Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Требования к антенным устройствам средств связи и направления их реализации 16
1.1 Требования к антеннам средств связи 16
1.1.1 Требования к антеннам средств связи в общем случае 16
1.1.2 Требования к энергетическим показателям 17
1.1.3 Требования к показателям помехозащищенности 21
1.2 Пути улучшения антенн средств связи 22
1.2.1 Пути улучшения бортовых антенн 22
1.2.2 Пути улучшения наземных антенн 32
1.3 Выводы по Главе 1 35
Глава 2. Бортовые антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу 37
2.1 Принцип синтезирования антенных решеток 37
2.2 Задачи применительно к бортовым антенным решеткам 39
2.2.1 Особенности бортовых антенных решеток 39
2.2.2 Модель антенной решетки, синтезированной по широкополосному сигналу 40
2.2.3 Задачи оптимизации бортовых антенных решеток 43
2.2.4 Иллюстрации синтеза диаграмм направленности 48
2.3 Выводы по Главе 2 55
Глава 3. Наземные антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу 56
3.1 Особенности наземных антенн 56
3.2 Модель наземной антенны, синтезированной по широкополосному сигналу 57
3.3 Иллюстрации применения широкополосных сигналов в антенных решетках наземных средств связи 64
3.4 Выводы по главе 3 67
Глава 4. Вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу 68
4.1 Возможности аппаратной реализации широкополосных систем связи .68
4.2 Оценки эффективности бортовых антенн 71
4.2.1 Организация расчетных процедур 71
4.2.2 Численные оценки эффективности бортовых антенн 77
4.3 Оценка эффективности антенн наземной части радиоаппаратуры 84
4.3.1 Требования к антенне наземной части радиоаппаратуры 84
4.3.2 Схема наземной антенны 89
4.3.3 Модель антенной решетки наземной антенны 90
4.3.4 Результаты расчетов 95
4.4 Выводы по Главе 4 102
Основные результаты и выводы
- Требования к антеннам средств связи в общем случае
- Задачи применительно к бортовым антенным решеткам
- Модель наземной антенны, синтезированной по широкополосному сигналу
- Оценки эффективности бортовых антенн
Введение к работе
В настоящее время наблюдается большой интерес к беспилотной летательной технике практически во всех развитых странах. Благодаря революционному развитию ряда технических направлений в последнее десятилетие беспилотные летательные аппараты (БЛА) или дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) представляются эффективными для решения широкого спектра как военных, так и гражданских задач, многие из которых можно охарактеризовать тремя определениями - монотонные, «грязные» и опасные. Прежде всего речь идет о задачах, где применение беспилотной летательной техники более перспективно по сравнению с пилотом на борту, а именно, тогда когда требуется:
а) длительное и монотонное выполнение функций (к примеру, поиск
и наблюдение)
б) мониторинг объектов, нахождение возле которых опасно для
человеческого организма (к примеру, районы радиационных аварий)
в) боевые вылеты в районы, хорошо защищенные средствами ПВО, в
которых существует высокий риск потери летательного аппарата.
Существует перспектива применения БЛА и в тех областях, где отсутствие пилота на борту позволяет сделать летательный аппарат более компактным и дешевым.
По оценкам американских экспертов, сегодня активно занимаются проблемами создания ДПЛА около 45 стран. Среди них США, Израиль, Иран, Швеция, Бельгия, Италия, Франция, Великобритания, Германия, Австралия и др. развитые и даже развивающиеся страны.
Наиболее интенсивное развитие беспилотной летательной техники наблюдается в США, где затрачивается 73% от расходов на разработку и производство БЛА, осуществляемых во всем мире. [1,2] В ближайшие годы финансирование военных программ развития БЛА в США планируется увеличить почти на порядок, так что к 2010 г оно будет составлять ежегодно около $3 млрд.[3]
Рис. Ежегодные затраты Министерства обороны США на разработку систем БЛА (млн.$)
Совершенно очевидно, что наряду с сугубо военными разработками в области БЛА появятся также средства и технологии двойного назначения. Американская авиационная индустрия, испытывающая кризис в результате падения спроса на пассажирские самолеты, уже сейчас активно изучает области возможного расширения спроса в гражданской сфере на беспилотную технику и делает настойчивые попытки изменить законодательство для того, чтобы устранить бюрократические препятствия к ее широкому внедрению в народном хозяйстве[4]. К наиболее перспективным направлениям можно отнести использование БЛА в транспортной и сельскохозяйственной авиации, для связи, охраны объектов, регулирования транспортных потоков в крупных городах и т.п.
