CC BY
17
The formation of a tactical and technical task for the training tool development is based on a managerial decision of expediency issue, which based on predicting the quality offuture information system of software training tool. The experience of developing a document that regulates the definition of a comprehensive expediency indicator for the training tool development, necessary for working out skills of special equipment (a complex technical system) effective exploitation is presented in the scientific article.
Key words: program training tool, expediency, comprehensive criterion, indicator.
Korkishko Inna Vyacheslavovna, candidate of economical science, scientific researcher, in-na.korkishko.68@mail.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar High Military School,
Tretiaykova Natalia Romanovna, candidate of technical science, senior scientific researcher, n3tjakova@yandex.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar High Military School,
Korkishko Ivan Vasilyevich, postgraduate, korkishkoiv@yandex.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University.
УДК 621.396.677
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-408-413
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В СЛОЖНОЙ СИГНАЛЬНО-ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКЕ
С.Л. Алешин, И.В. Наседкин, В.В. Ерыгин, Н.Н. Зайкин, Е.В. Фатьянова
В статье представлено использование адаптивных антенных решеток, как один из методов повышения помехоустойчивости в сложной сигнально-помеховой обстановке. Приведены критерии оптимальности вектора весовых коэффициентов.
Ключевые слова: адаптивная антенная решетка, помехоустойчивость, вектор весовых коэффициентов.
В современных условиях одной из важных составных частей системы связи является радиосвязь, каналы которой подвергаются воздействию различных помех. Каналы радиосвязи подвергаясь воздействию помех снижают показатели, характеризующие такие свойства как адекватность и устойчивость.
Помехи воздействующие на канал радиосвязи могут быть преднамеренные (источники поме-ховых радиосигналов) и непреднамеренные (рельеф местности, время года и суток, среда распространения и т.д.). Для постановки преднамеренных помех используются передатчики наземного и воздушного базирования, а также передатчики помех одноразового действия. Постановка преднамеренных радиопомех не требует точного знания координат подавляемых радиоустройств и ведется независимо от времени и погодных условий. Помехи оказывают влияние на принимаемый сигнал и обеспечивают неверный или несвоевременный прием данных.
В общем виде, исходя из принципов реализации, можно выделить организационные, энергетические, сигнальные и пространственные методы защиты от радиопомех.
Организационный метод в простом варианте предполагает такое расположение источников радиосигналов и такой выбор частот, при которых радиоэлектронные средства проектируемых систем не будут создавать взаимные помехи. Очевидно, что в настоящее время этот метод частотно-территориального разноса в условиях промышленно развитых регионов, насыщенных радиоэлектронными средствами, становится не слишком эффективным. Однако он утвердился и применяется в форме, требующей выполнения обязательных, определенных международным и национальным регламентами процедур взаимной координации и регистрации полос радиочастот различных сетей. В ходе выполнения указанных процедур координации должно приниматься соглашению о взаимоприемлемых соотношениях сигнал/помеха и тем самым достигаться необходимый уровень электромагнитной совместимости. Для этой цели широко применяется метод поляризационной развязки. При необходимости используется метод частотного сегментирования, который ограничивает используемый частотный ресурс, но операторы вынуждены идти на это для достижения координационных соглашений на взаимоприемлемых условиях. Еще 20-30 лет назад казалось, что строгое выполнение регламентных процедур и соблюдение соглашений обеспечит с высокой степенью вероятности функционирование систем связи без взаимных неприемлемых помех. Однако в настоящее время известные российские специалисты по радиочастотному обеспечению полагают, что в спутниковой связи наступает кризис, связанный именно с самой системой распределения радиочастотного ресурса. Многие спутниковые операторы признают, что современные сети спутниковой связи, прошедшие все этапы координации и регистрации, тем не менее испытывают все больший уровень неприемлемых помех. Это означает, что организационный метод защиты от помех,
408
основанный на действующих регламентных процедурах, во многом исчерпал себя и не может быть признан достаточно эффективным. Несмотря на это, указанный метод распределения частот, основанный на международных и национальных регламентах, является основным инструментом радиочастотного регулирования и сдерживания "радиочастотной анархии".
