ВЫПУСКНОЕ БУКСИРУЕМОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО КАБЕЛЬНОГО ТИПА С АДАПТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ В ДИАПАЗОНЕ ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/34 H01Q5/00 

Изобретение относится к области связи и может быть использовано для обеспечения приема сигналов спутниковых систем связи и навигации в диапазоне дециметровых волн (ДМВ) (200-400 МГц, 1,2 и 1,6 ГГц) подвижными морскими объектами (ПМО) и автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА), использующими кабельные антенны.

Современные комплексы управления и автоматизации ПМО и АНПА требуют постоянного информационного обеспечения по различным аспектам своего функционирования. Это приводит к необходимости увеличения пропускной способности и помехоустойчивости системы связи с ПМО и АНПА.

Наиболее перспективным решением, обеспечивающим увеличение помехоустойчивости и пропускной способности, представляется использование спутниковых систем связи и навигации диапазона ДМВ.

В настоящее время на ПМО для обеспечения приема сигналов спутниковых систем связи и навигации используется выпускное буксируемое антенное устройство (ВБАУ) кабельного типа с концевым буем, в котором расположена ненаправленная антенна диапазона ДМВ и комплект аналогового приемного тракта: малошумящий усилитель (МШУ), фильтр, волоконно-оптическая система передачи. Применение ненаправленной антенны вносит серьезные ограничения в энергетические характеристики спутниковых радиолиний, а динамика движения концевого буя на взволнованной морской поверхности ограничивает использование такой системы при сильном волнении.

Известна буксируемая кабельная антенна [1], содержащая блок базовой информации, блок ввода скорости буксировки, компаратор атмосферных помех, решающий блок и индикатор скорости. При этом выход кабельной антенны соединен со входом компаратора, блок ввода скорости соединен со вторым входом компаратора, выход которого подключен к решающему блоку, выход блока базовой информации подключен ко второму входу решающего блока, выход которого подключен к индикатору скорости движения системы и максимальной глубины.

Недостатком данной антенны является отсутствие антенных элементов, обеспечивающих работу в диапазоне ДМВ и малошумящих усилителей диапазона ДМВ, подключенных непосредственно к выходу антенных элементов.

Известна буксируемая антенна [2], содержащая кабель-тросс и антенну ультракоротковолнового (УКВ) диапазона, помещенную в корпус цилиндрической формы из прочной резины с противовесом и пенопластовым заполнением. В буксируемую антенну дополнительно введены рамочная антенна коротковолнового (КВ) диапазона, рамка которой охватывает цилиндрический корпус УКВ антенны на уровне поверхности воды, и частотно-развязывающее устройство, выполненное в виде параллельно соединенных по выходу фильтров верхних и нижних частот (ФНЧ, ФВЧ), при этом его вход соединен с клеммой подключения УКВ антенны, а его КВ вход соединен с клеммой подключения КВ антенны.

Недостатком данной антенны является отсутствие встроенного МШУ диапазона ДМВ, а также конструкция с противовесом и пенопластовым заполнением, которая ограничивает возможность многократной постановки антенны при ее сматывании (наматывании) на лебедку.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является буксируемая кабельная антенна для высокочастотной связи [3]. Буксируемая кабельная антенна содержит, помещенную в цилиндрическую оболочку подводную часть, соединенную с линией передачи. Оболочка герметизирована компаундом. Размещенные в оболочке электронные компоненты антенны электрически соединены с линией передачи. Плавучая секция соединена с элементами цилиндрической оболочки. Плавучая секция, сделанная на основе вспененного полиэтилена, обеспечивает плавучесть в морской воде. Четыре идентичных антенных элемента прикрепленных и выступающих за герметичную цилиндрическую оболочку, где четыре идентичных антенных элемента располагаются симметрично вокруг оболочки в перекрестной конфигурации. Функционирование одного единичного элемента удлиненного вертикально вверх и расположенного перпендикулярно водной поверхности, обеспечивается разворачиванием антенной оболочки безотносительным вращением вдоль поверхности воды.

