Антенний пристрій оптимального супроводу космічних апаратів

Запропонований винахід відноситься до галузі радіотехніки, зокрема до систем автосупроводження космічних апаратів (КА). Відома система автосупроводження [1] (с.54, мал.2.2), яка містить випромінювач, відбивач, силовий привід, що стежить, підсилювач-перетворювач, двигун, приймальний пристрій, генератор опорних напруг, блок виділення сигналу похибки, причому входом відомої системи автосупроводження є перший вхід відбивача, у фокусі відбивача розміщений випромінювач, перший вихід двигуна з'єднаний із входом випромінювача, вхід випромінювача через приймальний пристрій з'єднаний з першим входом блоку виділення сигналів похибки, другий вихід двигуна через генератор опорної напруги приєднаний до другого входу блоку виділення сигналу похибки, вихід блоку виділення сигналу похибки через підсилювач-перетворювач з'єднаний із силовим приводом, що стежить, вихід силового приводу підключений до другого входу відбивача. Недоліком відомої системи автосупроводження є низька точність та реалізація схеми автосупроводження з механічним скануванням, при якій точність зменшується за рахунок флуктуації сигналу, викликаної еволюцією КА й умовами поширення радіохвиль, у тому числі поляризаційними ефектами. Найбільш близьким до запропонованого технічним рішенням, обраним як прототип, є система автосупроводження [2] (с.40, мал.2.13), яка містить відбивач, два випромінювача, два приймача, кільцевий хвилевідний міст, фазовий детектор і привід, причому входом відомої системи є перший вхід відбивача, у фокусі відбивача розташовані обидва випромінювача, вихід першого випромінювача з'єднаний з першим входом кільцевого хвилевідного моста, вихід другого випромінювача підключений до другого входу кільцевого хвилевідного моста, перший вихід кільцевого хвилевідного моста через перший приймач приєднаний до першого входу фазового детектора, другий вихід кільцевого хвилевідного моста через другий приймач з'єднаний із другим входом фазового детектора, вихід фазового детектора через привід підключений до другого входу відбивача. Недоліком системи-прототипу є низька точність автосупроводження [3]. В основу винаходу поставлена задача створити антенний пристрій оптимального супроводження космічних апаратів з метою підвищити точність супроводження шляхом зменшення похибки наведення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відому систему-прототип [2], яка містить відбивач, два випромінювача, фазовий детектор, привід, з метою підвищення точності автосупроводження КА, додатково введено (n-2) випромінювача, n приймачів, блок сумарного сигналу, блок різницевого сигналу і пристрій вибору променів. Причому (n-2) випромінювача розташовані у фокусі відбивача, вихід кожного з n випромінювачів приєднані до сигнальних входів окремих n приймачів, вихід кожного з n приймачів підключений до окремого входу пристрою вибору променів, кожний з n керуючих виходів пристрою вибору променів з'єднаний з відповідним керуючим входом кожного з n приймачів, сигнальний вихід пристрою вибору променів підключений до з'єднаних між собою входу блоку сумарного сигналу і входу блоку різницевого сигналу, вихід блоку сумарного сигналу приєднаний до першого входу фазового детектора, вихід блоку різницевого сигналу підключений до другому входу фазового детектора. Введення (n-2) випромінювачів і n приймачів у сукупності з застосуванням уведених блоків сумарного та різницевого сигналів і пристрою вибору променів дозволяє системі автосупроводження формувати n каналів супроводження в широкій смузі і вибирати канал, що здійснив захоплення сигналу з наступним наведенням максимуму діаграми спрямованості на джерело. Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні винаходу, полягає в підвищенні точності автосупроводження КА і функціональної надійності роботи запропонованої системи, забезпеченні широкосмугового супроводження та скороченні часу наведення ДС за рахунок використання вузькосмугових n випромінювачів і вузькосмугових n приймачів. На фіг.1 приведена функціональна схема пристрою автосупроводження космічних апаратів. На фіг.2 приведено принцип дії пристрою автосупроводження космічних апаратів. Запропонований антенний пристрій оптимального супроводу космічних апаратів включає: відбивач 1, перший випромінювач 2, n випромінювачів 3, перший приймач 4, n приймачів 5, пристрій вибору променів 6, блок сумарного сигналу 7, блок різницевого сигналу 8, фазовий детектор 9, привід 10, причому n випромінювачів 2, 3 знаходяться у фокусі відбивача 1. Входом системи автосупроводження є перший вхід відбивача 1, вихід кожного із n випромінювачів 2, 3 з'єднаний з окремим сигнальним входом n приймачів 4, 5. Вихід кожного з n приймачів 4, 5 підключений до окремого входу пристрою вибору променів 6, n керуючих виходів пристрою вибору променів 6 приєднані до окремого керуючого входу кожного із n приймачів 4, 5. Сигнальний вихід пристрою вибору променів 6 підключений до входу блока сумарного сигналу 7 і входу блока різницевого сигналу 8. Вихід блоку сумарного сигналу 7 приєднаний до першого входу фазового детектора 9, вихід блоку різницевого сигналу 8 підключений до другого входу фазового детектора 9, вихід фазового детектора 9 через привід 10 з'єднаний із другим входом відбивача 1. Робота запропонованого антенного пристрою оптимального супроводу космічних апаратів полягає в наступному. Зображення ДС f1( q, a ), K fn ( q, a ) , сформовані кожним з n випромінювачів 2, 3, складають загальну просторову ДС F(q, a) , причому кожний приймач створює смугу наведення df таким чином, що загальна смуга пошуку dF = nd f , де n - кількість приймачів і (або) каналів автосупроводження. Сигнал радіомаяка S(t) фокусується у вигляді “плями”, поперечний переріз якого має вид І 1(х)/х, де І 1(х) - Бесселева функція першого порядку. Пляма знаходиться в центрі фокальної площини, якщо КА розташований на осі загальної ДС F(q, a) і зміщується відносно центра, коли КА відходить від осі. Оскільки випромінювачі 2, 3 знаходяться у фокальній точці, то прийнята енергія максимальна в тому випадку, коли ціль знаходиться на осі діаграм F(q, a) . Моноімпульсне виявлення кутової похибки виконується за допомогою двох половин по n/2 випромінювачів, причому живлення всіх випромінювачів паралельно через лінії передач однакової довжини і не залежить від частоти. Смуга частот обмежується лише залежністю характеристик керування діаграмою F(q, a) по фазі. Сигнал радіомаяка S(t) “захоплюється” загальною просторовою діаграмою F(q, a) , сформованою антеннофідерним трактом пропонуємої системи, і після посилення в приймальному тракті (приймачі 4, 5) одночасно надходить на n входів пристрою вибору променів 6 (фіг.2А). Із n керуючих виходів пристрою вибору променів 6 на керуючі входи кожного з n приймачів 4, 5 надходить різницевий сигнал при Uкер=1. Із сигнального виходу пристрою вибору променів 6 сигнал K1(t) надходить на вхід блока сумарного сигналу 7 і вхід блока різницевого сигналу 8. З виходу блока сумарного сигналу 7 сигнал å1 = A å1 cos w0t , надходить на перший вхід фазового детектора 9. З виходу блока різницевого сигналу 8 сигнал s1 = - A s1 cos w0 t = A s1 cos(w0 t + p) , надходить на другий вхід фазового детектора 9. Фазовий детектор 9 є пристроєм, що виконує скалярне множення і тому вихідна його напруга дорівнює e1 = å1 s1 cosq1 З виходу фазового детектора 9 сигнал є і надходить на привід 10, де він перетворюється в керуючий сигнал повороту відбивача 1. Дообертання відбивача 