Способ компенсации помеховых сигналов в комбинированной адаптированной антенной решетке
Владельцы патента RU 2747377:
Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" (RU)
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах навигации при приеме навигационных сигналов навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) в условиях воздействия преднамеренных помех. Целью изобретения является повышение отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки. Поставленная цель достигается формированием чистого выходного сигнала, содержащего в основном навигационные сигналы, в результате вычитания из принятых центральным антенным элементом, имеющим диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере, навигационных сигналов и помеховых сигналов результирующего компенсирующего сигнала, полученного путем суммирования компенсирующих помеховых сигналов каждого канала, сформированных в блоках комплексного взвешивания сигналов диаграммообразующей схемы умножением сигналов периферийных антенных элементов, имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости и принимающих в основном помеховые сигналы, на весовые коэффициенты, полученные от адаптивного устройства, где они рассчитываются на основе входных сигналов периферийных антенных элементов и выходного сигнала антенной решетки. Техническим результатом при реализации заявленного решения является возможность компенсировать помеховые сигналы, значительно превышающие уровень полезных навигационных сигналов, и выделить полезные навигационные сигналы за счет повышения отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки. 8 ил.
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах навигации при приеме навигационных сигналов навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАЛ ГНСС) в условиях воздействия преднамеренных помех.
Известна многофункциональная адаптивная антенная решетка [1] состоящая из N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общего сумматора и адаптивного процессора, содержащего соответствующие блоки формирования и обращения ковариационной матрицы, блока формирования управляющего вектора, отвечающего за фазирование антенной решетки в направлении прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности, блока формирования вектора весовых коэффициентов, а также необходимые связи между упомянутыми элементами.
Недостатком этой адаптивной антенной решетки является то, что она позволяет формировать главный лепесток диаграммы направленности в направлении только на один источник сигнала, в то время как в системе спутниковой навигации необходимо принимать сигналы от нескольких космических аппаратов.
Известна адаптивная антенная решетка [2], содержащая антенные элементы, образующие N-элементную антенную решетку, адаптивный процессор, выходы которого подключены к входам N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, к которому подключены выходы блоков комплексного взвешивания сигналов, выход общего сумматора подключен к адаптивному процессору, а также является выходом устройства. Все антенные элементы, образующие N-элементную антенную решетку, имеют одинаковое конструктивное исполнение и характеристики направленности и обеспечивают одинаково хороший прием как полезного навигационного сигнала, приходящего преимущественно с вертикального направления, так и помехового сигнала, приходящего преимущественно с горизонтального направления. Отсутствие пространственной дифференциации полезного навигационного сигнала и помехового сигнала в отдельных антенных элементах в процессе адаптации антенной решетки приводит не только к подавлению помехового сигнала, но и к деградации полезного сигнала за счет его фазовых искажений в блоках комплексного взвешивания сигналов, что является причиной снижения отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.
Целью изобретения является повышение отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.
Поставленная цель достигается формированием чистого выходного сигнала, содержащего в основном навигационные сигналы, в результате вычитания из принятых центральным антенным элементом, имеющим диаграмму направленности близкую к равномерной в верхней полусфере, навигационных сигналов и помеховых сигналов результирующего компенсирующего сигнала, полученного путем суммирования компенсирующих помеховых сигналов каждого канала, сформированных в блоках комплексного взвешивания сигналов диаграммообразующей схемы умножением сигналов периферийных антенных элементов, имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости и принимающих в основном помеховые сигналы, на весовые коэффициенты, полученные от адаптивного устройства, где они рассчитываются на основе входных сигналов периферийных антенных элементов и выходного сигнала антенной решетки.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена схема размещения антенных элементов на примере семиэлементной антенной решетки, на фиг. 2 приведена структурная схема комбинированной адаптированной антенной решетки, на фиг. 3 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для периферийных антенных элементов, на фиг. 4 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для центрального антенного элемента, на фиг. 5 приведена таблица параметров навигационных сигналов и помех используемых при моделировании, на фиг. 6 показан график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу центрального антенного элемента антенной решетки (на фиг. 2 не показан), на принимаемую смесь полезного сигнала и помехового сигнала, на фиг. 7 для сравнения приведен отклик того же фильтра на принимаемый полезный сигнал, на фиг. 8 приведен график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу второго сумматора антенной решетки (на фиг. 2 не показан), на смесь полезного сигнала и помехового сигнала после адаптации антенной решетки.