Однако особенно активно в последнее время все же говорят о боевой беспилотной авиации (ББА). В книге [5] приведен ретроспективный анализ функциональных концепций беспилотной боевой авиации.
рассмотренной под индексом 1 разработки ударного варианта БЛА BQM-34 к этой категории ББЛА относятся следующие разработки, представленные на рис. В.1 индексами 6-13:
6-робототехнический БЛА-камикадзе "Брэйв-200" разработки фирмы Боинг;
7-робототехнический БЛА-камикадзе "Брэйв-3000" разработки фирмы Боинг;
8-робототехнический БЛА-камикадзе "Ларк" разработки израильской фирмы IAI;
9-робототехнический БЛА-камикадзе "Вампир" разработки английской фирмы Шорт;
10-робототехнический БЛА-камикадзе "Харли" разработки израильской фирмы IAI;
11-робототехнический БЛА-камикадзе Тайфун" разработки германской фирмы Атлас;
12 - БЛА BQM-53 (новая модификация ударного варианта БЛА BQM-34) в варианте постановщика помех средствам ПВО противника, предложенный фирмой Нортроп Грумман для использования вместо-самолета-РЭБ "Праулер";
13-БЛА BQM-34 с ударным вооружением в виде ракет "Хелфайр".
В этой же работе [5] предложена обобщенная классификация летальных аппаратов ББЛА и говорится о том, что несмотря на то, что история беспилотных и дистанционно пилотируемых летательных аппаратов насчитывает уже не одно десятилетие и богата методическими разработками, такой вопрос как классификация летательных аппаратов беспилотной боевой авиации представляет определенную методическую новизну. Это связано с тем, что ББЛА являются не какими-то новыми вариантами БЛА и ДПЛА, а представляют собой скорее "производную" от летательных аппаратов боевой тактической авиации, полученную с использованием технологий, принятых в создании комплексов ДПЛА и БЛА.
7 Имеющиеся обобщенные классификации летательных аппаратов
беспилотной боевой авиации являются недостаточными для того, чтобы
отразить то многообразие ЛА, которое необходимо иметь в виду при
рассмотрении беспилотной боевой авиации. С другой стороны, подробные
классификации являются избыточными и малонаглядными при
использовании для характеристики возможных вариантов ББЛА.
В связи с этим представляют интерес новые подходы к классификации летательных аппаратов беспилотной боевой авиации, предлагаемые американскими разработчиками этого вида авиационной техники. Так, специалисты фирмы Боинг считают, что применительно к беспилотной боевой авиации использовавшиеся до настоящего времени понятия разведывательных беспилотных летательных аппаратов и боевых беспилотных летательных аппаратов должны быть заменены чем-то иным, поскольку сегодня очевидно, что первые из этих ЛА - слишком маломаневренные, а вторые - слишком узкоспециализированные летательные аппараты. Функциональное слияние этих двух типов летательных аппаратов, фактически имеющее сегодня место, должно повлечь за собой и определенное изменение в категорировании беспилотных летательныхf аппаратов.
По мнению М. Хэйнца, возглавляющего в отделении "Фантом Уоркс" фирмы Боинг работы по перспективным боевым комплексам, два показателя - сложность выполняемого задания и вероятность боевого противодействия противника - являются теми параметрами, которые в наибольшей степени подходят для определения класса беспилотных боевых летательных аппаратов.
Применительно к целям проводимого исследования подходит использование некоторой промежуточной (по отношению к упомянутым выше) классификации летательных аппаратов беспилотной авиации, основанной на приведенном мнении американских специалистов и различающей функциональную и технологическую сторону классификации. Первая из них учитывает специфику задач и условия их выполнения,
8 характеризующие место ББЛА среди летательных аппаратов беспилотной
боевой авиации. Вторая сторона определяет специфические технологии,
заимствованные беспилотной боевой авиацией из области беспилотных
боевых авиационных систем. Вариант получаемой на основе такого подхода
классификации, используемый в данной работе, представлен в табл. 1. Для
большей наглядности значками "+" в этой матрице смежности отмечены
наиболее вероятные для реализации на практике сочетания признаков
классификации ББЛА.
