RU2578289C1 - Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna - Google Patents

Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna Download PDF

Info

Publication number
RU2578289C1
RU2578289C1 RU2014153523/28A RU2014153523A RU2578289C1 RU 2578289 C1 RU2578289 C1 RU 2578289C1 RU 2014153523/28 A RU2014153523/28 A RU 2014153523/28A RU 2014153523 A RU2014153523 A RU 2014153523A RU 2578289 C1 RU2578289 C1 RU 2578289C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
coordinates
coordinate system
irradiators
hus
Prior art date
Application number
RU2014153523/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Николаевич Ласкин
Анатолий Михайлович Сомов
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Радио (Фгуп Ниир)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Радио (Фгуп Ниир) filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Радио (Фгуп Ниир)
Priority to RU2014153523/28A priority Critical patent/RU2578289C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2578289C1 publication Critical patent/RU2578289C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering and communications.
SUBSTANCE: invention can be used in radio engineering, antenna engineering in SHF-EHF range, and is intended for use in radio communication systems, radio bearing, radio tracking and radio monitoring. Method of displaying the geographic coordinates (latitude and longitude) points, uniformly distributed in the zone of guaranteed signal level (GSL),in a linear system of geocentric coordinates, serial transfer of linear coordinates of GSL field in system of linear coordinates of onboard antenna, then in antenna azimuth-elevation coordinate system and display of electromagnetic waves, propagating from each of the points in GSL field on the Earth surface in the form of geometrical-optic beams (GO-beams) with equal amplitude, determining antenna radiation partial patterns (RP) in azimuth-elevation coordinate system of onboard antenna, whereupon aperture plane of irradiators cluster, forming antenna radiation partial patterns is installed perpendicular to the focal axis of paraboloid which forms antenna mirror, and the resultant cluster is formed by penetration of GO-beams in the main lobe range of each antenna partial RP, and the location of central irradiator in the formed area of cluster group is placed in area close to focal axis of paraboloid, while peripheral irradiators are installed in a way so that their RP overlap remaining part of GO-points projection in antenna azimuth-elevation coordinate system until full formation of GSL field.
EFFECT: alignment (by intensity) of power flow density upon covering given area of GSL on the ground surface with smaller number of radiators.
1 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, к области антенной техники в диапазоне СВЧ-КВЧ, и предназначено для использования в системах радиосвязи, радиопеленга, радионаблюдения и радиомониторинга.The invention relates to radio engineering, to the field of antenna technology in the microwave-EHF range, and is intended for use in radio communication systems, radio direction finding, radio surveillance and radio monitoring.

В спутниковых системах связи с сотовым обслуживанием территории и в спутниковой связи с использованием стационарных и перемещаемых средств на борту искусственных спутников земли (ИСЗ) существует проблема формирования кластеров многолучевых антенн, связанная с необходимостью конфигурации на земной поверхности зон гарантированного уровня сигнала (ГУС), а также с выравниванием этого уровня в формируемых зонах.In satellite communication systems with cellular servicing of the territory and in satellite communications using fixed and moving means on board artificial earth satellites (AES), there is a problem of forming clusters of multipath antennas associated with the need to configure zones of a guaranteed signal level (GUS) on the Earth’s surface, as well as with alignment of this level in the formed zones.

Известны способы формирования кластерных зон облучающей решеткой многолучевой зеркальной антенны, формирующей несколько отклоненных диаграмм направленности - "парциальных лучей" или сканирующие лучом диаграммы направленности земную территорию в заданном угловом секторе (А. С. СССР №148630 HO1Q 15/20, №1181020 HO1Q 19/18, пат. ФРГ №2624398 HO1Q 3/26, пат. США №4044361 HO1Q 3/00, №4516130 HO1Q 19/19, №3914768 HO1Q 3/24).Known methods for the formation of cluster zones by the irradiating array of a multi-beam mirror antenna, forming several deflected radiation patterns - "partial rays" or beam-scanning radiation patterns of the earth's territory in a given angular sector (A. S. USSR No. 148630 HO1Q 15/20, No. 1181020 HO1Q 19 / 18, US Pat. No. 2624398 HO1Q 3/26, US Pat. No. 4044361 HO1Q 3/00, No. 4516130 HO1Q 19/19, No. 3914768 HO1Q 3/24).

Недостатком указанных аналогов является существенное различие в интенсивности плотности потока мощности в требуемых зонах покрытия на земной поверхности при формировании кластеров (наборов) облучателей облучающей решетки (ОР) многолучевой гибридной зеркальной антенны (МЛГЗА) [1].The disadvantage of these analogues is a significant difference in the intensity of the power flux density in the required coverage areas on the earth's surface during the formation of clusters (sets) of irradiators of the irradiating array (OR) of a multi-beam hybrid reflector antenna (MLGA) [1].

Задачей изобретения является создание способа формирования кластерных зон облучающей решеткой многолучевой гибридной зеркальной антенны, обеспечивающего выравнивание по интенсивности плотности потока мощности при покрытии заданной области ГУС на земной поверхности.The objective of the invention is to provide a method for the formation of cluster zones by the irradiating array of a multi-beam hybrid mirror antenna, which provides equalization in intensity of the power flux density when covering a given area of the HUS on the earth's surface.

Способ формирования кластерных зон облучающей решеткой многолучевой гибридной зеркальной антенны:The method of forming cluster zones by the irradiating array of a multi-beam hybrid mirror antenna:

1. Определить парциальные диаграммы направленности (ДН), формируемые кластером облучателей, плоскость раскрыва которого ортогональна фокальной оси рефлектора МЛГЗА, и представить результат в азимут-угломестной системе координат бортовой антенны.1. Determine the partial radiation patterns formed by a cluster of irradiators, the aperture plane of which is orthogonal to the focal axis of the MLGZA reflector, and present the result in the azimuth-elevation coordinate system of the onboard antenna.

