Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала Российский патент 2023 года по МПК H01Q21/00 

Описание патента на изобретение RU2788820C1

Изобретение относится к пространственной селекции сигналов и может быть использовано при приеме навигационных сигналов навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) в условиях воздействия преднамеренных помех.

Известен способ пространственной селекции источников излучения [1], который обеспечивается адаптивной антенной решеткой (ААР), состоящей из K пространственно распределенных антенных элементов, диаграммообразующей схемы с весовыми коэффициентами w1, w2, …, wK которые управляют формой диаграммы направленности, сумматора, блока расчета весовых коэффициентов, позволяющего сформировать заданные коэффициенты усиления антенной решетки в направлениях на источники полезных сигналов и нули в направлениях на источники помех. Вектор весовых коэффициентов антенной системы, обеспечивающий заданные коэффициенты усиления антенной решетки в направлениях на источники полезных сигналов и помех рассчитывается способом наименьших квадратов с применением аппарата псевдообратных матриц при линейных ограничениях на диаграмму направленности (ДН) антенной решетки.

Недостатком этой ААР является необходимость наличия информации о направлениях на источники помех, что не всегда является возможным, особенно при наличии мобильных источников помех.

Целью изобретения является разработка способа пространственной компенсации помех, использующего информацию о направлении на источник полезного сигнала, которое может быть известно заранее.

Поставленная цель достигается ориентацией ААР в направлении на источник сигнала и обеспечением подавления помех в направлениях, отличных от направления на источник сигнала.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где, на фиг. 1 приведена структурная схема ААР, на фиг. 2 приведены значения диаграмм направленности антенных элементов, на фиг. 3 приведен отклик согласованного фильтра (на фиг.1 не показан), подключенного к выходу сумматора ААР - сигнал и помехи до компенсации, на фиг. 4 приведен отклик согласованного фильтра подключенного к выходу сумматора ААР - сигнал и помехи после компенсации, на фиг. 5 приведены диаграммы направленности антенной решетки после компенсации.

Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала осуществляется в антенной решетке 1 с антенными элементами 11, 12, …, 1K, где K – количество антенных элементов, диаграммообразующей схемой (ДОС) 2 с блоками комплексных весовых коэффициентов 21, 22, …, 2K, сумматором 3, блоком расчета весовых коэффициентов 4 и блоком ориентации антенной решетки в направлении на источник сигнала 5, которые имеют между собой следующие связи. Выходы антенных элементов 11, 12, …, 1К, соединены с входами блоков весовых коэффициентов 21, 22, …, 2К и с входами блока расчета весовых коэффициентов 4, выходы которого соединены с другими входами блоков весовых коэффициентов 21, 22, …, 2К. Выходы блоков весовых коэффициентов 21, 22, …, 2К соединены с входами сумматора 3, выход которого соединен с одним из входов блока расчета весовых коэффициентов 4 и является выходом ААР, один из входов блока расчета весовых коэффициентов 4 соединен с выходом блока ориентации антенной решетки в направлении на источник сигнала 5, вход которого соединен с источником информации о направлении прихода сигнала (на фиг. не показано).

Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала осуществляется следующим образом.

На антенную решетку 1 поступают полезный u1(t) и помеховые сигналы u2(t), u2(t), …, uM(t) c амплитудами U1, U2, …, UM, где M – количество полезного сигнала и помех. Антенные элементы 11, 12, …, 1K, принимают их и отправляют сформированные напряжения x1(t), x2(t), …, xK(t) в блоки весовых коэффициентов 21, 22, …, 2K и в блок расчета весовых коэффициентов 4. Блок расчета весовых коэффициентов 4, получив сигналы с антенных элементов 11, 12, …, 1К и информацию о направлении на источник сигнала из блока ориентации антенной решетки в направлении на источник сигнала 5, формирует весовые коэффициенты w1(t), w2(t), …, wK(t), и передает их в блоки весовых коэффициентов 21, 22, …, 2K.

Блоки весовых коэффициентов 21, 22, …, 2K, умножают сигналы с выходов антенных элементов 11, 12, …, 1K на сформированные весовые коэффициенты w1(t), w2(t), …, wK(t). Эти сигналы поступают на сумматор 3, на выходе которого формируется выходной сигнал, поступающий также в блок расчета весовых коэффициентов 4.

Диаграмма направленности такой антенной решетки в сферической системе координат с учетом [2, с.43] принимает вид

где dk(α,θ) – значение ДН k-го антенного элемента в направлении на источник сигнала (помехи), θ – азимутальный угол на источник сигнала,

α – угол места, отсчитываемый от горизонтальной плоскости, ρk и ϕk – полярные координаты k-го антенного элемента антенной решетки 1,

λ – длина волны сигнала (помехи).