Подчеркнем, что функционально принятая классификация не отождествляет однозначно ББЛА с авиационным средством летального поражения противника. В рамках беспилотной авиации ББЛА может выполнять широкий круг задач, в частности, авиационную разведку в боевых условиях и нелетальное воздействие на противника. Примером последнего является радиоэлектронная борьба, а в перспективе и применение специального высокоэнергетического оружия для вывода из строя электронных систем противника.
Отметим также, что варианты ББС, принятые для конкретизации функциональной стороны классификации, приведены в табл. В.1 в порядке возрастания сложности выполняемых ими задач и сложности условий их применения. Аналогично порядок вариантов ББС, характеризующих технологическую сторону классификации, отражает возрастание сложности эксплуатации ББС и следует возрастанию их размерности.
Табл.В.1
*- только для ВВС.
Также в работе [5] отмечается, что информационная сторона занимает особое место в общей концепции беспилотной боевой авиации. Наиболее наглядно это проявилось в программе J-UCAS, проводимой агентством DARPA, где информационная составляющая беспилотной боевой авиации была выделена в самостоятельную систему, получившую обозначение COS (Common Operating System - единая операционная система). По словам М. Фрэнсиса, возглавляющего работы по беспилотной авиации в DARPA, "COS - это все, что находится за пределами авиационного носителя, и все, что обеспечивает объединение беспилотных носителей в единое целое".
В меньшей степени обособление информационной стороны общей концепции беспилотной боевой авиации проявляется в европейской практике. Однако и здесь нельзя не отметить, что фирма Дассо, например, взяв на себя роль общего руководителя работ по ББС тактической категории, в качестве непосредственной части своих работ оставила за собой лишь создание ББС как авиационного носителя оружия, передав вопросы информационной интеграции отдельных ББС в единую систему своему основному партнеру по работе - фирме EADS
Общим положением для всех существующих концепций по рассматриваемому вопросу является взгляд на применение беспилотной боевой авиации "как на формирование некоторой информации, ее передачу и обработку с целью реализации определенных боевых действий».
10 Очевидно, что независимо от способов применения и выполняемых
задач пилотируемые и беспилотные самолеты наиболее эффективны тогда,
когда они функционируют в рамках единой информационной сети. В такой
сети пилотируемые самолеты могут являться узлами с управляющими
функциями, в которых члены экипажа пилотируемых самолетов будут
принимать решение о действиях ББС во всех ситуациях, где потребуется
участие человека.
Рис. В.2. Информационная концепция беспилотной боевой авиации с комплексными
пунктами управления различного базирования. 1-бортовые системы приема и обработки информации; 2- сеть оперативного обмена
информацией между ББС; 3 - внешние источники информации самолеты
радиолокации и радиотехнической разведки; 4 - внешние ретрансляторы (высотные
БЛА, спутники связи); 5 - операторские пункты управления ББС (наземные, морские
и воздушные); 6 - многоканальные линии связи.
Как это показано на рис. В.2, самые первые представления по данному вопросу выделяли в информационной системе, определяющей возможности боевого функционирования ББС, следующие компоненты, относящиеся к узлам сети и связям между ними:
информационная сеть оперативного обмена информацией между ББС;
высокопроизводительные линии двухканальной связи находящихся в воздухе летательных аппаратов с операторскими пунктами;
источники информации (самолеты радиолокации дальнего наблюдения (РЛДН), самолеты радиолокационного наблюдения и прокладки (РЛНП));
операторские пункты управления (включая соответствующее вычислительное и интерфейсное оборудование) наземного, морского и воздушного базирования;
бортовые системы ББС, обеспечивающие получение информации (как внешней информации о боевой, обстановке, так и командной информации от оператора ББС), ее передачу, хранение и обработку (в том числе принятие решений с использованием бортовых управляющих программ)
В разделе Информационно-сетевая интеграция беспилотной боевой авиации работы [5] говорится о том, что технологии, предназначенные* для реализации помехозащищенных и высокопроизводительных каналов обмена информацией между ББС и пунктами управления, не являются спецификой развития именно беспилотной боевой авиации. Они связаны с развитием боевой авиации вообще, и их применение началось еще до текущего этапа создания беспилотной боевой авиации. Точнее, это относится к одной из двух технологий, о которых в данном случае может идти речь, а именно, к технологии единой системы распределения тактической информации (технологии ЕСРТИ).
Ее использование уже опробовано в практике применения боевой авиации, в связи с чем можно говорить о расширении ее использования на беспилотную боевую авиацию. В перспективе определенную альтернативу ей может составить технология глобальной информационной сети (технология сети "Интернет"). Хотя ее развитие и уступает развитию технологии ЕСРТИ,
12 она может стать основной информационно-сетевой технологией управления
авиацией вообще и беспилотной боевой авиацией, в частности.
