Способ стабилизации лучей спутниковой гибридной зеркальной антенной по сигналам наземного радиомаяка Российский патент 2024 года по МПК H01Q25/00 

Предлагаемый способ стабилизации лучей относится к антенной технике, а именно к гибридным зеркальным антеннам (МГЗА) космического базирования, покрывающим зону обслуживания множеством лучей. В условиях эксплуатационных нагрузок, главным образом из-за неравномерного и изменчивого нагрева рефлектора, профиль рефлектора МГЗА испытывает иcкажения, которые нарушают ориентацию лучей и снижают уровень сигнала в зонах обслуживания. Назначение способа - стабилизировать лучи в этих условиях.

Известны механические средства и соответствующие способы поддержания номинального состояния рефлектора, описанные, например, в [W.A. Imbriale Distortion compensation techniques for large reflector antennas // IEEE Aerospace Conference Proceedings - February 2001, DOI: 10.1109/AERO.2001.931261], [В.Б. Тайгин, А.В. Лопатин, “Метод обеспечения высокой точности формы рефлекторов зеркальных антенн космических аппаратов”, Космические аппараты и технологии, том 3, № 4, 2019, С. 200-208, DOI 10.26732/2618-7957-2019-4-200-208], реализующие непосредственную коррекцию профиля зеркала с помощью механических приводов (актуаторов), установленных на шпангоутах, или за счет системы оттяжек спиц рефлектора [Голдобин, Н. Н. Анализ эффективности орбитальной юстировки крупногабаритного рефлектора// Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов Решетневские чтения 2018. С. 97-99] и [Голдобин, Н. Н. Оценка точности наведения рефлектора на основании информации об отклонениях концов его силовых спиц// Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов Решетневские чтения. 2016. С. 102-104]. Естественно, при этом контроль текущего состояния рефлектора осуществляется оптическими средствами [Следящий опто-электронный мониторинг деформаций в задаче динамической юстировки устройств пространственного наблюдения /Под ред. А.В. Ушакова. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. 216 с.].

Неизбежные недостатки механических систем поддержания профиля рефлектора в номинальном состоянии проявляются в необходимости значительного числа приводов и в сложности системы оптического или фотограмметрического контроля отражающей поверхности рефлектора.

Альтернативой механическим средствам поддержания рефлектора в номинальном состоянии служат электронные средства компенсации негативных последствий искажения рефлектора за счет адаптивного регулирования амплитудно-фазового распределения антенной решетки (АР).

Известен способ формирования кластерных зон [пат. РФ № 2578289 H01Q 25/00] МГЗА, состоящий в преобразовании географических координат центров лучей в угловые координаты относительно оси МГЗА, вычислении фокальных пятен на АР и формирования кластерных зон по условию превышения некоторого уровня. Недостаток этого способа состоит в необходимости с высокой точностью поддерживать форму рефлектора.

Известен способ формирования лучей спутниковой МГЗА [пат. США No 4586051H01Q19/10], состоящий в приеме элементами кластеров АР сигналов от соответствующих этим кластерам наземных радиомаяков, выделении комплексных амплитуд несущих этих сигналов и формировании весовых коэффициентов возбуждения кластера, в соответствии с комплексно сопряжёнными значениями сигналов, принятых элементами этого кластера. Это обеспечивает ориентацию максимумов лучей на соответствующие маяки при текущем состоянии рефлектора. Недостаток этого способа заключается в необходимости размещения радиомаяков в центрах каждой из локальных зон лучей.

Известен патент [пат. RU2727860 С1], реализующий способ стабилизации лучей спутниковой МГЗА по сигналам от смещенных наземных маяков, и состоящий в периодическом приеме сигналов от наземных маяков, выделении комплексных амплитуд несущей частоты на элементах кластеров и формировании ВВК по описанному в патенте алгоритму пересчета, как если бы маяк располагался в центре локальной зоны обслуживания. Недостаток способа заключается в необходимости использования большого числа наземных радиомаяков.