На выходах антенных элементов 11, 12, …, 1K антенной решетки 1 формируется сумма сигнала и помех

, k=1, 2, …, K,

где u1(t) – сигнал, u2(t), u3(t), …, uK(t) – помехи; nk(t) – аддитивный белый шум с дисперсией σ2.

В блоке ориентации антенной решетки в направлении на источник сигнала 5 на основании информации о направлении на источник сигнала , поступающей от внешнего источника (на фиг. 1 не показано), формируется вектор

S11)=[s1, s2, …, sK)]

с элементами , который поступает на блок расчета весовых коэффициентов и используется там при вычислении значений весовых коэффициентов антенной решетки с целью сохранения ориентации основного луча диаграммы направленности антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала в процессе ее адаптации к помеховой обстановке.

Адаптация антенной решетки 1 к помеховой обстановке осуществляется в блоке расчета весовых коэффициентов 2 в процессе расчета весовых коэффициентов w1(t), w2(t), …, wK(t) антенной решетки 1, обеспечивающих формирование «нулей» диаграммы направленности антенной решетки 1 в направлениях на помехи. Этот процесс итеративный и состоит из трех этапов.

На первом этапе оценивается уровень суммы сигнала и помех в каналах антенной решетки 1

где 0<μs<1, xk(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора X(t)=[x1, x2, …, xK]T сигнала и помех на выходах антенных элементов 11, 12, …, 1K, «Т» оператор транспонирования.

На втором этапе осуществляется расчет вектора весовых коэффициентов w1(t), w2(t), …, wK(t) антенной решетки 1 W(t)=[w1, w2, …, wK]T, обеспечивающих формирование «нулей» диаграммы направленности антенной решетки 1 в направлениях на помехи при сохранении ориентации основного луча диаграммы направленности антенной решетки 1 в направлении на источник полезного сигнала

wk(t)=wk(t-1)-μy(t)xk(t)sk, k=1, 2, …, K,

где μ=μ0/A(t), 0<μ0<1; y(t)=XН(t)W(t) – сумма сигнала и помех на выходе антенной решетки 1, «Н» – оператор комплексного сопряжения и транспонирования.

При этом за счет использования в последнем выражении множителя sk, k=1, 2, …, K, обеспечивается синфазность сигнальных компонент в каналах антенной решетки 1. В результате этого основной луч диаграммы направленности антенной решетки 1 ориентируется в направлении на источник полезного сигнала.

Однако, несмотря на ориентацию в направлении на источник сигнала, формирование весовых коэффициентов w1(t), w2(t), …, wK(t) в таком виде в процессе адаптации приведет их к нулевым значениям и к подавлению полезного сигнала.

Чтобы этого не случилось необходимо, чтобы в процессе адаптации среднее значение весовых коэффициентов было близко к 1.

Для этого на третьем этапе с целью обеспечения подавления помех в направлениях, отличных от направления на источник полезного сигнала, вектор W(t) преобразуется следующим образом

W(t+1)=W(t)-I*[-1],

где I – единичный вектор столбец.

Это преобразование обеспечивает ограничение весовых коэффициентов w1(t), w2(t), …, wK(t). Их среднее значение в процессе адаптации будет оставаться равной 1, что обеспечит прохождение полезного сигнала на выход антенной решетки без изменения при формировании «нулей» диаграммы направленности антенной решетки 1 в направлении на помехи.

Выходной сигнал антенной решетки определяется в виде

y(t)=XН(t)W(t).

При моделировании способа пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении прихода сигнала, в качестве антенной решетки 1 использовалась 6-ти элементная кольцевая антенная решетка из патч антенных элементов, размещенных по кругу равноудаленно от центра на расстоянии ρ=0.6λ, где λ – длина волны, и имеющих диаграмму направленности с минимумом в горизонтальной плоскости и максимумом в вертикальной плоскости.

В качестве сигнала, приходящего с направления, близкого к вертикальному, брался фазоманипулированный сигнал с расширением спектра М-последовательностью длиной 1023 символа с 10 цифровыми отсчетами на символе.

Помехи, поступающие на антенную решетку 1 с направлений, близких к горизонтальным, были сигналоподобными, т.е. копиями сигнала с различными временными задержками, разными амплитудами и приходящими с разных направлений.

Исходные данные для моделирования антенной решетки 1:

ρk =0,6λ, k=1, 2, …, 6;

ϕ1=0, ϕ2=600, ϕ3=1200, ϕ4=1800, ϕ5=2400, ϕ6=3000,

σ=0,5.

В Таблице 1 (фиг. 2) приведены исходные данные для моделирования сигнала и помех: амплитуды U, азимутальные углы θ и углы места α направлений прихода сигнала и помех, а также значения диаграмм направленности антенных элементов d в соответствующих направлениях.

