способ наведения передающей антенны ретранслятора

Формула изобретения

Способ наведения передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию, при котором производят ввод данных в вычислительное устройство ретранслятора для наведения приемной и передающей антенн, включение ретранслятора после его установки на посадочном основании, наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала, причем при наведении проводят разворот приемной антенны по азимуту и углу места до захвата сигнала, а затем точное наведение приемной антенны по азимуту и углу места с использованием программного наведения и режима автосопровождения с коррекцией по принимаемому сигналу, а также производят программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию на рассчитанные азимут и угол места, отличающийся тем, что одновременно с вводом данных для наведения приемной и передающей антенн ретранслятора в вычислительное устройство также вводят параметры системы, включающей ретранслятор, абонентскую станцию и технологический источник сигнала, по которым находят поправки на азимут и угол места абонентской станции, учитывающие расстояния между приемной и передающей антеннами ретранслятора, а также между абонентской станцией и технологическим источником сигнала, перед включением ретранслятора проводят установку технологического источника сигнала на заранее определенное место рядом с абонентской станцией, осуществляют выставку его оптической оси в направлении на ретранслятор и производят его включение в режим радиоизлучения, затем перед наведением приемной антенны на источник сигнала проводят ее программный разворот на технологический источник сигнала по азимуту и углу места, осуществляют последовательно режимы поиска и точного наведения на технологический источник сигнала, после чего в режиме точного наведения приемной антенны на технологический источник сигнала после проведения автосопровождения уточняют азимут и угол места технологического источника сигнала, найденные в режиме точного наведения приемной антенны, углы вводят в вычислительное устройство и используют для коррекции программных азимута и угла места абонентской станции, с найденными углами суммируют поправки на азимут и угол места абонентской станции, рассчитанные в вычислительном устройстве, кроме того, найденный уточненный азимут технологического источника сигнала используют в вычислительном устройстве для нахождения программного азимута источника сигнала, после этого приемную антенну наводят на источник сигнала, причем при начальном программном наведении по азимуту используют уточненное положение источника сигнала, затем осуществляют программное наведение передающей антенны на абонентскую станцию по скорректированным азимуту и углу места, после введения приемной антенны в режим точного наведения на источник сигнала и передающей антенны в режим программного наведения на абонентскую станцию проводят выключение и демонтаж технологического источника сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам связи и может быть использовано для расширения зоны обслуживания в районах, где отсутствует или наблюдается неустойчивый прием радиотелевизионного сигнала СВЧ.

Прямому прохождению сигнала от источника сигнала до точки приема препятствует рельеф местности: наличие холма или горной преграды, или точка приема расположена в ложбине. В таких случаях используют специальные линии СВЧ-связи и ретрансляторы. Источником радиотелевизионного сигнала может быть наземный источник или космический аппарат (КА).

Известны способы наведения антенн космических аппаратов, в которых используют технические средства систем ориентации и навигации КА (Бартенев В.А., Болотов Г.В., Быков В.Л. и др. Под редакцией Кантора Л.А. Спутниковая связь и вещание. - М.: Радио и связь, 1997, с.334-349). При этом точность наведения антенны на заданную точку на поверхности Земли определяется погрешностями угловой стабилизации КА, ошибками установки антенны на посадочные поверхности КА относительно системы координат, связанной с КА, погрешностями системы координат КА относительно системы координат, связанной с Землей, погрешностями при изготовлении антенны. Точность наведения таких антенн невелика (на уровне 30-60 угловых минут).

Недостатками такого способа наведения антенн являются относительно невысокая точность, обусловленная, прежде всего, техническими характеристиками КА, а также отсутствие достаточно точной автономной системы наведения антенны.

Известны наземные станции спутниковой связи, которые обычно представляют собой приемопередающие радиостанции с одной общей антенной (на прием и на передачу). Для наведения антенны в этих станциях используются способы, в которых проводят режим программного наведения в заданную точку пространства, а также режим точного наведения по принимаемому сигналу (режим автосопровождения). Переход в режим автосопровождения осуществляют с помощью поиска и захвата сигнала (Покрас А.М., Сомов А.М., Цуриков Г.Г. Антенны земных станций спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1985, с.35-76).

В режиме точного наведения по принимаемому сигналу могут использоваться различные методы наведения по принимаемому сигналу: метод экстремального наведения, моноимпульсный метод и др.

Недостатком данных способов является трудность реализации точного программного наведения антенны, что связано с необходимостью использования достаточно сложных точных измерительных средств.

Прототипом изобретения является способ наведения антенны станции спутниковой связи, содержащей параболическую зеркальную антенну с СВЧ-блоком и блоками азимутальной и угломестной осей, блок наведения антенны, вычислительное устройство, снабженное программами, включая программы наведения антенны (Фролов О.П. Антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 2000, с.260-265).

В данном способе осуществляют ввод данных в вычислительное устройство для наведения антенны, проводят режим программного наведения антенны по углу места и азимуту в заданную точку пространства, а также режим точного наведения антенны на источник сигнала с использованием автосопровождения, реализованного посредством метода экстремального наведения. Режим точного наведения антенны осуществляют путем перехода из режима программного наведения с использованием поиска и захвата сигнала. Точное наведение антенны на источник сигнала также осуществляют при постоянном программном наведении антенны по корректируемым углу места и азимуту с периодическим включением автосопровождения для уточнения угла места и азимута источника сигнала.

