Организация наведения на спутник-ретранслятор в железнодорожном комплексе связи на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат наук Пыхов, Юрий Александрович

• Пыхов, Юрий Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Пыхов, Юрий Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор бортовых систем спутниковой связи. Постановка задачи

1.1 Структура и методы организации спутниковой системы связи

1.1.1 Структура и принципы функционирования системы передачи цифровой информации

1.1.2 Методы модуляции и помехоустойчивое кодирование в спутниковых линиях связи

1.1.3 Отношение сигнал/шум. Достоверность приема информационного сигнала

1.1.4 Роль точности и стабильности наведения в обеспечении качества приема и передачи информационного сигнала

1.2 Обзор бортовых спутниковых телекоммуникационных систем

1.5 Выводы по принципам организации наведения в бортовых системах спутниковой связи

1.6 Постановка задачи

2 Базовые математические и программные модели

2.1 Модель траекторий спутника

2.1.1 Движение спутника в геоцентрической и топоцентрической с.к

2.1.2 Модель движения поезда

2.1.3 Строительная система координат транспортного средства

2.1.4 Траектории спутника в строительной с.к. ТС

2.2 Модель антенного датчика

2.2.1 Диаграмма направленности зеркальной антенны

2.2.2 Диаграмма направленности прямоугольной ФАР

2.2.3 Методы формирования пеленгационных каналов

2.2.4 Суммарно-разностный метод измерения угловых координат

2.2.5 ДН суммарного канала и потери на обзор

2.3 Модель сервопривода

2.4 Выводы к главе 2

3 Методика построения бортовой системы наведения. Измерение координат антенным датчиком

3.1 Методика построения бортовой системы наведения

3.2 Измерение координат антенным датчиком

3.2.1 Измерение угловых координат

3.2.2 Ошибки измерения угловых координат спутника антенной системой70

3.2.2.1 Быстроменяющаяся ошибка измерения угловых координат

3.2.2.2 Медленноменяющаяся ошибка измерения угловых координат

3.3 Выводы к главе 3

4 Обоснование выбора и характеристики исследуемых траекторных фильтров

4.1 Общая постановка задачи калмановской фильтрации. Обоснование выбора фильтров с конечной эффективной памятью

4.2 Характеристики исследуемых траекторных фильтров

4.3 Выводы к главе 4

5 Анализ комбинированных схем коррекции с применением траекторных фильтров в системе управления механическим позиционированием антенного луча

5.1 Общие положения

5.2 Общая структурная схема и методы коррекции системы слежения

5.3 Варианты схем коррекции

5.4 Передаточная функция, рекуррентное уравнение и показатель колебательности системы слежения

5.5 Условия астатизма

5.6 Модель ошибок. Постановка задачи параметрической оптимизации звеньев коррекции системы управления

5.6.1 Модель ошибок

5.6.2 Постановка задачи параметрической оптимизации звеньев коррекции системы управления

5.7 Допустимый уровень потерь на обзор

5.8 Параметры моделирования

5.9 Анализ результатов расчетов для различных вариантов схем коррекции и вида траекторных фильтров

5.10 Зависимость точности слежения от параметров антенной системы и внешних возмущений

5.10.1 Зависимость точности слежения от ширины ДН антенного датчика

5.10.2 Зависимость точности слежения от электромагнитной постоянной времени

5.10.3 Зависимость точности слежения от времени задержки

5.10.4 Оптимизация параметров звеньев коррекции при различных отношениях сигнал/шум

5.10.4.1 Диапазон отношения сигнал/шум

5.10.4.2 Зависимость точности слежения от отношения сигнал/шум q

5.10.5 Зависимость точности слежения от медленноменяющейся ошибки

5.10.6 Оценка влияния возмущающего момента на ошибку слежения

5.11 Моделирование системы автоматического слежения в среде Simulink

5.12 Выводы к главе 5

6 Методы наведения при независимом проектировании антенной измерительной системы и системы управления приводом для случая механического сканирования

6.1 Общие положения

6.2 Выбор параметров корректирующего звена антенной измерительной системы при заданных ограничениях на точность механического позиционирования

6.2.1 Модель ошибок

6.2.2 Методика параметрической оптимизации траекторных фильтров

6.2.3 Результаты параметрической оптимизации траекторных фильтров

6.3 Сравнение результатов, полученных при совместном и независимом проектировании системы управления приводом и антенной измерительной

системы

6.4 Выводы к главе 6

7 Анализ схем коррекции с применением траекторных фильтров в системах наведения с электронным и электронно-механическим сканированием

7.1 Система наведения с электронным сканированием

7.1.1 Общая характеристика систем слежения на основе ФАР

7.1.2 Системы координат, траекторная модель и модель ошибок

7.1.3 Анализ результатов расчетов по выбору параметров траекторных фильтров

7.1.3.1 Выбор типа траекторного фильтра

7.1.3.2. Зависимость точности слежения от ММ ошибки единичного измерения

7.1.3.3 Зависимость точности слежения от интервала экстраполяции

7.1.3.4 Зависимость точности слежения от положения цели в секторе электронного сканирования

