Эффективность применения цифровых фазированных антенных решеток с малой разрядностью представления данных

Теория сигналов

УДК 621.396.9

А. В. Немов, Д. Ю. Тюфтяков

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Эффективность применения цифровых фазированных антенных решеток с малой разрядностью представления данных1

На примере навигационной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем описан метод цифрового управления диаграммой направленности фазированной антенной решетки (ФАР), предназначенный для улучшения отношения "сигнал/шум" с сопутствующим подавлением сигналов помех от точечных генераторов. Управление осуществляется в два этапа и использует малоразрядное амплитудное квантование принимаемой смеси сигналов. Проведена оценка эффективности предлагаемого технического решения реализации цифровой ФАР в сравнении с международным уровнем.

Адаптивная цифровая антенная решетка, пространственная обработка сигналов, максимизация отношения "сигнал/шум", навигационная аппаратура потребителей, малоразрядное квантование сигналов

Решение задач высокоточного определения координат и времени, синхронизации, устойчивой связи в любых областях планеты становится неотъемлемой частью повседневной действительности. Космические глобальные системы навигации и связи успешно решают указанные задачи, однако вопросы повышения помехоустойчивости становятся все более актуальными.

Низкая помехоустойчивость аппаратуры потребителей средне- и высокоорбитных спутниковых систем, равно как и аппаратуры контрольно-корректирующих станций и центров управления, обусловлена крайне низким энергопотенциалом системного сигнала в точке приема. Например для глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС и GPS, мощность полезного сигнала на выходе стандартной приемной антенны согласно интерфейсным контрольным документам составляет - 161 дБ Вт.

При ограниченном ресурсе увеличения мощности излучаемых космическими аппаратами сигналов кардинальным способом улучшения помехоустойчивости является пространственно-временная обработка сигналов на приемной стороне с помощью фазированных антенных решеток (ФАР) [1], [2]. Доказано [3], что эффективным направлением развития является разработка цифровых ФАР, в которых принимаемые колебания оцифровываются и управление диаграммой направленности (ДН) осуществляется с помощью матричных математических операций над цифровыми кодами принимаемых колебаний.

В настоящей статье эффективность применения цифровых ФАР проанализирована на примере бортовой навигационной аппаратуры потребителей (НАП) ГНСС.

1 Статья подготовлена в рамках выполнения Соглашения от 01.09.2012 № 14.В37.21.0432. © Немов А. В., Тюфтяков Д. Ю., 2012

Наличие на входе НАП помехи, превышающей собственные шумы радиоприемного тракта в полосе обработки на 3...10 дБ, может привести к невозможности приема сигналов навигационных космических аппаратов (НКА). В связи с этим предпринимаются различные меры, нацеленные на повышение устойчивости НАП к воздействию непреднамеренных и преднамеренных помех различных типов.

В табл. 1 указаны эффективные и наиболее часто применяемые на практике методы улучшения помехоустойчивости НАП ГНСС (M - количество элементов ФАР), в общих чертах описанные в работах [1]-[5]. Наибольшее увеличение помехоустойчивости способно обеспечить применение в составе НАП ФАР с формированием "лучей" ДН в направлениях НКА и "нулей" в направлениях источников помех.

Суть обработки сигналов в цифровой ФАР заключается в многоканальном комплексном взвешивании принимаемой смеси колебаний вектором весовых коэффициентов (ВВК), рассчитываемым адаптивно по субъективно выбираемому критерию.

Наиболее широко распространены алгоритмы пространственной фильтрации с формированием минимума ДН ФАР в направлении источника помехи (в иностранной литературе такие алгоритмы получили название "null-former" - формирователи "нулей"). Недостатком данных формирователей является то, что они не учитывают направления прихода полезных сигналов. Несмотря на существенное увеличение отношения "сигнал/помеха+шум" и улучшение условий приема по созвездию в целом, формирование только "нулей" во многих случаях влечет за собой снижение отношения "сигнал/шум" по отдельным НКА при небольшом пространственном разнесении полезного сигнала и помехи, поскольку в направлении источника полезного сигнала уровень ДН оказывается низким.

Справиться с указанным недостатком формирователей "нулей" позволяют использование при адаптации ФАР дополнительной информации о полезном сигнале и переход к формированию (наряду с "нулем" ДН в направлении источника помехи) максимума ("луча") в направлении источника полезного сигнала. Для этого подстройкой элементов ВВК обеспечивается синфазное суммирование копий навигационного сигнала, поступающих от разных резонаторов антенной решетки. "Лучи" на источники системного сигнала позволяют улучшить отношение "сигнал/шум" в приемной аппаратуре как при действии, так и при отсутствии помех, включая помехи, обусловленные многолучевым распространением падающей волны.

