Информационно-управляющая система устройствами согласования антенно-фидерного комплекса с фазированной антенной решёткой

Актуальность темы

исследования.

При создании нового поколения антенн в современных условиях особое внимание уделяется разработке фазированных антенных решеток (ФАР) с возможностью размещения в неподготовленных специально местах, включая площадки с ярко выраженной неоднородностью подстилающей поверхности антенны по геометрическим и (или) электрофизическим свойствам. Применение нескольких устройств согласования (УС) для излучателей, которые находятся в ближней зоне друг друга, приводит к повышению сложности систем управления и алгоритмов их работы. В этих условиях необходимым и актуальным является создание методики построения численных моделей для нескольких устройств согласования, входящих в состав антенно-фидерного комплекса (АФК) с ФАР, а также быстродействующих алгоритмов управления, обеспечивающих согласование каждого из излучателей ФАР с выходом передатчика. Актуальность подобной научно-технической проблемы была отмечена в [2,6,11,12,21,47,64,73,80].

Степень разработанности представленной темы диссертации определяется развитием основных подходов к решению данной проблемы, среди которых можно выделить вычислительный и поисковый.

Вычислительный подход заключается в электродинамическом анализе конструкции излучателей, входящих в состав ФАР. Эти вопросы рассматривались в трудах Г. З. Айзенберга, Е. Галлена (Е. Hallen), Р. Ф. Харрингтона (R.F. Harrington), В. В. Юдина и других ученых. Основа этих методов состоит в создании математических моделей на основе дифференциальных и интегральных уравнений с точным ядром, а также интегральных уравнений фредгольмовского типа первого и второго рода. Несмотря на то, что решения этих уравнений позволяют получать значения комплексных сопротивлений излучателей, а также не имеют ограничений на параметры сред, в которых находятся антенные устройства, они являются неудобными с точки зрения их практической реализации в конкретных условиях функционирования мобильной ФАР. Их неудобство заключается в сложности создания адекватных физической реальности математических моделей и их последующей идентификации [93].

Поисковый подход основан на том, что происходит плавное изменение (или последовательная коммутация) значений элементов согласующей цепи на всем множестве состояний функционирования УС с последующим измерением характеристик согласования антенны. Разработкой практических методик, основанных на данном подходе, занимались В. Ю. Бабков, В. В. Полевой, И. Ю. Хлопушин и др.

При относительной простоте подобной методики, ее недостатком для АФК с ФАР является большое пространство поиска оптимальных управляющих воздействий (УВ) даже при небольшом количестве излучателей в антенной решетке. Подобное свойство поисковых методов приводит к увеличению времени, которое затрачивается на развертывание и подготовку радиостанции к работе, и к потере контроля допустимых величин коэффициентов передачи УС, что делает практически недопустимым их использование в мобильных комплексах связи.

В значительной части эти исследования охватывают вопросы определения состояний функционирования УС, обеспечивающих допустимый режим бегущих волн в фидере, не учитывая при этом их передаточные характеристики, при найденных управляющих воздействиях.

Объектом исследования является информационно-управляющая система устройствами согласования, входящими в состав мобильных АФК с ФАР.

Предметом исследования является методическое, алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющей системы устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, и работающих в неподготовленных специально местах, включая площадки с неоднородностью подстилающей поверхности излучателей по геометрическим и (или) электрофизическим свойствам.

Целью диссертационной работы является повышение суммарного коэффициента передачи устройств согласования, входящих в состав мобильного АФК с ФАР, которое достигается в результате новой постановки задачи определения УВ устройств согласования, а также разработки методического, алгоритмического и программного обеспечения ИУС УС мобильных АФК с ФАР, позволяющего находить ее решение. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— произвести структурный анализ параметров АФК с ФАР в процессе управления устройствами согласования;

— сформулировать задачу определения управляющих воздействий устройств согласования АФК с ФАР;

— разработать методику решения задачи определения управляющих воздействий устройств согласования мобильных АФК с ФАР;

— разработать ИУС устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, ее алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее методику решения задачи определения управляющих воздействий устройств согласования АФК с ФАР.

