Повышение помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, доктор наук Важенин Николай Афанасьевич

• Важенин Николай Афанасьевич
• доктор наук
• 2017

Оглавление диссертации доктор наук Важенин Николай Афанасьевич

введение

глава 1 радиосистемы космической связи и электрические ракетные двигатели в задачах освоения ближнего и дальнего космоса

1.1 Особенности и направления использования электрических ракетных двигателей в

задачах освоения ближнего и дальнего космоса

1.1.1 Задачи и области применения электрических ракетных двигателей в задачах освоения ближнего и дальнего космоса

1.1.2 Проекты изучения и освоения дальнего космоса

1.1.3 Виды, принципы функционирования, основные характеристики и компоновочные схемы перспективных электрических ракетных двигателей для освоения ближнего и дальнего космоса

1.1.4 Основные электрофизические характеристики плазменных струй ЭРД

1.2 Воздействие ЭРД на радиосистемы КА

1.2.1 Основные факторы, связанные с функционированием ЭРД

1.2.2 Влияние ЭРД на характеристики радиоканала связи с КА

1.3 Принципы построения и основные характеристики радиосистем космической связи ближнего и дальнего космоса

1.3.1 Радиосистемы космической связи ближнего космоса

1.3.2 Радиосистемы дальней космической связи

1.4 Цель исследования и решаемые научно-технические задачи

1.5 Выводы

глава 2 методы и экспериментальные установки для исследования в наземных условиях характеристик излучения электрических ракетных двигателей в радиодиапазоне

2.1. Нормативно-метрологические и методические основы проведения

экспериментальных исследований и моделирования излучения ЭРД в радиодиапазоне

2.1.1 Нормативно-метрологические основы экспериментальных измерений

2.1.2 Методология экспериментальных исследований

2.2 Анализ современного состояния экспериментальных установок и методов

измерения характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне

2.2.1 Экспериментальные установки на основе вакуумных камер

2.2.2 Экспериментальные установки с использованием безэховых камер

2.3 Основные имеющиеся результаты измерения характеристик излучения ЭРД в

радиодиапазоне

2.3.1 Результаты измерения характеристик излучения ЭРД в частотной области

2.3.2 Результаты измерения характеристик излучения ЭРД во временной области

2.4 Экспериментальная установка НИИ ПМЭ МАИ для измерения в наземных условиях

характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне

2.4.1 Конструктивные особенности реализации безэховой камеры

2.4.2 Комбинированная экспериментальная установка НИИ ПМЭ МАИ

2.5 Измерительный аппаратно-программный комплекс для определения спектрально-временных характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне

2.5.1 Архитектура и принципы построения измерительного аппаратно-программного комплекса

2.5.2 Алгоритмы управления измерительными приборами и обменом данными

2.5.3. Методы измерения и калибровки измерительного комплекса

2.5.4 Математические методы и программные средства для обеспечения проведения, обработки и интерпретации результатов экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне

2.6. Методика измерения характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне

2.7 Выводы

глава 3 результаты экспериментальных исследований в наземных условиях характеристик излучения электрических ракетных двигателей в радиодиапазоне

3.1 Результаты экспериментальных измерений характеристик радиоизлучения ЭРД модели СПД-70

3.1.1 Спектральные характеристики радиоизлучения ЭРД модели СПД-70

3.1.2 Характеристики радиоизлучения ЭРД модели СПД-70 во временной области

3.2 Результаты экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД моделей СПД-100

3.2.1 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-100 в спектральной области

3.2.2 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-100 во временной области

3.3 Результаты экспериментальных измерений характеристик радиоизлучения ЭРД моделей СПД-140

3.3.1 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-140 в спектральной области

3.3.2 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-140 во временной области

3.4 Результаты! экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД модели АИПД-50 в радиодиапазоне

3.5 Результаты! экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД модели ВЧИД-10

3.6 Результаты: экспериментального исследования характеристик излучения полого катода СПД

3.7 Результаты: сравнения экспериментальных измерений в металлической и безэховой

вакуумных камерах

3.8 выводы

глава 4 характеристики и математические модели излучения стационарных плазменных двигателей в радиодиапазоне

4.1 Характеристики и математические модели радиоизлучения стационарных плазменных двигателей в частотной области

4.1.1 Характеристики собственных и внешних эквивалентных тепловых шумов на входе приемной системы

4.1.2 Характеристики эквивалентного аддитивного белого гауссового шума на входе приемной системы, обусловленного радиоизлучением СПД

4.1.3 Оценка влияния радиоизлучения СПД на шумовые характеристики систем космической связи

4.2 Характеристики и математические модели радиоизлучения стационарных плазменных двигателей во временной области

4.2.1 Статистические спектрально-временные характеристики и параметры радиоизлучения СПД

4.2.2 Математические модели и законы распределения амплитуд случайных импульсных помех

4.2.3 Законы распределения интервалов следования импульсов

4.2.4 Законы распределения длительностей импульсов

4.2.5 Сравнительный анализ математических моделей и результатов экспериментальных измерений

4.3 Обобщенная математическая модель радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

4.4 Выводы

глава 5 имитационное моделирование радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

5.1 Архитектура и алгоритмы реализации программно-алгоритмического комплекса для

имитационного моделирования излучения стационарных плазменных двигателей в радиодиапазоне

5.1.1 Структура и принципы функционирования программного комплекса

5.1.2 Алгоритмы реализации программного комплекса

5.2. Верификация программного комплекса для имитационного моделирования радиоизлучения стационарных плазменных двигателей в радиодиапазоне

5.2.1 Планирование экспериментов с имитационной моделью радиоизлучения СПД

5.2.2 Проведение имитационного моделирования и анализ экспериментальных и модельных реализаций сигналов радиоизлучения СПД

5.2.3 Анализ экспериментальных и модельных статистических характеристик амплитуды и фазы комплексной огибающей радиоизлучения СПД

5.2.4 Анализ экспериментальных и модельных характеристик радиоизлучения СПД в спектральной области

5.2.5 Анализ экспериментальных и модельных статистических характеристик интервалов следования импульсов, их длительности и законов распределения пиковых значений импульсов радиоизлучения СПД

5.2.6 Анализ экспериментальных и модельных статистических характеристик теплового шумового радиоизлучения СПД

5.3 Выводы

глава 6 аналитические и имитационные модели радиосистем космической связи для оценки влияния радиоизлучения

стационарных плазменных двигателей

6.1 Аналитические модели и методы для оценки достоверности передачи информации в

радиосистемах космической связи в условиях воздействия случайных импульсных

помех

6.1.1 Оценка достоверности передачи информации в цифровых радиосистемах связи в условиях воздействия случайных импульсных помех: основные имеющиеся результаты

6.1.2 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи в условиях воздействия импульсных помех: обобщение аналитической модели Миддлтона

6.2 Принципы имитационного моделирования радиосистем космической связи в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

6.3 Имитационная модель информационного канала радиосистемы космической связи в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

6.4 Математические и имитационные модели каналов фазовой и символьной

синхронизации в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового

шума и излучения стационарных плазменных двигателей

6.4.1 Математические модели следящих систем синхронизации

6.4.2 Математические модели систем фазовой синхронизации

6.4.3 Математические модели систем символьной синхронизации

6.4.4 Обобщенная имитационная модель радиосистемы космической связи с каналами фазовой и символьной синхронизации в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

6.4.5 Анализ характеристик статистических эквивалентов систем символьной синхронизации при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

6.5 Верификация имитационной модели космической радиосистемы передачи информации

6.6 Выводы

глава 7 анализ помехоустойчивости радиосистем

космической связи при воздействии радиоизлучения

стационарных плазменных двигателей

7.1 Анализ влияния радиоизлучения стационарных плазменных двигателей на достоверность передачи информации с использованием имитационных моделей радиосистем космической связи

7.1.1 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи с модуляцией ФМн-2 в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.1.2 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи с модуляцией ФМн-4 в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.1.3 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи с модуляцией ФМн-8 в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.1.4 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи с модуляцией ФМн-16 в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.1.5 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи с модуляцией КАМ-16 в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.1.6 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи с модуляцией КАМ-64 в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.1.7 Анализ зависимости вероятности битовой ошибки от параметра ц и вида модуляции в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

7.2 Методика определения энергетического проигрыша радиосистем космической

связи, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

7.2.1 Методика определения характеристик радиоизлучения стационарных плазменных двигателей, необходимых для оценки помехоустойчивости передачи информации

7.2.2 Математические модели для расчета энергетических характеристик радиоканала

7.2.3 Расчет отношения сигнал-шум с учетом шумовой компоненты излучения стационарных плазменных двигателей

7.2.4 Расчет отношения сигнал-импульсная помеха с учетом импульсной компоненты излучения стационарных плазменных двигателей

7.2.5 Многомерная аппроксимация результатов расчета вероятности битовой ошибки, полученных с использованием имитационного моделирования

7.3 Анализ энергетического проигрыша радиосистем космической связи при

воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

7.4 Выводы

глава 8 методы квадратурной компенсации импульсных помех и рекомендации по повышению помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

8.1 Анализ достоверности передачи информации в радиосистемах космической связи с квадратурным компенсатором импульсных помех в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей

8.1.1 Алгоритм функционирования квадратурного компенсатора импульсных помех

8.1.2 Анализ эффективности квадратурного компенсатора импульсных помех

8.2 Методы и алгоритмы оценки текущего отношения сигнал-шум в радиосистемах космической связи

8.2.1 Исходные соотношения для оценки отношения сигнал-шум

8.2.2 Алгоритмы оценки отношения сигнал-шум на основе квадратурных компонент сигнала

8.2.3 Сравнительный анализ ошибок оценки отношения сигнал-шум

8.3 Оценка отношения сигнал-шум при воздействии импульсных помех стационарных плазменных двигателей

8.3.1 Алгоритмы оценки отношения сигнал-шум при воздействии импульсных помех от стационарных плазменных двигателей

8.3.2 Анализ точности оценки отношения сигнал-шум при воздействии импульсных помех от стационарных плазменных двигателей

8.4 Рекомендации по разработке и созданию радиосистем космической связи, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей

8.5 Выводы

заключение

список сокращений и условных обозначений

список литературы

приложение а. примеры расчета энергетического бюджета радиолинии «земля-ка» при воздействии радиоизлучения

стационарных плазменных двигателей

приложение б. зависимость энергетического проигрыша от суммарного отношения сигнал-шум и отношения сигнал-импульсная помеха

приложение в. характеристики точности оценки отношения сигнал-шум в присутствии аддитивных случайных импульсных помех

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей»

Общая характеристика работы

Накопление и совершенствование научных знаний о Земле и космическом пространстве, предоставление услуг в интересах социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества, создание научно-технического задела для перспективных космических комплексов и систем являются одними из приоритетных целей государственной политики России в области космической деятельности [1].