Таблица 1

Мероприятия по повышению помехоустойчивости Выигрыш по отношению к стандартной НАП ГНСС, дБ

Уменьшение коэффициента усиления приемной антенны на малых углах возвышения 10.15

Управление ДН ФАР с формированием "нулей" в направлении источников помех 40

Управление ДН ФАР с формированием "лучей" в направлении НКА и "нулей" в направлении источников помех 50

Использование антенной системы с квадратурными по поляризации выходами 20

Применение робастных дискриминаторов в приемнике 8.10

Комплексирование приемника ГНСС с инерциальной навигационной системой 10.12

Сравнительные характеристики средств помехозащиты ГНСС на базе ФАР.

Известные характеристики ряда существующих средств помехозащиты, реализованных на ФАР, приведены в табл. 2. В целом, в развитии средств помехозащиты НАП ГНСС прослеживаются следующие тенденции:

• цифровая схема реализации ФАР с многоканальными многоразрядными АЦП;

• защита от помех двух частотных диапазонов;

Таблица 2

Наименование Разработчик Год разработки Тип Характеристики

GAS-1 (GPS Antenna System)2 Raytheon Systems Limited (Великобритания) 1998 Формирователь "нулей" Аналоговая схема управления ФАР. Защищаемые диапазоны: L1 и L2. ФАР с М = А...1 (в разных исполнениях). НАП в состав не входит

SAAGA (Small Affordable Anti-jam GPS Antenna) [6] Mayflower Communications (США), Sensor Systems (США) 1999 Цифровая схема управления ФАР. ФАР с М = 4. Глубина подавления помех 30 дБ. НАП в состав не входит

GAJT-700ML (GPS Anti-Jam Technology)3 NovAtel (Канада), QinetiQ (Великобритания) 2011 Цифровая схема управления ФАР. ФАР с М =7. Подавление помех в диапазонах L1 и L2 одновременно. Глубина подавления помех 40 дБ. Одновременное подавление шести помех. Потребляемая мощность 20 Вт. Моноблок цилиндрической формы, 0 290 мм. Масса 7.5 кг. НАП в состав не входит

G-STAR (GPS Spatial Temporal Anti-jam Receiver) [7] Lockheed Martin (США), Rockwell Collins (США) 2000 Формирователь "лучей" и "нулей" Цифровая схема управления ФАР. ФАР с М =7. Коэффициент подавления помех до 60 дБ (за счет пространственно-временной обработки сигнала). НАП в состав входит

ADAP (Advanced Digital Antenna Production)4 Raytheon Systems Limited (Великобритания) 2009 Цифровая схема управления ФАР. ФАР с М =7. Одновременное формирование нулей в диапазонах L1 и L2. Режим формирования лучей. НАП в состав не входит

DIGAR (Digital Integrated GPS Anti-jam Receiver)5 Rockwell Collins (США) 2011 Цифровая схема управления ФАР. Совместим с ФАР, имеющими 1.. .7 элементов. Защищаемые диапазоны: L1 и L2. 16 формируемых лучей. Потребляемая мощность 36 Вт. НАП в состав входит

2 http://www.navair.navy.mil/index.cfm?fuseaction=home.display& key=52F74A0F-511F-40E3 -81F5-FF16921DD18C

3 http://www.novatel.com/assets/gajt/pdf/gajt-product-sheet.pdf

4 http://www.losangeles.af.mil/library/factsheets/factsheet.asp?id=18668

5 http://www.rockwellcollins.com/~/media/Files/Unsecure/Products/Product%20Brochures/Navigation%20and% 20Guidance/GPS%20Devices/DIGAR%20data%20sheet.aspx

• наличие функции формирования "лучей" ДН ФАР;

• объединение средств помехозащиты с навигационным приемником вплоть до интеграции цифровых формирователей "лучей" и "нулей" в блоки цифровых корреляторов НАП.

Алгоритмы, лежащие в основе работы известных формирователей "нулей" и "лучей" на цифровых ФАР, в литературных источниках не раскрываются. Поэтому в настоящей статье предложен и описан разработанный авторами настоящей статьи алгоритм управления ДН ФАР для НАП ГНСС, отличительными чертами которого являются двухэтапность и малоразрядность представления данных.

Алгоритм формирования "лучей" и "нулей" ДН ФАР для НАП ГНСС. Основным отличием предложенного далее адаптивного формирователя "лучей" и "нулей" от адаптивного формирователя "нулей" является использование в качестве эталонной реакции подстроенного опорного сигнала. В качестве такового выбрана подстроенная по частоте и по фазе псевдослучайная последовательность (ПСП) системного сигнала НКА, в направлении на который формируется "луч".

