Комбинированная адаптивная антенная решетка
COMBINED ADAPTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах навигации при приеме навигационных сигналов навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) в условиях воздействия преднамеренных помех.
Известна адаптивная антенная решетка [1], содержащая N антенных элементов, блоки комплексного взвешивания сигналов, адаптивный процессор и общий сумматор, а также N полосовых фильтров, М сигнальных сумматоров и (М-1)-блоков комплексного взвешивания сигналов, а адаптивный процессор выполнен в виде совокупности М блоков формирования весовых коэффициентов, при этом полосовые фильтры установлены на выходах антенных элементов.
Известна адаптивная антенная решетка [2], содержащая антенные элементы, фазовращатели, комплексные весовые умножители, первый и второй сумматоры, блок адаптации, функциональный преобразователь, умножитель.
Недостатком данных адаптивных антенных решеток является то, что все антенные элементы выполнены с одними и теми же характеристиками и соединены с аналогичными блоками для выделения полезного сигнала.
Известна адаптивная антенная решетка [3], содержащая антенные элементы, образующие N-элементную антенную решетку, адаптивный процессор, выходы которого подключены к входам N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, к которому подключены выходы блоков комплексного взвешивания сигналов, выход общего сумматора подключен к адаптивному процессору, а также является выходом устройства. Все антенные элементы, образующие N-элементную антенную решетку, имеют одинаковое конструктивное исполнение и характеристики направленности и обеспечивают одинаково хороший прием как полезного навигационного сигнала, приходящего преимущественно с вертикального направления, так и помехового сигнала, приходящего преимущественно с горизонтального направления. Отсутствие пространственной дифференциации полезного навигационного сигнала и помехового сигнала в отдельных антенных элементах в процессе адаптации антенной решетки приводит не только к подавлению помехового сигнала, но и к деградации полезного сигнала за счет его фазовых искажений в блоках комплексного взвешивания сигналов, что является причиной снижения отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.
Целью изобретения является повышение отношения сигнал/помеха на выходе адаптивной антенной решетки.
Поставленная цель достигается использованием в антенной решетке двух типов антенных элементов с разным конструктивным исполнением и характеристиками направленности, обеспечивающими пространственную дифференциацию полезного сигнала и помехового сигнала. Используется комбинированная адаптивная антенная решетка, состоящая из N периферийных антенных элементов, имеющих диаграмму направленности с максимумом в горизонтальной плоскости и минимумом в вертикальной плоскости и настроенных на прием помехового сигнала, приходящего преимущественно с горизонтального направления, адаптивного процессора, выходы которого подключены к входам N блоков комплексного взвешивания сигналов, общего сумматора, к которому подключены выходы блоков комплексного взвешивания сигналов, в центр антенной решетки помещен антенный элемент, имеющий диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере, обеспечивающий прием, как полезного сигнала, так и помехового сигнала, выход которого соединен с первым суммирующим входом второго сумматора, второй вычитающий вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к адаптивному процессору и также является выходом устройства.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена схема размещения антенных элементов на примере семиэлементной антенной решетки, на фиг. 2 приведена структурная схема комбинированной адаптированной антенной решетки, на фиг. 3 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для периферийных антенных элементов, на фиг. 4 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для центрального антенного элемента, на фиг. 5 приведена таблица параметров навигационных сигналов и помех используемых при моделировании, на фиг. 6 показан график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу центрального антенного элемента антенной решетки (на фиг. 2 не показан), на принимаемую смесь полезного сигнала и помехового сигнала, на фиг. 7 для сравнения приведен отклик того же фильтра на принимаемый полезный сигнал, на фиг. 8 приведен график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу второго сумматора антенной решетки (на фиг. 2 не показан), на смесь полезного сигнала и помехового сигнала после адаптации антенной решетки.
1
2
N
Комбинированная адаптивная антенная решетка состоит из антенной решетки 1, диаграммообразующей схемы 2 состоящей из блоков комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2, адаптивного устройства 3, сумматора 4, второго сумматора 5.
1
2
N
Антенна решетка 1 содержит центральный антенный элемент 1.1 (фиг. 1) имеющий диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере (см. фиг. 4), и периферийные антенные элементы 1.2, 1.2, …, 1.2, размещенные по кругу равноудаленно от центра (фиг. 1) и имеющие диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости (см. фиг. 3).
1
2
N
1
2
N
Выходы антенных элементов 1.2, 1.2, …, 1.2, соединены с входами блоков комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2 и с входами адаптивного устройства 3.
1
2
N
Выходы адаптивного устройства 3 соединены с входами блоков комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2.
1
2
N
Выходы блоков комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2 соединены с входами сумматора 4, выход которого соединен с вычитающим входом второго сумматора 5.
Суммирующий вход второго сумматора 5 соединен с выходом центрального антенного элемента 1.1. Выход второго сумматора 5 соединен с входом адаптивного устройства 3 и также является выходом устройства.
1
2
N
1
2
N
Комбинированная адаптивная антенная решетка работает следующим образом. На антенную решетку 1 поступают навигационные сигналы и помеховые сигналы. Антенные элементы 1.2, 1.2, …, 1.2, принимают в основном помеховые сигналы и частично навигационные сигналы, отправляют их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2 и в адаптивное устройство 3.
1
2
N
Адаптивное устройство 3 получив помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  производит расчет вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2.
