CC BY
142. Lyadova E. F. Scientific and technical support for the evolutionary development of communication and data transmission systems (Part 1). The composition of the scientific potential and an introduction to the system-cybernetic approach to its accumulation and implementation // Slavic Forum: Materials of the international scientific-practical conference "Development of infocommunication technologies. Theory and practice" (Burgas, Bulgaria, December 5, 2019). - Burgas: IGNEIT, 2019. - P. 361-371.
3. Lyadova E. F. Scientific and technical support for the evolutionary development of communication and data transmission systems (Part 2). Implementation of a system-cybernetic approach to the accumulation and implementation of scientific potential // Slavic Forum: Materials of the international scientific-practical conference "Development of infocommunication technologies. Theory and practice" (Burgas, Bulgaria, December 5, 2019). - Burgas: IGNEIT, 2019. - P. 372-382.
4. Davydov A. B., Dyblya A. Yu., Lyadova E. F. The use of virtual reality technology and artificial intelligence for efficient operation, evolutionary modernization and flexible reconfiguration of communication and data transmission systems // Slavic Forum: Materials of international scientific and practical conference "Development of infocommunication technologies. Theory and practice (Burgas, Bulgaria, December 5, 2019). -Burgas: IGNEIT, 2019. - P. 299-309.
5. Davydov A. B., Dyblya A. Yu., Lyadova E. F., Samoilov V. V. Practical aspects of the implementation of the AR / VR / AI project VAS4ME for the purpose of efficient operation, evolutionary modernization and flexible reconfiguration of the communication and transmission system data // Slavic forum: Materials of the international scientific-practical conference "Development of infocommunication technologies. Theory and practice (Burgas, Bulgaria, December 5, 2019). - Burgas: IGNEIT, 2019. - P. 310-318.
6. Litvinov A. V. et al. Conversion of the radio frequency spectrum. Issues of technical regulation / Litvinov A. V., Baygutlina I. A., Zamyatin A. Yu., Lyadova E. F. - M.: Sam Polygraphist Ltd, 2019. - 124 p.
7. Litvinov A. V. et al. Control of the conversion of the radio frequency spectrum / Litvinov A. V., Baygutlina I. A., Zamyatin A. Yu., Lyadova E. F. - M.: Publishing house "Hot line - Telecom", 2019. - 212 p.
8. Davydov A. B., Lyadova E. F. Philosophy of flexible reconfiguration management of a specialized communication and data network // Slavic Forum: Materials of the international scientific-practical conference "Development of infocommunication technologies. Theory and practice (Burgas, Bulgaria, December 5, 2019). -Burgas: IGNEIT, 2019. - P. 328-338.
9. Lyadova E. F. Optimization of communication systems with restrictions on technical, operational and cost parameters // Slavic Forum: Materials of the international scientific-practical conference "Geoinformation service. Theory and practice" (Moscow, March 12, 2020). - Burgas: IGNEIT, 2020. - P. 284-293.
10. Lyadova E. F, Krylova O. S. Means of analytics and flexible visualization of the state, events and operation processes of specialized communication and data transmission systems // Slavic Forum: Materials of the international scientific-practical conference "Development of infocommunication technologies. Theory and practice" (Burgas, Bulgaria, December 5, 2019). - Burgas: IGNEIT, 2019. - P. 216-226.
11. Plotnikov P. Modeling of the antenna. Report on research. - M .: Huawei, 2014. - 65 p.
РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К АНТЕННО-ФИДЕРНОЙ СИСТЕМЕ КОМПЛЕКСОВ СВЯЗИ, РАДИО- И РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОГО И КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ
Литвинов Александр Валерьевич
Генеральный директор АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1
Лядова Елена Федоровна Главный специалист по качеству-верификатор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Галайко Игорь Витальевич Директор программы АО «НПК «ВТиСС»
Аннотация. В статье рассматриваются основные технические требования при разработке антенно -фидерных систем бортовых ретрансляционных комплексов и комплексов радио- и радиотехнического мониторинга.
