CC BY
483) алгоритм MVDR имеет большую вычислительную сложность и обеспечивает угловое разрешение около ±1 градуса как в центре, так и на краях диаграммы направленности. Можно рекомендовать использование этого алгоритма в прототипе системы связи;
4) моделирование показало, что оба алгоритма обеспечивают надежное определение направления сигнала при ухудшении отношения сигнал/шум до 10 дБ.
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. Кочкаров А. А. и др. Оценка непрерывности информационного взаимодействия и доведения информации в системах мониторинга с динамической структурой / Кочкаров А. А., Тимошенко А. В., Литвинов А. В., Лядова Е. Ф., Гайчук Ю. Н. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2019. -№ 8. - С. 66-71.
3. Плотников П. Моделирование антенны. Отчёт о НИР. - М.: Huawei, 2014. - 65 c.
References:
1. Development of the design of the spacecraft satellite communications system. Scientific and technical report. "MKA-Svyaz" code. - M.: SPO named by Lavochkin, 2014. - 371 p.
2. Kochkarov A.A. et al. Assessment of the continuity of information interaction and communication in monitoring systems with a dynamic structure / Kochkarov A. A., Timoshenko A. V., Litvinov A. V., Lyadova E. F., Gaychuk Yu. N. // Electromagnetic waves and electronic systems. - 2019. - No. 8. - P. 66-71.
3. Plotnikov P. Modeling of the antenna. Report on research. - M .: Huawei, 2014. - 65 p.
ВЛИЯНИЕ ИСКАЖЕНИЙ НА ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ БОРТОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ ЛА И КА
Давыдов Александр Борисович
Заместитель главного конструктора НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1 Кузина Татьяна Александровна Инженер НТЦ-7 АО «НПК «ВТиСС» Яковлев Константин Владимирович Начальник отдела РЭЗ НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Аннотация. В статье рассматривается влияние искажений на диаграммы направленности бортовой антенной решетки летательных и космических аппаратов.
Abstract. This article discusses the effect of distortion on the directional patterns of an onboard antenna array of aircraft and spacecraft.
Ключевые слова: антенно-фидерная система, диаграмма направленности, летательный аппарат, космический аппарат.
Keywords: antenna-feeder system, radiation pattern, aircraft, spacecraft.
Современные требования к системам связи и радиотехнического мониторинга воздушного и космического базирования определяют вектор развития перспективных антенных систем [1 с. 67-70]. Безусловный приоритет с точки зрения функциональности отдаётся использованию фазированных антенных решёток. Хотя, с точки зрения совокупной стоимости владения, подобные решения не всегда являются оптимальными по стоимостным показателям на отдельных этапах жизненного цикла [2, с. 30-35, 3, с. 148-153, 4, с. 59-68, 5, с. 216-226, 6, с. 227-237].
Существенного улучшения показателей цена/функциональность применительно к бортовым антенным решёткам ЛА и КА можно достичь путём совершенствования алгоритмов обработки, в том числе, за счёт учёта и компенсации влияния искажений на диаграмму направленности антенны.
Модули обработки сигнала рассматриваемых систем имеют конечную точность вычислений. Это касается как аналоговых блоков, которые будут вносить линейные и нелинейные искажения в сигнал, так и цифровых блоков, которые выполняют вычисления в конечной разрядности и добавляют шумы квантования.
При проектировании антенной решетки и алгоритма процессора с тысячами лучей необходимо оценить чувствительность диаграммы направленности передатчика к возможным искажениям. Есть существенный риск, что наличие искажений способно ухудшить диаграмму направленности решетки и снизить уровень подавления интерференций, особенно от соседних лучей.
Прямое моделирование цифро-аналоговой системы, состоящей из цифровых блоков, аналоговых трактов и антенны, достаточно затруднительно, поэтому предлагается следующий косвенный подход:
1) внесение случайных искажений в вектор коэффициентов ЬеатЕогт^, мощность искажений задается отношением сигнал/шум для вектора коэффициентов;
2) построение диаграммы направленности решетки с искаженными коэффициентами, сравнение ее с исходной диаграммой, построенной по неискаженным коэффициентам;
3) выполнение нескольких итераций п. 1 и 2 и накопление статистики (метод Монте-Карло).
В реальной системе на входе выполняется перемножение модулированного сигнала на OFDM поднесущей и коэффициента beamforming, поэтому внесение ошибки в этот коэффициент в первом приближении может быть принято как искажение сигнала.
