Содержание к диссертации
Введение
1 Критический анализ состояния и перспектив развития систем автоматизированного проектирования антенных решеток современных радиопеленгаторов 13
2 Разработка математических моделей программно- методического комплекса автоматизированного проектирования широкополосных радиопеленгаторных антенных решеток 37
2.1 Разработка математической модели вибраторной антенной решетки, состоящей из элементов сложной геометрической формы, на основе алгебраизации скалярных интегральных уравнений первого рода 37
2.2 Разработка математической модели вибраторных антенных решеток комплексов радиопеленгации с учетом влияния земной поверхности 50
2.3 Создание математической модели влияния земной поверхности на характеристики радиопеленгаторной 55
антенной решетки, состоящей из вибраторных тонкопроволочных антенных элементов, функционирующей в длинноволновом диапазоне
2.4 Моделирование биконического и дискоконусного вибраторов на основе алгебраизации векторных интегральных уравнений Фредгольмовского типа второго рода с помощью метода коллокаций 70
2.5 Моделирование симметричного электрического вибратора, входящего в состав в составе кольцевой антенной решетки
2.6 Численный анализ диаграммы направленности линзы Люнеберга, возбуждаемой электрическим симметричным вибратором, проведенный с помощью электродинамической модели неоднородных трехмерных металлодиэлектрических структур
2.7 Разработка модели радиопеленгаторной антенной решетки кругового обзора, состоящей из логопериодических вибраторных антенн
2.8 Математическая модель учета влияния корпуса носителя на точность оценки угловых координат источников радиоизлучения в мобильных радиопеленгаторах
2.9 Выводы 135
3 Алгоритмы анализа, синтеза автоматизированного проектирования вибраторных антенных решеток аппаратуры радиопеленгации на основе созданных математических моделей 137
3.1 Алгоритм принятия проектного решения об оптимальном выборе иерархического уровня математической модели радиопеленгаторной антенной решетки в процессе её анализа и синтеза 13 7
3.2 Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток радиопеленгаторов стационарного и мобильного базирования 14 6
3.3 Разработка и верификация алгоритма определения азимута и угла места источника радиоизлучения, созданный на основе метода наискорейшего спуска 156
3.4 Разработка алгоритма пеленгования источников радиоизлучения с помощью вибраторной антенной решетки, основанный на методе прямого перебора
3.5 Алгоритм пеленгования источника радиоизлучения, основанный на итерационной модификации метода наведенных электродвижущих сил
3.6 Разработка алгоритма оценки угловых координат источника радиоизлучения с произвольной поляризацией с помощью кольцевой антенной решетки стационарного или мобильного базирования, основанный на использовании свойств
интеграла Коши
3.7 Выводы 189
4 Методика автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток на основе созданного многоуровневого математического обеспечения программно-методического комплекса
4.1 Разработка структурной схемы ПМК радиопеленгаторных вибраторных антенных решеток 191
4.2 Оценка адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн мобильных антенных решеток 202
4.3 Выводы 207
Заключение 209
Список литературы
- Разработка математической модели вибраторных антенных решеток комплексов радиопеленгации с учетом влияния земной поверхности
- Моделирование биконического и дискоконусного вибраторов на основе алгебраизации векторных интегральных уравнений Фредгольмовского типа второго рода с помощью метода коллокаций
- Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток радиопеленгаторов стационарного и мобильного базирования
- Оценка адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн мобильных антенных решеток
Введение к работе
Актуальность темы Эффективность систем автоматизированного проектирования антенных решеток, используемых в комплексах радиопеленгации и радиомониториига, в значительной степени зависит от структуры и основных параметров математического обеспечения программно-методического комплекса (ПМК) уровня физико-математического описания процессов, протекающих в пространственно-распределенных электродинамических объектах сложной морфологии, адекватности используемых моделей и алгоритмов, количества необходимых вычислительных процедур и т д
Как правило, в современных САПР антенных устройств и систем (CST Miciowave Studio, Zeland, HFSS HP, Maxwell, ADS и др ) используются универсальные численные методы — чаще всего метод конечных элементов и метод моментов (Бубнова-Галеркина) Преимуществом подобного подхода является отсутствие ограничений на геометрические и электродинамические характеристики анализируемой антенной решетки (или - ее отдельного элемента) Однако существуют и существенные недостатки программных средств, предназначенных для проектирования (или только для анализа параметров) сложных широкополосных антенных систем существенные временные затраты (анализ характеристик линейной антенной решетки, состоящей из 9 направленных антенн, в полосе частот с двукратным перекрытием, с использованием пакета CST Microwave Studio, занимает около 140 часов), анализ подобных сложных электродинамических структур с помощью более простых эвристических и полуэмпирических методов зачастую не позволяет получить адекватного описания проектируемой антенной решетки
