Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Радиосистемы космической связи и электрические ракетные двигатели в задачах освоения ближнего и дальнего космоса 23
1.1 Особенности и направления использования электрических ракетных двигателей в задачах освоения ближнего и дальнего космоса 24
1.1.1 Задачи и области применения электрических ракетных двигателей в задачах освоения ближнего и дальнего космоса 25
1.1.2 Проекты изучения и освоения дальнего космоса 28
1.1.3 Виды, принципы функционирования, основные характеристики и компоновочные схемы перспективных электрических ракетных двигателей для освоения ближнего и дальнего космоса 32
1.1.4 Основные электрофизические характеристики плазменных струй ЭРД 47
1.2 Воздействие ЭРД на радиосистемы КА 48
1.2.1 Основные факторы, связанные с функционированием ЭРД 48
1.2.2 Влияние ЭРД на характеристики радиоканала связи с КА 49
1.3 Принципы построения и основные характеристики радиосистем космической связи ближнего и дальнего космоса 54
1.3.1 Радиосистемы космической связи ближнего космоса 55
1.3.2 Радиосистемы дальней космической связи 64
1.4 Цель исследования и решаемые научно-технические задачи 69
1.5 Выводы 72
Глава 2 Методы и экспериментальные установки для исследования в наземных условиях характеристик излучения электрических ракетных двигателей в радиодиапазоне 75
2.1. Нормативно-метрологические и методические основы проведения экспериментальных исследований и моделирования излучения ЭРД в радиодиапазоне
2.1.1 Нормативно-метрологические основы экспериментальных измерений 75
2.1.2 Методология экспериментальных исследований 81
2.2 Анализ современного состояния экспериментальных установок и методов измерения характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне 83
2.2.1 Экспериментальные установки на основе вакуумных камер 83
2.2.2 Экспериментальные установки с использованием безэховых камер 84
2.3 Основные имеющиеся результаты измерения характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне 89
2.3.1 Результаты измерения характеристик излучения ЭРД в частотной области 90
2.3.2 Результаты измерения характеристик излучения ЭРД во временной области 97
2.4 Экспериментальная установка НИИ ПМЭ МАИ для измерения в наземных условиях характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне 99
2.4.1 Конструктивные особенности реализации безэховой камеры 99
2.4.2 Комбинированная экспериментальная установка НИИ ПМЭ МАИ 102
2.5 Измерительный аппаратно-программный комплекс для определения спектрально временных характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне 105
2.5.1 Архитектура и принципы построения измерительного аппаратно-программного комплекса 106
2.5.2 Алгоритмы управления измерительными приборами и обменом данными 108
2.5.3. Методы измерения и калибровки измерительного комплекса 112
2.5.4 Математические методы и программные средства для обеспечения проведения, обработки и интерпретации результатов экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне 114
2.6. Методика измерения характеристик излучения ЭРД в радиодиапазоне 118
2.7 Выводы 121
Глава 3 Результаты экспериментальных исследований в наземных условиях характеристик излучения электрических ракетных двигателей в радиодиапазоне 123
3.1 Результаты экспериментальных измерений характеристик радиоизлучения ЭРД модели СПД-70 123
3.1.1 Спектральные характеристики радиоизлучения ЭРД модели СПД-70 123
3.1.2 Характеристики радиоизлучения ЭРД модели СПД-70 во временной области 126
3.2 Результаты экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД моделей СПД-100 131
3.2.1 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-100 в спектральной области 131
3.2.2 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-100 во временной области 138
3.3 Результаты экспериментальных измерений характеристик радиоизлучения ЭРД моделей СПД-140 151
3.3.1 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-140 в спектральной области 152
3.3.2 Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-140 во временной области 156
3.4 Результаты экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД модели АИПД-50 в радиодиапазоне 158
3.5 Результаты экспериментальных измерений характеристик излучения ЭРД модели ВЧИД-10 161
3.6 Результаты экспериментального исследования характеристик излучения полого катода СПД 164
3.7 Результаты сравнения экспериментальных измерений в металлической и безэховой вакуумных камерах 167
3.8 Выводы 169
Глава 4 Характеристики и математические модели излучения стационарных плазменных двигателей в радиодиапазоне 171
4.1 Характеристики и математические модели радиоизлучения стационарных плазменных двигателей в частотной области 172
4.1.1 Характеристики собственных и внешних эквивалентных тепловых шумов на входе приемной системы 172
4.1.2 Характеристики эквивалентного аддитивного белого гауссового шума на входе приемной системы, обусловленного радиоизлучением СПД 179
4.1.3 Оценка влияния радиоизлучения СПД на шумовые характеристики систем космической связи 184
4.2 Характеристики и математические модели радиоизлучения стационарных плазменных двигателей во временной области 190
4.2.1 Статистические спектрально-временные характеристики и параметры радиоизлучения СПД 192
4.2.2 Математические модели и законы распределения амплитуд случайных импульсных помех 203
4.2.3 Законы распределения интервалов следования импульсов 213
4.2.4 Законы распределения длительностей импульсов 214
4.2.5 Сравнительный анализ математических моделей и результатов экспериментальных измерений 215
4.3 Обобщенная математическая модель радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 218
4.4 Выводы 220
Глава 5 Имитационное моделирование радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 223
5.1 Архитектура и алгоритмы реализации программно-алгоритмического комплекса для имитационного моделирования излучения стационарных плазменных двигателей в радиодиапазоне 223
5.1.1 Структура и принципы функционирования программного комплекса 223
5.1.2 Алгоритмы реализации программного комплекса 226
5.2. Верификация программного комплекса для имитационного моделирования радиоизлучения стационарных плазменных двигателей в радиодиапазоне 237
5.2.1 Планирование экспериментов с имитационной моделью радиоизлучения СПД 237
5.2.2 Проведение имитационного моделирования и анализ экспериментальных и модельных реализаций сигналов радиоизлучения СПД 239