Основные параметры моделирования для моделирования соответствуют [3, стр. 15-17]:
• единичный излучатель: двухмодовый волноводный излучатель, данные для построения диаграммы направленности импортированы из HFSS и преобразованы из системы координат phi-pheta в систему azimuth-elevation;
• решетка: квадратная 32*32 элемента, с равномерной сеткой, расстояние между излучателями равняется половине длины волны;
• параметры сигнала: частота несущей 10 ГГц, полоса сигнала 20 МГц;
• алгоритм формирования луча: подполосная обработка на основе фазового сдвига (subband phase shift beamforming), разделение сигнала на 64 полосы (схема, эквивалентная сдвигу фаз перед FFT в передатчике и после FFT в приемнике);
• значения сигнал/шум для коэффициентов (SNR): 0..20 дБ;
• количество итераций моделирования: 100;
• параметры тестового луча: азимут 30°, возвышение 10°.
Исходная диаграмма направленности антенной решетки с beamforming (для неискаженных коэффициентов) показана на рисунке 1.
Действительная (слева) и мнимая (справа) части коэффициентов beamforming (фрагмент, показана только часть коэффициентов) представлена на рисунках 2-5.
Семейство графиков диаграмм направленности антенны (для 100 итераций моделирования) представлено на рисунках 6 и 7.
Сравнение исходной диаграммы направленности (reference - синий) с усредненной искаженной (average - красный) и максимальной искаженной (max hold - зеленый) показано на рисунках 8 и 9.
Усредненные (average) искаженные диаграммы направленности антенны показаны на рисунках 10 и
11.
Максимальные (max hold) искаженные диаграммы направленности антенны представлены на рисунках 12 и 13.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 azimuth, degree
0 -50 -100 ■ -150
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 elevation, degree
Рисунок 1. Исходная диаграмма направленности антенной решетки с beamforming
50
20
0
-20
-40
-60
-200
-80
-250
-100
-300
-120
120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
SO 100 110 120 130 140 150 160 170
Рисунок 2. SNR = 0 дБ
-1 --1.5 -
100 120 140 160 180 200 220
Рисунок 3. SNR = 5 дБ
120 140 160 180 200 220 240
200 220 240 260 280 300 320 340
Рисунок 4. SNR = 10 дБ
x 10
x 10
150
200
250
300
X 10
Рисунок 5. SNR = 20 дБ
Рисунок 6. SNR = 0 дБ и SNR = 5 дБ
Рисунок 7. SNR = 10 дБ и SNR = 20 дБ
Рисунок 8. БЫК = 0 дБ и БЫК = 5 дБ
Рисунок 9. БЫК = 10 дБ и БЫК = 20 дБ
Рисунок 10. БЫК = 0 дБ и БЫК = 5 дБ
Рисунок 11. БЫК = 10 дБ и БЫК = 20 дБ
Рисунок 12. SNR = 0 дБ и SNR = 5 дБ
Рисунок 13. SNR = 10 дБ и SNR = 20 дБ
На основе проведенного моделирования можно сделать следующие предварительные выводы:
1) форма луча антенны остается практически неизменной при искажении коэффициентов. По всей видимости, это является следствием большого числа элементов в антенной решетке (32*32 = 1024);
2) уровень боковых лепестков антенны обладает хорошей чувствительностью к точности коэффициентов, даже при отношении сигнал/шум 0 дБ, средний уровень боковых лепестков менее -45 дБ, а максимальный - менее -30 дБ;
3) можно предположить, что закладываемая в FPGA точность коэффициентов в 15 бит является излишней, и в дальнейшем может быть существенно уменьшена (как минимум до 8 бит). Это упрощает реализацию комплексных умножителей в 4 раза;
4) можно ожидать, что уровня линейных искажений аналоговых трактов в -15..-20 дБ должно быть достаточно для обеспечения уровня боковых лепестков менее -40 дБ. Это утверждение требуется проверять дальнейшим моделированием.
Список литературы:
1. Кочкаров А. А. и др. Оценка непрерывности информационного взаимодействия и доведения информации в системах мониторинга с динамической структурой / Кочкаров А. А., Тимошенко А. В., Литвинов А. В., Лядова Е. Ф., Гайчук Ю. Н. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2019. -№ 8. - С. 66-71.