2. Преобразовать географические координаты (долгота

Figure 00000001
и геоцентрическая широта
Figure 00000002
) точек, равномерно распределенных по области зоны гарантированного уровня сигнала (ГУС), в линейные координаты XГi, YГi, ZГi геоцентрической системы координат OXГYГZГ [1], (фиг. 4).2. Convert geographic coordinates (longitude
Figure 00000001
and geocentric latitude
Figure 00000002
) points uniformly distributed over the area of the zone of the guaranteed signal level (HUS), in the linear coordinates XГ i , YГ i , ZГ i of the geocentric coordinate system OX Г Y Г Z Г [1], (Fig. 4).

3. Преобразовать линейные координаты ХГi, YГi, ZГi точек, характеризующих область ГУС, в систему линейных координат космического аппарата [1] ДXKAYKAZKA (фиг. 5).3. Convert the linear coordinates of the HG i , YГ i , ZГ i points characterizing the HUS region into the linear coordinate system of the spacecraft [1] ДX KA Y KA Z KA (Fig. 5).

4. Сформировать параметры наведения бортовой антенны МЛГЗА.4. Generate the guidance parameters of the MLGZA airborne antenna.

5. Преобразовать координаты точек, характеризующие область ГУС в линейной системе координат космического аппарата, в линейную систему координат бортовой антенны OAXAYAZA (фиг. 5), далее в азимут-угломестную систему координат антенны (угол подъема

Figure 00000003
и угол бокового отклонения
Figure 00000004
).5. Convert the coordinates of the points characterizing the HUS region in the linear coordinate system of the spacecraft to the linear coordinate system of the onboard antenna O A X A Y A Z A (Fig. 5), then to the azimuth-elevation coordinate system of the antenna (elevation angle
Figure 00000003
and lateral deviation angle
Figure 00000004
)

6. Отобразить электромагнитные волны, распространяющиеся от каждой из точек области ГУС на поверхности Земли в виде набора геометрооптических лучей (ГО-лучей) [2] со значением амплитуды от нуля до единицы при необходимости учета потерь трассы связи или единичной амплитуды в противном случае.6. Display electromagnetic waves propagating from each of the points of the HUS region on the Earth's surface in the form of a set of geo-optical rays (GO-rays) [2] with an amplitude value from zero to unity if it is necessary to take into account communication path losses or unit amplitude otherwise.

7. Для каждой ДН сформировать набор значений уровня поля излучения в направлении каждого из ГО-лучей. Определить сумму элементов указанных наборов, которые превышают заданный порог ГУС. Сформировать вектор весовых коэффициентов эффективности использования отдельных облучателей и всей ОР в зависимости от углов установки антенны по приведенному итеративному алгоритму, приведенному выше, попадания ГО-лучей в пределы зоны излучения антенной системы.7. For each beam form a set of values of the radiation field level in the direction of each of the GO rays. Determine the sum of the elements of these sets that exceed a given threshold HUS. Generate a vector of weight coefficients of the efficiency of using individual irradiators and the entire OR depending on the antenna installation angles according to the iterative algorithm given above, when GO rays fall into the radiation zone of the antenna system.

8. Повторить пп. 4-7 для ближайших наборов значений углов установки антенны. Сравнить значения коэффициентов использования всей ОР, найти локальный максимум в зависимости от набора значений углов установки антенны.8. Repeat paragraphs 4-7 for the closest sets of antenna installation angles. Compare the values of the utilization coefficients of the entire PR, find the local maximum depending on the set of antenna installation angles.

9. Облучатели ОР, весовой коэффициент использования которых не превышает заданного числового порога эффективности использования, не используются при формировании поля излучения для передающих антенн и суммы входного сигнала для приемных антенн. Величина порога эффективности использования определяется на стадии проектирования спутниковой системы связи на основе экономических показателей системы. Пояснение к п. 1 способа:9. OR irradiators, the weight coefficient of use of which does not exceed a predetermined numerical threshold of efficiency of use, are not used when forming the radiation field for transmitting antennas and the sum of the input signal for receiving antennas. The value of the utilization efficiency threshold is determined at the stage of designing a satellite communication system based on the economic indicators of the system. Explanation to paragraph 1 of the method:

Плоскость раскрыва ОР ортогональна фокальной плоскости параболоида (фиг. 1), а оси облучателей наклонены к фокальной оси, поэтому отсутствуют смещения вдоль фокальной оси относительно фокуса параболоида облучателей, примыкающих к центральному облучателю, что исключает квадратичные фазовые распределения поля в раскрыве для этих облучателей. Парциальные ДН, формируемые этими облучателями, не испытывают характерных для квадратичных фазовых искажений расширения главного лепестка парциальной ДН и ослабления уровня поля в направлении максимума излучения (фиг. 2,б). При этом происходит выравнивание плотности потока мощности в парциальных зонах обслуживания, формируемых этими диаграммами (фиг. 3,б) и (10,б).The OP aperture plane is orthogonal to the focal plane of the paraboloid (Fig. 1), and the irradiator axes are inclined to the focal axis, therefore, there are no displacements along the focal axis relative to the focus of the paraboloid of irradiators adjacent to the central irradiator, which eliminates quadratic phase field distributions in the aperture for these irradiators. Partial MDs formed by these irradiators do not experience the expansion of the main lobe of the partial MD and attenuation of the field level in the direction of the radiation maximum, characteristic of quadratic phase distortions (Fig. 2b). In this case, the power flux density is equalized in the partial service areas formed by these diagrams (Fig. 3, b) and (10, b).

