Оптимизация структуры бортового антенного комплекса системы передачи

телеметрической информации от объекта ракетно-космической техники

через геостационарную космическую систему ретрансляции

В.В. Чернов,
асп., 7_nomad_7@mail.ru,
ИТМиВТ им. С. А. Лебедева, ОАО «НТПП «КРТ», г. Москва

Целью данной работы является исследование особенностей математической модели системы передачи телеметрической информации (ТМИ) через геостационарную космическую систему ретрансляции от движущихся объектов ракетно-космической техники (ОРКТ); выявление основных параметров, необходимых при расчете радиоканала ОРКТ-СР; обоснование комплексного критерия и постановка задачи оптимизации структуры бортового антенного комплекса системы передачи телеметрической информации в связанной системе координат ОРКТ.

В работе предложена математическая модель, формулировка и пример решения задачи оптимизации структуры антенного комплекса передачи ТМИ по критерию минимума количества антенн, необходимых для обеспечения непрерывного радиоканала в заданные интервалы времени и, при наличии нескольких решений, оптимизацией ориентации этих антенн – максимума суммарной длительности сеансов связи ОРКТ-СР, что позволяет на этапе конструирования снизить количество антенн и приводит к снижению массы, габаритов и энергопотребления бортового антенного комплекса и более эффективному его применению.

The aim of this work is investigation of the mathematical model on the transmission of telemetry information (TMI) via geostationary space system relay from moving objects rocket and space technology (ARCT); identification of the main parameters required in the calculation of radio channel of ARCT-MS; justification of integrated criterion and statement of the problem the optimization of the structure of complex airborne antenna system, transmission of telemetric information in the associated coordinate system of ARCT.

In work the mathematical model formulation and example solving the problem of optimization of the structure of the antenna complex of the TMI transfer on the criterion of minimum number of antennas required to ensure continuous air at given intervals and, if there are multiple solutions, the optimization of the orientation of these antennas – the maximum total duration of communication sessions of ARCT-MS, which allows the design stage to reduce the number of antennas and reduces the weight, size and power consumption onboard antenna complex and its more effective use.

При выведении космического аппарата на орбиту не всегда возможно своевременно получать информацию от объекта в условиях отсутствия наземных измерительных пунктов в зоне видимости на требуемых интервалах программы полета. Решением является передача телеметрической информации (ТМИ) через спутники-ретрансляторы (например, МКСР «Луч» и TDRSS). Для больших скоростей передачи информации применяются антенны с малым углом раскрыва диаграммы направленности (ДН) [1, 2].

Сложность математического описания элементов такого сложного динамического объекта (СДО), как объект ракетно-космической техники (ОРКТ), нестационарность и нелинейность процессов, протекающих в них, случайный характер возмущений, действующих на СДО, обусловливают большую сложность задачи и не позволяют решить ее аналитически, создать строгий в математическом плане метод оптимального синтеза СДО. В связи с этим информационно-математическое и программное обеспечение оптимизации бортового антенного комплекса необходимо использовать в автоматизированной системе отработки качества СДО для достижения требуемых ТТХ как для системы передачи ТМИ, так и для СДО в целом [3, 4].

Наличие радиоканала ОРКТ-СР в момент времени определяется условиями прямой геометрической видимости и обеспечения качества радиоканала:

1) ось оптической видимости ОРКТ-СР должна находиться в пределах раскрыва передающей антенны ОРКТ;

2) ось оптической видимости ОРКТ-СР должна находиться в пределах раскрыва приемной антенны СР;

3) ось оптической видимости ОРКТ-СР не должна пересекать земную поверхность;

4) угол между осью оптической видимости ОРКТ-СР и направлением на Солнце должен быть больше некоторого порогового значения, во избежание возникновения дополнительных помех от солнечного излучения;

5) отношение сигнал/шум на входе приемника СР должно быть больше пороговой величины, для обеспечения требуемой скорости передачи данных.