7.2 Система наведения с электронно-механическим сканированием

7.2.1 Системы координат

7.2.2 Преобразования координат. Модель ошибок

7.2.3 Выбор структуры и параметров системы наведения. Расчет суммарной ошибки наведения

7.2.3.1 Выбор структуры и параметров системы слежения по азимуту

7.2.3.2 Выбор структуры и параметров системы слежения по биконической координате и

7.2.3.3 Моделирование динамических ошибок. Расчет суммарной круговой ошибки слежения

7.2.4 Анализ результатов расчетов по выбору параметров звеньев коррекции

7.2.4.1 Условия моделирования и основные результаты

7.2.4.2 Выигрыш по точности при использовании траекторных фильтров

7.2.4.3 Зависимость точности слежения от ММ ошибки единичного измерения

7.2.4.4 Зависимость точности слежения от положения цели в секторе электронного сканирования

7.3 Выводы к главе 7

8 Повышение достоверности и стабильности передачи информационного сигнала за счет траекторией фильтрации, выполнение требований по помехозащищенности. Техническая реализация, сравнение с аналогичными разработками

8.1 Повышение достоверности и стабильности передачи информационного сигнала за счет методов траекторной фильтрации

8.1.1 Снижение максимального значения вероятности битовой ошибки

8.1.2 Вероятностное распределение доли времени превышения порога потерь наведения, вполнение требований помехозащищенности

8.2 Техническая реализация

8.3 Сравнение результатов с аналогичными научно-техническими разработками

8.4 Выводы к главе 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Организация наведения на спутник-ретранслятор в железнодорожном комплексе связи на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время идет активная разработка мобильных спутниковых систем связи и телевидения, базирующихся на транспортных средствах (ТС) [56, 62, 74, 54, 47, 72, 60, 70, 59, 71].

Широкополосную связь в движении обеспечивают антенные терминалы СОТМ (communications-on-the move), которые устанавливаются на авто-, железнодорожных, речных, морских, а также авиа- транспортных средствах. В настоящее время услугами спутниковой связи в движении пользуются спецслужбы и военные, в частности вооруженные силы США и НАТО, которые задействуют специальные хабы и большое количество спутников.

Поскольку Россия занимает чрезвычайно большую площадь, и в отдельных регионах отсутствует инфраструктура, спутниковая связь является одной из основных технологий информатизации труднодоступных территорий РФ и стран ближнего зарубежья.

Характеристики мобильных антенных систем должны обеспечивать беспроводной доступ в Интернет, LAN и мультимедийные услуги, а также прием программ широкого вещания на подвижных транспортных средствах через геостационарные спутники Ка / Ки- диапазонов.

Общие требования для оборудования класса СОТМ - высокая точность наведения антенн на спутник, автоматическое выключение передачи в случае превышения допустимой величины ошибки наведения и соблюдение ограничений по плотности потока мощности внеосевых излучений.

Характерная пропускная способность современных спутниковых линий связи составляет от сотен килобайт до единиц и десятков мегабайт в секунду. Для обеспечения высокой скорости передачи данных бортовая антенная система должна иметь высокие значения ЭИИМ (эффективная изотропно-излучаемая мощность) (G-25-40 dBi) и чувствительности приемника, определяющие энергопотенциал терминала [71]. Это обуславливает необходимость применения бортовых узконаправленных антенн.

Для устойчивого сопровождения спутника - ретранслятора с борта движущегося ТС должно осуществляться точное наведение узкого антенного луча мобильного комплекса на спутник, в условиях маневрирования транспортного средства и колебаний, вызванных неровностями трассы.

Требования ограничения уровня помех для служб спутниковой радиосвязи, задаваемые международными соглашениями (стандарт Европейского института стандартизации в области телекоммуникаций ЕТ81 [57] и др.) и руководящими документами отрасли определяют ограничения по ЭИИМ внеосевых и побочных излучений антенны терминала спутниковой связи, а также требования по механике. Последние включают требования по стабильности и точности наведения.

Так, для У8АТ-станций,в соответствии с руководящим документом отрасли РД.45.412-2003 [32] на любой частоте в рабочем диапазоне и в пределах всех азимутальных и угломестных направлений, предусмотренных для ориентации антенны, антенный пост должен обеспечивать точность наведения оси ДН передающей антенны менее ширины ДН основного лепестка по уровню минус 1 дБ. Аналогичные требования задаются для других, в том числе подвижных земных станций спутниковой связи.

Точное наведение антенны также уменьшает энергетические потери, что значительно повышает качество приема и передачи информационного сигнала мобильным терминалом. Зависимость достоверности передаваемых данных от отношения сигнал/шум на бит для типовых методов канального кодирования и модуляции цифрового сигнала, применяемых в спутниковых линиях связи, характеризуется высокой крутизной. Таким образом, даже относительно небольшое повышение отношения сигнал/шум на бит за счет улучшения точности наведения дает значительное снижение ВЕЛ, которое может исчисляться порядками.

Для обеспечения точности наведения в терминалах связи предусмотрен блок управления антенной, который корректирует ее ориентацию. Небольшие допустимые габариты аппаратуры, размещаемой на ТС, требуют совмещения

разных функций в одном устройстве (в частности, прием информационного сигнала и создание канала слежения). Отсюда актуальной является задача совмещения функций и аппаратуры измерительной, управляющей и телекоммуникационной систем мобильного терминала.