Совокупность этих существенных признаков формирует отличный от известных ранее способ формирования кластерных зон облучающей решеткой многолучевой гибридной зеркальной антенны с измененной конфигурацией структуры ОР для организации требуемых зон покрытия на земной поверхности.The combination of these essential features forms a different from the previously known method of forming cluster zones by the irradiating array of a multi-beam hybrid reflector antenna with a modified configuration of the OR structure to organize the required coverage areas on the earth's surface.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:The claimed method is illustrated by drawings, which show:

на фиг. 1 - МЛГЗА с рефлектором 1, ортогональной фокальной оси OAZA ОР-2, состоящей из рупорных облучателей 3;in FIG. 1 - MLGZA with a reflector 1 orthogonal to the focal axis O A Z A OR-2, consisting of horn irradiators 3;

на фиг. 2,а - парциальные ДН антенны с наклонной ОР по отношению к фокальной оси зеркала антенны;in FIG. 2a - partial antenna patterns with an inclined OP with respect to the focal axis of the antenna mirror;

на фиг. 2,б - парциальные ДН антенны с ортогональной ОР по отношению к фокальной оси зеркала антенны;in FIG. 2b - partial antenna patterns with an orthogonal OR with respect to the focal axis of the antenna mirror;

на фиг. 3 - локальные зоны ГУС, формируемые парциальными ДН антенны с наклонной (а) и ортогональной (б) по отношению к фокальной оси ОР;in FIG. 3 - local zones of the HUS, formed by the partial antenna bottoms with an inclined (a) and orthogonal (b) with respect to the focal axis of the OR;

на фиг. 4 - схема определения угловых и линейных координат точки наблюдения;in FIG. 4 is a diagram for determining the angular and linear coordinates of the observation point;

на фиг. 5 - геометрическое представление перехода от относительной геоцентрической системы координат к орбитальной подвижной системе координат;in FIG. 5 is a geometric representation of a transition from a relative geocentric coordinate system to an orbital moving coordinate system;

на фиг. 6 - пример конфигурации облучающей решетки;in FIG. 6 is an example of an irradiation array configuration;

на фиг. 7 - пример заданной области гарантированного уровня сигнала на земной поверхности;in FIG. 7 is an example of a predetermined area of a guaranteed signal level on the earth's surface;

на фиг. 8 - локальные зоны обслуживания, формирующие зону ГУС;in FIG. 8 - local service areas forming the HUS zone;

на фиг. 9 - сформированный кластер облучателей;in FIG. 9 - formed a cluster of irradiators;

на фиг. 10 - пример освещения видимой поверхности Земли антенной с наклонной (а) и ортогональной (б) по отношению к фокальной оси ОР.in FIG. 10 is an example of illumination of the visible surface of the Earth by an antenna with an inclined (a) and orthogonal (b) with respect to the focal axis of the OP.

Конфигурация зон обслуживания определялась с использованием программы для ЭВМ Satellite Academic Research (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Ru №2013660428).The configuration of service areas was determined using the computer program Satellite Academic Research (certificate of state registration of the computer program Ru No. 20133660428).

Исходные данные для решения поставленной задачи разделяются на три типа:The initial data for solving the task are divided into three types:

- параметры, характеризующие ориентацию спутника ретранслятора, включающие в себя широту и долготу

Figure 00000005
подспутниковой точки, углы установки бортовой антенны и высоту ИСЗ над поверхностью земли;- parameters characterizing the orientation of the repeater satellite, including latitude and longitude
Figure 00000005
the sub-satellite point, the installation angles of the onboard antenna and the satellite height above the ground;

- географические координаты границы области ГУС

Figure 00000006
где i=1…n, n - число элементов выборки точек, характеризующих область ГУС.- geographical coordinates of the boundary of the HUS area
Figure 00000006
where i = 1 ... n, n is the number of sample elements of points characterizing the HUS region.

- параметры антенной системы ретранслятора на ИСЗ, включающие в себя: форма профиля рефлектора (параболическая, эллиптическая, сферическая), фокусное расстояние (F), клиренс антенны (С), размеры раскрыва рефлектора зеркальной системы антенны и облучающих элементов ОР, расположение и ориентация облучателей на ОР, частотно-поляризационное разделение стволов передачи данных.- parameters of the antenna system of the repeater on the satellite, including: reflector profile shape (parabolic, elliptical, spherical), focal length (F), antenna clearance (C), dimensions of the aperture of the reflector of the antenna mirror system and the irradiating elements of the OR, the location and orientation of the irradiators on OR, frequency-polarization separation of data transmission trunks.

В качестве модели формы земной поверхности принимается аппроксимация в виде эллипсоида вращения (большая полуось а=Re=6378.245 км и эксцентриситет еЗ=0.081813), называемого референц-эллипсоидом. Положение наблюдателя (ЗСС) на поверхности Земли задается тремя параметрами - географической долготой

Figure 00000007
географической широтой
Figure 00000008
и высотой над уровнем референц-эллипсоида
Figure 00000009
которую для упрощения модели можно принять равной
Figure 00000010
геометрическое представление земной сферы с указанием угловых и линейных координат представлено на фиг. 4.An approximation in the form of an ellipsoid of revolution (semi-major axis a = R e = 6378.245 km and an eccentricity e З = 0.081813), called a reference ellipsoid, is taken as a model of the shape of the earth's surface. The position of the observer (ZSS) on the Earth's surface is determined by three parameters - geographical longitude
Figure 00000007
latitude
Figure 00000008
and height above the reference ellipsoid
Figure 00000009
which, to simplify the model, can be taken equal to
Figure 00000010
a geometric representation of the earth's sphere with an indication of the angular and linear coordinates is shown in FIG. four.

