Закономерности, определяющие правила построения автокомпенсаторов помех в нестационарных условиях

элементов // Новости электротехники.- 2007, № 5 (47), - с. 2-5, № 6 (48), - c.27-29. 9. Патент РФ 2475377 С1 МПК B 60 L11/18. Комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства / Ипатов А.А., Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю. - Опубл. 20. 02. 2013., бюл. № 5.

Исследования и разработки в области эффективности, надежности и боевого использования вооружения и военной техники

УДК 357.372

Муравский А.П. Muravsky A.P.

Закономерности, определяющие правила построения автокомпенсаторов помех в нестационарных условиях The regularities defining the rules of construction of self-balancing potentiometer for jamming in non-stationary conditions

Аннотация:

В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с особенностями функционирования основных типов автокомпенсаторов в нестационарных условиях. Представлены результаты исследования, в которых на примере адаптивных антенных решеток (ААР) анализируются направленные свойства ААР в зависимости от точности представления входных данных и размера выборки. Abstract:

This article deals with the questions of functioning features of main types of self-balancing potentiometers in non-standard conditions. The results of the research are presented including analysis of the directional responses of AAR using example of adaptive antenna arrays (AAR), depending on the accuracy of the given input data and the size of data selection.

Ключевые слова: автокомпенсатор помех, направленные свойства антенны, точность представления входных данных, диаграмма направленности антенны, адаптианая антенная решетка.

Keywords: self-balancing potentiometer, antenna's directional responses, accuracy of the given input data, antenna's angular pattern, adaptive antenna array.

Известно, что в настоящее время радиоэлектронная борьба (РЭБ) представляет собой комплекс согласованных мероприятий и действий войск, которые проводятся в целях: снижения эффективности управления войсками и применения оружия противника, обеспечения заданной эффективности управления войсками и применения своих средств поражения. Достижение указанных целей осуществляется:

- путём поражения систем управления войсками и оружием, связи и разведки противника путем изменения качества, циркулирующей в них информации, скорости информационных процессов, параметров и характеристик электронных средств;

- использованием защиты своих систем управления, связи и разведки от поражения;

- защитой охраняемых сведений об объектах военной инфраструктуры, вооружении, военной технике и действиях войск от технических средств разведки иностранных государств (противника) путем обеспечения заданных требований к информации и информационным процессам в автоматизированных системах управления, связи и разведки, а также свойств электронных средств[1].

Основным инструментом РЭБ являются активные помехи [2]. Уже после первых опытов применения помех стало ясно, что РЛС, не имеющие средств защиты от помех, не могут эффективно функционировать. В настоящее время противник при ведении боевых действий в воздухе создает сложную помеховую обстановку. Наряду с известными типами помех применяются новые, которые, в комбинации между собой и с новыми способами применения, позволяют обеспечивать высокую эффективность их воздействия. Одной из таких помех является нестационарная помеха, в которой вероятностные характеристики меняются с течением времени [3]. Через единое информационно-коммуникативное пространство силами средств РЭБ создается адаптивно-агрессивная среда воздействия на средства радиолокационного обнаружения. Адаптивно подбираются параметры сигналов помех станциями РЭБ, наиболее неблагоприятные в рамках борьбы с ними, станциями радиолокационной разведки.

Обработка сигнала на фоне активных помех исследуется на протяжении многих десятилетий, о чем свидетельствует большое число публикаций по этой теме [2,4,5]. Активные исследования продолжаются и в настоящее время [6,7]. Это не только доказывает сохранение актуальности данной тематики, но и подтверждает существование достаточно большого количества неразрешенных проблем. Часть этих проблем связана с нестационарностью помеховой обстановки, когда в процессе работы систем обработки сигнала могут меняться число помех и их угловые координаты, требуемым размером обучающих выборок для настройки адаптивных систем подавления помех, объемом вычислений и точностью представления информации в цифровых системах обработки сигнала.

