Варианты реализации цифрового диаграммообразования в адаптивных цифровых антенных решетках Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВОГО ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ В АДАПТИВНЫХ ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ*

С. В. Ефремова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: efremova_svet@sibsau.ru

Рассмотрены адаптивные алгоритмы диаграммообразования и защиты от помех на основе цифровых антенных решеток и выделены особенности их применения в командно-измерительных системах наземных комплексов управления (КИС НКУ), а также варианты реализации цифрового диаграммообразования в адаптивных цифровых антенных решетках (АЦАР).

Ключевые слова: адаптивные цифровые антенные решетки, защита от помех.

IMPLEMENTING DIGITAL BEAMFORMING IN SMART ANTENNAS:

A DISCUSSION

S. V. Efremova

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: efremova_svet@sibsau.ru

This paper discusses adaptive algorithms, built on the basis of adaptive digital antenna arrays (smart antennas) for digital beamformation and interference suppression. A discussion follows on their implementation in command and measurement systems of ground control facilities for spacecraft and variants for implementing digital beamforming in smart antennas.

Keywords: adaptive digital antenna array (smart antenna), interference suppression.

Адаптивные цифровые антенные системы играют важную роль в системах связи и телеметрии, обеспечивая формирование многолучевых диаграмма направленности (ДН) и пространственную защиту от помех КИС НКУ при воздействии, как непреднамеренных, так и преднамеренно поставленных помех. Применение в заданной полосе частот (частотный ресурс является природным невосполнимым ресурсом) сигнальных методов защиты от помех приводит к снижению коэффициента подавления помех пропорционально увеличению ширины спектра помехи. Пространственная защита от помех, реализуемая с помощью адаптивных антенных систем, не обладает указанным недостатком и наиболее эффективна в системах с широкополосными сигналами.

При всем многообразии существующих методов все они базируются на использовании отличий (амплитудных, временных, частотных, угловых, поляризационных и т. д.) полезных и мешающих сигналов. Суть использования этих различий, как показано Я. Д. Ширманом [1], заключается в формировании минимумов (провалов) в угловых, поляризационных, частотных и т. п. характеристиках приемника в соответствующих «направлениях» на источники помех, и максимумов в «направлении» на полезный сигнал. За счет этого компенсируется (подавляется) помеха и накапливается полезный сигнал с «направления», отличного от помеховых. Эти операции реализуются в системах угловой, поляризационной, частотной и т. п. селекции, различные виды ко-

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 03.10.2016 г. № 14.577.21.0220, уникальный идентификатор проекта КРМЕР157716X0220).

торых широко представлены в литературе [1] и реализованы на практике. Итоговый эффект такой обработки определяется уровнем и полнотой использования имеющихся различий, а также качеством учета каждого из них, зависящим от степени известности статистических характеристик сигналов и помех.

Для реальных условий неполного знания и изменчивости этих характеристик во времени и пространстве в последние несколько десятилетий специалистами разных стран разработано множество методов и устройств адаптации к сигнально-помеховой обстановке, в той или иной мере преодолевающих трудности «априорной неопределенности». К числу первых в мировой практике можно отнести корреляционные автокомпенсаторы помех Я. Д. Ширмана и С. И. Крас-ногорова [2; 3], а также Уидроу (В. '^ёго'^) [4] и Хауэллса (Р. Нсме^) [5].

Накопленные к настоящему времени достижения теории в существующих средствах связи, радиолокации, навигации и других радиотехнических средствах реализованы далеко не полностью. При достаточно большом разнообразии практически используемых систем защиты большинство из них по структуре и (или) параметрам отличаются от теоретически оптимальных для соответствующих условий.

Недостатки систем диаграммообразования и защиты от помех давно эксплуатирующихся радиотехнических средств во многом объясняются тем, что имевшаяся на момент их разработки аналоговая элементная база не позволяла реализовать предложенные в литературе новые методы адаптивной обработки с теоретически существенно более высокой эффективностью в сложной и динамичной помеховой обстановке, чем неадаптивные системы или классические корреляционные автокомпенсаторы, реализующие стохастические градиентные алгоритмы адаптации.

Антенная система (АС) должна иметь ДН с одним или несколькими, насколько это возможно узкими, лепестком. При этом боковые лепестки должны быть как можно меньшими для подавления помех, приходящих с направления, отличного от направления максимумов ДН АС. Соответственно, задача устройства адаптивной обработки - сформировать «нули» ДН на таких углах, которые необходимы для обеспечения защиты от помех, а максимумы - в направлении на источники полезных сигналов. Вместе с тем перенос методов адаптивной обработки из радиолокации для решения задач формирования ДН в КИС НКУ требует учета следующих особенностей:

- одновременный прием сигналов космических аппаратов, действующих с различных направлений, что потребует, в случае применения направленных антенн, создание сложной многоканальной диаграммообразующей системы, системы слежения за положением космического аппарата (КА) и применения адаптивных алгоритмов в каждом канале приема. В случае применения ненаправленных антенн возникает необходимость формирования провалов в ДН, что может привести к потере сопровождения КА, направления на которые совпадают с направлением прихода помехи. Создание провалов в ДН потребует введения дополнительных каналов приема (по числу постановщиков помех), но это гораздо меньше, чем в описанном выше случае.