Методы исследования.

В работе использованы методы электродинамического моделирования антенных структур, основы теории нейронных сетей, методы эволюционной стохастической оптимизации, метод наведенных ЭДС, приемы когнитивной графики, системного анализа.

Научная новизна.

1. Сформулирована задача определения управляющих воздействий устройств согласования, представленная в виде задачи оптимизации, решение которой определяет состояния функционирования АФК с ФАР, характеризуемые согласованием каждого из излучателей антенной решетки с выходом передатчика и повышенным суммарным коэффициентом передачи устройств согласования.

2. Разработана методика определения управляющих воздействий устройств согласования, обеспечивающая решение сформулированной задачи в результате сокращения области поиска, осуществляемого нейросетевой моделью АФК при изменении свойств подстилающей поверхности ФАР.

3. Разработано алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы, реализующее методику определения управляющих воздействий устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, предусматривающее последовательное выполнение двух этапов: а) этапа поиска состояний функционирования АФК, при которых управляющие воздействия принадлежат области возможного решения задачиб) оптимизации управляющих воздействий устройств согласования методом дифференциальной эволюции.

4. Разработана информационно-управляющая система устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, включающая блоки, реализующие алгоритмическое обеспечение процесса решения задачи определения управляющих воздействий.

Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что: разработана структурная модель взаимного влияния параметров АФК с ФАР в процессе управления УСсформулирована задача определения управляющих воздействий устройств согласования АФК с ФАРизложены и раскрыты основные этапы методики решения задачи определения УС АФК с ФАР. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, а именно методов системного анализа, многомерной оптимизации, теории нейронных сетей Практическая значимость.

Разработано программное обеспечение для имитационных исследований АФК с ФАР, которое было использовано в учебном процессе кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» при проведении практических занятий по дисциплинам «Устройства автоматики в системах радиосвязи» и «Автоматические устройства согласования антенн».

Разработано программное обеспечение ИУС, реализующее методику определения управляющих воздействий УС мобильных АФК с ФАР, позволяющее проводить исследования в области:

— архитектурных решений, применяемых при создании нейросетевых моделей (НС) АФК с ФАР;

— алгоритмов идентификации НС моделей и их влияния на скорость и качество обучения нейронных сетейдетального определения влияния параметров метода дифференциальной эволюции (МДЭ) на результат решения сформулированной задачи оптимизации при различных видах дестабилизирующих воздействий на излучатели антенных решеток;

— применимости отличных от представленного метода решения сформулированной задачи оптимизации, а также оценки их влияния на скорость и качество получаемого решения.

Реализация работы. Результаты исследований использовались при решении практических задач в ОАО «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «Эфир», ОАО «Тамбовский завод «Ревтруд» и ОАО «Тамбовский завод «Октябрь», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Положения, выносимые на защиту:

1. Постановка задачи определения управляющих воздействий устройств согласования мобильных АФК с ФАР.

2. Методика решения задачи определения управляющих воздействий устройств согласования мобильных АФК с ФАР.

3. Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы устройств согласования мобильных АФК с ФАР.

4. Информационно-управляющая система устройствами согласования мобильных АФК с ФАР.

Степень достоверности обусловлена сходимостью результатов теоретического исследования с результатами имитационного моделирования.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались на 1-й международной научно-практической конференции «Наука и бизнес: пути развития», 2009 г., Тамбов, П-ой международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и перспективы развития» 2010 г, Тамбов.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них: 7 статей (6 статей в изданиях из перечня ВАК для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук), 3 тезиса доклада, 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов по главам, заключения, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 130 страницах, содержит 49 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений.

Список используемых источников

состоит из 113 наименований.

Выводы по третьей главе.

1. Предложено в качестве быстродействующей модели, которая позволяла бы определять значения КСВ каждом из каналов, по значениям вперед устройств согласования использовать искусственные нейронные сети .

