Загрузил Aicrag

Курсовая ОТРСУ

Реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(национальный исследовательский университет)»
ФИЛИАЛ «ВЗЛЕТ»
Специальность «Радиоэлектронные системы и комплексы»
Учебная дисциплина:
«Основы теории радиосистем и комплексов управления»
Кафедра А21
ОТЧЕТ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
« Проектирование радиолинии НПУ-КА »
Выполнил ст.гр.АВ602-С: Вепринцев А.А
Проверил к.т.н.: Филиппов А.А
Ахтубинск 2018
Разработка и расчет радиолинии:
«Наземный пункт – Космический аппарат»
Задание на проектирование курсового проекта по ОТРСУ
Для управления работой группы КА на орбите в память бортового
комплекса управления каждого из них закладывается командно-программная
информация (КПИ). Закладка массивов КПИ производится периодически в
плановых или внеочередных сеансах связи с наземным ЦУП. Сеансы связи
проводятся в зонах видимости КА с измерительных пунктов (ИП).
ИП, с которого передается на борт КА командно-программная
информация, расположен на территории России, южнее 70 градусов северной
широты. Антенны ИП сопровождают КА по угловым координатам по
программе с заданной ошибкой сопровождения.
На борту КА имеются N потребителей с внутренними адресами. Каждая
команда, выдаваемая на борт КА, равновероятна. Заданы вероятность
ошибочного приема команды и вероятность пропуска команды.
Радиолиния «ИП-КА» работает на определенной длине волны с
выделенной полосой частот. Имеется взаимная нестабильность задающих
генераторов на ИП и борту КА. Расчетная мощность передатчика ИП должна
быть минимальной с целью экономии потребляемой мощности.
Сигналы – КИМ-ЧМ. Кодирование – ортогональным кодом .
Прием сигналов ведется на фоне аддитивного нормального шума. с
наличием шумовой температурой приемника.
Имеется помеха в диапазоне рабочей частоты.
В результате проектирования радиолинии необходимо:
1.Разработать структурные схемы передающего и приемного трактов.
2. Определить структуру передаваемых сообщений.
3. Подтвердить выполнение заданной достоверности.
4. Определить линейную и радиальную скорости КА.
5. Оценить величину доплеровского смещения несущей частоты и ее влияние
на параметры принимаемых сигналов.
6. Определить основные параметры сигнала: ширину спектра, девиацию
частоты, длительность символов, размер команд и слов программных
сообщений.
7. Сформулировать требования на разработку передающей и приемной антенн.
8. Оценить расход мощности и полосы на передачу 1 двоичной единицы
информации.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1. Высота над поверхностью Земли H = 1200 км
2. Угол наклона плоскости орбиты φ = 60°
3. Ошибка углового сопровождения δс = 0.3°
4. Количество потребителей 𝑁с = 24
5. Количество команд, выдаваемое каждому потребителю 𝑁к = 32
6. Вероятность ошибки команды Рош= 10−6
7. Вероятность пропуска команды Рпроп = 10−4
8. Рабочая длина волны λ = 30 см
f
 10 5
9. Относительная нестабильность передатчика
f0
10. Выделенная полоса частот f = 0.5 МГц
11. Эффективная шумовая температура антенны Тша = 1000°К
12. Величина гармонической помехи Pпг = 10 17 Вт
ВВЕДЕНИЕ
Командная радиолиния - линия, предназначенная для управления
космическим аппаратом.
В системах радиосвязи, передачи информации осуществляют односторонняя и
двусторонняя линии связи. Рассмотрим одностороннюю линию связи в
непрерывном режиме.
Космическими аппаратами (КА) называют устройства, предназначенные для полета за пределами земной атмосферы — в космическом
пространстве. В зависимости от области космического пространства, в
которую направляются КА, различают аппараты ближнего, среднего и
дальнего космоса.
 Ближний космос — околоземное космическое пространство, удаленное
от поверхности Земли до 10—20 тыс. км. К аппаратам ближнего космоса
относятся искусственные спутники Земли, баллистические ракеты,
антиракеты;
 Средний космос — область космического пространства,
простирающаяся от 10—20 тыс. км над поверхностью Земли до лунных
дальностей (400 тыс. км);
 Дальний космос — область космического пространства, расположенная
дальше орбиты Луны;
Космические аппараты могут различаться по следующим признакам:
По назначению;
- Автоматические (связные, навигационные, ДЗЗ, научные, технологические,
транспортные, мониторинга околоземного космического пространства,
межпланетные);
- Пилотируемые (транспортные, космические станции и межпланетные).
По конструктивным признакам
-по массе;
-наличию экипажа;
-типу управления и т.д.
Возможности возвращения на Землю:
- невозвращаемые
-возвращаемые
При выборе высоты над поверхностью, нужно учитывать на какой орбите
будет находится космический аппарат. В таблице 1 представлены орбиты.
Орбиты космических аппаратов вокруг Земли:
Таблица 1
Орбита
Высота над поверхностью
Земли
Поверхность Земли, для 0 км
сравнения
Низкая опорная орбита 200 - 2000 км
Высокоэллиптическая
500 - 39000 км
орбита спутников
Молния
Геостационарная
35786 км
орбита
Орбита Луны
357000 – 399000 км
В данной работе космический аппарат будет находится на низкой опорной
орбите.
Низкая опорная орбита— орбита космического аппарата около Земли. В
общем случае считается, что космический аппарат находится на опорной
орбите, если он движется с первой космической скоростью, которая для
планеты Земля порядка 8 км/с, и находится на высоте, где соответствующая
плотность верхних слоёв атмосферы, в первом приближении, допускает
круговое или эллиптическое движение. На таких орбитах летает большинство
спутников Земли.
Рисунок 1. Графическое изображение низкой опорной орбиты.