Действительно, в настоящее время очень актуальна концепция единого информационного пространства обеспечения боевых действий. В работе [6-11] отмечается, что специалисты многих государств исследуют концепцию ведения боевых действий вооруженными силами (ВС) в едином информационном пространстве (ЕИП, Network Centric Warfare), отводя при этом значительную роль беспилотным летательным аппаратам (БЛА). В настоящее время сектор БЛА развивается динамичнее других, чему способствует разработка высокочувствительных датчиков и высокоскоростных каналов передачи данных для них. С внедрением сетевых систем управления операциями и модернизацией авиационного разведывательного оборудования увеличивается количество НИОКР в этой области. Разработчикам систем авиаразведки сейчас предстоит решить задачи полного шифрования информации, строительства необходимой инфраструктуры, улучшения возможностей предупрелсдения об атаках противника.
В ходе изучения первых работ по концепции ЕРШ зарубежные
эксперты и аналитики поняли то, что БЛА будут играть все более и более
важную роль в военных операциях недалекого будущего. Эти операции
предусматривают использование разнообразных информационных платформ:
разведывательных спутников, воздушных систем дальнего
радиолокационного обнаружения и других средств сбора информации, объединенных в сети совместно с потребителями этой информации -самолетами в воздухе, силами на земле и кораблями в море.
В соответствии с данной концепцией, предусматривается внедрение в войска передовых информационных технологий (высокопроизводительных компьютеров, современного программного обеспечения, цифровых систем передачи данных) для объединения рассредоточенных в обширном боевом пространстве разнородных сил и средств (личный состав; органы и пункты управления боевого обеспечения; вооружение и военную технику наземного,
13 воздушного и морского базирования) в формирования со сложной сетевой
архитектурой - глобальные и локальные информационные сети.
Однако надо помнить, что работоспособность системы в целом и
выполнение поставленных задач напрямую зависит от надежности
функционирования линии радиосвязи. В Предложениях по созданию
перспективных радиотехнических средствах для Вооруженных Сил РФ
(статья в журнале «Национальная оборона», №3, март 2007)[12], среди
прочих выделены такие требования к радиотехническим средствам связи как:
живучесть;
скрытность работы, т.е. способность противодействовать видовой и радиоэлектронной разведке, так, чтобы свести к минимуму объем информации, получаемой противником о характеристиках РТС и местоположении активных элементов. Основные направления: снижение энергопотенциала передатчиков за счет структурной и информационной избыточности сигналов, расширение рабочей полосы частот - применение сверхширокополосных щумоподобных сигналов, использование парных когерентных излучателей, применение специальных режимов типа «мерцания или «фазового шума» и т.д.;
распределенная (разнесенная, многопунктная) структура - новый подход к созданию военной техники. Распределенные в пространстве отдельные единицы РТС образуют единую систему (сеть), выполняющую в определенное время в зоне ответственности поставленную задачу;
многофункциональность — способность решать широкий спектр задач за счет использования программно управляемых модулей РТС и их интерфейсного объединения в систему (сеть).
-и др.
В настоящее время одним из наиболее эффективных способов повышения помехоустойчивости и скрытности связи является использование сигналов сложной формы с оптимальной обработкой их на приемной стороне. К таким сигналам, в частности, относятся широкополосные или шумоподобные сигналы (ШПС)[13-14].
14 Для БЛА малых размеров, с ограниченной мощностью бортового
передатчика, характерно то, что в ДН антенн, как и в других случаях
расположения антенн на объектах сложной геометрической формы, имеют
место провалы, причем достаточно глубокие [15-19].
Наличие глубоких интерференционных провалов в диаграммах направленности бортовых антенн является существенно ограничивающим фактором. Из-за наличия этих провалов приходиться либо допускать возможность перерывов в связи, либо идти на увеличение мощности передатчика, исходя из минимального значения коэффициента усиления бортовой антенны, соответствующего интерференционным провалам. В свою очередь, увеличение мощности радиопередатчика приводит к увеличению массы аппаратуры: как самого передатчика, так и бортовых источников электропитания. Альтернативой усилению мощности передатчика является использование для синтеза ДН антенн широкополосных сигналов с соответствующей обработкой на приемной стороне, что позволяет «сгладить» провалы ДН.