Наилучшими возможностями в плане борьбы с нестационарными помехами обладают РЛС на базе активных цифровых антенных решеток (АЦАР), где применяются адаптивные антенные

решетки (ААР) [6]. Обобщенная функциональная схема ^-канальной ААР изображена на рисунке 1.

40

Рис. 1.Обобщенная функциональная схемаААР

Основными функциональными элементами ААР являются диаграммообразующая схема (ДОС) и адаптивный процессор (АП). В состав ДОС входит R умножителей на комплексные коэффициенты w , где г - номер канала антенной решетки. Адаптивный процессор состоит из

устройства формирования опорного сигнала (УФОС) и устройства реализации алгоритма управления (УРАУ).

В режиме передачи комплексные коэффициенты wr обеспечивают синфазное сложение

сигналов первичных каналов решетки в направлении излучения. В режиме приема сигналы йг (s -

номер дискретного отсчета по времени) всех первичных каналов складываются в сумматоре, в результате чего формируется приемная диаграмма направленности антенны (ДНА). В общем случае в режиме приема может быть одновременно сформировано несколько диаграмм направленности, или вторичных каналов антенной решетки.

Перед операцией суммирования комплексные напряжения принятого сигналам йг с выходов

всех антенных элементов умножаются на комплексные коэффициенты^, которые вычисляются в

адаптивном процессоре с использованием напряжений входного и опорного сигналов таким образом, чтобы обеспечить прием сигнала в направлении излучения и подавление сигналов помех, приходящих с других направлений. Для обеспечения этого в весовые коэффициенты Wr входят

составляющие, одновременно обеспечивающие максимизацию ДНА в направлении прихода полезного сигнала и минимизацию ее уровня в направлениях прихода активных помех.

При работе ААР, как правило, выделяются этап настройки и рабочий этап. При использовании импульсного зондирующего сигнала настройка ААР может проводиться в конце периода повторения. Могут применяться и другие способы настройки [5, 6, 7, 8]. Наличие этапа настройки обязательно для всех типов ААР, за исключением некоторых, речь о которых пойдет ниже. На рабочем этапе в ААР осуществляется обнаружение полезного сигнала с одновременной компенсацией активных помех.

Исходя из структуры радиолокационного измерителя ААР, выделяются две основные группы таких систем: с компенсацией помех на выходах элементов антенной решетки до формирования диаграммы направленности на прием (первичными каналами); с компенсацией помех на выходах сформированных диаграмм направленности на прием (вторичными каналами) рисунок 2.

Способ вычисления вектора весовых коэффициентов (ВВК) W определяется выбранным критерием оптимизации ААР. В [6] описаны критерии минимума среднеквадратической ошибки (МСКО), максимума отношения мощности полезного сигнала к мощности совокупности шума и помехи (МСШП) на выходе ААР, максимума отношения правдоподобия (МОП), минимума мощности выходного сигнала (ММВС) и максимума сигнала при полном подавлении помех (МСПП). В [6, 7, 8] и некоторых других источниках метод подавления помех, основанный на последнем критерии, именуется проекционным методом (ПМ).

Рис. 2. Методы формированных диаграмм направленности на прием

В [5] отмечается, что первые четыре метода практически эквивалентны по эффективности,

поскольку все они основаны на использовании обратной корреляционной матрицы помехи (КМП),

которая формируется на этапе настройки компенсатора. Преимущества и недостатки этих методов

42

исследованы и достаточно подробно изложены в многочисленных публикациях по тематике ААР [10]. Одним из важнейших достоинств является отсутствие требования знания априорной информации о числе и координатах помех на этапе настройки ААР. Существенный недостаток -низкая эффективность в нестационарной помеховой обстановке. Кроме этого, размерность ВВК ААР равна числу элементов антенной решетки. При большом числе элементов это приводит к необходимости в реальном масштабе времени обращать матрицы большой размерности, что даже с учетом последних достижений цифровой техники является чрезвычайно сложной проблемой.

