Смешанное моделирование

Имитационное (математическое) моделирование

Решаемые задачи те же, но выполняются с помощью ЭВМ. Сущность метода в том, что эксперимент проводится не с реальным РП, а с его математической моделью. Исследуемый объект моделируется на ЭВМ в виде алгоритма преобразований входных воздействий. Этот алгоритм отражает математическую модель РП. Действующие на РП сигналы и помехи, соответствующие математической модели ЭМО, представляются в ЭВМ в виде последовательности чисел. Сам процесс моделирования заключается в осуществлении серии преобразований входных чисел и статистической обработке результатов вычислений.

Основные достоинства методов имитационного моделирования – универсальность, простота аппаратной реализации, низкая стоимость и трудоёмкость исследований и др. Основные трудности применения – сложность изучения и построения математических моделей ЭМО и РП.

При смешанном моделировании часть факторов воспроизводится с помощью РЭС или их имитаторов, а другая – с помощью ЭВМ. Собственно моделирование выполняется либо в аналоговой форме в анализируемом устройстве, либо в цифровой форме в ЭВМ. Смешанное моделирование сохраняет достоинства обоих методов, расширяет возможности экспериментальных методов, особенно при моделировании в реальном масштабе времени.

1.5. Стендовые измерения и испытания

Стендовые измерения и испытания состоят в исследовании и контроле различных РЭС и их элементов в лабораторных условиях. Цель проведения таких исследований состоит:

- в определении отдельных параметров РЭС, влияющих на ЭМС;

- контроле их соответствия существующим стандартам и нормам;

- проверке функционирования элементов РЭС в имитируемых условиях и т.д.

При проведении стендовых испытаний сравнительно легко и удобно использовать методы физического и смешанного моделирования. По сравнению с натурными испытаниями стендовые обладают рядом достоинств:

- их аппаратурная реализация существенно проще;

- стоимость и трудоёмкость значительно ниже;

- возможность проведения измерений без излучения полезных и мешающих сигналов в окружающее пространство;

- скрытность стендовых испытаний.

Основной недостаток стендовых испытаний – невозможность полного учёта и проверки всех факторов, влияющих на ЭМС РЭС. Несмотря на это, стендовые испытания являются основным видом экспериментального исследования характеристик ЭМС РЭС.

1.6. Методы измерений характеристик ЭМС

Применяемые методы измерений делят на две группы. К первой относят методы измерения параметров электромагнитных полей различных радиоизлучений и восприимчивости РЭС к ним. Эту группу называют методами измерения по электромагнитному полю.

Другую группу составляют измерения параметров нежелательных излучений и восприимчивости к ним, осуществляемые в фидерах или элементах радиочастотного тракта РЭС. Эти методы называют трактовыми.

Измерения по ЭМП проводятся в ограниченном экранированном помещении (камере) или в пространстве на специально оборудованных открытых площадках. При измерениях в экранированных камерах исключаются действие внешних помех и излучение исследуемых полей в окружающее пространство. Однако в этом случае многократные переотражения ЭМП от стен могут приводить к серьёзным погрешностям измерений. На сравнительно низких частотах, когда размеры камеры значительно меньше длины волны, в результате переотражений происходит частичная компенсация ЭМП. Это приводит к заниженным оценкам измеряемых величин. На более высоких частотах экранированная камера представляет собой объёмный резонатор с собственными резонансными частотами, на которых наблюдается резкое возрастание интенсивности поля. В результате при завышенных оценках погрешности определения напряжённости поля могут быть очень большими (до 40 дБ).

Это явление практически отсутствует при измерениях на открытых площадках. Однако такие измерения зависят от климатических условий, требуют специального оборудования (например, вышек для антенн), подвержены влиянию внешних помех, а также создают нежелательные излучения в окружающее пространство.

Наилучшим вариантом считается безэховая камера – экранированное помещение, облицованное изнутри радиопоглощающим материалом. В ней влияние многократных переотражений существенно ослаблено за счёт малого коэффициента отражения от радиопоглощающего покрытия. Однако такие камеры сложны и дороги. Кроме того, они должны иметь значительные габариты для обеспечения измерений в дальней зоне. Поэтому измерения в безэховых камерах проводят в основном для РЭС метровых и более коротких волн.

