Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите



Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите
Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите

Владельцы патента RU 2655655:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") (RU)

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться для коррекции амплитудно-фазового распределения в раскрываемых антенных решетках (АР), функционирующих после развертывания на борту космических аппаратов (КА) в составе бортовых радиолокационных комплексов (БРЛК) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Техническим результатом изобретения является повышение точности формирования ДН после развертывания антенны на орбите в режиме приема и передачи сигнала. Предлагается способ коррекции АФР после развертывания АР на борту КА, функционирующего на орбите Земли, состоящей из М секций, с использованием устройства внутренней калибровки и наземных средств контроля заключается в проведении следующих операций: внутренней калибровки каждого из N ППМ в передающем и приемном режимах в составе каждой из М секций АР, выполняемой при штатном развертывании АР перед пуском КА для установки АФР, обеспечивающего формирование ДН с заданными параметрами; внутренней калибровки каждого из N ППМ в передающем и приемном режимах в составе каждой из М секций АР после развертывания АР на орбите, по результатам которой определяются отклонения амплитудно-фазового распределения в каждой секции в передающем и приемном режимах от значений, найденных на этапе наземной калибровки и обеспечивающих формирование ДН с заданными параметрами при штатном развертывании излучающего раскрыва АР; измерении фаз сигналов, принимаемых каждым из N ППМ в составе каждой из М секций АР от внешнего источника (наземного пункта контроля и управления); юстировки секций АР - определении взаимного положения секций АР после развертывания антенны на орбите на основе результатов измерений фаз сигналов, принимаемых каждым из N ППМ в составе каждой из М секций АР от внешнего источника; коррекции АФР - изменении в случае отклонения положения секций от штатного варианта развертывания комплексных коэффициентов передачи всех каналов, формирующих АФР в режиме приема и передачи, таким образом, чтобы минимизировать отклонение формируемой ДН в режиме приема и передачи от соответствующей ДН с заданными параметрами. 9 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться для коррекции амплитудно-фазового распределения в раскрываемых антенных решетках (АР), функционирующих после развертывания на борту космических аппаратов (КА) в составе бортовых радиолокационных комплексов (БРЛК) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Для достижения высокой разрешающей способности, точности определения геометрических размеров и положения разрешаемых участков в зоне обзора широкое применение в комплексах ДЗЗ находят АР, работающие в различных режимах [1 - Верба B.C., Неронский Л.Б., Осипов И.Г. и др. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / Под ред. B.C. Вербы. - М.: Радиотехника, 2010 г. - 680 с.]. В зависимости от решаемых задач такие АР могут иметь большие геометрические размеры, вследствие чего на этапе пуска и вывода КА на орбиту раскрыв антенны находится в сложенном (транспортировочном) состоянии, а ее развертывание осуществляется после вывода КА на целевую орбиту. Как правило, конструктивно это реализуется путем разделения раскрыва АР на несколько секций, одна из которых жестко фиксируется на корпусе КА и определяет плоскость раскрыва, обеспечивающую штатное функционирование бортового комплекса ДЗЗ. Остальные секции тем или иным способом размещаются вдоль внешних конструкций или корпуса КА. Развертывание обеспечивается с помощью подвижных сочленений в местах соединений секций.

Достижение близких к предельно возможным значениям указанных выше целевых характеристик БРЛК при проведении дистанционного зондирования земной поверхности возможно только при наиболее точном соответствии формируемой диаграммы направленности (ДН) расчетной как в режиме излучения, так и режиме приема сигналов. Однако в процессе пуска, вывода и функционирования КА на целевой орбите на антенну воздействуют различные факторы, такие как высокие механические нагрузки и вибрация, изменение температуры, изменение параметров элементов в процессе функционирования. Это может приводить к отклонению параметров излучающего раскрыва (электродинамических и геометрических) от расчетных значений. Результатом указанных изменений является изменение формы ДН как в передающем, так и приемном режимах, и, как следствие, снижение качества получаемой информации [1].

Влияние указанных факторов может быть учтено и в последующем скомпенсировано при коррекции амплитудно-фазовых распределений в АР, формируемых в режимах приема и передачи, на основе проведения следующей совокупности операций:

- калибровки приемопередающих модулей (ППМ) каждой секции АР, формирующих амплитудно-фазовые распределения в режимах приема и передачи, выполняемой после вывода КА на орбиту;

- юстировки развертывания секций АР относительно секции, жестко закрепленной на КА и не меняющей своего положения ни на этапе вывода КА на целевую орбиту, ни после развертывания АР;

- коррекции параметров ППМ каждой секции АР, формирующих амплитудно-фазовые распределения в режимах приема и передачи, выполняемой по результатам калибровки и юстировки.

Известен ряд технических решений, направленных на проведение калибровки приемопередающих каналов АР. В частности, известен способ [2 - Пат. 2147753 Российская Федерация, МПК G01S 7/40, H01Q 3/36. Калибровка антенной решетки / Йоханиссон Б.Г., Форссен У.; заявитель и патентообладатель Телефонактиеболагет ЛМ Эрикссон - №97100131; заявл. 01.06.1995 г., опубл. 20.04.2000], в котором для калибровки формируют корректирующие коэффициенты, определяемые после прохождения сигнала через приемный канал секции АР. Недостатками данного способа являются:

- отсутствие возможности юстировки секций в раскрываемой АР на орбите;

- использование при проведении калибровки амплитудно-фазового распределения (АФР) абсолютных значений фазы и амплитуды сигнала,

что не позволяет исключить влияние изменения параметров принимаемого сигнала во времени вследствие применения источника опорного сигнала с относительно низкой стабильностью частоты.