Проекционный метод [5, 6, 7] не требует формирования и обращения КМП и по этой причине свободен от связанных с этим недостатков. Для его функционирования необходима априорная информация о координатах помех (в общем случае достаточно грубая). Для получения этой информации в режиме приема необходимо формирование многоканальной ДНА, перекрывающей весь сектор сканирования решетки. На основании этой информации в окрестностях направлений на обнаруженные помехи назначаются координаты провалов и формируется матрица размера RXP, где Р - число провалов. Для случая линейной эквидистантной антенной решетки матрица имеет вид

C =

2ж

J

2ж

j —~Xl

2ж

J—XP 0

2ж

]—XP{R-1)

^ Rd . .

где лр =-sm^ - нормированная к ширине лепестка ДНА координата р-го провала;

Ä

d - расстояние между элементами решетки; X - длина волны; Qp - координата р-го провала. В некоторых источниках эта матрица называется матрицей-ограничителем. Проекционная матрица имеет вид

M = I - C (с с)-1 CH,

где I - единичная матрица размера RXR, Н - знак Эрмитовой матрицы. Для получения ВВК матрица М умножается на вектор ожидаемого сигнала b

W=Mb,

где b

2 ж

J —х„ 0

ъ, R ц

2ж

, Хц - нормированная координата сигнала цели. С учетом того,

что после приема в каждом элементе решетки осуществляется компенсация фазовых набегов,

43

обусловленных отклонением направления излучения от нормали антенны, а ожидаемое направление прихода сигнала цели близко к направлению излучения, вектор b без потери общности может состоять из единичных элементов.

Поскольку для проекционного метода не требуются формирование и обращение КМП, не требуется также и этап настройки. Оценивание помеховой обстановки, формирование требуемого ВВК и компенсация помех могут выполняться в каждом дискрете дальности, что обеспечивает подавление как непрерывных, так и мерцающих помех, в том числе и коррелированных по времени. Это является важным преимуществом проекционного метода. Его особенностью является то, что для определения направлений на помехи необходимо формирование вторичных каналов, после чего требуется возвращаться к первичным каналам для компенсации помех. Это увеличивает вычислительные затраты при реализации метода. В силу этой особенности ПМ занимает некоторое промежуточное положение в приведенной выше классификации.

Проведённое исследование данного метода [10] позволило выявить закономерность. В частности, он критичен к точности представления данных в силу цикломатической сложности реализации программного кода. Количество линейно независимых маршрутов через программный код велико, множество точек ветвления и циклов в силу формирования и обращения проекционных матриц большой размерности. Использование ограниченных длин машинных слов множеством конечных чисел влечет в программной реализации появление погрешностей, величина которых зависит как от формы представления, так и от длины разрядной сетки (точности представления данных).

Для оценки эффективности ААР используется большое число показателей. Наиболее полный их перечень приводится в [7]. Достаточно много публикаций, касающихся характеристик КМП [6, 9, 11 и др]. В этих и других публикациях исследуются структура собственных чисел и векторов, зависимость их от числа и интенсивности помех, размера обучающей выборки и других факторов.

В представленной статье оценка эффективности различных типов ААР и других типов компенсаторов активных помех будет осуществляться с точки зрения их направленных свойств. Выбор такого подхода обусловлен тем, что любая антенна, в том числе ААР, по определению является пространственным фильтром. Свойства любого фильтра в полной мере описываются его частотной характеристикой. Вид частотной характеристики позволяет оценить ширину и глубину зоны режекции, параметры полосы прозрачности, коэффициент подавления, коэффициент улучшения и т. д. Частотная характеристика фильтра связана с его импульсной характеристикой через преобразование Фурье. Для трансверсальных фильтров, к которым относится ААР, импульсная характеристика совпадает с коэффициентами фильтра. Поэтому преобразование Фурье над ВВК ААР, по аналогии с частотной характеристикой в спектральной области, позволяет получить ее пространственную характеристику (ПХ). ПХ полностью характеризует направленные свойства ААР

и других типов антенн и позволяет судить о коэффициентах подавления, улучшения, ширине зоны режекции, форме главного лепестка, уровне боковых лепестков.