На этапе контроля текущего состояния рефлектора, поверхность которого в реальных условиях слегка искажена, широко используется идеология так называемого параболоида наилучшего соответствия (ПНС) - «best fit paraboloid» в англоязычной нотации. Параболоид вращения в любом случае однозначно задается шестью параметрами: двумя углами ориентации оптической оси, фокусным расстоянием и тремя координатами вершины параболоида. Поэтому для определения ПНС достаточно контролировать либо поверхность рефлектора в числе точек, не менее шести, либо сигналы отраженного от рефлектора поля на не менее, чем шести элементах АР.

Известны алгоритмы вычисления параметров ПНС по множеству координат поверхности искаженного рефлектора, например, [Xianping Tu, Xianqing Lei, Wensuo Ma, Xiaoyi Wang and Xiaolin Zuo, Fitting and error evaluation for rotating paraboloid in arbitrary position using geometric iterative optimization algorithm, 2019 Meas. Sci. Technol., vol. 30, 095006, DOI 10.1088/1361-6501/ab2186], [Голдобин Н.Н, Методика оценки формы радиоотражающей поверхности крупногабаритного трансформируемого рефлектора космического аппарата, 2013, Сибирский аэрокосмический журнал, Том 14, № 1, С. 106-111], [Jeff Cumpston, Joe Coventry, Derivation of error sources for experimentally derived heliostat shapes, AIP Conf. Proc., vol. 1850, no. 1]. Необходимость контроля координат достаточно большого числа точек рефлектора составляют основной недостаток этих способов определения параметров ПНС и последующей стабилизации лучей МГЗА.

Поскольку распределение комплексных амплитуд сигналов на элементах АР при облучении рефлектора наземным радиомаяком (фокальное пятно) зависит от текущего профиля рефлектора, то не только возможно, но и практически выгодно извлекать информацию о состоянии рефлектора из принятых сигналов, т.к. они и так имеются на выходе многоканального приемника МГЗА.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ-прототип, описанный в статье [Чони Ю.И., Романов А.Г., Дардымов А.В., Данилов И.Ю., Retrieving best-fit paraboloid from signals of a ground based beacon for electronic compensation of satellite multi-beam hybrid reflector antenna distortions, 2021 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 13-15 May 2021, Kazan, Russia, pp. 1-5. DOI: 10.1109/SIBCON50419.2021.9438869]. Способ включает периодический прием сигнала от наземного радиомаяка, угловые координаты которого (θ₀, ϕ₀) известны, выделение комплексных амплитуд {S_n^оп} несущей этого сигнала на N элементах (n = 1..N) антенной решетки (АР), нахождение профиля x_пнс(z, y) параболоида наилучшего соответствия (ПНС), включая угловые координаты его оптической оси, из условия наилучшей аппроксимации принятых сигналов {S_n^оп} сигналами {S_n^пнс} на элементах антенной решетки, которые наводились бы полем плоской волны, падающей на ПНС x_пнс(z, y) с направления (θ₀, ϕ₀), вычисление фокальных пятен {S_m}^k при облучении ПНС с направлений (θ_k, ϕ_k) всех K лучей (k = 1..K), и установление весовых коэффициентов {W_m}^k кластеров пропорционально комплексно сопряженным значениям {S_m^*}^k соответствующих фокальных пятен.

Недостаток прототипа заключается в необходимости расширять кластеры или смещать их вслед за фокальными пятнами для поддержания требуемой ориентации и КНД лучей. Это приводит к расширению антенной решетки за счет размещения дополнительных элементов по ее периферии. Кроме того, поскольку рабочие частоты лучей различны, то каждый антенный элемент должен принимать участие в формировании большего числа лучей и, следовательно, частотно разделительное устройство каждого антенного элемента должно иметь большее число каналов приема-передачи.

Предлагаемый способ направлен на устранение указанного недостатка. Достигаемый технический результат состоит в поддержании ориентации лучей спутниковой МГЗА при неизменном составе кластеров антенной решетки.

На фиг. 1 представлена структурная схема канала стабилизации по предлагаемому способу.

На фиг. 2 представлены оптическая схема спутниковой МГЗА типичной конфигурации и системы координат: глобальная (x, y, z), рефлектора (x', y', z') и антенной решетки (ξ, η, n). Сплошной линией показан номинальный профиль, пунктирной - искаженный профиль, пунктирная линия с точками - оптическая ось рефректора.