Геометрический смысл условия принадлежности оси оптической видимости диаграмме направленности передающей антенны заключается в том, что угол между вектором ОРКТ-СР и вектором максимума ДН передающей антенны должен быть меньше угла раскрыва главного лепестка ДН. Учитывая, что угол рассматривается на интервале , данное условие имеет вид

, (2)

где – вектор максимума ДН передающей антенны, - пространственное положение СР, –пространственное положение ОРКТ.

Геометрический смысл условия принадлежности оси оптической видимости диаграмме направленности приемной антенны заключается в том, что угол между вектором ОРКТ-СР и вектором максимума ДН приемной антенны должен быть меньше угла раскрыва главного лепестка ДН. Учитывая, что угол рассматривается на интервале , данное условие имеет вид

, (4)

где , – вектор максимума ДН приемной антенны.

Условие непересечения оси оптической видимости с земной поверхностью обеспечивает возможность прямой оптической видимости СР и ОРКТ. Его геометрический смысл заключается в том, что кратчайшее расстояние от отрезка ОРКТ-СР до поверхности Земли должно быть более некоторой пороговой величины, учитывающей ослабление радиосигнала в атмосфере.

, (5)

где – средний радиус Земли, – пороговая величина.

Кратчайшее расстояние от центра Земли до отрезка ОРКТ-СР определяется по формулам:

(6)

где

– формула Герона, для определения площади треугольника,

– полупериметр треугольника.

Условие несовпадения направления радиопередачи с направлением на Солнце учитывает возникновение возможных помех при направлении радиопередачи, совпадающим с направлением на Солнце. Его геометрический смысл заключается в том, что угол между вектором ОРКТ-СР и вектором направления на Солнце должен быть больше минимального угла , при котором возникают сильные помехи от солнечного излучения. Учитывая, что угол рассматривается только на интервале , данное условие имеет вид

(8)

где – вектор направления на Солнце.

Условие обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на входе приемника СР учитывает требуемую мощность сигнала на входе приемника. Обобщенная схема радиоканала включает радиопередатчик, передающую антенну, приемную антенну, среду распространения [5].

Основные энергетические параметры радиоканала взаимосвязаны уравнением радиопередачи

, (9)

где – мощность передатчика, отнесенная к одному каналу; , – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн; – коэффициент потерь в свободном пространстве; ,,,, – коэффициент ослабления мощности сигнала в фидерном тракте передающей антенны, в фидерном тракте приемной антенны, обусловленный влиянием атмосферы, обусловленный неточностью наведения антенны ретранслятора, обусловленный рассогласованием поляризаций принимаемого сигнала и антенны; – мощность принимаемого сигнала, отнесенная к одному каналу [7].

Поскольку коэффициенты дополнительных потерь в радиоканале много меньше коэффициента потерь в свободном пространстве, то при проведении энергетического расчета допустимо полагать атмосферу однородной и идеальной, а влияние поляризационных потерь постоянным.

Коэффициент потерь в свободном пространстве учитывает рассеивание электромагнитной энергии в пространстве при изотропном распространении радиоволн и определяется по формуле [6]

.

Энергетический потенциал радиолинии характеризуется отношением мощности сигнала к спектральной плотности входе приемника

,

где , – постоянная Больцмана; – шумовая температура приемного устройства по шкале Кельвина.

Для обеспечения требуемой скорости передачи информации необходимо обеспечение следующего отношения сигнал/шум на входе приемника

.

Таким образом, условие обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на входе приемника СР определяется из неравенства

, (10)

где – требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника [7].

При наличии антенн в антенном комплексе и передачи ТМИ через ГКСР, состоящую из спутников-ретрансляторов, суммарная длительность сеансов связи на интервале будет определятся по формуле

, (13)

где – конъюнкция функций для всех антенн от 1 до и всех спутников-ретрансляторов от 1 до , т.к. не важно через какой именно спутник-ретранслятор осуществляется передача ТМИ.

При оптимизации положения передающих антенн на ОРКТ, т.е. определения оптимального направления максимумов ДН , значения функций не зависят от , поэтому их можно вынести из выражения (13) и представить в виде ограничений.

