МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЛУЧЕЙ БОРТОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ ЛА И КА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Литвинов А. В. и др. Конверсия радиочастотного спектра. Вопросы электромагнитной совместимости / Литвинов А. В., Зайковский А. В., Замятин А. Ю., Лядова Е. Ф., Яковлев К. В. - М. : ООО «Сам полиграфист», 2019. - 48 с.

References:

1. Development of the design of the spacecraft satellite communications system. Scientific and technical report. The code is "MKA-Svyaz". - M.: SPO named by Lavochkin, 2014. - 371 p.

2. Litvinov A. V. et al. Conversion of the radio frequency spectrum. Issues of technical regulation / Litvinov A. V., Baygutlina I. A., Zamyatin A. Yu., Lyadova E. F. - M.: Sam Polygraphist Ltd, 2019. - 124 p.

3. Litvinov A. V. et al. Conversion of the radio frequency spectrum. Questions of electromagnetic compatibility / Litvinov A. V., Zaykovsky A. V., Zamyatin A. Yu., Lyadova E. F., Yakovlev K. V. - M.: Sam Polygraphist Ltd, 2019. - 48 p.

Список использованных сокращений:

АФС - антенно-фидерная система

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БРТК - бортовой ретрансляционный комплекс

ВИП - вторичный источник питания

ГВЗ - групповое время задержки

ГЧ - габаритный чертеж

ДН - диаграмма направленности

ЕРПЗ - естественные радиационные пояса Земли

ИИ - ионизирующее излучение

КА - космический аппарат

КНД - коэффициент направленного действия

КПД - коэффициент полезного действия

КУ - коэффициент усиления

КЭ - коэффициент эллиптичности

ОК - оперативный контроль

РЭС - радиоэлектронные системы

СВЧ - сверхвысокая частота

СП - специальная приемка

ТК - технический контроль

ТЛМ - телеметрия

УБЛ - уровень боковых лепестков

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭРИ - электрорадиоизделие

МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЛУЧЕЙ БОРТОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ ЛА И КА

Лядова Елена Федоровна

Главный специалист по качеству-верификатор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1

Крылова Ольга Сергеевна Аналитик НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» Рыбка Илья Викторович Начальник конкурсного отдела АО «НПК «ВТиСС»

Аннотация. В статье рассматривается моделирование алгоритма адаптивного формирования лучей диаграммы направленности бортовой антенной решётки летательных и космических аппаратов.

Abstract. This article discusses the modeling of the adaptive beamforming algorithm for the onboard antenna array of aircraft and spacecraft.

Ключевые слова: антенно-фидерная система, антенная решётка, летательный аппарат, космический аппарат.

Keywords: antenna-feeder system, antenna array, aircraft, spacecraft.

Выполнение исследования осуществлялось в рамках работ:

• проектирование бортовой активной фазированной антенной решётки для спутниковой системы связи диапазона ^ на низкой круговой орбите [1, а 56-61];

• оценка вариантов создания фазированных антенных решёток системы связи и радиотехнического мониторинга для беспилотных летательных аппаратов [2, а 67-70].

Целью исследования является моделирование алгоритма адаптивного формирования луча диаграммы направленности (beamforming). Этот алгоритм способен автоматически формировать главный лепесток диаграммы в направлении полезного сигнала и нули в направлении интерференций.

Параметры для моделирования соответствуют [3, с. 15-16]:

• антенная решетка: 32х32 волноводных излучателя;

• частота дискретизации: 40 МГц;

• полоса полезного сигнала: 10 МГц;

• отношение сигнал/шум канала: 50 дБ;

• количество одновременно передаваемых лучей: 8;

• мощности лучей равны;

• алгоритм фиксированного (неадаптивного) beamforming: phase shift;

• алгоритмы адаптивного beamforming: MVDR (minimum variance distortionless response, Capon) и LCMV (linear constraint minimum variance).

В качестве тестового сценария рассматривались 8 лучей, одновременно приходящие на антенную решетку под разными азимутами, значения которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения азимутов лучей_

Номер луча 0 1 2 3 4 5 6 7

Азимут, град. -25 -17 -5 0 7 12 23 35

Спектр тестового сигнала показан на рисунке 1. Модуль исходного (передаваемого сигнала), сигнала после beamforming и остаточной ошибки (остаточные интерференции от соседних лучей + шум) во временной (слева) и частотных (справа) областях для луча 0 (азимут -25°) представлен на рисунках 2-5.