Трактовые измерения для исключения влияния внешних помех проводят чаще всего в экранированных помещениях. Влияние экранированной камеры на результат измерений при этом незначительное.

2. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС

2.1. Задачи и средства обеспечения ЭМС

Обеспечение ЭМС – сложная, комплексная задача, а потому решаться должна на всех этапах – от стадии проектирования до эксплуатации. Практические меры обеспечения ЭМС РЭС можно условно разделить на организационные и технические.

Технические меры включают в себя системотехнические, схемотехнические, конструкторские и технологические приёмы и средства, направленные на совершенствование характеристик РЭС и ЭТС. Цель применения этих мер:

- снижение уровня создаваемых помех;

- увеличение их ослабления на пути распространения;

- ослабление восприимчивости РП к НЭМП;

- ослабление их действия за счёт совершенствования способов передачи и обработки информации и т.д.

Организационные меры состоят:

- из разделения частотных полос между различными видами РЭС;

- выбора пространственного положения РЭС;

- определения мощностей радиопередатчиков;

- разработки и применения нормативных и законодательных актов, ограничивающих ряд параметров и характеристик, а также упорядочивающих работу различных РЭС.

Организационные меры закладываются в технические задания и проекты по разработке РЭС и ЭТС.

Технические и организационные меры тесно взаимосвязаны. Например, применение эффективных схемотехнических мер по уменьшению нежелательных излучений передатчиков и повышению избирательности приёмников позволяет реализовать организационное мероприятие – уменьшить минимально допустимый частотный разнос между отдельными РЭС. С другой стороны, реализация организационных мер, например перевод РЭС в другой диапазон частот, изменяет требования к техническим характеристикам, структуре и составу приёмников и передатчиков. Соотношение применяемых мер существенно зависит от иерархического уровня, на котором решается задача: ЭМС на уровне элементов и блоков, устройств, объекта, группы объектов, служб.

2.2. Обеспечение ЭМС как задача эффективного

использования радиочастотного ресурса (РЧР)

Для любого РЭС, функционирующего в определённой области пространства, полосах частот и интервалах времени, требуется создать ЭМП заданной интенсивности. Этот факт можно рассматривать как требование локализации ЭМП заданной интенсивности в некоторой области -мерного пространства, координатами которого кроме пространственных координат являются мощность , частота П и время Т (рис 2.1).

Рис. 2.1. Область РЧР

Рецепторы можно рассматривать как устройства, характеризуемые определённой областью чувствительности , в пределах которой они способны реагировать на окружающие электромаг-

нитные процессы, распределённые в пространстве, по частоте и во времени. Поэтому рецепторы можно рассматривать как своеобразные «фильтры», обладающие определённой избирательностью в рассматриваемом -мерном пространстве. В «области прозрачности» (приёма) рецептор реагирует на электромагнитные поля, вне этой «области» реакция должна отсутствовать. Каждый источник будет характеризоваться своей «областью излучения» , т.е. областью n -мерного пространства, где локализованы ЭМП источника. Рецептор будет реагировать на ЭМП некоторого источника в том случае, когда имеется пересечение «области излучения» (передачи) этого источника с «областью прозрачности» (приёма) рецептора. При этом пересечению «своих» областей соответствует преднамеренная передача электромагнитной энергии, а пересечению «областей приёма» рецептора с «областями излучения» сторонних РЭС соответствует воздействие на РП помехи со стороны этих РЭС.

Рассматриваемые области -мерного пространства представляют собой радиочастотный ресурс (РЧР). Предельный объём используемой части РЧР принципиально ограничен: временем функционирования РЭС, расположением в пространстве, полосой радиочастот, а также мощностями РЭС – мощностью излучения источников и чувствительностью рецепторов. РЧР является ограниченным природным ресурсом. Поэтому одна из основных проблем ЭМС связана с ограниченностью РЧР и возрастающими требованиями его использования.