Важная роль в решении данных задач отводится электроракетным двигательным установкам (ЭРДУ) на базе электрических ракетных двигателей (ЭРД), которые уже длительное время используются и хорошо зарекомендовали себя при управлении ориентацией, коррекции орбит, довыведении космических аппаратов (КА) в околоземном пространстве и в качестве маршевых двигателей в программах исследования дальнего космоса. При этом дальнейшее развитие ЭРД ожидается в направлении увеличения их мощности, использования в многоразовых межорбитальных космических буксирах, а в перспективе - и межпланетных буксирах с мощными энергодвигательными установками.

Актуальность темы исследования

При реализации проектов с использованием ЭРД необходимо учитывать, что они являются источниками электромагнитного излучения в радиодиапазоне, которое имеет шумоподобный характер и недостаточно изученную спектрально-временную структуру и оказывает электродинамическое воздействие на бортовые радиосистемы КА. При определенных условиях это может существенно повлиять на энергетический потенциал и характеристики помехоустойчивости радиолиний, в особенности при проектировании систем радиосвязи с КА дальнего космоса.

В связи с этим актуальным является решение научно-технической проблемы повышения помехоустойчивости радиосистем космической связи, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения, возникающего при работе ЭРД, в частности таких отработанных и широко распространенных на практике, как стационарные плазменные двигатели (СПД), на основе результатов экспериментального определения характеристик их излучения в наземных условиях.

Степень разработанности темы диссертации

Большой вклад в развитие теории и техники, а также во внедрение ЭРД в космическую технику внесли многие отечественные и зарубежные ученые и инженеры, начиная с таких пионеров практической разработки ЭРД как В.П. Глушко, А.В. Жаринов, А.И. Морозов, Г.А. Попов, В.П. Ким, E. Stuhlinger, H.R. Kaufman, H.W. Loeb и др.

Экспериментальному изучению и теоретическому анализу характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне посвящены работы таких ученых, как E.J. Beiting, J.E. Pollard, D.H. Manzella, J.M. Sankovic, C.J. Sanniento, K. Nishiyama, Y. Shimizu, I. Funaki, H. Kuninaka, K. Toki, Г.Г. Шишкин, К.П. Кирдяшев, А.П. Плохих и др.

Несмотря на то, что экспериментальному изучению и анализу характеристик собственного излучения ЭРД в радиодиапазоне посвящено достаточно большое количество публикаций, в основном они носят локальный характер и ограничиваются частными случаями измерений. С учетом сложной спектрально-временной структуры излучения и его индивидуального характера для различных типов ЭРД, опубликованные результаты не могут напрямую быть использованы для обобщенного анализа влияния этого излучения на функционирование радиосистем космической связи (РСКС). Кроме того, анализ помехоустойчивости РСКС с учетом наличия импульсной компоненты и негауссовского закона распределения помехи представляет собой достаточно сложную математическую задачу.

В целом вопросам анализа воздействия негауссовских помех на характеристики помехоустойчивости радиосистем передачи информации посвящено большое количество работ зарубежных и отечественных авторов, среди которых следует отметить работы таких исследователей, как D. Middleton, P.A. Bello, R.A. Esposito, A.D. Spaulding, S. Miyamoto, M. Katayama, N. Morinaga, B. Shepelavey, В.С. Понкратов, О.Е. Антонов и др. Однако, полученные в них конечные аналитические результаты, как правило, соответствуют некоторым асимптотическим условиям, которые во многих случаях для реальных режимов работы ЭРД не выполняются.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют адекватные математические модели излучения ЭРД, основанные на учете тонкой спектрально-временной структуры излучения ЭРД, а также систематический анализ и количественные оценки влияния этого излучения на достоверность передачи информации и помехоустойчивость радиосистем космической связи.

Цель диссертационной работы и решаемые научно-технические задачи

Целью работы является повышение эффективности функционирования РСКС при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей на основе разработки научно-методической базы и проведения экспериментальных исследований характеристик излучения СПД в радиодиапазоне, разработки математических и имитационных моделей этого излучения и проведения исследования его влияния на характеристики помехоустойчивости РСКС.

Для достижения указанной цели и научно-методического обеспечения проектирования РСКС перспективных КА, оборудованных ЭРД, необходимо решение следующих научно-технических задач:

- экспериментальное исследование спектрально-временной структуры собственного электромагнитного излучения ЭРД в радиодиапазоне;

- разработка на основе результатов экспериментальных исследований феноменологических математических и имитационных моделей собственного излучения ЭРД в радиодиапазоне для их дальнейшего использования при проектировании радиосистем космической связи;

- разработка математических и имитационных моделей радиосистем космической связи, исследование их характеристик помехоустойчивости в условиях воздействия излучения ЭРД;

- анализ и количественная оценка влияния излучения ЭРД в радиодиапазоне на характеристики помехоустойчивости радиосистем космической связи для различных типов РСКС и ЭРД;

- разработка и исследование методов борьбы с негативным влиянием излучения ЭРД в радиодиапазоне на характеристики помехоустойчивости РСКС.

Методология и методы исследования заключаются в комбинированном использовании экспериментальных методов исследования, расчетно-теоретических методов при разработке математических моделей систем и процессов и методов имитационного моделирования на ЭВМ. В работе использовался математический аппарат теории электрической связи, математического анализа, теории вероятностей и математической статистики.

Программная реализация алгоритмов управления измерительным комплексом, сбора и обработки данных при проведении экспериментальных исследований, имитационного моделирования излучения ЭРД в радиодиапазоне и функционирования РСКС осуществлялась в среде МАТЬАВ^тиНпк (лицензия 874554).

Объектом исследования являются функционирующие совместно радиосистемы космической связи и электрические ракетные двигатели типа СПД.

Предметом исследования являются методы экспериментальных измерений собственного излучения ЭРД типа СПД в радиодиапазоне, характеристики, математические и имитационные модели этого излучения, математические и имитационные модели радиосистем космической связи, функционирующих в условиях совместного воздействия теплового шума и излучения ЭРД, и характеристики их помехоустойчивости.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

1. Разработаны и апробированы принципы построения экспериментальных стендов для исследования собственного радиоизлучения ЭРД в наземных условиях, которые реализованы при создании многофункционального экспериментального стенда НИИ ПМЭ МАИ, позволяющего исследовать помехоэмиссию различных типов ЭРД мощностью до 20 кВт.

2. Разработан комплекс методов, математических моделей, аппаратно-программных и программно-алгоритмических средств, а также технических решений для экспериментального

исследования характеристик радиоизлучения стационарных плазменных двигателей в наземных условиях и анализа влияния этого излучения на помехоустойчивость радиосистем космической связи с КА, оснащенными ЭРД, позволивший впервые получить количественные оценки помехоустойчивости в этих условиях и разработать методы ее повышения.

3. Экспериментально установлено, что радиоизлучение СПД, кроме тепловой компоненты, может иметь выраженную импульсную компоненту, представляющую собой случайную последовательность широкополосных радиоимпульсов. Статистические и энергетические характеристики этой последовательности зависят от типа СПД, режима его работы и рассматриваемого частотного диапазона.

4. Экспериментально определена спектрально-временная структура и параметры излучения СПД в радиодиапазоне, на основе проведенных экспериментальных исследований и их статистической обработки сформирована информационная база данных спектрально-временных характеристик радиоизлучения для различных типов СПД и их интегральных параметров, необходимая для разработки и реализации математических и имитационных моделей такого излучения.

5. Разработана и апробирована методика обработки результатов экспериментальных измерений для определения характеристик структурных составляющих излучения СПД в радиодиапазоне, включающих тепловую и нетепловую компоненты излучения, и их количественных параметров.

6. Исследовано влияние на характеристики излучения СПД его функциональных и конструктивных элементов. Установлено, что электродинамические процессы в катоде-компенсаторе на основе полого катода являются одной из причин возникновения нетеплового излучения СПД в радиодиапазоне. Показано, что результаты измерения текущих параметров радиоизлучения СПД могут быть использованы для контроля состояния и оптимизации параметров работы СПД.

7. Разработаны и апробированы обобщенные математические модели излучения СПД в радиодиапазоне: на основе модифицированной модели Фурутсу-Ишида и на основе моделей Холла и стробированного гауссовского шума. Для их реализации разработаны методы и алгоритмы имитационного моделирования радиоизлучения СПД, позволяющие создавать программные и аппаратные имитаторы радиоизлучения СПД, которые могут быть использованы как для исследования помехоустойчивости радиосистем космической связи, так и при проведении наземных испытаний бортового оборудования КА.

8. Проведено и апробировано обобщение модели Миддлтона класса А при совместном воздействии белого гауссовского шума и случайных импульсных помех для асимптотического

случая импульсной помехи с длительностью импульса много меньше длительности канального символа для анализа помехоустойчивости в условиях воздействия радиоизлучения СПД.