Идея использовать широкополосные сигналы для качественного улучшения характеристик антенн предложена относительно давно;., в 60-ые годы велись работы в данном направлении. Однако развитие антенной техники в этом направлении было ограничено, в том числе и отсутствием необходимой элементной базы и недостаточным развитием вычислительной техники. В настоящее время, в связи с бурным развитием вычислительной техники, открываются определенные перспективы использования ШПС в системах радиосвязи, для улучшения направленных свойств антенн, обеспечения скрытности радиоканала и повышения помехозащищенности.
Таким образом, на сегодняшний день, актуальной является задача совершенствования тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи воздушного объекта с наземным пунктом. Перспективным для поставленной задачи является использование в системах радиосвязи широкополосных сигналов.
15 Целью работы является улучшение тактико-технических
характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотным летательным
аппаратом (БЛА).
Задача, решаемая в диссертации, состоит в разработке методов
повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи
с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных
решеток, с диаграммами направленности, синтезированными по
широкополосному сигналу. Решение задачи подразумевает решение более
частных взаимосвязанных задач:
анализа требований к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн, выработки критериев и оптимизации указанных требований;
разработки методов синтезирования ДН малоэлементных бортовых антенных решеток средств связи, использующих широкополосные сигналы, в соответствии с выработанными требованиями и критериями;
разработки метода формирования направленных свойств антенных решеток наземной аппаратуры связи, использующих широкополосные сигналы, и оптимизацию их в соответствии с выработанными критериями;
проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению показателей антенн радиосредств связи с БЛА;
выработки предложений по практической реализации указанных методов и технических решений.
Требования к антеннам средств связи в общем случае
Среди требований, предъявляемым к системам связи в целом, можно выделить такие как мощность, скрытность, помехоустойчивость, массо-габаритные показатели аппаратуры связи, архитектура системы и т.д. Качество приема сигнала - монотонно зависит от уровня принимаемого сигнала (на выходе приемной антенны) Помехозащищенность - зависит от соотношения уровней принимаемого сигнала и помехи (помех).
Параметры антенн, непосредственно влияющие на этот показатель и принимаются как требования к функциональным параметрам антенн. Линия радиосвязи летательного аппарата (ЛА) и наземного пункта управления (НПУ) обеспечивает в общем случае двухсторонний обмен информацией между бортовой и наземной аппаратурой. Основными задачами, решаемыми указанной линией связи, являются: в направлении НПУ-ЛА - передача командной информации для осуществления управления полетом ЛА и работой целевого бортового оборудования; в направлении ЛА-НПУ - передача телеметрической информации (состояние бортового оборудования, а также данные о текущих координатах ЛА, полученные с помощью бортовой навигационной аппаратуры, например, GPS приемника), передача информации, полученной с помощью целевого оборудования (фотоснимки, ТВ изображения и др.)
Обе из указанных линий связи характеризуются информационными и энергетическими показателями. Основным информационным показателем является пропускная способность канала связи, т.е. объем передаваемой информации за единицу времени. Радиолинии НПУ-ЛА и ЛА-НПУ существенно различаются по данному показателю: Радиолиния НПУ-ЛА представляет собой узкополосный канал связи, т.к. объем передаваемой информации, даже за полное время полета ЛА и работы его оборудования, невелик.
Учитывая необходимое число различных команд управления и требуемую периодичность передачи, легко рассчитать требуемую пропускную способность указанной радиолинии. Необходимая скорость передачи информации в этом канале в любом случае не превышает нескольких единиц Кбит/сек.
Радиолиния ЛА-НПУ должна иметь, как правило, значительно большую пропускную способность. Конкретное значение требуемой скорости передачи в значительной мере определяется назначением конкретного аппарата и показателями установленного на нем целевого оборудования.. Так, при использовании для наблюдения аппаратуры телевизионного типа, для качественной передачи требуется радиолиния со скоростью передачи до нескольких десятков Мбит/сек. Для осуществления передачи относительно медленно изменяющихся изображений, когда используется аппаратура малокадрового аналогового телевидения, или при организации передачи полученных изображений при эффективном их сжатии, требуемая скорость передачи линии связи оценивается от нескольких десятков до нескольких сотен Кбит/сек. Наконец, при относительно редкой передаче отдельных кадров получаемых изображений (т.е. фактически фотоснимков), требуемая скорость передачи может не превышать несколько Кбит/сек.