Другая сторона проблемы связана с тем, что практически любое РЭС использует объём РЧР больший, чем требуется для его функционирования. При работе любого РЭС за время создаются ЭМП с интенсивностью в области пространства и в полосе частот , т.е. в объёме VПТ. Однако для конкретного применения РЭС можно указать минимально возможное (необходимое) значение объёма РЧР , при котором обеспечивается требуемое качество работы данного РЭС. Практически всегда занимаемый объём превышает необходимый, т.е. VПТ > (рис. 2.2).

(VПТ) _i

(VПТ) _j

(VПТ) _k

Рис. 2.2. Области приема и передачи РЭС

Иначе говоря, другой стороной проблемы ЭМС является недостаточно эффективное использование РЧР из-за превышения занимаемыми объёмами необходимых, т.е. наличие непреднамеренного «загрязнения» РЧР.

Для выделения «своих» ЭМП любой рецептор должен обладать определёнными пространственной, частотной и временной избирательностями. В идеальном случае «область прозрачности» рецептора соответствует необходимому объёму РЧР. Из-за технического несовершенства «область приёма» оказывается, как правило, более широкой. Приём вне пределов необходимого объёма связан с недостаточно хорошими избирательными свойствами, а также с образованием различных механизмов распространения НЭМП.

Проблема обеспечения ЭМС РЭС состоит в том, что стремятся уменьшить объём РЧР, используемого конкретным РЭС, т.е.

< VПТ.

Это позволяет более эффективно использовать РЧР другими средствами. Для решения этой задачи могут быть привлечены организационные,системотехнические,технологические, конструктивные и схемотехнические меры. Результатом могут являться:

- увеличение ослабления уровня помех на путях их распространения;

- изменения принципа действия аппаратуры, способа модуляции, алгоритма вторичной обработки информации и т.д. При этом могут быть снижены требования к необходимому объёму РЧР:

<.

Однако не всегда оправданно уменьшение объёма РЧР ниже необходимого, т.е. <. Иногда удаётся добиться значительной экономии в использовании РЧР большой группой однотипных РЭС за счёт улучшения условий работы в частично пересекающихся областях частот. При этом каждое отдельное РЭС может использовать более широкую полосу частот.

В общем случае основное внимание уделяют перераспределению РЧР путём выбора рабочих частот и полос частот, пространственного расположения, использования различий в пространственной ориентации, разнесения во времени работы РЭС.

2.3. Обеспечение ЭМС на основе

пространственных факторов

К мерам, основанным на использовании пространственных факторов, относятся:

- разнос в пространстве РЭС и направлений их преимущественного излучения;

- различные способы ограничения излучений в определённых телесных углах и приёма сигналов с некоторых направлений;

- использование различий в поляризационной структуре сигналов.

Пространственный разнос РЭС состоит в таком взаимном удалении двух РЭС на , при котором создаваемые друг другу помехи являются, по крайней мере, допустимыми. Минимально допустимое расстояние называют координационным. Расчёт его для двух средств основан на анализе мощностей сигналов и помех, действующих в этой паре РЭС.

Исходя из уровней мощностей полезных и и мешающих сигналов и и защитных отношений

,

,

можно определить допустимый уровень помех для каждого средства:

,

,

где – уровни мощности передатчиков; – ослабления помех на пути распространения, обусловленные всеми факторами, кроме расстояния; – ослабления, зависящие от расстояния. Откуда следует:

,

.

Используя сведения о распространении радиоволн на рассматриваемой трассе, по известным и находят допустимые расстояния и. Наибольшее из них является искомым координационным расстоянием:

.

При территориальном размещении группы РЭС необходимо так выбрать пространственные координаты каждого РЭС в пределах заданной области пространства , чтобы обеспечить минимально возможный или хотя бы допустимый уровень помех, создаваемых РЭС друг другу. Если все остальные параметры, кроме координат рассматриваемых РЭС, фиксированы, показатель качества каждого средства зависит только от искомых координат , ( = 1, 2, …, ), т.е.

.

Допустимым координатам соответствует условие

.