Способ компенсации помеховых сигналов в комбинированной адаптированной антенной решетке, состоящей из антенной решетки 1 содержащей центральный антенный элемент 1.1 (фиг. 1) имеющий диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере (см. фиг. 4), и периферийные антенные элементы 1.21, 1.22,…,1.2N, размещенные по кругу равноудаленно от центра (фиг. 1) и имеющие диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости (см. фиг. 3), диаграммообразующей схемы 2 состоящей из блоков комплексного взвешивания сигналов 21, 22,…2N, адаптивного устройства 3, сумматора 4, второго сумматора 5, осуществляется следующим образом.
На антенную решетку 1 содержащую антенный элемент 1.1 имеющий диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере, и периферийные антенные элементы 1.21, 1.22, …, 1.2N, размещенные по кругу равноудаленно от центра и имеющие диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости поступают навигационные сигналы и помеховые сигналы. С антенного элемента 1.1 навигационные сигналы и помеховые сигналы x1.1(t)=xп(t)+xH(t),
где хп - помеховый сигнал,
хн - навигационный сигнал,
t=l, 2, … - дискретные отсчеты времени, поступают во второй сумматор 5, а с антенных элементов 1.21 1.22, …, 1.2N помеховые сигналы и частично навигационные сигналы 
поступают в блоки комплексного взвешивания сигналов 21, 22, … 2N и в адаптивное устройство 3;
Адаптивное устройство 3, в начальный момент из полученных помеховых сигналов и частично навигационных сигналов 
производит расчет вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 21, 22, …, 2n.
Блоки комплексного взвешивания сигналов 21, 22,... 2N, получив от антенных элементов 1.21, 1.22, … 1.2N помеховые сигналы и частично навигационные сигналы 
а от адаптивного устройства 3 вектор весовых коэффициентов W(t) учитывающий помеховый сигнал, формируют компенсирующие помеховые сигналы, используя помеховый сигнал и передают их в сумматор 4.
Сумматор 4, получив компенсирующие помеховые сигналы,
формирует результирующий компенсирующий сигнал y(t)=WH(t)X(t),
где н - оператор транспонирования и комплексного сопряжения,
вектор весовых коэффициентов 
вектор комплексных сигналов 
в каналах антенной решетки,
N - число антенных элементов имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости.
В начальный момент, т.е. при t=1 вектор весовых коэффициентов
Результирующий сигнал y(t) из сумматора 4 передается с отрицательным знаком во второй сумматор 5.
Второй сумматор 5, получив сигналы x1.1(t) от центрального антенного элемента 1.1 антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y(t) от сумматора 4, формирует выходной сигнал s(t)=xпо(t)+xн(t)
где xпо - остаточный помеховый сигнал,
который передается потребителю и в адаптивное устройство 3.
Адаптивное устройство 3, получив сигнал s(t) от второго сумматора 5 и вновь поступающие помеховые сигналы и частично навигационные сигналы 
, производит корректировку вектора весовых коэффициентов 
где G(t)=s(t)[X*(t)-W(t-1)s*(t)] - градиент среднего квадрата E{s2(t)} выходного сигнала s(t),
* - оператор комплексного сопряжения
||G(t)|| - норма (длина вектора), определяемая как
μ(t) - коэффициент усиления, определяемый в виде
0<α<1 - константа, обеспечивающая скорость изменения коэффициента μ(t).
Благодаря такой оценке вектор весовых коэффициентов W(t) становится независимым от уровня помех в каналах адаптивной антенной решетки 1, чем обеспечивается устойчивость функционирования адаптивной антенной решетки 1.
Окончательно осуществляется нормировка вектора весовых коэффициентов 
эта нормировка ограничивает величину весового вектора, за счет чего обеспечивается компенсация только помеховых сигналов, поступающих в центральный антенный элемент 1.1.
Откорректированный вектор весовых коэффициентов W(t) передается в блоки комплексного взвешивания сигналов 21, 22, … 2N.
Блоки комплексного взвешивания сигналов 21, 22, … 2N, получив от антенных элементов 1.21, 1.22, …, 1.2N помеховые сигналы и частично навигационные сигналы 
а от адаптивного устройства 3 откорректированный вектор весовых коэффициентов W(t), формирует более чистые компенсирующие помеховые сигналы и передает их в сумматор 4.
