Современные телекоммуникации распространяются все дальше от крупных городов и промышленных центров. Многие добывающие и транспортные компании развивают свои корпоративные инфокоммуникационные сети, охватывающие многие предприятия, разбросанные по территории нашей страны и за ее пределами. Многие из них расположены в труднодоступных районах, где государственная инфраструктура связи практически отсутствует. Специфика производств компании характеризуется широким использованием средств автоматизации, нуждающихся в надежных, высокоскоростных цифровых каналах связи. Кроме того, многие отрасли являются потенциально опасными для окружающей среды и людей и не могут функционировать без постоянного и надежного взаимодействия с соответствующими государственными службами. Но главное — то, что в современных условиях без собственной, постоянно совершенствуемой системы связи эффективно управлять всем этим огромным, разноплановым хозяйством чрезвычайно сложно. Это также справедливо и для оборонных структур, которые располагаются на больших территориях, включая корабли, авиацию и другие подвижные объекты.
На первом этапе организации сети, в условиях отсутствия стационарных передатчиков и проводных линий связи, спутниковая связь позволяет организовать передачу информации на больших расстояниях и в труднодоступных местах.
В связи с этим, многие транспортные компании, занимающиеся морскими, железнодорожными и другими видами перевозок, проявляют большой интерес к обеспечению своего транспорта современными средствами спутниковой связи.
Работа посвящена исследованию возможностей повышения надежности и быстродействия системы управления корабельной станции спутниковой связи Центавр-НМ-1 и разработке цифрового алгоритма ее функционирования. Полученные результаты призваны повысить общую эффективность вычислительных процессов объекта исследования.
Ниже приводятся основные технические характеристики станций предыдущего поколения, построенных на основе аналоговых принципов обработки сигналов, с диаметром рефлектора антенны 2,6 м. (модель «ОРТ-2.6-С») и с диаметром 1,5 м. (модели «ОРТ- 1,5» -С, -К). Для сравнения также приведены характеристики американской станции модели 8885 с диаметром зеркала 2,24 м. фирмы SEA TEL (см. [1]).
Параметры «ОРТ-2.6-С» «ОРТ- 1,5» (-С, -К) мод. 8885.
Диапазон «С».
Частота ГГц 3,7—4,2 3,7−4,2 (-С) 3,7−4,2.
Минимальная принимаемая мощность (e.i.r.p. Level, min), дБ-Вт 28 36 32.
Конвертор с температурой шумов, К 17 17 25.
Диапазон «К».
Частота ГГц — 10,9—11,7 (-К) 10,9—11,7.
Минимальная принимаемая мощность (e.i.r.p. Level, min), дБ-Вт 41 38.
Конвертор с шумами, дБ 0,8 1,2.
Точность наведения антенны на спутник, у гл. град. од 0,1 1,0.
Физические характеристики:
Диаметр антенны, м 2,6 1,5 2,24.
Диаметр радиопрозрачного укрытия (РПУ), м 3,4 2,1 2,8.
Масса антенного поста с РПУ (надпалубная часть станции), кг 350 180 292.
Углы поворота антенны, у гл. град.: — по азимуту — угол возвышения ±900 от -20 до +200 ±900 от-20 до+120 ±270 от 0 до +90.
Требования по электропитанию 110/220 В- 47−60 Гц 110/220 В- 47−60 Гц 110/220 В- 47−60 Гц.
Потребление, Вт До 200 До 200 До 400 (при разгоне гиромоторов в течение 5 мин — до 1000 Вт).
Условия эксплуатации станций (соответствуют Standart-A) при качке судна с амплитудой до ±30°:
Скорость разворота судна, °/с До 6 Доб Доб.
Линейная скорость судна, узлы До 30 До 30 До 30.
Скорость ветра, м/с До 56 До 56 До 56.
Диапазон температур, °С от -40 до +55 от -40 до +55 от -40 до +55.
Относительная влажность, % при 40 °C До 95 До 95 До 95.
Оборудование передачи данных, применяемое на станции, может иметь различное назначение, такое как прием спутникового телевидения и организация различных видов спутниковой связи. Оборудование корабельной станции спутниковой связи отличается от стационарного аналога:
• специальными ограничения габаритов, как самой станции, так и антенных постов;
• повышенными требованиями к надежности и отказоустойчивости элементной базы и отдельных подсистем;
• наличием системы стабилизации.
В разработку таких систем большой вклад в разное время внесли такие ученые, как Салычев О. С., Пешехонов В. Г., Ильшинский А. Ю., Кузнецов В. Д., Слив Э. И., Ведерников А. А., Дивавин Г. В., Чарышев Ш. В., Ривкин С. С., Поплавский М. А.. и др.
Если станция установлена на мобильном объекте, качество передачи информации по каналу спутниковой связи напрямую зависит от качества удержания антенным постом станции спутниковой связи линии визирования.
Принципиальной особенностью системы управления корабельной станции спутниковой связи (СУССС), влияющей на ее надежность и компактность является способ обработки сигнала, поступающего с датчиков позиционирования. Поэтому для повышения надежности и компактности СУССС целесообразно избрать такой способ обработки входного и формирования управляющего сигналов, который совместно с современными оптическими датчиками ориентации позволит серьезно повысить потребительские качества системы, качество обработки информации и удобство проектирования.