1. Прием и передача сообщения
Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо
событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приема,
обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования
информации.
Информация, подлежащая передаче и выраженная в определенной форме,
называется сообщением. В системах связи в качестве носителя сообщений
используются электрические сигналы.
Электрический сигнал представляет собой некое сообщение во
времени.
Совокупность технических средств, предназначенных для передачи
сообщений от источника к потребителю, называется системой связи.
Любая система связи включает в себя передающее и приёмное
устройство и физическую среду, по которой передаются электрические
сигналы передаваемого сообщения.
Система передачи информации космического аппарата —
совокупность программных и аппаратных средств, позволяющих передавать и
нформацию междукосмическим аппаратом (КА) и центром управления полёто
м этого космического аппарата.
Передаваемую информацию можно разделить на три основных типа:
научная информация (КА-Земля);
служебная и телеметрическая информация (КА-Земля);
командно-программная информация (Земля-КА).
В данной работе будем рассматривать командно-программную информацию.
По виду передаваемых сообщений различают: передача речи
(телефония), передача текста (телеграфия), передача неподвижных
изображений
(фототелеграфия),
передача
подвижных
изображений
(телевидение), телеизмерения, телеуправление и передача данных.
По назначению все системы радиосвязи делят на вещательные,
отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения
сообщений, и профессиональные.
Структурная схема командной радиолинии (КРЛ) представлена на рис.2.
Источник
сообщения
Преобразователь
сообщения в
эл. сигнал
Кодер
(Шифратор)
Радиопередающее устройство
Получатель
инф-ии
Преобразователь
эл.сигала в
сообщение
Декодер
(Дешифратор)
Передатчик
Апрд
Канал
Приемник
Апрм
Рисунок 2. Структурная схема передачи и приема информации.
Принцип работы схемы
Первичная информация преобразуется в электрические информационные
сигналы, которые кодируются для повышения помехоустойчивости и с выхода
передатчика излучаются в передающей антенне в виде высокочастотного
промодулированного сигнала. Электромагнитные волны проходят через канал
распространения, улавливаются приемной антенной и преобразуются в
электрические сигналы. Эти сигналы выделяются и усиливаются в приемнике,
декодируются и демодулируются в преобразователе в форму передаваемого
сообщения.
Любая система дистанционного управления независимо от того, для
каких целей она предназначена, имеет обязательное звено — канал связи.
Известно несколько видов канала связи — проводной, акустический,
ультразвуковой, световой, радиоканал. Чтобы управляемый объект выполнил
нужную операцию, ему по каналу связи надо передать соответствующую
команду. В простейшем случае каждая из команд может быть передана по
отдельному каналу связи.
2. Выбор оптимального диапазона волн
Космической называется радиосвязь, которую осуществляют при помощи
объектов, расположенных за пределами атмосферы Земли, то есть в космосе.
Это могут быть космические радиостанции или космические ретрансляторы. С
помощью космической радиосвязи информация передаётся между
радиостанциями, расположенными на Земле, и космическими летательными
аппаратами, между двумя и более космическими летательными аппаратами, а
также между несколькими земными радиостанциями при помощи
космических
ретрансляторов.
Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную
атмосферу.
Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров.
За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или
даже
может
от
нее
отразиться.
Первой
отличительной
чертой
распространения
радиоволн
сантиметрового
и дециметрового диапазона является почти полное
отсутствие явления дифракции и прямолинейность распространения. Земная
поверхность практически не оказывает заметного влияния на распространение
этих радиоволн, что объясняется применением в этом диапазоне антенн узко
направленного действия с диаграммой направленности шириной от
нескольких
градусов
до
долей
градуса.
Второй отличительной особенностью распространения является большое
поглощение энергии в атмосфере, особенно во время дождя, снега, инея, пыли,
тумана, града, а также при резких перемещениях слоев нагретого и холодного
воздуха.
На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения
молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах
прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн
длиннее 10—30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение
радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере,
как в оптическом диапазоне.
Длина волны задана в исходных данных и равна 30 см.
3. Выбор структуры сигнала
В автономном режиме работы комплекса связи для преобразования
полученной информации в цифровую, в соответствии с техническим заданием,
применим импульсно-кодовую дельта - модуляцию со скоростью передачи 16
кбит/с. Данные поступают на ЦП также со скоростью 16 кбит/с.
Информационное слово содержит 8 информационных символов и 8
проверочных, при использовании ортогонального кода.
Для передачи служебной информации достаточно пяти слов по 16 бит.
В начале каждого сообщения необходимо дополнительно передавать:
- 10 бит - синхронизация по несущей (ССН);
- 20 бит - тактовая синхронизация (СТС);
- 31 бит - кадровая синхронизация (СКС);
- 5 бит - адрес Абонента;
- 2 бита - метка ретрансляции (признак наличия ретрансляции);
- 5 бит - адрес Ретранслятора;
- 5 бит – адрес Передатчика ;
- 2 бита - вид информации (цифровые сообщения - служебная информация).
Всего n = 80 бит.
На рис. 3 представлены возможные варианты структур кадров информации в
режиме передачи цифровых сообщений.
Рисунок 3. Структура кадра при передаче информации.
4. Определение структуры слова
Так как на борту КА имеется Nс = 24 различных потребителей, то для
кодирования адреса потребителя необходимо выделить nс символов:
nc  log 2 N c