Как отмечалось выше, формирование ВВК, а значит, и ПХ ААР происходит на этапе настройки. Это означает, что ПХ в некотором смысле описывает потенциальные свойства ААР. Если между этапом настройки и рабочим этапом по причине нестационарности изменится помеховая обстановка, для оценки эффективности ААР одной только ПХ окажется недостаточно. Поэтому наряду с ней используется спектр выходного сигнала ААР, который представляет собой результат перемножения спектра входного сигнала и пространственной характеристики. Спектр входного сигнала, в свою очередь, формируется как преобразование Фурье над напряжениями первичных каналов ААР.

Все методы обработки сигнала в ААР, за исключением ПМ, основаны на использовании КМП, в силу чего встает вопрос о размере обучающей выборки на этапе ее формирования. Применительно ко многим приложениям общей теории ААР этот вопрос достаточно подробно исследован, вплоть до конкретных рекомендаций выборе числа отсчетов для формирования КМП. Наиболее часто для оценки минимального размера обучающей выборки используют энергетические показатели. Так, в [6, 9] утверждается, что для того, чтобы допустимое снижение отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе ААР не превышало 3 дБ, число выборок, использующихся для формирования КМП, должно превышать число приемных каналов ААР не менее чем в два раза.

Важность энергетических показателей очевидна, поскольку непосредственно сказывается на качестве обнаружения сигнала, точности измерения координат и т. д. Вместе с этим ААР, как и любая другая антенна, должна выполнять функции селекции полезного сигнала по направлению. На качество этой функции существенно влияют форма основного лепестка ДНА и уровень боковых лепестков. Вопрос влияния размера обучающей выборки на форму ДНА ААР в настоящее время проработан недостаточно, в результате чего в мнениях исследователей наблюдается некоторый произвол в оценках. Так, в [4] утверждается, что при отсутствии помех суммарная ДНА ААР по форме совпадает с множителем самой антенной решетки при условии, что антенные элементы ААР имеют ненаправленные ДНА. Этому выводу противоречит известный факт о том, что от размера входной выборки зависит коэффициент направленного действия (КНД) ААР, с которым неразрывно связаны форма ДНА и уровень боковых лепестков антенны. По этой причине требуется количественная оценка влияния числа отсчетов, используемых при формировании КМП, на форму ДНА ААР. Получить такую оценку в аналитическом виде затруднительно, но возможно при помощи имитационного моделирования, результаты которого приведены на рисунке 3 и 4. При моделировании оптимизация ААР проводилась по критерию МСШП. Исследовались 16 - и 32 -элементные решетки. Направленные свойства ААР оценивались по ее амплитудному пространственному спектру. На рисунке 3 представлены усредненные по ста реализациям нормированные пространственные спектры 16 - элементной ААР в зависимости от размера

обучающей выборки. Размер обучающей выборки (число отсчетов шума, по которым формировалась КМП) равнялась 16, 32, 64 и 256 для рисунков 3 а, 3 б, 3 в 3 г и 3 д соответственно.

г) д)

Рис. 3. Множитель решетки и пространственный спектр 16 - элементной ААР при размере обучающей выборки 16, 32, 64, 128, 256 отсчетов

В качестве входного воздействия задавался белый шум с единичной дисперсией, независимый в различных первичных каналах ААР. Ожидаемое направление прихода сигнала задавалось с нормали решетки. Черным цветом показан множитель идеальной антенной решетки (идеальный пространственный спектр). Красная горизонтальная линия показывает уровень -3 дБ от максимума. Из рисунка 3 а видно, что при числе отсчетов обучающей выборки, равному числу элементов ААР, уровень боковых лепестков составляет величину порядка - 3 дБ от максимума, что явно недостаточно для пространственной селекции.

