В настоящее время при проведении испытаний ракетно-космической техники (РКТ) в составе измерительных комплексов наземной инфраструктуры используется целый ряд различных антенных систем, часть из которых разработаны еще с 70 – 80-х годов прошлого века, отличающихся диапазонами частот принимаемых сигналов, принципами формирования диаграммы направленности (ДН), эффективной площадью, коэффициентом усиления и другими параметрами [1]. При этом многие антенные системы с того времени уже устарели не только физически, но и морально.

В ходе проведения летных испытаний РКТ востребованы антенные системы, обладающие заданными характеристиками по дальности приема и обеспечивающие многоканальный прием сигналов телеметрии в широком динамическом диапазоне с возможностями наведения и сопровождения контролируемого объекта в различных режимах управления включая автосопровождение.

Таким образом, существует научно-техническая задача – обеспечение надежного приема телеметрических сигналов от бортовых радиотелеметрических систем, используемых при проведении летных испытаний на всех участках полета РКТ.

В статье рассмотрены особенности построения и применения антенных систем, применяемых в радиотелеметрии, показана возможность использования в качестве антенной системы наземных измерительных телеметрических комплексов фазированной антенной решетки дециметрового диапазона с встроенным цифровым приемником.

Особенности построения антенных систем для приема телеметрии и возможности их совершенствования

Используемые в измерительных комплексах для приема телеметрической информации антенные системы (АС) обеспечивают одновременный прием сигналов в различных частотных диапазонах по двум ортогональным линейным поляризациям от бортовых радиотелеметрических устройств. Часть АС относится к классу зеркальных антенн, используются также и фазированные антенные решетки (ФАР). По площади эффективной поверхности определяющей дальность приема антенные системы делятся на системы с высокой эффективностью (более 25 м²), а также со средней (менее 25 м²) и малой эффективностью (менее 5 м²).

Характеристики антенной системы в части наведения и слежения за объектом РКТ (скорость и ускорение при наведении по углу места и по азимуту, секторы поворота) определяет опорно-поворотное устройство. Антенные системы могут работать в нескольких режимах наведения:

—        ручное дистанционное управление;

—        программное управление;

—        автоматическое сопровождение по сигналу от объекта;

—        автоматическое наведение от ведущей антенны.

Особенностью построения радиоприемного тракта большинства рассматриваемых антенных систем является использование широкополосных усилителей в метровых диапазонах и широкополосного конвертора в дециметровом, а также применение аппаратуры коммутации трактов, позволяющей подключить к одной антенной системе несколько приемно-регистрирующих станций, каждая из которых может работать на собственной частоте. Принятый антенной сигнал после его преобразования на промежуточную частоту поступает на приемно-регистрирующую станцию.

В целом эксплуатирующиеся антенны представляют достаточно сложные системы, как конструктивно, так и схемотехнически, но на сегодняшний момент большинство из них устарело и не удовлетворяют современным требованиям по динамическому диапазону, быстродействию, помехоустойчивости и другим характеристикам.

АС для приема телеметрии работают в условиях помех, создаваемых внешними радиоэлектронными средствами, а также в условиях воздействия отраженных сигналов при многолучевом распространении.  Анализ множества требований к АС (диапазона рабочих частот, дальности, коэффициента усиления, энергопотребления и массогабаритных характеристик), зачастую противоречащих друг другу показывает, что их реализация на современном этапе развития микроэлектроники возможна на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Современные АФАР развиваются в направлении создания цифровых антенных решеток. В этом случае сигналы с выходов приемных модулей подвергаются аналого-цифровому преобразованию с последующей цифровой пространственной обработкой. Такое построение АФАР дает качественно новые возможности по управлению формой ДН, созданию многолучевых ДН, обеспечивает гибкость в управлении [2]. При этом формирование диаграммы направленности антенны цифровыми методами позволяет повысить помехозащищенность путем пространственной селекции основанной на формировании «адаптивных нулей» в диаграмме направленности.