lg N c
 4,58 .
lg 2
Округляя, получим nc = 5.
Количество символов программной информации в слове выберем равным
значению nc:
nп.и. = nc = 5.
Определяем количество символов, необходимое для кодирования
различных команд:
nк  log 2 N к  5,24 .
Округляя, получим nк = 6.
Полезная информация кодируется ортогональным кодом (10,5) (по
заданию), т. е, r = 5 избыточных символов. Данный код имеет кодовое
расстояние, равное
n
d min   5 .
2
Кратность обнаружения ошибки:
nобн  d min  1  4 .
Найдём кратность исправления ошибки:
d 1
nисп  min
2.
2
Определим состав слова:
nсл  (nк  r )  nc  nп.и.  21
В кадре 24 слова и сигнал фазового пуска. Длительность сигналов
фазового пуска выбирается из соображений правильного приёма, таким
образом, чтобы вероятность ошибочного приёма сигналов фазового пуска
была меньше вероятности ошибки команды Pош. На практике длительность
сигналов фазового пуска выбирают Tсфп = (2 ÷ 5) · Tсл. В качестве одного слова
сигнала фазового пуска выберем 15-ти разрядную m-последовательность.
Количество слов выберем равным nсфп = 2.
Вывод:
1. Количество символов программной информации в слове зависит от
количества потребителей (чем больше потребителей, тем больше символов), а
количество символов, необходимое для кодирования команд зависит от того
сколько команд имеет каждый потребитель.
2. Кратность обнаружения ошибки равна 4, таким образом, данный код может
обнаруживать однократные, двукратные, трёхкратные и четырёхкратные
ошибки.
3. Кратность исправления ошибки равна 2, таким образом, код может
исправлять однократные и двукратные ошибки.
5. Определение длительности символа, слова, кадра
Полоса радиолинии определяется по формуле:
f  f с  2f н.г.  Fдопл ,
где:
Δf – выделенная полоса частот (по заданию),
Δfн.г. – расширение полосы на смещение частоты вследствие нестабильности
задающего генератора,
Δfс – полоса сигнала,
Fдопл – доплеровское смещение частоты.
Определение частоты задающего генератора:
c
3 10 8
f0  
 1000 10 6 Гц.