Линейные координаты точки наблюдателя С:Linear coordinates of observer point C:

Figure 00000011
Figure 00000011

Для определения параметров линейных координат преобразовываем исходный массив точек области ГУС из угловых координат (географическая широта и долгота) в линейные координаты XГi, YГi, ZГi, относительной геоцентрической системы координат (OXГУГZГ), где ХГi, YГi, ZГi - координаты точек области ГУС в относительной геоцентрической системы координат,

Figure 00000012
, географические координаты точек области ГУС. Далее преобразовываем в линейные координаты местоположение искусственного спутника Земли (ИСЗ) и точки прицеливания антенны. В качестве первого приближения точки прицеливания принимается центр совокупности точек, характеризующих область ГУС
Figure 00000013
Для преобразования точки прицеливания в линейные координаты ХГПР, УГПР, ZГПР используются выражения (1).To determine the parameters of linear coordinates, we transform the initial array of points in the HUS area from angular coordinates (latitude and longitude) to linear coordinates XГ i , YГ i , ZГ i , relative geocentric coordinate system (OX Г У Г Z Г ), where ХГ i , YГ i , ZГ i - coordinates of points of the HUS area in a relative geocentric coordinate system,
Figure 00000012
, geographical coordinates of points of the HUS area. Next, we convert the location of the artificial Earth satellite (AES) and the antenna’s aiming point into linear coordinates. As the first approximation of the aiming point, the center of the set of points characterizing the HUS region is taken
Figure 00000013
To convert the aiming point to the linear coordinates of CG PR , CG PR , ZG PR , expressions (1) are used.

Так как плоскость геостационарной орбиты находится в плоскости экватора, то

Figure 00000014
где
Figure 00000015
- номинальное значение долготы спутника,
Figure 00000016
- географические координаты подспутниковой точки [1], (фиг. 5).Since the plane of the geostationary orbit is in the plane of the equator, then
Figure 00000014
Where
Figure 00000015
- the nominal value of the longitude of the satellite,
Figure 00000016
- geographical coordinates of the sub-satellite point [1], (Fig. 5).

Для определения угловых координат ИСЗ в линейной системе координат OXГYГZГ вместо радиуса Земли в выражении (1) указывается расстояние от центра Земли до ИСЗ (для ИСЗ, расположенных на геостационарной орбите радиус орбиты, равен RКА=42164 км). Исходя из вышесказанного:To determine the angular coordinates of the satellite in the linear coordinate system OX Г Y Г Z Г instead of the radius of the Earth, the distance from the center of the Earth to the satellite is indicated in expression (1) (for satellites located in a geostationary orbit, the radius of the orbit is R KA = 42164 km). Based on the foregoing:

Figure 00000017
Figure 00000017

где ХГKA, YГKA, ZГKA - линейные координаты ИСЗ в системе OXГYГZГ.where CG KA , YG KA , ZG KA - linear coordinates of the satellite in the system OX G Y G Z G.

Для определения параметров наведения антенны ИСЗ используется орбитальная подвижная система координат ДХKAYKAZKA [1], (фиг. 5). Начало данной системы совмещено с центром масс спутника-ретранслятора Д, основная плоскость - плоскость орбиты, ось ДХКА является продолжением радиус-вектора из центра земной сферы в точку Д. Ось ДYКА расположена в плоскости орбиты перпендикулярно ДХКА. Ось ДZКA дополняет систему до правой системы координат.To determine the AES antenna pointing parameters, an orbital mobile coordinate system DX KA Y KA Z KA is used [1], (Fig. 5). The beginning of this system is aligned with the center of mass of the relay satellite D, the main plane is the orbit plane, the axis of the LH CA is a continuation of the radius vector from the center of the earth's sphere to point D. The axis of the DY CA is located in the orbit plane perpendicular to the LH of the spacecraft . The DZ KA axis complements the system to the right coordinate system.

Для перехода координат точек наблюдения, точки прицеливания и местоположения ИСЗ относительной геоцентрической системы координат к координатам в орбитальной подвижной системе координат используют общие соотношения аналитической геометрии в векторной форме:To transfer the coordinates of the observation points, the aiming point and the satellite’s location of the relative geocentric coordinate system to the coordinates in the orbital moving coordinate system, the general relations of analytical geometry in vector form are used:

Figure 00000018
Figure 00000018

Где

Figure 00000019
- координаты точки в первой OXYZ и во второй O1X1Y1Z1 системах координат соответственно; xц,yц,zц - координаты начала О второй системы координат в системе координат первой OXYZ; [ajk] - матрица направляющих косинусов, определяющих углы между осями рассматриваемых координатных систем.Where
Figure 00000019
- the coordinates of the point in the first OXYZ and in the second O 1 X 1 Y 1 Z 1 coordinate systems, respectively; x c , y c , z c are the coordinates of the origin O of the second coordinate system in the coordinate system of the first OXYZ; [a jk ] is the matrix of guiding cosines that determine the angles between the axes of the considered coordinate systems.

Матрица направляющих косинусов [ajk] определяется тремя независимыми параметрами, не являющимися элементами этой матрицы, но функционально с ними связанными:The matrix of guide cosines [a jk ] is determined by three independent parameters that are not elements of this matrix, but are functionally related to them:

Figure 00000020
Figure 00000020

В качестве таких параметров выбираются углы поворота системы координат OXYZ вокруг собственных осей (углы редукции) - ψx, ψy, ψz, которые при соблюдении заданного порядка реализации поворотов (маршрута реализации) обеспечивают совпадение осей обеих координатных систем при совпадении их начал [1].As such parameters, the rotation angles of the OXYZ coordinate system around its own axes (reduction angles) are chosen - ψ x , ψ y , ψ z , which, given the given order of the implementation of turns (implementation route), ensure that the axes of both coordinate systems coincide when their origin coincides [1 ].