Рассмотрим простейшую задачу размещения группы из средств на плоскости. Пусть – координационные расстояния -й пары средств. Расположим значения в порядке убывания и выберем таких три РЭС, для которых требуются наибольшие координационные расстояния. Разместим одно из них в начале координат. Для определения координат остальных двух проводим окружность с радиусом и на ней в произвольной точке располагаем второе средство. Затем проводим окружности с радиусами и c центрами в точках расположения первого и второго РЭС. Если эти окружности не пересекаются, третье РЭС располагается на прямой, соединяющей точки 1 и 2 между соответствующими окружностями. Если они пересекаются – в точке пересечения 3 (рис. 2.3). Далее выбираем местоположение следующего (четвёртого) РЭС в соответствии с убыванием . Проводим окружности с радиусами , , . Четвёртое РЭС не может располагаться внутри очерченных окружностей. Выберем для него точку, ближайшую к тому РЭС, для которого координационное расстояние с рассматриваемым РЭС минимально. Аналогично определяем положение остальных РЭС. Приведённый способ позволяет очень просто решить задачу территориального размещения, однако он не является оптимальным.

При таком подходе РЭС территориально группируются по признаку подверженности помехам: слабо влияющие друг на друга РЭС автоматически собираются в группы.

При территориальном размещении в реальных условиях используют особенности заданной области пространства: характер рельефа местности или конфигурации объекта. Влияние этих факторов неоднозначно.

3

4

1 2

1-3-й шаги 4-й шаг

5

1 2

5-й шаг

Рис. 2.3. Схема определения местоположения РЭС

С одной стороны, реальное пространство может иметь затенённые участки, предпочтительные для размещения. С другой – сильно пересечённый рельеф местности или сложная конфигурация объекта могут привести к дифракционным или интерференционным явлениям. В итоге распределение ЭИП по территории окажется немонотонным, т.е. с выраженными минимумами и максимумами.

Разнос в пространстве направлений излучения необходим для стационарных (фиксированных) радиослужб. Наибольший уровень помех наблюдается в том случае, когда приёмная и передающая антенны ориентированы друг на друга главными лепестками ДНА. Целью рассматриваемого разноса направлений является исключение такой ситуации. Для этого возможное угловое сближение главных лепестков ДНА взаимодействующих РЭС ограничивают допустимым значением координационного угла так, чтобы . Величина может быть найдена так же, как и координационное расстояние.

Ограничение излучения и приёма в определённых секторах углов преследует те же цели. Суть его состоит в таком одновременном функционировании группы РЭС, при котором отсутствует излучение (и/или приём) в направлениях на рецепторы (источники). Например, корабельная РЛС, работающая в режиме кругового обзора по азимуту, последовательно облучает различные объекты. В их числе как «полезные» радиолокационные объекты, так и приёмные антенны различных РЭС, находящихся на соседних кораблях. В большинстве случаев нет необходимости в наблюдении отражённых сигналов от этих кораблей и в облучении расположенных на них РЭС путем создания им серьёзных помех. Для исключения помех от корабельной РЭС прекращают её излучение (или излучение и приём) во время прохождения главным лепестком ДНА тех направлений, которые соответствуют расположению рецепторов. Этот приём получил название секторного бланкирования.

Вариантом ограничения приёма в пределах определённого телесного угла может являться использование антенн, диаграмма направленности которых имеет управляемый провал. Изменение углового положения этого провала позволяет ослабить излучение (или приём) в направлении на возможный рецептор (или источник помехи). Развитием этой идеи является применение адаптивных антенн, позволяющих автоматически формировать провалы ДНА.

Использование поляризационных различий основано на применении для излучения и приёма ЭМВ с ортогональной поляризацией. При этом реальный выигрыш обычно не превышает 20-25 дБ из-за явления кросс-поляризации в антеннах, искажений поляризации объектом, эффекта Фарадея и пр.

2.4. Обеспечение ЭМС на основе временных факторов

Использование временного фактора сводится к сокращению времени излучения, временному бланкированию, временной синхронизации работы РЭС и временной регламентации.

Сокращение времени излучения техническими и организационными мерами эффективно в тех случаях, когда суммарное время излучения значительно превышает необходимое. Например, для береговых станций связи с морскими судами превышение времени их излучения обусловлено задержкой вхождения в связь. Задержка связана с неготовностью корабля к связи (отсутствием ожидания связи). Для уменьшения времени излучения используют специальные радиоустройства, работающие в отдельном радиоканале (общем для группы судов). Они осуществляют автоматический вызов требуемого судна.

