CC BY
135
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 98(2)
УДК 621.317.023: 621.396.6
НАЗЕМНЫЙ КОНТРОЛЬ ТОКОВ АНТЕННЫ КУРСОВОГО РАДИОМАЯКА СИСТЕМЫ ПОСАДКИ СП - 90
БЕСФАЗОВЫМ МЕТОДОМ
Е.Е. НЕЧАЕВ, И.Н. РОЖДЕСТВЕНСКИЙ
Описывается методика восстановления фазы антенны курсового радиомаяка при измерении одной лишь амплитуды электромагнитного поля в ближней зоне антенны.
В [1, 2, 3] описана методика восстановления амплитудно-фазового распределения (АФР) токов антенны при измерении как амплитудного, так и фазового распределения электромагнитного поля (ЭМП) в ближней зоне антенны и методика восстановления АФР при измерении только лишь значений амплитуд напряжённости ЭМП на двух цилиндрических поверхностях в ближней зоне антенны. В [2] представлены результаты восстановления распределения амплитуд и фаз тока в антенне курсового радиомаяка (КРМ). В данной статье предлагается метод измерения, предусматривающий восстановление только лишь фазового распределения тока на антенной решётке КРМ. При этом производится измерение напряжённости ЭМП в ближней зоне, а с помощью встроенной системы контроля радиомаяка измеряется амплитудное распределение тока в антенной системе. При расчётах учитывается, что все измерения производятся с
некоторой ошибкой, распределенной по нормальному закону с нулевым средним и дисперсией
2
О .
Естественно, что в процессе измерения неизбежно будут присутствовать ошибки измерения амплитуд тока антенной решётки и ЭМП, поэтому при проведении измерений в условиях аэродрома необходимо свести эти ошибки к минимуму.
Данный метод можно эффективно использовать при небольшом количестве элементов в антенной решётке (например, до 12). Для минимизации целевой функции целесообразно применять метод покоординатного спуска, что позволяет сократить время вычислений. Метод минимизации учитывает тот факт, что фаза тока изменяется в известных пределах [0, 2п].
При расчётах 18-элементной антенной решётки (узкий луч антенны КРМ) необходимо применять другие методы минимизации, такие, например, как метод Полака-Рибьера или метод Дэвидсона-Флетчера-Ривса.
Ниже приведён алгоритм восстановления фазового распределения тока на антенной системе КРМ (рис. 1) и даётся краткое описание работы разработанного алгоритма восстановления фазы.
Алгоритм состоит в следующем: на первом шаге производятся измерения амплитуды тока на антенной решётке Ip и напряженности ЭМП Ephi в ближней зоне антенны КРМ. На втором шаге задаётся начальное приближение фазы Phi на антенной решётке; за начальное приближение берётся распределение, которое выставляется при вводе КРМ в эксплуатацию. Далее к начальному приближению приписывается приращение фазы и производится вычисление Ephi’ в ближней зоне. Затем осуществляется вычисление среднеквадратической ошибки восстановления |Ephi-Ephi’|. При том значении фазы Phi’ на антенной решётке, когда данная ошибка минимальна, происходит остановка алгоритма, а полученное фазовое распределение считается максимально приближённым к реальному.
Рис. 1. Алгоритм восстановления фазы
Ниже приведены результаты вычислений для 5-элементной антенной решётки широкого разностного канала КРМ СП-90.
В таблице представлены исходные фазовое и амплитудное распределения тока в антенной решётке.
Таблица
Номер элемента АР 1 2 3 4 5
Фаза, град 180 180 0 180 180
Ток, Mmax 0,160 0,223 1 0,223 0,160
На рис. 2 дана зависимость среднеквадратической ошибки (СКО) восстановления фазы от расстояния до цилиндрической поверхности измерений (при СКО измерений амплитуд тока и ЭМП, равных 0,2 от их максимальных значений). Данная зависимость может немного видоизменяться в зависимости от величины ошибки измерений амплитуд тока и ЭМП, однако, исходя из этой зависимости, можно сделать вывод, что оптимальным является расстояние от 7 до 14 метров от антенной решётки до измерительного зонда. Длина 5-элементной антенной решётки составляет 9,5 метров, а ближняя и дальняя границы промежуточной зоны Френеля соответственно 7 и 65 метров (длина волны X = 2,7275 м), следовательно, измерения производятся на границе ближней и промежуточной зон.
Рис. 2. Зависимость СКО восстановления фазы от расстояния
СКО, i
123456789 10
Рис. 3. Зависимость СКО (sqrt (i/100)) восстановления фазы от СКО измерения
На рис. 3 приводится график зависимости СКО восстановления фазы тока на антенной решётке от величины СКО измерения амплитуды тока и ЭМП. СКО берётся в долях от максимального значения параметра (например, максимальное значение амплитуды тока на решётке составляет 1 соответственно СКО нормального распределения берётся равной (0,1-1), (0,14-1) и т.д.). Закономерно, что при увеличении ошибки измерений СКО восстановления фазы увеличивается.
250
200
150
100
50
1 Initial —*- Reconstructed
/ /
/ / /
N элемента АР
Рис. 4. Исходное искажённое (сплошная линия) и восстановленное искажённое (пунктирная линия) распределения фазы на АР
На рис. 4 представлен пример восстановления искажённого фазового распределения АР при СКО измерений амплитуды тока и ЭМП, равной 0,16. Как видно, результат вполне приемлем, имеет место, конечно, некоторая ошибка восстановления, однако чётко «отработан» уход фазы на крайнем элементе антенной решётки. СКО восстановления фазы при этом составила величи-
о ^0
ну 2,7 .
На основе полученных выше результатов можно сделать вывод об эффективности предложенного алгоритма восстановления фазы при небольшой ошибке измерений. Данный алгоритм в силу достаточно простого метода минимизации эффективен для восстановления фазы антенных решёток с небольшим числом элементов. Для большого числа элементов необходимо использовать более сложные и эффективные методы минимизации, что, однако, потребует увеличения компьютерного времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев Е.Е., Рождественский И.Н. К вопросу наземного контроля токов антенны курсового радиомаяка системы посадки СП-90 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 62, 2003.
2. Нечаев Е.Е., Рождественский И.Н. К вопросу восстановления АФР токов антенны курсового радиомаяка бесфазовым методом измерений // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 87 (5), 2005.
3. Нечаев Е.Е. Рождественский И.Н. Бесфазовый метод контроля распределения токов антенны курсового радиомаяка системы посадки. Тезисы доклада международной конференции, 2005, 15th Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology”, 12-16 Sept., Sevastopol, Ukraine.
THE EARTH CONTROL OF CURRENTS ANTENNES RADIOBEACOM OF LANDING SYSTEM LS-90
Nechaev E.E., Rozhdestvenskij I.N.
In this paper the problem of phase reconstruction for a course airport beacon using only amplitude data is discussed. The reconstruction is based on using the amplitude-measured data of the antennas near field.
Сведения об авторах
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор кафедры РТУ МГТУ ГА, автор 140 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ.
Рождественский Илья Николаевич, 1981 г.р., аспирант МГТУ ГА, область научных интересов -математическое моделирование процессов.