9. Впервые для типовых методов фазовой и амплитудно-фазовой модуляции ФМн-2, ФМн-4, ФМн-8, ФМн-16, КАМ-16, КАМ-64, используемых в РСКС, получены количественные оценки зависимости вероятности битовой ошибки и энергетического проигрыша радиосистем космической связи от отношения сигнал-шум, отношения сигнал-импульсная помеха и временных параметров импульсного излучения используемых и перспективных моделей СПД.

10. Разработаны новые методы и алгоритмы их реализации для борьбы с влиянием импульсной составляющей излучения СПД, основанные на адаптивном выделении и квадратурной компенсации таких помех. По сравнению с типовым алгоритмом ШОУ («широкая полоса - ограничитель - узкая полоса»), предложенные методы обеспечивают энергетический выигрыш от 1.5 до 5 дБ.

11. Для оптимизации работы квадратурного компенсатора импульсных помех разработаны новые алгоритмы оценки текущего отношения сигнал-шум в условиях воздействия импульсных помех, которые являются работоспособными во всем рассматриваемом диапазоне отношений сигнал-шум и сигнал-импульсная помеха, а при отношении сигнал-шум более 5 дБ обеспечивают точность оценки не хуже 10.. .20%.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что

1. Разработан и апробирован уникальный многофункциональный экспериментальный стенд НИИ ПМЭ МАИ для исследования собственного радиоизлучения ЭРД в наземных условиях, включающий в себя «радиопрозрачный» вакуумный отсек с исследуемым ЭРД, интегрированный в подвижную безэховую камеру, оснащенную автоматизированным комплексом измерения излучения в радиодиапазоне, соединенный с основной вакуумной камерой, снабженной системой откачки, воспроизводящей условия космического пространства, позволяющий исследовать помехоэмиссию различных типов ЭРД мощностью до 20 кВт.

2. Разработан комплекс методов, математических моделей, аппаратно-программных, программно-алгоритмических средств и технических решений, основанный на использовании многофункционального экспериментального стенда НИИ ПМЭ МАИ, позволяющий проводить экспериментальные исследования и измерения характеристик радиоизлучения электрических ракетных двигателей в наземных условиях и на этой основе получать оценки помехоустойчивости радиосистем космической связи и разрабатывать методы ее повышения.

3. Исследованы спектрально-временные характеристики радиоизлучения моделей ЭРД (СПД-70, СПД-100, СПД-140, ВЧИД-10, АИПД-50) для различных режимов работы. Экспериментально показано, что минимальный уровень излучения обеспечивается при номинальных режимах работы СПД, а переход к высоковольтным режимам и увеличение

расхода рабочего тела могут приводить к увеличению уровня излучения на 10 и более децибел, что необходимо учитывать при проектировании КА, оснащенных ЭРД.

4. Экспериментально установлено, что во временной области излучение СПД состоит из двух компонент, одна из которых представляет собой тепловой шум, а вторая имеет выраженный импульсный характер. Обе компоненты существенно зависят от режима работы СПД. Показано, что закон распределения мгновенных значений излучения СПД является негауссовым, а распределение амплитуды существенно отличается от рэлеевского. Определены и проанализированы статистические характеристики радиоизлучения СПД, что позволяет разрабатывать математические модели нового класса помех, источником которых является СПД.

5. Экспериментально установлено, что на спектральные и временные характеристики излучения СПД может оказывать существенное влияние длительность его временной наработки. Так, например, на частоте 2 ГГц уровни излучения «нового» и «изношенного» на 85% образца СПД могут отличаются на 10 дБ, что необходимо учитывать при расчете энергетического потенциала радиолинии космической связи.

6. Экспериментально показано, что при одновременной работе нескольких СПД из-за взаимного влияния плазменных струй увеличение суммарной интенсивности излучения происходит не пропорционально числу работающих двигателей, что необходимо учитывать при проектировании радиосистем связи с КА, оснащенных кластерами СПД.

7. Разработан имитатор радиоизлучения стационарных плазменных двигателей, алгоритм работы которого базируется на разработанных математических и имитационных моделях радиоизлучения СПД. Имитатор позволяет обеспечить проведение как комплексных наземных испытаний КА, так и исследование влияния излучения СПД на помехоустойчивость конкретных радиосистем космической связи.

8. Впервые получены и исследованы количественные оценки помехоустойчивости радиосистем космической связи в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей, позволяющие принимать обоснованные технические решения при проектировании и выборе параметров радиосистем космической связи. Показано, что при отношении сигнал-импульсная помеха больше 30 дБ и отношении сигнал-шум до 10.. .16 дБ энергетический проигрыш из-за влияния излучения СПД не превышает 1 дБ, а при отношении сигнал-импульсная помеха менее 20 дБ, что характерно для радиосистем дальней космической связи, может достигать величины от 2 до 12 дБ в зависимости от используемого метода модуляции.

9. Предложены новые методы, алгоритмы и пути их технической реализации для борьбы с импульсными помехами, создаваемыми излучением ЭРД. Проведенные исследования их эффективности показали, что выигрыш по сравнению с алгоритмом ШОУ по вероятности

битовой ошибки может достигать 3.3.4.5 раз, а энергетический выигрыш может быть равен 1.5.5 дБ, в зависимости от отношений сигнал-импульсная помеха и сигнал-шум.

10. Для оптимизации работы квадратурного компенсатора импульсных помех СПД предложены и исследованы новые методы и алгоритмы оценки текущего отношения сигнал-шум в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей работоспособные во всем рассматриваемом диапазоне отношений сигнал-шум и сигнал-импульсная помеха.

11. Разработанные методы, математические модели и алгоритмы доведены до реализации в виде аппаратно-программных и программно-алгоритмических комплексов, которые могут быть использованы в инженерной практике при проектировании радиосистем космической связи и передачи данных, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения ЭРД.

Реализация и внедрение результатов работы

Полученные экспериментальные, теоретические, методические и практические результаты диссертационной работы использовались при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в частности, с ОАО «ИСС им. акад. М.Ф. Решетнева», ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», ФГУП «ЦНИИмаш», МНИИПУ, НИИ ПМЭ МАИ, а также в учебном процессе ФГБОУВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)». Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся:

1. Комплекс методов, математических моделей, аппаратно-программных, программно-алгоритмических средств и технических решений, основанный на использовании разработанного комбинированного экспериментального стенда, включающего в себя «радиопрозрачный» вакуумный отсек с исследуемым ЭРД, интегрированный в мобильную безэховую камеру, оснащенную средствами измерения излучения в радиодиапазоне, и соединенный с основной вакуумной камерой, снабженной системой откачки, воспроизводящей условия космического пространства, позволяющий проводить экспериментальные исследования и измерения характеристик радиоизлучения электрических ракетных двигателей в наземных условиях.

2. Результаты экспериментальных измерений и статистического анализа спектрально-временных и энергетических характеристик радиоизлучения стационарных плазменных двигателей, подтверждающие, что:

- во временной области излучение СПД состоит из двух компонент, одна из которых представляет собой тепловой шум, а вторая - случайную последовательность импульсов с внутриимпульсной амплитудно-частотной модуляцией, с параметрами, зависящими от типа СПД, режима его работы и рассматриваемого частотного диапазона;

- при переходе от номинальных режимов работы к высоковольтным уровень спектральных составляющих излучения ЭРД существенно возрастает, например, в диапазоне 0.8.7 ГГц от 2 до 20 дБ, в зависимости от типа ЭРД и режима его работы. Изменение расхода рабочего тела также оказывает существенное влияние (до 10.20 дБ) на интенсивность радиоизлучения в диапазоне частот 1.9 ГГц;

- энергетический уровень и спектрально-временные характеристики излучения СПД зависят от величины его временной наработки: так на частоте 2 ГГц уровень излучения «изношенного» на 85% образца СПД по отношению к «новому» может увеличиться на 10 дБ;

- при одновременной работе нескольких СПД увеличение суммарной интенсивности излучения происходит не пропорционально числу работающих двигателей, что связано с взаимным экранированием излучения плазменными струями и ослаблением сигналов в плазменной среде.

- в стационарных плазменных двигателях процессы в катоде компенсаторе на основе полого катода являются одной из причин возникновения импульсного излучения в радиодиапазоне.

3. Разработанные на основе результатов экспериментальных измерений математические и имитационные модели излучения СПД, обеспечивающие количественную оценку помехоустойчивости радиосистем космической связи в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей и создание имитаторов радиоизлучения СПД для проведения комплексных испытаний КА в наземных условиях.

4. Разработанные методика и программно-алгоритмические средства для оценки помехоустойчивости радиосистем связи, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения СПД, позволяющие определить величину энергетического проигрыша радиосистем связи как функцию отношений сигнал-шум, сигнал-импульсная помеха и временных параметров импульсной помехи. При этом энергетический проигрыш при отношении сигнал-импульсная помеха больше 30 дБ и отношении сигнал-шум до 10.16 дБ не превышает 1 дБ, а при отношении сигнал-импульсная помеха менее 20 дБ может достигать величины от 2 до 12 дБ в зависимости от используемого метода модуляции.

5. Разработанные алгоритмы реализации квадратурного компенсатора импульсных помех, обеспечивающие выигрыш по вероятности битовой ошибки при оптимальных значениях порогов, отношении сигнал-шум 10 дБ и отношении сигнал-импульсная помеха 0 и 5 дБ по сравнению с квадратурным ограничителем импульсных помех (ШОУ) 4.5 и 3.3 раз соответственно, а энергетический выигрыш по сравнению с ШОУ при отношении сигнал-шум от 12 дБ и ниже от 1.5 дБ при отношении сигнал-импульсная помеха 10 дБ (BER=8•10"4) до 5 дБ при отношении сигнал-импульсная помеха 0 дБ (BER=1.5•10"2).

6. Разработанные для оптимизации работы квадратурного компенсатора импульсных помех алгоритмы оценки текущего отношения сигнал-шум в условиях воздействия импульсных помех являющиеся работоспособными во всем рассматриваемом диапазоне отношений сигнал-шум (10 дБ ... 30 дБ), а при отношении сигнал-шум более 5 дБ и отношении сигнал-импульсная помеха от 0 дБ до 30 дБ обеспечивающие точность оценки не хуже 10.20%.

