Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 419 -

Глава 5

Этот принцип измерения подходит для определения как общей плотности потока мощности, так и

плотности потока мощности в эталонной ширине полосы. Он применяется аналогичным образом в

различных измерительных станциях. Цель сведения к минимуму погрешности измерения в

основном достигалась с помощью высокоточного определения коэффициента усиления антенны, а

также тщательного выбора и соединения всех компонентов схем радиочастотных сигналов и

сигналов калибровки, для того чтобы получить низкий уровень КСВН.

5.1.6.4 Система возбуждения для линейной и круговой поляризации

Концепция, иллюстрируемая на рис. 5-9, соответствует рекомендациям, содержащимся в § 5.1.2.5,

по определению поляризации излучений космических станций и согласованию поляризации

приемной системы с поляризацией принимаемого сигнала.

Spec-059

OMT

3 /90°

дБ

LY / L HC

LX/RHC

45°

ось Z

Гофрированный

рупор

S3/S4/S5/S6:

позиция 1: линейная

позиция 2: к

ру

говая

Калибровочный сигнал

РИСУНОК 5-9

Система возбуждения для линейной и круговой поляризации

Преобразователь для возбуждения ортогональных мод с двумя линейно поляризованными

ортогональными выходными портами расположен непосредственно за рупорным облучателем.

Переключатели S3/S4/S5/S6 позволяют менять линейную поляризацию на круговую, и наоборот.

Система возбуждения вращается электромотором вокруг оси Z, для того чтобы иметь возможность

согласования поляризации системы возбуждения с линейно поляризованными сигналами,

принимаемыми под любым углом. Для системы, работающей в полосе частот 4,3–8,5 ГГц,

применяются коаксиальные методы соединения. Получаемая развязка по поляризации составляет от

25 до 30 дБ. Угловое разрешение устройства вращения равно 0,1°.

5.1.6.5 Пример современной системы космического радиоконтроля (SRMS)

5.1.6.5.1 Обзор

Система космического радиоконтроля (SRMS) контролирует линии вниз в полосах частот

диапазонов L, Ku, Ka и S/C со спутников ГСО в пределах видимой дуги от местоположения

объекта.

- 420 -

Глава 5

Возможности этой системы SRMS:

– широкая полоса частот;

– одновременный контроль в каждом из диапазонов;

– автоматический поиск несущей частоты, контроль и обработка данных;

– демодуляция видео- и звуковых сигналов;

– дистанционное управление в режиме реального времени;

– удобное для пользователя устройство отображения и пульт управления;

– система оптического контроля спутника ГСО для угловой калибровки антенны.

Система состоит из двух основных частей: главной станции и центральной аппаратной. Главная

станция по спектральным данным, полученным от анализатора спектра, обнаруживает сигналы в

линиях вниз, исходящие от спутников ГСО на наземные станции, и измеряет их характеристики, а

также местоположение спутника на орбите. Эти данные измерений направляются в центральную

аппаратную для опознавания спутника по каждой несущей, для их анализа, отображения данных и

регистрации данных. Центральная аппаратная оснащена соответствующим оконечным

оборудованием для взаимодействия с операторами. Главная станция и центральная аппаратная

связаны между собой посредством:

– волоконно-оптических кабелей для контроля и передачи измеренных данных и

– коаксиальных кабелей для передачи демодулированных видео- и звуковых сигналов.

В основном система работает по заранее установленному графику. Однако в любое время она

может быть включена в ручном режиме оператором управления. Система способна опознавать

спутники, используя издаваемые МСЭ данные по спутникам космической радиосвязи (SRS). Она

способна обнаруживать незарегистрированные спутники, “бумажные” спутники и

несанкционированные несущие. Данные по спутникам космической радиосвязи (SRS) обновляются

автоматически в соответствии с постоянно распространяемыми через Интернет данными.

Блок-схема примера системы SRMS представлена на рис. 5-10. Технические данные сведены

в табл. 5-5.

РИСУНОК 5-10

Блок-схема примерной системы космического радиоконтроля

Дисплей монитора

Антенна 11 м

РЧ сигнал

S/С

РЧ сигнал

L/Ku/Ka

Антенна 5 м

Управление

Управляющий процессор

Центральная аппаратная

Главный компьютер

Пульт оператора

Управление данными

измерений

Управление

Измерительное оборудование

Демодулированные видео-

и звуковые сигналы

Главный датчик

Управление данными

измерений

- 421 -

Глава 5

ТАБЛИЦА 5-5

Технические данные примера системы космического радиоконтроля

Параметры Данные

Дуга видимости Определена по широте площадки

Частотный диапазон приема (ГГц):