В [3 - Пат. 2364029, Российская Федерация, МПК H04B 7/04. Устройство и способ калибровки антенной решетки / Шиблих К.; заявитель и патентообладатель НОКИА СИМЕНС НЕТВОРКС ГМБХ УНД КО. КГ - №2006106199/09; заявл. 21.06.2004 г., опубл. 10.08.2009, Бюл. №22; 16 с.] в качестве контрольного излучателя используется антенна, подключенная к одному из передающих каналов, а калибровка ППМ проводится по результатам анализа сигналов, принятых остальными элементами АР. Недостатком этого, как и приведенного выше метода, является проведение только калибровки приемопередающих каналов путем подстройки соответствующих параметров без определения геометрии раскрыва и учета ошибок положения антенных секций после развертывания.

Известен способ [4 - Пат. 2451948, Российская Федерация, МПК G01S 7/40. Способ калибровки мобильного пеленгатора коротковолнового диапазона с многоэлементной антенной решеткой / Вассенков А.В., Дикарев А.С., Скобелкин В.Н. и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «18 Центральный научно-исследовательский институт» Министерства обороны Российской Федерации - №2011100787/07; заявл. 12.01.2011 г., опубл. 27.05.2012, Бюл. №15; 8 с.], в котором производят калибровку мобильного пеленгатора с распределенной многоэлементной антенной решеткой с учетом ошибки развертывания антенных элементов. Однако данный способ предполагает итерационный процесс измерения с многократным перемещением источника контрольного сигнала относительно элементов распределенной антенной решетки для вычисления невязок измерений разности фаз между каждым i-м антенным элементом и опорным.

Известен способ калибровки [5 - Пат. 2467346, Российская Федерация, МПК G01S 7/40. Способ калибровки активной фазированной антенной решетки / Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Марущак Н.Г., Оводов О.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи» (ФГУП «РНИИРС») - №2011127436/08; заявл. 04.07.2011 г., опубл. 20.11.2012, Бюл. №32; 30 с.]. В соответствии с данным способом на вход приемной части каждого приемопередающего канала подают контрольный сигнал, измеряют параметры принятого сигнала и формируют на основе измерений корректирующие коэффициенты, которые затем используют для регулировки параметров приемной части канала ППМ. В процессе калибровки измеряют сдвиг фазы и изменение амплитуд сигнала с выхода калибруемого канала относительно опорного. Недостатком данного способа является проведение только калибровки приемопередающих каналов путем определения корректирующих коэффициентов, в соответствии с которыми выполняется подстройка параметров без определения геометрии раскрыва.

Также известен способ калибровки [6 - Пат. 2568968, Российская Федерация, МПК G01S 7/40. Способ встроенной калибровки активной фазированной антенной решетки / Базин И.Б.; заявитель и патентообладатель Базин Игорь Борисович - №2014119790/28; заявл. 16.05.2014 г., опубл. 20.11.2015, Бюл. №32], являющийся наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятый за прототип. В соответствии с данным способом контрольный сигнал через систему распределения контрольного сигнала подают на вход каждого приемного канала, суммируют после прохождения приемного канала, детектируют амплитудным детектором. Из полученного таким образом группового сигнала выделяют сумму сигналов опорного и измеряемого каналов и определяют комплексные коэффициенты передачи приемного канала.

Общим недостатком, свойственным указанным выше способам, включая прототип, является проведение только калибровки параметров приемопередающих каналов. Это позволяет исключить только отклонение от заданных значений параметров элементов антенной решетки, подключенных к разным приемопередающим каналам в пределах одной секции, но не позволяет определить и скомпенсировать ошибки развертывания секций АР после вывода КА на орбиту.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение отмеченных недостатков указанного известного способа, то есть обеспечение коррекции АФР в излучающем раскрыве АР в режимах приема и передачи сигналов, необходимость проведения которого обусловлена двумя факторами:

- изменением амплитудно-фазового распределения, связанным с изменением коэффициентов передачи ППМ из-за влияния отмеченных выше факторов, имеющим, как правило, нормальный закон распределения с нулевым математическим ожиданием;

- изменением фаз сигналов, необходимых для формирования заданной ДН, связанным с неточностью развертывания секций АР, имеющим линейный закон распределения фаз в пределах секции.

Вследствие этого коррекция АФР должна выполняться с учетом результатов не только калибровки приемопередающих каналов ППМ в излучающем раскрыве каждой секции АР, но и юстировки взаимного положения секций при развертывании АР после вывода КА на целевую орбиту.

Для решения поставленной задачи предлагается способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите, состоящей из М секций, с использованием устройства внутренней калибровки и наземных средств контроля, заключающийся в проведении следующих операций:

- генерации контрольного сигнала, распределении контрольного сигнала по входам приемного и передающего канала каждого приемопередающего модуля антенной решетки для отдельной и независимой калибровки приемного и передающего каналов каждого приемопередающего модуля каждой секции раскрываемой антенной решетки;

- измерения комплексных амплитуд сигналов, излучаемых наземной станцией, в приемных каналах всех приемопередающих модулей секций антенной решетки при прохождении космическим аппаратом участка траектории, находящегося в зоне видимости земной станции, по результатам которого и найденным при внутренней калибровке на орбите значениям относительных фазовых задержек сигналов на выходах приемных каналов приемопередающих модулей формируются распределения относительных значений фаз по раскрыву каждой секции антенной решетки;

- определение ориентации каждой секции антенной решетки после их развертывания на орбите относительно их положений, соответствующих штатному раскрытию;

- выполнение коррекции амплитудно-фазового распределения на основе решения задачи синтеза по известным параметрам требуемой диаграммы направленности антенной решетки и диаграммам направленности излучателей для минимизации отклонения формируемой диаграммы направленности антенной решетки от требуемой в случае нештатного развертывания секций антенной решетки космического аппарата.