2
λ 30 10
Определение абсолютной нестабильности частоты задающего генератора:
f н.г.  f 0  δf  1000 10 6 10 5  10000 Гц = 10 кГц.
Для дальнейшего расчета, необходимо наглядно показать где КА будет
иметь максимальную дальность, обозначить скорость КА и радиальную
скорость, высоту над поверхностью Земли, а также радиус Земли и угол
наклона.
Рисунок 4. Графическое изображение спутника, находящегося на орбите,
имеющего максимальную дальность относительно ИП.
Радиальная скорость (VP ) – радиальная составляющая скорости
движения КА по орбите (проекция скорости на прямую, проходящую через
Землю и летательный аппарат или проекция скорости космического аппарата).
Максимальное значение радиальной скорости приобретается в случае,
когда ИП лежит на линии пересечения орбиты КА с Землёй в момент выхода
из-за горизонта. Для определения максимальной дальности необходимо
провести касательную.
Орбиту условно можно считать круговой. Для расчёта радиальной
скорости необходимо предварительно найти орбитальную скорость КА VКА,
которая определяется, как первая космическая скорость на данной высоте:
GM З
VКА 
 2,330 км/с,
RЗ  H
где MЗ = 6 · 1024 кг – масса Земли,
G = 6,67 · 10-11 – гравитационная постоянная,
RЗ = 6370 км – радиус Земли,
H = 1200 км – высота орбиты КА над поверхностью Земли.
Из прямоугольных треугольников на рис. 4 найдём, что
RЗ
V
cosα 
 Р ,
RЗ  H VКА
следовательно
VР  VКА cosα 
VКА RЗ
2330  6370

 1,960 км/с.
RЗ  H 6370  1200
Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых
наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения
источника
волн
или
наблюдателя.
Доплеровские сдвиги частоты, обусловленные движением цели
относительно РЛС, приводят к появлению фазовых ошибок. Следствием
обычно является рост боковых лепестков и снижение отношения «сигналшум».
Определим доплеровскую частоту (доплеровский сдвиг)
Передачу информации осуществляет односторонняя линии связи,
поэтому k = 1.
Fдопл  
k  VP
1960

 65,33 кГц.
λ
0,30
Определим полосу частот сигнала, выразив её из формулы:
f  f  2f
F
 414,67 кГц
c
н.г. допл
Находим длительность символа:
1
τc 
 2,4 мкс
f c
Находим длительность слова:
Tсл  τ с  nсл  50,4 10  6 с.
Находим длительность кадра:
Tкадр  Tсл N с  Tсфпnсфп  50,4 10  6  24  3  50,4 10  6  2  151,2 10  6 с.
Вывод:
Выделенная полоса частот по заданию составляла 0.5МГц. Для
определения реальной полосы сигнала, необходимо учесть нестабильность
частоты задающего генератора и доплеровского сдвига. Доплеровская
прибавка составила примерно 6,5% от заданной полосы частот, а с учетом
нестабильности генератора реальная полоса частот отличается от заданной
(выделенной) примерно на 8-9%, что вполне допустимо.
6. Подбор величины вероятности ошибки символа p
Подбираем p таким образом, чтобы вероятности пропуска команды Pпроп
и ошибки команды Pош удовлетворяли исходным данным.
Выберем p = 0,006, тогда получим:
1) Вероятность независимых ошибок в 10-ти разрядном (n = 10) слове:
nобн
Pпроп 

3 3
4 4
Cni p i (1  p) ni  C10
p (1  p) 7  C10
p (1  p) 6 
i  nисп 1
0,25·10−4
2) Вероятность правильного приёма:
nисп
Pправ 

