Способ определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом
Владельцы патента RU 2701212:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к области радиотехнических измерений. Способ определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом заключается в том, что посредством передающего устройства, расположенного на летательном аппарате, через передающую антенну излучают сигналы на заданной частоте, в стороннем приемном устройстве с помощью приемной антенны регистрируют времена прихода сигналов, на основании которых строят временную диаграмму приема сигналов, далее из временной диаграммы приема определяют моменты времени, соответствующие началу или окончанию приема сигналов, для данных моментов времени рассчитывают мощность сигналов на входе приемного устройства без учета дополнительного затухания сигналов, включающего уменьшение мощности сигналов вследствие прохождения через плазменную оболочку, образующуюся у раскрыва антенны летательного аппарата, и уменьшение мощности сигналов вследствие уменьшения коэффициента усиления антенны летательного аппарата, при этом фактическую мощность сигналов на входе приемного устройства в моменты времени, соответствующие началу или окончанию приема сигналов, принимают равной чувствительности приемного устройства, далее определяют коэффициент дополнительного затухания сигналов, равный отношению рассчитанной мощности к фактической. Технический результат заключается в возможности определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом в условиях ограниченного времени измерений при перемещении приемной и передающей антенн относительно друг друга в процессе измерений с учетом воздействия на одну из антенн интенсивных аэротермодинамических нагрузок. 2 ил.
Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для анализа параметров канала радиосвязи по результатам приема сигналов в нем.
Суммарное затухание сигналов (электромагнитных волн) в канале радиосвязи состоит из затуханий вследствие: распространения в свободном пространстве, влияния интерференционных потерь, влияния поляризационных потерь и т.д. При наличии интенсивных аэротермодинамических нагрузок, воздействующих на летательный аппарат и его антенну, суммарное затухание сигналов в канале радиосвязи увеличивается вследствие появления дополнительного затухания.
Дополнительное затухание сигналов включает:
1) уменьшение мощности сигналов вследствие прохождения через плазменную оболочку, образующуюся у раскрыва антенны летательного аппарата в плотных слоях атмосферы при скоростях движения более 2 км/с;
2) уменьшение мощности сигналов вследствие уменьшения коэффициента усиления антенны летательного аппарата из-за необратимого изменения радиотехнических и механических характеристик материала теплозащитной антенной вставки во время и после воздействия на вставку интенсивных аэротермодинамических нагрузок, результатом которых являются: плавление, обгар, коксование и унос части материала вставки.
Уменьшение мощности сигналов вследствие уменьшения коэффициента усиления антенны летательного аппарата определяется:
- увеличением диссипативных потерь в материале теплозащитной антенной вставки;
- увеличением коэффициента отражения от входа антенны.
На участке траектории полета, где на летательный аппарат и его антенну воздействуют интенсивные аэротермодинамические нагрузки, дополнительное затухание сигналов в канале радиосвязи определяется одновременным уменьшением мощности сигналов вследствие затухания при прохождении через образующуюся плазменную оболочку, и вследствие уменьшения коэффициент усиления антенны летательного аппарата. При уменьшении интенсивности аэротермодинамических нагрузок, когда плазменная оболочка перестает вносить затухание в проходящие через нее сигналы, дополнительное затухание определяется только уменьшением коэффициента усиления антенны летательного аппарата. При этом действующая величина коэффициента усиления антенны летательного аппарата может быть рассчитана, как разность между его начальной величиной и коэффициентом дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи.
Теоретический расчет коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи является трудоемкой задачей, так как требует проведения сложных математических расчетов, описывающих изменение физических параметров воздушной среды, материала теплозащитной антенной вставки и материала теплозащитного покрытия корпуса летательного аппарата под воздействием интенсивных аэротермодинамических нагрузок, а также процессов распространения электромагнитных волн в многослойных средах.