Недостатком данной антенны является отсутствие электродинамических элементов, обеспечивающих работу на частотах выше 30 МГц, и отсутствие схемы управления диаграммой направленности, что не дает возможности принимать сигналы в диапазоне ДМВ от различных спутниковых систем.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна»

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и пропускной способности приемных каналов связи с ПМО и АНПА, за счет введения возможности принимать сигналы спутниковых систем в диапазоне ДМВ.

Поставленная цель достигается тем, что выпускное буксируемое антенное устройство кабельного типа с адаптивным управлением диаграммой направленности в диапазоне дециметровых волн (ДМВ), содержащее кабельную антенну и устройство обработки сигналов и управления, при этом для приема сигналов диапазона ДМВ кабельная антенна содержит систему из n электродов с подключенными к выходам электродов малошумящими усилителями (МШУ), выходы которых соединены со входами оптических модуляторов, соединенных с оптическим мультиплексором для спектрального уплотнения, выход которого соединен по волоконно-оптической линии связи с устройством обработки сигналов и управления, а именно входом оптического демультиплексора для спектрального разуплотнения, соединенного с оптическими фотоприемниками для обратного преобразования в сигналы радиочастотного диапазона, выходы которых соединены со входами согласующих усилителей, соединенных с АЦП, выходы которых подключены к блоку формирования аналитического сигнала, на второй вход которого подключен блок калибровки, а выход блока формирования аналитического сигнала подключен ко входу блока оценки параметров сигнала, выход которого соединен с первым входом блока формирования весовых коэффициентов, второй и третий вход которого выполнены с возможностью приема информации о параметрах движения объекта и данных по используемым космическим аппаратам, при этом один выход блока формирования весовых коэффициентов подключен к блоку калибровки, а второй выход подключен ко входу блока формирования выходных сигналов, выходы которых выполнены для передачи сигналов на радиоприемные устройства (РПУ) диапазона ДМВ в аналоговой и в цифровой формах, при этом для приема сигналов диапазонов КВ-УКВ кабельная антенна содержит пару электродов, соединенных с МШУ. выход которой соединен с оптическим модулятором для перевода сигнала в оптический диапазон длин волн, выход которого в свою очередь по волоконно-оптической линии связи соединен с устройством обработки сигналов и управления, а именно со входом фотоприемника для перевода в диапазон частот радиоволн, выход которого подключен к согласующему усилителю, выход которого выполнен с возможностью подключения ко входам соответствующих РПУ, при этом для приема сигналов диапазонов КНЧ-СВ кабельная антенна содержит пару медных проводов, соединенных с МШУ диапазонов КНЧ-СВ, расположенным в устройстве обработки сигналов и управления, причем выход МШУ диапазонов КНЧ-СВ выполнен с возможностью подключения ко входам соответствующих РПУ.

Проведенный сравнительный анализ заявляемого устройства и прототипа показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что:

- имеет в своем составе МШУ подключенные непосредственно к выходу антенных элементов;

- сигналы с выхода МШУ поступают на оптический модулятор и далее транслируются по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС);

- из ВОЛС сигналы поступают на фотоприемники (ФП) и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

- содержит модуль управления, осуществляющий адаптивное формирование многосекторной диаграммы направленности в цифровой форме.

На фиг.приведена структурная схема выпускного буксируемого антенного устройства кабельного типа с адаптивным управлением диаграммой направленности в диапазоне дециметровых волн.

В состав ВБАУ (фиг.) входит кабельная антенна 1, содержащая в своем составе n антенных электродов 3 диапазона ДМВ, пару антенных электродов 4 диапазонов КВ-УКВ и пару электродов 5 диапазонов КНЧ-СВ. Электроды диапазона ДМВ соединены с встроенными малошумящими усилителями 6 и оптическими модуляторами 8, которые, в свою очередь, по волоконно-оптической линии подключены к оптическому мультиплексору 10. Пара электродов 4 подключена к встроенному МШУ диапазонов КВ-УКВ, который подключен к оптическому модулятору 9. Электроды 5 подключены по паре медных проводов к МШУ 16 диапазонов КНЧ-СВ.