-70 -75 -80 -85 -90 -95 -100 -105 -110

ш и* 1

Ч Г ||

!

1

/ 1

/ \

-115

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 frequency, Hz х Ю7

Рисунок 1. Спектр тестового сигнала

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-70 г -80 -

Рисунок 2. Без beamforming

t source output -error

—-

-1 -0.5 0 0.5 frequency, Hz

2.5

2

S -100

-110

-120

-130

-140

1.5

x 10

source output error

■И™"

o I ян I ^^Bwimn Яшм д

■ 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

\ source output

error

I

Г ■Wvv^Y _____

I

1

У

-2 -1.5 -1

-0.5 0 0.5 frequency, Hz

1.5 2

7

Рисунок 3. phase shift beamforming

2.5

2

m

Рисунок 4. MVDR beamforming

source output error

-701-80 --90 -

m

^ -100 -■S -110 -

E 5

SÏ -120 -J -130 --140 -

/ ïlip^vAy-^ source output error

__.

0 20TO 3ОТО 4TO 5TO 6TO 70TO 80TO 9TO ЮХХ)

-0.5 0 0.5 frequency, Hz

Рисунок 5. LCMV beamforming

Сравнение модуля ошибки (остаточные интерференции от соседних лучей плюс шум) для различных алгоритмов Ьеатвэгт^ во временной (слева) и частотной (справа) областях для некоторых лучей показан на рисунках 6-9.

Действительные и мнимые части (слева) и модуль (справа) коэффициентов Ьеатйэгт1^ для различных алгоритмов для луча 0 представлены на рисунках 10-12.

Диаграммы направленности антенной решетки после применения адаптивного Ьеатйэгт1^ для некоторых лучей показаны на рисунках 13-24.

Результаты выполненного моделирования представлены в таблице 2.

2.5

2

-160

-2 -1.5

1.5

0

x 10

| -14

НлЛ -РБ

1

1

] 1 4

1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 1тедиепсу, Н 1п7

Рисунок 6. Луч 0 (азимут -25°)

РБ МУйЙ ЮМУ '

1

И /Ч+НМ Ы[/Лг/|>

А

— 1 1 —

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 1гедиепсу, 1п7

Рисунок 7. Луч 3 (азимут 0°)

-100

-110

-120

-130

-150

-160

0

о

-100

-110

е-120

-130

-140

-150

РБ МУйК ЮМУ

\

[

у ч N

1 1

X,

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 1гедиепсу, Н 1п7

Рисунок 8. Луч 5 (азимут 12°)

РБ

МУРЙ ЮМУ

1 РБ МУЭК

? 1

¿1

мф «"•М^м/,

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 йеяиепсу, НЕ 1п7

Рисунок 9. Луч 7 (азимут 35°)

-100

со -110

-120

-130

-140

-150

-100

-110

-120

-130

-140

-150

-160

-0.8 --1 L

200 400

600 800 1000 1200

200 400 600 800 1000 1200

Рисунок 10. Phase shift beamforming

real ~ imag

0 200 400 600 800 10Ю 1200

Рисунок 11. MVDR beamforming

0 200 400 600 800 1000 1200

200 400

600 1200

800 1000

Рисунок 12. LCMV beamforming

0

-0.2

-0.4

-0.6

0

-0.X5

-0.01

-0.015

x 10

x 10

0

0

200

400

600

1200

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Azimuth Angle (degrees)

Normalized Power (dB), Broadside at 0.00 degrees

PucynoK 13. tfyn 0 (a3UMym -25°), phase shift beamforming

Azimuth Cut (elevation angle = 0.0 )

-40 -20 0 20 40 60 80 100 Azimuth Angle (degrees)

Azimuth Cut (elevation angle = 0.0 )

0

-120 „

Normalized Power (dB), Broadside at 0.00 degrees

0

D -

-60

-70

90

180

0

90

00 -80

-80 -90

-40 -20 0 20 40 Azimuth Angle (degrees)

Azimuth Cut (elevation angle = 0.0 ) -90 0

-120^ \ -60

Normalized Power (dB), Broadside at 0.00 degrees

0

-10

-20

-30

180

0

-40

-70

90

-100

-100 -80

-60

60

80

00

PucynoK 16. jyn 3 (a3UMym 0°), phase shift beamforming

0 --10 -

-80 --90 -

-40 -20 0 Azimuth Angle

20 40 (degrees)