2. Для исследуемого в диссертации АФК с ФАР проведены следующие этапы идентификации НС модели:

— сбор данных для обучения;

— подготовка и нормализация данных;

— определение архитектуры НС;

— обучение НС;

— проверка результатов обучения;

3. В результате исследования зависимости значения средней абсолютной ошибки НС модели (е) от объема обучающей выборки установлено, что:

— при объеме обучающей выборки 1800 примеров величина е не превышает значение 0,05. При условии, что НС модель обучается впервые для ФАР с «идеально» расположенными излучателями;

— при смещении некоторых из излучателей, относительная ошибка ранее полученной НС модели может превышать 10%;

— при повторной идентификации ранее обученной НС модели этот процесс протекает быстрее. Для случая ФАР с измененным положением излучателей (рисунок 38) средняя абсолютная ошибка сети с не превышает уровня 0.08 при объеме обучающей выборки в 400 примеров.

4. Предложено идентификацию нейросетевой модели и поиск СФ с ОВР осуществлять при помощи алгоритма, блок-схема которого представлена на рисунке 40. Особенность разработанного алгоритма состоит в том, что обучение нейронной сети и последующее ее использование в качестве функциональной модели для определения СФ с ОВР, представлены в виде двух параллельных процессов.

5. Для рассматриваемого объекта исследования получена матрица СФ с ОВР, представленная в приложении В.

6. Предложено решить сформулированную задачу оптимизации УВ методом дифференциальной эволюции, структурная схема использования которого представлена на рисунке 42. Для этого разработан алгоритм кодирования управляющих воздействий, блок-схема которого изображена на рисунке 41.

7. Проведено исследование влияния параметров метода дифференциальной эволюции на скорость определения оптимальных значений УВ. В результате которого можно установлено, что количество итераций управляющих воздействий устройствами согласования АФК с ФАР определяется:

— количеством найденных СФ с ОВР;

— ЧИСЛОМ поколений gmax',.

— количеством индивидуумов популяции <2Р.

При этом выбор значений коэффициента, управляющего усилением дифференциальных вариаций (Р) и коэффициента, управляющего вероятностью выбора мутированного значения (Сг) необходимо также осуществлять в зависимости от размерности матрицы СФ с ОВР.

8. На основе алгоритмического обеспечения разработана структурная схема ИУС устройствами согласования АФК с ФАР и определены режимы ее работы.

9. В результате исследования ИУС УС на численной модели АФК с ФАР установлено: а) ее применение обеспечивает согласование выхода передатчика с излучателями рассматриваемой кольцевой ФАРи б) при решении задачи оптимизации УВ повышается суммарный коэффициент передачи на 4,65%, по сравнению с аналогичным показателем, полученным на этапе поиска СФ с ОВР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы:

1. Сформулирована задача определения управляющих воздействий устройств согласования, представленная в виде задачи оптимизации, решение которой определяет состояния функционирования АФК с ФАР, характеризуемые согласованием каждого из излучателей антенной решетки с выходом передатчика и повышенным суммарным коэффициентом передачи устройств согласования.

2. Приведен структурный анализ параметров АФК с ФАР в процессе управления устройствами согласования и получена математическая модель взаимодействия параметров АФК в процессе управления УС ФАР.

3. Разработана и реализована в программном виде численная модель АФК с ФАР, позволяющая получать параметры каждого из каналов АФК при:

— наличии модели ФАР, созданной в программе БирегИЕС 2.9;

— заданных управляющих воздействиях для каждого из устройств согласования.

4. Разработана методика определения управляющих воздействий устройств согласования, обеспечивающая решение сформулированной задачи в результате сокращения области поиска, осуществляемого нейросетевой моделью АФК при изменении свойств подстилающей поверхности ФАР.

5. Разработано алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы, реализующее методику определения управляющих воздействий устройствами согласования мобильных АФК с ФАР, предусматривающее последовательное выполнение двух этапов: а) этапа поиска состояний функционирования АФК, при которых управляющие воздействия принадлежат области возможного решения задачиб) оптимизации управляющих воздействий устройств согласования методом дифференциальной эволюции.