Программное наведение антенны по углу места и азимуту производят путем разворота антенны на рассчитанные в вычислительном устройстве углы от базовых измерительных плоскостей:

- плоскости горизонта - для угла места;

- плоскости меридиана - для азимута.

Недостатком данного способа наведения антенны является относительно невысокая точность программного наведения. Это обусловлено, в первую очередь, ошибкой определения меридиана.

Для остронаправленных антенн (ширина диаграммы направленности менее 30-60 угловых минут) задача точного программного наведения передающей антенны на абонентскую станцию является одной из наиболее сложных. В данных устройствах из-за отсутствия приемного канала не может быть использована обратная связь по сигналу для повышения точности наведения антенны, как это делается в приемопередающих станциях.

Отклонение основания ретранслятора от горизонтальной плоскости (ошибка негоризонтальности) может быть определено с помощью устройства местной вертикали, например маятникового типа, а также жидкостного уровня или зеркала и теодолита.

Для определения меридиана может быть использован высокоточный радиокомпас, работающий от спутниковой радионавигационной системы.

Радиокомпас с приемлемыми размерами (измерительной базой 4-6 метров) имеет точность (по уровню 3 ) 10-15 угловых минут. Этого недостаточно для анализируемых ретрансляторов. Кроме того, при программном наведении передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию имеют место навигационные ошибки по азимуту и углу места. Эти ошибки вызваны погрешностями определения координат (широты, долготы), а также высоты ретранслятора и абонентской станции. Влияние данных ошибок возрастает при уменьшении расстояния между ретранслятором и абонентской станцией.

Технической задачей изобретения является повышение точности наведения передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию, упрощение ретранслятора за счет исключения использования дополнительной аппаратуры для наведения передающей антенны, а также упрощение эксплуатации ретранслятора.

Для достижения указанного технического результата в способе наведения передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию производят ввод данных в вычислительное устройство ретранслятора для наведения приемной и передающей антенн, включение ретранслятора после его установки на посадочном основании, наведение приемной антенны ретранслятора на источник сигнала, причем при наведении проводят разворот приемной антенны по азимуту и углу места до захвата сигнала, а затем точное наведение приемной антенны по азимуту и углу места с использованием программного наведения и режима автосопровождения с коррекцией по принимаемому сигналу, а также производят программное наведение передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию на рассчитанные азимут и угол места, одновременно с вводом данных для наведения приемной и передающей антенн ретранслятора в вычислительное устройство также вводят параметры системы, включающей ретранслятор, абонентскую станцию и технологический источник сигнала, по которым находят поправки на азимут и угол места абонентской станции, учитывающие расстояния между приемной и передающей антеннами ретранслятора, а также между абонентской станцией и технологическим источником сигнала, перед включением ретранслятора проводят установку технологического источника сигнала на заранее определенное место рядом с абонентской станцией, осуществляют выставку его оптической оси в направлении на ретранслятор и производят его включение в режим радиоизлучения, затем, перед наведением приемной антенны на источник сигнала, проводят ее программный разворот на технологический источник сигнала по азимуту и углу места, осуществляют последовательно режимы поиска и точного наведения на технологический источник сигнала, после чего в режиме точного наведения приемной антенны на технологический источник сигнала после проведения автосопровождения уточняют азимут и угол места технологического источника сигнала, найденные в режиме точного наведения приемной антенны углы вводят в вычислительное устройство и используют для коррекции программных азимута и угла места абонентской станции, с найденными углами суммируют поправки на азимут и угол места абонентской станции, рассчитанные в вычислительном устройстве, кроме того, уточненный азимут технологического источника сигнала используют в вычислительном устройстве для нахождения программного азимута источника сигнала, после этого приемную антенну наводят на источник сигнала, причем при начальном программном наведении по азимуту используют уточненное положение источника сигнала, затем осуществляют программное наведение передающей антенны на абонентскую станцию по скорректированным азимуту и углу места, после введения приемной антенны в режим точного наведения на источник сигнала и передающей антенны в режим программного наведения на абонентскую станцию проводят выключение и демонтаж технологического источника сигнала.

Способ реализуется в ретрансляторе благодаря использованию технологического источника сигнала (ТИС) и проведению дополнительных операций, связанных с наведением приемной антенны на ТИС.

В качестве примера рассматриваем ретранслятор, в котором приемная антенна представляет собой остронаправленную параболическую зеркальную антенну с шириной диаграммы направленности - ДН, равной от 60 до 30 угловых минут.

Для частот от 6 до 12 ГГц диаметр такой антенны должен быть от (3,5-7) до (1,75-3,5) метра.

Высокой считается точность наведения антенны с потерями по мощности 0,25 дБ или 0,5 дБ, что соответствует погрешности наведения рассматриваемой антенны ±0,1 ДН или ±0,2 ДН.

Передающая антенна ретранслятора может иметь меньший размер и, соответственно, более широкую диаграмму направленности из-за того, что расстояние от ретранслятора до абонентской станции существенно меньше, чем до КА. Но при этом ухудшается помеховая обстановка вследствие расширения зоны действия радиоизлучения передающей антенны.

