Радиотехнический информационно-управляющий комплекс системы низкоорбитальных малых космических аппаратов наблюдения

В зависимости от характера извлечения угловой информации о цели из принимаемых  сигналов различают три основных способа определения координат  в моноимпульсных системах: амплитудный, фазовый и комплексный.

В моноимпульсных системах с амплитудной  пеленгацией для определения  угловой координаты в одной плоскости  формируются две перекрещивающиеся  диаграммы направленности антенны, разнесенные на углы  от равносигнального направления (рис. 4.1). Когда цель отклоняется на угол от равносигнального направления (например, цель находится в точке А), сигнал, принятый антенной, имеющей нижнюю диаграмму направленности, больше сигнала, принятого антенной, имеющей верхнюю диаграмму направленности. Разность амплитуд принятых сигналов определяет угол отклонения цели от равносигнального направления. Знак этой разности характеризует направление смещения равносигнального направления относительно цели. Когда равносигнальное направление совмещается с целью, амплитуды отраженных сигналов, принятых по обеим диаграммам, равны, а их разность обращается в нуль.

Рис 4.1 – Взаимное расположение диаграмм направленности антенн двух каналов в моноимпульсной радиолокационной станции при амплитудном методе пеленгации цели. РСН - равносигнальное направление, А - направление на цель

В моноимпульсных системах с фазовой  пеленгацией направление на цель в одной координатной плоскости  определяется сравнением фаз сигналов, принимаемых двумя антеннами. В  дальней зоне каждая антенна облучает практически один и тот же объем  пространства, в результате чего исходящие  от точечной цели отраженные сигналы  близки по амплитуде, но различаются  по фазе. На рис. 4.2 показано, как происходит сравнение по фазе в моноимпульсной системе, имеющей две антенны, отстоящие одна от другой на расстояние .

Рис. 4.2 – Взаимное расположение диаграмм направленности антенн двух каналов в моноимпульсной радиолокационной станции при фазовом методе пеленгации цели. РСН - равносигнальное направление

Линия визирования цели образует угол  с осью, перпендикулярной к линии, соединяющей обе антенны, т. е. с  равносигнальным направлением. Расстояние между антенной 1 и целью составляет

а расстояние между антенной 2 и  целью

Поэтому разность расстояний от цели до антенн оказывается равной

что дает разность фаз принимаемых  сигналов

где - длина волны.

Таким образом, имеется возможность  определить угол прихода q по измеренной величине фазовых сдвигов отраженных от цели сигналов, принимаемых на две разнесенные антенны.

Следует отметить, что фазовый сдвиг  сигналов обращается в нуль не только при , но также и при других углах рассогласования, соответствующих условию

где - любое целое число. В результате пеленгационная характеристика получается знакопеременной и имеет наряду с основным направлением много ложных равносигнальных направлений.

Существуют также моноимпульсные системы, в которых используется амплитудно-фазовый (комплексный) метод  пеленгования. В таких системах угловые  координаты определяются сравнением, как амплитуд, так и фаз сигналов, принимаемых двумя антеннами (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3 – Взаимное расположение диаграмм направленности антенн двух каналов в моноимпульсной радиолокационной станции при комплексном методе пеленгации цели. РСН - равносигнальное направление

В современных НС КИС система моноимпульса конструктивно выполнена в одном параболоиде. Моноимпульсные системы угловых измерений подразделяются на амплитудные и фазовые. Оба вида пеленгаторов имеют угловой датчик с двумя каналами в одной плоскости, выходные сигналы которых различаются по амплитуде и фазе:

 

где - диаграммы направленности антенны по двум каналам.

В амплитудных системах различие сигналов по амплитуде достигается смещением  двух одинаковых симметричных диаграмм направленности G(u) на угол ε в обе стороны от равносигнального направления. В фазовых системах различие сигналов обусловлено линейным разносом фазовых центров на расстояние b. Облучатели фазовых пеленгаторов располагаются в фокусе параболоида.

Результирующие диаграммы направленности пеленгаторов соответственно принимают  вид:

амплитудных:

 

фазовых:

 

где - длина волны.

В пеленгационных системах можно образовать два типа дискриминационных характеристик: мультипликативную (логарифмическая система) и аддитивную (суммарно-разностная система). В мультипликативных пеленгаторах за основу берется отношение двух сравниваемых сигналов, в аддитивных - разность.