2 2
0 0
1 1
p (1  p)8 
Cni p i (1  p) ni  C10
p (1  p)10  C10
p (1  p) 9   C10
i0
0.999906
3) Вероятность ошибочного приёма:
Pош = 1 – Pправ – Pпроп = 0,68·10-5
Вывод: Полученные вероятности не превышают значений вероятностей
соответствующих техническому заданию, параметр р выбран верно.
7. Учёт потерь
Потери из-за неполного использования длительности символа связаны с
ошибками символьной синхронизации. Для избегания ошибочного
декодирования в начале и в конце символа оставляют защитные интервалы:
Tзащ = 0,1 · τс = 0,1 · 2,4 = 0,24 мкс.
Таким образом, время интегрирования составит:
Tинт = 0,8 · τс = 0,8 · 2,4 = 1,92 мкс.
Помимо неполного использования длительности символа, согласно
техническому заданию в радиолинии действует ещё и широкополосный шум.
Работа оконечного оборудования возможна при определённом отношении
«сигнал-шум» на выходе радиоприёмника. Минимальный уровень сигнала на
входе приёмника, при котором обеспечивается требуемое отношение «сигналшум» на его выходе, называется чувствительностью приёмника.
Отношение «сигнал-шум» - безразмерная величина, равная отношению
мощности полезного сигнала к мощности шума.
Обычно отношение «сигнал/шум» выражается в децибелах (дБ). Чем больше
это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.
Для количественной оценки шумов обычно задаётся эквивалентная
шумовая температура Tш.Σ – температура в градусах Кельвина, до которой
следует нагреть эквивалентное сопротивление источника шума, чтобы
спектральная плотность мощности шума Gш на его выходе совпадала с
рассчитанной плотностью по формуле:
Определим спектральную плотность мощности шума
Gш  k  Tш.  k  (Tш.прм  Tш.афу  Tш.вн  Tш.а ) .
Tш. -Эквивалентная шумовая температура
где k = 1,38 · 10–23 Дж/К – постоянная Больцмана,
Tш.прм – собственные шумы приёмника (выберем Tш.прм = 300 K),
Tш.афу – шумы антенно-фидерных устройств (выберем Tш.афу = 8,9 K),
Tш.вн – внешние шумы (выберем Tш.вн = 200 K),
Tш.а = 1000°K – заданная шумовая температура антенны.
Подставляя заданные величины, найдём:
Gш =1,38·10–23·(300+8,9+200+1000)= 2,082 · 10–20 Вт/Гц.
Кроме этого, на систему действует ещё и гармоническая помеха. Заменим
помеху эквивалентным ей (равным по мощности) шумом на выходе
интегратора. Для этого на входе добавляем шум со спектральной плотностью
Gгар, которая находится как:
Gгар
,
Pгар 
Tинт
где Pгар = 10–17 Вт – мощность гармонической помехи, заданная в задании.
Из данного выражения находим:
Gгар = Pгар · Tинт = 10–17 · 1,92 · 10–6 = 1,92 · 10–23 Вт/Гц.
Следовательно, полная эквивалентная спектральная плотность мощности
помехи будет равна:
Gш.экв = Gш + Gгар = 2,082 · 10–20 + 1,92 · 10–23 = 2,083 · 10–20 Вт/Гц.
6. Определение энергетического потенциала (отношения),
обеспечивающего требуемую вероятность
Как уже говорилось выше, в космических радиолиниях независимо от
того, в каком диапазоне они работают, всегда присутствуют естественные
шумы, принятые антенной, и собственные шумы приёмных устройств.
При расчётах, учитывающих действие шумов, удобно использовать понятие
энергетического потенциала радиолинии.
Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение
средней мощности сигнала Pс к спектральной плотности шума Gш (мощности
шума в полосе 1 Гц), пересчитанное ко входу приёмника:
P
Q c .
Gш
Кроме понятия энергетического потенциала, используется также понятие
энергетического отношения в радиолинии. Его величина QE равна
отношению энергии сигнала Eс к спектральной плотности шума на входе
приёмника и связана с энергетическим потенциалом равенством:
E
PT
QE  c  с инт  QTинт ,
Gш
Gш
где Tинт – время, в течение которого производится накопление сигнала (время
интегрирования).
Величина энергетического потенциала определяет возможности
радиолинии в части обеспечения точности измерений параметров движения,
пропускной способности радиолинии и вероятности ошибки при приёме
информации.
Вероятность ошибки при распознавании одиночного символа,
замирающего по закону Рэлея, определяется как:
1
p 2
.
h 2
Откуда:
1
1
h2   2 
 2  164,66.
p
0,006
Данная величина и будет представлять собой энергетическое отношение в
радиолинии.
7. Расчёт мощности сигнала на входе приёмника
Мощность сигнала на входе приёмника радиолинии, работающей в
пределах прямой геометрической видимости, можно выразить из формулы
энергетического отношения в радиолинии:
h 2Gш.экв 164,66  2,083 ·10 - 20
Pc 