Методы временного бланкирования основаны на прекращении приёма сигналов некоторыми РЭС на время действия мощной импульсной помехи. Это позволяет избежать перегрузки входных каскадов приёмника и связанных с ней нелинейных явлений. Структурная схема простейшего устройства временного бланкирования приведена на рис. 2.4.

Ант.1 Вых Ант.2

Ключ Защищаемый

ПРМ (f_c)

Вспомогат.

Формироват. ПРМ (f_п)

бланка

от ИП

Рис. 2.4. Структурная схема устройства защиты приёмника

от импульсной помехи

Информация о времени прихода помехи поступает от специального приёмника, настроенного на частоту помехи. При установке источника и рецептора на одном объекте она может передаваться по кабелю.

Совместная синхронизация импульсных РЭС заключается в согласовании периодов следования и начальных фаз излучаемых импульсов для группы РЭС. Если в группе близко расположенных РЛС все станции будут излучать одновременно, то мощные мешающие сигналы будут поступать на ПРМ в то время, когда приёмники ещё закрыты устройствами защиты от своего излучения. При этом проникновение мощных помех в приёмники исключено. При «жёсткой» синхронизации устанавливается «ведущая» станция, задающая частоту следования импульсов и начальную фазу. Остальные, «ведомые», станции должны работать с этой же частотой следования или на её субгармонике. Для разнесённых РЭС сигнал синхронизации передаётся по специальному радиоканалу, для РЭС, расположенных на одном объекте, – по кабельной линии.

При «мягкой» синхронизации «ведущее» РЭС не назначается. Специальная аппаратура на каждом из РЭС осуществляет приём и разделение по амплитуде и длительности сигналов соседних однотипных РЭС и выделяет среди них колебания с наибольшим периодом повторения среди всех принятых помех от соседних РЭС. Эта выделенная частота, общая для всей группы, и используется для синхронизации. Таким образом определяется «ведущее» РЭС, и вся группа начинает работать с одним и тем же периодом повторения.

Временной разнос импульсных РЭС может сочетаться с пространственным разносом. Примером может служить синхронизация по методу «время-зона-система», применяемая для подвижных РЛС. Всю обслуживаемую область пространства делят на ряд зон, для работы в каждой из них отведены определённые интервалы времени. Любая РЛС, находящаяся в пределах данной зоны, использует соответствующий ей временной интервал. Помехи от РЛС соседних зон исключаются, так как они оказываются в других временных интервалах. Временную привязку всех РЛС осуществляют специальными каналами синхронизации либо применением высокостабильных атомных стандартов времени. Последние в настоящее время имеют стабильность отсчёта времени в течение месяца ~10^-11, в течение 100 с - ~10^-12.

Временная регламентация представляет собой административные меры ограничения временного ресурса функционирования РЭС. В соответствии с установленными правилами эксплуатации в определённые моменты времени прекращается работа части средств, если их ЭМС с другими РЭС не обеспечивается. Временная регламентация является крайней мерой, применяемой когда другие возможности исчерпаны. Примером может служить строго регламентированная работа средств подвижной радиосвязи США, расположенных в окрестности космодромов во время подготовки старта и запуска пилотируемых космических кораблей.

2.5. Выбор мощностей передатчиков в группе РЭС

Меры, предусматривающие управление мощностями передатчиков, можно условно разделить на две группы:

- ограничение мощности передатчиков;

- совместный выбор мощностей радиопередатчиков в группе РЭС.

Мощность передатчиков ограничивают с целью снижения уровня помех, создаваемых соседним РЭС. В каждом конкретном случае можно определить такое значение мощности ПРД, при котором будет обеспечен приём сигналов с требуемой интенсивностью для всех приёмников, работающих с ним. Мощность передатчика ограничивают как по минимуму, определяемому требуемым качеством передачи информации, так и по максимуму исходя из условия обеспечения ЭМС с другими РЭС.

Согласно известным рекомендациям МККР (357-1) в полосах частот 5800-8100 Мгц, совместно используемых ССС и РРЛ, эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) передатчика РРЛ ограничивается значением 55 дБВт при отдаваемой в антенну мощности не более 13 дБВт. Ограничиваются мощность ЗС связи с ИСЗ, плотность потока мощности, излучаемой спутниками связи, мощности радиолюбительских передатчиков, систем подвижной связи и т.п.