В мультипликативной (логарифмической) системе отношение сигналов

 

удовлетворяет условию нормировки, при котором дискриминационная  характеристика является функцией только угловой координаты и не зависит  от интенсивности принимаемого сигнала U₀, но не удовлетворяет требованию симметрии, при котором абсолютное значение функции характеризует величину, а знак - сторону отклонения КА от РСН. Однако логарифм отношения

 

удовлетворяет обоим требованиям.

Для амплитудной моноимпульсной системы  мультипликативная дискриминационная  характеристика определяется выражением [5, с. 256]:

 

В случае фазовой системы:

 

Эта функция удовлетворяет условиям нормировки и симметрии, но не удовлетворяет  условию фазирования - она является мнимой. При умножении этой функции на -j, что соответствует повороту фазы на , дискриминационная характеристика фазового пеленгатора принимает вид:

 

Различие коэффициентов усиления каналов в амплитудных системах и фазовых характеристик в  фазовых системах приводит к смещению фиксируемого РСН относительно истинного. Однако выравнивание фазовых характеристик  каналов является более простой  задачей, чем создание приемников с  идентичными логарифмическими характеристиками и стабильными коэффициентами усиления. Вследствие этого фазовые мультипликативные  системы проще и надежнее в  работе, чем амплитудные.

Общим недостатком мультипликативных  пеленгаторов является наличие флюктуации РСН, а также необходимость удвоения аппаратуры при пеленгации в двух плоскостях.

В аддитивной (суммарно-разностной) системе  разность сигналов

 

удовлетворяет требованию симметрии, но не удовлетворяет условию нормировки, так как содержит неизвестный  множитель U₀. Отношение

 

удовлетворяет условию нормировки и может быть принято в качестве дискриминационной характеристики.

Дискриминационная характеристика аддитивного  амплитудного пеленгатора имеет  вид [6, с. 200]:

 

У фазовой системы:

 

Эта функция является мнимой функцией угла. При умножении этой функции  на -j, что соответствует повороту фазы на , дискриминационная характеристика аддитивного фазового пеленгатора определяется выражением:

 

Таким образом, для всех фазовых  систем характерно наличие фазовращателя на в одном из каналов.

Сумму и разность высокочастотных  сигналов реализуют суммарно-разностные волноводные мосты (кольцевые или  типа «двойной тройник»).

Недостатком фазовых пеленгаторов является необходимость использования  нескольких сочлененных параболоидов. У антенны амплитудного пеленгатора  возникают трудности размещения 4-х облучателей с разносом, который  меньше широкой стороны стандартного волновода.

Аддитивные моноимпульсные системы  отличаются от мультипликативных меньшим  объемом аппаратуры (при пеленгации в двух плоскостях - два или три  приемных канала вместо четырех). Основным достоинством аддитивных пеленгаторов по сравнению с мультипликативными является независимость фиксируемого равносигнального направления от характеристик приемных каналов, поскольку вычитание сравниваемых сигналов производится непосредственно на выходе антенны.

Благодаря отмеченным преимуществам  аддитивные (суммарно-разностные) моноимпульсные пеленгаторы получили наибольшее распространение.

В системе моноимпульсного сопровождения  антенной системы КИС «KazSat-M» величина угловой ошибки – функциональная характеристика облучателя "разностная диаграмма направленности".

Облучатель  с функцией моноимпульсного сопровождения  использует метод TE21 (рис. 4.4), при котором в волновод в канале слежения подмешивается ошибочная комбинация сигналов. Этот волновод вносит ошибку в амплитуду выходного сигнала пропорционально величине угла между направлением принятого сигнала и линией визирования антенны. Фаза разностного сигнала (сигнала ошибки) меняется относительно фазы основного сигнала (сигнала суммы) пропорционально изменению угла направления принятого сигнала при изменении положения облучателя. Например, когда во время фазирования сигнал ошибки и сигнал суммы совпадают по фазе, определяется ошибка по азимуту вправо, сдвиг по фазе сигнала ошибки на 180 градусов относительно сигнала суммы определяет ошибку по азимуту влево. При том же самом фазировании, сдвиг сигнала ошибки на 90 градусов относительно сигнала суммы определяет ошибку по углу места вверх, а на 270 градусов - по углу места вниз.

