МЕТОД КОРРЕКЦИИ ТЕКУЩЕЙ ОРИЕНТАЦИИ АНТЕННОГО УСТРОЙСТВА МОБИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ПРИ СЛЕЖЕНИИ ЗА НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ СПУТНИКАМИ

​METHOD FOR CORRECTING THE CURRENT ORIENTATION OF THE ANTENNA UNIT OF A MOBILE SATELLITE COMMUNICATION COMPLEX WHEN TRACKING LOW-ORBIT SATELLITES

Kashtanov Fedor Vladimirovich

mathematician of the 1st category, Lavochkin Research and Production Association (JSC «NPO Lavochkina»),

Russia, Moscow region, Khimki

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается задача автоматической коррекции ориентации оси чувствительности главной антенны мобильного комплекса связи при слежении за низкоорбитальными спутниками. Предложен метод определения угловых отклонений оси визирования по сигналам четырёх боковых антенн, а также алгоритм расчёта зоны радиовидимости и программных углов поворота рам карданова подвеса. Результаты иллюстрируются графиками углов, угловых скоростей и ускорений, используемых для формирования тактовых сигналов шаговых приводов.

ABSTRACT

The article addresses automatic correction of the boresight orientation of a mobile satellite communication complex's main antenna while tracking low-orbit satellites. A method is proposed for determining the angular deviation of the line of sight using the signal intensity of four auxiliary side antennas, together with an algorithm for calculating the radio-visibility zone and the programmed rotation angles of the gimbal frames. Results are illustrated by graphs of angles, angular velocities and accelerations used to generate clock signals for the stepper drives.

Ключевые слова: антенное устройство, карданов подвес, зона радиовидимости, коррекция ориентации, боковые антенны, программный угол поворота, низкоорбитальный спутник.

Keywords: antenna unit, gimbal suspension, radio-visibility zone, orientation correction, side antennas, programmed rotation angle, low-orbit satellite.

Мобильные комплексы спутниковой связи всё чаще применяются для работы со спутниками, движущимися не по геостационарной, а по низкой наклонной орбите: антенна должна автоматически отслеживать направление на спутник в течение всего сеанса связи. Как отмечается в методических материалах, «точность и быстродействие системы коррекции ориентации антенны напрямую определяют устойчивость канала связи в условиях ограниченного времени радиовидимости» [2]. Цель работы — разработка метода коррекции ориентации по сигналам вспомогательных антенн и алгоритма расчёта программных углов поворота.

Принцип функционирования антенного устройства

Антенное устройство закреплено на двухстепенном кардановом подвесе: наружная рама поворачивается на угол α, внутренняя — на угол β (рисунок 1). Система непрерывно подстраивает α и β по сигналам датчиков ДУ1, ДУ2, сравнивая их в БВЦ с программными значениями [3].

Рисунок 1. Схема механизма управления антенной

Метод коррекции по сигналам боковых антенн

Вокруг главной антенны размещены четыре боковые антенны (рисунок 2), оси которых отклонены от оси главной на одинаковый малый угол. Метод основан на сравнении интенсивностей их сигналов: чем ближе направление на спутник к оси антенны, тем выше уровень сигнала.

Рисунок 2. Схема расположения боковых антенн

Интенсивность сигнала k-той боковой антенны связана с углом εk между направлением на спутник и осью чувствительности этой антенны соотношением (1):

где K — масштабный коэффициент; k = 1, 2, 3, 4 — номер антенны. Решение (1) для всех четырёх антенн относительно малых угловых отклонений даёт соотношения (2) и (3):

где φ и ψ — искомые угловые отклонения оси визирования от направления на спутник. Матрица направляющих косинусов скорректированной ориентации оси визирования определяется формулой (4):

где  — матрица программной ориентации, а — матрица малого корректирующего поворота из (2)–(3), что соответствует общему матричному подходу к описанию ориентации твёрдого тела [1]. Формулы (1)–(4) реализуют автокоррекцию подвеса только по радиосигналам боковых антенн.

Зона радиовидимости и расчёт программных углов поворота

Программные значения α0 и β0 рассчитываются заранее по геометрической модели движения спутника; угол α находится через отрезки l35 и l34 по формуле (5):

где (5а) используется при α ≤ 90°, а (5б) — при α > 90° (арксинус определён на [-90°; 90°]); угол β определяется аналогично из соответствующего треугольника [4].

Угловые скорости и ускорения сферического движения антенны

Рассчитанные с постоянным шагом по времени t программные значения углов α и β для одного из спутников группировки показаны на рисунке 3: оба угла плавно изменяются на протяжении сеанса связи, причём их изменение существенно отличается от равномерного вращения вследствие сферического характера движения.

Поскольку графики строятся по дискретным точкам, угловые скорости и ускорения, необходимые для расчёта тактовой частоты шаговых приводов, определяются методом конечных разностей по формулам (6) и (7):

где αn, βn — значения углов на n-м шаге расчёта; t — шаг по времени, используемый для определения тактовой частоты шаговых приводов.

Рисунок 3. Результаты расчёта программных углов поворота антенны  α и β

Заключение

Предложенный метод коррекции ориентации антенны по сигналам боковых антенн (рисунки 1, 2) и расчёта программных углов поворота подвеса (рисунок 3) обеспечивает автономное сопровождение низкоорбитального спутника.

Список литературы:

1. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. — М.: Наука, 1973. — 320 с.
2. Кокорев Ю.А., Жаров В.А., Торгов Л.М. Расчет электромеханического привода: учеб. пособие / под ред. В.Н. Баранова. М.: Изд-во МГТУ, 1995. 132 с
3. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. — М.: Наука, 1974. — 598 с.
4. Wertz J.R. Spacecraft Attitude Determination and Control. — Dordrecht: D. Reidel Publishing Company, 1978. — 858 p.