На фиг. 3 приведен отклик согласованного фильтра (на фиг. 1 не показан), подключенного к выходу сумматора ААР, на принимаемую смесь сигнала и помех в отсутствии компенсации.

Для сравнения на фиг. 4 показан отклик того же согласованного фильтра с компенсацией помех при параметрах μ0=0.00001, μs=0.2, А(0)=100. Из рисунка видно, что после компенсации уровень сигнала превосходит уровень помех более чем в 20 раз.

На фиг. 5 приведены диаграммы направленности ААР после компенсации для разных углов места.

На фиг. 5а показана диаграмма направленности ААР при α=10, т.е. при угле места, близкому к углам места источников помех. Видно, что в направлениях 300, 700, 900 на источники помех сформированы глубокие провалы.

На фиг. 5б показана диаграмма направленности ААР при угле места α=800, равного углу места источника сигнала при этом диаграмма направленности близка круговой, с максимумом в направлении 1500 на источник сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ пространственной компенсации помех позволяет компенсировать помехи, используя информацию о направлении на источник полезного сигнала.

Источники информации

1. Журавлев А.В., Маркин В.Г. Пространственная компенсация помех, направления прихода которых известны. Радиотехника 2018. №7. С. 105-108.

2. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь. 1986. 448 с.

Похожие патенты RU2788820C1

название год авторы номер документа
Устройство обнаружения источников ложных навигационных сигналов НАП ГНСС 2018
  • Журавлев Александр Викторович
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Иванов Александр Федорович
RU2677929C1
Компенсатор помех для навигационной аппаратуры потребителя глобальной навигационной спутниковой системы 2017
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Журавлев Александр Викторович
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Безмага Валентин Матвеевич
RU2660140C1
Способ пространственной компенсации прямого и отраженных сигналов при обнаружении отраженного сигнала от воздушной цели бистатической радиолокационной системой 2020
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Кирюшкин Владислав Викторович
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
RU2739938C1
Многолучевая антенная система с одним выходом 2017
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Журавлев Александр Викторович
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Макаров Олег Юрьевич
RU2649096C1
Адаптивная антенная решетка для бистатической радиолокационной системы 2020
  • Кирюшкин Владислав Викторович
  • Журавлев Александр Викторович
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Красов Евгений Михайлович
RU2731875C1
Устройство пространственной селекции сигналов с компенсацией преднамеренных помех 2018
  • Журавлев Александр Викторович
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Иванов Александр Федорович
RU2677931C1
Способ адаптации антенной решетки градиентной процедурой с переменным шагом 2021
  • Бойко Игорь Андреевич
  • Глушанков Евгений Иванович
  • Горобцов Илья Александрович
  • Кирик Дмитрий Игоревич
  • Коровин Константин Олегович
  • Шестаков Александр Викторович
RU2788589C1
СПОСОБ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛУЧЕВОСТИ 1997
  • Кондратьева Н.Л.
  • Ладухин О.В.
  • Липатников В.А.
  • Марчук Л.А.
  • Яковлев В.Л.
RU2141675C1
СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ НА ОСНОВЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ СИГНАЛОВ 1992
  • Колосов Леонид Владимирович
  • Куликов Валерий Васильевич
RU2081514C1
Комбинированная адаптивная антенная решетка 2020
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Кирюшкин Владислав Викторович
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Журавлев Александр Викторович
  • Суворов Сергей Викторович
RU2750858C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 788 820 C1

Реферат патента 2023 года Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала

Использование: изобретение относится к пространственной селекции сигналов и может быть использовано при приеме навигационных сигналов навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) в условиях воздействия преднамеренных помех. Сущность: способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала, использующий адаптивную антенную решетку, осуществляет на основании информации о направлении на источник сигнала , поступающей от внешнего источника, формирование вектора s11)=[s1, s2, …, sK)] с элементами

где ρk и ϕk – полярные координаты k-го антенного элемента антенной решетки, λ - длина волны сигнала (помехи), который поступает на блок расчета весовых коэффициентов и используется там при вычислении значений весовых коэффициентов антенной решетки, обеспечивающих сохранение ориентации основного луча диаграммы направленности антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала в процессе ее адаптации к помеховой обстановке, которая осуществляется в три этапа: на первом этапе оценивается уровень суммы сигнала и помех в каналах антенной решетки

,

где 0<μs<1, xk(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора X(t)=[x1, x2, …, xK]T сигнала и помех на выходах антенных элементов, «Т» - оператор транспонирования; на втором этапе осуществляется расчет вектора весовых коэффициентов антенной решетки W(t)=[w1, w2, …, wK]T с элементами wk(t)=wk(t-1)-μy(t)xk(t)sk, k=1, 2, …, K, μ=μ0/A(t), 0<μ0<1; y(t)=XН(t)W(t) – сумма сигнала и помех на выходе антенной решетки, «Н» – оператор комплексного сопряжения и транспонирования; на третьем этапе компоненты вектора W(t) нормируются следующим образом:

W(t+1)=W(t)-I*[-1],

где I – единичный вектор-столбец. Технический результат: обеспечение компенсирования помехи, используя информацию о направлении на источник полезного сигнала. 5 ил.