Серьезную проблему представляют также вопросы оптимального комплексирования данных систем, включая совместный выбор их параметров. Одной из ключевых характеристик при этом может служить результирующая точность наведения, которая в условиях маневрирующей подвижной платформы определяет принципиальную возможность получения качественного информационного сигнала.

В настоящей работе рассматривается организация наведения по измерениям антенного датчика. Исследуются варианты с использованием информационного и пилот-сигнала.

Метод построения бортовой системы наведения на ретрансляционный спутник, основанный на использовании информационного сигнала, не требует применения специальной антенны и приемников наведения, а также инерциальных и других внешних датчиков, то есть обеспечивает совмещение функций измерительной и телекоммуникационной подсистем.

В работе исследуется также возможность совместной оптимизации функционирования измерительной и управляющей систем (совместный выбор параметров данных систем на основе критерия минимума энергетических потерь наведения).

Таким образом, тематика диссертационной работы связана с актуальными проблемами повышения помехозащищенности, достоверности и стабильности передачи информации, а также совмещения функций и оптимального комплексирования подсистем подвижного терминала связи.

Наведение антенны подвижного терминала на спутник во время движения обеспечивается за счет применения различных методов и алгоритмов. Наиболее распространенным методом точного наведения в бортовых терминалах связи в настоящее время является использование внешних, главным

образом инерциальных гироскопических датчиков. В комбинации с акселерометрами, на основе достаточно сложных математических методов создаются БИНС (IMU) - бесплатформенные инерциальные навигационные системы [7, 2, 52, 51]. Такие системы имеют высокую стоимость, и остается необходимость комплексирования их с антенными датчиками, осуществляющими прием информационного сигнала.

В существующих мобильных приемно-передающих комплексах в настоящее время используются только достаточно простые методы сопровождения спутника по измерениям антенного датчика, такие как экстремальный алгоритм ("step-tracking"). Известны также комбинированные системы наведения, в которых быстрые колебания транспортного средства отрабатываются гиродатчиками, а дрейф гиродатчиков исправляется периодическим включением алгоритма "step-tracking". В комбинированных системах также возникают значительные проблемы комплексирования.

В настоящей работе рассмотрен подход, который можно рассматривать как альтернативный - сопровождение спутника на основе траекторией фильтрации измерений антенного датчика, в совокупности с измерениями энкодеров (оптоэлектронных датчиков углового положения оси относительно платформы) в системе координат, связанной с ТС. Такой подход представляется целесообразным для исследования, поскольку как антенный датчик, так и энкодеры являются высокоточными и лишены такого недостатка гироскопических датчиков, как временной уход оси, требующий периодической коррекции. Траекторная фильтрация может служить эффективным инструментом повышения точности оценки координат спутника, обеспечения устойчивости и требуемой полосы рабочих частот системы управления, а также использоваться для повышения стабильности наведения.

Применение методов траекторией фильтрации особенно актуально для систем наведения, работающих по информационному сигналу, который характеризуется небольшим отношением сигнал/шум на бит (12-15 дБ в существующих и до 6-7 дБ в перспективных системах спутниковой связи) и,

соответственно, значительной флюктуационной ошибкой единичных измерений. Снижение отношения сигнал/шум играет большую роль для систем связи на транспортных средствах, где необходима малая апертура антенны.

Алгоритмы траекторной фильтрации широко применяются для стационарных наземных систем слежения за движущимся спутником на околокруговых, эллиптических орбитах, либо для возмущенного кеплеровского движения [59, 64, 63]. Однако для подвижных комплексов связи такие исследования практически отсутствуют. Вопрос об эффективности траекторной фильтрации при сопровождении спутника в системе координат маневрирующего ТС, в условиях отсутствия детерминированной модели движения и малой статистической определенности траекторных возмущений, остается малоизученным, что связано со сложностью построения развитых траекторных моделей, конкретных для данного вида ТС. Такие программные модели динамики транспортных средств появились в последние годы [23, 24, 55 и др.], что сделало возможным исследовать в данной работе на их основе применение методов траекторной фильтрации измерений антенного датчика в бортовых системах.

Учитывая отмеченные выше моменты, актуальной является разработка методов наведения на спутник-ретранслятор для подвижного

телекоммуникационного терминала,

- обеспечивающих требования по устойчивости и точности наведения на спутник, определяемые условиями электромагнитной совместимости, налагаемыми на земные станции спутниковой связи;

- реализующих высокое качество информационного сигнала (достоверность и стабильность) за счет минимизации энергетических потерь наведения;

-обеспечивающих совмещение функций и оптимальное комплексирование телекоммуникационной, измерительной и управляющей систем;

- практически реализуемых с учетом ограничений, характерных для бортовых систем спутниковой связи (по энергетическому балансу линии связи,

применяемым аппаратурным и схемотехническим решениям, массо-габаритным характеристикам терминала и др.).

Такая система наведения, в принципе, может быть построена на основе измерений антенных датчиков и методов траекторной фильтрации.