5.2.3 Анализ экспериментальных и модельных статистических характеристик амплитуды и фазы комплексной огибающей радиоизлучения СПД 244
5.2.4 Анализ экспериментальных и модельных характеристик радиоизлучения СПД в спектральной области 247
5.2.5 Анализ экспериментальных и модельных статистических характеристик интервалов следования импульсов, их длительности и законов распределения пиковых значений импульсов радиоизлучения СПД 249
5.2.6 Анализ экспериментальных и модельных статистических характеристик теплового шумового радиоизлучения СПД 253
5.3 Выводы 254
Глава 6 Аналитические и имитационные модели радиосистем космической связи для оценки влияния радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 255
6.1 Аналитические модели и методы для оценки достоверности передачи информации в радиосистемах космической связи в условиях воздействия случайных импульсных помех 255
6.1.1 Оценка достоверности передачи информации в цифровых радиосистемах связи в условиях воздействия случайных импульсных помех: основные имеющиеся результаты 256
6.1.2 Достоверность передачи информации в радиосистемах космической связи в условиях воздействия импульсных помех: обобщение аналитической модели Миддлтона 258
6.2 Принципы имитационного моделирования радиосистем космической связи в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей 265
6.3 Имитационная модель информационного канала радиосистемы космической связи в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей 268
6.4 Математические и имитационные модели каналов фазовой и символьной синхронизации в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей 275
6.4.1 Математические модели следящих систем синхронизации 275
6.4.2 Математические модели систем фазовой синхронизации 280
6.4.3 Математические модели систем символьной синхронизации 282
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 285
6.4.5 Анализ характеристик статистических эквивалентов систем символьной синхронизации при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 289
6.5 Верификация имитационной модели космической радиосистемы передачи информации 291
6.6 Выводы 296
Глава 7 Анализ помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 298
7.1 Анализ влияния радиоизлучения стационарных плазменных двигателей на достоверность передачи информации с использованием имитационных моделей радиосистем космической связи 300
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 301
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 302
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 303
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 304
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 305
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 305
7.1.7 Анализ зависимости вероятности битовой ошибки от параметра и вида модуляции в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей 306
7.2 Методика определения энергетического проигрыша радиосистем космической связи, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 310
7.2.1 Методика определения характеристик радиоизлучения стационарных плазменных двигателей, необходимых для оценки помехоустойчивости передачи информации 311
7.2.2 Математические модели для расчета энергетических характеристик радиоканала 313
7.2.3 Расчет отношения сигнал-шум с учетом шумовой компоненты излучения стационарных плазменных двигателей 320
7.2.4 Расчет отношения сигнал-импульсная помеха с учетом импульсной компоненты излучения стационарных плазменных двигателей 321
7.2.5 Многомерная аппроксимация результатов расчета вероятности битовой ошибки, полученных с использованием имитационного моделирования 324
7.3 Анализ энергетического проигрыша радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 324
7.4 Выводы 332
Глава 8 Методы квадратурной компенсации импульсных помех и рекомендации по повышению помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 334
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 334
8.1.1 Алгоритм функционирования квадратурного компенсатора импульсных помех 335
8.1.2 Анализ эффективности квадратурного компенсатора импульсных помех 336
8.2 Методы и алгоритмы оценки текущего отношения сигнал-шум в радиосистемах космической связи 340
8.2.1 Исходные соотношения для оценки отношения сигнал-шум 341
8.2.2 Алгоритмы оценки отношения сигнал-шум на основе квадратурных компонент сигнала 344
8.2.3 Сравнительный анализ ошибок оценки отношения сигнал-шум 347
8.3 Оценка отношения сигнал-шум при воздействии импульсных помех стационарных плазменных двигателей 350
8.3.1 Алгоритмы оценки отношения сигнал-шум при воздействии импульсных помех от стационарных плазменных двигателей 351
8.3.2 Анализ точности оценки отношения сигнал-шум при воздействии импульсных помех от стационарных плазменных двигателей 352
8.4 Рекомендации по разработке и созданию радиосистем космической связи, функционирующих в условиях воздействия радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 354
8.5 Выводы 355
Заключение 357
Список сокращений и условных обозначений 359
Список литературы 364
Приложение А. Примеры расчета энергетического бюджета радиолинии «Земля-КА» при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей 386
Приложение Б. Зависимость энергетического проигрыша от суммарного отношения сигнал-шум и отношения сигнал импульсная помеха 390
Приложение В. Характеристики точности оценки отношения сигнал-шум в присутствии аддитивных случайных импульсных помех 399
- Проекты изучения и освоения дальнего космоса
- Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-100 во временной области
- Проведение имитационного моделирования и анализ экспериментальных и модельных реализаций сигналов радиоизлучения СПД
- Анализ зависимости вероятности битовой ошибки от параметра и вида модуляции в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей
Введение к работе
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 MATLAB/Simulink (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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 РСКС 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 в широком 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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 в широком 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:
-
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.