Техническим результатом изобретения является повышение точности формирования ДН после развертывания антенны на орбите в режиме приема и передачи сигнала.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа из современного уровня техники неизвестно, поэтому он соответствует критериям «новизны» и «изобретательского уровня».

На фиг. 1 приведена последовательность операций, выполняемых в соответствии с данным способом для коррекции АФР.

На фиг. 2 изображен один из возможных случаев взаимного положения секций АР после развертывания на орбите.

На фиг. 3 показана циклограмма сеанса юстировки секций АР с использованием наземной станции.

На фиг. 4 показан отсчет углов в системе координат, связанной с секцией, установленной на КА, и системе координат, связанной с m-й раскрываемой секцией АР.

На фиг. 5 представлены распределения измеряемых значений фаз по раскрыву каждой секции при различных случаях развертывания АР.

На фиг. 6 показаны восстановленные профили распределения фаз по раскрыву каждой секции.

На фиг. 7 представлены зависимости среднеквадратической погрешности оценивания отклонения секции АР от штатного положения.

На фиг. 8 приведены ДН, иллюстрирующие достижение технического результата.

На фиг. 9 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, функционирующего в соответствии с предлагаемым способом.

Приведем более подробное описание способа. Перед пуском КА обеспечивают штатное развертывание АР и формируют с учетом результатов внутренней калибровки, выполненной, например, как в [6], массивы значений коэффициентов передачи всех ППМ АР, при котором формируется ДН с заданными параметрами в режимах приема и передачи сигналов. С использованием источника сигнала, расположенного по отношению к АР в дальней зоне, измеряют значения фаз сигналов на выходе приемного канала каждого ППМ.

После вывода КА на орбиту и развертывания АР выполняют внутреннюю калибровку приемных и передающих каналов ППМ, аналогично способу, реализуемому в прототипе [6], при сформировавшейся после развертывания геометрии излучающего раскрыва АР. Это позволяет определить и затем компенсировать неидентичность параметров приемных и передающих каналов ППМ, формирующих АФР в режиме приема и излучения сигналов, дополнительно возникающую в процессе вывода КА на орбиту, функционирования в условиях внешних воздействующих факторов околоземного космического пространства и собственных тепловых режимов. При этом параметры коэффициентов передачи приемных и передающих каналов ППМ каждой секции приводятся к расчетным значениям для формирования ДН с заданными параметрами, полученным для случая штатного развертывания АР. Однако только реализация требуемых коэффициентов передачи приемных и передающих каналов ППМ в каждой секции не обеспечивает формирования заданных ДН в режимах приема и передачи при нештатном развертывании секций АР.

Для уменьшения влияния нештатного развертывания секций дополнительно к операциям, выполняемым в прототипе, проводят юстировку взаимного положения секций АР, результатом которой является определение геометрических параметров отклонения каждой развертываемой секции АР относительно неподвижно закрепленной на борту КА секции, плоскость которой совпадает с плоскостью излучающего раскрыва АР при штатном развертывании антенны.

С учетом найденных геометрических параметров излучающего раскрыва АР определяют одним из известных методов, например [7 - Волошин В.А., Габриэльян Д.Д., Оводов О.В. Сравнение методов синтеза диаграмм направленности плоской фазированной антенной решетки с эллиптической формой границы раскрыва // Антенны. 2012. Вып. 9 (184). С. 62-65], и устанавливают скорректированные значения коэффициентов передачи приемных и передающих каналов ППМ, обеспечивающие изменение АФР в режиме излучения и приема сигналов, при которых минимизируются отклонения параметров ДН антенны от требуемых значений, соответствующих штатному развертыванию АР в режимах приема и передачи.

Предлагаемый способ реализуется в соответствии со следующей последовательностью операций, приведенной на фиг. 1:

1. Перед пуском КА выполняют внутреннюю калибровку приемопередающих каналов всех ППМ каждой секции АР, определяя значения модулей и фаз коэффициентов передачи каналов приема ППМ относительно одного опорного канала. В качестве такого канала, как правило, выбирается канал, излучатели которого наиболее близко расположены к середине секции, закрепленной на КА.

Проводят корректировку параметров аттенюаторов и фазовращателей в приемных и передающих каналах ППМ АР, устанавливая наборы значений, которые могут быть представлены в виде соответствующих блочных матриц и , обеспечивающих формирование ДН с заданными параметрами в режиме приема и излучения сигналов

где - набор значений параметров аттенюаторов и фазовращателей ППМ m-й секции АР (m=1, …, M) в режиме приема (a=пр) и режиме передачи (a=пер).

Блоки элементов можно записать как

где - комплексный коэффициент передачи n-го приемного канала ППМ m-й секции АР (n=1, …, N, m=1, …, M), обеспечивающий формирование ДН с заданными параметрами.