Использование остронаправленной передающей антенны, например, с диаметром, равным (0,5-1) диаметра передающей антенны, обеспечивает:

- узконаправленный поток радиоизлучения, что при высокой точности наведения антенны улучшает помеховую обстановку;

- упрощение передающего канала ретранслятора благодаря уменьшению излучаемой мощности;

- упрощение абонентской станции в части антенны и усилительного тракта.

В описании приводится пример для остронаправленных приемной и передающей антенн с точностью наведения ±6 угловых минут.

Способ иллюстрируется фиг.1- 3, на которых приведены: на фиг.1 - функциональная схема ретранслятора, на фиг.2 - блок-схема операций наведения приемной и передающей антенн ретранслятора, на фиг.3 - блок-схема программы коррекции программных азимута и угла места абонентской станции.

Ретранслятор, изображенный на фиг.1, содержит приемную антенну 1, на которой установлен СВЧ-блок 2 приемной антенны, соединенный с размещенным на передающей антенне 3 СВЧ-блоком 4 передающей антенны. СВЧ-блок 2 и СВЧ-блок 4 предназначены для усиления, фильтрации и преобразования частоты ретранслируемого СВЧ-сигнала. Второй выход СВЧ-блока 2 приемной антенны соединен с блоком 5 наведения приемной антенны, предназначенным для преобразования СВЧ-сигнала в сигнал, используемый для точного наведения приемной антенны 1. Для управления по азимутальной оси 6 приемной антенны ретранслятор содержит блок 7 азимутальной оси приемной антенны, а для управления по угломестной оси 8 приемной антенны - блок 9 угломестной оси приемной антенны.

Для управления по азимутальной оси 10 передающей антенны ретранслятор содержит блок 11 азимутальной оси передающей антенны, а для управления по угломестной оси 12 передающей антенны - блок 13 угломестной оси передающей антенны.

В состав блоков 7 и 9 приемной антенны и блоков 11 и 13 передающей антенны входят датчики углов с устройствами обработки сигналов, а также приводы, обеспечивающие повороты вокруг осей.

Ретранслятор содержит также вычислительное устройство 14, предназначенное для управления приемной антенной 1 и передающей антенной 3 и соединенное с блоком 5, а также с блоками 7, 9, 11 и 13.

Приемная антенна 1 ретранслятора предназначена для усиления принимаемого радиотелевизионного сигнала 15, приходящего от источника сигнала, а передающая антенна 3 - для усиления излучаемого радиотелевизионного сигнала 16, поступающего от ретранслятора на абонентскую станцию.

На фиг.2 изображены операции:

17 - ввод в вычислительное устройство параметров системы, включающей ретранслятор, абонентскую станцию и ТИС, и определение поправок на азимут и угол места абонентской станции;

18 - выставка ТИС и включение его в режим радиоизлучения;

19 - приведение приемной и передающей антенн в начальное положение по азимуту и углу места и стабилизация их в этом положении;

20 - разворот приемной антенны в положение (Аз=Аз_тк, УМ=УМ_пт );

21 - поиск ТИС;

22 - точное наведение приемной антенны на ТИС;

23 - программное наведение приемной антенны на источник сигнала;

24 - поиск приемной антенной источника сигнала;

25 - точное наведение приемной антенны на источник сигнала;

26 - наведение передающей антенны по скорректированным азимуту и углу места на абонентскую станцию;

27 - выключение и демонтаж ТИС.

Здесь использованы обозначения:

Аз - азимут;

УМ - угол места;

Аз_тк - начальный азимут ТИС, определенный с помощью компаса;

УМ_пт - программный угол места ТИС.

На фиг.2 показаны известные штатные операции наведения антенн ретранслятора, а также новые дополнительные операции, использование которых позволило обеспечить получение указанного технического результата.

Блок-схема отражает последовательность операций и их взаимосвязь. В ретрансляторах с остронаправленными антеннами (с высокой точностью наведения антенн) используют общее основание (посадочную раму) для обеих антенн 1 и 3 (фиг.1).

Взаимная привязка азимутальных и угломестных систем обеих антенн 1 и 3 производится при изготовлении ретранслятора с требуемой высокой точностью (погрешность до 0,5-1 угловых минут). При этом допускается раздельное транспортирование антенн и их сборка (с обеспечением требуемой точности) при установке ретранслятора. При использовании в ретрансляторе антенн с раздельными основаниями сложность заключается в том, что при установке ретранслятора необходимо обеспечить не только высокую точность (погрешность 0,5-1 угловых минут) взаимной привязки азимутальных и угломестных систем обеих антенн 1 и 3, но также провести с высокой точностью (1-2 угловые минуты) горизонтирование антенн (выставку азимутальных осей антенн перпендикулярно плоскости горизонта).

Необходимость точного горизонтирования обусловлена требуемой точностью наведения по углу места, а также появлением дополнительной азимутальной ошибки (из-за погрешности негоризонтальности) при программном азимутальном развороте передающей антенны 3 для углов места абонентской станции, отличающихся от нуля.

Упомянутые операции горизонтирования, а также взаимной привязки азимутальной и угломестной систем антенн при установке ретранслятора весьма трудоемки. При этом погрешность горизонтирования составляет 2-4 угловые минуты. Конструкция ретранслятора с общим основанием позволяет при установке ретранслятора отказаться от операции горизонтирования.