– L-диапазон

– S-диапазон

– C-диапазон

– Ku-диапазон

– Ka-диапазон

1,525–1,710

2,120–2,650

3,400–4,800

10,700–2,750

17,700–21,200

Точность слежения (градусы):

– L-диапазон

– S-диапазон

– C-диапазон

– Ku-диапазон

– Ka-диапазон

0,l0 rms

0,08 rms

0,03 rms

0,02 rms

0,01 rms

Точность измерения частоты:

– Метод качания частоты

– Метод частотомера

2% интервала

1 × 10

–6

Точность измерения ширины полосы частот ± 10%

Точность измерения уровня 1 дБ

Поляризация:

– Круговая поляризация

– Линейная поляризация

Правосторонняя/Левосторонняя

Вертикальная/Горизонтальная

rms = среднеквадратичное значение

5.1.6.5.2 Главная станция

Главная станция имеет в своем составе подсистему антенны Кассегрена диаметром 5 м для L/Ku/Ka-

диапазонов, подсистему антенны Кассегрена диаметром 11 м для S/C-диапазонов, измерительное

оборудование и управляющий процессор. Станция перекрывает относительно широкий диапазон

частот. Особенно широкой является полоса частот диапазона С, 3,4–4,8 ГГц, что составляет 34%

всей охватываемой полосы.

Для точного определения орбиты геостационарного спутника в каждой антенной подсистеме

используется моноимпульсный метод слежения. Точность слежения в каждом диапазоне частот

приведена в табл. 5-5. На рис. 5-11 представлена фотография главного измерительного датчика.

В главном измерительном датчике под управлением компьютера выполняются следующие

функции:

– измерение центральной частоты;

– измерение ширины полосы частот;

– оценка э.и.и.м.;

– измерение п.п.м.;

– угловое измерение и

– демодуляция видео- и звуковых сигналов.

- 422 -

Глава 5

РИСУНОК 5-11

5 м (левая) и 11 м (правая) антенны образца главного измерительного датчика

Поиск и обнаружение несущей на линии вниз осуществляется по командам из центральной

аппаратной на основании данных от анализатора спектра, который является основным

измерительным устройством системы. Управляющий процессор в составе главного измерительного

датчика автоматически настраивает параметры анализатора спектра, такие как диапазон

перекрытия, ширина полосы разрешения и т. д. на оптимальные значения для сокращения времени

поиска несущей частоты, а также для получения точного результата измерений.

5.1.6.5.3 Центральная аппаратная

Центральная аппаратная размещается в здании, расположенном на удалении приблизительно 250 м

от главного измерительного датчика. В состав центральной аппаратной входят главный компьютер,

базы данных, пульты операторов, видео/звуковые магнитофоны и видео/звуковые мониторы.

Аппаратная выполняет три основные функции. Первая – автоматическое планирование сценариев

измерений. Вторая – ведение базы данных, содержащей информацию по спутникам, результаты

измерений, анализируемые данные и так далее. Третья функция – опознавание и анализ

геостационарных спутников.

Автоматическое планирование помогает оператору определять наиболее эффективные и

приемлемые временные периоды для проведения измерений. Необходимое время измерения для

каждого геостационарного спутника определяется на основе информации, имеющейся в базе

данных с тем, чтобы устранить ненужные траты времени. График может гибко изменяться по

требованию оператора. Максимально график составляется на один месяц вперед.

- 423 -

Глава 5

Для сохранения и извлечения временных графиков измерений, данных измерений, спутниковой

информации, проанализированных результатов и т. д. используется соответствующая система

управления базами данных. Извлеченные данные обрабатываются и поступают на пульты

операторов в графическом отображении для легкого распознавания.

Главный компьютер опознает спутники по каждой несущей частоте, сравнивая измеренные данные

с публикуемыми данными МСЭ по спутникам связи. Измеренные позиции и данные принятого

сигнала от спутника на орбите сравниваются с имеющимися данными МСЭ по спутникам связи для

сверки с зарегистрированными параметрами спутника. На базе архивных данных может

проводиться статистический анализ, хронологический анализ, анализ использования частот и т. д.

Проанализированные данные поступают на пульт оператора в графическом отображении.

5.1.6.6 Точный орбитальный контроль долготы (радиоинтерферометрия)

5.1.6.6.1 Введение

Точный контроль значений спутниковых долгот становится все более важным, поскольку

геостационарная орбита все более плотно заселяется постоянно возрастающим числом спутников.

Предложенной методикой для осуществления такого контроля является радиоинтерферометрия.

Ведутся разработки с целью создания системы контроля на базе интерферометра [Kawase, 2000].