 

 

Рис. 4.4 – Блок-схема канала моноимпульсного сопровождения

            Если сигнал ошибки сдвигать по фазе и совмещать с сигналом суммы, то пик композиции сигналов смещается в направлении от линии визирования антенны, где сигнал ошибки и сигнал суммы совпадали по фазе. Это направление влияет на фазовращатель. Вместе с фазовращателем, управляющим сдвигом фазы в 0, направление перемещения пика определяет чистый фазовый сдвиг между сигналами из тракта канала суммы и тракта канала ошибки. Полученный фазовый сдвиг используется как справочная фаза.

Для моноимпульсного сопровождения, использующего эту справочную фазу, цифровой приемник слежения (ЦПС) будет  управлять фазовращателем через повторные циклы 0, 90, 180, и 270 (и назад к 0) градусов. Это действие синхронно модулирует растровое изображение на плоскости (плоскости, перпендикулярной линии визирования антенны). Величина перпендикуляра определяется суммой и разностью диаграмм направленности и коэффициентом усиления канала ошибки и канала суммы. Ориентация диаграммы направленности относительно линии визирования во время вращения фазы определяется справочной фазой, описанной выше.

Можно сказать, что справочная фаза устанавливает вращение  растрового изображения вокруг линии визирования, т.е. данная фаза отсчета переместит положение луча выходного сигнала  из 0 градусов в 37.5 градусов против часовой  стрелки от горизонтали. Изменение  фазы на 100 градусов переместит луч  на 137.5 градусов против часовой стрелки  или на 62.5 градуса по часовой стрелке  от горизонтали. Соответственно, коррекция  для справочной  фазы - просто поворот  системы координат, который зависит  от пользовательской  конфигурации и от частоты сигнала слежения.

Процедура автоматической калибровки необходима, чтобы определить величину коррекции справочной фазы и эффективного размера растрового изображения  для каждой конфигурации. Результаты калибровки сохраняются в базе данных ЦПС, где они будут использоваться как эталонные.

Фазовращатель будет вносить потери, которые зависят от сдвига фазы и частоты сигнала слежения. Эти потери, если не скомпенсированы, являются причиной неравномерности растрового изображения. Соответственно, запускается полуавтоматическая процедура калибровки направленная измерить необходимые исправления для этих колебаний и сохранить их в базе данных ЦПС. Синхронная демодуляция изменений уровня сигнала выполняется в ЦПС. Этот процесс демодуляции не только обеспечивает необходимые два ортогональных ошибочных сигнала, он также выполняет эффективное фильтрование. Процесс демодуляции выполняется программно после внесения исправлений в коэффициент усиления канала ошибки и канала суммы и учета величины потерь от фазовращателя. После демодуляции выполняется поворот координат для справочной  фазы и вычисляется угол азимута и угла места по сигналу ошибки. Результаты передаются в контроллер управления антенной для коррекции положения по азимуту и углу места.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА  И КОНСТРУКЦИЯ ЦПС МОНОИМПУЛЬСНОЙ  СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ, ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ  ПАРАМЕТРОВ

 

 Цифровой приемник слежения (ЦПС) предназначен для формирования величины и направления отклонения сигнала наведения от оси направления на космический аппарат (КА).

Используется в моноимпульсных системах наведения антенн.

В состав ЦПС входят: блок обработки сигналов (БОС) и аппаратура, обеспечивающая подачу СВЧ сигналов от облучателей моноимпульсной системы наведения в блок БОС (малошумящие преобразователи частоты - LNB, соединительные СВЧ кабели).

Структурная схема цифрового приемника  слежения (ЦПС) приведена на       рисунке 5.1.

Рис. 5.1 – Структурная схема цифрового приемника слежения

Конструкция ЦПС  моноимпульсной системы наведения представлена на рисунке 5.2.

 

Рис. 5.2 – Конструкция ЦПС моноимпульсной системы наведения

Принципиальная схема ЦПС моноимпульсной системы наведения представлена на рисунке 5.3.

Рис.5.3 – Принципиальная схема ЦПС моноимпульсной системы наведения