Кроме того, в режиме приема сигнала от источника, расположенного в дальней зоне в направлении нормали к излучающему раскрыву АР, измеряют фазы сигналов на выходе приемных каналов всех ППМ каждой секции АР и формируют массив значений фаз в котором - фаза принимаемого сигнала на выходе приемного канала n-го ППМ m-й секции АР.

При определении коэффициентов передачи учитывают характеристики (комплексные коэффициенты передачи) пассивных элементов каналов решетки, которые отличаются для разных каналов (кабели от калибровочного делителя/сумматора до калибровочного входа приемопередающего модуля) или не охвачены калибровочной сетью (антенные излучатели). Изменение этих параметров в процессе функционирования считают незначительным. Сами параметры измеряют на этапе наземной отработки и сохраняют в виде массива констант.

2. После развертывания АР на орбите и перед каждым сеансом съемки проводят внутреннюю калибровку приемных и передающих каналов всех ППМ каждой секции АР, определяя, как и при наземной калибровке набор значений модулей и фаз коэффициентов передачи приемных и передающих каналов ППМ относительно того же опорного канала. В результате указанной калибровки определяют массив модулей и фаз коэффициентов передачи приемных каналов ППМ и

где - набор значений параметров аттенюаторов и фазовращателей ППМ m-й секции АР (m=1, …, M) при проведении калибровки на орбите, который может быть представлен в виде ;

- комплексный коэффициент передачи и-го приемного канала ППМ m-й секции АР (n=1, …, N, m=1, …, M) после развертывания на орбите в режиме приема (a=пр) и режиме передачи (a=пер).

Используя соответствующие значения массивов и , корректируют комплексные коэффициенты передачи приемных и передающих каналов ППМ после развертывания АР на орбите. Данная операция позволяет исключить изменения амплитуды и фазы сигнала на выходе ППМ, обусловленные влиянием различных факторов при пуске и выводе КА на целевую орбиту и при воздействии внешних факторов в процессе функционирования.

3. После выполнения операции внутренней калибровки на орбите и последующей коррекции коэффициентов передачи передающих и приемных каналов ППМ остаются неисключенными ошибки фазового распределения, связанные с неточностью развертывания секций АР. Возможный случай взаимного положения секций АР после развертывания на орбите приведен на фиг. 2.

Для определения взаимного положения секций АР при прохождении КА участка траектории, находящегося в зоне видимости наземной станции, проводят сеанс юстировки секций АР. С использованием принимаемого поочередно приемным каналом каждого ППМ сигнала, излучаемого наземной станцией, определяют его фазу на выходе приемного канала ППМ АР в юстируемом раскрыве. Длительность окна приема т каждым ППМ определяют, исходя из требуемого отношения сигнал/шум на выходе устройства обработки принятого калибровочного сигнала с учетом энергетического потенциала наземной станции и коэффициента направленного действия элемента АР, подключенного к одному ППМ. Период приема определяется временем переключения ППМ. Циклограмма выполнения юстировки секций АР с использованием наземной станции показана на фиг. 3. Общее время сеанса юстировки ограничено временем нахождения КА в зоне видимости наземной станции.

При приеме сигнала от внешнего источника сигналы на выходе приемного канала каждого ППМ представляют собой совокупность детерминированного сигнала, содержащего информацию о фазе принимаемого сигнала и шумовой составляющей

где ξm,n - шумовая составляющая сигнала;

Δψm,n - дополнительная разность фаз принимаемых сигналов, обусловленная отклонением положения секций в разворачиваемой АР от штатного положения;

δψm,n - дополнительная разность фаз принимаемых сигналов, обусловленная смещением АР за время от начала проведения юстировки m-й секции до момента юстировки приемного канала n-го ППМ в момент времени tn.

Для точного учета разности фаз между приемными каналами, обусловленной нештатным развертыванием секции АР, необходимо учесть изменение относительной фазы δψm,n принимаемых разными ППМ сигналов, связанное с изменением расстояния между наземной станцией и АР, которое вызвано движением КА. Учитывая известные в каждый момент времени взаимные расстояния между КА и наземной станцией, осуществляют временную привязку значений дальности Rm,n и моментов начала приема очередного ШТМ.

где f0 - центральная частота рабочего диапазона АР;

c - скорость распространения электромагнитной волны.

С использованием скорректированных значений фаз принимаемых сигналов на выходе приемного канала каждого ППМ формируют массив значений

аналогичный массиву ψ(0), сформированному при наземной отработке АР перед пуском КА.

При штатном развертывании секций распределение фазы сигналов на выходе приемного канала каждого ППМ после проведения калибровки каналов ППМ на орбите будут совпадать с распределением фаз сигналов, обеспечивающих формирование ДН с заданными параметрами при штатном развертывании антенны. Однако при нештатном развертывании АР и отклонении одной или нескольких секций от плоскости секции, закрепленной на КА, фазы сигналов на выходе приемного канала каждого ППМ этих секций получат дополнительную составляющую (n=1, …, N, m=1, …, M). Закон изменения этой составляющей по раскрыву секции определяется геометрическим положением излучателей в соответствующей секции и углами разворота секции относительно плоскости закрепленной на КА секции АР.

Определение фазовых задержек проводят с использованием массивов Δψ=Δψ(1)-Δψ(0) раздельно для каждой m-й секции АР, выбирая в качестве опорного приемный канал ППМ этой же секции, соответствующий антенному элементу, наиболее близко расположенному к центру данной секции или центральному элементу в случае их нечетного количества.