Известен способ определения затухания в антенном обтекателе, который можно считать условным аналогом антенной вставки (патент RU №2587687 «Способ определения потерь в обтекателе» авторы Самбуров Н.В., Рыбаков Д.Ю., МПК: G01R 29/00, опубликовано 20.06.2015 Бюл. №17). В данном способе проводится серия из N измерений уровня сигнала E0j падающей плоской электромагнитной волны в диапазоне длин волн λ0±Δλ на выходе измерительной антенны без обтекателя и серия из N измерений уровня Ei сигнала на выходе антенны с установленным обтекателем (измерительная антенна замещается системой антенна-обтекатель) с последующей математической обработкой результатов. Причем вариация фазы производится за счет вариации несущей длины волны падающей электромагнитной волны.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, является способ измерения коэффициента затухания между антеннами, в котором производится измерение суммарного затухания сигналов в канале радиосвязи (патент RU №2127889 «Устройство для измерения коэффициента затухания между антеннами» авторы Сошников Э.Н., Хирьянов А.Т., МПК: G01R 29/10, опубликовано 20.03.1999). В данном способе измерение обеспечивается путем установки с помощью формирователя цифрового кода, реверсивного счетчика, цифроаналогового преобразователя, управляемого аттенюатора, первого электронно-управляемого переключателя, передающей антенны, приемной антенны и второго электронно-управляемого переключателя на входе измерительного приемника уровня сигнала, равного его чувствительности, измерения уровня мощности РТ на выходе управляемого аттенюатора при уровне входного сигнала на входе измерительного приемника, равного его чувствительности, запоминания первым блоком памяти значения мощности РТ путем установки с помощью блоков уровня сигнала на входе измерительного приемника, также равного его чувствительности, измерения на выходе управляемого аттенюатора уровня мощности РВЧ при уровне входного сигнала измерительного приемника, равного его чувствительности, запоминания вторым блоком памяти уровня мощности РВЧ, делением цифровым делителем РТ/РВЧ логарифмированием блоком логарифмирования результата деления РТ/РВЧ и высвечиванием на цифровом табло индикатора числового значения, соответствующего коэффициенту затухания между антеннами.
Недостатком данных способов измерений является то, что они применимы лишь при наземных исследованиях (передающая и приемная антенны расположены на земле), не подразумевающих воздействие интенсивных аэротермодинамических нагрузок, а значит и учет их влияния, и требуют использования дополнительного оборудования, в частности, измерителя уровня сигналов.
Решаемой технической проблемой является определение коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи без использования дополнительного оборудования, позволяющего измерить уровень (мощность) сигнала, при этом время измерений ограничено, приемная и передающая антенна перемещаются относительно друг друга в процессе измерений с одновременным воздействием на одну из антенн интенсивных аэротермодинамических нагрузок.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в возможности определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом. При этом не требуется использование дополнительного оборудования, позволяющего измерить уровень (мощность) сигнала, и проведение сложных математических расчетов.
Данный технический результат достигается тем, что способ определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом заключается в том, что посредством передающего устройства, расположенного на летательном аппарате, через передающую антенну излучают сигналы на заданной частоте, в стороннем приемном устройстве с помощью приемной антенны регистрируют времена прихода сигналов, на основании которых строят временную диаграмму приема сигналов, далее из временной диаграммы приема определяют моменты времени, соответствующие началу или окончанию приема сигналов, для данных моментов времени рассчитывают мощность сигналов на входе приемного устройства без учета дополнительного затухания сигналов, включающего уменьшение мощности сигналов вследствие прохождения через плазменную оболочку, образующуюся у раскрыва антенны летательного аппарата, и уменьшение мощности сигналов вследствие уменьшения коэффициента усиления антенны летательного аппарата, при этом фактическую мощность сигналов на входе приемного устройства в моменты времени, соответствующие началу или окончанию приема сигналов, принимают равной чувствительности приемного устройства, далее определяют коэффициент дополнительного затухания сигналов, равный отношению рассчитанной мощности к фактической.
Заявляемый способ позволяет определить коэффициент дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом без использования дополнительного оборудования, такого как измеритель уровня (мощности) сигнала, в условиях ограниченного времени измерений при перемещении приемной и передающей антенн относительно друг друга в процессе измерений с одновременным воздействием на одну из антенн интенсивных аэротермодинамических нагрузок.
На фиг. 1 представлена временная диаграмма приема сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом, зарегистрированная приемным устройством. Последовательность чередования интервалов приема и отсутствия приема сигналов объясняется неравномерностью диаграммы направленности антенны летательного аппарата и вращением летательного аппарата при полете вокруг продольной оси. При этом часть интервалов приема может быть более «широкой», что соответствует углам связи, приходящимся на область основного лепестка диаграммы направленности антенны летательного аппарата, а часть более «узкой», что соответствует углам связи, приходящимся на область боковых или задних лепестков диаграммы направленности.
На фиг. 2 представлена нормированная диаграмма направленности антенны летательного аппарата в плоскости ее сечения, содержащей углы связи для рассматриваемого интервала приема, а также диапазон данных углов связи.
Определение коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом производится следующим образом.
Предварительно у антенны летательного аппарата измеряют нормированную диаграмму направленности и значение коэффициента усиления в максимуме диаграммы направленности.
Антенну устанавливают на боковой поверхности летательного аппарата. Летательный аппарат вращается при полете. На некотором участке траектории полета на летательный аппарат воздействуют интенсивные аэротермодинамические нагрузки. Посредством передающего устройства, расположенного на летательном аппарате, через передающую антенну излучают сигналы на заданной частоте, в стороннем приемном устройстве с помощью приемной антенны регистрируют времена прихода сигналов, но не значения их мощности, на основании которых строят временную диаграмму приема сигналов. Определение коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи может быть осуществлено лишь после того, как интенсивность аэротермодинамических нагрузок, воздействующих на летательный аппарат, уменьшится до значений, при которых начинается прием сигналов приемным устройством.