-
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=810-4) до 5 дБ
при отношении сигнал-импульсная помеха 0 дБ (BER=1.510-2).
6. Разработанные для оптимизации работы квадратурного компенсатора импульсных
помех алгоритмы оценки текущего отношения сигнал-шум в условиях воздействия импульсных
помех, являющиеся работоспособными в широком 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,
Им также лично разработаны методики, математические и имитационные модели
излучения СПД в радиодиапазоне, программно-алгоритмические средства для имитационного моделирования такого излучения, математические модели и программно-алгоритмические средства для имитационного моделирования воздействия излучения СПД на РСКС, получены и проанализированы количественные оценки достоверности передачи информации в РСКС, функционирующих в условиях воздействия излучения СПД, исследовано влияние этого излучения на достоверность передачи информации и величину энергетического проигрыша для различных методов модуляции, разработаны и исследованы методы компенсации деструктивного воздействия излучения СПД, предложены новые методы измерения текущих значений отношения сигнал-шум, в том числе и при воздействии радиоизлучения СПД.
Постановка и проведение ряда экспериментальных измерений выполнена совместно с научным консультантом Плохих А.П. Часть результатов получена вместе с Волковским А.С., Плохих А.П., Серкиным Ф.Б. и др. В работах, опубликованных в соавторстве, соискатель предложил методы решения задач, разработал методики и программно-алгоритмические средства обработки результатов экспериментов, математические модели, алгоритмы моделирования и программную реализацию основных моделей, провел анализ и интерпретацию полученных результатов.
Структура и объем работы
Проекты изучения и освоения дальнего космоса
Научные исследования Марса, Венеры и других объектов Солнечной системы с использованием КА проводятся постоянно и приобретают системный характер. Усложнение решаемых научных задач и расширение функциональных возможностей бортовой научной аппаратуры приводит к увеличению массы и энергопотребления полезной нагрузки.
Ниже рассматриваются некоторые проекты освоения дальнего космоса, в которых используются ЭРДУ [6].
КА Deep Space 1
Deep Space 1 («Дальний Космос-1») — экспериментальный автоматический космический аппарат, запущенный в 1998 г., как часть программы NASA New Millennium («Новое Тысячелетие») [21], [6].
Основной задачей полёта было испытание двенадцати образцов новейших технологий, способных значительно снизить стоимость и риски космических проектов и включающих в себя: - Ионный двигатель, разработанный в рамках программы «NSTAR (NASA SEP Technology
Application Readiness)».
- Autonav — автономную систему навигации, сводящую к минимуму необходимость корректировки движения аппарата с Земли, а также способную наводить на цели фотоаппаратуру зонда.
- Remote agent — программное обеспечение, способное к самотестированию и самовосстановлению после сбоев.
- SDST (Small, Deep-Space Transponder) — миниатюризованная система дальней космической радиосвязи.
- MICAS (Miniature Integrated Camera And Spectrometer) — малогабаритную, лёгкую видеосистему, объединяющую цифровую фотокамеру и спектрометр.
- PEPE (Plasma Experiment for Planetary Exploration) —массив научных приборов для изучения космической плазмы, солнечного ветра, электромагнитных полей и заряженных частиц.
- SCARLET (Solar Concentrator Array of Refractive Linear Element Technologies) — лёгкие и эффективные солнечные батареи.
Электростатический ионный двигатель, разработанный в NASA и использующий в качестве рабочего тела ксенон, обеспечивал удельный импульс 32000 сек при 2000 Вт. Хотя двигатель создавал всего 80-92 мН тяги при максимальной мощности (2300 Вт), КА достиг высоких скоростей, так как ионный двигатель проработал в качестве маршевого 16265 часов, т.е. примерно 640 дней. Величина тяги двигателя могла меняться в широких пределах за счет управления подводимой электрической мощностью и расходом ксенона. При мощности 470 Вт минимальная тяга составляла 20 мН, а удельный импульс - 1900 сек. Эффективная скорость истечения реактивной струи достигала 40 км/с [22], [23].