Достоверность результатов работы обеспечивается:

- корректным использованием методов теории вероятностей и математической статистики;

- строгим использованием математического аппарата для всех полученных научных результатов, соответствием в определенных случаях полученных результатов результатам других авторов, опубликованным в отечественной и зарубежной литературе;

- масштабной экспериментальной проверкой предложенных математических моделей и совпадением в частных случаях результатов имитационного моделирования на ЭВМ с известными аналитическими решениями;

- использованием измерительных средств и оборудования, прошедших своевременную поверку и метрологическую аттестацию.

Апробация результатов работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на 30 международных и всероссийских научно-технических конференциях: 25, 27, 32, 33, 34 International Electric Propulsion Conference (1997,2001,2011,2013,2015); The Second World Space Congress, International Astronautical Federation (IAF) (Houston, TH, USA, 10-19 October 2002); The 2004 International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC2004) (Sendai/Matsushima, Miyagi-Pref., JAPAN July 6-8, 2004); 9, 10 Российские научно-технические конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность»; 6, 7, 13 Международные конференции "Авиация и космонавтика" (Москва. 2007, 2008, 2014); 37th COSPAR Scientific Assembly 2008. (Montreal, Canada, 13-20 July, 2008); XXIX General Assembly of the International Union of Radio Science. Union Radio Scientific International (URSI). (Chicago, Illinois, USA, August 07-16, 2008); 20th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility. EMC Zurich 2009. (ETH Zurich, Switzerland. 12-16 January, 2009); 8, 9 Международные Симпозиумы по радиационной плазмодинамике. (Москва, 2009, 2012); Международный симпозиум и выставка по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. ЭМС-2011. (Санкт-Петербург, Россия, 13-16 сентября, 2011); 29th International Symposium on Space Technology and Science (29th ISTS). (Nagoya-Aichi, Japan, June 2-9, 2013); 5th Russian-German Conference on Electric Propulsion and Their Application "Electric Propulsion - New Challenges". (Dresden, Germany, 7-12 Sep, 2014); ВНТК "Системы связи и радионавигации". (Красноярск, 2014,2016); Международная научно-техническая конференция

"Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях" "СИНХРОИНФО 2016". (Самара, 2016); The 6th Russian-German Conference on Electric Propulsion and Their Application. (Samara, 28 August - 2 September, 2016); VI Всероссийская научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость" (Москва, 18-19 Мая 2017).

Публикации по теме диссертации

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 66 работах, из них - 1 монография, 1 учебное пособие с грифом Минобрнауки, 24 статьи, в том числе 22 - в изданиях из списка ВАК Минобрнауки России, из них 8 - в изданиях, входящих в системы Scopus и Web of Science, сделано 30 докладов на международных и всероссийских конференциях, 9 работ опубликовано без соавторов, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 2 патента РФ на полезную модель, 2 патента РФ, 3 патента США и 1 патент ЕС на изобретение.

Личный вклад автора

Работа является результатом исследований, проводимых автором с 1995 года по настоящее время.

При разработке и создании экспериментального многофункционального стенда НИИ ПМЭ МАИ для исследования собственного радиоизлучения ЭРД в наземных условиях автор принимал участие в разработке принципов построения и путей технической реализации стенда. Им лично разработан и апробирован комплекс методов, математических моделей, аппаратно-программных и программно-алгоритмических средств и технических решений для автоматизированного измерительного комплекса, обеспечивающего экспериментальные измерения, обработку результатов и анализ характеристик радиоизлучения стационарных плазменных двигателей в наземных условиях,

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Важенин Николай Афанасьевич, 2017 год

внешних источников

Основными источниками внешних шумов для приемников (наземного и бортового) системы космической связи являются радиоизлучение космических источников, тепловое радиоизлучение атмосферы, собственное тепловое радиоизлучение поверхности Земли и отраженное от поверхности Земли радиоизлучение атмосферы и космических источников. В случае наличия на борту КА работающего ЭРД к вышеупомянутым источникам шумов, применительно в основном к бортовому приемнику, добавляется шум ЭРД. Во многих случаях радиоизлучение таких источников может быть описано спектральной плотностью потока мощности П у и

спектральной интенсивностью (яркостью) Iу [68].

Спектральная плотность потока мощности характеризует поток мощности, излучаемый источником в единичной полосе частот и проходящий через единичную площадку в направлении, нормальном к этой площадке. Единицей измерения спектральной плотности потока является Вт/м2 • Гц.

Спектральной интенсивностью называют предел отношения бесконечно малого потока ЛП у к величине бесконечно малого телесного угла АО, который имеет размерность

Вт

м2 Гц • стерад

АП у

I(У) = Нт-у- . (4.7)

АП^О АО

В общем случае для источников радиоизлучения характерна зависимость интенсивности излучения I, от координат (0,р) в сферической системе координат, связанной, например, с

приемной антенной, и описываемая функцией I, (0,р), где 0 - угол азимута, а р - угол места

в сферической системе координат. В этом случае спектральная плотность потока мощности в телесном угле источника —и определяется соотношением

П , = | I, . (4.8)

Спектральная интенсивность радиоизлучения теплового происхождения с помощью классической формулы Релея-Джинса выражается через яркостную температуру Тя [68]

Т

I, = ^ (4.9)

Яркостная температура источника радиоизлучения Тя определяется как эквивалентная температура абсолютно черного тела (АЧТ), спектральная интенсивность излучения которого равна интенсивности исследуемого источника. В общем случае Тя является функцией координат излучающих точек источника (0,р) и характеризует распределение интенсивности радиоизлучения по источнику [68].

Источники радиоизлучения с пространственно неравномерным распределением интенсивности характеризуются яркостей температурой, усредненной по телесному углу и называемой эффективной яркостной температурой:

1 г

Тяэф =—\ Тя (0,р)^. (4.10)

—и —

Для источников с равномерным распределением интенсивности Тяэф = Тя . Мощность шумов в полосе А,, наводимых в антенне тепловым радиоизлучением окружающего пространства, описываемым распределением интенсивности I, (0,р), определяется соотношением

—и

Ра =4Г |1, (0,9) SA (в,ф№-.

4л

(4.11)

|Тя (0,9) gа (в,ф)№

4л

4л

Здесь учтено, что эффективная площадь приемной антенны

SA (0,9) = ^-GAgA (0,9), (4.12)

4л

где Оа = О0АцА - коэффициент усиления антенны в направлении максимума излучения; О0А,цА - коэффициент направленного действия и КПД антенны соответственно, gA(0,9) -

нормированная диаграмма направленности антенны по мощности.

С другой стороны, мощность тепловых шумов в антенне можно выразить через эффективную температуру антенны, как

Ра = къТАэфЬ, . (4.13)

Из сравнения (6.11) и (6.13) видно, что

Таэф = ОлIТя(0,9)gА(0,9УШ. (4.14)

4л

Эффективная шумовая температура антенны представляет собой термодинамическую температуру согласованного с антенной сопротивления, при которой мощность тепловых шумов сопротивления равна мощности шумов, наведенных в антенне излучением окружающего пространства.

Учитывая, что

Оа |gа(0,р№ = 4л , (4.15)

4л

можно записать

| Тя (0,р) gA

| g а (0,р^0

ТАэФ =4л г , -. (4.16)

ТА

4л

Формула (4.16) позволяет рассчитать эффективную температуру антенны, если известны ее диаграмма направленности и распределение яркостной температуры внешних источников шумов. При этом пределы интегрирования могут быть разбиты на части, соответствующие каждому источнику.

Рассмотрим частный случай точечного источника шумового радиоизлучения с яркостной температурой Тяточ, при этом

1/тт (0,9) = ^^^¿(П), (4.17)

А

где ¿(О) - дельта-функция от телесного угла О.

Предположим также, что приемная антенна имеет изотропную диаграмму направленности,

т.е.

GAgA(0,9) - 1. (4.18)

В этом случае в соответствии с (4.8) получаем

2кЬТ 2кЬТ 32

П Ь я точ Ь я точ ^ (4 19)

3т°ч ~ А ~ с2 . ( . )

Аналогично по измеренной плотности потока мощности можно рассчитать его яркостную температуру

П3 А2 П3 с2

-т7 _ 3 точ _ 3 точ /л ллч

Тято4" ~ ~2к3 (420)

где 3 - частота, А - длина волны излучаемого сигнала, с - скорость света. Соответственно из (4.16) и (4.20) следует, что в этом случае эквивалентная шумовая температура антенны, определяемая внешними источниками шумового радиоизлучения, может быть определена, как

Та фф = ^. (4.21)

4ж

В случае, когда в пределах диаграммы направленности антенны Тя (0,ф) = Тяравн, из (4.16)

следует, что ТА Эфф = Тя равн .

4.1.2 Характеристики эквивалентного аддитивного белого гауссового шума на входе приемной системы, обусловленного радиоизлучением СПД

Рассмотрим математические соотношения, позволяющие рассчитывать уровень эквивалентного аддитивного белого гауссовского шума, связанного с собственным электромагнитным излучением (ЭМИ) ЭРД, на входе приемного тракта систем космической связи. Настоящая методика, алгоритмы и программное обеспечение базируются на использовании результатов экспериментальных измерений характеристик собственного ЭМИ ЭРД.

В процессе измерения характеристик излучения ЭРД, как было показано в Главе 3, на экспериментальной установке определяются спектрально-временные характеристики излучения, в частности, зависимость напряженности электромагнитного поля (ЭМП) от частоты в апертуре измерительной антенны, установленной на расстоянии Dmgr от ЭРД [6].

Экспериментальные исследования характеристик излучения ЭРД показали, что во многих случаях, например, при относительно узкополосном приемном тракте, ЭРД является источником эквивалентного шумового излучения, которое в полосе пропускания приемника в первом приближении можно считать белым гауссовским шумом [168].