В связи с приведенным обоснованием тема диссертации является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение достоверности и стабильности передачи данных, уровня помехозащищенности, совмещение функций телекоммуникационной и измерительной систем в подвижном комплексе спутниковой связи путем построения методов точного наведения антенного луча на спутник-ретранслятор с борта транспортного средства (поезд) на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика.

Объектом исследования является система управления наведением антенного луча на геостационарный спутник-ретранслятор в подвижном комплексе спутниковой связи на поезде.

Предметом исследования являются вопросы построения аппаратурно-алгоритмических методов наведения, основанных на траекторной фильтрации измерений антенного датчика, и оценки их эффективности для повышения качества передачи информации и помехозащищенности.

Задачи диссертационного исследования

1. Сравнительный анализ методов управления наведением антенного луча на спутник в существующих бортовых комплексах спутниковой связи.

2. Разработка математических и программных методов оптимизации системы управления наведением на базе траекторной фильтрации измерений антенного датчика, для бортовых комплексов с электронным, механическим и комбинированным сканированием, информационного и пилот-сигнала.

3. Исследование возможности совмещения функций измерительной и телекоммуникационной систем за счет наведения по антенным измерениям уровня информационного сигнала без использования дополнительных датчиков ориентации.

4. Оценка возможности повышения помехозащищенности, достоверности и стабильности передачи информационного сигнала за счет применения в задаче точного наведения методов траекторной фильтрации.

5. Обоснование требований к параметрам антенной измерительной системы, обеспечивающим заданный допустимый уровень энергетических потерь наведения, определяемый бюджетом линии связи.

6. Разработка базовых математических и программно-алгоритмических моделей (траекторная модель, модель энергетических потерь наведения, модель точности и устойчивости системы наведения), имитационных моделей функционирования комплекса связи.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории связи, статистической радиотехники, теории автоматического управления, вычислительной математики, теории вероятности, калмановской фильтрации, а также методы имитациониого моделирования.

Новые научные результаты

1. Разработана методика точного наведения на спутник-ретранслятор в бортовом комплексе спутниковой связи (поезд) на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика, с использованием нетипового минимаксного критерия оптимизации, обеспечивающего гарантированный уровень показателей достоверности, стабильности передачи информации и помехозащищенности при движении транспортного средства, включая участки маневрирования.

2. Показана возможность организации высокоточного наведения по антенным измерениям уровня информационного сигнала с низким отношением сигнал/шум в условиях маневрирования транспортного средства, что позволяет совместить функции измерительной и телекоммуникационной систем подвижного терминала связи за счет исключения дополнительных датчиков ориентации, связанной с ними аппаратуры и алгоритмов.

3. Разработан вычислительный алгоритм многопараметрической оптимизации системы управления наведением по минимаксному критерию

точности (гарантированный минимум энергетических потерь и ошибки наведения), обеспечивающему минимум верхнего порога вероятности битовой ошибки передаваемой информации, на основе численного метода последовательного квадратичного программирования.

4. Предложен и параметрически оптимизирован по критерию гарантированного минимума энергетических потерь, при заданных ограничениях на устойчивость, ряд схемных вариантов системы наведения с дополнительным введением траекторных а — ¡3-у- фильтров на входе системы и внутри звеньев коррекции.

5. Показана эффективность предложенной модификации метода траекторной фильтрации измерений антенного датчика для улучшения функционирования спутниковой линии связи (снижение ВЕЯ до двух порядков и более, сокращение доли времени нарушения условий устойчивого приема информационного сигнала в сотни раз, доли времени нарушения требований помехозащищенности в единицы раз).

6. Исследованы точность и устойчивость построенных систем управления наведением в зависимости от параметров бортового измерительного комплекса (отношение сигнал/шум, темп измерений, медленноменяющаяся ошибка, время задержки, положение спутника в секторе электронного сканирования) и параметров движения транспортного средства.

7. Построен комплекс вычислительно-аналитических методик в программных средах МАТЬАВ, МАТНСАО, 81МиЬШК, реализующих расчет характеристик системы управления наведением, траекторную модель, модель энергетических потерь, оптимизационные методы и имитационные модели функционирования систем комплекса связи.

Научная новизна результатов определяется следующими факторами.

1. В существующих бортовых комплексах спутниковой связи основным методом наведения является использование внешних датчиков ориентации. Антенный датчик используется, главным образом, как вспомогательное

средство для корректировки показаний внешних датчиков. В отличие от этого, в работе рассматривается сопровождение спутника по измерениям антенного датчика как самостоятельного средства, что позволяет упростить системное построение комплекса связи, в частности, совместив функции измерительной и телекоммуникационной систем.

2. В единичных разработках для бортовых систем спутниковой связи, где наведение осуществляется по измерениям антенного датчика, используется простой экстремальный алгоритм. В настоящей работе рассматривается наведение на основе траекторной фильтрации антенных измерений, что позволяет максимально снизить энергетические потери.

3. Методы траекторной фильтрации широко применяются в радиолокации, однако используемые в стационарных системах слежения за спутниками методы калмановской фильтрации, основанные на известных уравнениях движения, неприменимы для бортовых систем ввиду маневрирования ТС и плохой статической определенности траекторных возмущений (неровностей трассы). Относительным аналогом могут служить только методы сопровождения маневрирующих целей.

