,5 28 16 х 16 х 5,8 Мобильные устрой-
узкополосная СВЧ-антенна ства
Внешняя спиральная 1590±30 < 2,5 при 26.5 ± 3 126 х 81 Системы синхрониза-
для установки на корпус или монтажа GPS L1, GPSGL- +25°С (GPS), 24,5 ± 3 ции времени
TMG-26N (ГЛОНАСС)
Внешняя спиральная антенна GPSGL-TMG-SPI- 1590±30 < 2,5 при +25°С 26.5 ± 3 (GPS), 184 х 81 Системы синхронизации времени (базовые
40NCB 24,5 ± 3 (ГЛОНАСС) станции)
Бортовые Puck-антенны се- 1575,42 ± 10 2,5 26 (46) 68,6 х 19 Морские бортовые
рии 12100 (GPS L1) навиг. системы
Многополосные антенны 1575,42 1,5 28 132,1 х 58,9 х Мобильные устрой-
3947D х 8,5 ства, для высокоточных измерений
Встроенные GPS-антенны 1575,42 ± 10 1,5 0,5 16 х 16 х 5,8 Мобильные устройства
Внешняя активная антенна 1575,42±3 2,0 4,0 49,3 х 49,3 х Для мониторинга
Laipac P1 устройств GPS для X 17 транспорта
наземного транспорта
Внешняя активная антенна От 1574 до <= 1 66,5 х 21 Для внешнего исполь-
профессионального уровня TW3400/TW3402 для приема 1606 зования
сигналов GPS L1, ГЛОНАСС
L1 и SBAS (WAAS, EGNOS и
MSAS)
Встраиваемые антенны серии WS3950/60 0,8 28 х 28 х 9 Стационарные устройства
Антенна серии WS3910 0,8 28 - 28,5 45 х 51 х 12 Для внешнего использования
2. Диаграмма направленности плоской фазированной антенной решетки.
Предлагаемая активная фазированная антенная решетка для наземной аппаратуры пользователей СРНС представляет собой N относительно простых, с широкой диаграммой направленности (ДН) идентичных антенн (излучателей3) диапазона СВЧ, расположенных на корпусе наземной аппаратуры пользователей с определенной регулярностью, подключенных к приемнику навигационных сигналов (ПРМ НС) через фидер с управляемыми фазовращателями и векторным сумматором (рисунок 2) [8 - 10].
Рисунок 2 - Основные элементы фазированной антенной решетки
В качестве излучателей в наземной аппаратуре пользователей целесообразно использовать микрополосковые слабонаправленные антенны, которые органично вписываются в конструкцию аппаратуры с микросхемной схемотехникой.
2.1. Линейная фазированная антенная решетка.
Простой способ расположения излучателей АФАР - образование на прямоугольном корпусе наземной аппаратуры пользователей плоской решетки из n рядов по m излучателей в каждом ряду (рисунок 3), так что
N = m-n, (2)
где m и n - целые положительные числа.
Каждый j-й, j = 1, 2, ..., n, ряд образует линейную антенную решетку (АР), состоящую из m излучателей с шагом dx. Пусть некоторая j-я линейная антенная решетка (рисунок 4) образована рядом из нечетного количества m = 2k+1, k = 1, 2, 3, ..., излучателей, совпадающего с осью Ox, и запитана гармоническими токами с равномерным амплитудным и синфазным распределением:
ijq(t) = Iojq sin(rni + фоД j = 1, 2, ., n, (3)
где I0jq = I0 = const и фо^ = ф0 = const - соответственно их амплитуда и начальная фаза; q = 1, 2, ..., m - номер излучателя в ряду; ю = 2nf = 2ке/к- циклическая частота гармонического тока, питающего каждый q-й излучатель; А - длина волны электромагнитных колебаний, соответствующая частоте f; c = 3-108 м/с.
Антенна наземной аппаратуры пользователей работает только на прием сигналов навигационных спутников, но, где это удобно, при анализе фазированной антенной решетки (ФАР) используется такая же терминология, как и при работе антенны, работающей на передачу (см. сноску 1).
Так как излучатели рассматриваемого у-го, у = 1, 2, ..., п, ряда запитаны токами с заданными фазами (3), то образовавшаяся линейная антенная решетка является фазированной.