На фиг. 4 показан отсчет углов в системе координат, связанной с секцией, установленной на КА, и системе координат, связанной с m-й раскрываемой секцией АР.

4. С использованием найденных значений отклонений фаз сигналов на выходе каждого приемного канала ППМ Δψm,n определяют отклонения подвижных секций АР от их положений, соответствующих штатному развертыванию. Для этого на основе найденных значений Δψm,n формируют распределения относительных значений фаз и , по юстируемой секции АР вдоль каждой из двух ортогональных осей Omxm и Omym данной секции. При этом для найденных распределений и устраняют скачки фазы, обусловленные периодичностью 2π, как показано на фиг. 5, что позволяет восстановить наклон фазового распределения вдоль каждой из ортогональных осей в пределах секции. При этом выполняют линейную регрессию.

Уравнение регрессии для оси Omxm имеет вид

где xp - x-координата излучателя с номером р, отсчитываемым вдоль оси Omxm в m-сегменте;

- отсчитываемый вдоль оси Omxm номер канала ППМ, принятого в качестве опорного для этой секции.

Для второй координаты (оси Omym) выполняют аналогичные операции, а уравнение регрессии определяется соответственно выражением

где yp - y-координата излучателя с номером р, отсчитываемым вдоль оси Omym в m-сегменте;

- отсчитываемый вдоль оси Omym номер канала ППМ, принятого в качестве опорного для этой секции.

Найденные значения и представляют собой направляющие косинусы, определяющие ориентацию плоскости m-й секции АР относительно плоскости, соответствующей штатному развертыванию.

На фиг. 6 показаны восстановленные профили распределения фаз по раскрыву каждой секции.

5. При известных параметрах геометрического положения всех секций АР, параметрах требуемой ДН АР и ДН излучателей на основе решения задачи синтеза одним из известных способов, например, [7] определяются новые массивы коэффициентов передачи для приемных и передающих каналов ППМ АР.

Комплексные амплитуды новых массивов коэффициентов передачи приемного и передающего каналов ППМ АР при выполнении условия L>N⋅M определяются соответственно из решения систем уравнений [7]

где Bпр и Bпер - вектор-столбцы размерности N⋅M×1 каждый, элементами которых являются комплексные амплитуды коэффициентов передачи приемных и передающих каналов ППМ АР соответственно;

Q+ - псевдообратная матрица для матрицы Q размерности N⋅M×L;

и - вектор-столбцы размерности L×1 каждый, элементами

которых являются комплексные значения заданных ДН в L направлениях, определяемых парами углов θl, ϕl (l=1, …, L), показанными на примере секции номер 3 на фиг. 7, в режиме приема и излучения сигналов соответственно.

Матрица Q+ определяется следующим образом [7]

где α - коэффициент регуляризации, выбор которого при использовании данного метода рассмотрен в [7];

E - единичная матрица размерности N⋅M×N⋅M;

* - знак выполнения операций транспонирования и комплексного сопряжения.

Элементы qt,l (t=1, …, N⋅M), (l=1, …, L), матрицы Q, представляющие собой значения ДН каждого элемента АР в направлениях θl, ϕl, при известных параметрах ориентации раскрываемых секций АР могут быть получены следующим образом.

Диаграммы направленности излучателей АР μ(θ,ϕ) в системе координат O1x1y1, связанной с секцией АР, установленной на КА, являются известными. Для каждого направления, задаваемого в системе координат O1x1y1 углами θl, ϕl, определяются углы , , показанные на фиг. 2, соответствующие тому же направлению в системе координат Omxmym, с использованием выражений

В формулах (10) элементы (i=1, 2, 3, j=1, 2, 3) матрицы находятся из произведения матриц, описывающих ориентацию всех секций, определяющих ориентацию m-й секции АР. Например, для третьей секции АР матрица C(m) будет равна C(3)=C2⋅C3.

Таким образом, для элементов m-го блока матрицы Q можно записать следующее представление

На основе найденных значений массивов коэффициентов передачи Bпр и Bпер формируют сигналы для их установки в приемном и передающем каналах ППМ, что позволяет минимизировать отклонение формируемой ДН АР от требуемой при штатном развертывании антенны.

На фиг. 8 приведены ДН, иллюстрирующие достижение технического результата.

Сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что в заявленном способе дополнительно включены три новые операции:

- измерение амплитуд и фаз сигналов, излучаемых наземной станцией, в приемных каналах всех ППМ раскрываемых секций АР при прохождении КА участка траектории, находящегося в зоне видимости земной станции, для проведения юстировки положения секций АР после их развертывания на орбите и определение относительных фазовых задержек сигналов на выходах приемных каналов ППМ по результатам внутренней калибровки и измерений комплексных амплитуд принимаемых от наземной станции сигналов на выходах приемных каналов ППМ;

- определение ориентации раскрываемых секций АР относительно их положений, соответствующих штатному раскрыву, путем формирования распределения относительных значений фаз по юстируемому раскрыву каждой секции АР на основе результатов внутренней калибровки и измеренных значений фаз принимаемого сигнала на выходе каждого ППМ;

- коррекция АФР на основе решения задачи синтеза по известным параметрам требуемой ДН АР и ДН излучателей для минимизации отклонения формируемой ДН АР от требуемой в случае нештатного развертывания секций АР.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите на примере устройства, приведенного в виде структурной схемы на фиг. 9. В состав устройства входят передающая часть блока формирования и обработки зондирующих сигналов (ПерБФОС) - 1, приемная часть блока формирования и обработки зондирующих сигналов (ПрБФОС) - 2, коммутаторы 3-5, циркулятор - 6, диаграммообразующее устройство (ДОУ) - 7, схема распределения сигналов (СРС) - 8, N приемопередающих модулей (ППМ) - 9, N направленных ответвителей (НО) - 10, N подрешеток излучателей АР (ПАР) - 11, блок управления и синхронизации (БУиС) - 12.