Abstract. This article discusses the main technical requirements for the development of antenna-feeder systems for the on-board relay complex and complex for radio- and radiotechnical monitoring.
Ключевые слова: антенно-фидерная система, бортовой ретрансляционный комплекс, антенная решётка, летательный аппарат, космический аппарат.
Keywords: antenna-feeder system, on-board relay complex, antenna array, aircraft, spacecraft.
В настоящее время ведущие компании космической отрасли проводят активные исследования по созданию нового поколения спутников связи, работающих в диапазоне частот Ки и выше [1, стр. 12-15]. Одним из основных компонентов бортового радиотрансляционного комплекса (БРТК) является антенно -фидерная система (АФС), рассмотрению основных технических параметров и требований к которой
посвящён материал статьи. Требования к АФС изложены применительно к спутникам, функционирующим на низких круговых орбитах, однако, значительная часть характеристик может быть экстраполирована и для орбитальной группировки, функционирующей на геостационарной орбите. Также изложенные параметры и требования могут быть распространены на наземные системы и системы воздушного базирования, например, устанавливаемые на беспилотные летательные аппараты.
Рассматриваемые антенно-фидерные системы также пригодны для использования в составе комплексов радио- и радиотехнического мониторинга в диапазоне Ки.
Целями формирования основных технических параметров и требований к АФС являются:
• разработка концепции построения приемо-передающей бортовой антенно-фидерной системы спутниковой связи, функционирующей в Ки-диапазоне;
• проведение исследований возможных путей оптимизации конструктивных и электрических параметров бортовой антенно-фидерной системы с возможностью одновременного многолучевого диаграммообразования;
• проработка вариантов реализации и оценка параметров составных частей бортовой антенно -фидерной системы (антенное полотно, приемо-передающие модули, электронную систему управления и процессор, управляющий диаграммообразованием и т.д.);
• системная оценка реализуемости предложенной АФС БРТК Ки-диапазона в целом и расчеты ее технических параметров для проработанных вариантов составных частей.
АФС предназначена для обеспечения функционирования системы связи в Ки-диапазоне в составе БРТК, устанавливаемого на телекоммуникационных космических аппаратах (КА) околоземной низкоорбитальной группировки и решения следующих основных задач:
• формирования осесимметричных парциальных диаграмм направленности (ДН) круговой поляризации с высоким коэффициентом направленного действия (КНД) на прием и на передачу;
• оперативного перенацеливания положений максимумов ДН во всей зоне обслуживания КА.
В состав АФС должны входить:
• приемо-передающая активная фазированная антенная решетка с цифровым формированием групповых диаграмм направленности для зоны обслуживания КА;
• процессор оперативного управления диаграммообразованием АФС;
• несущая конструкция;
• устройство разворота АФС из транспортного положения в рабочее (приводы раскрытия и элементы механической фиксации).
Требования к компоновке АФС и её расположению на КА:
• зона обслуживания АФС ограничена конусом с телесным углом при его вершине 128° относительно оси космического аппарата ориентированной к центру Земли;
• вариант установки АФС на космическом аппарате находится в проработке, по всей видимости, АФС будет располагаться на КА в зоне нижнего торца, обращенного по направлению оси космического аппарата ориентированной к центру Земли;
• масса АФС в сборе не должна превышать 400 кг;
• габаритные размеры АФС в сложенном состоянии не должны превышать 2000*2000*500 мм.
Требования к частотным диапазонам и поляризации:
• АФС должна обеспечивать прием сигнала с правой круговой поляризацией в диапазоне частот от 14,0 ГГц до 14,5 ГГц с коэффициентом эллиптичности (КЭ) не менее 0.8;
АФС должна обеспечивать передачу сигнала с левой круговой поляризацией в диапазоне частот от 14,0 ГГц до 14,5 ГГц с коэффициентом эллиптичности не менее 0.8.
Требования к формированию групповой ДН:
• групповая ДН на прием должна быть образована 3340 лучами;
• групповая ДН на передачу должна быть образована шестнадцатью лучами;
• максимумы парциальных диаграмм направленности (лучей) на прием и на передачу должны оперативно и независимо изменять положение в пределах ±65° относительно нормали к апертуре АФС с погрешностью наведения радиооси луча на точку прицеливания не более ±0,1° с учетом погрешности юстировки АФС в рабочем интервале температур.