Углы редукции используют для определения элементов матрицы (4) методом трех последовательных поворотов осей координат [3] (метод трех поворотов), основой которого являются элементарные матрицы, связывающие преобразованные и исходные координаты при раздельной реализации редукционных углов:The reduction angles are used to determine the elements of the matrix (4) by the method of three successive rotations of the coordinate axes [3] (three rotations method), the basis of which are elementary matrices linking the transformed and the original coordinates for the separate implementation of the reduction angles:

Figure 00000021
Figure 00000021

Элементы матрицы [ajk] находятся в результате перемножения элементарных матриц ΨX, ΨY, ΨZ согласно маршруту реализации.The elements of the matrix [a jk ] are found as a result of multiplying the elementary matrices Ψ X , Ψ Y , Ψ Z according to the implementation route.

Для перехода из относительной геоцентрической системы координат OXГYГZГ в орбитальную подвижную ДXКАYКАZКА и при расположении ИСЗ на ГСО выбираем следующий маршрут реализации: ψz → ψy → ψx. Так как вращение осей координат осуществляется вокруг оси OZГ системы OXГУГZГ (угол поворота определяется долготой подспутниковой точки

Figure 00000022
), согласно фиг. 5, углы редукции будут равны:
Figure 00000023
To move from the relative geocentric coordinate system OX Г Y Г Z Г to the orbital mobile ДX КА Y КА Z КА and when the satellite is located on the GSO, we choose the following implementation route: ψ z → ψ y → ψ x . Since the rotation of the coordinate axes is carried out around the axis OZ Г of the system OX Г У Г Z Г (the rotation angle is determined by the longitude of the sub-satellite point
Figure 00000022
) according to FIG. 5, the reduction angles will be equal to:
Figure 00000023

Координатами центра орбитальной системы координат в геоцентрической системе координат являются координаты ИСЗ (XГКА, YГКА, ZГКА), определенные ранее (2).The coordinates of the center of the orbital coordinate system in the geocentric coordinate system are the satellite coordinates (XG KA , YG KA , ZG KA ), defined earlier (2).

Исходя из значений координат точек области ГУС в геостационарной системе координат (1) и координат центра орбитальной системы в геоцентрической системе координат (2) с учетом выражений (3), (5) определяем координаты точек области ГУС (6) и точки прицеливания в системе координат ИСЗ (7):Based on the values of the coordinates of the points of the HUS region in the geostationary coordinate system (1) and the coordinates of the center of the orbital system in the geocentric coordinate system (2) taking into account expressions (3), (5), we determine the coordinates of the points of the HUS region (6) and the aiming point in the coordinate system AES (7):

Figure 00000024
Figure 00000024

Figure 00000025
Figure 00000025

Для углов установки антенны в системе координат КА вводим обозначения:For the antenna installation angles in the spacecraft coordinate system, we introduce the notation:

Figure 00000026
- угол подъема;
Figure 00000026
- angle of rise;

Figure 00000027
- угол бокового отклонения;
Figure 00000027
- angle of lateral deviation;

σ=σ0 - угол начального поворота антенны.σ = σ 0 is the angle of the initial rotation of the antenna.

В качестве системы координат бортовой антенны принята прямоугольная система координат OAXAYAZA. Начало координат совмещено с вершиной параболоида вращения, описывающего поверхность зеркала антенны, ось OAZA совпадает с фокальной осью, ось ОАХА лежит в плоскости симметрии зеркала и направлена от оси OAZA к верхней кромке зеркала, ось OAYA дополняет систему до правой системы координат.A rectangular coordinate system O A X A Y A Z A is adopted as the coordinate system of the airborne antenna. The origin is aligned with the vertex of the rotation paraboloid describing the surface of the antenna mirror, the axis O A Z A coincides with the focal axis, the axis O A X A lies in the plane of symmetry of the mirror and is directed from the axis O A Z A to the upper edge of the mirror, the axis O A Y A complements the system to the right coordinate system.

Представленные выше углы являются углами редукции перевода из системы координат ИСЗ ДXКАYКАZКА в систему координат антенны ОAXAYAZA, при этом: ψх=σ, ψy=ψП, ψz=ψБ, а угол начального поворота антенны задается отдельно в исходных данных, примем его σ=0. Процедура перехода определяется выражением (8).The angles presented above are the angles of reduction from the satellite coordinate system DX KA Y KA Z KA to the coordinate system of the antenna O A X A Y A Z A , while: ψ x = σ, ψ y = ψ P , ψ z = ψ B , and the angle of the initial rotation of the antenna is set separately in the source data, we take it σ = 0. The transition procedure is determined by expression (8).

Figure 00000028
Figure 00000028

где А - матрица направляющих косинусов преобразования координат из системы ДXКАYКАZКА в OAXAYAZA.where A is the matrix of direction cosines of the coordinate transformation from the system DX CA Y CA Z CA to O A X A Y A Z A.