6. Разработана информационно-управляющая система устройствами согласования мобильных АФК с ФАР включающая блоки, реализующие алгоритмическое обеспечение процесса решения задачи определения управляющих воздействий.

7. Проведено исследование применения разработанной ИУС УС на численной модели АФК с ФАР. Исследования показали, что использование методики определения УВ УС АФК с ФАР и разработанной на ее основе информационно-управляющей системы позволяют повысить на 4,65% суммарный коэффициент передачи устройств согласования кольцевой ФАР, по сравнению со значением, полученным при применении поискового алгоритма определения управляющих воздействий УС.

В результате выполнения диссертационной работы решена задача определения управляющих воздействий УС АФК с ФАР, обеспечивающая повышение суммарного коэффициента передачи устройств согласования.

Решение научной задачи соответствует области исследования, согласно пункту 6 паспорта специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы» (технические науки).

Основным результатом диссертационной работы является разработанная методика решения задачи определения УВ УС мобильных АФК с ФАР. Алгоритм работы ИУС, работающей с использованием данной методики, отличается от вычислительных и поисковых алгоритмов и состоит в том, что первоначально выделяются множества управляющих воздействий, при которых обеспечивается допустимый режим бегущих волн в фидерной системе. Затем в результате решения задачи оптимизации из найденного множества выделяются управляющие воздействия, при которых суммарный коэффициент передачи максимален.

Использование нейронной сети в качестве настраиваемой модели АФК с ФАР, с практической точки зрения, позволяет располагать излучатели неподготовленных специально местах, включая площадки с ярко выраженной неоднородностью подстилающей поверхности антенны по геометрическим и (или) электрофизическим свойствам, что является повышением адаптивных свойств антенно-фидерного комплекса с ФАР в целом.

Предложенные алгоритмы решения задачи определения УВ УС АФК с ФАР обладают синергетическим эффектом, поскольку использование только стохастических методов оптимизации на объекте управления требует больших временных затрат. Построение прогнозирующей модели на базе нейросетевых технологий с последующим поиском оптимальных значений УВ (а не СФ с ОВР, как предложено в диссертации) для УС АФК с ФАР является сложной задачей, для решения которой необходим либо большой объем обучающей выборки (влияющей на время решения поставленной задачи), либо подбор и исследование специальных архитектурных решений при построении нейронной сети.

Предметом дальнейших исследований могут служить: — архитектурные решения, применяемые при создании нейросетевой модели АФК с ФАР и границы их применимости;

— методики идентификации НС моделей и их влияние на скорость и качество обучения;

— более детальное исследование влияния параметров МДЭ на результат решения сформулированной задачи оптимизации и формулировка практических рекомендаций по их выбору;

— исследование отличных от представленного метода решения сформулированной задачи оптимизации и их влияние на скорость и качество получаемого решения.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

DDS — Direct Digital Synthesizers;

АФК — антенно-фидерный комплекс;

БД — база данных;

БУ — блок управления;

ГА — генетический алгоритм.

ДМ — делитель мощности;

ДН — диаграмма направленности;

ИУС — информационно-управляющая система;

КБВ — коэффициент бегущей волны;

КСВ — коэффициент стоячей волны;

КФАР — кольцевая фазированная антенная решетка;

МДЭ — метод дифференциальной эволюции;

НС — нейронная сеть;

ОВР — область возможного решения;

ОП — обучающие примеры.

ПК — персональный компьютер;

ПРД — передатчик;

СУБД — система управления базами данных;

СУС — совокупность устройств согласования;

СФ — состояние функционирования;

СЦ — согласующая цепь;

УВ — управляющее воздействие;

УС — устройство согласования;

ФАР — фазированная антенная решетка;

ФВ — фазовращатель;

ФНЧ — фильтр нижних частот;

ШСУ — широкополосное согласующее устройство;

ЭДС — электродвижущая сила.