Анализ остальных рисунков позволяет судить о постепенном приближении пространственного спектра ААР к идеальному по мере увеличения числа отсчетов обучающей выборки. Так, при числе отсчетов, вдвое превышающем число элементов ААР (рисунок 3 б), уровень первых боковых лепестков составляет примерно -10 дБ, что на 3 дБ выше, чем у идеального спектра. «Фоновый» уровень дальних боковых лепестков равен -12 дБ. При числе отсчетов, превышающем число элементов ААР в четыре раза (рисунок 3 в), с идеальным спектром согласуются только первые боковые лепестки пространственного спектра ААР. И только при числе отсчетов обучающей выборки, превышающем число элементов антенной решетки в 8-16 раз, уровень второго и

последующих боковых лепестков начинает приближаться к уровню боковых лепестков идеального спектра. На рисунке 4 представлены аналогичные результаты, полученные для 32 - элементной ААР.

Выводы, которые следуют из анализа представленных результатов, подтверждают выводы для предыдущей ситуации.

Таким образом, наряду с известными закономерностями, которые используют при построении современных автокомпенсаторов помех, надо учитывать точность представления входных данных и размер обучающей выборки. Так, для обеспечения совпадения формы ДНА ААР с множителем идентичной ей антенной решетки в области главного и первых боковых лепестков размер обучающей выборки должен превышать число антенных элементов в четыре и более раз. Для обеспечения совпадения в области второго и дальних боковых лепестков размер обучающей выборки должен превышать число антенных элементов не менее, чем в восемь раз.

Рис. 4. Множитель решетки и пространственный спектр 32 - элементной ААР при размере обучающей выборки 32, 64, 128, 256, 512 отсчетов

Список литературы:

1. Электронный ресурс: http://encyclopedia.mil.ru/encyclopedia/dictionary/details.htm?id= 14416%40morfDictionary

2. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - М.: Военное изд-, 1989. - 350 с.

3. Макаренко С.И., Иванов М.С. Сетецентрическая война - принципы, технологии, примеры и перспективы: Монография. - СПб.: Наукоемкие технологии, 2018. - 898 с.

4. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.

5. Канащенков А.И. Меркулов В.И. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции. - М.: Радиотехника. 2003. - 416 с.

6. Адаптивные антенные решетки //- Под общ. ред. В.А. Григорьева. -СПб: Ун- ИТМО, 2016. - 179 с

7. Адаптивные алгоритмы компенсации помех / Ивлев Д.Н., Орлов И.Я., Сорокина А.В., Фитасов Е С.: - Н.Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2014. - 88 с.

8. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - М.:Радио и связь. 2003.200 с.

9. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Современные методы пространственной обработки сигналов в информационных системах с антенными решетками. -Н. Новгород, 2007, - 99с.

10. Абраменков В.В., Азерский М. А., Муравский А. П.. Метод детерминированной компенсации нестационарной активно-шумовой помехи, воздействующей по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны // Электромагнитные волны и электронные системы: международный науч-тех. журнал,- M., 2017, - Т.23,№4. - С. 5-18.

11. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. - М.: Радио и связь, 1986. 448 с.

Военное образование и подготовка кадров

УДК: 355.237.084.91:355.232.6:331.108.26

Булат Р.Е.

Bulat R.E.

Управленческий ресурс повышения эффективности профессиональной деятельности гражданского персонала МО РФ

Resource management: improving professional activity efficiency of the Russian Defense Ministry civilian personnel

Аннотация:

В статье на основе анализа опыта управленческой деятельности командиров и начальников в

Министерстве обороны Российской Федерации (МО РФ), норм трудового права и научных