Формула изобретения RU 2 788 820 C1

Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала, использующий адаптивную антенную решетку, отличающийся тем, что осуществляет на основании информации о направлении на источник сигнала , поступающей от внешнего источника, формирование вектора s11)=[s1, s2, …, sK)] с элементами

где ρk и ϕk – полярные координаты k-го антенного элемента антенной решетки, λ - длина волны сигнала (помехи), который поступает на блок расчета весовых коэффициентов и используется там при вычислении значений весовых коэффициентов антенной решетки, обеспечивающих сохранение ориентации основного луча диаграммы направленности антенной решетки в направлении на источник полезного сигнала в процессе ее адаптации к помеховой обстановке, которая осуществляется в три этапа: на первом этапе оценивается уровень суммы сигнала и помех в каналах антенной решетки

,

где 0<μs<1, xk(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора X(t)=[x1, x2, …, xK]T сигнала и помех на выходах антенных элементов, «Т» - оператор транспонирования; на втором этапе осуществляется расчет вектора весовых коэффициентов антенной решетки W(t)=[w1, w2, …, wK]T с элементами wk(t)=wk(t-1)-μy(t)xk(t)sk, k=1, 2, …, K, μ=μ0/A(t), 0<μ0<1; y(t)=XН(t)W(t) – сумма сигнала и помех на выходе антенной решетки, «Н» – оператор комплексного сопряжения и транспонирования; на третьем этапе компоненты вектора W(t) нормируются следующим образом:

W(t+1)=W(t)-I*[-1],

где I – единичный вектор-столбец.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2788820C1

СПОСОБ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ПЕЛЕНГОВАНИЯ ОБЪЕКТА ВИЗИРОВАНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНОГО И РАДИОЛОКАЦИОННОГО ДИСКРИМИНАТОРОВ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2011
  • Бердичевский Герман Ефимович
  • Блинов Валерий Анатольевич
  • Кравчик Михаил Романович
  • Шестун Андрей Николаевич
RU2488137C2
Устройство пространственной селекции сигналов с компенсацией преднамеренных помех 2018
  • Журавлев Александр Викторович
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Иванов Александр Федорович
RU2677931C1
Способ компенсации помехи и радиолокационная станция для его осуществления 2018
  • Беляев Борис Григорьевич
  • Заболотный Павел Васильевич
  • Нестеров Евгений Александрович
  • Сырский Владимир Прокопьевич
RU2671247C1
Компенсатор помех для навигационной аппаратуры потребителя глобальной навигационной спутниковой системы 2017
  • Маркин Виктор Григорьевич
  • Журавлев Александр Викторович
  • Шуваев Владимир Андреевич
  • Красов Евгений Михайлович
  • Безмага Валентин Матвеевич
RU2660140C1
Способ компенсации помех и радиолокационная станция для его осуществления 2018
  • Беляев Борис Григорьевич
  • Заболотный Павел Васильевич
  • Сырский Владимир Прокопьевич
RU2704007C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО БОРЬБЫ С ПОМЕХАМИ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ 2007
  • Шевалье Паскаль
  • Ван Де Вьель Франсуа
  • Донне Кристоф
RU2446562C2
СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОМПЕНСАЦИИ ПОМЕХ ПРИ МОНОИМПУЛЬСНОМ АМПЛИТУДНОМ СУММАРНО-РАЗНОСТНОМ ПЕЛЕНГОВАНИИ И НАЛИЧИИ ОШИБОК КАЛИБРОВКИ ПРИЕМНЫХ КАНАЛОВ 2011
  • Карпухин Вячеслав Иванович
  • Козлов Сергей Вячеславович
  • Сергеев Владимир Игоревич
RU2456631C1
US 6867726 B1, 15.03.2005
US 20090022336 A1, 22.01.2009
US 6483923 B1, 19.11.2002.

RU 2 788 820 C1

Авторы

Журавлев Александр Викторович

Бабусенко Сергей Иванович

Кирюшкин Владислав Викторович

Маркин Виктор Григорьевич

Шуваев Владимир Андреевич

Иванов Александр Федорович

Красов Евгений Михайлович

Даты

2023-01-24Публикация

2022-06-20Подача