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

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, …, w_K 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, …, 1_K, где K – количество антенных элементов, диаграммообразующей схемой (ДОС) 2 с блоками комплексных весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_K, 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, …, 1_К, соединены с входами блоков весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_К и с входами блока расчета весовых коэффициентов 4, выходы которого соединены с другими входами блоков весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_К. Выходы блоков весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_К 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), …, u_M(t) c амплитудами U₁, U₂, …, U_M, где M – количество полезного сигнала и помех. Антенные элементы 1₁, 1₂, …, 1_K, принимают их и отправляют сформированные напряжения x₁(t), x₂(t), …, x_K(t) в блоки весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_K и в блок расчета весовых коэффициентов 4. Блок расчета весовых коэффициентов 4, получив сигналы с антенных элементов 1₁, 1₂, …, 1_К 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), …, w_K(t), и передает их в блоки весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_K.

Блоки весовых коэффициентов 2₁, 2₂, …, 2_K, умножают сигналы с выходов антенных элементов 1₁, 1₂, …, 1_K на сформированные весовые коэффициенты w₁(t), w₂(t), …, w_K(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 d_k(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, ρ_k и ϕ_k – полярные координаты k-го антенного элемента антенной решетки 1,

λ – длина волны сигнала (помехи).

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

, k=1, 2, …, K,

где u₁(t) – сигнал, u₂(t), u₃(t), …, u_K(t) – помехи; n_k(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

S(α₁,θ₁)=[s₁, s₂, …, s_K)]

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), …, w_K(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<μ_s<1, x_k(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора X(t)=[x₁, x₂, …, x_K]^T сигнала и помех на выходах антенных элементов 1₁, 1₂, …, 1_K, «^Т» оператор транспонирования.

На втором этапе осуществляется расчет вектора весовых коэффициентов w₁(t), w₂(t), …, w_K(t) антенной решетки 1 W(t)=[w₁, w₂, …, w_K]^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

w_k(t)=w_k(t-1)-μy(t)x_k(t)s_k, k=1, 2, …, K,

где μ=μ₀/A(t), 0<μ₀<1; y(t)=X^Н(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 s_k, 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), …, w_K(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), …, w_K(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)=X^Н(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:

ρ_k =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, μ_s=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.

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 s(α₁,θ₁)=[s₁, s₂, …, s_K)] с элементами

где ρ_k и ϕ_k – 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<μ_s<1, x_k(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора X(t)=[x₁, x₂, …, x_K]^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, …, w_K]^T с элементами w_k(t)=w_k(t-1)-μy(t)x_k(t)s_k, k=1, 2, …, K, μ=μ₀/A(t), 0<μ₀<1; y(t)=X^Н(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.

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 s(α₁,θ₁)=[s₁, s₂, …, s_K)] с элементами

где ρ_k и ϕ_k – 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<μ_s<1, x_k(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора X(t)=[x₁, x₂, …, x_K]^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, …, w_K]^T с элементами w_k(t)=w_k(t-1)-μy(t)x_k(t)s_k, k=1, 2, …, K, μ=μ₀/A(t), 0<μ₀<1; y(t)=X^Н(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.