Энергетический метод борьбы с помехами предусматривает увеличение мощности передатчика до уровня, гарантировано превышающего возможные помехи. Он достаточно широко используется в специальных и военных системах спутниковой связи, однако его применение входит в противоречие с необходимостью обеспечения электромагнитной совместимости, регламентными ограничениями и, кроме того, является энергетически затратным. Так же повышение мощности требует дополнительных затрат энергии в передатчике и увеличении габаритов и веса аппаратуры.
Благодаря быстрому развитию цифровой техники в последние 20 лет стало возможным реализовать на практике сигнальные методы помехозащиты, основанные на цифровой обработке сигнала и позволяющие обеспечить снижение воздействия помех на уровне 20...30 дБ. Это, прежде всего, применение псевдослучайных, многочастотных и широкополосных шумоподобных сигналов, а также методов помехоустойчивого кодирования сигнала. Они широко используются в современных системах спутниковой связи и демонстрируют удовлетворительную эффективность. Однако, недостатком этих методов является необходимость расширения (в некоторых случаях весьма существенного) радиочастотного спектра для обеспечения защиты от радиопомех, что в свою очередь ограничивает число одновременно работающих станций в одном диапазоне волн. В условиях естественной ограниченности радиочастотного ресурса это существенный недостаток, который снижает эффективность применения таких методов, особенно в высокоскоростных системах. Известно, что применение сигнальных методов приводит к снижению коэффициента помехозащиты пропорционально увеличению скорости потока информации. Несмотря на указанные недостатки, сигнальные методы остаются весьма эффективными, постоянно совершенствуются, и следует ожидать, что они будут востребованы и в перспективе, особенно в сочетании с некоторыми методами пространственной помехозащиты.
Методы пространственной помехозащиты разрабатываются и применяются уже не один десяток лет. Наиболее простые из них - экранирование радиоэлектронных средств в направлении воздействия помех и применение радиопоглощающих покрытий в определенных зонах зеркала антенны для снижения влияния приема помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности антенной системы. Эти методы заняли свое место, но не получили широкого распространения ввиду того, что они не всегда способны обеспечить необходимый уровень защиты от радиопомех. Например, экранирование не обеспечивает надежной помехозащиты при случайном воздействии помех с неопределенного направления и при этом предполагает создание довольно громоздких конструкций. Радиопоглощающие покрытия имеют ограничения по уровню снижения помех, который далеко не всегда достаточен. Методы пространственного разнесения осуществляются также при использовании адаптивных антенных решеток (ААР), причем совершенствование электронной компонентной базы, а также применение принципиально нового математического аппарата и функционального программного обеспечения на его основе позволят существенно улучшить получаемые результаты.
Одним из методов пространственной помехозащиты можно выделить пространственно-временную обработку сигналов в ААР. ААР представляет собой систему, состоящую из многоэлементной антенной решетки и адаптивного, работающего в реальном масштабе времени, процессора, осуществляющего автоматическую подстройку диаграммы направленности для повышения эффективности приема полезного сигнала (рис. 1).
Антенные элементы
Рис. 1. Адаптивная антенная решетка
409
Использование ААР позволят формировать диаграммы направленности (ДН) нужной формы, формировать максимум характеристики направленности в направлении прихода полезного сигнала и "нули" в направлении воздействия помех непрерывно в реальном масштабе времени [1-3]. Создание «нулей» ДН в направлении источников помех в сложной сигнально-помеховой обстановке достигается за счет использования методов адаптивной обработки сигналов, базирующиеся на вычислении вектора весовых коэффициентов (ВВК) [3]. Изменение ВВК от исходного состояния до оптимального (^опт) может проходить по нескольким траекториям, которые зависят от выбранного критерия оптимальности.
Критерий оптимальности тесно связан с показателем качества. Показатель качества - это физическая величина, являющаяся количественной мерой качества приёма полезного сигнала. Показателями качества чаще всего выступают: отношение сигнал/шум, средний квадрат ошибки, отношение правдоподобия и мощность выходного сигнала.