Элементы матрицы направляющих косинусов [А] определяются порядком реализации поворотов координатных осей системы. ДXКАYКАZКА до совмещения с координатными осями системы OAXAYAZA при переносе точки Д в ОА:The elements of the matrix of guide cosines [A] are determined by the order of realization of the rotations of the coordinate axes of the system. DX KA Y KA Z KA to align with the coordinate axes of the system O A X A Y A Z A when transferring point D to O A :

Figure 00000029
Figure 00000029

Для определения угла подъема и угла бокового отклонения вводится дополнительная система координат, представляющая собой редукцию от прямоугольной системы координат ОAXAYAZA. Данная система координат характеризуется углом подъема

Figure 00000030
и углом бокового отклонения
Figure 00000031
To determine the elevation angle and the angle of lateral deviation, an additional coordinate system is introduced, which is a reduction from the rectangular coordinate system О A X A Y A Z A. This coordinate system is characterized by an elevation angle
Figure 00000030
and lateral deviation angle
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

Электромагнитные волны, распространяющиеся от каждой из точек области ГУС на поверхности Земли, представляем в виде набора геометрооптических лучей (ГО-лучей) со значением амплитуды от нуля до единицы при необходимости учета потерь трассы связи или единичной амплитуды в противном случае. При учете потерь трассы связи единичная амплитуда присваивается ГО-лучу с минимальными потерями. Амплитуда i-го ГО-луча определяется отношением потерь в направлении i-го луча к потерям в направлении ГО-луча с минимальными потерями.Electromagnetic waves propagating from each of the points of the HUS region on the Earth's surface are represented as a set of geo-optical rays (GO-rays) with an amplitude value from zero to one, if necessary, taking into account communication path losses or unit amplitude otherwise. When taking into account the losses of the communication path, a unit amplitude is assigned to the GO ray with minimal losses. The amplitude of the i-th GO-beam is determined by the ratio of losses in the direction of the i-th beam to losses in the direction of the GO-beam with minimal losses.

Определение попадания ГО-лучей в пределы зоны излучения антенной системы представляется итеративным алгоритмом:Determination of the penetration of GO rays into the radiation zone of the antenna system is an iterative algorithm:

1. Сформировать начальный набор значений углов установки антенны.1. Generate an initial set of antenna installation angles.

2. Для каждого облучателя:2. For each illuminator:

a. Определить набор значений уровня поля излучения в направлении каждого из ГО-лучей

Figure 00000033
где
Figure 00000034
- амплитудная ДН поля излучения j-го излучателя в направлении i-го ГО-луча.a. Define a set of values of the radiation field level in the direction of each of the GO rays
Figure 00000033
Where
Figure 00000034
- the amplitude MD of the radiation field of the j-th emitter in the direction of the i-th GO-ray.

b. Определить сумму элементов указанных наборов, которые превышают заданный порог ГУС: Sumj=∑i(Fj>ГУС).b. Determine the sum of the elements of these sets that exceed a given threshold of the HUS: Sum j = ∑ i (F j > HUS).

3. Для каждого облучателя определить значение весового коэффициента

Figure 00000035
Определить число используемых облучателей с отличными от нуля коэффициентами ωj и представить в виде произведения числа используемых облучателей на значение отличных от нуля коэффициентов ωj.3. For each irradiator, determine the value of the weight coefficient
Figure 00000035
Determine the number of irradiators used with non-zero coefficients ω j and present as the product of the number of irradiators used by non-zero coefficients ω j .

4. Определить эффективность использования ОР МЛГЗА при текущих углах установки антенны. В качестве целевой функции принимаем зависимость значения произведения отличных от нуля коэффициентов из набора ωj и числа, отличных от нуля, коэффициентов ωj (числа использованных облучателей) от угла установки антенны.4. To determine the effectiveness of using OR MLGZA at the current installation angles of the antenna. As the objective function, we take the dependence of the value of the product of non-zero coefficients from the set ω j and the number of non-zero coefficients ω j (the number of irradiators used) on the antenna installation angle.

5. Сохранить в памяти вычислительного устройства значение целевой функции и вектор весовых коэффициентов ωj.5. Save in the memory of the computing device the value of the objective function and the vector of weight coefficients ω j .

Повторить действия 1-5 для ближайших наборов значений углов установки антенны. Выбрать набор углов установки антенны, максимизирующий целевую функцию в зависимости от критерия поиска локального максимума. Облучатели, весовой коэффициент которых ωj не превышает заданного порога, считаем отключенными.Repeat steps 1-5 for the nearest sets of antenna installation angles. Choose a set of antenna installation angles that maximizes the objective function depending on the search criteria for the local maximum. Irradiators, the weight coefficient of which ω j does not exceed a given threshold, are considered disabled.

Реализация заявляемого способа моделировалась на ЭВМ на примере формирования кластерных зон ОР, конфигурация которой представлена на фиг. 6, МГЗА с рефлектором в виде вырезки из параболоида вращения с фокусным расстоянием F=0,7 м, клиренсом антенны С=0,2, размерами большой и малой полуосей рефлектора а=b=0,225 м и радиусов облучающих элементов R0=0,01 м для оптимального покрытия области ГУС на земной поверхности, представленной на фиг. 7. ОР расположена в фокальной области формирующего рефлектора антенны, причем ее плоскость ортогональна фокальной оси, а облучатели наклонены в плоскости OAXAZA на угол α0=35° относительно оси OAZA. Параметры ориентации спутника определяются границей ГУС и равны

Figure 00000036
Figure 00000037
σ=0°. Результат расчета конфигурации ОР (фиг 9), формирующей область ГУС, представлен на фиг. 8.The implementation of the proposed method was modeled on a computer using the example of the formation of cluster zones of OR, the configuration of which is shown in FIG. 6, MGZA with a reflector in the form of a cut from a paraboloid of revolution with a focal length F = 0.7 m, antenna clearance C = 0.2, dimensions of the major and minor axis of the reflector a = b = 0.225 m and the radii of the irradiating elements R0 = 0.01 m for optimal coverage of the HUS area on the earth surface shown in FIG. 7. The OR is located in the focal region of the forming reflector of the antenna, and its plane is orthogonal to the focal axis, and the irradiators are tilted in the plane O A X A Z A by an angle α 0 = 35 ° relative to the axis O A Z A. The satellite orientation parameters are determined by the boundary of the HUS and are equal to
Figure 00000036
Figure 00000037
σ = 0 °. The result of calculating the configuration of the PR (Fig. 9) forming the HUS region is presented in Figs. 8.