Из временной диаграммы приема сигналов определяют моменты времени, соответствующие моменту начала tHАЧ и последующего окончания кон приема сигналов на рассматриваемом интервале приема (фиг. 1).
Рассчитывают длительность рассматриваемого интервала приема:
Также из временной диаграммы приема сигналов определяют моменты времени, соответствующие центру рассматриваемого tЦ1 и соседнего tЦ2 интервалов приема (фиг. 1).
Рассчитывают длительность между центрами интервалов приема:
Длительность Δt равна времени, за которое антенна летательного аппарата совершает оборот в пространстве на угол Δϕ, равный углу между двумя направлениями и на ее диаграмме направленности, соответствующими центрам соседних интервалов приема, скорость вращения летательного аппарата считается постоянной. Угол Δϕ определяется по диаграмме направленности антенны летательного аппарата в плоскости ее сечения, содержащей углы связи для рассматриваемого интервала приема. В случае, когда углы связи приходятся только на основной лепесток диаграммы направленности, угол Δϕ принимают равным 360°.
Рассчитывают диапазон углов связи на диаграмме направленности антенны летательного аппарата, соответствующий рассматриваемому интервалу приема:
На нормированной диаграмме направленности антенны летательного аппарата (в плоскости ее сечения, содержащей углы связи для рассматриваемого интервала приема) определяют направление, соответствующее центру рассматриваемого интервала приема. Далее от выбранного направления в сторону вращения летательного аппарата отсчитывают угол ΔϕСВ/2. Определяют уровень K, соответствующий углу ΔϕСВ/2 (фиг. 2). Данный уровень соответствует уровню нормированной диаграммы направленности антенны летательного аппарата в момент начала приема сигналов на рассматриваемом интервале приема.
Рассчитывают коэффициент усиления антенны летательного аппарата в направлении связи в момент начала приема сигналов на рассматриваемом интервале приема с учетом значения коэффициента усиления антенны в максимуме ее диаграммы направленности GЛА_МАКС:
С учетом значения GЛА рассчитывают мощность сигналов РРАС на входе приемного устройства (например, с использованием программы автоматизированного расчета) в момент начала приема на рассматриваемом интервале приема, без учета дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи (Калинин А.И., Черенкова Е.Л./ Распространение радиоволн и работа радиолиний, «Связь», Москва 1971, стр. 16). Остальные данные для расчета (рабочая длина волны, выходная мощность передающего устройства, чувствительность приемного устройства, параметры движения летательного аппарата и ориентация его антенны, положение измерительного пункта и ориентация его антенны, радиотехнические характеристики приемной и передающей антенн, потери в фидерных трактах и т.д.) известны, либо могут быть взяты из технической документации, либо рассчитаны предварительно.
Фактическая мощность сигналов РФ на входе приемного устройства в моменты начала или окончания приема равна чувствительности приемного устройства.
Рассчитывают коэффициент дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи:
где РРАС - мощность сигналов на входе приемного устройства, рассчитанная без учета дополнительного затухания в канале радиосвязи;
РФ - фактическая мощность сигналов на входе приемного устройства.
В случае, когда на временной диаграмме приема сигналов на рассматриваемом интервале времени осуществляется беспрерывная связь, то есть, нет интервалов отсутствия приема, для определения коэффициента дополнительного затухания сигналов по заявляемому способу следует уменьшить чувствительность приемного устройства до значения, при котором на рассматриваемом интервале времени появятся интервалы отсутствия приема.
Способ определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом, заключающийся в том, что посредством передающего устройства, расположенного на летательном аппарате, через передающую антенну излучают сигналы на заданной частоте, в стороннем приемном устройстве с помощью приемной антенны регистрируют времена прихода сигналов, на основании которых строят временную диаграмму приема сигналов, далее из временной диаграммы приема определяют моменты времени, соответствующие началу или окончанию приема сигналов, для данных моментов времени рассчитывают мощность сигналов на входе приемного устройства без учета дополнительного затухания сигналов, включающего уменьшение мощности сигналов вследствие прохождения через плазменную оболочку, образующуюся у раскрыва антенны летательного аппарата, и уменьшение мощности сигналов вследствие уменьшения коэффициента усиления антенны летательного аппарата, при этом фактическую мощность сигналов на входе приемного устройства в моменты времени, соответствующие началу или окончанию приема сигналов, принимают равной чувствительности приемного устройства, далее определяют коэффициент дополнительного затухания сигналов, равный отношению рассчитанной мощности к фактической.