Погрешность установки ретранслятора на посадочную плоскость относительно горизонтальной плоскости может быть измерена с помощью датчика угла, например, маятникового типа, установленного на азимутальной оси приемной антенны 1.

Использование ТИС в предлагаемом способе позволяет отказаться от применения датчика угла. При этом также упрощается программное обеспечение вычислительного устройства 14 в части обработки информации датчика угла и использования этой информации при наведении передающей антенны 3.

Начальная привязка азимутальной системы ретранслятора к меридиану производится с помощью простого относительно грубого радиокомпаса, имеющего погрешность от 0,5 до 1 градуса или магнитного компаса (погрешность от 0,5 до 3 градусов). Обозначим найденный азимут компасного меридиана Аз_мк. Поскольку компас используется только при начальном наведении, он может не входить в состав аппаратуры ретранслятора.

Способ наведения передающей антенны ретранслятора реализуется следующим образом.

Перед установкой ретранслятора на посадочном основании проводят дополнительную операцию 17 (фиг.2) - ввод в вычислительное устройство 14 (фиг.1) параметров системы, включающей ретранслятор, абонентскую станцию и ТИС, и определение поправок на азимут и угол места абонентской станции. С помощью данных поправок учитывают расстояния между приемной и передающей антеннами 1 и 3 ретранслятора, а также между абонентской станцией и ТИС. Ввод указанных параметров осуществляют одновременно с вводом данных для наведения приемной и передающих антенн 1 и 3 ретранслятора. Операцию 17 (фиг.2) производят при вводе и проверке программного обеспечения вычислительного устройства 14 (фиг.1) в процессе изготовления и проверки ретранслятора.

Перед включением ретранслятора, установленного на посадочное основание, проводят дополнительную операцию 18 (фиг.2) - выставка ТИС и включение его в режим радиоизлучения. ТИС представляет собой широкоугольный источник радиоизлучения (ширина диаграммы направленности 5-15 градусов) с частотой, равной частоте источника сигнала. ТИС размещают рядом с абонентской станцией на заранее определенное место. Оптическую ось ТИС по азимуту и углу места выставляют в направлении на ретранслятор с погрешностями, не превышающими 30-60 угловых минут. Относительно невысокие требования к точности наведения обусловлены широкой диаграммой направленности ТИС. Выставку оптической оси ТИС на ретранслятор по азимуту и углу места проводят с помощью соответствующих шкал, обеспечивающих точность измерения угла не хуже 10 угловых минут. Начальную привязку азимутальной системы ТИС к меридиану проводят аналогично начальной привязке ретранслятора - с помощью радиокомпаса. Начальную привязку посадочной плоскости ТИС к горизонтальной плоскости осуществляют с помощью уровня. После выставки оптической оси ТИС на него подают питание, обеспечивая режим радиоизлучения на ретранслятор.

После включения ретранслятора по программе вычислительного устройства 14 (фиг.1) осуществляют штатную операцию 19 (фиг.2): - приведение приемной и передающей антенн 1 и 3 (фиг.1) в начальное положение по азимуту (Аз=0) и углу места (УМ=0) и стабилизация их в этом положении.

Управление антеннами осуществляют с помощью вычислительного устройства 14 (фиг.1).

Для программного разворота по азимуту приемной антенны 1 по сигналам вычислительного устройства 14 используют привод, размещенный в блоке 7 азимутальной оси приемной антенны. Разворот производят вокруг азимутальной оси 6.

С помощью привода, размещенного в блоке 9 угломестной оси приемной антенны, осуществляют разворот вокруг угломестной оси 8. Развороты передающей антенны 3 производят с помощью привода, размещенного в блоке 11 азимутальной оси передающей антенны, вокруг азимутальной оси 10, а также привода, размещенного в блоке 13 угломестной оси передающей антенны, вокруг угломестной оси 12.

Скорость разворота антенн 1 и 3 зависит от конструкции ретранслятора и может составлять от 0,3 градуса до 10-30 градусов в секунду. Время стабилизации антенн 1 и 3 определяется динамическими характеристиками контура управления. Минимальное требуемое время не превышает 10 секунд.

Затем с помощью блоков 7 и 9 и вычислительного устройства 14 проводят дополнительную операцию 20 (фиг.2), которая включает разворот приемной антенны 1 (фиг.1) по азимуту и углу места и установку ее на угол Аз=Аз _тк и угол УМ=УМ_пт.

Азимут Аз=Аз _тк соответствует начальному программному азимуту ТИС, определенному с учетом нахождения меридиана с помощью компаса. Угол места УМ=УМ _пт соответствует программному углу места ТИС, который представляет собой расчетный угол места ТИС относительно горизонтальной плоскости, найденный для известного расположения ТИС и ретранслятора.

В изобретении в качестве физически реализуемого точного азимутального базового направления предлагается использование направления оптической оси приемной антенны 1 на ТИС. При этом направление меридиана, которое используется в программах наведения приемной антенны 1 и передающей антенны 3, находят расчетным путем. Угол _и между меридианом и направлением на источник сигнала и угол _с между меридианом и направлением на абонентскую станцию находят по известным координатам (широте и долготе) источника сигнала, абонентской станции и ретранслятора. Если источником сигнала является КА, то берут координаты подспутниковой точки - пересечения поверхности Земли и отрезка прямой линии между центром Земли и КА.