Проведение структурного и параметрического синтеза радиопеленгатор-ных антенных решеток часто сводится к многократному их численному анализу, сочетаемому с варьированием их структурного построения и комплекса параметров, а поэтому для рационализации процесса их автоматизированного проектирования необходимо оптимальным образом построить иерархию моделей и алгоритмов, составляющих математическое обеспечение САПР антенных решеток комплексов радиопеленгации
Постоянный рост требований к радиопеленгаторным антенным решеткам, вызванный совершенствованием аппаратуры связи (увеличение коэффициента усиления, улучшения качества согласования с приемным трактом, увеличение сектора и скорости пространственного обзора, уменьшение боковых лепестков), инициирует поиск новых принципов и, подходов реализации систем автоматизированного проектирования подобных антенн
Таким образом, разработка математических моделей радиопеленгатор]іьіх антенных решеток и алгоритмов их анализа и синтеза, составляющих основу математического обеспечения программно-методического комплекса автоматизированного проектирования сложных антенных систем, является актуальной научной задачей
Работа выполнена в соответствии со следующими приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации перспективные вооружения, военная и специальная техника, опто-, радио- и аку-стоэлекгроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь в рамках основных
научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и методы автоматизации производства», «Интеллектуальные информационные системы»
Целью диссертационной работы является создание математического обеспечения программно-методического комплекса автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач
анализа состояния и перспектив развития систем автоматизированного проектирования АР современных радиопеленгаторов,
разработки математических моделей широкополосных радиопеленгаторных антенных решеток,
создания алгоритмов и методики проектирования антенных решеток комплексов радиопеленгации на основе созданных математических моделей и адекватных им алгоритмов обработки принимаемых сигналов,
разработки методики проектирования радиопеленгаторных антенных решеток
Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории системного анализа, теории и методов автоматизированного проектирования сложных технических объектов, методы вычислительной электродинамики, методы математического моделирования, стандартные методики натурных экспериментальных исследований антенно-фидерных устройств
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной
-
Структура и состав математического обеспечения ПМК автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, отличающиеся многоуровневой иерархией математических моделей антенных систем и адекватных им алгоритмов обработки принимаемых сигналов, способ выбора математических моделей и алгоритмов, отвечающий условию выполнения основных требований технического задания и комплекса эксплуатационных требований
-
Физико-математические модели, являющиеся основой математического обеспечения ПМК проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, описывающие протекающие электродинамические процессы на различных уровнях строгости
-
Алгоритмы анализа, параметрического и структурного синтеза радиопеленгаторных антенных решеток, позволяющие улучшить технические и эксплуатационные характеристики современных аппаратно-программных радиопеленгаторных комплексов
-
Целевая функция процедуры оптимального синтеза радиопеленгаторных антенных решеток, зависящая от вектора параметров техническою задания, весовых коэффициентов их значимости, вектора учета уровней иерархии математических моделей, алгоритмов и процедур синтеза, вектора параметров, характеризующих геометрию и электрические свойства материалов АР
Практическая значимость работы Разработанное математическое обеспечение программно-методического комплекса автоматизированного проек-
тирования радиопеленгаторных антенных решеток позволяет существенно улучшить весь комплекс их технических и эксплуатационных параметров, а также сократить временные и материальные затраты разработчиков
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС» (г Москва), Воронежском высшем военном авиационном инженерном училище, Воронежском военно-техническом училище ФСО России, Воронежском государственном техническом университете Разработаны программные продукты, зарегистрированные в ГОСФАП РФ «Расчет диаграммы направленности круговой фазированной антенной решетки с заданным числом элементов» (№ 50200401251 от 3 11 04 г ), «Расчет диаграммы направленности кольцевых антенных решеток с гантелеобразными, коническими, цилиндрическими элементами» (№ 50200401254 от 3 11 04 г ), «Расчет диаграммы направленности антенной решетки с учетом взаимного влияния элементов и токов, протекающих по корпусу автомобиля» (№ 50200401264 от 9 11 04 г)