 178,6∙10-14Вт.
6
Tинт
1,92  10
8. Выбор характеристик передающей и приёмной антенн.
Управление полётом космического аппарата осуществляется автоматизир
ованной системой управления, состоящей из двух основных частей: бортовой
и наземной.
Выбор передающей (наземной) антенны. Космические радиотехнические
средства
используются
почти
исключительно
в
УКВ-диапазоне.
Волны сантиметрового и дециметрового диапазона используют главным
образом для радиолокации и радиорелейной связи. Характер распространения
радиоволн этого диапазона существенно отличается от характера распространения
радиоволн
более
длинноволновых
диапазонов.
Из апертурных антенн (антенн, излучающих с раскрыва) наиболее
распространена зеркальная параболическая. Эти антенны отличаются
конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН,
хорошими диапазонными свойствами, высоким КПД, малой шумовой
температурой и т.д. Её и выберем в качестве наземной антенны.
Чаще всего используют три типа облучателей:
- рупорные;
- вибраторные;
- щелевые;
- открытый конец волновода;
Выбираем открытый конец волновода
Внешние факторы (дождь, снег) могут искажать прохождение сигнала,
поэтому линейная поляризация в этом случае не подойдет. Для того чтобы
добиться круговой поляризации, поместим на облучателе металлическую
решетку под углом 45°. Благодаря наклону, волна примет вид спирали, что
обеспечит круговую поляризацию.
Рисунок 5. Зеркальная параболическая антенна, облучатель - открытый конец
волновода с металлической решеткой.
Рисунок 6. Вид круговой поляризации.
Расчет параметров:
Коэффициентом усиления антенны (другое название коэффициент
направленного
действия)
называется
величина,
характеризующая
направленные свойства антенны и показывающая во сколько раз данная
антенна имеет более узкую диаграмму направленности, чем абсолютно
ненаправленная антенна (диаграмма направленности ненаправленной антенны
имеет вид окружности, т. е. 360°).
Рассчитать коэффициент усиления антенны (в разах) можно по
эмпирической формуле:
36000
,
D
(2θ 0,5 ) 2
Кроме того, для наземных антенн должно выполняться условие:
2θ 0,5
,
2
где δсопр = 0.3° – заданная ошибка углового сопровождения.
Для наземных антенн ширина диаграммы направленности 2θ0,5 по уровню
половинной мощности для слежения за низколетящими КА должна быть в
пределах 3° ≤ 2θ0,5 ≤ 5°. Выберем 2θ0,5 = 4°.
δ сопр 
В результате расчёта получим:
D =4000 раз.
КНД в децибелах:
DдБ  10 lg D  36 дБ.
С другой стороны этот же коэффициент можно найти по формуле:
D
4πS прд.эфф
,
λ2
Откуда эффективная площадь передающей антенны равна:
S прд.эфф
Dλ 2 4000  0,30 2


 28,6 м2.
4π
4  3,14
Зная площадь, можно определить диаметр зеркала:
4  S прд.эфф
4  28,6
d

 6м
π
3,14
Выбор приёмной (бортовой) антенны.
При проектировании антенн для космического аппарата (КА) появляется
необходимость
использования
развёртываемых
(трансформируемых)
конструкций. К такой конструкции относится зеркальная антенна зонтичного
типа, ее и выберем в качестве приемной антенны.
Антенна относится к классу зеркальных антенн и получила своё название
из-за конструкции, в основу которой заложен «зонтичный» принцип
развёртывания рефлектора. Применяется на искусственных спутниках Земли.
Таким образом, после выведения космического аппарата в рабочую точку
орбиты рефлектор антенны с помощью специального устройства раскрывается
из транспортировочного положения в требуемое рабочее положение, а затем
наводится с необходимой точностью.
Рисунок 7.Зеркальная антенна «зонтичного типа» со спиралью в качестве
облучателя.
В качестве облучателя выбираем спираль. Спиральные антенны
формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков,
расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике
обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая ее
перед рефлектором (экраном).
Расчет облучателя
Рисунок 8. Облучатель в виде спирали.
Нам необходима круговая поляризация, тогда чтобы излучение антенны
было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны
заданного диапазона:
l  cp 
30
2
 15 см
Шаг спирали равен:
S  0,22  cp  0,22 15  3,3см
Угол намотки витков будет равен:
S
3,3
  arcsin   arcsin   13 °
l
 15 
 -удовлетворяет условию 120 <  <150.
Ширина диаграммы направленности по половинной мощности равна 20°
Находим длину спирали:
2
2
 52 
 52 