Выход ПерБФОС 1 соединен с контактом 1 коммутатора 3, выход ПрБФОС 2 соединен с контактом 1 коммутатора 4. Контакт 2 коммутатора 3 и контакт 2 коммутатора 4 соединены с контактами 2 и 3 коммутатора 5 соответственно, а контакт 3 коммутатора 3 и контакт 3 коммутатора 4 - с контактами 2 и 3 циркулятора 6 соответственно. Контакт 1 циркулятора 6 соединен с входом 1 ДОУ 7, N выходов 2 которого подключены к первым входам N ППМ 9. Выходы 2 ППМ 9 подключены к контактам 3 соответствующих НО 10, контакты 1 которых соединены с излучателями АР соответствующих ПАР 11. Контакт 1 коммутатора 5 соединен с входом 1 СРС 8, N выходов 2 которого подключены к контактам 2 соответствующих N НО 10. Управляющие входы ПерБФОС 1, ПрБФОС 2, коммутаторов 3-5, ППМ 9 подключены к выходу БУиС 12.

В соответствии с заявляемым способом последовательно выполняются калибровка передающего и приемного трактов каждой из N подрешеток каждой из М секций АР.

При калибровке передающих каналов ППМ сигналы управления с первого выхода БУиС 12 поступают на вход ПерБФОС 1 и управляющие входы коммутаторов 3-5. По этим сигналам ПерБФОС 1 формирует сигналы заданного уровня для режима калибровки, в коммутаторе 3 происходит соединение контактов 1 и 3, в коммутаторе 4 - соединение контактов 1 и 2, а в коммутаторе 5 - контактов 1 и 3. Кроме того, происходит включение одного из ППМ 9, для которого производится калибровка канала передачи. Сигнал с выхода ПерБФОС 1 через контакты 2 и 1 циркулятора 6 поступает на вход 1 ДОУ 7, с N выходов 2 которого поступает на входы каналов передачи 1 соответствующих ППМ 9. С выхода 2 ППМ 9 сигналы поступают на вход 3 НО 10 и далее с выхода 2 на соответствующий выход 2 СРС 8. С выхода 1 СРС 8 через замкнутые контакты 1 и 3 коммутатора 5 сигналы поступают на вход 2 коммутатора 4 и далее с контакта 1 на вход ПрБФОС 2. При проведении калибровки включение передающих каналов каждого из N ППМ 9 осуществляется последовательно по командам управления с выхода БУиС 12. Уровень генерируемого сигнала ПерБФОС 1 и коэффициент передачи ПрБФОС 2 при калибровке излучающих трактов АР поддерживаются постоянными, что позволяет провести калибровку каналов передачи ППМ всех N ПАР 11.

При калибровке приемного тракта по сигналам управления с первого выхода БУиС 12 ПерБФОС 1 формирует сигналы заданного уровня для режима калибровки, в коммутаторе 3 происходит соединение контактов 1 и 2, в коммутаторе 4 - соединение контактов 1 и 3, а в коммутаторе 5 - контактов 1 и 2. Сигнал с выхода ПерБФОС 1 через коммутаторы 3 и 5 поступает на вход 1 СРС 8, с N выходов 2 которого поступает на входы 2 соответствующих НО 10. С входов/выходов 3 НО 10 сигнал поступает на вход 2 приемного канала ППМ 9, со входа/выхода 1 которого поступает на соответствующий вход 2 ДОУ 7. При проведении калибровки приемные каналы всех ППМ 9 включаются последовательно по сигналам управления с выхода БУиС 12. С выхода 1 ДОУ 7 сигнал поступает на контакт 1 циркулятора 6 и далее с контакта 3 циркулятора 6 через замкнутые контакты 3 и 1 коммутатора 4 в ПрБФОС 2. Как и при калибровке передающих каналов ППМ 9, уровень генерируемого сигнала ПерБФОС 1 и коэффициент передачи ПрБФОС 2 поддерживаются постоянными, что позволяет провести калибровку коэффициентов передачи приемных каналов всех N ПАР 11.

В рабочем режиме передачи сигналы управления с выхода БУиС 12 поступают на вход ПерБФОС 1 и управляющие входы коммутаторов 3 и 4. По этим сигналам ПерБФОС 1 формирует сигналы заданного уровня для рабочего режима, в коммутаторах 3 и 4 выполняется соединение контактов 1 и 3. Сигнал с выхода ПерБФОС 1 через контакты 2 и 1 циркулятора 6 поступает на вход 1 ДОУ 7, с N выходов 2 которого поступает на входы/выходы 1 соответствующих ППМ 9. С выхода 2 ППМ 9 сигналы поступают на вход 3 НО 10 и далее с выхода 1 на излучатели соответствующих ПАР 11.