На фиг. 3 изображена геометрия антенной решетки гексагональной структуры и центрального кластера МГЗА.

На фиг. 4 представлены лучи МГЗА при неискаженном рефлекторе, т.е. их номинальное состояние.

На фиг. 5 представлены лучи МГЗА при искаженном рефлекторе и номинальных весовых коэффициентах кластеров. Сплошные линии - лучи при номинальных весовых коэффициентах кластеров, пунктирные линии - номинальные лучи.

Фиг. 6 иллюстрирует результат стабилизации лучей МГЗА при использовании предлагаемого способа.

На фиг. 7 представлены фокальные пятна: а) от искаженного рефлектора, б) от того же рефлектора после поворота на углы (-α, -β), свойственные параметрам ПНС.

На фигурах 1 - рефлектор, 2 - антенная решетка, 3 - N-канальный цифровой приемник, 4 - процессор, 5 - блок аппроксимации ПНС, 6 - блок расчета фокальных пятен (U) и ВКК (W), 7 - привод.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе, периодически принимают сигнал от наземного радиомаяка, угловые координаты которого (θ₀, ϕ₀) известны, выделяют комплексные амплитуды {S_n^оп} несущей этого сигнала на N элементах (n = 1..N) антенной решетки (АР), вычисляют шесть параметров (α, β, F, d) профиля x_пнс(z, y) параболоида наилучшего соответствия (ПНС), где (α, β) - угловые смещения его оптической оси (см. фиг. 2) от номинальной ориентации по оси 0x, F - фокусное расстояние и d - вектор смещения вершины ПНС. Эти параметры вычисляют из условия наилучшей аппроксимации принятых сигналов {S_n^оп} сигналами {S_n^пнс} на элементах антенной решетки, которые наводились бы полем плоской волны, падающей на ПНС x_пнс(z, y) с направления (θ₀, ϕ₀).

В отличие от прототипа, рефлектор поворачивают на углы (-α, -β), определяют профиль повернутого на углы (-α, -β) ПНС и рассчитывают фокальные пятна {S_m}^k при облучении этого повернутого ПНС с направлений (θ_k, ϕ_k) всех K лучей (k = 1..K), после чего весовые коэффициенты {W_m}^k кластеров устанавливают пропорционально комплексно сопряженным значениям {S_m^*}^k фокальных пятен.

Сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что в заявленном способе за счет поворота рефлектора предотвращается смещение фокальных пятен за пределы соответствующих кластеров, а последующий пересчет весовых коэффициентов кластеров компенсирует не только эффекты, связанные с отклонением профиля рефлектора от параболической поверхности, но и возможные погрешности в осуществлении поворота рефлектора.

Рассмотрим предлагаемый способ применительно к МГЗА офсетной геометрии (фиг. 2) с радиусом рефлектора R = 12 м, зазоре-клиренсе H = 3 м и фокусном расстоянии F = 7.4 м. Элементы антенной решетки габаритов 2 м х 1 м образуют гексагональную структуру со стороной соты 12см (фиг. 3). Рабочая частота составляет 2ГГц (λ = 15 см).

При номинальном состоянии рефлектора лучи рассматриваемой МГЗА образуют в плоскости z0x серию, изображенную на фиг. 4. Пусть поверхность рефлектора будет параболоидом, повернутым вокруг оси y' на -30'. Если весовые коэффициенты кластеров (ВКК) {W_m}^k будут неизменны, то лучи смещаются и претерпевают искажения, показанные на фиг. 5. При том же состоянии рефлектора в итоге стабилизации лучей по способу-прототипу не удастся приблизить лучи к требуемой совокупности без расширения каждого из кластеров как минимум до 19 элементов (при начальной конфигурации кластеров - по 7 элементов в каждом), поскольку фокальные пятна смещаются за пределы границ номинальной конфигурации кластеров (см. фиг. 7а) и не перехватываются ими. Предлагаемый способ обеспечивает не только лучшую стабилизацию (фиг. 6), но и сохранение номинальной структуры и положения кластеров, поскольку поворот зеркала возвращает фокальные пятна в границы кластеров, ближе к центральным их элементам (см. фиг. 7б). В связи с этим также отпадает необходимость в дополнительных частотных каналах для элементов АР, которые неизбежны в способе-прототипе.