Рисунок 3 - Прямоугольная антенная решетка из микрополосковых вибраторов (1) на диэлектрической подложке (2)
Каждый излучатель рассматриваемой линейной ФАР является источником сферических волн электромагнитного излучения. Складываясь, они создают при фазовом распределении (3) линейный, параллельный оси Ox фазовый фронт (см. 5 на рисунке 4). Результат интерференции сферических волн определяет «в бесконечности» по оси Oz направленные свойства АР [5, 6]. Сечение амплитудной ДН линейной фазированной антенной решетки плоскостью zOx - это функция угла 0, отсчитываемого от оси Oz. Оно (сечение) описывается выражением:
Gafx(0)= Gix(0)Fx(0, m, dx, А), (4)
где G1x(0) и Fx(0, m, dx, А) - сечение той же плоскостью нормированнной амплитудной ДН одиночного излучателя, помещенного в точку O (см. рисунок 4); Fx(0, m, dx, А) - множитель линейной антенной решетки:
|sin{[nmdx (sin 0)]/ А)}
Fx (0, m dx, А)
m
|sin{[ ndx (sin 0)]/ А )}|'
(5)
Если все излучатели изотропны, т. е. С1х(0)=1, то выражение (5) по сути есть описание диаграммы направленности рассматриваемой ФАР.
Выражение (5) проиллюстрировано графиками на рисунке 5. Из них следует, что для фиксированного количества излучателей форма ДН решетки зависит от отношения и = ^х1Х) - шага к длине волны излучаемых (принимаемых) ЭМК и от количества излучателей т. При и > 1 диаграмма направленности имеет многолепестковый характер с несколькими равноамплитудными максимумами, из которых центральный (главный) лепесток имеет (по уровню 0,5) ширину 20о,5(и) (рисунок 5, а). Между равноамплитудными максимумами находятся боковые лепестки. При и < 1 диаграмма направленности имеет один основной лепесток, дополненный боковыми лепестками.
С увеличением количества излучателей т основной лепесток диаграммы направленности линейной АР сужается - уменьшается его ширина 2©0,5(т) по уровню 0,5, а также увеличивается количество боковых лепестков и снижается их уровень (рисунок 5, б).
Рисунок 4 - Образование фазового фронта и диаграммы направленности линейной антенной решетки ОАА(0): 1- диаграмма направленности б1(0) каждого из т излучателей; 2 и 3 - соответственно основной и боковые лепестки ДН излучателей; 4 - излучатели; 5 - линия фазового фронта линейной ФАР; Ох и 02 - ортогональные
координатне оси; 2©АА и 2©0 5 - ширина основного лепестка ДН на уровне половинной мощности соответственно антенной решетки и одиночного излучателя
я/2 ©
б
Рисунок 5 - Зависимость диаграммы направленности линейной системы из т = 5 излучателей от отношения йхГк - шага АР к длине волны ЭМК (а), и от количества излучателей т при отношении ёх1Х = 0,9 (б)
В общем случае уравнение линии фазового фронта системы излучателей (см. обозначение 5 на рисунке 4) может отличаться от линейного, но если фазовое распределение токов ijq(t) излучателей (см. формулу (3)) с равномерным амплитудным распределением такое, что фазы соседних излучателей отличаются на величину ax = const (рисунок 6):
Ф^_1) - Ф^ = ax, q = 1,2, m, (6)
где Ф^ = (ю^+ф^) и ф^ = (m - 1)ax,
то линия фазового фронта поворачивается на угол yx (рисунок 7):
yx(ax, А, dx) = arccos[ax-A/(2ndx)] = arccos[ax-c/(a>dx)]. (7)
—► - ш-тшие н.тчателем током /(и^У powering the radiators with current /(to/); —► -управление фазовращателями (УФ)/ control of phase shifters (CF)
Рисунок 6 - Формирование линейного закона фазового распределения токов вдоль линейки антенной решетки
J-24 j-4 Т Щ \2dx *
Рисунок 7 - Формирование линейного фазового фронта системы излучателей 2 из сферических фазовых фронтов излучателей 1, запитанных в соответствии с распределением (6). Диаграмма направленности линейной антенной решетки 3, повернутая на угол у
Из формулы (7) следует, что управлять положением фазового фронта 2, т. е. и направлением основного лепестка ДН линейной антенной решетки, можно изменениями: а) шага йх антенной решетки;
б) частоты ю принимаемых электромагнитных колебаний;
в) фазы ах токов, питающих излучатели.
Не все указанные способы реализуемы для приемников наземной аппаратуры пользователей. Шаг антенной решетки - это ее конструктивная данность, и выбор его величины доступен только на этапе проектирования антенны. Центральная частота принимаемых ЭМК, как и необходимая полоса пропускания антенны, определяется техническими параметрами СРНС.