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Структура и состав математического обеспечения ПМК автоматизиро
ванного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, опирающегося
на широкий спектр математических моделей проектируемых антенных систем и
алгоритмов обработки принимаемых сигналов, сформулирован рациональный
способ выбора математической модели из предлагаемой иерархии математиче
ского обеспечения ПМК
2 Пакет моделей, составляющих ядро математического обеспечения
ПМК проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, характеризую
щегося многоуровневой иерархической структурой, определяющейся градацией
уровней представления электродинамических процессов, протекающих в анали
зируемых антенных системах
-
Алгоритмы анализа, параметрического и структурного синтеза радиопеленгаторных антенных решеток, построенные на основе предложенного комплекса моделей, реализующие критерий минимизации систематических погрешностей пеленгования источников радиоизлучения и максимизации чувствительности аппаратуры радиопеленгации
-
Целевая функция процедуры синтеза радиопеленгаторных антенных решеток, минимум которой определяет оптимальное сочетание параметров технического задания и эксплуатационных требований
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях IV научно-техническая конференция «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2003), II научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара,2003), X научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж>2004), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2002-2005)
Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных работах, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК
РФ, зарегистрировано 3 программных продукта В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1-5, 8-13] - проведение моделирования, программная реализация и численное исследование угло-частотных характеристик пеленгаторных антенных решеток из вибраторов различной морфологии, [14-16] — алгоритмы, численный эксперимент, экспериментальное подтверждение адекватности проведенных расчетов
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 143 наименования Работа изложена на 210 страницах, содержит 105 рисунков и 3 таблицы
Разработка математической модели вибраторных антенных решеток комплексов радиопеленгации с учетом влияния земной поверхности
Известно, что реальная земная поверхность может быть представлена в виде практически идеально проводящей (практически соответствующей металлу) поверхности на частотах сверхдлинноволнового (СДВ), длинноволнового (ДВ) и отчасти средневолнового (СВ) диапазона волн [23]. В диапазонах ультракоротких волн (УКВ), сверхвысокочастотных волн (СВЧ) и крайне высокочастотных волн (КВЧ) земная поверхность является диэлектриком с высокими потерями [23]. Самый сложный случай анализа влияния земной поверхности на характеристики антенных устройств приходится на часть диапазона СВ и диапазона коротких волн (KB), где земная поверхность обладает свойствами полупроводника.
В настоящее время разработаны строгие электродинамические методы учета влияния земной поверхности на характеристики вибраторных антенных устройств произвольного диапазона волн, базирующиеся на аппарате интегро-дифференциальных уравнений Поклингтона и интегральных урав 51 нений Халлена. Наиболее ощутимый вклад в данной области электродинамики и антенной техники внесли А. С. Ильинский (МГУ им. М. В. Ломоносова) и С. Л. Рашковский (Харьковский институт радиофизики и электроники АН УССР) [105, И8-123].
В частности, в работах [122-123] для исследования характеристик антенн, размещенных вблизи границы раздела двух сред, предлагается использовать систему интегро-дифференциальных уравнений типа Поклингтона. Поскольку уравнение Поклингтона при алгебраизации дает худшую сходимость, чем уравнение Халлена, в [122-123] был разработан метод регуляризации распределения тока, основанный на кусочно-квадратичном его сглаживании. Метод учета влияния земной поверхности, предложенный С. Л. Раш-ковским [122-123], опирается на нижеследующие положения.
В точке t на поверхности проводника граничное условие для тангенциальных компонент электрического поля имеет следующий вид (в выражениях (2.2-2.10) для краткости записи все линейные размеры в соответствии с обозначениями [123], считаются умноженными на волновое число свободного пространства к0 = 2п\\). ЕГР«) = -Е т(0-ЕгМ (2.2), где E T(t) - напряженность электрической компоненты поля без учета поверхности раздела; ErT(t) - отраженное поле, учитывающее граничные условия на поверхности раздела двух сред; EcTmop{t) - поле стороннего источника, размеры которого малы по сравнению с размерами антенной системы и длиной волны, возбуждающего рассматриваемый электродинамический объект.