Новизна заявляемого способа состоит в комбинации механического способа удержания фокальных пятен на соответствующих кластерах за счет поворотов рефлектора в двух плоскостях и компенсации искажений лучей электронными средствами. Причем, управление поворотами рефлектора органично сочетается с компенсацией искажений лучей, что стало возможно благодаря использованию идеологии ПНС.

Искомый профиль ПНС x_пнс(z, y) записывается как параболоид с фокусным расстоянием F, оптическая ось которого отклонена на углы α и β в двух плоскостях поворота (горизонтальной и вертикальной), например, вокруг осей z' и y' (привязанных к вершине параболоида, см. фиг. 1), а вершина смещена в пространстве на вектор d = d_xx° + d_yy° + d_zz°. Здесь, x°, y°, z° - орты декартовой системы координат xyz (фиг. 1). Радиус-вектор точек исходного параболоида (до поворотов и сдвигов) дается очевидной формулой , а преобразование координат точки при поворотах вокруг осей z' и y' на углы α и β, соответственно, описывается формулой:

r _пнс = <Мα,β> (r - r₀) + r₀ + d, (1)

где матрица поворотов <Мα,β> есть:

.(2)

В математическом плане и по физическому смыслу представляется рациональным задачу поиска параметров параболоида {dF, α, β, d_x, d_y, d_z} свести к минимизации функции квадратичного отклонения сигналов:

(3)

где S_n(F, α, β, d_x, d_y, d_z) - сигналы элементов АР при облучении рефлектора, профиль которого соответствует параметрам {F, α, β, d_x, d_y, d_z}, плоской волной с направления (θ₀,ϕ₀), - оптимальный весовой множитель, компенсирующий отличие начальных фаз и норм сравниваемых сигналов. Для этого, в частности, могут быть использованы различные итерационные процедуры численной минимизации.

При механическом повороте рефлектора профиль аппроксимирующего параболоида пересчитывается:

ř _пнс = <М-α,-β> (r_пнс - r₀ - d) + r₀ + d, (4)

и по нему вычисляются векторы весовых коэффициентов {W_n^(k)} для кластеров антенной решетки. Благодаря этому остаточная погрешность ориентации лучей (возможная в случае сложной формы искажений профиля рефлектора, из-за неточности поворота, обусловленной как ограниченной точностью привода (его люфтом, инерцией и т.п.), так и погрешностью самой реконструкции параболоида по сигналам, или вызванная иными причинами, компенсируется электронным способом, путем коррекции весовых коэффициентов кластеров антенной решетки в соответствии с нормированными комплексно-сопряженными отпечатками W^(k) = S*/||S||, S = {S_m(k)(ř_пнс, θ_k, ϕ_k)} - сигнал от ПНС с профилем ř_пнс, рассчитанный для k-го кластера (m(k) - набор элементов АР, входящих в k-й кластер) и соответствующего ему направления луча (θ_k, ϕ_k).

В заявляемом способе могут применяться как строгие, так и приближенные методы электродинамического моделирования. Для минимальных вычислительных затрат можно воспользоваться результатами решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны, падающей с некоторого направления (θ_k, ϕ_k), на рефлекторе заданного или найденного профиля, поскольку спутниковые многолучевые гибридные зеркальные антенны имеют рефлектор крупных габаритов (порядка сотни и более длин волн), что сводит на нет влияние краевого эффекта. Кроме того, офсетная оптическая схема исключает затенение раскрыва рефлектора элементами АР, поэтому приемлемую точность может обеспечить приближение в рамках геометрической оптики. Для этого рефлектор представляют набором достаточно большого числа P_max точек {x_p = x_пнс(z_p, y_p), y_p, z_p} (p = 1..P_max) равномерно распределенных по поверхности рефлектора, рассчитывают комплексные амплитуды токов {I_p}, наводимых падающей волной в этих точках {I_p = exp(jγ(x_p cos θ cos ϕ + y_p cos θ sin ϕ + z_p sin θ))}, где γ = 2π/λ - волновое число, и рассчитывают комплексные амплитуды {S_m^(k)} сигналов на элементах АР как сумму сферических волн , где r_mp - расстояние между p-ой точкой рефлектора и m-ым элементом АР. Практический опыт показывает, что дискрет размещения точек составляет порядка (1 ÷ 3)λ, что соответствует числу точек P_max от сотен единиц до тысяч.