В настоящее время повышается роль цифровой обработки сигналов в различных приложениях теории связи и теории автоматизированных систем управления. Это связано в первую очередь с постоянным повышением производительности и удешевлением современных средств вычислительной техники, а также с более широким и повсеместным использованием этих средств для решения актуальных научно-технических и производственных задач. Переход от аналоговой обработки сигналов к цифровой диктуется возросшими потребностями в применении компьютерных систем для передачи и обработки информации. Различные, порой довольно сложные, способы представления, хранения и обработки информации не могут быть реализованы с использованием аналоговой техники не только из-за представления информации в цифровой форме, но и из-за трудности обработки такой информации аналоговыми средствами. Это относится к различным областям применения цифровых систем, в том числе для управления системами стабилизации.
Особенно широко цифровая обработка информации используется в системах телекоммуникаций. Она может использоваться при кодировании и сжатии информации перед её передачей, восстановлении принятой искажённой информации. Также цифровая обработка эффективна при сокращении избыточности (сжатии) информации.
Область разработки СУССС имеет устойчивую тенденцию к миниатюризации своей продукции в соответствии с современными требованиями компактности, надежности и мобильности такой аппаратуры. Этого можно добиться за счет полного отказа от громоздких аналоговых комплектующих в пользу цифровых средств обработки сигнала, т. е. максимальным использованием возможностей надежных и миниатюрных цифровых сигнальных процессоров.
К настоящему времени многие производители развернули производство цифровых сигнальных процессоров и средств цифровой обработки сигналов с гораздо более высокой производительностью и возможностями программирования, производительность и возможности программирования которых постоянно расширяются.
Таким образом, ввиду того, что в области проектирования СУССС в нашей стране только начинается широкое использование цифровых технологий, практически отсутствуют реализованные разработки, а также, если принять во внимание растущий интерес к средствам связи в области мобильных телекоммуникаций, задачи, поставленные в этой работе, становятся очень актуальными. Круг вопросов, охватывающих анализ условий работы СУССС и использование новых методов и средств обработки сигнала в них определяет необходимость значительного повышения качества вычислительных систем, систем стабилизации и навигации и охватывает актуальные задачи, составляющие предмет специальных исследований, отраженных в материалах диссертации.
Таким образом, актуальность поставленной задачи определяется:
1. Необходимостью создания и совершенствования систем телекоммуникаций, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их качеству и надежности при размещении на подвижном основании;
2. Слабой теоретической и экспериментальной изученностью применения цифровых технологий в системах управления и стабилизации спутниковых приемопередающих устройств.
Цель работы.
Проведенный анализ состояния вопроса позволяет сформулировать цели и задачи диссертации. Целью настоящей работы является разработка принципиально новой системы управления корабельной станцией спутниковой связи с использованием в качестве вычислительных средств цифровых сигнальных процессоров. За счет применения научно обоснованных моделей движения и средств цифровой обработки сигнала предполагается достичь повышения качества связи, скорости передачи данных, надежности, уменьшения габаритов и достижения большего удобства настройки и переналадки системы управления корабельной станции спутниковой связи. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Сравнительный анализ характеристик моделей современных сигнальных процессоров.
2. Разработка математической модели подсистемы стабилизации с тремя степенями свободы на основе волоконно-оптических гироскопов.
3. Разработка алгоритма функционирования системы управления корабельной станции спутниковой связи.
4. Проведение моделирования процессов обработки сигналов в системе с целью проверки качества разработанной системы управления.
5. Создание программного модуля функционирования системы управления, реализующего разработанный алгоритм.
6. Реализация полученных результатов в образце станции спутниковой связи.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы математического моделирования, теории систем, математической теории управления, а также экспериментальные исследования.
Научная новизна.
Получены следующие основные научные результаты:
1. Математическая модель трехосной пространственной стабилизации спутниковой антенны, основанная на использовании средств цифровой обработки сигналов и оптических датчиков положения.
2. Алгоритм управления корабельной станцией спутниковой связи с возможностью корректировки параметров системы в процессе работы.
3. Результаты моделирования процессов в системе с непрерывным и с дискретным корректирующим устройством при различных способах квантования.
Практическая ценность работы заключается в улучшении качества связи и повышении скорости передачи данных, создании оригинальной методики оценки и коррекции ошибок углов ориентации (тангажа, крена и курса) для системы управления корабельной станцией спутниковой связи с использованием ВОГ, разработке алгоритма стабилизации положения системы с помощью методов цифровой обработки сигналов.
Разработано оригинальное программное обеспечение для оценки ошибок углов ориентации и их коррекции путем формирования управляющего воздействия для системы ориентации комплекса.
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, подтверждается адекватностью математических моделей, что выявлено при проведении экспериментальных исследованийсравнением полученных результатов с известными из литературных источниковрезультатами внедрения разработанных методов и рекомендаций в практику.
Реализация результатов и предложения об использовании.
Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при выполнении ОКР «Центавр-Н» и ряда других ОКР и НИР при непосредственном участии автора.
Разработанные алгоритмы, программные модули, конкретные технические решения внедрены при разработке малогабаритной станции спутниковой связи сантиметрового диапазона для надводных кораблей и судов, а также стационарной станции спутниковой связи.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: Международная конференция «Надежность и качество», Пенза, 2003 г.- «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», Сочи, 2003, 2004 г.- International conference on information and telecommunication technologies in intelligent systems. May 2004. Lloret De Mar, Spain.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе, 7 статей, 2 тезисов докладов.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель системы стабилизации антенного поста корабельной станции спутниковой связи;
2. Алгоритм функционирования системы управления корабельной станции спутниковой связи;
3. Результаты моделирования процессов обработки сигналов в системе управления с целью проверки качества разработанной системы управления.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации и списка литературы. В приложении приведены акты внедрения.
Результаты работы позволяют продолжить исследования, связанные с применением сигнальных процессоров в системах телекоммуникаций. Возможен дальнейший отказ от аналоговых элементов с передачей их функций цифровым, что и будет проделано в ближайшее время. Эти изменения приведут к дальнейшей миниатюризации установки и повышению её потребительских качеств.
Все найденные в работе решения были реализованы в опытном образце корабельной станции спутниковой связи «Центавр-Н» -малогабаритной контейнерной станции спутниковой связи сантиметрового диапазона для надводных кораблей и судов. Эта станция предназначена для организации всех видов устойчивой спутниковой связи на корабле в условиях предельных ветро-волновых волнений. Станция успешно прошла испытания в ходе проводившихся в 2004 году учений ВМФ РФ.
Заключение
.
Создание в данное время систем управления станциями спутниковой связи на базе сигнальных процессоров обещает в ближайшее время полный переход в этой области на цифровую обработку сигналов. Преимущества использования цифровых сигнальных процессоров вместе с волоконно-оптическими датчиками положения, по сравнению с их аналоговыми и механическими предшественниками очевидны. Это, в первую очередь, компактность, намного большая точность и надежность, связанная с отсутствием внешних воздействий на элементы, и, старения (в аналоговом случае). Использование ЦСП, также, несравнимо расширяет возможности по переналадке и настройке аппаратуры, для этого достаточно загрузить новую версию программы.
В работе проведен обзор текущего состояния разработок в области проектирования систем управления корабельных станций спутниковой связи (СУССС), перспектив развития, а также стоящих в области проблем улучшения характеристик, расширения сферы использования и повышения потребительских качеств систем. Приведено краткое описание современных разработок в этой области в нашей стране и за рубежом. Особое внимание уделено возможностям повышения точности систем, что во многом связано с использование более современных датчиков (оптических гироскопов). Современные волоконно-оптические датчики имеют гораздо большую точность и возможности по применению, по сравнению со своими механическими предшественниками.
Рассмотрен вариант построения СУССС с системой управления на базе сигнального процессора фирмы Texas Instruments.
Проведен анализ характеристик современных сигнальных процессоров с точки зрения возможности их использования в управлении современными телекоммуникационными системами. Как можно убедиться на основе представленного материала, возможности, которые они предоставляют, могут быть наиболее широко востребованы в настоящее время. СП обладают наиболее привлекательными потребительскими качествами и самой широкой областью применения из всех средств цифровой обработки сигналов. В первой главе приведено сравнение семейств процессоров основных конкурентов в этой области, фирм Texas Instruments, Analog Devices Motorola, а также принципы, которыми мы руководствовались при выборе процессора для решения данной задачи, учитывая всю специфику его последующего применения.
Представлена функциональная модель системы управления и математическая модель объекта управления, основанная на схеме трехосного пространственного гироскопического стабилизатора. Произведена оценка управляющего воздействия, приведена общая структурная схема трех каналов стабилизации и её подробное описание. Описан критерий оптимальности, основанный на требованиях предъявляемых условиями эксплуатации и спецификой реализации в аппаратных и исполнительных элементах.
Разработаны алгоритмы функционирования системы управления, которые были реализованы в программном модуле. Разработана структура пользовательского интерфейса системы, предоставляющего оператору широкие возможности по управлению станцией.
Разработанные алгоритмы были декомпозированы и уточнены для возможности их программной реализации. Проведено моделирование разработанной математической модели подсистемы стабилизации. Полученные данные подтвердили оптимальность математической модели. Все решения были доведены до программной реализации. Созданные программные модули были отлажены в лабораторных условиях и реализованы в опытном образце.
Представлены результаты моделирования системы, направленного на изучение влияния длительности промежутков квантования входного сигнала на точность его последующей обработки, и вклад этого процесса в результирующую погрешность управления. Полученные результаты показали, что значение этой ошибки не превысит 0,05° при средней амплитуде колебаний не превышающей 30°.
Проведены замеры управляющих сигналов во время испытаний системы на стенде, имитирующем внешние возмущающие воздействия. Представленные результаты замеров отражают оптимальный характер реакции системы на внешние ветро-волновые возмущения.