За исключением некоторых проблем, связанных с повторным запуском ЭРД, все системы КА, включая телекоммуникационную, во время работы ЭРД функционировали нормально. Малогабаритный транспондер для дальнего космоса (SDST) обеспечивал связь в Х-диапазоне частот (7…12 ГГц, uplink и downlink) и перспективном Ka-диапазоне (26.5…40 ГГц, downlink) [24].
КА SMART-1
SMART-1 (Смарт-1) — первый аппарат в программе «Small Missions for Advanced Research in Technology» — создавался прежде всего, как экспериментальная автоматическая межпланетная станция (АМС), для отработки перспективных технологий и в первую очередь — ЭРДУ для будущих миссий к Меркурию и Солнцу. Испытания новых технологий удачно совмещались с решением научных задач — исследованием Луны [25], [6]. Главной новинкой АМС была солнечная электрическая ДУ PPS-1350-G, изготовленная компанией Snecma Moteurs с участием ОКБ Факел (Россия). В её состав входят холловский ЭРД, созданный на основе двигателя SPT-100 производства ОКБ «Факел» (СПД — в соответствии с классификацией, принятой в России), система подачи и распределения электропитания, запас рабочего тела (ксенона) — 82 кг. Двигатель с кольцеобразной керамической камерой внешним диаметром 100 мм и внутренним 56 мм развивал тягу до 70 мН при удельном импульсе 16400 м/с. Рабочее напряжение двигателя — 350 В, ток — 3.8 А, потребляемая мощность — 1350 Вт, секундный расход рабочего тела — 4.2 мг/с, КПД — 51 %. Двигатель был оснащён двухстепенным механизмом поворота, позволяющим обеспечить необходимое направление вектора тяги по мере израсходования рабочего тела.
Среди других летных технологических экспериментов стоит упомянуть испытание аппаратуры KaTE (X/Ka-band Telemetry and Telecommand Experiment) для высокоскоростной связи и управления в диапазонах X (7/8 ГГц) и Ka (32/34 ГГц), бортового ПО автономной навигации OBAN (On_Board Autonomous Navigation) для определения положения КА в космосе, литий-ионной модульной бортовой аккумуляторной батареи и эксперимент с лазерной связью.
КА Hayabusa (MUSES-C)
Hayabusa («Хаябуса», в переводе «Cокол») до запуска имел наименование MUSES-C — космический аппарат Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), предназначенный для изучения астероида Итокава и доставки образца его грунта на Землю [26], [6]. Hayabusa был запущен 9 мая 2003 г. японской ракетой-носителем М-5. Вес аппарата — 510 кг. Оснащен маршевым ионным двигателем. На КА Hayabusa использовался транспондер, работавший в Х-диапазоне и подробно рассмотренный ниже и в [6].
12 сентября 2005 г. аппарат приблизился к астероиду на расчётные 20 км и начал проводить детальные исследования. 4 февраля 2009 г. сотрудникам JAXA удалось перезапустить ионный двигатель и окончательным маневром направить аппарат к Земле. 13 июня 2010 г. аппарат вошёл в атмосферу Земли и сбросил спускаемую капсулу, содержащую образцы вещества астероида. Капсула приземлилась в районе полигона Вумера на юге Австралии, а сам аппарат сгорел в плотных слоях атмосферы. Hayabusa стал первым КА с маршевыми ЭРД, доставившим на Землю образцы грунта астероида и шестым автоматическим КА, доставившим внеземное вещество на Землю — после «Луны-16», «Луны-20», «Луны-24», Genesis и «Stardust».
КА Dawn
Автоматическая межпланетная станция Dawn («Рассвет») запущена в космос NASA 27 сентября 2007 г. для исследования астероида Весты и карликовой планеты Цереры [27], [6]. АМС достигла Весты в 2011 г., Цереры — в 2015 г. Целями полёта Веста и Церера избраны потому, что представляют собой противоположные типы больших астероидов: Цереру покрывает ледяной слой толщиной до 100 км, а Веста — монолитный безводный ахондрит. При этом Веста — основной «поставщик» метеоритов, достигающих поверхности Земли.
План полёта, рассчитанный примерно на 8 земных лет, предусматривал расходящуюся спиральную траекторию, описывающую три оборота вокруг Солнца. В феврале 2009 года Dawn прошёл мимо Марса, ускорившись вследствие гравитационного манёвра с выходом из плоскости эклиптики. В сентябре 2011 г., совершив почти два оборота вокруг Солнца, Dawn достиг Весты и перешел на её круговую орбиту. В апреле 2012 г. Dawn покинул Весту и отправился к Церере. В феврале 2015 года Dawn достиг Цереры. На ноябрь 2016 г. КА проводил исследования и совершал маневры с использованием ЭРД на орбите Цереры.
