بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به طراحی الگوریتم بهینهسازی زوایای نشانهروی آنتن یک ایستگاه زمینی متحرک، که به سمت هدفی مشخص نشانهروی کرده است، پرداخته میشود. الگوریتم طراحی شده با استفاده از روش جستجوی حلزونی زوایای نشانهروی را بهینه مینماید که اساس این جستجو بر مبنای الگوی بهره1 آنتن ایستگاه میباشد. به دلیل وجود عواملی مانند متحرک بودن ایستگاه، شرایط آب و هوایی و نویزهای دریافتی از محیط، این امکان وجود دارد که زوایای نشانهروی برای ردگیری هدف از دقت کافی برخوردار نبوده و در نتیجه قدرت سیگنال دریافتی توسط آنتن، کاهش یابد.
در صورتی که قدرت سیگنال دریافتی از حد خاصی کمتر شود، آنتن ایستگاه میبایست در محدوهای قابل تعریف، حول نقطهای که قرار دارد، جستجو نموده و نقطهای را که در آن قدرت سیگنال دریافتی بیشینه است را به عنوان نقطه نهایی قرارگیری آنتن انتخاب نماید. محدوده جستجوی آنتن مطابق با قدرت سیگنالی است که توسط آنتن دریافت میشود. به این معنی که اگر قدرت دریافت سیگنال از حد خاصی کمتر شود، آنتن محدوده بزرگتری را جستجو خواهد کرد. الگوریتم جستجو، الگوی بهره آنتن و قدرت سیگنال دریافتی در نرم افزار متلب شبیهسازی شده و نتایج مورد بررسی قرار گرفته اند.
.1 مقدمه
ایستگاههای زمینی زیادی در نقط مختلف وجود دارند که واسط ارتباطی بین ماهوارهها و مصرف کنندگان میباشند. امروزه استفاده از ایستگاههای متحرک زمینی برای برقراری ارتباطات بدلیل مزایای آن، مورد توجه بیشتری قرار گرفتهاند. از مزایای این ایستگاهها، استفاده از آنها در مکانهای مختلف و در نتیجه کاهش هزینه، امکان جابه جایی سریع و برقراری ارتباط پیوسته میباشد. آنتنهای ایستگاهها باید همواره رو به هدف موردنظر باشند تا بتوانند ارتباط خود را حفظ نمایند.
به زوایایی که آنتن در آنها قرار میگیرد تا هدفی را دنبال نماید، زوایای نشانهروی میگویند. این زوایا شامل زاویه آزیموت - زاویه محورآنتن با شمال جغرافیایی - و زاویه الویشن - زاویه محور آنتن با افق محلی - میباشند. تغییرات کوچک در زوایای نشانهروی باعث میشود که آنتن نتواند به خوبی هدف را در میدان دید خود حفظ نماید. بنابراین دقت این زوایا مهم بوده و نباید از حد خاصی کمتر شوند. - خطای ایجاد شده در زوایای نشانهروی را خطای جهتیابی نامیده و در ادامه به این عنوان استفاده خواهد شد - با این وجود به دلیل حرکت ایستگاه زمینی و لرزشها و مانورهای وارده از ایستگاه به آنتن، همچنین شرایط آب و هوایی مانند ابری بودن هوا، نویزهای موجود در محیط و عوامل مشابه، این زوایا تحت تاثیر قرار گرفته و آنتن نمیتواند سیگنالهای دریافتی مناسبی داشته باشد. بنابراین نیاز است تا در این شرایط آنتن ایستگاه در محدوده مشخصی، محیط اطراف خود را جستجو نموده تا زوایای نشانهروی را بهینه کرده و جهتی که در آن سیگنال دریافتی بیشینه میباشد را پیدا نماید.
در این مقاله به منظور بهینهسازی زوایای نشانه روی از الگوریتم جستجوی حلزونی شکل استفاده شده است که در آن محدوده جستجوی آنتن مطابق با قدرت سیگنال دریافتی توسط آنتن متغیر میکند. در شرایطی که قدرت سیگنال دریافتی به اندازه کافی مطلوب باشد، شعاع جستجو کاهش مییابد و در شرایطی که قدرت سیگنال دریافتی کمتر از حد قابل قبول گردد، محدوده و سرعت جستجو افزایش خواهد یافت. نحوه جستجو و محدوده آن قابل تعریف میباشند.