Требования к парциальным лучам АФС на прием:
• собственная шумовая температура антенны и её трактов для каждого из парциальных лучей на прием не должна превышать 250°К;
• коэффициент усиления (КУ) АФС каждого парциального луча на прием с учетом КПД антенны, тракта и электроники АФС для любого положения максимума ДН, лежащего в пределах ±65° от нормали к апертуре, не должен снижаться ниже уровня 50 дБ;
• уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН любого из лучей должен быть не более минус 20 дБ относительно максимума ДН;
• режектирование мощности передаваемого сигнала антенной по входу каждого из лучей на прием должно быть не хуже 50 дБ;
• время перенацеливания максимума диаграммы направленности (луча) АФС на прием не должно превышать 10 мкс;
• время стояния луча АФС на прием в одной позиции определяется внешним хостом, взаимодействующим с процессором;
• возможные положения максимумов ДН любого парциального луча на прием должны принимать дискретные значения с условием перекрытия ДН в соседних положениях по уровню не менее 3 дБ;
• ширина ДН любого парциального луча на прием должна определяться требованиями обеспечения КУ и полного покрытия зоны обслуживания подсистемы АФС;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) АФС в полосе сигнала ДРПрм на любом участке рабочего диапазона (1Прм±Л1Прм) должна быть не более 0.5 дБ;
• неравномерность группового времени задержки (ГВЗ) АФС в полосе сигнала ДРПРМ на любом участке рабочего диапазона (£прм±Л£прм) должна быть не более 5 нс.
Требования к парциальным лучам АФС на передачу:
• коэффициент усиления АФС каждого парциального луча на передачу с учетом КПД антенны, тракта и электроники АФС для любого положения максимума ДН, лежащего в пределах ±65° от нормали к апертуре, не должен снижаться ниже уровня 53 дБ;
• уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН любого из лучей должен быть не более минус 20 дБ относительно максимума ДН;
• максимальная мощность, подводимая к каждому парциальному лучу не превышает 160 Вт;
• мощность сигнала, подводимая к одному парциальному лучу на передачу должна режектироваться в остальных лучах на величину не менее 50 дБ;
• время перенацеливания максимума диаграммы направленности (луча) АФС на передачу не должно превышать 3 мкс;
• время стояния луча АФС на передачу в одной позиции определяется внешним хостом, взаимодействующим с процессором;
• возможные положения максимумов ДН любого парциального луча на передачу должны принимать дискретные значения с условием перекрытия ДН в соседних положениях по уровню не менее 3 дБ;
• ширина ДН любого парциального луча на передачу должна определяться требованиями обеспечения КУ и полного покрытия зоны обслуживания подсистемы АФС;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики АФС в полосе сигнала АБпрд на любом участке рабочего диапазона (£прд±Л£прд) должна быть не более 0.5 дБ;
• неравномерность группового времени задержки АФС в полосе сигнала АРпрд на любом участке рабочего диапазона (£прд±Л£прд) должна быть не более 5 нс.
Требования к Процессору:
• процессор должен обеспечивать оперативное управление диаграммообразованием АФС по запросам от хоста по скоростному синхронному логическому интерфейсу;
• процессор должен обеспечивать изменение и фиксацию положений максимумов парциальных ДН с привязкой к сигналу опорного генератора КА;
• процессор должен обеспечивать включение АФС командами на включение/выключение рабочей конфигурации аппаратуры и командами управления режимами работы АФС;
• время включения блоков АФС по командам Процессора должно быть не более 10 мс с момента поступления команды.