Пусть в результате экспериментальных исследований получено эффективное значение напряженности электромагнитного поля Еу ^ , имеющее размерность дБмкВ/м, измеренное

на расстоянии Dmgr от ЭРД в полосе частот . Для каждой частоты данное значение может

быть пересчитано в соответствующее значение напряженности электромагнитного поля, выраженное в В/м

ЕЕ Дf , --6

Е, = 10 20 , (4.22)

} mgr Д 4 у

или в эквивалентное значение спектральной плотности потока мощности в Вт/м2Гц, рассматриваемое в полосе Д/^ц,

Е2

п =-(4.23)

3 ш$т 7 д 3

^0^4 КВШ

где 70 = 120^ - волновое сопротивление свободного пространства, - полоса частот, в

которой осуществлялось измерение характеристик излучения ЭРД (для / > 1 ГГц эта полоса обычно принимается равной 1 МГц).

Аналогично может быть определена плотность потока мощности для фонового излучения вакуумной камеры П/о. При этом спектральная плотность потока мощности собственного

излучения ЭРД может быть определена как

П 3 =П 3 -П 3 . (4.24)

3 ЕРТ 3 шгт 3 0 4 '

С другой стороны,

ПгЕРТ = Ь, (4.25)

ЕРТ ЬкВШт ¥квш р

где Р/Брт - эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) ЭРД (Вт) на частоте / в полосе 43тш, коэффициент Ьр определяет потери, связанные с распространением радиосигнала в ионизированной среде. Следовательно,

Е2 - Е2

РГЕРТ = ^П3ЕРТЬ = ^ 1т7 . 3043 , (4.26)

7 0 • Ьр

а мощность шумового сигнала от ЭРД в полосе на входе приемника может быть

определена как

Р------Г Ешяг ^ 1Е 2 шет 43 Е2043 ^ ^Л „

2

Р = 3ЕРТ С т = шят I 4 3 шет 43_3 0 4/' ЛЯх ,ЛКх ,их (4 27)

= ' --2 Сл«хТх = [ J 2{)Ьр 4ж ' ( )

"ЕРТ 4яО

соответственно, спектральная плотность мощности на входе приемника будет равна

N = x

EPT

P f D Y E2 " E2 ) g л л A

^mgr I V fmgr 4f f 0 f>KJARx'lASx4RX^_ (4 28)

EPT

квш V ^Кх ) 'КВШ ' Тр 4п

где SA , GA , ?]А - эффективная площадь, коэффициент направленного действия и КПД приемной антенны для заданного угла визирования ЭРД, 0Кх - расстояние между ЭРД и приемной антенной, Л - длина волны несущего колебания, г]Кх - коэффициент передачи приемного фидерного тракта.

В (4.27) учтено, что обычно выполняется условие 3А >> Л2 и тогда можно воспользоваться взаимосвязью эффективной площади антенны с коэффициентом усиления антенны по мощности GA :

ар

SA = — 0А nA . (4.29)

А 4п А

Если в качестве модели шумового излучения ЭРД использовать АБГШ, то по известным экспериментальным данным для рассматриваемого частотного диапазона можно определить приращение эквивалентной шумовой температуры антенны, вызванное работой ЭРД:

T = NEPT _ ^ f mgr 4f f 0 4f

-i PDT

(e2 - E2 )ga nA nR— f D Y

V fmgr tf f 0 tf > ARx Rx IRx mgr

kb 4n

■ kb Z04fRB W ' Lp

V DRx J

(4.30)

Примеры зависимости эквивалентной шумовой температуры антенны, связанной с шумовым излучением ЭРД, для различных значений фонового шума приведены на Рисунке 4.3. Расчеты проводились для ненаправленной антенны GA = 1, пАкх = 1, — = 4.2 см, Dmgr = DRx = 1 м.

Расчетное значение уровня шумового фона на частоте 7.2 ГГц для 290°К составляет примерно 43.4 дБмкВ/м/МГц, что хорошо совпадает с результатами экспериментальных измерений. График зависимости эквивалентной шумовой температуры антенны, связанной с работой ЭРД, от измеренного уровня суммарного шумового сигнала на входе антенны приведен для тех же исходных данных на Рисунке 4.4.

На Рисунке 4.5 приведены зависимости приращения эквивалентной шумовой температуры за счет излучения ЭРД от расстояния приемной антенны до ЭРД. Графики приведены для различных значений уровня собственного излучения ЭРД от 44 до 60 дБмкВ/м/МГц, измеренных на расстоянии 1 м от ЭРД. В качестве примера расчеты проводились для остронаправленной приемной антенны, аналогичной использованной в проекте Deep Space 1 [21], [169].

Предполагалось, что ширина главного лепестка антенны по уровню половинной мощности 8°, коэффициент усиления антенны примерно 27.4 дБ и антенна располагается на расстоянии Я от ЭРД. Уровень боковых лепестков ДНА принят равным -30 дБ по отношению к главному лепестку, то есть коэффициент усиления при приеме излучения ЭРД по боковым лепесткам составил -2.6 дБ.

Рисунок 4.3 - Зависимость шумовой Рисунок 4.4 - Зависимость шумовой температуры от измеренного уровня шума температуры от измеренного уровня шума

Рисунок 4.5 - Зависимость шумовой Рисунок 4.6 температуры от расстояния до ЭРД

Зависимость шумовой

температуры от коэффициента усиления приемной антенны

Видно, что эквивалентная шумовая температура ЭРД существенно зависит от расстояния приемной антенны от ЭРД и, варьируя этот параметр, можно добиться существенного ослабления влияния ЭРД на функционирование систем связи. Как показал анализ экспериментальных данных, средний уровень собственного излучения холловских ЭРД (например, СПД-100-2) может достигать 48 дБмкВ/м/МГц в диапазоне частот 0.8.2 ГГц. При этом диапазон возможных значений шумовой температуры за счет излучения ЭРД составляет от 20°К до 1000°К при изменении расстояния до ЭРД от 4 до 0.5 м.

Зависимость эквивалентной шумовой температуры ЭРД на входе приемного тракта от коэффициента усиления приемной антенны приведена на Рисунке 4.6 для тех же исходных данных и расстояния до ЭРД, равного 2 м.

Сводные данные по результатам экспериментального определения уровней собственного электромагнитного излучения ЭРД в диапазоне 7.8 ГГц и RBW=1 МГц приведены в Таблице 4.1. Полученные результаты вместе с результатами измерений, сведенными в Таблицу 4.1, могут служить исходными данными для расчета влияния собственного шумового излучения ЭРД (при использовании модели АБГШ) на характеристики приемного канала радиосистем космической связи.

Таблица 4.1 - Сводные данные об уровнях собственного электромагнитного излучения ЭРД в диапазоне частот 7.8 ГГц, выделенном для радиосистем дальней космической связи

)н е )Б д(

№ п/п ЭРД Потребляемая мощность (кВт) Уровень ЭМИ ( дБмкВ/м/МГц) Уровень фона (двигатель выключ (дБ мкВ/м/МГц) а н о ф е и н е а ы в е р к Источник Примечание

На частотах

1.18 ГГц в

1 SPT-100 0.66 42.44 0 [130] задней полусфере излучение не зафиксировано.

ВП1 ВП ВП

51.52 51.52 0 SN10 -

2 SPT-100 1.35 ГП2 48.60 SN10 52.57 ГП 48.50 SN10 48.50 ГП 0.10 SN10 4.7 [122] ресурсные испытания 500 час.

3 SPT-140 3.4 50.47 42.44 8.3 [8]

4 ВРТ-4000 На11 Шг^ег 3.4.5 53.45 44 9.1 [124]

ГП

5 ВРТ-4000 На11 Шг^ег 3.4.5 48.47 ВП до 53 43.44 до 10 [58]

1 ВП - вертикальная поляризация

2 ГП - горизонтальная поляризация

№ n/n ЭРД Потребляемая мощность (кВт) Уровень ЭМИ ( дБмкВ/м/МГц) Уровень фона (двигатель выключен) (дБмкВ/м/МГц) Превышение фона (дБ) Источник Примечание

6 BPT-4000 Hall thruster 3.4.5 60.65 52.54 8.11 [59] Для ресурсных испытаний. RBW=2MHz

7 Aerospace Corp. Hall thruster 0.4 56.53 51.52 5.1 [125]

8 СПД-100-1 37.5.42.5 35.39 2.5.4 [152]

9 СПД-100-2 до 41.45 35.38.5 6.6.5 [152]

10 СПД-100-3 до 39.5.44 38.42 1.5.2 [152]

11 СПД-140-2 39-43 37-42 2.1 [152]

Таким образом, разработанная математическая модель для учета влияния собственного ЭМИ ЭРД, в рамках сделанных допущений, позволяет в первом приближении количественно оценить влияние такого излучения на эквивалентные шумовые характеристики приемного тракта.