Для алгебраизации интегрального уравнения контур интегрирования разбивается на N прямолинейных элементов длиной А (А 2тс, а А) и электрическое поле на поверхности к- го элемента в соответствии с принципом суперпозиции определяется как сумма полей, создаваемых токами всех элементов, включая текущий. При этом в [123] полагается, что запитка вибратора осуществляется от внешних генераторов, подключенных к концам участков. Так как, А «: 1 то напряженность поля стороннего источника определяется как Uk — подводимое к к- му участку напряжение.
Для дискретизации правой части (2.2) в [123] вводятся в рассмотрение токи в центрах антенных элементов и ток I(s) (а также и его производная) выражаются через эти значения токов с помощью полинома второй степени: Р . Р Р, Р ( п Л\ L „Л I(s)= - - + - L+(l-p%+ f + - К (2.8), s — S где р = -, s, - координата центра 1-го элемента, /, - ток в центре 7-го А элемента, 1+ и 1_ - токи в соседних элементах.
Далее в соответствии с [123] выражение (7) подставляется в интегральные уравнения (2.3) и (2.4), причем интегрирование по s ведется отдельно для каждого участка. Составляя такие соотношения для полей в центрах всех N участков с учетом (2.8), в работе [123] получена следующая система линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных токов I,: N I /=1 =ІЗД, / = 1,2,...,#, k = \,2,...,N (2.9), где величины Zlk имеют смысл элементов матрицы взаимных сопротивлений. Несмотря на то, что автором работы [123] данный факт особо не выделен, необходимо отметить, что выражение (2.9), будучи полученным в результате алгебраизации интегро-дифференциального уравнения Поклингтона (решением которого, как дифференциального уравнения является интегральное уравнение Халлена), в явном виде подчеркивает взаимосвязь достаточно строгих методов вычислительной электродинамики Поклингтона и Халлена с эвристическим методом наведенных ЭДС. Совпадение квадратной матрицы системы линейных уравнений (2.9) с матрицей взаимных сопротивлений, используемой в методе наведенных ЭДС, является тому явным свидетельством. Это обстоятельство подчеркивает правомерность использования в диссертационной работе метода наведенных ЭДС, по мнению автора диссертации, незаслуженно забытого в связи с развитием аппарата интегральных и интегро-дифференциальных уравнений.
Моделирование биконического и дискоконусного вибраторов на основе алгебраизации векторных интегральных уравнений Фредгольмовского типа второго рода с помощью метода коллокаций
В ряде технических приложений (таких, как радиомониторинг и радиопеленгация) существенными требованиями, предъявляемыми к антенным устройствам, являются: широкая полоса частот (с коэффициентом перекрытия до 100 и более), пониженное значение минимальной граничной частоты диапазона (антенна с малыми электрическими размерами должна характеризоваться достаточно хорошим качеством ее согласования с питающей линией), малые габаритные размеры и легкость их транспортировки [57]. Кроме того, конструкция антенны должна быть максимально простой и дешевой в производстве [64-65].
В радиоэлектронной аппаратуре уже с 40-х годов прошлого века широко используются объемные биконические вибраторы и дискоконусные вибраторы [123]. Существует возможность построения таких антенн с тороидальной диаграммой направленности в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 100 и более. Биконические и дискоконусные антенны используются в качестве самостоятельных антенных устройств в аппаратуре радиомониторинга и могут выполнять функции элементов антенных решеток в аппаратуре радиопеленгации, рис. 2.35- 2.37.
В работе предпринята попытка анализа с использованием аппарата численного решения интегральных уравнений электродинамики [108, 112, 163] двух модификаций объемного электрического вибратора: биконического и дискоконусного.