Требования к средствам оперативного и телеметрического контроля:
• аппаратура АФС должна формировать сигналы оперативного (ОК) и телеметрического (ТЛм) контроля с использованием датчиков;
• сигналы ОК используются для подтверждения готовности АФС к проведению сеансов приема и передачи информации (контроль готовности), для контроля исправности аппаратуры АФС в процессе работы;
• сигналы ТЛм используются для контроля функционирования аппаратуры, локализации и анализа состояния входящей в АФС аппаратуры в процессе штатной эксплуатации;
• время формирования сигналов ОК и ТЛм не должно превышать 1 мс после выхода аппаратуры в рабочий режим.
Электрические требования:
• электропитание аппаратуры АФС должно осуществляться от бортовой сети по двухпроводной линии, не имеющей гальванической связи с корпусом КА;
• сопротивление изоляции первичных цепей электропитания в нормальных условиях должно быть не менее 20 мОм относительно корпуса;
• значения испытательного напряжения для проверки электрической прочности изоляции изолированных цепей должны быть не более 100 В;
• АФС должна сохранять работоспособность в условиях наведения между шинами электропитания и корпусом изделия статической разности потенциалов до 10 В (без учета напряжения, создаваемого бортовым источником питания) любой полярности с максимальной скоростью);
• обмен сигналами ТЛМ и ОК должен проводиться по двум дублированным цепям (проводам и контактам разъема);
• пусковой ток входящей в состав АФС аппаратуры не должен превышать полуторакратного значения номинального тока потребления этой аппаратуры и быть не более 5 А.
Требования радиоэлектронной защиты:
• АФС должна нормально функционировать совместно с другими радиоэлектронными системами (РЭС) КА и обеспечивать с ними электромагнитную совместимость (ЭМС) [2, а 1-124, 3, а 1-48];
• ослабление побочных продуктов вне полос ({прд^ДПрд) должно быть не менее 50 дБ. Ослабление излучаемых сигналов на второй и третьей гармониках и комбинационных частотах должно быть не менее 60 дБ;
• аппаратура АФС должна функционировать в условиях импульсных помех в цепях питания 27 В величиной не более 10 В с длительностью 100 мкс при длительности фронта не более 5 мкс;
• аппаратура АФC должна нормально функционировать при наличии в цепи питания 27 В пульсаций напряжения частотой от 300 Гц до 50 кГц величиной не более 1,2 В (амплитуда) и помех не более 0,2 В (размах колебаний) в диапазоне частот от 50 кГц до 200 кГц.
• помехи, наводимые вторичными источниками питания (ВИП) АФС в цепи питания 27 В, не должны превышать 0,1 В (эффективное значение) в диапазоне от 300 Гц до 200 кГц.
Требования живучести и стойкости к внешним воздействиям:
• живучесть и стойкость к внешним воздействиям АФС должна соответствовать комплексу требований в части механических, климатических, воздействий, воздействию ЕРПЗ, ионизирующих излучений (ИИ) и других спецвоздействий, приведенных в действующих отраслевых стандартах:
Требования надежности:
• срок службы АФС должен быть не менее 5 лет, в том числе:
- продолжительность изготовления объекта - 1 год;
- продолжительность эксплуатации и хранения на ТК и СП - до 2 лет;
• срок активного существования при эксплуатации должен быть не менее 2 лет;
• вероятность безотказной работы АФС за время натурной эксплуатации в составе КА по штатной циклограмме в течение 2 лет должна быть не менее 0,95 за 17000 часов. Отказом АФС считать выход основных параметров АФС за допустимые значения, в частности невыполнение требований по формированию групповых и парциальных ДН на прием и передачу;
• ресурс АФС должен быть не менее 18000 часов;
• ресурс АФС (при поставке) должен составлять не менее 120 % от наработки по штатной циклограмме;
• АФС должна обеспечивать не менее 1000 включений/выключений за 5 лет эксплуатации;
• аппаратура АФС должна сохранять работоспособность после аварийного снятия/подачи напряжения бортсети; состояние аппаратуры после восстановления питания должно устанавливаться по командам Процессора;
• АФС должна проектироваться с необходимыми видами и уровнями резервирования, обеспечивающими заданную надежность, при этом отказ одного любого ЭРИ или одной любой соединительной цепи не должен приводить к отказу АФС, отказу других бортовых систем и невозможности дальнейшего выполнения ими своих функциональных задач.