4.1.3 Оценка влияния радиоизлучения СПД на шумовые характеристики систем

космической связи

Рассмотрим методику расчета изменения отношения сигнал-шум на входе приемного тракта за счет шумового излучения СПД [168]. Для количественной оценки влияния излучения ЭРД на шумовые характеристики приемного тракта можно рассмотреть изменение уровня спектральной плотности мощности (СПМ) шума на входе приемного тракта за счет дополнительного шума (4.28), формируемого ЭРД, относительно СПМ теплового шума приемника:

V EPT

J T E2 - E2 Ga VA g A (ад^йД2

' EPT _ T EPT _ ^ fmgr 4f f0 4f ' A«x

Tn„ 4n- kbZ 0 4fRBWLpTno

V DRx J

(4.31)

2

здесь N ЕРТ - СПМ эквивалентного АБГШ, формируемого ЭРД на входе приемного тракта;

ГЕРТ - шумовая температура эквивалентного АБГШ, формируемого ЭРД на входе приемного

тракта; N = кьТ„0 - СПМ теплового АБГШ на входе приемного тракта; - шумовая

температура теплового АБГШ на входе приемного тракта;

С точки зрения наглядного представления результатов анализа влияния излучения ЭРД на шумовые характеристики приемного тракта удобно использовать показатель в виде относительного изменения отношения сигнал-шум на входе приемного тракта за счет влияния ЭРД, рассчитанного для максимальной дальности действия системы связи, то есть для порогового отношения сигнал-шум:

Херг =4- = -= 1 + ^ = 1 + ^ = 1 + , (4.32)

ЬЕрг Е'( N + NEFr) N Т ,Е"- к '

где Н02 - отношение сигнал-шум при выключенном ЭРД, совпадающее с пороговым отношением сигнал-шум, к'Е:рг - отношение сигнал-шум при включенном ЭРД, Е!10 - пороговое

значение энергии сигнала на максимальной дальности, характеризующее пороговую чувствительность приемного тракта. В этом случае изменение отношения сигнал-шум будет однозначно связано с изменением максимальной дальности действия системы связи.

Для проведения инженерных расчетов соотношение (4.31) удобно представить в следующем виде:

Г1ЕРТ = ЕЕРТ + GA + ^А + gA (6,ф) + цКх + Хс1Вт -

'ЕРТ ¡Ш ЕРТ ЛБыУ / т АКхв ' АКхв ° АКхв 4 ' 1 т

- ^ - Тп.г + 201^ + 71.84- ,

(4.33)

D„

0 4Б"К П

Кх

где все входящие в формулу величины выражены в логарифмическом масштабе. В случае использования пакета из МЕРТ ЭРД, учитывая шумоподобный характер излучения ЭРД, в первом приближении для оценки максимально возможного ухудшения отношения сигнал-шум можно допустить некогерентное сложение излучаемых ЭРД сигналов, при котором суммарная мощность привносимого ЭРД шума увеличивается в МЕРТ раз и соответственно

ЛмЕРТ = МергЛерг .

В соответствии с изложенной методикой для полученных ранее экспериментальных результатов измерения собственного радиоизлучения лабораторных моделей ЭРД СПД-100 [152] были проведены расчеты величины деградации отношения сигнал-шум на максимальной дальности действия системы передачи информации «Земля-КА».

Расчеты проводились для исходной шумовой температуры на входе приемника при выключенном ЭРД, варьируемой от 10°К до 1000°К. Предполагалось, что коэффициент усиления приемной антенны в направлении ЭРД равен 0 дБ, то есть она является изотропной или имеет соответствующий уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Потери в приемном фидерном тракте и при распространении в ионизированной среде считались пренебрежительно малыми. Расстояние от ЭРД до приемной антенны в одном случае считалось равным расстоянию до измерительной антенны, то есть 0.8 м, а в другом - равнялось 5.3 м.

Оценим влияние электромагнитного излучения ЭРД типа СПД-100-2, который был рассмотрен в Главе 3, на деградацию отношения сигнал-шум на входе приемного тракта. График, полученный на основе приведенных выше зависимостей и отражающий относительное ухудшение отношения сигнал-шум (ОСШ) на входе приемного тракта для различных значений суммарной шумовой температуры системы То, приведен на Рисунке 4.7. Данная зависимость построена для диапазона частот 7.2 ГГц, выделенного для систем дальней космической связи. Видно, что отношение сигнал-шум при работающем ЭРД может ухудшаться на 2.8 дБ при начальной шумовой температуре системы от 100°К до 10°К. При этом максимальная дальность действия системы связи «Земля-КА» может уменьшится более чем в 2 раза.

На Рисунке 4.8 приведены аналогичные зависимости деградации отношения сигнал-шум для случая, когда используется пакет из МЕРТ ЭРД. В первом приближении предполагается, что происходит аддитивное сложение мощностей излучения отдельных ЭРД. Видно, что в случае использования нескольких ЭРД ухудшение отношения сигнал-шум может быть весьма существенным. Так, для исходной шумовой температуры системы в 100°К и напряжения разряда 800 В отношение сигнал-шум на максимальной дальности может ухудшиться на 5 дБ при 4 ЭРД и почти на 10 дБ при пакете из 16 ЭРД.

Зависимости, аналогичные приведенным на Рисунках 4.7 и 4.8 для диапазона с центральной частотой 6.25 ГГц, соответствующего каналу спутниковой связи «Земля-КА», приведены на Рисунках 4.9 и 4.10. Видно, что этот диапазон характеризуется более высоким уровнем помех от ЭРД, что соответствует результатам экспериментальных измерений. Здесь для шумовой температуры системы 100°К уменьшение отношения сигнал-шум при одном ЭРД и напряжении разряда 800 В может составить 6 дБ и примерно 17 дБ для пакета из 16 ЭРД.

Одной из мер, позволяющей уменьшить влияние излучения ЭРД на системы связи, является увеличение расстояния от приемной антенны до ЭРД. Результаты расчетов для случая, когда

расстояние до приемной антенны составляет 5.3 м, приведены на Рисунках 4.11.4.14, соответственно для 7.2 ГГц и для 6.25 ГГц. Видно, что в этом случае влияние собственного излучения ЭРД может быть существенно уменьшено. Так, для диапазона 7.2 ГГц и шумовой температуры системы 100°К уменьшение отношения сигнал-шум для одного ЭРД составит максимум 0.05 дБ, а для пакета из двух ЭРД - 0.1 дБ. Для диапазона 6.25 ГГц и аналогичных условий уменьшение отношения сигнал-шум будет соответственно примерно 0.25 дБ и 0.5 дБ.

Аналогичные расчеты были проведены для ЭРД СПД-100-3 [152]. Измерения проводились для трех форм изоляторов, имитирующих различную степень выработки ресурса ЭРД. Соответствующие этим измерениям графики зависимости деградации отношения сигнал-шум представлены на Рисунке 4.15 для расстояния до приемной антенны 0.8 м. Видно, что здесь при максимальной выработке ресурса (вариант 3) ухудшение отношения сигнал-шум может составить от 0.15 дБ при исходной шумовой температуре системы 100°К до примерно 1.3 дБ при исходной шумовой температуре системы 10°К.

В то же время видно, что в случае использования нескольких ЭРД ухудшение отношения сигнал-шум может быть более существенным (Рисунок 4.16). Так для шумовой температуры системы в 100°К и варианта 3 отношение сигнал-шум на максимальной дальности может ухудшиться на 0.5 дБ при 4-х ЭРД и почти на 2 дБ при пакете из 16-и ЭРД. В случае шумовой температуры системы 10°К данные значения составят соответственно 3.8 и 8 дБ.

Аналогичные зависимости для диапазона 6.5 ГГц приведены на Рисунках 4.17 и 4.18. Видно, что уменьшение отношения сигнал-шум составит 0.5 дБ для одного ЭРД и примерно 4 дБ для пакета из 16-и ЭРД.

Зависимости для ЭРД СПД-100-3 и расстояния до приемной антенны 5.3 м приведены на Рисунках 4.19.4.22. Соответственно для 7.2 и 6.25 ГГц. Видно, что для данного расстояния влияние ЭРД будет существенно меньше и уменьшение отношения сигнал-шум составит примерно 0.004 дБ для одного ЭРД и 0.0075 дБ для пакета из 2-х ЭРД для диапазона 7.2 ГГц и соответственно 0.01 дБ и 0.02 дБ для диапазона 6.25 ГГц.

Таким образом, в принципе радиоизлучение СПД может существенно: от единиц до десятков децибел (при пакетировании СПД), влиять на эквивалентные шумовые характеристики приемного тракта. На величину ухудшения отношения сигнал-шум влияют параметры режима работы СПД (напряжение разряда, ток разряда, расход рабочего тела и т.д.), поскольку, как показано в Главе 3, они могут существенно влиять на уровень излучения, а также расположение и параметры приемной антенны.

Рисунок 4.7 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

Рисунок 4.8 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

DRx = 0.8м

DRx = 0.8м

Рисунок 4.9 - Изменение ОСШ, 6.25 ГГц, Рисунок 4.10 - Изменение ОСШ, 6.25 ГГц,

DRX = 0.8м

DRX = 0.8м

Рисунок 4.11 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

Рисунок 4.12 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

DRX = 5.3м

DRX = 5.3м

Рисунок 4.15 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

Пкх = 0.8м

Рисунок 4.16 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

Пкх = 0.8м

Рисунок 4.17 - Изменение ОСШ, 6.25 ГГц, Рисунок 4.18 - Изменение ОСШ, 6.25 ГГц,

Пкх = 0.8м

Пкх = 0.8м

Рисунок 4.19 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

Рисунок 4.20 - Изменение ОСШ, 7.2 ГГц,

DRX = 5.3м

DRX = 5.3м

Рисунок 4.21 - Изменение ОСШ, 6.25 ГГц, Рисунок 4.22 - Изменение ОСШ, 6.25 ГГц,

DRX = 5.3м

DRX = 5.3м

Выбор расположения и параметров приемной антенны может существенно уменьшить влияние радиоизлучения ЭРД на шумовые характеристики приемного тракта. Полученные результаты делают актуальной задачу разработки более точных моделей радиоизлучения СПД, учитывающих специфику спектрально-временных характеристик этого излучения, и использования этих моделей для более детального анализа влияния радиоизлучения СПД на помехоустойчивость РСКС.

4.2 Характеристики и математические модели радиоизлучения стационарных плазменных двигателей во временной области

Для анализа влияния радиоизлучения ЭРД на помехоустойчивость РСКС необходима разработка соответствующих математических моделей такого излучения. Ниже будут рассмотрены основные статистические спектрально-временные характеристики и параметры излучения СПД в радиодиапазоне, а также проведен анализ известных математических моделей

случайных импульсных помех, которые могут быть взяты за основу при разработке моделей радиоизлучения СПД.