Относительно незначительные ограничения существуют лишь на управление фазовым распределением излучателей.
При фазировании излучателей согласно закону (6) фазовый фронт (см. рисунок 6) остается линейным, но наклоненным к оси Ox под углом (см. рисунок 7). Так что угловой коэффициент линии АВ
kx = ^1Ух(ах, А, йХ)]. (8)
При любом способе управления линия фазового фронта поворачивается на угол ух вокруг центра - точки А (см. рисунок 7). Точка В описывает окружность радиусом
Ьх = тйх, (9)
и переходит в точку В¥х, а фазовый центр, лежащий на середине отрезка АВ (точка О), таким же образом переходит в точку О¥х.
Ширина диаграммы направленности 20^5 зависит от угла ух (рисунок 8). Наиболее узкая ДН формируется при ух = 0 [4, с. 401]:
20ОО5х «(0,888-А)/Ьх, (10)
а при ух = ±п/2 она расширяется до
200П52)х «2^(0,888-А)/Ьх . (11)
Формулы (7) - (11) показывают, что применение линейной фазированной антенной решетки с управлением фазой излучателей согласно условию (6) позволяет выбирать и ширину основного лепестка ДН в плоскости хОг, и его ориентацию в этой плоскости в пределах ±п/2 относительно оси Ог.
Рисунок 8 - Примерная зависимость ширины диаграммы направленности линейной ФАР от угла наклона ух фазового фронта к оси Ох
2.2. Плоская фазированная антенная решетка.
Согласно рассмотренным в подразд. 2.1 закономерностям каждыйу-й, у=1,2,..., п, ряд излучателей представляет собой линейную (одномерную) ФАР. Каждая у-я ФАР создает
108 ИЗВЕСТИЯ Транссиба == № 2(30) 2017
свою диаграмму направленности с фазовым центром на середине длины отреза Ьу (см. формулы (4), (5), (9) - (11)). При идентичности излучателей и известном законе фазирования питающих их токов (см. формулы (3) и (6)) все п сформированных этими ФАР сечения каждой из диаграмм направленности одинаковы, но сдвинуты относительно друг друга по координате Оу на шаг ёу (рисунки 4, 9). Таким образом, создается ряд эквивалентных антенн, каждая из которых имеет узкую ДН САРх(0х) относительно оси Ох (4) и близкую к изотропной ДН G1y(0y) относительно оси Оу. Этот ряд антенн образует вторичную линейную с почти равномерным распределением ФАР (см. рисунок 7), к которой применимы рассуждения, приведенные в подразд. 2.1.
Сечение амплитудной ДН вторичной фазированной антенной решетки плоскостью гОу, -это функция угла 0у, отсчитываемого от оси Ог. Оно (сечение) описывается выражением
^ару(0у)= О1у(0у)-Ьу(0у, п, йу, А), (12)
где С1у(0) и Ьу(0, п, ёу, А) - соответственно сечение той же плоскостью нормированной амплитудной ДН одиночного излучателя, помещенного в точку О (см. рисунок 4) и множитель
линейной антенной решетки :
Ьу (0, п, ёу, А)
б1п{ [ппёу (Бт 0)] / А)}
п
8т{[лёу (мп 0)]/ А)}
(13)
Если все излучатели изотропны, т. е. G1y(0)=1, то выражение (13), по сути, есть описание диаграммы направленности вторичной ФАР.
Рисунок 9 - Образование вторичной фазированной антенной решетки, излучатели которой расположены вдоль оси Оу, а диаграмма направленности описывается формулой (12)
Направление максимума ДН вторичной ФАР аналогично формулам (6) и (7) определяется углом
уу(ау, А, ёу) = агссо8[ау-А/(2яйу)] = агссо8[ау-с/(юёу)], (14)
4 Главный максимум функции (13) так же, как и функции (5), нормирован к 1. Однако на рисунке 9 для наглядности основной максимум ДН выделен и приподнят над максимумами множителей первичных ФАР.
где
Ф(д-1) - Фq = «у, Ц = 1,2, ..., П, Фq = (Ш + фq) и ф„ = (п - 1)ау. (15)
Следовательно, управление скачком фазы ау согласно выражению (15) приводит к изменению направления оси ДН вторичной ФАР в плоскости у02.
При любом способе управления аналогично показанному на рисунке 7 линия фазового фронта поворачивается в плоскости y0z на угол уу, точка В описывает дугу радиусом
Ly = mdy, (16)
а также описывает дугу и фазовый центр (точка 0).