Распределение плотности тока по поверхности биконического вибратора S удовлетворяет следующему интегральному уравнению Фредгольмов-ского типа 2-го рода [108]: rpj = 2ppj,//"pjl + «pjxj ;J,grarf Gp,?jjU,, (2.16), где G\ r,r \ = G[p,q) = Qxp\--ikfjrp\iriiq - функция Грина точечного источника; rpq = r-r - расстояние между точками наблюдения р и интегриро вания q; к0 - волновое число свободного пространства; иг- вектор внешней нормали к поверхности S в точке наблюдения (в рассматриваемом слу вектор напряженности магнитной компо чае- ±х0); Н" г =%н;\г \ J \ , ненты падающей волны, формируемой электрическим диполем длиной L, расположенным вдоль координаты z, обтекаемым током с амплитудой 10; р0 - единичный вектор в направлении азимутальной координаты р, отсчитываемой от положительного направления оси х в сторону положительного направления оси у к точке наблюдения;
Для решения векторного интегрального уравнения относительно скалярных функций Jx{p), J yip)-, Jz{p) был использован метод коллокаций, с помощью которого интегральные уравнения сводятся к системам линейных алгебраических уравнений [108,112].
В качестве базисных функций были использованы кусочно-постоянные функции, что существенно упрощает алгоритмизацию решаемой задачи:
После решения вышеприведенной системы линейных алгебраических уравнений находится угловое распределение суммарного электромагнитного поля в дальней зоне. Напряженность магнитной компоненты рассеянного электромагнитного поля в дальней зоне вычислялась в соответствии с [108]: W ( г = ч - \J (г)хгe\p( jkгr)ds (2.24), где к - волновое число свободного пространства; JU0=4-K-Ю-7Гнім, Є0 =8,85-10"12Ф/ЛІ - относительные магнитная и ди электрическая проницаемости окружающего пространства; г - радиус -» вектор точки источника; г - радиус-вектор точки наблюдения в дальней зоне; г г = - - единичный орт, направленный из точки q в точку р.
Шаг метода коллокаций выбирался по следующему алгоритму, рис. 2.38. При анализе биконических вибраторов больших электрических размеров (min(D2,By)»X0) для уменьшения порядка результирующей системы линейных алгебраических уравнений можно увеличивать значение шага сетки по мере удаления от точек его запитки (в данном случае - места расположения электрического диполя), рис. 2.39.
Подобный способ выбора шага сетки метода коллокаций обоснован тем, что при больших электрических размерах биконического вибратора имеет место автоматическая отсечка тока в радиальных направлениях R (быстрое убывание по закону, близкому к экспоненциальному) и ток в перифе рийных областях рассматриваемой антенны не оказывает существенного влияния на ее основные характеристики (в первую очередь, на диаграмму направленности и входное сопротивление). Поэтому при увеличении расстояния от центра вибратора R при m.m[Dz,ByJ» Л0 можно увеличивать шаг сетки без существенной потери точности моделирования электродинамического объекта.
Немного забежав вперед, отметим, что количество вычислительных операций при моделировании биконического вибратора оказывает большое влияние на машинное время, затрачиваемое в процессе автоматизированного проектирования многоэлементных антенных решеток параметрическом синтезе, например, для выравнивания частотных зависимостей входного сопротивления и диаграммы направленности вЕ-иН- плоскостях.
Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток радиопеленгаторов стационарного и мобильного базирования
Современное оборудование автоматизированного радиоконтроля излучений создается с позиций системного подхода к построению и представляет симбиоз аппаратно-программных комплексов, технических средств и пакетов специального математического обеспечения, объединенных общим замыслом, увязанностью характеристик отдельных компонентов, общими требованиями к электромагнитной совместимости, питанию, конструктивными особенностями, согласованными с характеристиками носителей, на которых они используются [72].
Возросший в настоящее время интерес к алгоритмам синтеза, анализа и функционирования высокоэффективных широкополосных антенных систем, предназначенных для стационарных, мобильных и портативных комплексов автоматизированного радиоконтроля излучений, связан со значительными потребностями в данном оборудовании, как силовых ведомств, так и гражданских служб с учетом тенденций развития средств связи и наличия большого числа дестабилизирующих факторов, влияющих на внутреннюю и внешнюю обстановку в стране [72].