При наличии помех и отсутствии слежения за спутниковыми сигналами невозможно обеспечить синхронизацию между опорным сигналом и полезным сигналом в принимаемой смеси колебаний, поэтому предлагается следующая логика управления ДН.

На первом этапе, когда слежение за сигналами НКА не установлено и отсутствует синхронизированный опорный сигнал, ФАР функционирует под управлением алгоритма формирования только "нулей" ДН, минимизирующего мощность помех на выходе. После того как помехи подавлены, возможны поиск и захват сигналов НКА.

На втором этапе после появления подстроенного опорного сигнала управление ДН передается в алгоритм формирования "лучей" и "нулей".

Отметим, что многие сценарии помеховой обстановки предусматривают вариант, когда носитель помехозащищенной НАП прорывается сквозь фронт помехопостановщи-ков, уже следя за НКА. В этой ситуации можно сразу формировать и "лучи", и "нули" ДН, существенно повысив помехоустойчивость по сравнению с традиционными алгоритмами формирования "нулей" ДН.

Временная диаграмма работы двухэтапного алгоритма приведена на рис. 1. На рис. 2 и 3 приведены эквивалентные схемы аппаратуры на первом и на втором этапах соответственно (принятые обозначения: РПУ - радиоприемное устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦФН - цифровой формирователь "нулей").

Режим работы НАП

Поиск

Слежение

л н к В

а

5 е ° к

и о, О Рч о К

Формирование "нулей" ДН ФАР

30 с

Передача управления

Формирование "лучей" и "нулей" ДН ФАР

20 мс

Рис. 1

г

Рис. 2 Рис. 3

Поскольку формирование "нулей" уже хорошо изучено, в настоящей статье рассмотрен только второй этап - алгоритм формирования "лучей" и "нулей". В его основу положено параллельное подключение к одной ФАР формирователей "лучей" (см. рис. 3).

Пусть ФАР состоит из М антенных элементов, а к ее выходу подключены N цифровой формирователь "лучей" и "нулей" (ЦФЛН). Каждый ЦФЛН формирует собственную ДН ФАР, имеющую один максимум в направлении определенного НКА.

В этом случае в каждом ЦФЛН для образования луча используется одна степень свободы ФАР, а оставшиеся М-2 степени свободы доступны для формирования "нулей" в направлениях источников помех.

В качестве критерия адаптации выбран критерий минимума среднеквадратической ошибки (МСКО) разности выходной и эталонной (опорной) реакций ФАР [6].

Матричные выражения для ВВК, не зависящие от разрядности представления данных, приведены в работе авторов настоящей статьи [7]. Начальное значение ВВК пред-

Т

ставляет собой единичный вектор №0=1111 , что соответствует "лучу" ДН ФАР,

направленному по нормали к плоскости ФАР.

Для упрощения цифровой ФАР, снижения ее массы и габаритов, уменьшения энергопотребления, удешевления аппаратной части можно использовать многоканальное ма-лоуровневое адаптивное квантование входных сигналов вместо традиционного в алгоритмах управления бортовых цифровых ФАР (см. табл. 2) многоуровневого квантования с помощью 12.. .16-разрядных АЦП. Суть такой обработки сводится к квантованию принимаемой смеси колебаний при адаптивной подстройке порогов квантования, что эквивалентно наличию автоматической регулировки усиления на входе малоразрядного АЦП.

В настоящей статье рассмотрено квантование входной смеси на два и на четыре уровня (1 и 2 бит соответственно). При однобитовом квантовании все отрицательные отсчеты входной смеси заменяются значением "- 1", а все положительные - "+ 1", т. е. АЦП представляет собой (по сути) компаратор. При двухбитовом квантовании используется пара адаптивных порогов ±Ь, уровень которых определяется принимаемыми сигналами

¿ = 0719РВХ, где Рвх - коэффициент, зависящий от текущих параметров входной сиг-нально-шумовой смеси. Расчет (Звх проводится на основе оценки мощности смеси принимаемых колебаний. Отсчеты, лежащие в пределах от 0...Ь, на выходе АЦП заменяются

"+ 1", превышающие Ь - "+ 3". Аналогичным образом квантуются отрицательные отсчеты: значения, лежащие в пределах от 0...- Ь, представляются значением "- 1", значения ниже отрицательного порога заменяются на "- 3".