Минимальная и максимальная ширина диаграммы направленности:
2©(°) 0,5 у
(0,888 -А)/ Ьу, уу=0;
(17)
(18)
Формулы (14), (17), (18) показывают, что применение линейной фазированной антенной решетки с управлением фазой излучателей согласно (15) позволяет выбирать и ширину основного лепестка ДН в плоскости x0z, и его ориентацию в этой плоскости в пределах ±п/2 относительно оси 0г.
Таким образом, плоская ФАР позволяет управлять диаграммой направленности системы излучателей в двух ортогональных плоскостях.
На основании изложенного можно сделать выводы.
Для применения фазированной антенной решетки наземной аппаратуры пользователей спутниковой радионавигационной системы с управляемой диаграммой направленности необходимо, чтобы конструкция приемника имела по крайней мере одну плоскую поверхность для размещения элементарных излучателей с хотя бы одним габаритным размером
(Ъх V Ly) > А.
Переключения диаграмм направленности не должны вносить динамических ошибок определения координат наземным приемником СРНС. С этой целью следует использовать электронные фазовращатели и быстродействующие переключатели на р-г-п-диодах [7 - 9].
Алгоритм управления диаграммой направленности ФАР должен быть итерационным и предусматривать следующее:
а) формирование слабо направленной ДН для предварительной оценки наличия навигационных спутников с углом наклона от вертикали у < ушах, где ушах - угол маски;
б) программу расчета собственных координат наземной аппаратуры пользователей;
в) программу расчета грубой оценки небесных координат обнаруженного созвездия НС относительно положения наземной аппаратуры пользователей;
г) распределение обнаруженных НС по приоритетному обслуживанию;
д) поочередное, в соответствии с установленным приоритетом, формирование относительно узких диаграмм направленности с направлением на выбранные навигационные спутники;
е) коррекцию приоритетов обнаруженных спутников;
ж) повторение вычислений согласно п. д);
з) возврат к п. а) и повторение вычислений согласно п. б) - ж).
Очевидно, что рассмотренные условия формирования узкой управляемой ДН путем применения активной ФАР возможно для стационарных наземных либо для бортовых приемников СРНС, конструкция которых допускает расположение прямоугольной несущей плоскости излучателей размером примерно (0,25 м х 0,25 м). Мобильные переносные конструкции для этой цели непригодны.
Список литературы
1. Mарюхненко, В. С. Показатели надежности информационных управляющих систем с аппаратными и информационными отказами как комплексные функции времени [Текст] /
B. С. Mарюхненко // Вестник СГАУ / Самарский гос. аэрокосмический ун-т. - Самара. -2009. - № 1 (16). - С. 10 - 17.
2. Mарюхненко, В. С. Информационное обеспечение типового комплекса управления локомотивом серии ЭП1П [Текст] / В. С. Mарюхненко, Е. И. Антипин // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: Сб. науч. тр. Под ред. Ю. Ф. Mухопада / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск. - 2013. - Вып. 23. -
C. 100 - 106.
3. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: Mонография [Текст] / В. С. Mарюхненко, Ю. Ф. Mухопад и др. - Новосибирск: Наука, 2014. - 256 с.
4. Перов, А. И. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования [Текст] / А. И. Перов, В. Н. Харисов. - M.: Радиотехника, 2010. - 800 с.
5. Корбанский, И. Н. Антенны [Текст] / И. Н. Корбанский. - M.: Энергия, 1973. - 336 с.
6. Mарюхненко В. С. Радиоприемные устройства [Текст] / В. С. Mарюхненко / Иркутский военный авиационный инженерный ин-т. - Иркутск, 2001. - 531 с.
7. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебное пособие [Текст] / Д. Ю. Mу-ромцев, Ю. Т. Зырянов и др. / Тамбовский гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2012. - 200 с. [Электронный ресурс]. URL: http://window.edu.ru/resource/211/80211/files/belousov.pdf
8. Парнес M. Д. Высокотехнологичные антенные решетки СВЧ на основе многослойных плат для радаров и систем связи [Текст] / M. Д. Парнес: Дис... доктора техн. наук. - Санкт-Петербург, 2011. - 161 с.
9. Павлов, C. Антенные фазированные решетки. Обзор компонентной базы для реализации приемопередающих модулей [Текст] / C. Павлов, А. Филиппов // Компоненты и технологии. - 2014. - № 7. - С. 57 - 62. [Электронный ресурс]. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ ruwiki/613946
10. ГОСТ 23066-78. Устройства управления лучом фазированных антенных решеток. Термины и определения [Текст]. - M.: Изд-во стандартов, 2013. - 113 с.