Отличительной особенностью оборудования современных технических средств автоматизированного радиоконтроля и пеленгования III и IV поколений является многофункциональность, позволяющая решать без аппаратной доработки большинство задач радиомониторинга и выявления технических каналов утечки информации. Особое значение в этой связи приобретают специально ориентированные пакеты математического обеспечения, существенно расширяющие функциональные возможности комплексов и средств, а также позволяющие приблизить их технические и эксплуатационные характеристики к потенциально достижимым показателям [65].
Для достижения высокой чувствительности и разрешающей способности, точности и однозначности пеленгования в широкой полосе частот, которая может перекрывать несколько радиочастотных диапазонов, в аппаратуре последних поколений необходимо учитывать и корректировать негативное влияние процессов электродинамического взаимодействия конструкции антенной системы, опорной мачты (или носителя сложной геометрической формы). Задачи синтеза и анализа подобных электродинамических объектов, а также создания алгоритмов обработки сигналов в реальном масштабе времени практически исключают возможность «лобового» подхода из-за потребности в проведении огромного количества вычислительных операций. Так, например, решение задачи дифракции электромагнитных волн (возбуждения сторонними токами) реальных носителей антенных систем (самолет-истребитель F-16 и легковой автомобиль) требует при учете тонких деталей протекания токов обращения ком-плекснозначных матриц, порядок которых достигает 8-Ю6, и до 4 часов машинного времени суперкомпьютера CRAY ORIGIN 2000 [52].
Не решает проблему и появившиеся в последнее время ориентированные на применение на персональных компьютерах пакеты программ численного электродинамического моделирования HP HFSS, Maxwell, IE3D, CST MicroWave Studio, возможности которых быстро растут. Во-первых, анализ структур, даже в самом грубом приближении описывающих реальные объекты, занимает до нескольких десятков часов машинного времени. Во-вторых, интересующие характеристики (например, фазы и амплитуды токов, протекающих в антенных элементах) зачастую нельзя извлечь, так как подобные симуляторы выдают лишь интегральные характеристики (компоненты входного сопротивления, диаграмму направленности, коэффициенты направленного действия и усиления, параметры согласования). В-третьих, не всегда удобно использовать даже вышеупомянутые интегральные характеристики.
Поэтому представляет большой практический интерес разработка алгоритмов синтеза, анализа и функционирования антенных решеток, расположенных вблизи реальных переотражающих объектов (опорных мачт и носителей).
В настоящей работе рассмотрен алгоритм структурного синтеза вибраторной антенной решетки для аппаратуры радионаблюдения и пеленгования, алгоритм анализа ее функционирования с учетом взаимного влияния элементов и опорной мачты, а также алгоритмы оценки угловых координат источника радиоизлучения в широкой полосе частот.
Алгоритм структурного синтеза вибраторной антенной решетки иллюстрируется блок-схемой, показанной на рис. 3.2. Первым шагом алгоритма является ввод исходных данных технического задания на проектирование антенной решетки.
Требования к характеристикам и параметрам технического задания являются противоречивыми: с одной стороны, например, нужно обеспечить полноазимутальный режим пеленгования (ширина диаграммы направленности антенной системы в азимутальной плоскости составляет 360), с другой - приблизить к максимально возможному значению ее энергетический потенциал, значение которого увеличивается при сужении главного лепестка диаграммы направленности, (от величины данного параметра напрямую зависят чувствительность, разрешающая способность и точность пеленгования). Диаметральными являются также требования расширения полосы рабочих частот и минимизация габаритных размеров антенной системы - для эффективной работы в области низких частот (длинных волн) необходимо иметь достаточно большие значения базы пеленгатора (расстояния между соседними элементами) и размеры вибраторов.
Оценка адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн мобильных антенных решеток
Основными показателями, характеризующими адекватность ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн как сложных объектов, являются следующие: «физичность» результатов математического моделирования, оптимизации и автоматизированного проектирования; устойчивость - малым изменениям входных параметров или технического задания на проектирование должны соответствовать малые изменения выходных параметров и характеристик; повторяемость результатов - одним и тем же входным данным, введенным в разной последовательности, должны соответствовать неизменные выходные данные; использование различных методов исследования или проектирования одного и того же объекта должно приводить к соизмеримым результатам; соответствие результатов, полученных при использовании различных систем автоматизированного проектирования, разработанных разными коллективами; использование корректных математических методов, моделей и алгоритмов; быстрая сходимость используемых в ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн алгоритмов; соответствие результатов исследования или проектирования объекта данным его экспериментальных и натурных исследований.