При проведении операции начального программного наведения приемной антенны 1 не требуется высокой точности наведения, поскольку затем производят поиск сигнала. Поэтому можно допустить, что координаты абонентской станции и ТИС совпадают и, следовательно, равны азимуты абонентской станции (Аз_с) и ТИС (Аз_т), а также равны углы между меридианом и направлением на абонентскую станцию - _с и между меридианом и направлением на ТИС - _т.

Угол Аз=Аз _тк находят в вычислительном устройстве 14 известным методом после определения с помощью компаса азимута меридиана Аз _мк с помощью формулы

Затем проводят дополнительную операцию 21 (фиг.2) - поиск ТИС. При поиске ТИС, а также при последующем точном наведении приемной антенны 1 (фиг.1) на ТИС используют известные методы. Например, поиск ТИС производят путем пошагового сканирования телесного угла, который по азимуту и углу места соответствует ошибкам начального программного наведения приемной антенны 1 на ТИС.

Начальная ошибка по углу места в основном определяется погрешностью негоризонтальности основания ретранслятора. Она обычно не превышает 15-30 угловых минут. Влияние навигационных погрешностей на начальные ошибки по азимуту и углу места невелико. Таким образом, для рассматриваемого примера сканируемый телесный угол по углу места составляет от 30 до 60 угловых минут, а по азимуту - от 60 до 120 угловых минут. При пошаговом сканировании размер шага, т.е. дискретного перемещения приемной антенны 1 по каждой координате, берут равным ДН/К_з, где К_з - коэффициент запаса. Величину К_з выбирают, исходя из ошибок наведения. Она обычно составляет К _з=1,5-3.

Принимаемый радиотелевизионный сигнал 15 от ТИС обнаруживают с помощью приемной антенны 1. В СВЧ-блоке 2 осуществляют преобразование СВЧ-сигнала: фильтрацию, усиление, детектирование. После преобразования сигнал подают на блок 5 наведения приемной антенны. С помощью этого сигнала реализуют контур наведения приемной антенны 1 по принимаемому сигналу.

Захват сигнала фиксируют с помощью блока 5 по превышению принимаемым сигналом уровня от 0,4 до 0,8 от максимальной величины сигнала.

После захвата сигнала осуществляют дополнительную операцию 22 (фиг.2) - точное наведение приемной антенны на ТИС по азимуту и углу места с помощью автосопровождения, например, с применением известного метода экстремального наведения. Время данной операции зависит от требуемой точности наведения и может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков секунд.

Операцию 22 осуществляют с помощью вычислительного устройства 14 и блоков 5, 7 и 9 (фиг.1).

При точном наведении приемной антенны 1 на ТИС с помощью известного режима-автосопровождения - осуществляют уточнение программных азимута и угла места ТИС. Эти уточненные углы измеряют азимутальным и угломестным датчиками угла приемной антенны 1 и вводят в вычислительное устройство 14. Уточненные значения этих углов (азимут - Аз_тт, угол места - УМ_тт) используют при программном наведении передающей антенны 3 на абонентскую станцию. Уточненное значение азимута ТИС используют также при наведении приемной антенны 1 на источник сигнала.

После завершения операции 22 (фиг.2) последовательно проводят штатные операции: 23 - программное наведение приемной антенны 1 (фиг.1) на источник сигнала; 24 (фиг.2) - поиск приемной антенной 1 (фиг.1) источника сигнала; 25 (фиг.2) - точное наведение приемной антенны 1 (фиг.1) на источник сигнала. Все указанные операции осуществляют аналогично наведению приемной антенны 1 на ТИС. В данном случае повышается точность программного наведения по азимуту за счет использования ТИС. Соответственно уменьшается зона поиска сигнала. Если начальное программное наведение приемной антенны 1 на источник сигнала проводят без введения ТИС, то азимут источника сигнала аналогично (1) находят из формулы

При точном наведении приемной антенны 1 на ТИС находят поправку

где Аз_тт - азимут ТИС, найденный при точном наведении приемной антенны 1 на ТИС. Учитывая найденную поправку, а также равенство азимутальных поправок ТИС и источника сигнала

азимут источника сигнала определяют с помощью формулы

В результате использования ТИС компенсируют погрешность начального определения меридиана с помощью компаса. Расчетная ошибка программного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала по азимуту включает расчетную навигационную ошибку, вызванную погрешностями определения местоположения ретранслятора, ТИС и источника сигнала, а также погрешностью точного наведения приемной антенны 1 на ТИС.

При проведении режима точного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала первый сеанс автосопровождения позволяет повысить точность наведения по сравнению с режимом поиска благодаря работе по принимаемому сигналу. В дальнейшем продолжают проводить известный штатный режим точного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала, в котором осуществляют постоянное программное наведение с периодической коррекцией с использованием автосопровождения, в частности экстремального метода.

Дополнительную операцию 26 (фиг.2) - программное наведение передающей антенны 3 (фиг.1) на абонентскую станцию проводят после определения в вычислительном устройстве 14 уточненных программных азимута и угла места абонентской станции. Определение производят при стабилизации положения приемной антенны 1 во время осуществления операции 22 (фиг.2) - точного наведения ее на ТИС. Уточненные программные азимут и угол места абонентской станции соответствуют азимуту и углу места ТИС, с которыми суммируют поправки, рассчитанные при проведении операции 17 в вычислительном устройстве 14 (фиг.1), учитывающие расстояния между приемной и передающей антеннами ретранслятора, а также между абонентской станцией и ТИС.