В качестве модели ОРКТ принимается цилиндр, т.к. он является наиболее простой формой описания габаритов ОРКТ. Составляющие ветора направления максимума ДН антенны рассчитываются через углы ориентации в связанной системе кординат ОРКТ (рис. 1) по выраженям

, , .

Рис. 1 Схема определения максимума ДН направленности

Так как при передаче ТМИ с ОРКТ своевременное установление радиоканала особенно актуально на этапах проведения различных маневров, то задача оптимизации состоит не только и не столько в обеспечении максимальной длительности связи, сколько в обеспечении непрерывных сеансов связи на особо важных (заданных) участках программы полета (рис. 2).

Для уменьшения сложности и вычислительной погрешности решения этой задачи и соответствующего повышения их точности предлагается исходные данные представлять в связанной системе координат ОРКТ, учитывая ограничения по месту установки антенны, так как в этом случае не нужно учитывать положение ОРКТ , (в центре масс ОРКТ находится начало отсчета), а (не зависят от времени ).

С учётом принятой системы координат, задача оптимизации формулируется следующим образом

, обеспечивающее максимум суммарной длительности сеансов связи

, (19)

где – множество возможных векторов ,

,

при ограничениях

, (20)

,

,

,

условии

(21)

и уравнениях связи

, ,

, , ,

,

,

где - интервалы проведения маневров.

Рис. 2 График зависимости суммарного времени передачи ТМИ от РБ «Бриз-М»

в зависимости от углов размещения передающей антенны:

а) на интервале [590; 12000] сек от КП , б) на интервале [1900; 2882] сек от КП,

в) на интервале [590; 12000] сек от КП при условии непрерывности на интервале [1900; 2882] сек от КП

Преимуществом постановки задачи в связанной системе координат ОРКТ так же является возможность наложения ограничений по углам затенения на корпусе ОРКТ и запрещенных зон размещения передающих антенн.

При последовательном решении задачи оптимизации (19) с увеличением количества передающих антенн в антенном комплексе передачи ТМИ, можно найти минимальное количество антенн, для которых выполняется условие (21). Данное решение будет наилучшим в рамках обеспечения непрерывной передачи данных ОРКТ-СР на заданных интервалах программы полета.

Для уменьшения времени решения задачи оптимизации (19) средствами вычислительной техники целесообразно рассчитать значения ограничений (20) на этапе преобразования исходных данных. Это позволит уменьшить время решения задачи оптимизации и проверить существования решения с учетом ограничения (21).

Таким образом, в работе предложена математическая модель, формулировка и пример решения задачи оптимизации структуры антенного комплекса передачи ТМИ по критерию минимума количества антенн, необходимых для обеспечения непрерывного радиоканала в заданные интервалы времени и, при наличии нескольких решений, оптимизацией ориентации этих антенн – максимума суммарной длительности сеансов связи ОРКТ-СР, что позволяет на этапе конструирования снизить количество антенн и приводит к снижению массы, габаритов и энергопотребления бортового антенного комплекса и более эффективному его применению. [1]

Литература

1. Яскин Ю. С., Лопатко О. Е., Летунов В. В., Чернов В. В.. Некоторые потенциальные возможности МКСР «Луч» // Аэрокосмический курьер. 2014. №2. С. 33–35.

2. Кравец В.Г. Особенности контроля и управления полетом ракеты космического назначении по программе «Морской старт» // Космическая техника и технологии. 2014. №2(5). С. 74–86.

3. Ловцов Д.А., Алексеев О.А., Бетанов В.В. и др. Программно-математическое обеспечение АСУ космическими аппаратами: Учебник. М.: ВА им. Ф. Э. Дзержинского, 1995. 59 с.

4. Ловцов Д.А., Введение в информационную теорию АСУ: Учебник. М.: ВА им. Ф. Э. Дзержинского, 1996. 24 с.

5. Немировский А.С. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. Москва: Радио и связь, 1986. 394 с.

6. Расчет ослабления в свободном пространстве // Рекомендации МСЭ-R Р.525-2.

7. Волков Л. Н., Немировский М. С., Шинаков Ю. С.. Системы цифровой радиосвязи. Москва: Экотрендз, 2005. 393 с.