Конструктивные требования:
• конструктивное исполнение АФС должно обеспечивать работу в условиях открытого космоса;
• АФС должна устанавливаться на космическом аппарате;
• на КА АФС должна находиться в транспортном положении (под обтекателем) и после вывода на орбиту переводиться в рабочее положение;
• АФС должна иметь узлы крепления к КА и устройство приведения АФС в рабочее состояние;
• разработка АФС может проводиться без учета влияния конструкции КА;
• должна быть предусмотрена возможность механической фиксации кабелей питания, управления и СВЧ кабелей, соединяющих АФС с другими системами КА, с обеспечением перевода АФС из транспортного положения в рабочее, при ее нахождении на орбите в составе КА.
• конструкция АФС не должна включать в себя узлы и компоненты с собственными резонансными частотами до 40 Гц.
• в габаритных чертежах (ГЧ) должны быть указаны:
- расчетное положение центра масс АФС в трех собственных координатных осях и предельное отклонение центра масс, расчетные величины моментов инерции относительно центральных осей;
- плоскость ориентации;
- посадочные места для крепления АФС с кабелями;
- потребляемая мощность;
- места присоединения такелажных устройств;
- типы и маркировки соединителей, кабелей и жгутов согласно схеме АФС, координаты их установки, положение ключей и наличие заглушек;
- обозначения съемных элементов аппаратуры;
- места заземления, места установки перемычек металлизации (диаметр отверстия наконечника на перемычке металлизации под винт не менее м4);
- место замера переходного сопротивления;
- положение шильдика и надпись на нем.
Система измерений и контроля параметров должна быть построена с учетом:
• минимизации времени, затрачиваемого на все виды измерений и контроля;
• минимальной номенклатуры и количества применяемых средств измерений;
• удобства эксплуатации;
• комплекса необходимых правил и норм техники безопасности.
В целях контролепригодности АФС должно быть обеспечено:
• использование обоснованного перечня телеметрических параметров, контролируемых в процессе наземной отработки и штатной эксплуатации, а также их допускаемых отклонений;
• использование унифицированных видов и уровней контролируемых сигналов;
• достаточное количество контрольных разъемов и нанесение на них надписей и обозначений, облегчающих процесс проведения измерений.
Телеметрические измерения должны обеспечивать:
• контроль технического состояния и работоспособности изделия с заданным уровнем точности по каждому измеряемому ТЛм параметру;
• идентификацию нештатных ситуаций.
Требования к диагностическому обеспечению:
• аппаратура АФС должна допускать проверку изоляции шин питания в процессе комплексных испытаний в составе объекта.
• аппаратура АФС должна обеспечивать проведение процедур контроля технического состояния в процессе эксплуатации: контроль готовности (по сигналам ОК) и контроль функционирования (по сигналам ТЛм).
• для контроля работоспособности и проведения диагностики АФС должна иметь достаточный объем параметров оперативного контроля, характеризующих ее работоспособность и определяющих:
- состояние «включено»/«выключено» всех комплектов взаимно резервируемых однотипных приборов и блоков;
- работоспособность подключенной подсистемы АФС.
• должен быть предусмотрен контроль составных частей аппаратуры АФС по ТЛм-датчикам (или датчикам сигналов оперативного контроля ОК), состояние которых должно содержать информацию о включении/выключении блоков (комплектов), режимах работы блоков (комплектов) и результатах автономных проверок.
• цепи ТЛм-датчиков не должны иметь гальванической связи с корпусом аппаратуры, шинами первичного питания, цепями управления и технологического контроля.
• контроль технического состояния должен обеспечивать определение неисправности АФС с глубиной поиска до блока (резервируемого комплекта). Оперативным и телеметрическим контролем должны быть охвачены все активные составные части АФС.
• работоспособность блоков и АФС в целом оценивается:
- ВИП - по выполнению команд включения/выключения, наличию и величине выходного напряжения (ТЛм);
- процессор - по выполнению процедур (протоколов) взаимодействия с КА, результатам самотестирования (ОК, ТЛм);
- АФС - по наличию и величине выходной СВЧ мощности, по наличию и величине входного СВЧ сигнала (ОК, ТЛм);
• условная вероятность необнаруженного отказа АФС (и ее составных частей) в процессе эксплуатации должна быть не более 10-6.