Refernces
1. Maryukhnenko V. S. Indicators of reliability of information control systems with hardware and information failures as complex functions of time [Pokazateli nadezhnosti informatsionnykh upravlyayushchikh sistem s ap-paratnymi i informatsionnymi otkazami kak kompleksnyye funktsii vremeni]. Vestnik SGAU - Bulletin of the Siberian State University of Architecture and Civil Engineering, 2009, no. 1 (16), pp.10 - 17.
2. Maryukhnenko V. S., Antipin Ye. I. Information support of a typical locomotive management complex of the EP1P series [Informatsionnoye obespecheniye tipovogo kompleksa upravleni-ya lokomotivom serii EP1P]. Informatsionnyye sistemy kontrolya i upravleniya vpromyshlennosti i na transporte - Information systems for control and management in industry and transport, 2013, no. 23, pp.100 - 106.
3. Maryukhnenko V. S., Mukhopad Y. F., Dem'yanov V. V., Mironov B. M. Informatsionnoye obespecheniye podvizhnykh transportnykh sredstv na osnove integrirovannykh navigatsionnykh sis-tem: monografiya (Information support of mobile vehicles on the basis of integrated navigation systems: monograph). Novosibirsk: Nauka, 2014, 256 p.
4. Perov A. I., Kharisov V. N. GLONASS. Printsipy postroyeniya i funktsio-nirovaniya (GLONASS. Principles of construction and functioning). Moscow: Radiotekhnika, 2010, 800 p.
5. Korbanskiy I. N. Antenny (Antennas). Moscow: Energiya, 1973, 336 p.
6. Maryukhnenko V. S. Radiopriyemnyye ustroystva (Radio receivers). Irkutsk: IVAII, 2001, 531 p.
7. Muromtsev D. Y., Zyryanov Y. T., Fedyunin P. A. Elektrodinamika i rasprostraneniye radi-ovoln (Electrodynamics and propagation of radio waves). Tambov: TGTU, 2012, 200 p.
8. Parnes M. D. Vysokotekhnologichnyye antennyye reshetki SVCH na osnove mnogosloynykh plat dlya radarov i sistem svyazi (Parnes MD High-tech antenna array of microwave on the basis of multilayered boards for radars and communication systems). Doctor's thesis, Sankt-Peterburg, 2011, 161 p.
9. Pavlov C., Filippo A. Antenna phased arrays. Overview of the component base for the implementation of transceiver modules [Antennyye fazirovannyye reshetki. Obzor komponentnoy ba-zy dlya realizatsii priyemoperedayushchikh moduley]. Komponenty i tekhnologii - Components and technology, 2014, no. 7, pp. 57 - 62.
10. Ustroystva upravleniya luchom fazirovannykh antennykh reshetok. Terminy i opredeleniya, GOST 23066-78 (Beam control devices for phased antenna arrays. Terms and Definitions, GOST 23066-78.). Moscow. Standartvy, 2013, 113 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Марюхненко Виктор Сергеевич,
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
ул. Чернышевского, д.15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь», ИрГУПС.
Тел.: +7 (3952) 63-83-99, доб. 419.
E-mail: [email protected]
Гармышева Евгения Святославовна
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
ул. Чернышевского, д.15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Автоматика, телемеханика и связь», ИрГУПС.
Тел.: +7 (3952) 63-83-99 доб. 449.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Марюхненко, В. С. Анализ применения фазированных антенных решеток для приема сигналов спутниковой радионавигационной системы в комплексе локомотивных устройств безопасности [Текст] / В. С. Марюхненко, Е. С. Гармышева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2017. - № 2 (30). - С. 99 - 112.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Viktor Sergeevich Mryukhnenko
Irkutsk State Transport University (ISTU).
Chernyshevsky st., 15, Irkutsk, 664074, Russian Federation.
Doctor of technical sciences, professor of the department «Automation, telemechanics and communication», ISTU.
Phone: 8 (3952) 63-83-99 ext. 419.
E-mail: [email protected]
Garmysheva Eugenia Svyatoslavovna
Irkutsk State Transport University (ISTU).
Chernyshevsky st., 15, Irkutsk, 664074, Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Automation, telemechanics and communication», ISTU.
Phone: 8 (3952) 63-83-99 ext. 449.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Mryukhnenko V. S., Garmysheva E. S. Analysis of the reception of signals of the satellite radionavigation system by phaseed antenna grids in a complex of safety devices for locomotive. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 30, no. 2, pp. 99 - 112. (In Russian).
112 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017
=