- сигнал каждого КА практически непрерывен, в отличие от радиолокационного сигнала, который имеет импульсный характер, а это вызовет необходимость применения специальных мер по исключению влияния сигнала в цепи настройки адаптивной системы.

- уровень мощности сигнала в точке приема гораздо меньше уровня собственных шумов приемника.

Пространственная селекция сигналов и активных помех основана на использовании отличий в угловых направлениях их воздействия на радиоэлектронные средства (РЭС). В результате пространственной селекции обеспечивается защита от активных помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны РЭС.

Для подавления непрерывных активных помех используется компенсационный метод (метод когерентной компенсации). Принцип когерентной компенсации непрерывных активных помех, действующих по боковым лепесткам ДН, заключается в следующем. Приемная антенная система РЭС состоит из основной А0 и дополнительных антенн А1, А2,...,Ап (см. рисунок).

Диаграммы направленности дополнительных антенн перекрывают область боковых лепестков диаграммы направленности основной антенны А0. В каждом дополнительном канале включены усилители с регулируемыми комплексными коэффициентами передачи КК1, К2, ..., Кп. Напряжения помехи со всех каналов поступают на сумматор.

Обобщенная структурная схема системы компенсации непрерывных активных помех

В результате суммирования колебаний всех каналов результирующая диаграмма направленности (9) такой антенной системы определяется соотношением:

^(9) = ЗД) + • ^(9), (1)

1=1

где ^ (9) - комплексная ДН 1-го дополнительного приемного канала.

Подбором коэффициентов К1, К2, ..., Кп можно добиться образования «провалов» в результирующей диаграмме направленности в направлении на источник помех при несущественном искажении главного лепестка диаграммы направленности (заметим, что искажение главного лепестка результирующей ДН зависит от углового положения источника помех относительно главного лепестка и формы ДН антенн А1, Л2, ..., Ап).

Для формирования «провалов» в результирующей ДН в заданных направлениях 9/ коэффициенты передачи К1, К2, ..., Кп должны удовлетворять системе уравнений:

¿0(9,.) + • (9/) = 0, / = 1, 2, ..., т, (2)

1=1

где т - количество источников помех, воздействующих на АЦАР.

При т < п эта система уравнений будет иметь, по крайней мере, одно решение, если ДН (9) выбрана с учетом определенных требований. При т > п в общем случае система уравнений

(2) не будет иметь решения. Это означает, что для формирования в результирующей ДН провалов на т постановщиков помех необходимо иметь не менее т + 1 дополнительных приемных каналов.

В процессе работы антенная система непрерывно следит за положением спутника, и место положения постановщика помех также может меняться, поэтому условие направления 9/ на источник помехи будут также непрерывно изменяться. Значит необходимо изменять направления сформированных провалов в результирующей диаграмме направленности. Отсюда следует, что коэффициенты Ki также необходимо непрерывно изменять.

Таким образом, процесс управления комплексными коэффициентами передачи дополнительных каналов в современных РЭС автоматизирован с помощью автокомпенсаторов помех.

Применение автокомпенсаторов позволило решить проблему адаптивной пространственной селекции сигналов и активных помех.

Библиографические ссылки

1. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория : справ. / Я. Д. Ширман и [др.] ; под ред. Я. Д. Ширмана. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Радиотехника, 2007. 512 с.

2. А. с. 324956 СССР, МПК4Н04В15/00. Способ автоматическом регулировки амплитуды и фазы компенсирующего сигнала в радиоприемных устройствах с подавлением коррелированных помех двухканальным компенсационным методом / Я. Д. Ширман, С. И. Красногоров. № 0714498; заявл. 27.01.1962; опубл. 07.09.1988.

3. А. с. 296267 СССР, МПК4Н04В1/10. Способ компенсации коррелированных помех и автоматической ориентации нулей диаграммы направленности на источники помех / Я. Д. Шир-ман, С. И. Красногоров. № 0950359; заявл. 02.03.1963; опубл. 15.01.1989.

4. Widrow В., Mantey P. E., Griffiths L. J., Goode В. B. Adaptive antenna systems // Proc. IEEE, vol. 55, Dec. 1967, p. 2143.

5. Howells P. Explorations on fixed and adaptive resolution at GE and SURC // IEEE Trans., 1976. Vol. AP-24, № 4.

© Ефремова С. В., 2017