АМС приводится в движение тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, разработанными L-3 Electron Technologies Inc. на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1. Каждый двигатель имеет тягу 30 мН и удельный импульс тяги 31000 м/с; одновременно возможна работа одного двигателя. При нормальной работе ионные двигатели Dawn обеспечивают прирост в скорости на 97 км/ч за каждые 4 дня работы ионного двигателя (ИД). Планируется, что к завершению миссии суммарное время работы ЭРД составит более 2000 суток – почти 5.5 лет, а общий прирост скорости достигнет 11 км/с.
Характеристики радиоизлучения ЭРД моделей СПД-100 во временной области
Как показали экспериментальные исследования спектральных характеристик собственного излучения лабораторных моделей ЭРД СПД-100, эти характеристики существенно зависят от режима работы ЭРД. При этом особый интерес представляет изучение временной структуры сигналов, излучаемых ЭРД, непосредственно связанной с их спектральными характеристиками. Учитывая большой объем полученных и обработанных экспериментальных данных, ниже приводятся лишь основные результаты, иллюстрирующие главные выявленные закономерности.
Характеристики радиоизлучения ЭРД модели СПД-100-1 во временной области
Измерение характеристик излучения лабораторного образца ЭРД СПД-100-1 во временной области проводилось для различных режимов работы ЭРД, отличающихся, прежде всего, напряжением разряда, которое варьировалось от 300В до 800В с шагом 100В [6]. При этом поддерживался постоянным и равным 2.95 мг/с расход рабочего тела. Более подробно параметры, характеризующие условия функционирования ЭРД, приведены в Таблице 3.2.
Запись временных реализаций осуществлялась в полосе 80 МГц для центральных частот, соответствующих каналам «Земля-КА» систем спутниковой связи: L-диапазона (0.75 и 1.5 ГГц), S-диапазона (2.0 и 2.5 ГГц), С-диапазона (5.9…6.4 ГГц) и Х-диапазона (7.2 ГГц). Длительность временных реализаций варьировалась от 0.1 до 10 мс.
Примеры полученных результатов для режима №6 (Таблица 3.2) приведены на Рисунках 3.45…3.46. На Рисунке 3.45 изображены эпюры огибающих сигналов для С-диапазона. На Рисунке 3.46 – те же зависимости, но подвергнутые фильтрации (сглаживанию) с постоянной времени 100 нс с целью уменьшить влияние аддитивного шума и более наглядно отобразить импульсную компоненту сигнала. Видно, что во всех поддиапазонах наблюдается проявление импульсного характера излучения ЭРД разной интенсивности. Длительность импульсов варьируется от 0.1 до 1…3 мкс, а интервал повторения – от 1 до 20 мкс.
Анализ статистических характеристик полученных временных реализаций показывает, что, как и следовало ожидать, закон распределения квадратурных компонент имеет негауссовский характер. Это видно из сравнения оценок законов распределения, построенных на основе экспериментальных данных, и теоретических (дифференциального и интегрального) законов распределения, которые приведены соответственно на Рисунках 3.47 и 3.48. Соответственно и закон распределения огибающей сигнала также не совпадает с рэлеевским, что подтверждается сравнением дифференциального и интегрального законов распределения принятых реализаций с эквивалентными рэлеевским законом распределения (Рисунки 3.49 и 3.50).
Характеристики радиоизлучения ЭРД модели СПД-100-2 во временной области
В процессе экспериментальных исследований временных характеристик ЭМИ лабораторного образца ЭРД СПД-100-2 получен большой объем экспериментальных данных. Измерения проводились для различных значений разрядного напряжения, которое варьировалось от 300В до 800В с шагом 100В, различных значений расхода рабочего тела (от 1.88 до 2.73 мг/с), с использованием и без использования МШУ, а также с использованием различных аппаратных средств спектрального анализа (Agilent PSA E4440A и PXA N9030A) [6].
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 ГГц с шагом 80 или 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».
Примеры временных реализаций огибающей принимаемого сигнала, снятых в «панорамном» режиме для частот от 0.1 ГГц до 12 ГГц с шагом 140 МГц для параметров функционирования ЭРД U =800В, I =2.95А, m = 2.73мг/с, приведены на Рисунках 3.51…3.64. Видно, что для данного режима работы ЭРД характерно наличие импульсных сигналов практически во всех рассматриваемых диапазонах частот. Отсутствие импульсов в диапазонах частот ниже 500 МГц связано с ограниченной полосой пропускания используемых измерительных антенн. А слабое их проявление на частотах выше 10 ГГц - с ограниченной чувствительностью измерительного комплекса на этих частотах. В целом уровень импульсов в различных частотных диапазонах качественно хорошо согласуется с результатами спектрального анализа, рассмотренными ранее.