1 здійснюватися до значення q1 = 0 , тобто e1 = max . Значення q1 = 0 відповідає наведенню максимуму загальної просторової діаграми F( q, a ) на КА (фіг.2В). Це дозволяє одному з n приймачів, у якого буде максимальне значення прийнятого сигналу, смугою df “захопити” інформаційний сигнал U(t), тобто вузькою ДС f1( q, a ) , сформованої випромінювачем, відповідним цій ознаці (фіг. 2Б). Величина потужності прийнятого сигналу U(t) більше величини потужності прийнятого сигналу S(t). За рахунок цього пристрій вибору променів 6 виділяє приймач (і відповідно випромінювач), що захоплює інформаційний сигнал U(t). На керуючий вхід цього приймача з керуючого виходу пристрою вибору променів 6 надходить різницевий сигнал Uкер=1, а на керуючі входи інших (n-1) приймачів - забороняючий сигнал Uкер=0. За рахунок цього в процесі автосупроводження бере участь тільки приймач, який захопив інформаційний сигнал U(t). Із сигнального виходу системи вибору променів 6 сигнал K 2(t) надходить одночасно на вхід блоку сумарного сигналу 7 і вхід блоку різницевого сигналу 8. Сигнал з виходу блоку сумарного сигналу 7 å 2 = A å 2 cos w0 t надходить на перший вхід фазового детектора 9. На другий вхід фазового детектора 9 надходить сигнал s 2 = - A s2 cos w0 t = A s2 cos(w0 t + p) , з виходу блоку різницевого сигналу 8. З виходу фазового детектора 9 сигнал e 2 = å 2 s 2 cosq2 , перетворюється в приводі 10 у керуючу напругу, здійснює дообертання відбивача 1, тобто спрямовує максимум вузької ДС f1( q, a ) на джерело інформаційного сигналу U(t). Це дообертання здійснюється до значення q2 = 0 (фіг.2Г), тобто e2 = max , що і забезпечує високу точність запропонованого пристрою. При зриванні автосупроводження вузькою ДС f1( q, a ) потужність сигналу, що надходить з пі приймача різко падає, за рахунок цього пристрій вибору променів 6 подає на керуючі входи всіх n приймачів 4, 5 дозволяючи сигнали, Uкер=1 і в процес автосупроводження знову включиться загальна просторова ДС F(q, a ) . Операція наведення і супроводження повториться. Введення (n-2) випромінювачів і n приймачів 4, 5 у сукупності з використанням уведених блоків сумарного 7 і різницевого 8 сигналів і пристрою вибору променів 6 дозволяє пристрою автосупроводження формувати n каналів супроводження в широкій смузі пошуку і вибирати канал, що здійснює захоплення, з наступним дообертанням максимуму вузької діаграми спрямованості на джерело. Використання роздільних випромінювачів дозволяє значно знизити рівень побічних пелюстків загальної діаграми спрямованості F(q, a ) . Техніко-економічна ефективність: - похибка при супроводі системою-прототипом (1) і (2) дорівнює 10 10 D1 = = d F = ndf = (3) dF n dF - похибка при супроводі запропонованим пристроєм дорівнює 10 10 D2 = = dF = ndf = (4) dF n dF З огляду на вирази (3) і (4), виграш складе W = D1/D 2 = n . При однаковій смузі dF (при однаковому часі наведення та однаковій функціональній надійності) точність автосупроводження підвищується в n раз, де n=2, ...,m. Технічна перевага запропонованого винаходу в порівнянні з прототипом полягає в тому, що в n (при n=4 у 2 рази) підвищується точність супроводження КА. Позитивний ефект, який може бути отриманий у випадку використання винаходу полягає в тому, що підвищення точності в n раз супроводження КА дозволяє підвищити надійність роботи супутникової системи зв'язку. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ 1. Белянський П.В., Сергеев Б.Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами. - М.: Сов. радио, 1980. - 280с. 2. Покрас A.M. и др. Системы наведения антенн земных станций спутниковой связи. - М.: Связь, 1978. - 152с. 3. Справочник по радиолокации / Пер. с англ. Под ред. М.М. Вейсбейна. Т.4. - М.: Сов. радио, 1973. - 367с.