Normalized Power (dB), Broadside at 0.00 degrees

-20

-30

-40

80

0

-50

-60

-70

90

-100

-100 -80

-60

60

80

00

PucynoK 17. iïyn 3 (a3UMym 0°), MVDR beamforming

Рисунок 1S. Луч 3 (азимут 0°), LCMV beamforming

Рисунок 19. луч 5 (азимут 12°), phase shift beamforming

Рисунок 20. Луч 5 (азимут 12°), MVDR beamforming

Рисунок 21. Луч 5 (азимут 12°),LCMVbeamforming

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Azimuth Angle (degrees)

Normalized Power (dB), Broadside at 0.00 degrees

PucyHOK 22. iïyn 7 (a3UMym 35°), phase shift beamforming

-10

tû -20

$

180

0

-40

Z -50

-60

-70

90

-100 -80 -60 -40 -20 0 Azimuth Angle

20 40 (degrees)

-120

0

Normalized Power (dB), Broadside at 0.00 degrees

PucyHOK 23. ïïyn 7 (a3UMym 35°), MVDR beamforming

0

-10

180

0

-40

-50

-60

-70

-80

-90

90

60 80

100

Таблица 2.

Сводная таблица с результатами моделирования__

Номер луча Азимут, ° NMSE без beamforming, дБ NMSE для phase shift beamforming, дБ NMSE для MVDR beamforming, дБ NMSE для LCMV beamforming, дБ

0 -25 -0.00 -31.40 -57.63 -71.53

1 -17 -0.00 -28.98 -46.68 -71.28

2 -5 -0.01 -24.63 -47.86 -71.20

3 0 -25.07 -25.07 -41.93 -71.16

4 7 -0.00 -23.70 -39.17 -71.02

5 12 -0.00 -25.25 -41.29 -71.26

6 23 -0.00 -29.90 -38.07 -71.42

7 35 -0.00 -32.22 -54.73 -71.25

Выводы по выполненным исследованиям:

1) алгоритмы адаптивного beamforming могут быть использованы для антенной решетки с волноводным излучателем, конфигурации решетки 32х32 элемента достаточно для формирование одного главного лепестка и 7 нулей в диаграмме направленности;

2) алгоритм phase shift beamforming является неадаптивным и использует в качестве параметра направление полезного сигнала. Этот алгоритм обеспечивает наихудшие значение NMSE около -23 дБ в центре диаграммы направленности и около -32..30 дБ по ее краям;

3) алгоритм MVDR является адаптивным, автоматически формирует нули диаграммы в направлении интерференций, обеспечивает улучшение NMSE на 16..26 дБ, по сравнению с phase shift;

4) алгоритм LCMV также является адаптивным, автоматически формирует нули диаграммы в направлении интерференций, обеспечивает наилучшее значение NMSE около -71 дБ, что лучше на 40..45 дБ, по сравнению с phase shift. Именно этот алгоритм рекомендуется использовать в рассматриваемой системы связи;

5) для оценки поведения рассмотренных алгоритмов для 2D адаптивного beamforming (по азимуту и возвышению) требуется дополнительное моделирование. По всей видимости, нестабильное поведение алгоритмов MVDR и LCMV связано со спецификой диаграммы направленности отдельного волноводного излучателя, корректно измеренной только в плоскости азимута.

Список литературы:

1. Разработка проектного облика космического аппарата спутниковой системы связи. Научно -технический отчёт. Шифр «МКА-Связь». - М. : НПО им. Лавочкина, 2014. - 371 с.

2. Кочкаров А. А. и др. Оценка непрерывности информационного взаимодействия и доведения информации в системах мониторинга с динамической структурой / Кочкаров А. А., Тимошенко А. В., Литвинов А. В., Лядова Е. Ф., Гайчук Ю. Н. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2019. -№ 8. - С. 66-71.

3. Плотников П. Моделирование антенны. Отчёт о НИР. - М.: Huawei, 2014. - 65 c.

References:

1. Development of the design of the spacecraft satellite communications system. Scientific and technical report. "MKA-Svyaz" code. - M.: SPO named by Lavochkin, 2014. - 371 p.

2. Kochkarov A. A. et al. Assessment of the continuity of information interaction and communication in monitoring systems with a dynamic structure / Kochkarov A. A., Timoshenko A. V., Litvinov A. V., Lyadova E. F., Gaychuk Yu.N. // Electromagnetic waves and electronic systems. - 2019. - No. 8. - P. 66-71.

3. Plotnikov P. Modeling of the antenna. Report on research. - M .: Huawei, 2014. - 65 p.