5.1.6.6.2 Принцип работы

Интерферометр с двумя антеннами А

и А

имеет свою базовую геометрию, как показано на

рис. 5-12. Базисная линия разноса антенн – А

, а ее средняя точка – А. Сигналы от спутника S

принимаются под углом падения α. Разность фаз принятого сигнала в точках А

и А

называется

“интерферометрической фазой”. V – единичный вектор, перпендикулярный линии AS и лежащий в

плоскости, содержащей точки А

, А

и S. Перемещение спутника по вектору V обнаруживается

интерферометром, в то время как его перемещения перпендикулярно вектору V не обнаруживаются.

Это выборочное обнаружение и служит основой для контроля долготы.

Интерферометр размещается на земной станции, как показано на рис. 5-13. Базисная линия

проходит горизонтально, а ее ориентация фактически вращается. Соответственно вращается

вектор V и сканирует наклонный диск.

РИСУНОК 5-12

Геометрия интерферометра

РИСУНОК 5-13

Геометрия спутник–станция радиоконтроля

Экваториальная плоскость

- 424 -

Глава 5

Вектор V лежит в экваториальной плоскости на конкретной ориентации базисной линии. Эта

конкретная ориентация базисной линии имеет направление с востока на запад (азимут 90°), когда

спутник и станция находятся на одной и той же долготе. Обычно в зависимости от геометрии

спутник-станция эта ориентация отличается от направления восток-запад, как показано на рис. 5-14.

При выборе этой конкретной ориентации базисной линии интерферометр будет реагировать только

на перемещения спутника в экваториальной плоскости.

Допустим, что спутник имеет свою номинальную стационарную позицию в точке S на рис. 5-12.

Реальная позиция спутника будет в точке T вокруг точки S, и точка T проецируется на

экваториальную плоскость, как показано на рис. 5-15. Координаты точки T измеряются

относительно точки S по радиальной и долготной координатным осям (R и L). Вектор V определяет

ось обнаружения X. Эта ось Х отклоняется от оси L на угол θ, а этот угол зависит от геометрии

спутник-станция радиоконтроля.

Spec-0514

Азимут базисной линии (градусы)

Долгота спутника (градусы)

Широта (градусы)

РИСУНОК 5-14

Конкретная ориентация базисной линии

(долгота станции равна нулю)

Spec-0515

РИСУНОК 5-15

Оси координат в экваториальной плоскости

Фактически величина угла θ мала. Например, если станция осуществляет контроль за спутниками под

углом места 10° или более, то угол θ будет менее 7°. Следовательно, пренебрегая R составляющими

перемещения спутника и приравнивая X/cos θ к L, можно получить точное значение долготы.

Погрешности такого контроля будут лежать в пределах 0,0006° для усредненной долготы, если

спутник остается в пределах орбитального зазора, по меньшей мере, в течение нескольких дней, и в

пределах 0,2% относительной погрешности по эксцентриситету (см. [Kawase, 2000]).

5.1.6.6.3 Установка интерферометра

Интерферометр использует плоские зеркала для формирования базисной линии, как показано на

рис. 5-16 и 5-17. Зеркала М

и М

принимают падающую волну в полосах частот диапазона 11 ГГц и

затем направляют ее на антенну А

, и то же самое происходит с зеркалами M

, M

, и антенной А

Задержки по фазе на пути отраженных сигналов геометрически вычисляются и удаляются из фазы

интерферометра, и это позволяет линии M

служить в качестве базисной линии интерферометра.

- 425 -

Глава 5

Для контроля спутников с различными орбитальными позициями базисная линия интерферометра

должна быть переориентирована. Это достигается путем изменения положений зеркал М

и M

и их

переюстировки без перемещения фазо-критических микроволновых элементов и кабелей

интерферометра. Зеркала М

и М

подвижны, поскольку они установлены на вращающейся опоре.

Общий гетеродин (LO) используется для интерферометрического фазового соединения между

двумя понижающими преобразователями частоты (D/C), а общий генератор опорного сигнала

(RO) – для компенсации вариаций задержки сигнала в оборудовании. Размещение антенн

поблизости друг от друга позволяет гетеродину и генератору опорного сигнала передавать их общие

сигналы по коротким кабелям, таким образом гарантируя устойчивые фазовые измерения. Зеркала

имеют размер 2 м

, антенна – 1,8 м в диаметре, а длина базисной линии (на вращающейся опоре)

составляет 13 метров.