L
 cp  
  15  25,35см
 2  
2

20


0,5 

А значит число витков равно:
n
L 25,35

 7,68
S
3,3
Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда: L=nS≈26 cм
Диаметр спирали будет равен:
D  2 R 
L2  S 2

26 2  3,32

 8,2см
3,14
Расчет основных параметров антенны
Рассчитать коэффициент усиления антенны (в разах) можно по
эмпирической формуле:
36000
,
D
(2θ 0,5 ) 2
Кроме того, для наземных антенн должно выполняться условие:
2θ 0,5
,
2
где δсопр = 0.3° – заданная ошибка углового сопровождения.
δ сопр 
Для бортовых антенн ширина диаграммы направленности 2θ0,5 по уровню
половинной мощности должна быть шире чем у наземных антенн. Выберем
2θ0,5 = 7°.
В результате расчёта получим:
D =734,7 раз.
КНД в децибелах:
DдБ  10 lg D  28,66 дБ.
С другой стороны этот же коэффициент можно найти по формуле:
4πS прм.эфф
,
D
λ2
Откуда эффективная площадь передающей антенны равна:
S прм.эфф 
Dλ 2 734,7  0,30 2

 5,26 м 2
4π
4  3,14
Зная площадь, можно определить диаметр зеркала
4  S прм.эфф
4  5,26
d

 2,58 м .
π
3,14
Необходимость использования развертываемых конструкций возникает,
когда диаметр раскрыва антенны более (2..4,5)м, что превышает возможности
современных систем выведения на орбиты (диаметр нашего зеркала 2,58м).
Выводы:
1. Любая система дистанционного управления имеет канал связи. Чтобы
управляемый объект выполнил нужную операцию, ему необходимо по
каналу связи передать соответствующую команду.
2. Для космической связи оптимален диапазон УКВ диапазон. За его
пределами радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере может от нее
отразиться. Первой отличительной чертой распространения радиоволн
сантиметрового и дециметрового диапазона является почти полное
отсутствие явления дифракции и прямолинейность распространения.
3. Количество символов программной информации в слове зависит от
количества потребителей (чем больше потребителей, тем больше
символов), а количество символов, необходимое для кодирования
команд зависит от того сколько команд имеет каждый потребитель.
4. Выделенная полоса частот по заданию составляла 0.5МГц. Для
определения реальной полосы сигнала, необходимо учесть
нестабильность частоты задающего генератора и доплеровского сдвига.
Доплеровская прибавка составила примерно 6,5% от заданной полосы
частот, а с учетом нестабильности генератора реальная полоса частот
отличается от заданной (выделенной) примерно на 8-9%, что вполне
допустимо.
5. В качестве передающей антенны выбрана зеркальная параболическая
антенна, в которой облучателем является открытый конец волновода с
металлической решеткой. Внешние факторы (дождь, снег) могут
искажать прохождение сигнала, поэтому в этом случае необходима
круговая поляризация. Поместив на облучателе металлическую решетку
под углом 45° в направление зеркала, мы добьемся того, что
распространение волн будет в виде спирали, т.е круговая поляризация.
6. В качестве бортовой антенны выбрана зеркальная антенна зонтичного
типа с облучателем в виде спирали. Спираль формируют диаграмму
направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль
оси спирали по разные стороны от нее. Чтобы получить одностороннее
излучение, спираль помещают перед рефлектором. Важная особенность
этой антенны в том, что после выведения космического аппарата в
рабочую точку орбиты рефлектор антенны с помощью специального
устройства раскрывается из транспортировочного положения в
требуемое рабочее положение.
Литература
1.Проектирование антенно-фидерных устройств – М.С. Жук, Ю.Б. Молочков
2. «Антенны и устройства СВЧ». Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М.
Максимов, Л.И. Пономарев. М.: Изд-во МАИ, 1999 г
3.Наземные радиотехнические системы. Расчет дальности–С.Н. Тарасов
4.Развертываемые зеркальные антенны зонтичного типа – Гряник В.М., Ломан
В.И.
Скачать