Кабельная антенна представляет собой отрезок плавучего кабеля связи (типа П-10-15М) [5] с размещенными внутри него двумя парами медных жил и модулем с четырьмя волоконно-оптическими линиями. На ходовом конце кабеля в него интегрируются электроды и МШУ соответствующих диапазонов.

Кабельная антенна 1 с помощью герметичного оптико-электрического разъема (типа CHO157) подключается к устройству обработки сигналов и управления 2. В устройстве обработки сигналов и управления 2 сигналы диапазона ДМВ попадают в оптический демультиплексор 11 и далее на n фотоприемников 12. С выхода фотоприемников 12 сигналы поступают на n согласующих усилителей 14 и далее на n АЦП, с выхода которых сигналы поступают в модуль управления 18.

В модуле управления сигналы поступают в блок формирования аналитического сигнала 19, а с его выхода поступают на вход блока оценки параметров сигнала 20 и далее в блок формирования весовых коэффициентов 21 и блок формирования выходных сигналов 22. Также, с выхода блока формирования весовых коэффициентов 21 сигналы поступают в блок калибровки 23 и далее на второй вход блока формирования аналитического сигнала 19.

Сигналы диапазонов КВ-УКВ с выхода оптического модулятора 9 поступают на вход фотоприемника 13 устройства обработки сигналов и управления 2. С выхода фотоприемника 13 сигналы поступают на вход согласующего усилителя 15 диапазонов КВ-УКВ. Сигналы диапазонов КНЧ-СВ с электродов 5 по одной из пар медных жил кабельной антенны 1 поступают на вход малошумящего усилителя 16 диапазонов КНЧ-СВ.

С выхода устройства обработки сигналов и управления 2 сигналы диапазонов: КНЧ-СВ, КВ-УКВ и ДМВ поступают на входы РПУ соответствующих диапазонов. Также в устройство 2 поступают координаты и параметры движения от навигационного комплекса (НК) ПМО и команды управления от автоматизированного комплекса связи ПМО.

В ВБАУ для обеспечения ненаправленного радиоприема в диапазонах частот от 0,1 Гц до 3000 кГц (КНЧ-СВ) и от 3000 кГц до 100 МГц (КВ-УКВ) используются две пары двухэлектродных антенных элементов [4].