Функция J(W), описывающая изменение показателя качества в зависимости от значений ВК, называется целевой. Экстремум целевой функции (ЦФ), понимаемый как цель управления в ААР, называется критерием оптимальности [3]. Основными из них являются: минимум среднеквадратической ошибки (МСКО), максимум отношения мощности полезного сигнала к мощности смеси шума и помехи (МСШП), максимум отношения правдоподобия (МОП), минимум мощности выходного сигнала (ММВС), максимум мощности полезного сигнала при полном подавлении помех (МСППП).
Выбранный критерий считается реализованным если при изменении ВВК целевая функция J(W) достигла экстремума. Соответствующее этой точке значение ВВК считается оптимальным W^. Определение оптимального значения ВВК путём поиска экстремума целевой функции называется оптимизацией весовых коэффициентов. Весовые коэффициенты, полученные при оптимизации по разным критериям, чаще всего совпадают (рис.2).
Л.
Kl х ^ 1 /'
/ \ ___________'vj / \
Wo,
W
Рис. 2. Определении оптимального ВВК в зависимости от разных ЦФ
В таблице приведены целевые функции и оптимальные ВВК по основным критериям оптимальности.
Целевые функции и оптимальные ВВК по основным критериям оптимальности
№ п/п Критерий оптимальности Целевая функция J(W) ВВК W,„,
1. МСКО ]1 = e2(t)min = d2(t) — RxdRxxRxd ■U7 _ vvoht nxx nxd
2. МСШП 12 ~ W+R^W Щ,пт = ßKtt>c
3. МОП ]3 = a[X(t) -us(t)bcVRni[X(t) — us(t)bc] w = R™bc опт b^+R-}b„
4. ММВС ]4 = W+Rm„W + 2Ä(W+bc -a) WonT = -AR-,lbc
5. МСППП J5 = 2W+bc + 2УУ+АЛ + -W+W) bc + АЛ W = vvonT ^ JN-A(A+A)-^A\1 = ( , )bc
Из приведенной таблицы видно, что оптимальные ВВК по критериям МСКО, МСШП, МОП и ММВС схожи и могут быть представлены выражением:
\Мопп = №~1ЬС (1)
где в - постоянный коэффициент; Ьс - вектор, определяющий направление прихода полезного сигнала; Я - корреляционная матрица (КМ) (при МСКО Яж - КМ входного сигнала, в остальных случаях Япш -КМ помех и шума).
Ввиду сложности определения КМ Япш на практике часто используют полную КМ входного сигнала Я,Критерии МСШП, МОП и ММВС работают без искажений при замене Я„ ~ Япш в случае, если полезный сигнал по уровню меньше помех и шумов, а также в случае периодического появления полезного сигнала. Тогда выражение (1) можно представить в виде:
щОпп = №£ЪС (2)
Когда нельзя пренебречь КМ полезного сигнала Rc, выражение (2) представим как:
^опт = Р(Дпш +ЯсТ1Ьс, (3)
где Rc=Pсbcbc+, Рс - мощность полезного сигнала, «+» знак эмиртова сопряжения.
Ио,пт = №пш + РСЪСЪС + )~1ЪС (4)
С учетом, что произведение РсЬ(^шп-1Ьс является постоянным и обозначив его через z, выражение (4) приводится к ниже представленному виду:
Шопт =Р(1 - т^ДпшЧ = (77^4 (5)
Таким образом учет КМ полезного сигнала в выражении (2) меняет значение постоянного множителя при определении ВВК, при этом вид характеристики направленности адаптивной антенны определяется только амплитудно-фазовым распределением в раскрыве антенны. Это означает, что при изменении постоянного коэффициента будет меняться амплитуда сигнала, при неизменной характеристике направленности антенны. Отсюда следует, что замена КМ Кпш на КМ не влияет К^ на качество адаптации, а форма характеристики направленности адаптивной антенны совпадает для всех случаев, когда оптимальный ВВК может быть выражен в виде (1).