4. В работе использован известный класс траекторных фильтров «скользящего» сглаживания для сопровождения маневрирующих объектов, однако для оптимального выбора параметров системы наведения предложен нетиповой минимаксный критерий точности, в отличие от применяемого в радиолокационных системах критерия минимума дисперсии ошибки слежения. Минимаксный критерий более соответствует специфическим задачам обеспечения достоверности передаваемых данных, требований по помехозащищенности в части точности наведения, стабильности канала связи, поскольку регулирует эти факторы не в среднем, а в каждый момент работы, включая участки маневров ТС.

5. Рассмотрено применение траекторных фильтров не только для теоретически известной задачи сглаживания единичных измерений антенного датчика, но и внутри звеньев коррекции системы управления.

6. Анализ энергетических потерь наведения и соответствующих показателей стабильности и достоверности передачи информации по каналу связи выполнен на основе максимально приближенных к реальным траекторных моделей движения ТС (программный комплекс «Универсальный механизм»), что позволяет получить более достоверные оценки показателей качества функционирования подвижного комплекса связи.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в развитии методов математической оптимизации и программно-алгоритмического моделирования систем подвижного комплекса спутниковой связи, для решения задач повышения достоверности и стабильности передачи информации, уровня помехозащищенности, совмещения функций и оптимального комплексирования телекоммуникационной, измерительной и управляющей систем.

Практическая ценность

1. Показана возможность построения высокоточной системы наведения в составе подвижного комплекса спутниковой связи на поезде на основе измерений антенного датчика и энкодеров, реализуемой с учетом ограничений по энергетическому балансу линии связи и требований регламента по помехозащите в части стабильности и точности наведения, устанавливаемых для спутниковых систем связи.

2. Обоснована возможность совмещения функций измерительной и телекоммуникационной систем терминала подвижной связи путем организации наведения на спутник-ретранслятор на основе антенных измерений информационного сигнала, что позволяет исключить дополнительные датчики ориентации в составе измерительной системы, связанную с ними с ними аппаратуру и алгоритмы управления.

3. Разработан метод выбора параметров системы наведения, обеспечивающий минимальные ошибки наведения и энергетические потери при наихудших траекторных характеристиках ТС, что позволяет повысить

гарантированный уровень помехозащищенности, стабильности приема информационного сигнала и достоверности передаваемых данных.

4. Разработан комплекс программ, реализующий процедуры численной многопараметрической оптимизации, имитационные модели

функционирования систем комплекса подвижной спутниковой связи и вспомогательные алгоритмы, позволяющий на стадии проектирования определить эффективность использования различных вариантов структуры и параметров систем для повышения качества передачи данных. Соответствие диссертации паспорту научной специальности

В соответствии с пунктом 11 Паспорта специальности 05.12.13 «Разработка научно-технических основ технологии создания сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного функционирования», в диссертации разработаны методики проектирования подвижного терминала спутниковой связи, обеспечивающие повышение эффективности функционирования по критериям помехозащищенности, стабильности канала связи и достоверности передаваемой информации, путем минимизации энергетических потерь и ошибок наведения на основе специальных модификаций методов траекторной фильтрации антенных измерений.

В соответствии с пунктом 13 Паспорта «Разработка методов совмещения телекоммуникационных, измерительных и управляющих систем», в диссертации разработан метод высокоточного наведения по антенным измерениям уровня информационного сигнала, без применения дополнительных датчиков ориентации в составе измерительной системы, что позволяет совместить функции телекоммуникационной и измерительной систем подвижного терминала спутниковой связи.

В соответствии с пунктом 14 «Разработка методов исследования, моделирования и проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций», в диссертации разработаны методы исследования характеристик управляющей, телекоммуникационной и измерительной систем

подвижного терминала спутниковой связи, основанные на программно-аналитическом и имитационном моделировании показателей точности наведения на спутник-ретранслятор, уровня стабильности канала связи, достоверности передаваемой информации и помехозащищенности. Методы позволяют осуществить оптимальный выбор параметров систем подвижного терминала связи на этапе проектирования.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в разработках ОАО «Радиофизика» в рамках ОКР «Изучение вариантов построения низкопрофильной высокоэффективной мобильной антенны спутниковой связи для установки на поезде».

Результаты могут быть использованы в научных и инженерных исследованиях организаций, занимающихся проектированием подвижных систем спутниковой связи и телевидения, с целью повышения технических характеристик разрабатываемых систем.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследовательских работ по теме диссертации были обсуждены и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях и форумах:

• 50-я научная конференция МФТИ. Москва-Долгопрудный, 2007 г.

• VI Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии», Москва, 2008 г.

• VII Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии», Москва, 2009 г.

• VIII Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии», Москва, 2010 г.

• II Межотраслевой молодёжный научно-технический форум «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики — 2010» , Москва, 2010 г.

Достоверность результатов работы обеспечена совпадением результатов, полученными методами численной оптимизации и имитационного моделирования, сравнением с аналогичными научно- техническими разработками, апробациями на научных конференциях, публикацией результатов исследования в рецензируемых научных изданиях.