• условная вероятность ложного отказа АФС (и ее составных частей) в процессе эксплуатации должна быть не более 10-4.
• во всех разъемных соединениях для обеспечения контроля подключения разъемов должны быть предусмотрены цепи «Стыковка».
Список литературы:
1. разработка проектного облика космического аппарата спутниковой системы связи. Научно -технический отчёт. Шифр «мКА-Связь». - м. : НПО им. Лавочкина, 2014. - 371 с.
2. Литвинов А. В. и др. Конверсия радиочастотного спектра. Вопросы технического регулирования / Литвинов А. В., Байгутлина И. А., Замятин А. Ю., Лядова Е. Ф. - м. : ООО «Сам полиграфист», 2019. -124 с.
3. Литвинов А. В. и др. Конверсия радиочастотного спектра. Вопросы электромагнитной совместимости / Литвинов А. В., Зайковский А. В., Замятин А. Ю., Лядова Е. Ф., Яковлев К. В. - М. : ООО «Сам полиграфист», 2019. - 48 с.
References:
1. Development of the design of the spacecraft satellite communications system. Scientific and technical report. The code is "MKA-Svyaz". - M.: SPO named by Lavochkin, 2014. - 371 p.
2. Litvinov A. V. et al. Conversion of the radio frequency spectrum. Issues of technical regulation / Litvinov A. V., Baygutlina I. A., Zamyatin A. Yu., Lyadova E. F. - M.: Sam Polygraphist Ltd, 2019. - 124 p.
3. Litvinov A. V. et al. Conversion of the radio frequency spectrum. Questions of electromagnetic compatibility / Litvinov A. V., Zaykovsky A. V., Zamyatin A. Yu., Lyadova E. F., Yakovlev K. V. - M.: Sam Polygraphist Ltd, 2019. - 48 p.
Список использованных сокращений:
АФС - антенно-фидерная система
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
БРТК - бортовой ретрансляционный комплекс
ВИП - вторичный источник питания
ГВЗ - групповое время задержки
ГЧ - габаритный чертеж
ДН - диаграмма направленности
ЕРПЗ - естественные радиационные пояса Земли
ИИ - ионизирующее излучение
КА - космический аппарат
КНД - коэффициент направленного действия
КПД - коэффициент полезного действия
КУ - коэффициент усиления
КЭ - коэффициент эллиптичности
ОК - оперативный контроль
РЭС - радиоэлектронные системы
СВЧ - сверхвысокая частота
СП - специальная приемка
ТК - технический контроль
ТЛМ - телеметрия
УБЛ - уровень боковых лепестков
ЭМС - электромагнитная совместимость
ЭРИ - электрорадиоизделие
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЛУЧЕЙ БОРТОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ ЛА И КА
Лядова Елена Федоровна
Главный специалист по качеству-верификатор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1
Крылова Ольга Сергеевна Аналитик НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» Рыбка Илья Викторович Начальник конкурсного отдела АО «НПК «ВТиСС»
Аннотация. В статье рассматривается моделирование алгоритма адаптивного формирования лучей диаграммы направленности бортовой антенной решётки летательных и космических аппаратов.
Abstract. This article discusses the modeling of the adaptive beamforming algorithm for the onboard antenna array of aircraft and spacecraft.
Ключевые слова: антенно-фидерная система, антенная решётка, летательный аппарат, космический аппарат.
Keywords: antenna-feeder system, antenna array, aircraft, spacecraft.
Выполнение исследования осуществлялось в рамках работ:
• проектирование бортовой активной фазированной антенной решётки для спутниковой системы связи диапазона ^ на низкой круговой орбите [1, а 56-61];
• оценка вариантов создания фазированных антенных решёток системы связи и радиотехнического мониторинга для беспилотных летательных аппаратов [2, а 67-70].