Работа адаптивной антенной решетки наглядно характеризуется ее диаграммой направленности, представленной на рис. 3. На рисунке направления прихода помех приходятся на -15° и 25° и выделены пунктиром.
Рис. 3. Диаграмма направленности ААР до момента воздействия помех и после адаптации во время воздействия помех
Одним из главных вопросов качественного функционирования ААР является выбор алгоритма обработки сигналов. В классических варианте используется ряд адаптивных алгоритмов на основе вычисления ковариационной матрицы помех (КМП) и градиентного поиска с использованием различных критериев эффективности - отношение сигнал/шум+помеха (ОСШП); среднеквадратической ошибки (СКО) или дисперсии шума [3]. Один из способов реализации использования ААР для подавления помех указан в [4]. Выбор алгоритма адаптации, как правило, обусловлен следующими требованиями: обеспечением оптимального или удовлетворительного квазиоптимального решения; длительностью переходного процесса, характеризующей скорость сходимости и следящие свойства адаптивного фильтра; значением остаточных ошибок в установившемся режиме [2], характеризующем точность нахождения оптимального решения; вычислительной сложностью алгоритма, характеризующей объём ресурсов, требуемых для его аппаратной или программной реализации и пр.
Таким образом пространственно-временная обработка сигналов в ААР является одним из лучших и перспективных в развитии методов подавления помех. Использование ААР позволяет производить подавление помех, не прибегая к увеличению мощности и расширению спектра полезного сигнала. Современная электронная база и правильно выбранный алгоритм обработки сигналов дает возможность качественного приема сигналов на фоне помех, в разы превышающих по мощности уровень мощности полезного сигнала.
Поскольку имеется возможность формирования очень глубоких "нулей", то можно обеспечить и очень высокое подавление помеховых сигналов. Такая исключительная способность подавления помех является основным преимуществом систем с адаптивными антенными решетками перед другими системами и способами подавления помех, в которых для получения сравнимых величин подавления требуются, как правило, сигналы с большим произведением длительности полезного сигнала на полосу пропускания или сигналы с большей мощностью.
Список литературы
1. Воскресенский Д.И., Канащенков А.И. Активные фазированные антенные решетки -Москва «Радиотехника», 2004. 488 с.
2. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решётки. М.: «Радио и связь», 1986.
448 с.
3. Григорьев В.А., Щесняк С.С., Гулюшин В.Л., Распаев Ю.А., Лагутенко О.И., Щесняк А.С. Адаптивные антенные решетки. Учебное пособие в 2-ух частях. Часть 1. Санкт-Петербург: СПб: Университет ИТМО, 2016. 179 с.
4. Новиков А.Н., Габриэльян Д.Д., Бибарсов М.Р., Алешин С.Л. Методформирования «нулей» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки для подвижных источников излучения / «Антенны», Москва, № 1, 2019., С. 59-64.
Алешин Степан Леонидович, начальник учебной лаборатории, asl.87@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Наседкин Игорь Вячеславович, преподаватель, nasedkin_iv@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Ерыгин Вадим Викторович, преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Зайкин Николай Николаевич, преподаватель, zaykin53@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Фатьянова Елена Валентиновна, преподаватель, _ fatlen 77@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
A METHOD OF INCREASING NOISE IMMUNITY IN A COMPLEX SIGNAL-INTERFERENCE
ENVIRONMENT
S.L. Aleshin, I.V. Nasedkin, V.V. Erigin, N.N. Zaikin, E.V. Fatyanova
The article presents the use of adaptive antenna arrays as one of the methods of increasing noise immunity. The criteria of optimality of the vector of weight coefficients are given.
Key words: adaptive antenna array, noise immunity, vector of weighting coefficients.
Stepan Leonidovich Alyoshin, Head of the training laboratory, asl.87@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, teacher, nasedkin_iv@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Erygin Vadim Viktorovich, teacher, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Zaikin Nikolay Nikolaevich, teacher, zaykin53@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Fatyanova Elena Valentinovna, teacher, _ fatlen77@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