В рабочем режиме приема сигналы принимаются посредством излучателей ПАР 11, с выхода которых поступают на входы 1 соответствующих НО 10. С выходов 3 НО 10 сигналы в каждом канале поступают на входы/выходы 2 ППМ 9 и с выходов 1 - на соответствующие входы 2 ДОУ 7. С выхода 1 ДОУ 7 сигнал поступает на контакт 1 циркулятора 6 и далее с контакта 3 циркулятора 6 через замкнутые контакты 3 и 1 коммутатора 4 в ПрБФОС 2.

Таким образом, в результате изменения режима трех указанных операций достигают следующий технический результат: минимизируют в случае отклонения геометрии АР после развертывания от штатной среднеквадратическое отклонение формируемой ДН от заданной.

Способ коррекции амплитудно-фазового распределения раскрываемой антенной решетки космического аппарата на орбите, включающий генерацию контрольного сигнала, распределение контрольного сигнала по входам приемного и передающего канала каждого приемопередающего модуля антенной решетки, при котором калибровка приемного и передающего каналов каждого приемопередающего модуля производится отдельно и независимо друг от друга, отличающийся тем, что после выполнения на орбите внутренней калибровки каналов приема передачи антенной решетки проводят измерения комплексных амплитуд сигналов, излучаемых наземной станцией, в приемных каналах всех приемопередающих модулей секций антенной решетки при прохождении космическим аппаратом участка траектории, находящегося в зоне видимости земной станции, по результатам которого и найденным при внутренней калибровке значениям относительных фазовых задержек сигналов на выходах приемных каналов приемопередающих модулей формируются распределения относительных значений фаз по раскрыву каждой секции антенной решетки, определяют ориентацию каждой секции антенной решетки после их развертывания на орбите относительно их положений, соответствующих штатному раскрытию, выполняют коррекцию амплитудно-фазового распределения на основе решения задачи синтеза по известным параметрам требуемой диаграммы направленности антенной решетки и диаграммам направленности излучателей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для пространственного подавления помех, действующих на частотах основного и зеркального каналов приема активных фазированных антенных решеток (АФАР), путем формирования провалов в диаграмме направленности (ДН) в направлениях действия источников помех.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в средствах радиотехнического контроля (РТК) с многолучевыми (МЛ) адаптивными антенными решетками. Способ формирования диаграммы направленности многолучевой адаптивной антенной решетки (МЛ ААР) с использованием параметрической модели спектра пространственных частот входного сигнала включает регистрацию антенными элементами (АЭ) сигналов М источников излучения (ИИ), образующих входной сигнал МЛ ААР, преобразование входного сигнала в комплексную форму, его последующее преобразование в цифровую форму, формирование комплексного вектора весовых коэффициентов (ВВК) МЛ ААР и взвешенное суммирование входного сигнала МЛ ААР сформированным комплексным ВВК, при этом перед вычислением комплексного ВВК МЛ ААР, по мере приема входного сигнала МЛ ААР, отсчеты которого регистрируются АЭ МЛ ААР в каждом k-м моменте времени, выполняют процедуру его пространственного когерентного накопления с последующим выполнением процедуры М кратного пространственного дифференцирования накопленных сигналов, что позволяет повысить эффективность подавления помеховых сигналов при априорной неопределенности относительно углового положения их источников, когда уровни мощности помеховых сигналов на входе АР сопоставимы с уровнем мощности полезного сигнала, а отстройка центральной частоты энергетического спектра сигналов источников помех от несущей частоты полезного сигнала меньше ширины его энергетического спектра.
Изобретение относится к радиолокационным станциям с последовательным сканированием пространства неподвижными фазированными антеннами решетками, разнонаправленными в пространстве по секторам, и может быть использовано для обнаружения, измерения координат и определения свойств космических и воздушных объектов.

Изобретение относится к области спутниковой связи и может быть использовано для компенсации неидеальной поверхности рефлектора в системе спутниковой связи. Предложен способ, который включает измерение амплитуды и фазы сигналов, отраженных от рефлектора спутника, причем эти амплитуды и фазы формируют первую совокупность результатов измерения.

Изобретение относится к области спутниковой связи и может быть использовано для компенсации неидеальной поверхности рефлектора в системе спутниковой связи. Предложен способ, который включает измерение амплитуды и фазы сигналов, отраженных от рефлектора спутника, причем эти амплитуды и фазы формируют первую совокупность результатов измерения.

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов. Определяют амплитудно-фазовое распределение в раскрыве фазированной антенной решетки, при котором заданная диаграмма направленности ориентирована в направлении u0, выбирают пространственные положения парциальных лучей только в области главного луча заданной диаграммы направленности.

Изобретение относится к области антенной техники. Осуществляют прием или излучение сигналов фазированной антенной решеткой.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке. Осуществляют прием сигналов с известного направления четным числом модулей, расположенных симметрично относительно фазового центра модульной фазированной антенной решетки с симметричным относительно фазового центра раскрыва амплитудным и комплексно сопряженным фазовым распределением.

Изобретение относится к области активных антенн с регулировкой фазы. Предложен способ калибровки фазового центра активной антенны (20), содержащей множество субэлементов (21), способных принимать полезный сигнал, испускаемый спутником (25).