.2 روش دریافت قدرت سیگنال
در این روش به منظور بهینه کردن زوایای نشانهروی از قدرت سیگنال دریافتی از محیط توسط آنتن استفاده میشود. نحوه کار این روش به این صورت است که آنتن در زوایای نشانهروی مطلوب دریافتی از سیستم نشانهروی قرار گرفته و سیگنالی را از محیط دریافت مینماید. سپس توسط الگوریتمهای بهینهسازی - که در ادامه بررسی میشوند - محدوده خاصی اطراف آنتن انتخاب شده و آنتن در آن محدوده روی یک مسیر حلزونی شکل حرکت میکند. در روی هر نقطهای که آنتن قرار میگیرد، سیگنالی را دریافت مینماید. سپس قدرت سیگنالهایی را که از محیط دریافت نموده با هم مقایسه کرده و قویترین سیگنال و زوایای متناظر با آن را مشخص مینماید. این زوایا به سیستم عملگر آنتن منتقل میشوند تا آنتن در زوایای بهینه قرار گیرد.
قدرت سیگنال دریافتی، با استفاده از الگوی بهره آنتن1 تعیین میشود. هر آنتن، نمودار بهره ثابت و مخصوص به خود را دارد. در واقع بهره آنتن، نمودار قدرت سیگنال بر حسب خطای نشانهروی است. بهره آنتن میتواند با تغییر زوایای آزیموت یا الویشن حول نقطه Boresight اندازه گیری شود.[1] به منظور شبیه سازی بهره آنتن، نمودارهایی که در شکل های 1 و 2 نمایش داده شده است در نرمافزار متلب تولید شدهاند که شبیه به نمودارهای بهره آنتن مورد مطالعه در مقالات میباشد.
شکل-1 نمودار بهره آنتن - دسی بل - بر حسب خطای زوایای نشانهروی
شکل-2 نمودار سهبعدی بهره آنتن - دسی بل - بر حسب خطای زوایای نشانهروی
.3 سیستم جستجو
وظیفه سیستم جستجو، بهینهسازی زوایای نشانهروی برای قرارگیری دقیق تر آنتن روی هدف و بیشینه کردن قدرت سیگنال دریافتی بوده و با سیستمهای نشانهروی، کنترلر آنتن و اندازه گیری قدرت سیگنال در ارتباط میباشد.
جستجوگر، جستجوی خود را از زوایای نشانهروی اولیه که توسط سیستم نشانهروی بدست میآید شروع میکند و پس از اجرای الگوریتم بهینهسازی و یافتن زوایای نشانهروی بهینه، این زوایا را نقطه به سیستم کنترلر آنتن ارسال میکند، آنتن به سمت زوایای جدید حرکت میکند. در طول مسیر حرکت به سمت زوایای جدید، سیستم اندازهگیری قدرت سیگنال، قدرت سیگنال را اندازه گیری کرده و اطلاعات خود را به سیستم جستجو ارسال میکند. سیستم جستجو با این اطلاعات، زاویه بهینه را در صورت لزوم به روزرسانی کرده و زاویه جدیدی به سیستم کنترل میدهد و این روند ادامه مییابد تا بهینه ترین زوایای نشانهروی تعیین شود.
از آن جایی که دقت روش نشانهروی به طور میانگین، کمتر از 1 درجه میباشد سیستم جستجو تنها زمانی نقطه نشانهروی مورد استفاده خود را به روز رسانی میکند که زوایا نشانهروی تغییرات زیادی داشته باشند. برای مثال فرض کنید سیستم جستجو در ابتدا نقطه آزیموت 196، الویشن 47 را در اختیار داشته و جستجوی خود را حول این نقطه انجام میدهد. در صورتی که نقطه جدیدی که زوایای نشانهروی به سیستم جستجو میدهد کمتر از 1 درجه اختلاف داشته باشد همان نقطه قبلی ملاک جستجو خواهد بود در غیر این صورت سیستم جستجو، جستجوی خود را از نقطه جدید، آغاز میکند.
.4 جستجوی حلزونی
روشهای متفاوتی به منظور جستجو و یافتن زوایای نشانهروی بهینه میتوانند مورد استفاده قرار گیرند. روشهای جستجویی مانند ژنتیک وجود دارند که از روشهای بهینهسازی بر پایه جمعیت استفاده میکنند. زمان همگرایی پایین آنها علت اصلی ضعف این روشها میباشد. روشهای دیگری در قالب روشهای Step Tracking وجود دارند که جستجوی مارپیچ و جستجوی کامل از جمله این روش میباشند. در روش جستجوی کامل تمام صفحه با توجه به گام مشخص شده جستجو میشود. این روش نیز بسیار زمان بر میباشد اما دقت خوبی دارد.[3-4] در اکثر روشهای موجود میبایست مصالحهای بین زمان همگرایی - زمان بهینهسازی - و دقت آن صورت گیرد.