Базовый вариант метода наведения, основанного на траекторной фильтрации измерений антенного датчика, технически реализован и проявил работоспособность при испытаниях.

Публикации по работе. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах [25, 26, 27, 28, 29, 30, 48, 49, 50]. Из них 4 работы опубликованы в периодическом издании, рекомендуемом ВАК (журнал «Радиотехника»).

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы составляет 193 страницы, включая 62 рисунка. Список литературы содержит 74 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика организации наведения на спутник-ретранслятор на основе траекторной фильтрации измерений антенного датчика (включая возможность работы по информационному и пилот-сигналу) с борта подвижного комплекса спутниковой связи на поезде.

2. Алгоритм многопараметрической оптимизации системы управления наведением на основе критерия гарантированного минимума энергетических потерь, специфичного для системы связи (случаи механического, электронного и комбинированного сканирования).

3. Структурные схемы системы управления наведением с использованием траекторных а-р—у - фильтров на входе системы и в звеньях коррекции.

4. Оценки повышения эффективности функционирования телекоммуникационной системы по критериям достоверности передаваемой информации, стабильности канала связи и помехозащищенности, за счет

снижения энергетических потерь и ошибок наведения на основе предложенного варианта траекторной фильтрации.

5. Обоснование вывода о возможности совмещения функций телекоммуникационной и измерительной систем путем организации наведения по антенному датчику информационного сигнала.

6. Результаты исследования точности и устойчивости построенных систем управления наведением в зависимости от характеристик бортового измерительного комплекса и внешних факторов.

7. Комплекс вычислительно-аналитических методик в программных средах МАТЪАВ, МАТНСАВ, БШиЬШК, реализующих расчет характеристик системы управления наведением, траекторную модель, модель энергетических потерь, оптимизационные методы и имитационные модели функционирования систем комплекса связи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пыхов, Юрий Александрович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Акопов В. С. Системы управления приводами. Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, С.Петербург, 2006 г. - 35 с.

2. Алешкин М.В. Математические модели, методы и алгоритмы обработки избыточной информации измерительного блока / В.В. Алешкин, A.C. Матвеев, М.В. Алешкин // Интернет и инновации: Сб. трудов Междунар. конф. Саратов: СГТУ, 2008 г. С. 377-380. - 103 с.

3. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. М., Сов. Радио, 1976. - С. 60. - 392 с.

4. Бесекерский В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. С-Петербург, "Профессия", 2003 г. - 752 с.

5. Блох В. Помехоустойчивое кодирование для передачи цифрового телевидения по каналам связи. http://www.broadcasting.ru/articles2/codobor/pomehoystoichivoe-kodirovanie-dlya-peredachi

6. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем управления. Московский физико-технический институт (ГУ). http://applmech.fizteh.iii/library/books/a_4b495r.html

7. Водичева Л. В. Повышение надежности и точности бесплатформенного инерциального измерительного блока при избыточном количестве измерений // Гироскопия и навигация. 1997 г. № 1. С. 55-67.

8. Выбор оптимального метода модуляции сигнала в современных цифровых системах радиосвязи, моделирование в среде AWR DESIGN ENVIRONMENT. Московский Государственный Университет, Москва, 2008 г

9. Герман-Галкин С. Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001 г.-320 с.

10. Зубарев Ю.Б., Кривошеев M.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы. НИИР, 2001 - 568 с.

П.Измайлов Ю. ФГУП "Космическая связь", 2004 г. http.7Avww.rscc.ni/n.i/company/publ/2004.12.17.html

12. Келсо Т.С. «Основы геостационарной орбиты», 1998 г. http://sky.metroland.ru/index. php?id=25

13. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М., "Советское радио", 1974 г. -432 с.

14. Лазарев Ю., Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005 г. - 512 с.

15. Мартынов A.A. Проектирование электроприводов. Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, С.-Петербург, 2004 г. - 97 с.

16. Мобильные системы связи. Московский институт электронной техники, 2010 г. http://www.mielt.ru/dir/cat40/subj 1572/file773.html

17. Никольский B.B. Антенны. M., "Связь", 1966 г. - 368 с.

18. Основы построения радиотехнических систем управления: Учебное пособие. А.К. Востриков, С.М. Долотов, В.Г. Красюк, А.У. Митин. Киев, 1981 г.-82 с.

19. Основы проектирования следящих систем. Под редакцией А.Н. Лакоты. М., «Машиностроение» , 1978 г. - 391 с.

20. Отчет по НИР "Исследование возможностей создания многолучевой ЦИФАР для наземных подвижных средств, с целью повышения помехозащищенности каналов связи "Космос-Земля" и обеспечения непрерывной связи с группировкой КА на геостационарной и высокоэллиптической орбитах". // М.: ОАО Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца, 2001 г. -88 с.

21.Первачев C.B. и др. Статистическая динамика радиотехнических следящих систем. М.: Сов. Радио, 1973 г. - 489 с.