2. Лядова Е. Ф. Создание многопараметрической модели совокупной стоимости владения (ТСО) изделиями радиоэлектронной промышленности и IT // Сборник материалов международных научно-практических конференций. - М. : Центр научного развития «Большая книга», 2019. - С. 30-35
3. Лядова Е. Ф. Методика оптимизации технико-экономических показателей при эволюционной модернизации систем связи и передачи данных // Высокие технологии и инновации в науке: сборник избранных статей Международной научной конференции (Санкт-Петербург, Сентябрь 2019). - СПб.: ГНИИ «Нацразвитие», 2019. - С. 148-153.
4. Лядова Е. Ф., Волков А. Н. Моделирование ресурсных потребностей эволюционного развития и гибкой реконфигурации специализированной системы связи и передачи данных // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Развитие инфокоммуникационных технологий. Теория и практика» (г. Бургас, Болгария, 5 декабря 2019 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2019. - С. 59-68.
5. Лядова Е. Ф., Крылова О. С. Средства аналитики и гибкой визуализации состояния, событий и процессов эксплуатации специализированных систем связи и передачи данных // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Развитие инфокоммуникационных технологий. Теория и практика» (г. Бургас, Болгария, 5 декабря 2019 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2019. - С. 216-226.
6. Лядова Е. Ф. Философия эволюционного развития специализированной системы связи и передачи данных в условиях глобальных угроз // Славянский форум: Материалы международной научно-практической конференции «Развитие инфокоммуникационных технологий. Теория и практика» (г. Бургас, Болгария, 5 декабря 2019 года). - Бургас: ИГНЭИТ, 2019. - С. 227-237.
7. Плотников П. Моделирование антенны. Отчёт о НИР. - М.: Huawei, 2014. - 65 c.
References:
1. Kochkarov A. A. et al. Assessment of the continuity of information interaction and communication in monitoring systems with a dynamic structure / Kochkarov A. A., Timoshenko A. V., Litvinov A. V., Lyadova E. F., Gaychuk Yu N. // Electromagnetic waves and electronic systems. - 2019. - No. 8. - P. 66-71.
2. Lyadova E. F. Creation of a multi-parameter model of the total cost of ownership (TCO) of products of the electronic industry and IT // Proceedings of international scientific and practical conferences. - M.: Center for Scientific Development "Big Book", 2019. - P. 30-35
3. Lyadova E. F. Technique for optimizing technical and economic indicators in the evolutionary modernization of communication and data transfer systems // High Technologies and Innovations in Science: a collection of selected articles of the International Scientific Conference (St. Petersburg, September 2019). - SPb.: GNII "National Development", 2019. - P. 148-153.
4. Lyadova E. F., Volkov A. N. Modeling of resource needs of evolutionary development and flexible reconfiguration of a specialized communication and data transmission system // 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. 59-68.
5. Lyadova E. F., Krylova O. S. Means of analytics and flexible visualization of the state, events and processes of operation for 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.
6. Lyadova E. F. The philosophy of evolutionary development of a specialized communication and data transmission system under global threats // 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. 227-237.
7. Plotnikov P. Modeling of the antenna. Report on research. - M .: Huawei, 2014. - 65 p.
МОДЕЛИРОВАНИЕ БОРТОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ ЛА И КА С ВОЛНОВОДНЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ И ФОРМИРОВАНИЕМ ЛУЧЕЙ
Дыбля Александр Юрьевич
Конструктор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1 Самойлов Василий Валентинович Ведущий специалист НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» Непочатов Антон Юрьевич Ведущий специалист НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Аннотация. В статье рассматривается моделирование бортовой антенной решётки летательных и космических аппаратов с волноводным излучателем и формированием лучей.
Abstract. This article discusses the modeling of the onboard antenna array of aircraft and spacecraft with a waveguide emitter and beam formation.
Ключевые слова: антенная решетка, летательный аппарат, космический аппарат, косинусный излучатель, излучатель.
Keywords: antenna array, aircraft, spacecraft, cosine emitter, emitter.
Целью работы является начальное моделирование фазированной антенной решётки для систем связи, радио- и радиотехнического мониторинга наземного и космического базирования [1, с. 67-70].
Помимо оценки возможных технических характеристик решётки, одной из задач моделирования является определение мероприятий по обеспечению требований электромагнитной совместимости [2, с. 328-338, 3, с. 1-124, 4, с. 1-48, 5, с. 1-119]. Рассмотрение вопросов развёртывании и эксплуатации новых воздушных и космических комплексов с антенными решётками выполняется с позиций системно-кибернетического подхода [6, с. 361-374, 7, с. 372-382].