Результаты анализа алгоритма формирования "лучей" и "нулей" при малоразрядном квантовании входной смеси. Описанный алгоритм формирования "лучей" и "нулей" ДН ФАР протестирован на программной модели, разработанной в пакете MATLAB. Моделирование проведено при отсутствии помех, а также в условиях воздействия одиночной широкополосной помехи с разными уровнями мощности при различных пространственных положениях НКА и источника помехи. Перечень рассмотренных сценариев сигнально-помеховой обстановки (СПО) приведен в табл. 3. Входное отношение "сигнал/шум" во всех сценариях составляло - 20 дБ в полосе обработки 17 МГц.

Входная сигнально-шумовая смесь в ходе исследования квантовалась 1 - и 2-битным АЦП. Кроме того, получены результаты работы модели при представлении отсчетов входного сигнала в арифметике с плавающей запятой с двойной точностью (разрядность 64 бит), которые использованы в качестве базы для сравнения.

Исследование алгоритма проведено для двух вариантов ФАР - с четырьмя и с семью антенным элементами.

В табл. 4 представлены выходное отношение "сигнал/

Ч'вых =^вых/ Лых + А'вых (^вых, А'вых, Лых - выходные мощности системного сигнала, собственных шумов аппаратуры и неподавленных остатков помех в полосе приема сигналов соответственно) и коэффициент подавления помехи /Гпод = Лвх/Лвых (./вх - входная

мощность помех в полосе приема сигналов) алгоритма формирования "лучей" и "нулей" ДН в четырех- и семиэлементной ФАР в зависимости от разрядности входной смеси С. Для сравнения приведены результаты для алгоритма формирования только "нулей" ДН, полученные в тех же условиях.

Рис. 4 и 5 иллюстрируют зависимости 1|/вых С на примере СПО № 5 для четырех -и семиэлементной ФАР соответственно. Диаграммы 1 соответствуют алгоритму формирования "нулей" ДН, диаграммы 2 - алгоритму формирования "лучей" и "нулей" ДН.

Таблица 3

Номер СПО Количество помех Относительная мощность помехи, дБ Координаты источника полезного сигнала, ... ° Координаты источника помехи, ... °

Азимут Угол места Азимут Угол места

1 0 60

2 30

3 10 60

4 0 30

5 1 20 60 30 10

6 30

7 30 60

8 30

Таблица 4

ЧетырехэлемешнааФ/А Семиэлеметная ФДО

О Без Алгоритм Без Алгоритм

С, бит С о обра- Форми] эовгише обра- Формировганте

л 5Т ботки "лучей"и "гнлей" только "тулей" ботки "лучей" и" 'Iшлей" только"