22. Песков С.П., Ищенко А.Е. Расчет вероятности ошибки в цифровых каналах связи, http://wvvw.telesputnik.rU/archive/pdf/l 81/70.pdf

23. Погорелов Д.Ю. и др. Программный комплекс "Универсальный механизм" (демо-версия). Брянский государственный технический университет, http://unilab.ru

24. Погорелов Д.Ю. Введение в моделирование динамики систем тел: Учеб. пособие. Брянск: БГТУ, 1997. - 156 с.

25. Пыхов Ю.А., Яковлева С.Ю. Выбор траекторного фильтра автосопровождения ретрансляционного спутника с борта поезда // Тез. докл. VI Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии», М., 2008 г. С. 18 - 20.

26. Пыхов Ю.А, Яковлева С.Ю. Оптимизация комбинированных схем коррекции в системе управления механическим сканированием антенного луча при автосопровождении спутника-ретранслятора с борта поезда // Тез. докл. VIII Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии», М., 2010 г. С. 7,8.

27. Пыхов Ю.А, Яковлева С.Ю. Построение схем коррекции с использованием траекторных фильтров в системе управления электронным и электронно-механическим позиционированием антенного луча при автосопровождении спутника-ретранслятора с борта поезда. -Радиотехника (Журнал в журнале), № 11, 2012 г. («Радиолокация и связь» № 14). С. 16-26.

28. Пыхов Ю.А, Яковлева С.Ю. Следящая система с коррекцией траекторным фильтром и жесткой обратной связью по скорости для автосопровождения телекоммуникационного спутника с борта поезда // Тез. докл. VII Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь -перспективные технологии», М., 2009 г. С. 14-17.

29. Пыхов Ю.А. Выбор оптимального фильтра автосопровождения ретрансляционного спутника связи с борта маневрирующего

железнодорожного экипажа. Труды 50-й научной конференции МФТИ. Часть I. Москва - Долгопрудный, 2007 г. С. 145-147.

30. Пыхов Ю.А. Исследование комбинированных схем коррекции в системе автосопровождения телекоммуникационного спутника с борта поезда // Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск № 45. М., 2011 г. http.7/wwvv.mai.ru/science/trudv/Dublished.php?ID=25485

31. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике. Том 1. М., "Мир", 1986 г.-348 с.

32.Руководящий документ отрасли РД.45.412-2003. Станции спутниковой связи типа VSAT Ku-диапазона частот. Общие технические требования и методы испытаний.

33.Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. 2002 г. - 458 с. С. 467-468.

34.Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издательский дом «Вильяме», 2007 г. - 1104 с.

35. Сколник М., Введение в технику радиолокационных систем, пер. с англ. М., 1965 г.-748 с.

36. Смирнова В.И., Петров Ю.А., Разинцев В.И.. Основы проектирования и расчета следящих систем. М., Машиностроение, 1983 г. - 294 с.

37. Современная радиолокация, пер. с англ., М., 1969 г. - 704 с.

38. Стандарт DVB-S2. Новые задачи — новые решения // Журнал по спутниковому и кабельному телевидению и телекоммуникациям «Телеспутник» http://www.telesputnik.ru/archive/116/article/62.html

39. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана. М., "Советское радио", 1970 г. - 560 с.

40.Тепляков И.М. Энергетические потенциалы радиолиний и особенности распространения радиоволн в спутниковых телекоммуникационных системах. Системы и средства телекоммуникаций, вып. 3-4, 1994.

41.Тепляков И.М. Радиолинии космических систем передачи информации, Сов. Радио, 1975 г.

42.Тепляков И.М. Радиосистемы передачи информации, Радио и связь, 1982 г.

43. Учебное пособие: Технология цифровой связи. АЛМАТИНСКИИ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ. Алматы: АИЭС, 2008 г.- 61 с.

44. Хансен Р.Ц., Марков Г.Т., Чаплин А.Ф - Сканирующие антенные системы СВЧ том 1 -"Советское Радио", M., 1966 г. - 269 с.

45. Черных И. В. SIMULTNK: среда создания инженерных приложений / Под общ. ред. к. т. и. В. Г. Потемкина. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003 г. -496 с.

46. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М: Радио и связь, 1981 г. -416с.

47. Эскизный проект "Сканирующая антенна для подвижной станции спутниковой связи в Ки - диапазоне". АОЗТ "Апекс", М., 2004 г. - 92 с.

48. Яковлева С.Ю., Пыхов Ю.А. Параметрическая оптимизация траекторных фильтров в антенной системе автосопровождения спутника-ретранслятора с борта поезда. - Радиотехника (Журнал в журнале), № 10, 2009 г. («Радиолокация и связь» № 8). С. 69-77.

49. Яковлева С.Ю., Пыхов Ю.А. Анализ комбинированных схем коррекции в системе управления механическим позиционированием антенного луча при автосопровождении спутника-ретранслятора с борта поезда -Радиотехника (Журнал в журнале), № 10, 2011 («Радиолокация и связь» № 12). С. 15-22.

50. Яковлева С.Ю., Пыхов Ю.А. Выбор оптимального фильтра автосопровождения ретрансляционного спутника с борта железнодорожного состава - Радиотехника (Журнал в журнале), 2009 г , № 7, («Радиолокация и связь» № 7). С. 57-63.