Кроме того, анализ особенностей построения и условий применения антенных и приемно-регистрирующих телеметрических станций показывает, что выполняемые алгоритмы обработки принимаемых сигналов в антенных комплексах для реализации функции автосопровождения зачастую во многом совпадают с алгоритмами обработки используемыми в приемно-регистрирующей аппаратуре для выделения телеметрической информации.

Таким образом, дальнейшее совершенствование и развитие измерительных комплексов целесообразно вести по пути интеграции антенных систем и приемно-регистрирующей аппаратуры, с учетом обеспечения возрастающих требований по информативности и расширению функциональных возможностей.

Одной из современных концепций построения приемного тракта АС является программно-определяемая радиосистема (SDR, software defined radio). При этом преобразование входного сигнала происходит непосредственно на несущей частоте позволяя существенно упростить аналоговую часть приемной системы, сводя ее по существу к малошумящему усилителю. Использование технологии SDR обеспечивает [3]:          

−     сокращение числа компонентов схемы за счет исключения преобразования частоты;

−     повышение помехозащищенности (подавление внеполосного сигнала до минус 100 дБ) за счет исключения зеркального и побочных каналов приема, отсутствия паразитных комбинационных составляющих;

−     расширение линейного динамического диапазона на 30-40 дБ;

−     программную адаптацию к структурам принимаемых сигналов.

Программируемая радиосистема обладает простотой адаптации к параметрам и структурам принимаемых сигналов телеметрии без изменения аппаратной части. В основе программной обработки сигналов любой телеметрической системы заложен принцип корреляционной свертки, заключающийся в выделении полезного сигнала из исходной шумовой последовательности.

Хорошо известен алгоритм цифровой обработки сигналов с использованием корреляционной свертки на основе квадратурного демодулятора. Общими выполняемыми процедурами для всех телеметрических систем являются расчет синфазной и квадратурной составляющих сигнала, а также их фильтрация на фильтре нижних частот. Особенностью рассматриваемого случая является то, что дальнейшая обработка после демодуляции выполняется в декодере по алгоритмам, зависящим от типа телеметрической системы и характеристик принимаемого сигнала.

Реализация демодулятора телеметрического сигнала на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и АЦП позволяет осуществлять прием сигнала телеметрии с любым видом модуляции и кодирования путём программирования микросхемы ПЛИС.

Практическая реализация

Примером интеграции АС и приемно-регистрирующих средств является АС на основе ФАР с встроенным цифровым приемником на ПЛИС, обеспечивающая прием и регистрацию телеметрической информации в широко распространенном дециметровом диапазоне. АС (рис. 1) относится к особому классу АФАР — функционально законченных антенных систем, использующих цифровую обработку сигналов и выполнена в виде поворотной наземной антенны, размещаемой на опоре и включающей элементы:

−        антенну на основе ФАР;

−        малошумящие усилители (МШУ);

−        опорно-поворотное устройство (ОПУ), обеспечивающее вращение антенны по азимуту и углу места;

−        аппаратуру цифровой обработки и формирования сигналов;

−        блок управления приводами;

−        имитационную аппаратуру (имитатор);

−        АРМ оператора.

 

 

Схема АС приведена на рис. 2. После включения антенна ориентируется в направлении на предполагаемую точку расчетной траектории полета исследуемого объекта. В момент появления исследуемого объекта в предполагаемой зоне захвата, происходит прием сигнала телеметрии и сравнение величины сигналов принятыми различными фрагментами антенны. Это позволяет определить направление, в которое должна переместится антенна для приема сигнала максимального уровня. Такой метод применяется отдельно по азимуту (β) и углу места (ε). После захвата объекта антенна переходит в режим автосопровождения.

 

Рис. 2. Схема АС на основе ФАР с встроенным цифровым приемником

Принятые каждым каналом сигналы, суммируются с четырех приемных элементов (цилиндрических облучателей) и поступают через МШУ на аппаратуру обработки и формирования, в которой происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой для последующей фильтрации и обработки, а также формирование сигнала управления электроприводами, обеспечивающими автоматическое слежение системы за источником излучения со скоростью до 15 град/с.