Для большей наглядности на Рисунке 3.65 приведены временные зависимости огибающих сигнала для частотного диапазона 6.28… 7.52 ГГц, сглаженные фильтром с постоянного времени 100 нс. При этом уменьшается уровень широкополосного аддитивного шума и более наглядно отображается форма излучаемых ЭРД импульсов.
В целом, анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что импульсное излучение ЭРД СПД-100-2 для высоковольтных режимов работы с максимальным расходом рабочего тела характеризуется формированием случайной последовательности импульсов, длительность которых лежит в пределах 0.2… 7 мкс, а период следования - в среднем в пределах 10…30 мкс. В то же время, видно, что в отдельных случаях наблюдается «пакетирование» импульсов, то есть излучение последовательности близко расположенных импульсов, которая выглядит как один длинный импульс. Это видно, например, на графиках, соответствующих центральным частотам 1.64 ГГц, 2.2 ГГц, 3.18 ГГц и т.д.
Учитывая наличие значительной по уровню импульсной компоненты в излучаемом СПД сигнале, следует ожидать, что данный сигнал будет существенно негауссовским. Это подтверждают и результаты проведенного анализа статистических характеристик полученных временных реализаций.
В качестве примера на Рисунках 3.66…3.70 приведены оценки дифференциальных и интегральных законов распределения параметров экспериментально полученных реализаций случайных процессов для центральной частоты 7.24 ГГц, совпадающей с диапазоном частот, выделенным для систем дальней космической связи.
Анализ показал, что во всех случаях закон распределения фазы комплексной огибающей сигнала близок к равномерному (Рисунок 3.66).
Как видно из результатов, полученных для синфазной (квадратурной) компоненты комплексной огибающей принятого сигнала, его дифференциальный (Рисунок 3.67) и интегральный (Рисунок 3.68) законы распределения существенно отличаются от гауссовского.
Соответственно, дифференциальный (Рисунок 3.69) и интегральный (Рисунок 3.70) законы распределения амплитудной огибающей сигнала также существенно отличаются от рэлеевского закона распределения.
Таким образом, электромагнитное излучение ЭРД СПД-100-2 является негауссовским и имеет ярко выраженную компоненту в виде случайной последовательности импульсов, что необходимо учитывать при анализе помехоустойчивости и разработке алгоритмов обработки сигналов в системах космической связи.
На Рисунке 3.71 представлены модули нормированной функции автокорреляции комплексной огибающей сигнала, излучаемого ЭРД СПД-100-2, для центральной частоты 7.240 ГГц. Кривые построены для исходной реализации, а также для реализаций, пропущенных через сглаживающий (полосовой) фильтр с разными постоянными времени в диапазоне от 25 до 200 нс. Видно, что корреляционная функция содержит две компоненты: узкий пик, соответствующий широкополосной компоненте сигнала, связанной как с аддитивным тепловым шумом, так и тепловым излучением ЭРД, а также более широкую в основании часть, определяемую нетепловым (импульсным) излучением ЭРД. Интервал корреляции последней составляет примерно 0.12…0.15 мкс, что совпадает с длительностью наиболее коротких импульсов, зафиксированных в излучении ЭРД.
Проведение имитационного моделирования и анализ экспериментальных и модельных реализаций сигналов радиоизлучения СПД
Экспериментальные результаты измерения собственного излучения ЭРД СПД-100-2 и СПД-100-4 были получены и обработаны в соответствии с методикой, изложенной в Главе 4.
В процессе проведения экспериментальных измерений спектральные и временные характеристики излучения лабораторного макета ЭРД СПД-100-4 сохранялись в виде массивов данных в формате mat-файла MATLAB.
Файлы с результатами спектральных измерений содержат отсчеты спектра излучения СПД сформированные спектроанализатором в диапазоне от 0.8 до 12 ГГц, с разрешением RBW=1 МГц и усредненные по 100 реализациям. В файлах с результатами измерения излучения СПД во временной области записаны реализации квадратурных компонент комплексной огибающей сигнала, имеющие длительность 5 мс и шаг дискретизации 10 нс. Реализации получены для центральных частот спектра сигнала, лежащих в L (1610…1710 МГц), S (1980…2100 МГц), C (5725…6500 МГц) и X (7150…8400 МГц) диапазонах и полосы анализа входного сигнала 80 МГц.
Как показал анализ, для рассматриваемого экземпляра и режима работы СПД импульсный характер излучения наиболее сильно проявляется в L-диапазоне. Поэтому в дальнейшем для верификации разработанной имитационной модели излучения СПД в качестве примера будут использоваться данные, полученные для L-диапазона. Характер импульсного процесса для различных поддиапазонов L-диапазона является качественно однотипным. Отличия могут заключаться в количественных значениях параметров сигналов в различных поддиапазонах. В связи с этим для проведения верификации может быть использована любая реализация, полученная для данного диапазона частот.