Во многих практически важных случаях, особенно соответствующих назначению ЛА класса "мини", достаточный объем передаваемой информации соответствует второму или третьему из перечисленных случаев. Таким образом, для аппаратуры радиолиний связи малоразмерных летательных аппаратов характерными требованиями к скорости передачи информации являются: не более нескольких Кбит/сек для радиолинии НПУ-ЛА; не более нескольких десятков (реже сотен) Кбит/сек для радиолиний ЛА-НПУ. Энергетические показатели.
Выражение (1.Г.З), разумеется, не-может использоваться для точной количественной оценки. Однако выражение (1.3)(может служить основой для грубых оценок. Кроме того, вид этого выражения позволяет, как это будет показано ниже, сформулировать ряд положений; важных для последующего анализа.
Задачи применительно к бортовым антенным решеткам
К особенностям работы аппаратуры радиосвязи БЛА можно отнести то, что, как правило, связь осуществляется с одним пунктом управления.
Рассматривая задачу организации связи наземного пункта с ЛА, можно произвести условное разделение на задачу приема, и задачу передачи.
В зависимости от решаемой задачи, наличия технической возможности размещения аппаратуры связи на борту, возможно применение бортовых антенн с управляемой и неуправляемой ДН.
Под управляемыми понимаются антенны, с возможностью динамического изменения характеристик ДН (изменения формы, направления максимума, глубины провалов), в зависимости от конкретной задачи: связь с командным пунктом, соседним БЛА («концепция роя»), постановка помехи или нейтрализация помехи.
Под неуправляемыми понимаются антенны, со статичной ДН, например синтезированной для конкретного ЛА, с учетом его формы и электромагнитных характеристик, и обеспечивающей отсутствие интерференционных провалов (максимальную изотропность).
В последние годы наблюдается возрастающий интерес к использованию сверхширокополосных сигналов не только в радиолокации [37], но и в ряде смежных областей. Среди них следует отметить радиосвязь в технике беспилотной авиации, переживающей период бурного развития [38]. В системах радиосвязи, использующих широкополосные сигналы, удается добиться существенного качественного улучшения за счет ослабления приема помех и устранения интерференционных замираний
вследствие многолучевого распространения радиоволн. В частности, значительное внимание специалистов уделяется использованию в этих системах фазированных адаптивных антенных систем [39]. В большинстве случаев решаемые ими задачи состоят в организации пространственно-временной обработки сигналов заданной структуры, принятых многоканальным приемным устройством, с целью повышения результирующего соотношения между амплитудами принятого сигнала, шума и помех с известной структурой. Применительно к системам радиосвязи с воздушными объектами определенные преимущества обещает другой подход, заключающийся в выборе структуры сигналов и алгоритмов их обработки на приемном конце радиолинии, обеспечивающий улучшение качественных показателей радиосвязи за счет управления результирующими диаграммами направленности слабонаправленных антенн. Вышеизложенная идея синтезирования ДН антенн по широкополосному сигналу и соответствующие методы, предложенные еще в 60-е годы, до недавнего времени оставались невостребованными в связи с трудностями аппаратурной реализации средствами аналоговой техники. Прогресс, достигнутый цифровой техникой, открывает широкие возможности для реализации различных алгоритмов обработки радиосигналов в реальном масштабе времени [40]. Это позволяет по-новому взглянуть на возможность организации синтезирования направленных свойств антенн на основе алгоритмической обработки широкополосных сигналов.
Традиционная трактовка понятия «ДН антенны», относится к угловому распределению напряженности поля монохроматической электромагнитной волны, излучаемой передающей антенной, и, по сути, аналогичного определения в режиме приема. Направленные свойства антенн по отношению к широкополосному колебанию предполагает наличие обработки принимаемого сигнала [35]. ДН антенны по широкополосному сигналу понимается как угловая зависимость амплитуды отклика выходного устройства, реализующего некоторый алгоритм обработки, например оптимальную фильтрацию.
Для аппаратуры средств воздушной подвижной связи, в частности связи с атмосферными беспилотными летательными аппаратами, характерен ряд особенностей. В первую очередь это неизбежное присутствие интерференционных провалов в ДН бортовых антенн, а также ограниченные возможности формирования как квазиизотропных, так и управляемых направленных ДН традиционными средствами. Рассмотрим возможности улучшения качественных показателей указанных радиолиний с использованием техники синтезирования ДН бортовых антенн по широкополосному сигналу.