В реальных условиях функционирования радиосистем передачи информации наряду с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) встречаются и другие типы помеховых сигналов. Как правило, данные помехи имеют негауссовский закон распределения. Наиболее распространенными типами негауссовских помех являются узкополосные и импульсные помехи, или помехи, сосредоточенные соответственно по частоте и времени.

Далее, с учетом результатов экспериментальных исследований излучения СПД в радиодиапазоне, будем в основном рассматривать импульсные помехи (ИП). Импульсные помехи могут иметь различную физическую природу. В связи с этим импульсные помехи могут описываться как детерминированной, так и случайной последовательностью импульсов. В последнем случае говорят о случайной, или хаотической, импульсной помехе.

Ниже будет проведен анализ математических моделей, которые обычно используются для описания случайных импульсных помех/процессов (СИП) в различных предметных областях, а затем на основе сопоставления с результатами экспериментальных измерений будут определены математические модели, наиболее подходящие для описания собственного излучения СПД в радиодиапазоне.

Изучение СИП проводится как экспериментальными, так и теоретическими методами. На основе экспериментальных измерений собираются и статистически обрабатываются данные о характеристиках помех. Теоретические модели помех, как правило, имеют своей целью математическое описание и объяснение физических механизмов возникновения данных помех. Соответственно обычно различают теоретические и эмпирические модели. Эмпирические модели обычно представляют собой некоторую математическую аппроксимацию экспериментально полученных статистических характеристик СИП. Теоретические модели импульсных помех в свою очередь можно разделить на электрофизические (например, электродинамические) и феноменологические (функциональные). Первые предназначены для описания электрофизических механизмов, приводящих к возникновению помех, вторые, опираясь на экспериментальные результаты и некоторые упрощенные функциональные механизмы, описывают в основном внешние характеристики помех, игнорируя зачастую внутренние (глубинные) механизмы их возникновения.

В инженерной практике наибольшее распространение получили именно феноменологические модели, поскольку они существенно проще электрофизических моделей, которые к тому же для некоторых практически важных случаев могут просто отсутствовать. Именно на феноменологические модели и будем ориентироваться в дальнейшем.

4.2.1 Статистические спектрально-временные характеристики и параметры

радиоизлучения СПД

Для разработки математических моделей излучения ЭРД необходимо знать статистические спектрально-временные характеристики и параметры излучения ЭРД. Эти данные являются исходными для задания параметров моделей излучения ЭРД и могут быть получены на основе статистической обработки результатов экспериментальных измерений этого излучения.

С целью изучения статистических спектрально-временных характеристик радиоизлучения СПД был проведен большой объем экспериментальных измерений [6], [155], [152], [170], [171], [151], [172], [139]. Основные результаты измерений описаны в Главе 2. Измерения проводились в том числе для различных значений разрядного напряжения, различных значений расхода рабочего тела (от 1.88 до 2.73 мг/с). Временные реализации излучения ЭРД записывались на интервалах времени 1.10 мс с шагом дискретизации 12.5 или 7.1 нс. Каждая реализация представляла собой комплексный процесс, сформированный на выходе полосового фильтра с полосой 80 или 140 МГц и центральной частотой, значение которой дискретно изменялось в пределах полосы частот 100 МГц ... 12(18) ГГц с шагом 80 (140) МГц. Изменение центральной частоты фильтра осуществлялось либо в «панорамном» режиме, то есть с постоянным шагом в пределах всего указанного диапазона частот, либо для заданных диапазонов частот, соответствующих каналам спутниковой связи «Земля-КА».

Рассмотрим в качестве примера результаты измерения спектрально-временных характеристик и основных параметров радиоизлучения лабораторного образца СПД-100-4 [171]. На основе проведенных экспериментальных измерений были получены результаты, позволяющие оценить характеристики излучения СПД-100-4 в спектральной и временной областях. Пример спектра излучения СПД-100-4 для частотного диапазона 800-12000 МГц

приведен на Рисунке 4.23. Измерения проводились для случая, когда ЭРД был выключен (признак режима Rg=0) и для режима работы СПД-100-4: напряжение разряда и = 295В; -ток разряда 1р = 4.48А; - расход т =

4.87 мг/с; - токи катушек 1м1=5.49А, 1м2=5.2А (признак режима Rg=1).

На этих же графиках приведены спектры фонового излучения, снятые при выключенном СПД. Кроме того, для наглядности представлены

Рисунок 4.23 - Спектр излучения СПД-100-4

вышеупомянутые спектры, сглаженные (smoothing) прямоугольным окном шириной 200 МГц. Все графики спектров, как это принято, пересчитаны к апертуре измерительной антенны. Проведенные экспериментальные измерения спектральных и временных характеристик собственного излучения ЭРД СПД-100-4 показали, что наиболее сильно импульсный характер излучения проявляется в частотном диапазоне 1600 МГц. Поэтому в дальнейшем для определения параметров и разработки модели излучения СПД будут использоваться данные, полученные именно для этого диапазона.

С целью более полного исследования статистической природы реализаций собственного излучения СПД-100 использовалась реализация длительностью 5 мс. На Рисунке 4.24 представлен пример реализации излучения СПД-100-4 длительностью 5 мс для центральной частоты 1605 МГц и полосы 80 МГц. В целом, анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что импульсное излучение ЭРД СПД-100-4 в рассматриваемом частотном диапазоне характеризуется формированием случайной последовательности импульсов с достаточно высокой интенсивностью.

На Рисунке 4.25 представлена та же реализация, но сглаженная прямоугольным окном длительностью 1 мкс для более наглядного представления импульсной структуры сигнала.

f0=1.605 GHz

25| i i i i ! i i i i

2 -

1.5 - :

Е >

t. msec

Рисунок 4.24 - Временная реализация амплитудной огибающей излучения СПД-100-4

Рисунок 4.25 - Сглаженная временная реализация амплитудной огибающей излучения СПД-

100-4 (окно сглаживания 1мкс)

Рисунок 4.26 - Фрагмент временной реализации амплитудной огибающей излучения СПД-100-4

Г=1.605 вНг

1 ■ 1 || 1

0.05 0.1

0.15 0.2 0.25 0.3

0.4 0.45

Рисунок 4.27 - Фрагмент сглаженной временной реализации амплитудной огибающей излучения СПД-100 (окно сглаживания 1 мкс)

Фрагменты реализаций, представленных на Рисунках 4.24 и 4.25, для интервала 0...0.5 мс отображены соответственно на Рисунках 4.26 и 4.27. Представленные результаты наглядно отражают импульсную природу

излучения СПД в данном частотном диапазоне.

В то же время, видно, что в отдельных случаях наблюдается «пакетирование» импульсов, то есть излучение группы близко расположенных импульсов, которая может

восприниматься как один «длинный» импульс.

Для оценки статистических характеристик исследуемых процессов был проведен анализ ЗР квадратурных реализаций, имеющих выраженные импульсные компоненты, который показал, что этот ЗР существенно отличается от гауссовского, а ЗР амплитудной огибающей существенно отличается от рэлеевского. Примеры такого анализа представлены на Рисунке 4.28 для амплитудной огибающей и на Рисунке 4.29 - для фазы.

Рисунок 4.28 - Гистограмма распределения амплитудной огибающей излучения СПД-100-4

Рисунок 4.29 - Гистограмма распределения фазы комплексной огибающей излучения СПД-100-4

Рисунок 4.30 - Закон распределения амплитудной огибающей излучения СПД-100-4 на «вероятностной бумаге»

На Рисунке 4.30 для тех же условий интегральный ЗР амплитудной огибающей построен на

«вероятностной бумаге», позволяющей визуально оценить степень близости закона распределения конкретной реализации к рэлеевскому с параметрами такими же, как и у экспериментально полученной

реализации. Из проведенного анализа следует, что дифференциальный и интегральный законы распределения рассматриваемой реализации

существенно отличаются от

гауссовского.

Соответственно, дифференциальный (Рисунок 4.28) и интегральный (Рисунок 4.30) законы распределения амплитудной огибающей сигнала также существенно отличаются от рэлеевского закона распределения. При этом во всех случаях закон распределения фазы комплексной огибающей сигнала близок к равномерному (Рисунок 4.29).

С целью проверки совпадения результатов измерений в спектральной и временной областях был проведен расчет спектров излучения по записанным временным реализациям. На Рисунке 4.31 представлено сравнение спектров, полученных с помощью анализатора спектра, и

рассчитанного по реализации сигнала.

Рисунок 4.31 - Сравнение спектров изучения СПД-100-4, рассчитанного по реализации сигнала (5) и полученного спектроанализатором (3)

Видно, что наблюдается хорошее совпадение результатов, полученных различными методами, что

подтверждает достоверность

полученных результатов.

На Рисунке 4.32 представлена спектрограмма принятой реализации, полученная на основе скользящего преобразования Фурье (Short Fourier Transform). На графике представлены текущие спектры сигнала для фрагмента реализации длительностью

Рисунок 4.32 - Спектрограмма изучения СПД-100-4

Рисунок 4.33 - Сравнение спектров различных импульсов изучения СПД-100-4

0.1 мс. «Всплески» спектра соответствуют импульсным

компонентам сигнала. Видно, что для каждого временного сечения спектральные характеристики

импульсов имеют сложную широкополосную структуру.

Примеры спектров для различных импульсов (кривые 1 и 2), излучаемых СПД, представлены на Рисунке 4.33. Видно, что средняя максимальная огибающая спектра в пределах рассматриваемой полосы 80 МГц (кривая 0) стремится к равномерной. На Рисунке 4.34 отмечены импульсы, для которых на Рисунке 4.33 построены спектры. Анализ спектральных характеристик отдельных импульсов показывает, что эти импульсы представляют собой сигналы с расширением спектра. Поскольку ширина спектра каждого импульса существенно превышает ширину спектра аналогичного импульса без внутриимпульсной модуляции.

Таким образом, электромагнитное излучение стационарных плазменных двигателей является негауссовым, имеет ярко выраженную компоненту в виде случайной последовательности широкополосных радиоимпульсов и шумовую компоненту, являющуюся суммой теплового излучения СПД и шумов измерительной аппаратуры.