Указанная дополнительная операция 26 (фиг.2) может проводиться одновременно со штатными операциями 23, 24, 25. Целесообразно ее выполнение при осуществлении операции 25 с целью ограничения пиковых (максимальных) значений тока, потребляемого от источника питания. Управление передающей антенной 3 (фиг.1) осуществляют в режиме программного наведения по азимуту и углу места на абонентскую станцию с помощью блоков 11, 13 и 14.

Указанный режим программного наведения передающей антенны 3 на абонентскую станцию осуществляют в дальнейшем в процессе эксплуатации ретранслятора.

После введения приемной антенны 1 в режим точного наведения на источник сигнала (операция 25, фиг.2) и передающей антенны 3 (фиг.1) в режим программного наведения на абонентскую станцию (операция 26, фиг.2) проводят дополнительную операцию 27 - выключение и демонтаж ТИС.

На фиг.3 приведена блок-схема программы коррекции программных азимута и угла места абонентской станции.

В качестве начальной операции (фиг.3, операция 28) представлен ввод данных в вычислительное устройство 14 (фиг.1) для наведения приемной антенны 1 - А _прм и передающей антенны 2 - А_прд ретранслятора - РТР. Вводимые данные характеризуют параметры ретранслятора, источника сигнала и абонентской станции. Их используют при выполнении штатных операций наведения приемной антенны 1 на источник сигнала и передающей антенны 3 на передающую станцию. В настоящей блок-схеме эта операция приводится в силу того, что указанные данные также используют при выполнении дополнительных операций.

В качестве следующей операции 29 (фиг.3) представлен ввод данных в вычислительное устройство 14 (фиг.1) для определения поправок при программном наведении передающей антенны 3 на абонентскую станцию. Эту операцию проводят одновременно с операцией 28 (фиг.3). Вводимые данные позволяют повысить точность наведения передающей антенны 3 (фиг.1) и включают:

lp - расстояние (проекция в горизонтальной плоскости) между азимутальными осями приемной и передающей антенн 1 и 3 ретранслятора;

L - расстояние (проекция в горизонтальной плоскости) между ретранслятором и абонентской станцией (азимутальными осями абонентской станции и передающей антенны 3 ретранслятора);

lc - расстояние (проекция в горизонтальной плоскости) между азимутальными осями абонентской станции и ТИС;

_р - угол в горизонтальной плоскости между направлением, соответствующим линии Iр, и плоскостью, проходящей через азимутальные оси приемной и передающей антенн 1 и 3 ретранслятора;

_с - угол в горизонтальной плоскости между направлением, соответствующим линии Iр, и плоскостью, проходящей через азимутальные оси абонентской станции и ТИС;

h _с - вертикальное расстояние между оптическими осями абонентской станции и ТИС для нулевых значений углов места.

После ввода данных в вычислительном устройстве 14 проводят следующую операцию 30 (фиг.3) - определение поправок Аз_ср, Аз_ст, УМ_ст при программном наведении передающей антенны 3 (фиг.1) на абонентскую станцию.

Азимутальную поправку Аз_ср находят из формулы

Азимутальную поправку Аз_ст определяют из формулы

Угломестную ошибку УМ_ст находят из формулы

где УМ_с - угол места абонентской станции.

Все указанные поправки должны учитываться при относительно небольшом расстоянии между ретранслятором и абонентской станцией.

Поправка Аз_ср позволяет компенсировать погрешность, вызванную тем, что азимутальные оси приемной и передающей антенн 1 и 3 разнесены в пространстве.

Поправки Аз_ст и УМ_ст предназначены для компенсации погрешностей, вызванных использованием ТИС.

Затем осуществляют операцию 31 (фиг.3) - сравнение найденных поправок с допустимыми значениями, соответственно Аз_ср и Аз_ст с Аз_сд, а УМ_ст с УМ_сд.

Если поправка меньше допустимого значения, то ее не учитывают при программном наведении передающей антенны 3 (фиг.1) на абонентскую станцию. Для рассматриваемого примера можно принять Аз_сд= УМ_сд=1 угловая минута.

Оценим значения поправок для максимального диаметра антенн ретранслятора 7 м и для расстояния L=10 км.

Реально угол _р находится в границах от 45 до 90 градусов. Если принять sin _p=1 и I_p=8 м, то из формулы (6) находят поправку Аз_ср=2,66 угловых минут.

Угол _с может меняться от 0 до 90 градусов. Принимая Iс=4 м и sin _с=1, из формулы (7) определяют поправку Аз_ст=1,33 угловых минут.

Величина h_с не превышает 2 м. Если принять cosУМ _c=1, то из формулы (8) находим поправку УМ_ст=0,66 угловых минут.

Следовательно, для рассмотренного примера должны учитываться поправки Аз_ср и Аз_ст.

Все вышеуказанные операции 28, 29, 30, 31 (фиг.3) выполняют при изготовлении ретранслятора на заводе при отработке программного обеспечения вычислительного устройства 14 (фиг.1). На фиг.2 эти операции соответствуют операции 17.