Поэтому с целью более точного исследования статистической природы реализаций собственного излучения СПД-100-4 использовалась дополнительно полученная реализация длительностью 5 мс для центральной частоты 1605 МГц и полосы анализа 80 МГц, представленная Рисунке 4.24. Более подробно статистические характеристики экспериментальных измерений для данного случая рассмотрены в разделе 4.2.1.
Рассмотрим сравнение экспериментально полученных данных и результатов моделирования излучения СПД, полученных на основе этих экспериментальных данных. При сравнении следует учитывать, что возможны определенные различия экспериментальных результатов и результатов моделирования. Данные различия могут быть связаны как с ограниченным объемом выборки, как в том, так и в другом случае, а также с особенностями построения и функционирования имитационной модели сигнала. По результатам проведенного сравнительного анализа в дальнейшем при необходимости возможно проведение корректировки имитационной модели.
Будем сравнивать с результатами экспериментальных измерений результаты имитационного моделирования, полученные для двух видов моделей: Модель 1, использующая представление СИП в виде последовательности радиоимпульсов со случайной амплитудой, фазой и частотой (модифицированная модель Фурутсу-Ишида (4.78)), и Модель 2, основанная на представлении СИП в виде последовательности шумоподобных импульсов с заданной формой средней огибающей, случайным средним ее пиковым значением и случайной начальной фазой (модифицированный вариант моделей Холла и стробированного гауссовского шума (4.79)).
На Рисунке 5.16 представлены временные реализации амплитудной огибающей модели излучения СПД-100-4 длительностью 5 мс для центральной частоты 1605 МГц и параметров, соответствующих экспериментальным результатам раздела 4.2.1. На Рисунке 5.16а представлена экспериментально полученная реализация, на Рисунке 5.16б - реализация, полученная с помощью Модели 1, а Рисунке 5.16в - с помощью Модели 2.
Сравнение реализаций между собой и с экспериментальными результатами показывает, что они в целом качественно совпадают, однако экспериментально полученная реализация имеет несколько выбросов с амплитудой, существенно большей максимальной амплитуды импульсов, полученных при моделировании. Это, по всей видимости, связано с большей степенью негауссовости реального излучения СПД. Более близкой к экспериментальным результатам является Модель 2.
На Рисунке 5.17 представлены те же реализации, но для более наглядного отражения импульсной структуры сигнала сглаженные прямоугольным окном длительностью 1 мкс. Видно, что здесь сглаженные импульсы Модели 1 в среднем несколько больше импульсов, полученных экспериментально. Количественные различия будут более подробно рассмотрены ниже.
Фрагменты реализаций, представленных на Рисунках 5.16 и 5.17, для интервала 0…0.5 мс отображены соответственно на графиках Рисунки 5.18 и 5.19. Представленные результаты позволяют в увеличенном масштабе отобразить импульсную природу излучения СПД в данном частотном диапазоне. Здесь, как и в предыдущем случае, качественно более близкими к экспериментальным результатам выглядят результаты Модели 2.
Видно, что в отдельных случаях в экспериментальных результатах наблюдается «пакетирование» импульсов, то есть излучение группы близко расположенных импульсов, которая может восприниматься как один «длинный» импульс.
В целом, визуально временная структура излучения СПД и его имитационных моделей являются качественно похожими, что в целом подтверждает корректность функционирования имитационных моделей. Далее рассмотрим количественный сравнительный анализ статистических характеристик процессов, полученных экспериментально и методом имитационного моделирования.
Пример сравнения ДЗР и ИЗР компьютерной модели СИП (Модель 2) с аналогичными ЗР, полученными по экспериментальным данным, приведен на
Рисунках 5.20 и 5.21. Здесь в качестве параметров настройки выбраны дисперсия полосового белого гауссовского шума и отношение импульсная помеха-шум. Данные параметры определялись для записанной экспериментальной реализации принимаемого сигнала, в соответствии с методикой, описанной в Главе 4, и использовались в качестве параметров настройки имитационной модели.
Максимальное абсолютное различие экспериментальных и модельных законов распределения для вероятностей порядка 10-3 не превышает 30…50%, а для больших вероятностей не превышает 10…15%.
Среднеквадратическое различие ЗР лежит в пределах 2…5%, что с инженерной точки зрения является достаточно хорошим результатом.
Аналогичные сравнения, проводившиеся для других результатов экспериментальных измерений, дали такие же результаты. Таким образом, в целом имитационная модель смеси ИП и АБГШ обеспечивает достаточно хорошее совпадение с экспериментальными результатами и может быть использована при оценке помехоустойчивости систем передачи информации, функционирующих в условиях воздействия таких помех.