1
2
N
1
2
N
Блоки комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2, получив от антенных элементов 1.2, 1.2, …, 1.2 помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  а от адаптивного устройства 3 вектор весовых коэффициентов W(t), формирует компенсирующие помеховые сигналы и передает их в сумматор 4.
Сумматор 4 получив компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий компенсирующий сигнал y(t) который с отрицательным знаком передается на второй сумматор 5.
1.1
Центральный антенный элемент 1.1 антенной решетки 1 принимает навигационные сигналы и помеховые сигналы x(t) и передает во второй сумматор 5 с положительным знаком.
1.1
Второй сумматор 5, получив сигналы x(t) от центрального антенного элемента 1.1 антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y(t) от сумматора 4 формирует выходной сигнал s(t), который передается потребителю и в адаптивное устройство 3.
1
2
N
Адаптивное устройство 3 получив сигнал s(t) от второго сумматора 5 и вновь поступающие помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  производит корректировку вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2.
1
2
N
1
2
N
Блоки комплексного взвешивания сигналов 2, 2, … 2, получив от антенных элементов 1.2, 1.2, …, 1.2 помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  а от адаптивного устройства 3 откорректированный вектора весовых коэффициентов W(t), формирует более чистые компенсирующие помеховые сигналы и передает их в сумматор 4.
Сумматор 4 получив более чистые компенсирующие помеховые сигналы, формирует более чистый результирующий компенсирующий сигнал y(t), который с отрицательным знаком передается на второй сумматор 5.
1.1
Второй сумматор 5, получив сигналы x(t) от центрального антенного элемента 1.1 антенной решетки 1 и более чистый результирующий компенсирующий сигнал у(t) от сумматора 4 формирует более чистый выходной сигнал s(t), который содержит в основном навигационные сигналы и передается потребителю и в адаптивное устройство 3.
При моделировании комбинированной адаптивной антенной решетки в антенной решетке 1 применялся центральный антенный элемент 1.1 имеющий диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере и шесть антенных элементов 1.2, размещенных по кругу равноудаленно от центра в вершинах шестиугольника на расстоянии R=06,λ, где λ=c/f - длина волны, f - несущая частота полезного сигнала, с - скорость света, и имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости.
В качестве сигналов используются фазоманипулированные сигналы с расширением спектра М-последовательностью длиной 1023 дискрета с 10 цифровыми отсчетами на дискрете. В качестве помехового сигнала используется фазоманипулированный сигнал с расширением спектра М-последовательностью длиной 511 дискретов. Параметры навигационных сигналов и помеховых сигналов на входе комбинированной адаптивной антенной решетки приведены в Таблице фиг. 5.
Отношение уровня помеховых сигналов к уровню полезных навигационных сигналов на входе антенной решетки 1 составляет 60-100 раз (см. фиг. 5).
Отклик согласованного фильтра, подключенного к выходу центрального антенного элемента 1.1 антенной решетки 1 (на фиг. 2 не показан), на принимаемую смесь навигационных сигналов и помеховых сигналов приведен на графике фиг. 6.
Для сравнения на графике фиг. 7 показан отклик того же согласованного фильтра, на вход которого подаются только полезные навигационные сигналы.
На фиг. 6 и 7 видно, что на выходе согласованного фильтра, настроенного на прием полезного навигационного сигнала, уровень помехового сигнала в 15-18 раз превышает уровень полезного навигационного сигнала.
Отклик согласованного фильтра, подключенного к выходу второго сумматора 5 (на фиг. 2 не показан), на выходной сигнал комбинированной адаптивной антенной решетки показан на графике фиг. 8, где видно, что после адаптации комбинированной адаптивной антенной решетки уровень помехового сигнала значительно уменьшился и стал в 6-8 раз ниже уровня полезного навигационного сигнала. То есть отношение сигнал/помеха на выходе комбинированной адаптивной антенной решетки увеличилось более, чем в 100 раз в сравнении с тем же параметром на ее входе.
Таким образом, предлагаемая комбинированная адаптивная антенная решетка позволяет компенсировать помеховые сигналы, значительно превышающие уровень полезных навигационных сигналов, и выделить полезный навигационные сигналы за счет повышения отношения сигнал/помеха на ее выходе.
Источники информации.
1. Патент 2466482 РФ, МПК H01Q 3/26, H01Q 21/00. Адаптивная антенная решетка / Д.Д. Габриэльян, А.Н. Новиков, В.А. В.В. Шацкий, Н.В. Шацкий (RU); Габриэльян Дмитрий Давидович (RU), Новиков Артем Николаевич (RU), Шацкий Виталий Валентинович (RU), Шацкий Николай Витальевич (RU). - №2011110018/07; Заявлено 16.03.2011; Опубл. 18.011.2012, Бюл. 31. - 20 с.: 13 ил.
2. Патент 2014680 РФ, МПК H01Q 21/00. Адаптивная антенная решетка / Н.А. Гусев и др. (RU); ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ (RU). - №91 4916922; Заявлено 05.03.1991; Опубл. 27.09.2000. - 4 с.: 1 ил.
3. Патент 2683140 РФ, МПК H01Q 3/26. Адаптивная антенная решетка / А.Н. Новиков и др. (RU); Новиков Артем Николаевич (RU). - №2018120194; Заявлено 31.05.2018; Опубл. 26.03.2019, Бюл. 9. - 243 с.: 11 ил.