При расположении излучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси, максимумы парциальных ДН оказывается постоянным (фиг. 10,б) и несколько большими (фиг. 2) по сравнении с базовым вариантом расположения облучателей в ОР (фиг. 10,а). За счет этого ширина парциальных ДН практически постоянная при удалении от луча, близкого к фокальной оси, пересечение границ ДН локальных зон происходит так, что сами зоны оказываются пространственно разнесенными, и это позволяет покрыть одинаковую территорию земной поверхности меньшим числом облучателей (фиг. 10).When the emitters are located in a plane orthogonal to the focal axis, the maxima of the partial MDs are constant (Fig. 10, b) and somewhat larger (Fig. 2) compared with the basic arrangement of the irradiators in the OR (Fig. 10, a). Due to this, the width of partial MDs is almost constant when moving away from a beam close to the focal axis, the intersection of the boundaries of the DNs of local zones occurs so that the zones themselves are spatially spaced, and this allows covering the same territory of the earth's surface with a smaller number of irradiators (Fig. 10).

Техническим результатом, обеспечиваемым способом формирования кластерных зон облучающей решеткой многолучевой гибридной зеркальной антенны, является выравнивание по интенсивности плотности потока мощности при покрытии заданной области ГУС на земной поверхности, причем меньшим числом облучателей.The technical result provided by the method of forming cluster zones by the irradiating array of a multi-beam hybrid mirror antenna is an equalization in intensity of the power flux density when covering a given HUS region on the earth's surface, with a smaller number of irradiators.

Предлагаемый способ формирования кластерных зон облучающей решетки многолучевой гибридной зеркальной антенны можно рассматривать как новый способ формирования кластерных зон ОР для лучшего покрытия заданной области ГУС на земной поверхности с использованием меньших средств. Использование в качестве рефлектора вырезки из любой иной поверхности второго порядка не накладывает ограничения на предложенный способ, т.е. заявленное решение является для любых рефлекторов, формирующих многолучевую диаграмму направленности или предназначенных для обеспечения сканирования путем попеременной коммутации лучей, сформированных кластером.The proposed method for the formation of cluster zones of the irradiating array of a multi-beam hybrid mirror antenna can be considered as a new method of forming cluster zones of ORs for better coverage of a given HUS region on the earth's surface using smaller means. The use of cuttings from any other second-order surface as a reflector does not impose restrictions on the proposed method, i.e. The claimed solution is for any reflectors that form a multi-beam radiation pattern or are designed to provide scanning by alternately switching beams formed by a cluster.

Источники информацииInformation sources

1. Машбиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Горячая линия - Телеком, 2009.1. Mashbits L.M. Computer mapping and satellite communication areas. - 2nd ed., Revised. and add. - M: Hotline - Telecom, 2009.

2. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. - М.: Связь, 1978.2. Borovikov V.A., Kinber B.E. The geometric theory of diffraction. - M.: Communication, 1978.

3. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М.: Наука, 1972.3. Vygodsky M.Ya. Handbook of Higher Mathematics. - M.: Science, 1972.

4. Сомов A.M., Волгаткин К.М., Ласкин Б.Н. Бортовая антенна для спутниковых радиосистем с сотовой конфигурацией зон обслуживания. - М., Труды НИИР №1 2012.4. Somov A.M., Volgatkin K.M., Laskin B.N. On-board antenna for satellite radio systems with a cellular configuration of service areas. - M., Transactions of NIIR No. 1 2012.

Claims (1)

Способ формирования кластерных зон облучающей решеткой многолучевой гибридной зеркальной антенны с зеркалом в виде неосесимметричной вырезки из параболоида вращения и облучающей решетки, нормаль к плоскости раскрыва которой и продольные оси облучателей наклонены относительно фокальной оси образующего зеркало параболоида, заключающийся в отображении географических координат (широты и долготы) точек, равномерно распределенных по области зоны гарантированного уровня сигнала (ГУС) в линейную систему геоцентрических координат, последовательном переводе линейных координат области ГУС в систему линейных координат бортовой антенны, далее в азимут-угломестную систему координат антенны и отображении электромагнитных волн, распространяющихся от каждой из точек области ГУС на поверхности Земли, в виде геометрооптических лучей (ГО-лучей) равной амплитуды, определение парциальных диаграмм направленности (ДН) бортовой антенны в азимут-угломестной системе координат бортовой антенны, отличающийся тем, что плоскость раскрыва кластера облучателей, формирующего парциальные диаграммы излучения антенны, устанавливают ортогонально фокальной оси параболоида, формирующего зеркало антенны, а результирующий кластер устанавливают так, что ГО-лучи располагаются в пределах главного лепестка каждой из парциальных ДН антенны, при этом центральный облучатель формируемой области кластерной группы устанавливают в области, близкой к фокальной оси параболоида, а периферийные облучатели, окружающие центральный облучатель, устанавливают так, что их ДН перекрывают оставшуюся часть проекций ГО-точек в азимут-угломестной системе координат антенны до полного формирования области ГУС. A method of forming cluster zones by an irradiating array of a multi-beam hybrid mirror antenna with a mirror in the form of a non-axisymmetric notch from a paraboloid of revolution and an irradiating array, the normal to the aperture plane of which and the longitudinal axis of the irradiators are inclined relative to the focal axis of the paraboloid forming the mirror, which consists in displaying geographical coordinates (latitude and longitude) points uniformly distributed over the area of the zone of the guaranteed signal level (HUS) in a linear system of geocentric coordinates, the last translate the linear coordinates of the HUS region into the linear coordinate system of the onboard antenna, then into the azimuth-elevation coordinate system of the antenna and display the electromagnetic waves propagating from each of the points of the HUS region on the Earth's surface in the form of geometrical optical rays (GO rays) of equal amplitude, definition of partial radiation patterns of the on-board antenna in the azimuth-elevation coordinate system of the on-board antenna, characterized in that the aperture plane of the cluster of irradiators forming the partial antenna radiation agrams are set orthogonally to the focal axis of the paraboloid forming the antenna mirror, and the resulting cluster is set so that GO rays are located within the main lobe of each of the partial antenna beams, while the central irradiator of the formed region of the cluster group is set in a region close to the focal the axis of the paraboloid, and the peripheral irradiators surrounding the central irradiator are set so that their MDs overlap the remainder of the projections of the GO points in the azimuth-elevation system antenna coordinates relating to full formation region HUS.
RU2014153523/28A 2014-12-29 2014-12-29 Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna RU2578289C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014153523/28A RU2578289C1 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014153523/28A RU2578289C1 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2578289C1 true RU2578289C1 (en) 2016-03-27