Анализ зависимости вероятности битовой ошибки от параметра и вида модуляции в условиях совместного воздействия аддитивного белого гауссового шума и излучения стационарных плазменных двигателей
На основе полученных результатов имитационного моделирования может быть проведен анализ зависимости вероятности битовой ошибки от соотношения длительности канального символа и средней длительности импульса помехи, то есть от величины параметра ц, в условиях
Зависимости вероятности битовой ошибки от величины параметра для всех рассмотренных выше методов модуляции и ОСШ 10 дБ представлены на Рисунке 7.7: 7.7а для ФМн-2; 7.7б - ФМн-4; 7.7в – ФМн-8; 7.7г – ФМн-16; 7.7д – КАМ-16; 7.7е – КАМ-64. Из представленных материалов видно, что на зависимость BER от существенно влияет текущее ОСИП.
Так, для ФМн-2 и ФМн-4 (Рисунок 7.7а и Рисунок 7.7б) при ОСИП 30 дБ и 40 дБ величина вероятности битовой ошибки слабо зависит от значения параметра . В то же время, для ОСИП 10 дБ и 20 дБ при увеличении вероятность битовой ошибки уменьшается. Для ОСИП 10 дБ - с
Для ФМн-8 (Рисунок 7.7в) и ОСИП 30 дБ и 40 дБ величина вероятности битовой ошибки также слабо зависит от значения параметр ц. В то же время, для ОСИП 20 дБ при увеличении ц вероятность битовой ошибки уменьшается с 2.5т 10"3 до 1.810"3. Для ОСИП 10 дБ BER демонстрирует слабую зависимость от значения параметра ц. При ОСИП 0 дБ при увеличении ц наблюдается увеличение BER с 410"2 до 1.4 10"1.
В случае ФМн-16 (Рисунок 1.1т) и ОСИП 20 дБ, 30 дБ и 40 дБ величина вероятности битовой ошибки также слабо зависит от значения параметра ц. В то же время, для ОСИП 0 дБ и 10 дБ при увеличении ц вероятность битовой ошибки увеличивается. Для ОСИП 10 дБ вероятность битовой ошибки увеличивается с 3 10"2 до 510"2. При ОСИП 0 дБ при увеличении ц наблюдается увеличение BER с 5.410"2 до 210"1.
Для КАМ-16 (Рисунок 7.7д) и ОСИП 20 дБ, 30 дБ и 40 дБ вероятность битовой ошибки при увеличении параметра ц демонстрирует небольшое снижение. Для ОСИП 20 дБ при увеличении i вероятность битовой ошибки уменьшается с 410"3 до 2.810"3, а для ОСИП 30 дБ и 40 дБ - с 2.210"3 до 1.810"3.
Для ОСИП 10 дБ BER увеличивается при увеличении параметра ц с 310"2 до 510"2. При ОСИП 0 дБ при увеличении ц также наблюдается увеличение BER с 5.410"2 до 210"1.
При КАМ-64 (Рисунок 7.7е) и ОСИП 20 дБ, 30 дБ и 40 дБ вероятность битовой ошибки в пределах точности моделирования слабо зависит от параметра ц. Для ОСИП 10 дБ BER увеличивается при увеличении параметра ц с 510"2 до 810"2. При ОСИП 0 дБ при увеличении ц также наблюдается увеличение BER с 7.6 10"2 до 2.2 10"1.
Влияние вида модуляции на вероятность битовой ошибки иллюстрирует Рисунок 7.8. На нем представлены зависимости BER от вида модуляции, параметра ц и ОСИП (Рисунок 7.8а -ц=0.1; 7.86 - ц=1.0; 7.8в - і=10; 7.8г - i=100), построенные для ОСШ 10 дБ.
Как видно из данных графиков, увеличение «позиционности» модуляции приводит к увеличению BER, однако диапазон изменения BER зависит от ОСИП и ОСШ. Вероятности битовой ошибки для ФМн-2 и ФМн-4 для всех значений ОСИП и ц являются одинаковыми (в пределах точности моделирования).
Диапазон изменения BER при изменении ОСИП от 40 дБ до 0 дБ и ОСШ 10 дБ имеет тем большее значение, чем меньше позиций в модулированном сигнале.
Так, например, для ФМн-2/ФМн-4 и i=100 при изменении ОСИП в указанном диапазоне BER изменяется от 4 10"6 до 10"1, а для ФМн-16 - от 2 10"2 до 2 10"1 (Рисунок 7.8г).
Таким образом, проведенный анализ показывает, что влияние импульсной компоненты излучения СПД может оказывать существенное влияние на характеристики достоверности передачи информации в РСКС. Так, например, для модуляции ФМн-2 и i=l .0 уменьшение ОСИП
При изменении параметра от 0.1 до 100 вероятность битовой ошибки для ОСИП 30 дБ и 40 дБ и ОСШ 10 дБ меняется незначительно, а для ОСИП 0 дБ – увеличивается для всех рассмотренных видов модуляции. В случае ОСИП 10 дБ и ОСШ 10 дБ для ФМн-2 и ФМн-4 при увеличении BER увеличивается, а для ФМн-16, КАМ-16 и КАМ-64 – уменьшается. При ОСИП 20 дБ и ОСШ 10 дБ увеличение в той или иной степени приводит к уменьшению BER.