Следующую операцию 32 (фиг.3) - ввод азимута меридиана Аз_мк в вычислительное устройство 14 (фиг.1) проводят после измерения азимута меридиана с помощью компаса.

Затем проводят операцию 33 (фиг.3) - определение в вычислительном устройстве 14 (фиг.1) азимута и угла места абонентской станции Аз_сн и УМ_сн. Найденные углы используют для начального программного наведения приемной антенны 1 на ТИС. Как указывалось, азимут Аз_сн находят с помощью формулы (1), принимая Аз_сн =Аз_тк, а угол места ранее определяют как расчетный угол УМ_сн=УМ_пт .

В результате точного наведения приемной антенны 1 на ТИС осуществляют операцию 34 (фиг.3) - определение в вычислительном устройстве 14 (фиг.1) уточненных программных углов наведения приемной антенны 3 на абонентскую станцию по азимуту Аз _су и по углу места УМ_су, а также азимутальной поправки программного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала Аз_си. Как отмечалось, уточненные азимут и угол места измеряют с помощью датчиков угла приемной антенны 1 и вводят в вычислительное устройство 14, при этом Аз _су=Аз_тт, УМ_су =УМ_тт. Поправку Аз_и находят с помощью формул (4) и (3).

Введение последней упомянутой поправки позволяет повысить точность начального программного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала и соответственно сократить зону и время поиска.

Операция 34 (фиг.3) является первой коррекцией программных азимута и угла места абонентской станции, найденных при выполнении операции 33. Затем проводят операцию 35 - логическая операция И в вычислительном устройстве 14 (фиг.1). Поправки по азимуту Аз_ср и Аз_ст не вводятся, если они обе не превышают допустимые значения. Это же относится к поправке по углу места УМ_ст. В этом случае программные азимут и угол места абонентской станции, на которые разворачивают передающую антенну 3, соответственно равны Аз_су и УМ_су.

Если поправки, определяемые при проведении операции 30 (фиг.3), превышают допустимые величины, то их учитывают при проведении операции 36 (фиг.3), которая является второй коррекцией программных азимута и угла места абонентской станции. Эта коррекция сводится к суммированию ( ) в вычислительном устройстве 14 (фиг.1) величин, найденных при выполнении операций 34 и 30 (фиг.3). В зависимости от величин поправок Аз_ср и Аз_ст программный азимут абонентской станции находят из следующих формул:

Программный угол места абонентской станции находят в вычислительном устройстве 14 (фиг.1) в соответствии с формулой

В предлагаемом способе повышена точность программного наведения передающей антенны 3 на абонентскую станцию:

- благодаря использованию ТИС скомпенсированы навигационные ошибки по азимуту и углу места;

- благодаря применению конструкции ретранслятора с общим основанием и введению наведения приемной антенны 1 на ТИС скомпенсирована ошибка негоризонтальности основания ретранслятора по углу места, а также скомпенсирована азимутальная ошибка, вызванная неперпендикулярностью азимутальных осей ретранслятора к горизонтальной плоскости.

При определении местоположения ретранслятора и абонентской станции с помощью спутниковой радионавигационной системы погрешность (навигационная ошибка н) в настоящее время составляет 30 м. В ближайшие годы она должна быть уменьшена до 5 м. Азимутальная ошибка при этом находится из формулы

где L - расстояние между ретранслятором и абонентской станцией (проекция в горизонтальной плоскости). При н=5 м, L=10 км находим Аз_н=2,35 угловых минут, при L=5 км получаем Аз_н=4,7 угловых минут.

Аналогично находится навигационная ошибка по углу места УМ_н, для которой получаем такие же величины.

Ошибка негоризонтальности ГП по углу места при раздельных основаниях антенн для рассматриваемых ретрансляторов принимается 3 угловые минуты.

Азимутальная ошибка, вызванная неперпендикулярностью азимутальной оси антенны к горизонтальной плоскости, возникает при развороте антенны по азимуту и достигает максимального значения при угле разворота 90 градусов. При относительно небольших углах места она растет линейно с ростом угла места. Для угла места 30 градусов она составляет половину от ошибки негоризонтальности.

Проведем анализ погрешностей программного наведения передающей антенны 3 ретранслятора при раздельных основаниях антенн и без использования ТИС. Суммарная погрешность по углу места У складывается из ошибки негоризонтальности гп, навигационной ошибки ну и ошибки программного наведения пн. Обычно ошибка программного наведения остронаправленной антенны составляет (0,1-0,5) от суммарной ошибки наведения. С учетом ошибки наведения 6 угловых минут принимаем пн=2 угловые минуты. Суммарную погрешность по углу места определяют из формулы

При L=5 км погрешность У=5,9 угловых минут, при L=10 км погрешность У=4,3 угловых минут.

Суммарная погрешность по азимуту А аналогично включает навигационную ошибку на и ошибку программного наведения пн.

Для обеспечения точного программного наведения по азимуту особо важен выбор базового направления. Наиболее точным вариантом является использование в качестве базового направления оптической оси приемной антенны 1 на источник сигнала в режиме точного наведения.

Для современных космических аппаратов ошибка местонахождения ( ка) не превышает 3 угловых минут. Такого же уровня будет ошибка при использовании наземного источника сигнала. К этой ошибке добавляется ошибка точного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала ( тн), которую можно принять равной ошибке программного наведения. В состав суммарной ошибки входят также ошибка привязки нулевых азимутальных отсчетов антенн ( оа), которая не превышает 0,5 угловых минут, и азимутальная ошибка, вызванная неперпендикулярностью азимутальных осей антенн к горизонтальной плоскости и их разворотом по азимуту ( зр).

