Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала
METHOD FOR SPATIAL INTERFERENCE COMPENSATION USING INFORMATION ABOUT THE DIRECTION TO THE SIGNAL SOURCE

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.
1
2
K
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 w, w, …, w 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.
1
2
K
1
2
K
1
2
К
1
2
К
1
2
К
1
2
К
Способ пространственной компенсации помех с использованием информации о направлении на источник сигнала осуществляется в антенной решетке 1 с антенными элементами 1, 1, …, 1, где K – количество антенных элементов, диаграммообразующей схемой (ДОС) 2 с блоками комплексных весовых коэффициентов 2, 2, …, 2, 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 1, 1, …, 1, соединены с входами блоков весовых коэффициентов 2, 2, …, 2 и с входами блока расчета весовых коэффициентов 4, выходы которого соединены с другими входами блоков весовых коэффициентов 2, 2, …, 2. Выходы блоков весовых коэффициентов 2, 2, …, 2 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.
1
2
2
M
1
2
M
1
2
K
1
2
K
1
2
K
1
2
К
1
2
K
1
2
K
На антенную решетку 1 поступают полезный u(t) и помеховые сигналы u(t), u(t), …, u(t) c амплитудами U, U, …, U, где M – количество полезного сигнала и помех. Антенные элементы 1, 1, …, 1, принимают их и отправляют сформированные напряжения x(t), x(t), …, x(t) в блоки весовых коэффициентов 2, 2, …, 2 и в блок расчета весовых коэффициентов 4. Блок расчета весовых коэффициентов 4, получив сигналы с антенных элементов 1, 1, …, 1 и информацию о направлении на источник сигнала из блока ориентации антенной решетки в направлении на источник сигнала 5, формирует весовые коэффициенты w(t), w(t), …, w(t), и передает их в блоки весовых коэффициентов 2, 2, …, 2.
1
2
K
1
2
K
1
2
K
Блоки весовых коэффициентов 2, 2, …, 2, умножают сигналы с выходов антенных элементов 1, 1, …, 1 на сформированные весовые коэффициенты w(t), w(t), …, w(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
k
где d(α,θ) – значение ДН k-го антенного элемента в направлении на источник сигнала (помехи), θ – азимутальный угол на источник сигнала,
k
k
α – угол места, отсчитываемый от горизонтальной плоскости, ρ и ϕ – полярные координаты k-го антенного элемента антенной решетки 1,
λ – длина волны сигнала (помехи).
1
2
K
На выходах антенных элементов 1, 1, …, 1 антенной решетки 1 формируется сумма сигнала и помех
, k=1, 2, …, K,
1
2
3
K
k
2
где u(t) – сигнал, u(t), u(t), …, u(t) – помехи; n(t) – аддитивный белый шум с дисперсией σ.
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
1
1
1
2
K
(α,θ)=[s, s, …, s)]
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.
1
2
K
Адаптация антенной решетки 1 к помеховой обстановке осуществляется в блоке расчета весовых коэффициентов 2 в процессе расчета весовых коэффициентов w(t), w(t), …, w(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
s
k
1
2
K
1
2
K
X
T
Т
где 0<μ<1, x(t), k=1, 2, ..., K – компоненты вектора (t)=[x, x, …, x] сигнала и помех на выходах антенных элементов 1, 1, …, 1, «» оператор транспонирования.
1
2
K
1
2
K
W
T
На втором этапе осуществляется расчет вектора весовых коэффициентов w(t), w(t), …, w(t) антенной решетки 1 (t)=[w, w, …, w], 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
k
k
k
k
w(t)=w(t-1)-μy(t)x(t)s, k=1, 2, …, K,
0
0
X
W
Н
Н
где μ=μ/A(t), 0<μ<1; y(t)=(t)(t) – сумма сигнала и помех на выходе антенной решетки 1, «» – оператор комплексного сопряжения и транспонирования.
k
При этом за счет использования в последнем выражении множителя s, 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.
1
2
K
Однако, несмотря на ориентацию в направлении на источник сигнала, формирование весовых коэффициентов w(t), w(t), …, w(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.
W
Для этого на третьем этапе с целью обеспечения подавления помех в направлениях, отличных от направления на источник полезного сигнала, вектор (t) преобразуется следующим образом
W
W
I
(t+1)=(t)-*[-1],
I
где  – единичный вектор столбец.
1
2
K
Это преобразование обеспечивает ограничение весовых коэффициентов w(t), w(t), …, w(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
X
W
Н
y(t)=(t)(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:
k
ρ =0,6λ, k=1, 2, …, 6;
1
2
3
4
5
6
0
0
0
0
0
ϕ=0, ϕ=60, ϕ=120, ϕ=180, ϕ=240, ϕ=300,
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.
0
s
Для сравнения на фиг. 4 показан отклик того же согласованного фильтра с компенсацией помех при параметрах μ=0.00001, μ=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.
0
0
0
0
На фиг. 5а показана диаграмма направленности ААР при α=1, т.е. при угле места, близкому к углам места источников помех. Видно, что в направлениях 30, 70, 90 на источники помех сформированы глубокие провалы.
0
0
На фиг. 5б показана диаграмма направленности ААР при угле места α=80, равного углу места источника сигнала при этом диаграмма направленности близка круговой, с максимумом в направлении 150 на источник сигнала.
Таким образом, предлагаемый способ пространственной компенсации помехпозволяет 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.