Направленный прием в диапазоне ДМВ осуществляется системой щелевых антенных элементов, распределенных на участке кабельной антенны, находящейся на водной поверхности благодаря положительной плавучести оболочки кабельной антенны. Система распределенных щелевых антенных элементов в сочетании с малошумящими усилителями (МШУ) образуют элементы АФАР, посредством которых осуществляется адаптивное управление диаграммой направленности.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Сигналы спутниковых систем диапазонов ДМВ принимаются системой из n-антенных элементов 3 кабельной антенны 1, с выхода которых они поступают, на соответствующие входы МШУ 6. С выходов МШУ 6, сигналы поступают на оптический модулятор (ОМ) 8, где происходит их преобразование в сигналы оптического диапазона длин волн (каждый сигнал на своей длине волны) для последующей трансляции по волоконно-оптической линии кабельной антенны 1. С выхода оптических модуляторов 8 сигналы поступают в оптический мультиплексор 10, где происходит их спектральное уплотнение по признаку различных длин волн. С выхода оптического мультиплексора 10 кабельной антенны 1 сигналы через герметичный оптико-электрический разъем попадают в устройство обработки сигналов и управления 2. В устройстве 2 сигналы попадают в оптический демультиплексор 11, где происходит их обратное разделение по длинам волн. С выхода оптического демультиплексора 11 сигналы попадают на фотоприемники (ФП) 12, где происходит их обратное преобразование из оптического диапазона длин волн в диапазон радиочастоты. С выхода ФП 12, сигналы поступают на входы соответствующих согласующих усилителей 14, которые обеспечивают требуемое согласование параметров радиочастотного сигнала с входными параметрами АЦП. Далее сигналы поступают на входы соответствующих АЦП 17, которые преобразовывают их в цифровую форму. С выходов АЦП 17 сигналы в цифровой форме поступают в модуль управления 18. В модуле управления 18 сигналы поступают в блок формирования аналитического сигнала, где на основе преобразования Гильберта происходит формирование сигнала вида . Далее в блоке оценки параметров сигнала происходит вычисление (на основе измерения параметров сигнала) флуктуаций амплитуды и фазы сигнала, обусловленных параметрами движения кабельной антенны по взволнованной морской поверхности и определяются антенные элементы 3, оптимальные (в данный момент времени) для формирования диаграмм направленности. В блоке формирования весовых коэффициентов 21 осуществляется необходимый расчет фазовых сдвигов между антенными элементами 3 для управления формой и положением диаграммами направленности с учетом: курса и скорости ПМО; типа и количества одновременно обслуживаемых космических аппаратов (КА), параметров баллистического движения КА. Вычисленные весовые коэффициенты используются и для первоначальной калибровки системы, посредством блока калибровки 23, соединенного с блоком формирования аналитического сигнала 19. С блока формирования весовых коэффициентов 21 сигналы от космических аппаратов различных систем поступают в блок формирования выходных сигналов, где формируются сигналы для радиоприемных устройств (РПУ) диапазона ДМВ.

Сигналы диапазонов КВ-УКВ принимаются парой электродов 4 (кабельной антенны 1), образующих двухэлектродную антенну [5]. Далее они усиливаются в МШУ 7 и поступают на вход ОМ 9, где происходит их преобразование в сигнал оптического диапазона длин волн и трансляция по волоконно-оптической линии связи. Далее сигналы диапазонов КВ-УКВ попадают в устройство обработки сигналов и управления 2. В устройстве 2 они попадают на вход ФП 13, где происходит обратное преобразование из оптического диапазона длин волн в диапазон радиочастоты. С выхода ФП 13 сигналы поступают на согласующий усилитель диапазонов КВ-УКВ, который обеспечивает требуемый уровень согласования с параметрами РПУ этих диапазонов.

Сигналы диапазонов КНЧ-СВ принимаются парой электродов 5 (кабельной антенны 1), образующих двухэлектродную антенну [5]. И далее транслируются по паре медных проводов в устройство обработки сигналов и управления 2. В устройстве 2 сигналы диапазонов КНЧ-СВ усиливаются МШУ этих диапазонов и транслируются в РПУ соответствующих диапазонов.

Таким образом, предложенное выпускное буксируемое антенное устройство кабельного типа позволит повысить пропускную способность и помехоустойчивость каналов связи с ПМО и АНПА. Это обеспечивается на основе достижения технического результата, заключающегося в одновременном ненаправленном радиоприеме в диапазоне частот от 0,1 Гц (крайне низкие частоты - КНЧ) до 120 МГц (очень высокие частоты - ОВЧ) и направленном радиоприеме сигналов от спутниковых систем в диапазоне дециметровых волн (200-400 МГц, 1,2 и 1,6 ГГц). При этом радиоприем осуществляется одновременно с различных пространственных направлений, отвечающих положениям космических аппаратов систем связи и навигации. ВБАУ с АФАР позволяет осуществлять адаптивное управление диаграммой направленности и обеспечивать требуемую энергетику функционирования спутниковых радиолиний с заданной вероятностью ошибки и пропускной способностью.

Литература

1. Патент 58797 (РФ). Буксируемая кабельная антенна / Куртов С.М., Додонов А.В., Пятненков А.Е., Катанович А.А. - Опубл. 27.11.2006 - H01Q 1/34.