£ о К Ч'вых Ч'вых к кпод Ч'вых к кпод Ч'вых Ч'вых к кпод Ч'вых к кпод

дБ

1 - 20.0 - 14.0 - - 20.2 - - 20.0 - 11.6 - - 20.3 -

2 - 20.0 - 14.0 - - 20.2 - - 20.0 - 11.6 - - 20.3 -

3 - 30.0 - 15.6 18.1 - 22.9 20.0 - 30.0 - 12.5 22.4 - 23.1 25.3

1 4 - 30.0 - 17.2 13.8 - 24.6 20.1 - 30.0 - 13.7 18.6 - 24.1 25.3

5 - 40.0 - 19.0 19.8 - 24.2 31.6 - 40.0 - 15.6 24.0 - 27.6 37.0

6 - 40.0 - 21.3 18.6 - 22.47 31.6 - 40.0 - 15.0 25.2 - 23.7 37.0

7 - 50.0 - 31.6 18.1 - 25.2 42.5 - 50.0 - 21.7 26.7 - 30.8 47.4

8 - 50.0 - 29.3 21.1 - 21.6 42.3 - 50.0 - 17.0 30.5 - 23.8 47.3

1 - 20.0 - 14.0 - - 20.2 - - 20.0 - 11.6 - - 20.4 -

2 - 20.0 - 14.0 - - 20.2 - - 20.0 - 11.6 - - 20.4 -

3 - 30.0 - 15.2 23.2 - 23.3 24.9 - 30.0 - 12.3 27.1 - 23.2 30.3

2 4 - 30.0 - 16.1 21.1 - 26.0 24.9 - 30.0 - 13.3 24.4 - 25.4 30.2

5 - 40.0 - 16.3 26.9 - 24.3 35.9 - 40.0 - 13.6 31.5 - 27.1 41.5

6 - 40.0 - 17.7 25.6 - 23.5 35.9 - 40.0 - 13.9 31.6 - 24.0 41.3

7 - 50.0 - 24.4 24.9 - 25.2 46.8 - 50.0 - 18.7 31.2 - 30.6 50.9

8 - 50.0 - 23.6 27.2 - 21.8 46.6 - 50.0 - 15.3 34.6 - 23.9 50.8

1 - 20.0 - 14.0 - - 20.2 - - 20.0 - 11.6 - - 20.5 -

2 - 20.0 - 14.0 - - 20.3 - - 20.0 - 11.6 - - 20.5 -

3 - 30.0 - 15.1 29.1 - 23.8 31.0 - 30.0 - 12.2 33.9 - 23.8 36.5

64 4 - 30.0 - 16.0 27.8 - 26.9 31.0 - 30.0 - 13.2 30.5 - 26.6 36.5

5 - 40.0 - 15.2 40.5 - 23.9 50.3 - 40.0 - 12.3 38.6 - 24.0 55.7

6 - 40.0 - 16.1 41.6 - 27.3 51.3 - 40.0 - 13.2 42.4 - 26.8 55.8

7 - 50.0 - 15.5 41.4 - 23.9 68.4 - 50.0 - 12.8 39.6 - 23.9 72.1

8 - 50.0 - 16.2 45.3 - 27.2 69.5 - 50.0 - 13.4 45.2 - 26.8 73.1

Из полученных результатов можно сделать следующие основные выводы: при малоразрядном квантовании в отсутствие помех алгоритм формирования "лучей" и "нулей" обеспечивает практически такой же выигрыш в выходном ОСПШ (до 6 дБ для четырехэлементной ФАР и до 8.5 дБ для семиэлементной ФАР), как и при многоразрядном представлении входных отсчетов;

алгоритм формирования "лучей" и "нулей" по критерию МСКО для компактной четырехэлементной ФАР дает выигрыш в выходном ОСПШ 6.8 дБ по сравнению с алгоритмом формирования только "нулей" по критерию минимума выходной мощности. На выходе ФАР в условиях воздействия мощных помех отношение "сигнал/шум" при этом на 3.5 дБ больше входного отношения "сигнал/шум"; при увеличении количества антенн в ФАР эффективность формирования "лу-

0 - 10 - 20

1 2 64 С, бит

\

2

1

Рис. 4

0 - 10 - 20

Ч'вых

1 2 64 С, бит

\

2

- ч

1

Рис. 5

чей" пропорционально повышается: так, для семиэлементной ФАР выигрыш формирователя "лучей" и "нулей" в выходном ОСПШ по отношению к формирователю "нулей" составляет до 12 дБ;

• при наличии одиночной широкополосной помехи и в двухбитном представлении отсчетов входной смеси приемлемое качество работы (улучшение выходного ОСШ на 2.5 дБ по отношению к входному) сохраняется до уровня мощности помехи 20 дБ (см. СПО № 5, 6 в табл. 4).

В настоящей статье продемонстрирована техническая возможность реализации и доказана эффективность работы алгоритмов управления цифровой ФАР с малоразрядным квантованием, позволяющие разработать относительно дешевую переносную (малогабаритную и низкопотребляющую) помехоустойчивую аппаратуру, а не только сложную бортовую, что является существенным продвижением в области цифровых ФАР.

Список литературы

1. Forssell B., Desen T. Jamming: susceptibility of some civil GPS receivers // GPS World. 2003. № 1. P. 54-58.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харрисова. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.

3. Немов А. В., Тюфтяков Д. Ю. Алгоритмы быстрой фокусировки антенных решеток // Радиотехника. 2012. № 7. С. 23-26.

4. Немов А. В., Тюфтяков Д. Ю. Адаптивный пространственно-поляризационный прием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 5. С. 57-65.

5. Немов А. В. Защита от радиопомех авиационной аппаратуры ГНСС гражданского назначения // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2010. № 6. С. 3-9.

6. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию / пер. с англ.; под ред. В. А. Лексаченко. М.: Радио и связь, 1986. 380 с.

7. Немов А. В., Тюфтяков Д. Ю. Электронные методы управления диаграммой направленности антенной решетки в приложении для аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 2. С. 61-72.

A. V. Nemov, D. Yu. Tyuftyakov

Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Usage efficiency of phased antenna arrays with small data representation capacitance.

Method of digital phased antenna array radiation pattern control by example of global navigation satellite user equipment designed to improve the signal-to-noise ratio with a concomitant suppression of jamming signals from point-generators is described. |Small-capacitance amplitude quantization of a received signal mixture is offered to use. Efficiency assessment of proposed technical solutions for the implementation of digital phased antenna arrays in comparison with the international level is carried out.

Adaptive digital phased antenna array, spatial signal processing, signal-to-noise ratio maximization, navigation user equipment, small-capacitance signal quantization

Статья поступила в редакцию 29 октября 2012 г.