51. A Guide То using IMU (Accelerometer and Gyroscope Devices) in Embcdded Applications, http://www.starlino.com/imu_guide.html

52. ADIS16405: High Precision Tri-Axis Gyroscope, Accelerometer, Magnetometer. http://www.analog.com/en/mems-sensors/mems-inertial-measurement-units/adisl6405/products/product.html

53.Comtech EF Data. Satellite Modem with Optional IP Module Installation and Operation Manual For Firmware Version 1.6.15 or higher. Part Number MN/CDM570L.IOM, Revision 12.

http://www.comtechefdata.com/rdes/manuals/mn-modems-pdr/mn-cdm570-570L.pdf

54. Corretjer and Minerath D., High data rate SATCOM on-the-move for an ambulance, in: International Symposium on Advanced Radio Technology, ISART, Boulder, CO, 1-3 March, 2005.

55. Cyrus M. and Beck J. Generalized Two- and Three-Dimensional Clipping. Computers & Graphics, Vol. 3, pp. 23-28, 1978.

56. Densmore, Jamnejad V., "A Satellite-Tracking K- and Ka-Band Mobile Vehicle Antenna System," IEEE Trans. On Vehicular Technology, Vol. 42, No. 4, pp. 502-513, Nov. 1993.

57.ETSI EN 301428 Vl.2.1 (2001-02). Candidate Harmonized European Standard (Télécommunications series). Satellite Earth Stations and Systems (SES); Harmonized EN for Very Small Aperture Terminal (VSAT);Transmit-only, transmit/receive or receive-only satellite earth stations operating in the 11/12/14 GHz frequency bands covering essential requirements under article 3.2 of the R&TTE directive.

58. Fixed and Mobile Terminal Antennas. A. Kumar, 1991. - 357 p.

59. Hawkins G.J., Edwards D.J., McGeehan J.P., "Tracking Systems for Satellite Communications," IEE Proceedings, Vol. 135, No.5, pp. 393-407, Oct. 1988. http://www.analog.com/en/mems-sensors/meins-inertial-

sensors/adis 16405/products/product.html

60. Ioakimidis, T.E., Wexler, R.S. Commercial Ku-band SATCOM on-the-move using a hybrid tracking scheme. Proceedings of the Military Communications Conference (MILCOM), Vol. 2, pp. 780 - 784, October, 2001.

61. Iwnicki, Simon D. The Manchester benchmarks for rail vehicle simulation / ed. by S. Iwnicki. - Lisse: Swets & Zeitlinger, 1999. - 199 p.

62. Jeon S. I., CHoi J.I., Yim Ch.S., Lee S.P., Shishlov A.V. Vehicular active antenna system with combined electronical and mechanical beam steering for reception from DBS in Ku-band (invited paper), Proc. of The XXVIII Moscow Internat. Conf. on Antenna Theory and Techn., Moscow, Russia, pp. 249-252, Sept. 1998.

63. Juen G., Cozzani A. Ka-band servo concepts for ground segment TTC antennae. Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications. Conference, Noordwijk, Netherlands, September, 2001.

64. Juen G., Droll P. Real Time Satellite Trajectory Estimation with an Extended Kalman Filter. TTC 2007 - Final Paper.

65. KVH Gyros, IMUs & INS's http://www.kvh.com/Commercial-and-OEM/Gyros-and-Inertial-Systems-and-Compasses/Gyros-and-IMUs-and-INS.aspx

66. Mobile Antenna Systems Handbook. 3-rd edition. K. Fujimoto. Artech House, Boston-London, 2008. - 710 p.

67. Ogle T. L. and Blair W. D., "Fixed-lag alpha-beta filter for target trajectory smoothing" . IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. 40, no. 4, pp. 1417-1421,2004.

68. Proceedings of the 7-th International Symposium on Advanced Radio Technologies, Boulder, Colorado, March, 2005. http://www.ece.umd.edu/~icorretj/Publications/hdrsotm-isart05.pdf

69.Roddy D. "Satellite Communications", McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 256

70. Schena V., Ceprani F., "FIFTH Project Solutions Demonstrating New Satellite Broadband Communication System for High Speed Train," Vehicular Technology Conference, Vol. 5, pp. 2831-2835, May 2004.

71. Shishlov A.V., "Vehicular Antennas for Satellite Communications", Proceedings of the International Conference on Antenna Theory and Technique, pp. 34-39. Kiev, 2011.

72. Soon Young Eom, Seong Ho Son, Young Bae Jung, Soon Ik Jeon, S. Ganin, A. Shubov, A. Tobolev, A. Shishlov. Design and Test of a Mobile Antenna System with Tri-band Operation for Broadband Satellite Communications and DBS Reception. IEEE Trans, on antenna Propagation, Vol. 55, No. 11, Nov. 2007.

73. Target Tracking. Albega filter. 2002. http://code.eng.buffalo.edu/tracking/albega_filter/main.htm

74. Yakovleva S.Yu., Park C.G., Yarmola V.V., Lee J.W., Jeon S.I., " Foundations of information processing and control algorithms for a vehicle satellite tracking system," Proc. of The XXVIII Moscow Intemat. Conf. on Antenna Theory and Techn., Moscow, Russia, pp. 249-252, Sept. 1998.