Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Файлы

Седельников Ю.Е. Юсиф Юсиф Саси

Статья в формате PDF

260 KB

Введение

В настоящее время наблюдается большой интерес к созданию комплексов воздушного наблюдения и мониторинга природной среды и технических объектов с использованием малогабаритных дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) [1]. Указанные комплексы включают контрольно-измерительные средства, установленные на борту воздушного судна, аппаратуру управления, сбора и обработки добытой информации, установленную в наземном пункте управления, и комплект радиотехнических средств, осуществляющих передачу информации и команд управления по радиолинии «борт - земля». Эффективность их применения в значительной мере зависит от характеристик устройств радиосвязи воздушного судна и наземного пункта управления. Поэтому вопросы оптимизации радиолиний радиоуправления и передачи данных представляют актуальную задачу, т.к. способствуют увеличению дальности действия и качества передаваемой информации. Эффективный путь улучшения показателей состоит в оптимизации параметров антенн как бортовой, так и наземной аппаратуры.

Некогерентные антенные решетки

Фактором, существенно снижающим качественные показатели указанных радиолиний, является наличие интерференционных провалов в диаграммах направленности антенн, устанавливаемых на объектах сложной формы. В работе предлагается новый подход к созданию бортовых антенн, представляющих собой антенные решетки с небольшим числом элементов при отказе от традиционного когерентного суммирования принятых им сигналов. Существует ряд вариантов подобной обработки: суммирование сигналов, принятых отдельными элементами после их детектирования, разнос во времени сигналов, передаваемых и принимаемых при помощи отдельных элементов, параллельная передача и прием сигналов в нескольких частотных каналах, соответственно используемых отдельных элементов решетки и ряд других. Общим для большинства названных способов является то, что интенсивность принятого сигнала пропорциональна значениям некоторой результирующей диаграммы направленности. Указанная диаграмма направленности имеет вид:

,                   (1)

где  - коэффициент усиления i-го элемента антенны,  и  - варьируемые его параметры и мощность возбуждения, причем .

Фактором, определяющим возможности радиосвязи, является минимальное значение величины коэффициента усиления бортовой антенны в требуемом секторе углов . Для ряда практических приложений значение этой величины может рассматриваться как критерий качества антенной системы:

                 (2)

В других ситуациях более адекватным является вероятностный критерий, представляющий собой минимальное значение коэффициента усиления бортовой антенны, превышаемое для сектора углов  с заданной вероятностью :

                 (3)

где  - интегральная функция распределения случайной величины , определенная для заданной плотности распределения  значений углов , соответствующих возможным направлениям на корреспондента связи.

Оптимальной антенной решетке соответствуют значения мощностей  и параметров , при которых значение критерия  максимально:

,              (4)

где  - множество значений параметров, соответствующих условиям технической реализации. Величина  может интерпретироваться как величина, отражающая возможность снижения мощности передающих устройств при заданной дальности действия, либо - как возможность увеличения дальности действия в  раз при неизменной мощности бортового передатчика.

Алгоритм решения

Численное решение задач оптимизации (4) сопряжено со значительными трудностями как принципиального, так и вычислительного характера. Во-первых, в задаче (4) не гарантируется достижение глобального максимума при использовании типовых процедур локального поиска экстремума. Во-вторых, вид целевых функций и получение численных значений  требуют проведения весьма объемных вычислений. Поэтому представляет интерес разработка упрощенных процедур, позволяющих осуществить нахождение квазиоптимальных решений задачи (4) с меньшими вычислительными затратами.

В данной работе в этих целях предлагается использовать видоизмененный алгоритм, ранее предложенный для решения задач синтеза антенных решеток [2]. Согласно этому алгоритму осуществляется последовательное нахождений параметров отдельных излучателей  и величин . На первом шаге параметры первого излучателя  находят из условия максимума величины , а оптимальное значение P₁ как:

,     (5)

где в качестве величины  используется секторная ДН, соответствующая области углов , (a,b) и  - скалярное произведение и норма в пространстве L₂

На втором шаге повторяется аналогичная процедура для функции

(6)

В случае необходимости аналогичным образом проводится определение оптимальных параметров для третьего и последующих элементов.

Оценка эффективности

Целью проведения серии расчетов являлась оценка эффективности предлагаемого подхода, включая описанный метод нахождения квазиоптимальных решений. Эффективность методики понимается как увеличения минимального значения коэффициента усиления в пределах заданного сектора углов. Как уже отмечалось, увеличение этой величины в  раз означает возможность уменьшения мощности бортового передатчика в  раз или увеличение дальности действия радиолинии с предлагаемой антенной системой ориентировочно в  раз.

 Проведенные расчеты для ряда модельных ситуаций показали достаточно высокую эффективность предложенной методики нахождения квазиоптимальных решений. Для расчетов использовался случай, соответствующий задаче обеспечения связи воздушного объекта с наземной станцией связи при следующих условиях:

• прямая видимость объекта с наземной станции;
• произвольной ориентации объекта в азимутальной плоскости,
• диапазон значений по углу места .

Объект - малоразмерный летательный аппарат длиной 18λ .шириной 3λ размахом крыльев 13λ (λ - длина волны).

Для осуществления численных расчетов объект представлялся проволочной моделью, собственно расчет диаграмм направленности осуществлялся с использованием метода моментов. Проведенные расчеты показали, что при использовании единственной антенны, положение которой оптимизировано в соответствии с критерием (2) в диаграмме направленности не удается избежать наличия довольно глубоких интерференционных провалов со значениями до -26.7 дБ.

При установке второго антенного элемента с параметрами, оптимизированными в соответствии с описанной процедурой, наблюдается значительное уменьшение глубины провалов - до значений порядка - 13.5 дБ. Таким образом, выигрыш , полученный от использования уже двухэлементной решетки, оптимизированной согласно предлагаемому подходу, составляет величину около 13.дБ.

Аналогичные результаты имеют место и при оценке качества согласно вероятностному критерию (3). Выигрыш  - составляет величину порядка 2 дБ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. Смоляков. Первым делом самолеты без пилота. Информационный бюллетень Авиация общего назначения. - N 7, август. - 1995.
2. Чони Ю.И. Метод сопряженного оператора в задачах синтеза антенн и смежных прикладных задачах. - Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Том 7. - №1. - 2004. - стр. 47-53.

Библиографическая ссылка