2. Патент 105075 (РФ). Буксируемая антенна / Бобков A.M., Ильмер Д.В., Катанович А.А., Муравченко В.Л. - Опубл.27.05.2011 - H01Q 1/00.

3. Патент 08842051 (US). Omni-directional buoyant cable antenna for high frequency communications / Mileski Paul M. - Опубл. 23.09.2014 - H01Q 1/34.

4. A.B. Додонов, А.Ф. Михеев. Подводный радиоприем. М.: Военное издательство, 1996 г.

5. Кабель связи плавучий модернизированный марки П-10-15М. Технические условия ТУ 3587-019-241-18545-2011.

Изобретение относится к области связи и может быть использовано для обеспечения приема сигналов спутниковых систем связи и навигации в диапазоне дециметровых волн (200-400 МГц, 1,2 и 1,6 ГГц) подвижными морскими объектами и автономными необитаемыми подводными аппаратами, использующими кабельные антенны. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и пропускной способности приемных каналов связи с подвижными морскими объектами (ПМО) и автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА). Упомянутый технический результат достигается тем, что выпускное буксируемое антенное устройство имеет в своем составе малошумящие усилители (МШУ), подключенные непосредственно к выходу антенных элементов, при этом сигналы с выхода МШУ поступают на оптический модулятор и далее транслируются по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), из ВОЛС сигналы поступают на фотоприемники (ФП) и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП); а также модуль управления, осуществляющий адаптивное формирование многосекторной диаграммы направленности в цифровой форме. 1 ил.

Выпускное буксируемое антенное устройство кабельного типа с адаптивным управлением диаграммой направленности в диапазоне дециметровых волн (ДМВ), содержащее кабельную антенну и устройство обработки сигналов и управления, отличающееся тем, что для приема сигналов диапазона ДМВ кабельная антенна содержит систему из n антенных электродов с подключенными к выходам электродов малошумящими усилителями (МШУ), выходы которых соединены со входами первых n оптических модуляторов, соединенных с оптическим мультиплексором для спектрального уплотнения, выход которого соединен по волоконно-оптической линии связи с устройством обработки сигналов и управления, а именно входом оптического демультиплексора для спектрального разуплотнения, соединенного с оптическими фотоприемниками для обратного преобразования в сигналы радиочастотного диапазона, выходы которых соединены со входами согласующих усилителей, соединенных с АЦП, выходы которых подключены к блоку формирования аналитического сигнала, на второй вход которого подключен блок калибровки, а выход блока формирования аналитического сигнала подключен ко входу блока оценки параметров сигнала, выход которого соединен с первым входом блока формирования весовых коэффициентов, второй и третий входы которого выполнены с возможностью приема информации о параметрах движения объекта и данных по используемым космическим аппаратам, при этом один выход блока формирования весовых коэффициентов подключен к блоку калибровки, а второй выход подключен ко входу блока формирования выходных сигналов, выходы которых выполнены для передачи сигналов на радиоприемные устройства (РПУ) диапазона ДМВ, при этом для приема сигналов диапазонов КВ-УКВ кабельная антенна содержит пару электродов, соединенных с МШУ, выход которой соединен с вторым оптическим модулятором для перевода сигнала в оптический диапазон длин волн, выход которого в свою очередь по волоконно-оптической линии связи соединен с устройством обработки сигналов и управления, а именно со входом фотоприемника для перевода в диапазон частот радиоволн, выход которого подключен к согласующему усилителю, выход которого выполнен с возможностью подключения ко входам соответствующих РПУ, при этом для приема сигналов диапазонов КНЧ-СВ кабельная антенна содержит пару медных проводов, соединенных с МШУ диапазонов КНЧ-СВ, расположенным в устройстве обработки сигналов и управления, причем выход МШУ диапазонов КНЧ-СВ выполнен с возможностью подключения ко входам соответствующих РПУ.