Способ формирования многолучевой диаграммы направленности самофокусирующейся адаптивной антенной решетки, заключающийся во взвешенном суммировании сигналов, принятых элементами антенной решетки весовым вектором, являющимся главным вектором пучка эрмитовых форм, соответствующим максимальному характеристическому числу пучка, причем в качестве второй эрмитовой формы пучка выбирается среднее значение ДН по мощности, при этом при определении главного вектора пучка эрмитовых форм, соответствующего максимальному характеристическому числу пучка, используются оценки амплитудно-фазового распределения формируемого сигнала источников излучения на элементах самофокусирующейся адаптивной антенной решетки, а в качестве первой эрмитовой формы пучка выбирается взвешенная сумма значений средней диаграммы направленности по мощности, вычисленная на основе оценок векторов амплитудно-фазовых распределений, создаваемых сигналами источников излучений на элементах самофокусирующейся адаптивной антенной решетки.

Изобретение относится к радиолокационному измерителю уровня. Техническим результатом является улучшенное функционирование радиолокационного измерителя уровня в условиях влияния узкополосных помех.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагностическим ультразвуковым системам визуализации. Система, формирующая цветовые изображения скорости потока и движения, содержит ультразвуковой зонд, имеющий массив преобразователей для передачи ультразвуковой энергии и приема ультразвуковых эхо-сигналов от местоположения, содержащего движущуюся ткань или текучую среду, допплеровский процессор, для выработки измерений скорости перемещения ткани или скорости кровотока, процессор количественной оценки движения, преобразующий измерения скорости во множество различных цветов для цветового допплеровского изображения, графический процессор, вырабатывающий цветовой индикатор для отображения вместе с цветовым допплеровским изображением, причем цветовой индикатор имеет конечный уровень скорости и опорный уровень для нулевой скорости.

Изобретение относится к медицинским диагностическим ультразвуковым системам. Техническим результатом является оптимизация ультразвукового изображения для отображения на удаленных рабочих станциях, терминалах и экранах отображения.

Изобретение относится к области радионавигации. Технический результат заключается в расширении арсенала средств для формирования сигналов спутниковой навигационной системы.

Изобретение относится к неразрушающему контролю заготовок. Способ контроля заготовки включает сохранение данных модели, связанных с заготовкой, в систему контроля и определение относительного положения измерителя удаленности по отношению к заготовке.

Группа изобретений относится к медицине. Группа изобретений включает устройство, постоянный машиночитаемый носитель и способ работы устройства ультразвуковой визуализации.

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Техническим результатом является увеличение дальности действия лазерного дальномера.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации. Технический результатом является повышение точности калибровки мобильного пеленгатора - корреляционного интерферометра в азимутальных и угломестных секторах углов, где условия для проведения измерений не обеспечены, при сохранении высокой точности калибровки в азимутальных секторах, в которых условия для проведения измерений обеспечиваются.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковой томографии. Ультразвуковая система для обнаружения газового кармана содержит ультразвуковой зонд, блок получения второй гармонической составляющей ультразвукового эхо-сигнала для каждой глубины из множества глубин вдоль каждой линии сканирования из множества линий сканирования и блок выявления изменения центральной частоты второй гармонической составляющей по глубине.

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения устройств и систем фильтрации параметров движения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), определяющих местоположение в пространстве с использованием корреляции данных от нескольких навигационных приборов и может быть использовано для фильтрации параметров движения БПЛА, поступающих с бортовой навигационной системы (БНС) для повышения точности определения параметров движения БПЛА.

Изобретение относится к области активной радиолокации и предназначено для использования в обзорных радиолокационных станциях (РЛС). Достигаемый технический результат - подавление отметок от целей, расположенных за пределами зоны однозначной оценки дальности обзорной РЛС, а также отметок, обусловленных несинхронной импульсной помехой.

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться для коррекции амплитудно-фазового распределения в раскрываемых антенных решетках, функционирующих после развертывания на борту космических аппаратов в составе бортовых радиолокационных комплексов дистанционного зондирования Земли. Техническим результатом изобретения является повышение точности формирования ДН после развертывания антенны на орбите в режиме приема и передачи сигнала. Предлагается способ коррекции АФР после развертывания АР на борту КА, функционирующего на орбите Земли, состоящей из М секций, с использованием устройства внутренней калибровки и наземных средств контроля заключается в проведении следующих операций: внутренней калибровки каждого из N ППМ в передающем и приемном режимах в составе каждой из М секций АР, выполняемой при штатном развертывании АР перед пуском КА для установки АФР, обеспечивающего формирование ДН с заданными параметрами; внутренней калибровки каждого из N ППМ в передающем и приемном режимах в составе каждой из М секций АР после развертывания АР на орбите, по результатам которой определяются отклонения амплитудно-фазового распределения в каждой секции в передающем и приемном режимах от значений, найденных на этапе наземной калибровки и обеспечивающих формирование ДН с заданными параметрами при штатном развертывании излучающего раскрыва АР; измерении фаз сигналов, принимаемых каждым из N ППМ в составе каждой из М секций АР от внешнего источника ; юстировки секций АР - определении взаимного положения секций АР после развертывания антенны на орбите на основе результатов измерений фаз сигналов, принимаемых каждым из N ППМ в составе каждой из М секций АР от внешнего источника; коррекции АФР - изменении в случае отклонения положения секций от штатного варианта развертывания комплексных коэффициентов передачи всех каналов, формирующих АФР в режиме приема и передачи, таким образом, чтобы минимизировать отклонение формируемой ДН в режиме приема и передачи от соответствующей ДН с заданными параметрами. 9 ил.

Наверх