В данном случае имеют место два разворота, приводящие к возникновению данной ошибки: приемной антенны 1 на источник сигнала и передающей антенны 3 на абонентскую станцию. Поэтому азимутальную ошибку Аз_р находят как сумму двух случайных величин. Выражая ее через ошибку гп, получают

Суммарную погрешность по азимуту находят из формулы

Обычно в ретрансляторах угол места приемной и передающей антенн 1 и 3 не превышает 30 градусов. В формуле (15) взята эта величина угла места.

При L=5 км погрешность А=6,6 угловых минут, при L=10 км погрешность А=5,2 угловых минут.

Таким образом, при L=5 км азимутальная ошибка программного наведения передающей антенны 3 превышает допустимую величину - 6 угловых минут. При L=2,5 км данная ошибка возрастает до 10,5 угловых минут.

Значительно сильнее влияние навигационной ошибки на точность программного поведения, если принять погрешность определения координаты н=30 м вместо 5 м. Угловую погрешность, обусловленную навигационными ошибками, находят из формулы (13). Предельной ошибке 6 угловых минут в этом случае соответствует расстояние L между ретранслятором и абонентской станцией 23,5 км. Пи расстоянии L=5 км навигационная ошибка составляет 28 угловых минут.

При использовании предлагаемого способа наведения передающей антенны 3 на абонентскую станцию по углу места скомпенсированы навигационная ошибка ну и ошибка негоризонтальности гп. При этом необходимо учитывать ошибку точного наведения приемной антенны 1 на ТИС ( тн), ошибку взаимной привязки нулевых угломестных отсчетов обеих антенн ( оу) и ошибку УМст, связанную с использованием ТИС. Погрешности оу и УМст не превышают 0,5 угловых минут.

Суммарную погрешность по углу места находят из формулы

Для рассматриваемого примера она составляет 2,9 угловых минут.

Аналогично находят суммарную погрешность по азимуту. К ошибкам пн, тн и оа добавляются ошибки Аз₁ и Аз₂, которые вызваны тем, что поправки Аз_ср и Аз_ст измеряют и компенсируют, соответственно, с указанными ошибками. Величина этих ошибок не превышает 0,5 угловых минут.

С помощью формулы

для рассмотренного примера находят погрешность 2,95 угловых минут.

Следовательно, благодаря применению предложенного способа для рассматриваемого примера повышена точность программного наведения передающей антенны 3 на абонентскую станцию:

- по углу места для L=5 км в 2,05 раз и для L=10 км в 1,5 раза;

- по азимуту для L=5 км в 2,2 раз и для L=10 км в 1,75 раз.

Предложенный способ особенно эффективен при относительно небольшом расстоянии между ретранслятором и абонентской станцией, когда навигационные ошибки становятся преобладающими.

Использование ТИС позволяет существенно повысить точность начального программного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала по азимуту и поэтому сократить время поиска сигнала. Суммарную погрешность азимутального программного наведения приемной антенны 1 на источник сигнала аналогично (16) находят из формулы

При этом не учитывают ошибку оа, связанную с работой передающей антенны 3.

Погрешность Аз_р в данном случае вызвана разворотом только приемной антенны 1 и поэтому принимается равной гп/2.

Для рассматриваемого примера с помощью формулы (19) находят Ап=6,35 угловых минут для L=5 км и Ап=4,85 угловых минут для L=10 км.

Если принять шаг сканирования приемной антенны 1

то получают одношаговое азимутальное сканирование ( _ш=15 угловых минут).

При определении меридиана с помощью радиокомпаса получают азимутальную ошибку ±(30-60) угловых минут. Следовательно, время поиска сигнала сокращается в 4-8 раз.

Использование в предлагаемом способе ТИС и общей посадочной рамы позволяет отказаться от датчика угла и тем самым упростить конструкцию ретранслятора. Кроме того, упрощается программное обеспечение вычислительного устройства 14 за счет исключения программы обработки сигналов датчика угла и программы компенсации ошибки негоризонтальности основания ретранслятора.

Приведенное описание способа позволяет сделать следующее заключение. Использование в предлагаемом способе технологического источника сигнала и общей посадочной рамы, введение дополнительных операций позволяет повысить точность наведения передающей антенны ретранслятора на абонентскую станцию благодаря компенсации навигационных ошибок и ошибки негоризонтальности основания ретранслятора. Это приводит к улучшению помеховой обстановки и к повышению скорости передачи информации.

Для остронаправленных антенн (погрешность наведения не более 6 угловых минут) при расстоянии между ретранслятором и абонентской станцией от 10 до 5 км точность наведения повышается в 1,2-2,5 раза.

Повышение точности азимутального программного наведения приемной антенны ретранслятора на источник сигнала позволяет уменьшить зону сканирования и время поиска в 3-10 раз. Благодаря этому упрощается эксплуатация ретранслятора.

Реализация предлагаемого изобретения позволяет также упростить аппаратуру и программное обеспечение ретранслятора благодаря исключению операции компенсации ошибки негоризонтальности основания ретранслятора.