Family

ID=55656583

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014153523/28A RU2578289C1 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2578289C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109828234A (en) * 2019-01-18 2019-05-31 中国久远高新技术装备公司 A kind of heterologous optical platform is to extraterrestrial target fusion and positioning method
CN110736959A (en) * 2019-10-25 2020-01-31 北京理工大学 planar co-prime array design method based on sum-difference cooperative array construction
RU2727860C1 (en) * 2019-05-24 2020-07-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Method of stabilizing beams of satellite multi-beam hybrid mirror antenna based on signals from offset ground beacons

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2624398C2 (en) * 1976-05-31 1978-04-06 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Phased antenna system
SU1181020A1 (en) * 1984-03-30 1985-09-23 Предприятие П/Я А-1836 Bifocal cassegrainian aerial
RU2080711C1 (en) * 1994-04-15 1997-05-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Multiple-beam mirror antenna
RU2352033C1 (en) * 2007-07-20 2009-04-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Hybrid optical-type antenna with dilated angles of areal scanning
RU2392707C1 (en) * 2009-01-28 2010-06-20 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Hybrid mirror scanning antenna for multi-mode space synthetic aperture radar

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2624398C2 (en) * 1976-05-31 1978-04-06 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Phased antenna system
SU1181020A1 (en) * 1984-03-30 1985-09-23 Предприятие П/Я А-1836 Bifocal cassegrainian aerial
RU2080711C1 (en) * 1994-04-15 1997-05-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Multiple-beam mirror antenna
RU2352033C1 (en) * 2007-07-20 2009-04-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Hybrid optical-type antenna with dilated angles of areal scanning
RU2392707C1 (en) * 2009-01-28 2010-06-20 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Hybrid mirror scanning antenna for multi-mode space synthetic aperture radar

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109828234A (en) * 2019-01-18 2019-05-31 中国久远高新技术装备公司 A kind of heterologous optical platform is to extraterrestrial target fusion and positioning method
CN109828234B (en) * 2019-01-18 2020-12-15 中国久远高新技术装备公司 Method for fusing and positioning space target by heterogeneous optical platform
RU2727860C1 (en) * 2019-05-24 2020-07-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Method of stabilizing beams of satellite multi-beam hybrid mirror antenna based on signals from offset ground beacons
CN110736959A (en) * 2019-10-25 2020-01-31 北京理工大学 planar co-prime array design method based on sum-difference cooperative array construction
CN110736959B (en) * 2019-10-25 2021-07-09 北京理工大学 Planar co-prime array design method based on sum-difference cooperative array construction

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2923897T3 (en) 1D Phased Array Antenna for Radar and Communications
Zhang et al. A Gaussian beam approximation approach for embedding antennas into vector parabolic equation-based wireless channel propagation models
Baars The paraboloidal reflector antenna in radio astronomy and communication
RU2578289C1 (en) Method of forming cluster zones of irradiating grid of multi-beam hybrid mirror antenna
ES2462528T3 (en) Antenna reflector
Reyna et al. Design of concentric ring antenna arrays for isoflux radiation in GEO satellites
RU2354590C2 (en) Method of controlling orientation of geostationary spacecraft equipped with beacon
Maldonado et al. On the design of concentric ring arrays for isoflux radiation in MEO satellites based on PSO
Egarguin et al. Adaptive beamforming using scattering from a drone swarm
RU2558959C2 (en) Method for monitoring collocation at geostationary orbit
RU2412547C2 (en) Development method of global satellite system of information broadcasting between low-orbiting spacecrafts and ground receiving-and-transmitting stations by using satellites-retranslators on geostationary orbit
JPH0654843B2 (en) Multi-frequency band shared antenna
Zhu et al. Research on the disturbance of ballistic missile to ionosphere by using 3D ray tracing method
Albagory et al. High-Altitude Platforms Cellular System for Sparsely Populated Areas
Kirshina et al. Generalized Mathematical Model of Ground Radio Line of Communication
RU2509399C1 (en) Multibeam antenna array for satellite communication system
Dubner et al. 1410 MHz continuum and HI line observations towards the SNR G296. 5+ 10.0 and nearby sources-Evidences of two SNRs tunneling through the interstellar medium
Straub Radio wave propagation
Bolli et al. Basic element for square kilometer array training (BEST): Evaluation of the antenna noise temperature
RU2695810C1 (en) Radio suppression station for receiving equipment of reflecting satellite of low-orbit satellite communication system
Fernández-Niño et al. Ionospheric Signal Propagation Simulator for Earth Observation Missions
US10601143B2 (en) Antenna apparatus
Otsuru et al. Efficient Antenna Tracking Algorithm for HAPS Ground Station in Millimeter-Wave
Turner et al. Performance Bounds for Cooperative Localisation in Starlink
RU2664870C1 (en) Non-inclined multiple multi-beam band double-reflector antenna

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201230