Осуществимость предлагаемого способа обусловлена тем, что:

во-первых, на современном уровне развития техники выделение комплексных амплитуд {S_n^оп} несущей сигналов представляет рутинную операцию оцифровки узкополосных сигналов (см. Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., Милосердов А.С. Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи / Под ред. Л.И. Пономарева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. 197 с.);

во-вторых, известны методы и соответствующие алгоритмы минимизации разнообразных целевых функций (см. Измаилов, А.Ф. Численные методы оптимизации / А.Ф. Измаилов, М.В. Солодов. - М.: Физматлит, 2008. - 320 c.);

в-третьих, работоспособность изложенного метода решения задачи дифракции на параболическом рефлекторе подтверждена результатами сопоставления с расчетами в пакете электродинамического моделирования TircaGrasp (см. Mochalov, V.V. Validation of the acoustic approximation algorithm / V.V. Mochalov // Telecommunications and Radio Engineering. - 2019. - Vol. 73. - No. 12. - P. 122-126);

в-четвертых, системы развертывания (и юстировки) рефлектора крупногабаритных МГЗА имеют в своем составе необходимые средства для реализации поворота зеркала. Например, [пат. РФ RU 2 418 346 С2 H01Q 15/16], [пат. РФ RU 2 214 659 C2 H01Q 15/16], [пат. США US 6028569A H01Q15/161], [С.А. Кабанов, Ф.В. Митин. Оптимальное управление пьезоактюатором для настройки радиоотражающего сетеполотна космического аппарата // изв. ВУЗов. Приборостроение. 2021, т. 64, № 3].

Предлагаемый в изобретении способ стабилизации лучей относится к антенной технике, а именно к гибридным зеркальным антеннам (МГЗА) космического базирования, покрывающим зону обслуживания множеством лучей. Технический результат – стабилизация лучей в условиях искажения профиля рефлектора без изменения состава кластеров антенной решетки. Результат достигается тем, что по сигналам от наземного радиомаяка вычисляют профиль так называемого параболоида наилучшего соответствия (ПНС), поворачивают рефлектор, поддерживая ориентацию оптической оси ПНС в номинальном направлении, рассчитывают фокальные пятна при облучении этого повернутого ПНС с направлений всех лучей, и весовые коэффициенты кластеров устанавливают пропорционально комплексно сопряженным значениям фокальных пятен. 7 ил.

Способ стабилизации лучей спутниковой многолучевой гибридной зеркальной антенны, включающий периодический прием сигнала от наземного радиомаяка, угловые координаты которого (θ₀, ϕ₀) известны, выделение комплексных амплитуд {S_n^оп} несущей этого сигнала на N элементах (n=1…N) антенной решетки (АР), нахождение профиля x_пнс(z, y) параболоида наилучшего соответствия (ПНС) и угловых смещений (α, β) его оптической оси из условия наилучшей аппроксимации принятых сигналов {S_n^оп} сигналами {S_n^пнс} на элементах АР, которые наводятся полем плоской волны, падающей на ПНС x_пнс(z, y) с направления (θ₀, ϕ₀), отличающийся тем, что осуществляется поворот рефлектора на углы (-α, -β), после чего рассчитываются профиль повернутого на углы (-α, -β) ПНС и фокальные пятна {S_m}^k при облучении этого повернутого ПНС с направлений (θ_k, ϕ_k) всех K лучей (k=1…K), и весовые коэффициенты {W_m}^k кластеров, формирующих соответствующие лучи, устанавливаются пропорционально комплексно сопряженным значениям {S_m^*}^k фокальных пятен.