Модель наземной антенны, синтезированной по широкополосному сигналу
Как уже говорилось, в последние годы специалистами активно обсуждаются новые возможности, которые предоставляет техника использования сверхширокополосных сигналов (СШПС) в системах связи, радиолокации и технической диагностике [41, 42]. Потенциальные возможности СШПС сигналов превосходят возможности традиционных систем по скорости передачи информации в системах связи, по разрешающей способности в системах локации, по скрытности работы, по устойчивости к внешним помехам и т.д. Такие системы могут быть более устойчивы и к условиям распространения сигнала. За счет увеличения полосы сигнала повышается устойчивость канала связи к воздействию помех различного происхождения, в том числе, и от помех соседних каналов, чем обеспечивается возможность одновременной работы большого числа каналов связи с СШПС в одном частотном диапазоне. Помимо этого, за счет низкой спектральной плотности излучаемого сигнала обеспечивается очень высокий уровень их энергетической скрытности и защиты информации. Применение СШПС в радиосвязи, повышение надежности и защищенности таких систем от несанкционированного доступа достигаемое вследствие расширение спектра, получило название технологии spread spectrum (SS). Она основана на использовании сигналов, ширина полосы частот которых значительно превышает значение полосы частот, необходимой для передаваемого сообщения [41]. Использование указанных технологий представляет значительный интерес для специальных систем воздушной подвижной связи, в том числе систем связи с летательными аппаратами в составе беспилотных авиационных комплексов различного назначения [8].
Возможности осуществления пространственной селекции радиосигналов с использованием направленных антенн, в том числе фазированных антенных решеток и адаптивных антенн, обстоятельно изучены и давно стали достоянием практики. Стали классическими, в частности, такие результаты, как оценки предельных возможностей достижения желаемых эффектов, определяемые фундаментальными, ограничениями апертурной теории антенн. При этом большинство из фундаментальных теоретических положений получено в монохроматическом приближении и в достаточной мере соответствует практике и особенностям традиционных средств подвижной радиосвязи, использующих узкополосные сигналы. Для систем с широкополосными сигналами, использование в составе аппаратуры пункта управления фазированных антенных решеток, в сочетании со специальной многоканальной обработкой широкополосных сигналов, открывает возможности дополнительного улучшения качественных показателей таких систем связи [29].
Развитию теории и методам реализации многоканальной обработки радиотехнических сигналов, главным образом для радиолокационных приложений, посвящено значительное число исследований, например [43, 44]. В основу работ указанного направления положен принцип осуществления многоканальной пространственно-временной (или пространственно-частотной) фильтрации. Цель обработки, как правило, заключается в максимизации величины отношения «сигнал/(шум + помеха)» при заданных структуре сигнала и помех и фиксированных направлениях их прихода. При этом, в большинстве из работ этого направления вопрос об изменениях указанной величины при изменении сигнально - помеховой обстановки в пространственной области остается вне поля зрения.
С другой стороны, в работе [35] были проведены исследования, в которых рассматривалась возможность синтеза диаграмм направленности антенн по широкополосному сигналу, т.е. с учетом его частотной структуры при соответствующей фильтрации в приемной антенне. Широкого развитии, в последующем, данные работы не получили, по-видимому, из-за сложности аппаратурной реализации средствами аналоговой техники. В настоящее время, прогресс, достигнутый в аппаратных средствах цифровой техники, позволяет вновь обратиться к использованию методов синтезирования диаграмм направленности многоэлементных антенн по широкополосному сигналу. В главе рассматриваются возможности использования принципа синтезирования ДН ФАР для приемных устройств систем связи с подвижными объектами, использующих широкополосные сигналы. Одной из основных целей организации многоканальной пространственно частотной обработки в таких системах может явиться улучшение пространственной селекции сигналов и помех близкой структуры при сведении к минимуму энергетических потерь сигнала, характерных для ситуации с формированием нулей ДН в направлениях прихода помех. Принцип осуществления синтезирования ДН многоэлементной антенной решетки по широкополосному сигналу можно представить следующим образом.