Безусловно, последний критерий адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн является определяющим. Показатель «физичности» может служить для субъективной оценки качества системы автоматизированного проектирования.
Под эффективностью понимают свойство программного обеспечения ПМК проектирования выполнять требуемые функции без излишних затрат ресурсов. В качестве оценки эффективности принимают характеристику программы, значение которой прямо пропорционально быстродействию и обратно пропорционально объему используемых ресурсов компьютера и внешних устройств [126].
Разработанная ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн в целом отвечает вышеназванным критериям. Адекватность подавляющего большинства функций системы автоматизированного проектирования мобильных антенных решеток подтверждена положительными результатами экспериментальных и натурных исследований анализируемых (проектируемых) объектов. Рассмотрим ряд конкретных подтверждений адекватности и эффективности разработанной системы.
Внедренный алгоритм на основе модификации метода наведенных ЭДС математического обеспечения автоматизированного проектирования пеленгаторных антенных решеток из тонкопроволочных вибраторов позволил ускорить на порядок (при оценке результата ошибки пеленга не превышающем 4) обработку данных по коррекции пеленгационных характеристик в сравнении с методом интегральных уравнений.
Метод моделирования процесса преобразования объемных волн в поверхностные с помощью линзы Люнеберга, предложенный автором настоящей работы, позволил осуществить анализ свойств данной структуры и автоматизированное проектирование узконаправленных пеленгаторных антенн на персональных компьютерах средней конфигурации (процессор Pentium-IV, Athlon- 64, объем ОЗУ - 512 Мб, объем жесткого диска - 160 Гб).
Использование метода интегральных уравнений в резонансной области частот приводит к плохо обусловленным СЛАУ с комплексными неизвестными порядка 107, что делает возможным моделирование данной структуры лишь с использованием современных мощных программных продуктов, реализующих применение модели решения дифракционной задачи методом векторных интегральных уравнений в пространственно-временной области (продукт CST Microwave Studio).
Сравнение данных математического моделирования предложенного в работе алгоритма пеленгации источников радиоизлучения с помощью АР (при варьировании различными конфигурациями вибраторов) и эксперимента, проведенного в полевых условиях в УКВ диапазоне частот, показало, что уровень среднеквадратичной ошибки (СКО) пеленгования снизился при расширении полосы частот с 6 до 1,5.
Исследование разработанного алгоритма определения азимута и угла места источника ЭМВ с помощью пеленгаторной АР показало, что при числе итераций в используемом методе наискорейшего спуска среднеквадратичная ошибка экспериментальных и расчетных измерений составляет 3.7 в рабочем диапазоне частот. Среднее значение ошибки составило - 0.43. Время вычисления пеленга не превышало 1 мс (использовался компьютер с процессором Pentium-IV).
Предложенный эвристический алгоритм учета влияния корпуса носителя, изложенный в главе 3, (модельное представление отображено на рис.) на ДН размещенной на нем АР и, в частности, коррекции результатов пеленгования в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия около 40 исследован в натурных условиях в режиме реального масштаба времени.
Исходные параметры объекта: радиопеленгаторная АР- радиус 500 мм, диаметр вибратора 10 мм, нагрузка 1 кОм, длинна плеча вибратора 100 мм ; автомобиль- длинна 5500 мм, ширина 2000 мм, высота 2000 мм. Разработанные с помощью созданного ПМК радиопеленгаторные АР успешно используются на практике в компактных комплексах радио мониторинга и пеленгации (ЗАО «ИРКОС», г. Москва, Воронежское ВВАИУ (военный институт), Воронежское ВТУ ФСО России).
Испытания (рис.4.8, 4.9) показали, что в полосе частот 80-Н80 МГц среднеквадратичная ошибка пеленгования составляла менее 3 (при стандартных требованиях, предъявляемых к СКО пеленгования с помощью мобильных пеленгаторных систем около 4).
В режиме прямого пеленгования (без корректирующего алгоритма) величина СКО измерений достигала 15-ь20. Кроме этого, разработанный алгоритм позволил ликвидировать неоднозначность в определении пеленга, что также подтверждено результатами натурных испытаний.