Совместный выбор мощностей в группе передатчиков применяют для уменьшения помех в группе однотипных РЭС, расположенных на ограниченной территории. С одной стороны, увеличение мощности одного из передатчиков улучшает индивидуальные показатели корреспондирующей пары ПРД-ПРМ, другой - ведёт к росту помех другим РЭС, ухудшению их показателей качества и, как следствие, показателя качества функционирования группы РЭС в целом. В то же время, уменьшение мощности конкретного передатчика приводит к уменьшению отношения , что ухудшает его показатели или нарушает функционирование радиолинии. Таким образом, мощности передатчиков в группе РЭС должны выбираться оптимальными на основе анализа качественных показателей группы РЭС в целом.

Наилучшие результаты могут дать адаптивные методы, которые предполагают совместный выбор мощностей передатчиков с учётом окружающей ЭМО. Они допускают регулировку мощностей в процессе работы, отслеживая изменения текущей ЭМО.

2.6. Обеспечение ЭМС на основе частотных факторов

Использование частотного фактора сводится к выбору рабочих частот и полос для РЭС, при которых НЭМП исключаются или ослабляются до допустимых значений. При выборе рабочих частот строго соблюдаются следующие положения:

- выделение полос частот зонам, странам и радиослужбам осуществляется в соответствии с международными соглашениями;

- присвоение радиочастот конкретным станциям производится в централизованном порядке компетентными органами в общегосударственном масштабе.

Задачи, связанные с оптимальным выбором частот, сводятся к определению конкретных значений частот для каждого РЭС из группы при условии, что искомые значения частот соответствуют разрешённому множеству в частотной области . С методологической точки зрения эта задача состоит в следующем. Для группы из средств следует найти такие значения рабочих частот (= 1, 2, …, ), при которых показатель качества функционирования группы будет иметь экстремальное или хотя бы допустимое значение:

или

Решение этих задач в общем случае чрезвычайно громоздко прежде всего по причине сложной зависимости от частоты критерия качества . Поэтому для выбора радиочастот на практике обычно используют различного рода упрощения. Однако и в этом случае такие задачи оказываются очень сложными и решаемыми лишь с привлечением ЭВМ.

Весьма эффективным является территориальное распределение частот. Такой способ особенно полезен при ограниченном ресурсе радиочастот. При частотно-территориальном разносе распределение радиоканалов осуществляется таким образом, что близко расположенные РЭС не используют совпадающие радиочастоты.

Для подвижных средств связи примером может служить сеть с сотовым распределением частот. Идея заключается в том, что область, обслуживаемая системой, разделяется на ряд зон, каждая из которых, в свою очередь, разделена на соответствующее число ячеек (сот). Для каждой соты выделяется определённое число частотных каналов, отличающихся от частот соседних сот (рис. 2.5). Эти группы из частот повторяются в остальных зонах, также состоящих из аналогичных сот. В результате ни в одной из соседних сот не используются совпадающие частоты, что значительно снижает уровни НЭМП. При таком распределении частот сравнительно малой полосой радиочастот можно обслужить любую по размерам область. Однако полезный эффект достигается ценой усложнения системы в целом, так как при перемещении подвижной станции из одной соты в другую необходимо её переключение на один из свободных радиоканалов в этой соте.

Отведённая полоса частот

4 3 2

2 4 f₁ f₂ f₃f₄ f₅ f₆ f₇ ……………

5 1 7 …………

7 5 f

3 6 3

Сота 1 Сота 2 Сота 3

Рис. 2.5. Схема пространственного и частотного распределения

на сотовой сети подвижных средств связи

Примером частотно-территориального разноса стационарных радиосредств является территориальное планирование частотных каналов ТВ вещания. Оно реализуется в общегосударственном масштабе с учётом планирования ТВ сетей в соседних странах, требования охвата территории страны и исключения приёма радиопомех от соседних станций. Основой планирования являются территориальное разнесение передающих станций и частотный разнос, исключающий работу на совпадающих каналах станций соседних зон обслуживания.

Дата добавления: 2014-01-06