Spec-0516

РИСУНОК 5-16

Блок-схема интерферометра

РИСУНОК 5-17

Пример интерферометрической станции

Phase: фаза

LNA: малошумящий усилитель

- 426 -

Глава 5

5.1.6.6.4 Работа интерферометра

Измеренная интерферометрическая фаза φ преобразуется в:

θα

ϕ−ϕ−ϕ

coscos

)(

где:

λ : длина волны

: расстояние AS

B : длина базисной линии A

α : угол падения

θ : отклонение по оси X

: фаза интерферометра для спутника в номинальной позиции

: коррекция фазы интерферометра.

Тогда М, деленная на номинальный орбитальный радиус (42 165 км), становится долготой спутника

относительно номинальной долготы. Константа ϕ

вычисляется из конфигурации спутник-

интерферометр. Малые погрешности в определении местоположения А

, A

, М

и M

могут вызвать

близкую к постоянной погрешность фазы, которая, однако, исправляется с помощью ϕ

Фазовая неопределенность в 360° в измеренной фазе ведет к неоднозначности 0,1° в долготе

спутника. Разрешение этой неоднозначности и определение константы коррекции ϕ

достигается

следующим образом. Опора базисной линии вращается вокруг ее фиксированного центра С за один

оборот. Соответственно фаза ϕ - ϕ

изменяется, как показано на рис. 5-18, с 360° до 0° в виде

скачков фазы. Эти скачки фазы соединяются линией, как показано на рис. 5-19.

РИСУНОК 5-18

Изменения фазы по мере вращения опоры

РИСУНОК 5-19

Соединение фазовых точек и аппроксимация

модели

Фазовый угол (ϕ - ϕ

) моделируется как функция угла вращения опоры с учетом азимута на

спутник, угла места спутника и ϕ

в качестве параметров. Функция модели соответствует

воссоединенной фазовой кривой, как показано на рис. 5-19 (сплошная кривая). Азимут и угол места,

таким образом оцененные, дают возможность разрешения неоднозначности, а ϕ

– это фазовая

коррекция. Опора базисной линии подвергается такой одновитковой операции один раз до

проведения контроля любого неизвестного спутника.

фаза (градусы)

вращение опоры (градусы)

- 427 -

Глава 5

5.1.6.6.5 Пример контроля

Рис. 5-20 – это пример контроля долготы. Интерферометр калибруется с помощью средств

оптического слежения и определений параметров орбит. Рис. 5-21 относится к более длительному

периоду контроля, когда осуществляется маневр поддержания направления восток-запад в точке с

отметкой “*”. Таким образом четко определяется занятость на долготе спутника. Если на орбите

имеются два спутника, действующие близко друг к другу, то долготы каждого из них можно

контролировать отдельно. Тогда методом вычитания дифференциальная долгота каждого из этих

спутников может быть представлена в виде графика, как показано на рис. 5-22. Дифференциальный

контроль устраняет атмосферные флуктуации, которые являются общими для близко

расположенных спутников, и отсюда шумы данных на рис. 5-22 меньше чем шумы на рис. 5-21. Это

полезно для точного контроля долготы в случае близко расположенных действующих спутников.

РИСУНОК 5-20

Контроль долготы, интерферометр (–) и

оптические средства (о), спутник на 144

в. д.

РИСУНОК 5-21

Коррекция восток-запад во время

контроля, спутник – на 124°

в. д.

РИСУНОК 5-22

Контроль дифференциальных долгот двух спутников на 110°

в. д.

Сдвиг от номинальной долготы [градусы]

дни

Дифференциальная долгота [градусы]

Интерферометр

Оптика

дни

- 428 -

Глава 5

5.1.6.6.6 Резюме

Радиоинтерферометрия может быть особенно полезной для контроля долготы геостационарных

спутников. Достаточные возможности антенн с малыми апертурами и использование перемещаемых

зеркал полностью обеспечивают стабильное измерение фаз. Такая методика текущего контроля

полезна, когда спутники работают близко друг к другу на геостационарной орбите.

5.1.6.7 Пример станции спутникового контроля

На рис. 5-23 показывается обобщенная структура станции радиоконтроля, предназначенной для

наблюдения за работой космических станций. Антенная система сконструирована и предназначена

для радиоконтроля конкретных спутников. Описание каждой подсистемы станции дается в

следующих подразделах.

Spec -0523

Positionneur

LNA / LNB

LNA/LNB

LNA: малошумящий усилитель

LNB: малошумящий блок

РЧ матрица

1–18 ГГц (40 ГГц)

1–3 ГГц

СВЧ приемник

ПЧ 70 или 140 МГц

Блок разделения

ОВЧ/УВЧ приемник

Набор стандартных

демодуляторов

и декодеров

Широкополосный

анализатор 40 МГц

Узкополосный

анализатор

Пульт

Позиционер

РИСУНОК 5-23

Блок-схемы станции спутникового контроля