CC BY
28ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИХОДА СИГНАЛА НА БОРТОВУЮ АНТЕННУЮ РЕШЁТКУ ЛА И КА
Грищенко Сергей Анатольевич
Начальник центра технического обслуживания АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1
Лядова Елена Федоровна Главный специалист по качеству-верификатор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Трубачёв Алексей Георгиевич Начальник отдела интеграции систем НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Аннотация. В данной статье рассматривается моделирование алгоритма оценки направления прихода сигнала на бортовую антенную решётку летательных и космических аппаратов.
Abstract. This article discusses the modeling of the algorithm for assessing the direction of arrival of a signal to the on-board antenna array of aircraft and spacecraft.
Ключевые слова: антенно-фидерная система, бортовая антенная решётка, направление прихода сигнала, летательный аппарат, космический аппарат.
Keywords: antenna-feeder system, on-board antenna array, signal direction of arrival, aircraft, spacecraft.
Исследование выполнено в рамках проектирования бортовой активной фазированной антенной решётки для спутниковой системы связи диапазона Ku на низкой круговой орбите [1, c. 56-61]. Параллельно была рассмотрена возможность использования созданных моделей для разработки антенной системы связи и радиотехнического мониторинга для беспилотных летательных аппаратов [2 c. 67-70].
Целью исследования является моделирование алгоритма оценки направления прихода (DOA -direction of arrival) по сигналу, полученной с антенной решетки.
Параметры для моделирования соответствуют [3, стр. 15-16]:
• антенная решетка: 32х32 волноводных излучателя;
• частота дискретизации: 40 МГц;
• полоса полезного сигнала: 10 МГц;
• отношение сигнал/шум канала: 30 дБ;
• количество одновременно передаваемых лучей: 1..8;
• диапазон сканирования по азимуту и возвышению: ±65 градусов;
• методы оценки направления: beamscan estimator и MVDR (minimum variance distortionless response, Capon).
Параметры углового расположения лучей, используемые в тестах указаны в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры углового расположения лучей_
Количество лучей Параметры углов лучей, градусы (строка 1: азимут, строка 2: возвышение)
1 [20; 30]
2 [0 20; 0 30]
4 [0 -10 20 -15; 0 -20 30 25]
8 [0 -10 20 -15 12 35 -35 -33; ...
0 -20 30 25 -10 0 5 -23];
Спектр тестового сигнала показан на рисунке 1.
Результаты работы различных алгоритмов для одного луча показаны на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2. Beamscan
Результаты работы различных алгоритмов для двух лучей показаны на рисунках 4 и 5, для четырёх лучей - на рисунках 6 и 7, для восьми лучей - на рисунках 8 и 9.
2-D Beamscan Spatial Spectrum
'—
s
[.Oft««' ! "■ '
||;-4 | ........
-60 -40 -20
20 40 60
Azimuth Angle (degrees)
Рисунок 4. Beamscan
Рисунок 5. MVDR
Сравнение ширины луча на выходе детектора для различных угловых положений луча и различных алгоритмов (для случая с 8 лучами):
1) луч в центре (азимут 0, возвышение 0), рисунки 10 и 11;
2) луч в середине (азимут -10, возвышение -20), рисунки 12 и 13;
3) луч на краю (азимут 20, возвышение 30), рисунки 14 и 15.
Рисунок 6. Beamscan
Рисунок 7. MVDR
Рисунок S. Beamscan
Рисунок 9. MVDR
Рисунок 10. Beamscan и MVDR
Рисунок 11. Beamscan и MVDR
Рисунок 12. Beamscan и MVDR
Elevation Angle (d
Рисунок 13. Beamscan и MVDR
Рисунок 14. Beamscan и MVDR
Рисунок 15. Beamscan и MVDR
Выводы по проведённым исследованиям:
1) выполнено моделирование алгоритма определения направления сигнала на основе двух методов: beamscan и MVDR. Проверены сценарии с количеством лучей от 1 до 8. Оба алгоритма надежно определяют количество лучей и их пространственные координаты;
2) алгоритм beamscan имеет меньшую вычислительную сложность и обеспечивает угловое разрешение около ±4 градусов в центре диаграммы направленности и ±6 градусов на ее краях. Если угловое расстояние между лучами менее 2..3 градусов, то алгоритм не сможет их разделить и воспримет как один луч;
3) алгоритм MVDR имеет большую вычислительную сложность и обеспечивает угловое разрешение около ±1 градуса как в центре, так и на краях диаграммы направленности. Можно рекомендовать использование этого алгоритма в прототипе системы связи;
4) моделирование показало, что оба алгоритма обеспечивают надежное определение направления сигнала при ухудшении отношения сигнал/шум до 10 дБ.
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.
ВЛИЯНИЕ ИСКАЖЕНИЙ НА ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ БОРТОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ ЛА И КА
Давыдов Александр Борисович
Заместитель главного конструктора НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС» 127083, РФ, г. Москва, ул. 8 марта, дом 10, строение 1 Кузина Татьяна Александровна Инженер НТЦ-7 АО «НПК «ВТиСС» Яковлев Константин Владимирович Начальник отдела РЭЗ НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Аннотация. В статье рассматривается влияние искажений на диаграммы направленности бортовой антенной решетки летательных и космических аппаратов.
Abstract. This article discusses the effect of distortion on the directional patterns of an onboard antenna array of aircraft and spacecraft.
Ключевые слова: антенно-фидерная система, диаграмма направленности, летательный аппарат, космический аппарат.
Keywords: antenna-feeder system, radiation pattern, aircraft, spacecraft.
Современные требования к системам связи и радиотехнического мониторинга воздушного и космического базирования определяют вектор развития перспективных антенных систем [1 с. 67-70]. Безусловный приоритет с точки зрения функциональности отдаётся использованию фазированных антенных решёток. Хотя, с точки зрения совокупной стоимости владения, подобные решения не всегда являются оптимальными по стоимостным показателям на отдельных этапах жизненного цикла [2, с. 30-35, 3, с. 148-153, 4, с. 59-68, 5, с. 216-226, 6, с. 227-237].
Существенного улучшения показателей цена/функциональность применительно к бортовым антенным решёткам ЛА и КА можно достичь путём совершенствования алгоритмов обработки, в том числе, за счёт учёта и компенсации влияния искажений на диаграмму направленности антенны.
Модули обработки сигнала рассматриваемых систем имеют конечную точность вычислений. Это касается как аналоговых блоков, которые будут вносить линейные и нелинейные искажения в сигнал, так и цифровых блоков, которые выполняют вычисления в конечной разрядности и добавляют шумы квантования.
При проектировании антенной решетки и алгоритма процессора с тысячами лучей необходимо оценить чувствительность диаграммы направленности передатчика к возможным искажениям. Есть существенный риск, что наличие искажений способно ухудшить диаграмму направленности решетки и снизить уровень подавления интерференций, особенно от соседних лучей.
Прямое моделирование цифро-аналоговой системы, состоящей из цифровых блоков, аналоговых трактов и антенны, достаточно затруднительно, поэтому предлагается следующий косвенный подход:
1) внесение случайных искажений в вектор коэффициентов ЬеатЕогт^, мощность искажений задается отношением сигнал/шум для вектора коэффициентов;