Оценки эффективности бортовых антенн
Наибольшая сложность при организации расчетных процедур состоит в том, что для получения верных результатов необходимо точно знать парциальные ДН, как функции частоты. В работе [27] проведен анализ методов расчета ДН антенн, установленных на объектах сложной формы. Действительно, на качественном уровне рассмотрение поведения слабонаправленной антенны на объекте сложной формы не представляет затруднений [45]. Влияние объекта может проявляться в затенении антенны для некоторых направлений (или секторов углов) и интерференционных эффектов в освещенной области. Количественная же оценка, абсолютно необходимая при решении поставленных задач, сопряжена со значительными трудностями. В общем случае задача анализа поля излучения антенны, расположенной вблизи проводящего объекта сложной формы, не имеет строгого решения за исключением нескольких случаев, соответствующих телам правильной формы - бесконечная плоскость, полуплоскость, клин, бесконечный цилиндр, сфера и некоторые другие [19]. Не существует также универсальных приемов, позволяющих решать любые подобные задачи единым образом. Использование того или иного метода решения определяется многими факторами: формой объекта, его электрическими размерами, требуемой точностью расчета и др. С целью выбора наиболее приемлемого метода рассмотрим кратко существо известных процедур и возможности их использования, имея в виду: - типовые размеры БЛА класса "мини" -типовые значения частот передачи (MB, ДМВ). Метод наведенных токов [19]. Существо метода состоит в том, что поле антенны в освещенном пространстве рассматривается как сумма поля токов собственно антенны и поля токов, наведенного на экране конечных размеров. Метод достаточно эффективен для задач анализа простейших излучателей, установленных вблизи плоского экрана конечных размеров. Его использование для случая объектов сложной формы практически невозможно.
Дифракционный метод [46] Сущность его состоит в том, что при решении задачи об излучении антенны вблизи объекта сложной формы используются результаты решения задачи дифракции плоской волны, падающей на данный объект с произвольного направления (9,ф). Этот подход также трудно реализовать для случая объекта сложной геометрической формы.
Метод собственных функций [19] Сущность этого метода заключается в том, что для решения уравнений Максвелла выбирается такая система координат, в общем случае криволинейных, у которой хотя бы одна из координатных поверхностей совпадает с аппроксимирующей поверхностью объекта. Благодаря этому удается относительно просто выразить математически граничные условия на поверхности ЛА. Метод достаточно эффективен при определении ДН щелевых излучателей, расположенных на простых криволинейных поверхностях.
Метод частичных областей. Как правило, атмосферные летательные аппараты (самолеты) имеют форму, которую нельзя представить простой аппроксимирующей поверхностью, для которой возможно решение методом собственных функций. Однако в ряде случаев их корпус может быть представлен пересекающимися поверхностями двух или большего числа координатных систем. В таких случаях поле излучения антенны может быть определено методом частичных областей [47,48]. Сущность его состоит в том, что все пространство разбивается на несколько областей. В каждой области поле представляется рядом волновых функций, затем осуществляется «сшивание» их на границах областей, обеспечивающее условие непрерывности, причем это условие выполняется приближенно, например, по критерию наименьшего среднеквадратического значения различия указанных полей.
Метод интегральных уравнений. Существо метода состоит в следующем. Пусть в результате действия сторонних источников на поверхности объекта устанавливается некоторое, пока неизвестное распределение токов. Поле, создаваемое этими токами во внешнем пространстве можно определить, если записать в явном виде выражение для поля, создаваемого токами, которые обтекают элементарный участок поверхности объекта, и , затем, осуществить интегрирование по всей поверхности. Таким образом, неизвестная функция плотности токов оказывается под знаком интеграла.. Если теперь удовлетворить граничным условиям, состоящим в том, что на поверхности объекта, за исключением участков со сторонними токами, касательная составляющая электрического поля равна нулю, то получим интегральное уравнение относительно искомой функции распределения токов. Метод интегральных уравнений применим к широкому классу поверхностей, его численная реализация не слишком сложна при использовании современных вычислительных средств. Метод вспомогательных источников. По существу метод аналогичен методу интегральных уравнений и представляет собой его дискретный аналог. Существо метода [49,50] заключается в следующем. Вводится некоторое количество вспомогательных источников с неизвестными пока комплексными амплитудами возбуждения. Вместе с реальным излучателем они образуют антенную решетку, которая создает в окружающем пространстве некоторое поле излучения. Это поле должно иметь на поверхности, соответствующей поверхности объекта, нулевую касательную составляющую напряженности электрического поля. Это может быть приближенно обеспечено путем выбора амплитуд и фаз возбуждения-вспомогательных источников. Таким образом, исходя из этого условия определяются комплексные амплитуды возбуждения всех элементов решетки. Искомое поле излучения антенны на объекте определяется как поле излучения указанной антенной решетки.