Для разработки математической модели необходимо знать статистические параметры импульсного излучения, возникающего при работе СПД-100. На основе полученных реализаций были получены статистические характеристики интервалов следования импульсов, их длительности и гистограммы распределения пиковых значений импульсов.

Г=1.605 3Нг

0.2 0.25 0.3 I тэес

Рисунок 4.34 - Импульсы излучения СПД-100-4, для которых построены мгновенные спектры на Рисунке 4.33

Гистограммы распределения длительности интервалов следования импульсов излучения СПД-100-4 для различных значений порогового уровня приведены на Рисунке 4.35. По оси абсцисс отложена нормированная к длительности реализации длительность интервала следования импульсов. По оси ординат -

относительная частота (вероятность) появления импульсов с данным интервалом следования. Распределение длительности интервалов следования импульсов для порогового уровня Ер=0.15

Рисунок 4.35 - Распределение длительности Рисунок 4.36 - Распределение длительности интервалов следования импульсов излучения интервалов следования импульсов излучения

СПД-100-4

СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.15 мВ/м

Рисунок 4.37 - Распределение длительности Рисунок 4.38 - Распределение длительности

интервалов следования импульсов излучения интервалов следования импульсов излучения

СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.2 СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.3

мВ/м мВ/м

мВ/м и его аппроксимация экспоненциальным законом распределения приведены на Рисунке 4.36. Видно, что полученные экспериментальные результаты могут быть с достаточно высокой точностью (среднеквадратическая ошибка 5.10%) аппроксимированы экспоненциальным законом распределения со средним нормированным интервалом следования импульсов ^ = 0.004, что с учетом нормировки к длительности реализации 5 мс дает средний интервал следования импульсов излучения СПД 20 мкс, что соответствует пуассоновскому потоку с

интенсивностью Х = У^ = 250 импульсов за время наблюдения Тг = 5 мс или средней частотой следования импульсов 50 кГц. На Рисунках 4.37 и 4.38 приведены зависимости, аналогичные Рисунку 4.36, для пороговых уровней 0.2 и 0.3 мВ/м соответственно.

На Рисунке 4.39 представлены экспериментальные законы распределения (гистограммы) длительности импульсов для различных значений порога. По оси абсцисс отложена нормированная к длительности реализации длительность импульсов. По оси ординат -относительная частота (вероятность) появления импульсов с данной длительностью. На Рисунках 4.40.4.42 отображены эти же гистограммы по отдельности, а также представлены их

Рисунок 4.39 - Распределение длительности импульсов излучения СПД-100-4 для разных пороговых уровней

—в— ЕхрептегИ. Е =0 15 тУ/т —9—- ЕхропепЬа!. =9 5е-4

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Рисунок 4.40 - Распределение длительности импульсов излучения СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.15 мВ/м.

—в— ЕхрептегЛ, Ер=0.2 т\//т —в—- Ехропепйа!, ц=4.2е-4

О 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 1 П

Рисунок 4.41 - Распределение длительности импульсов излучения СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.2 мВ/м

—■— ЕхрептегЛ, Ер=0.3 тУ/т —- Ехропепйа!, ц=1.8е-4

\ V .

О 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

т, Я

Рисунок 4.42 - Распределение длительности импульсов излучения СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.3 мВ/м

аппроксимация экспоненциальным законом распределения. Видно, что для этих случаев экспериментальные результаты достаточно хорошо (с точностью 5.16%) аппроксимируются экспоненциальным законом распределения с нормированной средней длительностью импульсов соответственно 0.95-10-5, 0.42-10-5 и 0.18-10-5, что соответствует средней длительности импульсов 4.75, 2.1 и 0.9 мкс.

Примеры реализаций амплитудной огибающей импульсов с учетом наличия шумовой компоненты и их сглаженные реализации для нескольких импульсов приведены на Рисунке 4.43 и выделены разным цветом. Для наглядности выбранные реализации отображены с начала импульса. Видно, что во многих случаях имеет место перекрытие одиночных импульсов и формирование многомодальных суммарных импульсов.

На Рисунке 4.44 представлена гистограммы распределения пиковых значений импульсов для экспериментально полученной реализации амплитудной огибающей сигнала и для случая ее сглаживания скользящим окном шириной 0.1 мкс. Кроме того, на этом же графике построены законы распределения Рэлея с параметрами 0.53 и 0.185 mV/m.

Видно, что при данном шаге дискретизации (Nbin=10) в первом приближении законы распределения пиковых значений импульсов, генерируемых СПД, могут быть аппроксимированы рэлеевским законом распределения с параметром равным 0.53 мВ/м для исходной реализации и 0.185 мВ/м для сглаженной реализации со среднеквадратической ошибкой аппроксимации менее 30%.

Алгоритм нахождения уровня суммарного теплового шума, формируемого тепловым шумом измерительной системы и тепловым шумом СПД, заключается в следующем:

- из записанной реализации принятой смеси излучения СПД и теплового шума измерительной системы на основе двунаправленной фильтрации MAF-фильтром выделяется сглаженная огибающая импульсной компоненты принимаемого сигнала;

Histogramm Pulse Maximum (Nbjn=10)

t, usee Ea'V/m x 103

Рисунок 4.43 - Примеры амплитудной огибающей импульсов излучения СПД-100-4 для порогового уровня Ер=0.2 мВ/м

Рисунок 4.44 - Распределение пиковых значений импульсов излучения СПД-100-4

- на ее основе определяются моменты начала и окончания каждого импульса и осуществляется их вырезание в принятой реализации;

- полученная сжатая реализация содержит только тепловые компоненты принятого сигнала и может быть использована для расчета уровня суммарного теплового шума в принятом сигнале.

Рисунок 4.45 - Спектры изучения СПД-100-4,

С учетом

рассчитанный по реализации сигнала (5) и полученные с

некоррелированности тепловых

помощью спектроанализатора (1-4), спектр теплового

шумов СПД и измерительного

излучения (6) по предложенной методике Обработка результатов измерений (Рисунок 4.45) показала, что для выбранной реализации на центральной частоте 1605 МГц в полосе измерений средний уровень суммарного излучения ЭРД с учетом фонового шума равен 21.79 дБмкВ/м/МГц, средний уровень фонового шума (когда СПД выключен) равен 19.39 дБмкВ/м/МГц, а суммарный средний уровень теплового шума СПД и фонового шума равен примерно Еп^ =21.4 дБмкВ/м/МГц (определяется на основе обработки

записанной реализации излучения в заданном частотном диапазоне) и превышает средний уровень шумового фона при выключенном СПД Ет&г =19.39 дБмкВ/м/МГц на 2.01 дБ.

прибора (фоновый шум при выключенном СПД) можно определить эффективное значение теплового шума СПД на входе антенны:

Е =(Е2 _ Е2 У2

ГJSPT ~ \ пЕ ^т^т) .

(4.34)

Или в логарифмических единицах измерения

Е,

SPT,

аВиУ/тМШ

= 101ё

С Е Е Л

п^ВиУ/тМШ _ тЯГЮиУ/тМШ

_ 10

10

10

10

(4.35)

В соответствии с этим уровень теплового шума СПД в данном случае составляет примерно 17.09 дБмкВ/м/МГц. Представленные результаты демонстрируют возможность решения важной с точки зрения разработки и определения параметров моделей радиоизлучения СПД задачи, а именно: раздельного определения уровней тепловой и нетепловой компонент собственного излучения СПД.

Анализ характеристик внутриимпульсной модуляции генерируемых СПД стохастических импульсов рассмотрим на примере радиоизлучения СПД-140. На Рисунке 4.46 представлены экспериментальные реализации амплитуды и фазы комплексной огибающей радиоизлучения СПД-140 на частоте 1.98 ГГц, снятые в полосе 140 МГц. Видно, что излучение имеет выраженную импульсную компоненту, а фаза комплексной огибающей распределена в интервале от -п до +п.

На Рисунке 4.47 изображены характеристики тех же реализаций, но в большем масштабе, для импульсов расположенных на отметке 0.1 мс по временной оси. На двух верхних графиках,

как и на Рисунке 4.46, изображены амплитудная огибающая и текущая фаза излучения СПД-140.

На двух нижних графиках построены соответственно

восстановленная полная фаза и текущая частота внутриимпульсного заполнения комплексной огибающей излучения СПД-140.

Видно, что в каждом из отображенных импульсов текущая частота сначала увеличивается на 20.30 МГц, а потом спадает. Закон изменения частоты в первом приближении может быть

аппроксимирован гауссовской

кривой. Таким образом, получается, что импульсы, излучаемые СПД, имея длительность примерно 0.5.1 мкс имеют также внутриимпульсную

Рисунок 4.47 - Характеристики внутриимпульсной частотную модуляцию с п°лн°й модуляции радиоизлучения СПД-140

Рисунок 4.46 - Амплитудная и фазовая характеристики комплексной огибающей радиоизлучения СПД-140

девиацией частоты 20.30 МГц и сложным нелинейным законом изменения частоты во времени.

Аналогичные результаты, естественно имеющие иные количественные значения, были получены при обработке результатов экспериментальных измерений для других экземпляров СПД.

Таким образом, на основе обработки результатов экспериментальных измерений электромагнитного излучения лабораторных моделей СПД можно выделить следующие основные характеристики и параметры излучения, необходимые для разработки его математической модели:

1. Излучение СПД может быть представлено в виде суммы случайной последовательности широкополосных радиоимпульсов с внутриимпульсной частотной модуляцией и теплового шума.

2. В соответствие с разработанной методикой для выбранного частотного диапазона может быть определено эффективное значение спектральной плотности теплового шума, излучаемого СПД на входе измерительной антенны, которое, например, для рассмотренной выше модели СПД-100-4 центральной частоты 1605 МГц составляет 17.09 дБмкВ/м/МГц.