Сумматор 4, получив компенсирующие помеховые сигналы, формирует более чистый результирующий компенсирующий сигнал y(t)=WH(t)X(t).
Более чистый результирующий компенсирующий сигнал y(t) с сумматора 4 передается с отрицательным знаком во второй сумматор 5.
Второй сумматор 5, получив сигналы x1.1(t) от центрального антенного элемента 1.1 антенной решетки 1 и более чистый результирующий компенсирующий сигнал y(t) от сумматора 4 формирует более чистый выходной сигнал s(t)≈xH(t), содержащий в основном только навигационный сигнал, который передается потребителю и в адаптивное устройство 3 для корректировки вектора весовых коэффициентов в последующий момент времени.
При моделировании комбинированной адаптивной антенной решетки в антенной решетке 1 применялся центральный антенный элемент 1.1 имеющий диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере и шесть антенных элементов 1.2, размещенных по кругу равноудаленно от центра в вершинах шестиугольника на расстоянии R=06, λ, где λ=c/f - длина волны, f - несущая частота полезного сигнала, с - скорость света, и имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости.
В качестве сигналов используются фазоманипулированные сигналы с расширением спектра М-последовательностью длиной 1023 дискрета с 10 цифровыми отсчетами на дискрете. В качестве помехового сигнала используется фазоманипулированный сигнал с расширением спектра М-последовательностью длиной 511 дискретов. Параметры навигационных сигналов и помеховых сигналов на входе комбинированной адаптивной антенной решетки приведены в Таблице фиг. 5.
Отношение уровня помеховых сигналов к уровню полезных навигационных сигналов на входе антенной решетки 1 составляет 60-100 раз (см. фиг. 5).
Отклик согласованного фильтра, подключенного к выходу центрального антенного элемента 1.1 антенной решетки 1 (на фиг. 2 не показан), на принимаемую смесь навигационных сигналов и помеховых сигналов приведен на графике фиг. 6.
Для сравнения на графике фиг. 7 показан отклик того же согласованного фильтра, на вход которого подаются только полезные навигационные сигналы.
На фиг. 6 и 7 видно, что на выходе согласованного фильтра, настроенного на прием полезного навигационного сигнала, уровень помехового сигнала в 15-18 раз превышает уровень полезного навигационного сигнала.
Отклик согласованного фильтра, подключенного к выходу второго сумматора 5 (на фиг. 2 не показан), на выходной сигнал комбинированной адаптивной антенной решетки показан на графике фиг. 8, где видно, что после адаптации комбинированной адаптивной антенной решетки уровень помехового сигнала значительно уменьшился и стал в 6-8 раз ниже уровня полезного навигационного сигнала. То есть отношение сигнал/помеха на выходе комбинированной адаптивной антенной решетки увеличилось более, чем в 100 раз в сравнении с тем же параметром на ее входе.
Таким образом, предлагаемый способ компенсации помеховых сигналов в комбинированной адаптированной антенной решетке позволяет компенсировать помеховые сигналы, значительно превышающие уровень полезных навигационных сигналов, и выделить полезные навигационные сигналы за счет повышения отношения сигнал/помеха на ее выходе.
Источники информации
1. Вялый Л.И., Подтуркин В.В. Алгоритм адаптивной фильтрации и пеленгации источников помех в системе ФАР. «Радиотехника», 1992 г. №7-8, с. 68-73.
2. Патент 2683140 РФ, МПК H01Q 3/26. Адаптивная антенная решетка / А.Н. Новиков и др. (RU); Новиков Артем Николаевич (RU). - №2018120194. Заявлено 31.05.2018. Опубл. 26.03.2019, Бюл. 9. - 20 с., 11 ил.
Способ компенсации помеховых сигналов в комбинированной адаптированной антенной решетке, осуществляющий формирование чистого выходного сигнала, содержащего в основном навигационные сигналы, в результате вычитания из принятых центральным антенным элементом, имеющим диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере, навигационных сигналов и помеховых сигналов результирующего компенсирующего сигнала, полученного путем суммирования компенсирующих помеховых сигналов каждого канала, сформированных в блоках комплексного взвешивания сигналов диаграммообразующей схемы умножением сигналов периферийных антенных элементов, имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости и принимающих в основном помеховые сигналы, на весовые коэффициенты, полученные от адаптивного устройства, где они рассчитываются на основе входных сигналов периферийных антенных элементов и выходного сигнала антенной решетки.