Формирование луча в заданном направлении осуществляется за счет когерентного (синфазного) сложения сигналов в каналах приема антенной решетки с дальнейшей цифровой обработкой сигналов путем их накопления и усреднения [4]. Коэффициент усиления системы в максимуме ДН составляет не менее 27 дБ. Калибровка и проверка АС выполняется с использованием имитатора по закрытому и открытому тракту.

Прием и регистрация выполняется с привязкой внутренней шкалы текущего времени к секундным меткам аппаратуры точного времени, спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.

Новизна и преимущества

Новизной, представленной АС на основе фазированной антенной решетки дециметрового диапазона с встроенным цифровым приемникомпо сравнению с АС, использующими частотное преобразование сигнала, является оцифровка принимаемого сигнала на несущей частоте, что упрощает аналоговую часть приемной системы, а также использование цифрового канала приема и обработки сигналов телеметрии для формирования сигналов управления антенной.

Преимуществами новой АС являются:

−     возможность одновременного приема на нескольких частотах;

−     повышение качества приема за счет расширения линейного динамического диапазона;

−          автосопровождение по принимаемому сигналу, высокое быстродействие которого определяется цифровым методом формирования ДН;

−          помехозащищенность, включая пространственную селекцию путем формирования ДН;

−          интеграция управления антенной и приемно-регистрирующими средствами существенно упрощающая настройку и обслуживание.

Результаты исследований

Проведенные экспериментальные исследования АС с движущимся объектом – источником сигнала в дальней зоне ДН (рис. 3) в условиях промышленных помех, создаваемых внешними радиоэлектронными средствами, и воздействия отраженных сигналов при многолучевом распространении показали устойчивый прием в режимах: программный, автосопровождение и ручной. Реальная чувствительность приема составила не хуже минус 124 дБВт. При отношении сигнал/шум (ОСШ) равным 10 показатель частоты битовых ошибок BERне превышает 10^-4 (рис. 4), что подтвердило принятые схемотехнические решения и правильность программной реализации процессов демодуляции и декодирования.

 

Рис. 3. Диаграмма направленности

Рис. 4. Показатели ОСШ и частоты битовых ошибок BER

Заключение

Показана техническая возможность применения в качестве антенной системы для измерительных телеметрических комплексов фазированной антенной решетки дециметрового диапазона с встроенным цифровым приемником. Предложенные решения могут быть положены в основу создания автоматизированной антенной системы дистанционного управления с возможностью ее интеграции в измерительный полигонный комплекс, что позволит повысить эффективность информационного обеспечения летных испытаний РКТ.

Список литературы

1. Назаров А.В. и др. Современная телеметрия в теории и на практике.   2007. С. 264-265.

2. Ненартович Н.Э., Митяшев М.Б. Из практики разработки активных фазированных решеток. — 2014. №3. С.179-180.

3. Ракеш Сони, Эрик Ньюман. Многостандартные/многодиапазонные системы на основе приемников прямого преобразования. Схемотехника и конструирование. Беспроводные технологии. — 2009. №2. С.45-48.

4. Шитиков А.М. Сравнение методов обработки сигнала при калибровке цифровых приемных ФАР. — «Радиотехника» — 2019. №4. С. 40-46.

References

1. A.V. Nazarov et.al. Modern telemetry in theory and practice. — 2007. P. 264-265.

2. Nenartovich N. E., Mitasev M. B. From the practice of developing active phased arrays. — 2014. No. 3. Pp. 179-180.

3. Rakesh Soni, Eric Newman. Multi-standard / multi-band systems based on direct conversion receivers. Circuitry and design. Wireless technology. — 2009. No. 2. P. 45-48.

4. A.M. Shitikov. Comparison of signal processing methods when calibrating digital reception phased arrays. – “Radio engineering” — 2019. No.4. P. 40-46.