Комбинированная адаптивная антенная решетка
COMBINED ADAPTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для обеспечения электромагнитной совместимости навигационной аппаратурой потребителя глобальной навигационной спутниковой системы (НАП ГНСС) и средств создания преднамеренных радиопомех, работающих на совпадающих частотах.
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 тем, что в известное устройство, содержащее N антенных элементов, образующих антенную решетку, диаграммообразующую схему, состоящую из N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивного устройства и сумматора имеющие между собой связи, выходы N антенных элементов соединены с диаграммообразующей схемой, где каждый выход антенного элемента соединен с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигнала и с входом адаптивного устройства, выходы адаптивного устройства соединены с входом соответствующего блока комплексного взвешивания сигнала, выходы блоков комплексного взвешивания сигналов соединены с входами суммирующего устройства, выход сумматора соединен с входом адаптивного устройства также является выходом диаграммообразующей схемы, дополнительно введены в антенную решетку K антенных элементов, при этом N антенных элементов размещены по кругу от центра и имеют диаграммы направленностей с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости, K антенных элементов расположены в центральной части и имеют диаграммы направленностей, близкие к равномерной в верхней полусфере, диаграммообразующие схемы до количества K, K сумматоров и итоговая диаграммообразующая схема, имеющие между собой, выходы, N антенных элементов соединены с входами K диаграммообразующих схем, выход каждой диаграммообразующей схемы соединен с входом соответствующего внешнего сумматора, второй вход, которого соединен с K антенным элементом, выход каждого внешнего сумматора соединен с входами итоговой диаграммообразующей схемы, выход которой является выходом комбинированной адаптивной антенной решетки.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена структурная схема комбинированной адаптированной антенной решетки, на фиг. 2 приведена схема размещения антенных элементов, где в качестве примера содержит пять центральных антенных элементов, имеющих диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере и шесть периферийных антенных элементов размещенных по кругу равноудаленно от центра, имеющих диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости, на фиг. 3 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для периферийных антенных элементов, на фиг. 4 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости для центральных антенных элементов, на фиг. 5 приведена таблица параметров навигационных сигналов и помеховых сигналов, используемых при моделировании, на фиг. 6 приведен отклик фильтра, согласованного с навигационными сигналами, подключенного к выходу адаптивной антенной решетки (на фиг. 1 не показан) на навигационные сигналы в отсутствии помехового сигнала до компенсации, показан график отклика согласованного фильтра, подключенного к выходу центрального антенного элемента антенной решетки (на фиг. 1 не показан), на принимаемую смесь полезного сигнала и помехового сигнала, на фиг. 7 приведен отклик согласованного фильтра на смесь навигационных сигналов и помеховых сигналов в отсутствии компенсации, для сравнения приведен отклик того же фильтра на принимаемый полезный сигнал, на фиг. 8 приведен отклик согласованного фильтра на смесь навигационных сигналов и помеховых сигналов после компенсации, 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.
Комбинированная адаптивная антенная решетка состоит из антенной решетки 1, диаграммообразующих схем 2.1, 2.2, …, 2.K, где K количественный показатель, внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, итоговой диаграммообразующей схемы 4.
1
2
N
1
2
K
Антенная решетка 1 содержит периферийные антенные элементы 1.1, 1.1, …, 1.1, где N количественный показатель, размещенные по кругу равноудаленно от центра (фиг. 2) имеющие диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости и максимумом в горизонтальной плоскости (см. фиг. 3) и антенные элементы 1.2, 1.2, …, 1.2, расположенные в центральной части, имеющие диаграмму направленности, близкую к равномерной в верхней полусфере.
1
2
N
Диаграммообразующие схемы 2.1, 2.2, …, 2.K имеют одинаковое конструктивное решение, которое рассмотрим на примере диаграммообразующей схемы 2.1, состоящей из блоков комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1, адаптивного устройства 2.1.2, сумматора 2.1.3.
1
2
K
Итоговая диаграммообразующая схема 4 состоит из блоков комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4.1, адаптивного управления 4.2, сумматора 4.3.
Комбинированная адаптивная антенная решетка имеет следующие связи между собой.
1
2
N
1
1
2
2
N
N
1
2
N
Выходы периферийных антенных элементов 1.1, 1.1, …, 1.1 соединены с входами диаграммообразующих схем 2.1, 2.2, …, 2.K, где в каждой (рассмотрим на примере диаграммообразующей схемы 2.1) выход периферийного антенного элемента 1.1 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 2.1.1 и адаптивным устройством 2.1.2, выход периферийного антенного элемента 1.1 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 2.1.1 и адаптивным устройством 2.1.2, …, выход периферийного антенного элемента 1.1 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 2.1.1 и адаптивным устройством 2.1.2. Выходы адаптивного устройства 2.1.2 соединены с входами блоков комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1, выходы которых соединены с сумматором 2.1.3. Выход сумматора 2.1.3 является выходом диаграммообразующей схемы 2.1.
1
2
K
Выход диаграммообразующей схемы 2.1 соединен с входом внешнего сумматора 3.1, другой его вход соединен с выходом антенного элемента 1.2. Выход диаграммообразующей схемы 2.2 соединен с входом внешнего сумматора 3.2, другой его вход соединен с выходом антенного элемента 1.2. Выход диаграммообразующей схемы 2.K соединен с входом внешнего сумматора 3.K, другой его вход соединен с выходом антенного элемента 1.2.
Выход внешнего сумматора 3.1 соединен с соответствующим входом итоговой диаграммообразующей схемы 4 и с входом диаграммообразующей схемы 2.1 (входом адаптивного устройства 2.1.2).
Выход внешнего сумматора 3.2 соединен с соответствующим входом итоговой диаграммообразующей схемы 4 и с входом диаграммообразующей схемы 2.2 переходящего во вход блока адаптивного управления (на фиг. 1 не показано).
Выход внешнего сумматора 3.K соединен с соответствующим входом итоговой диаграммообразующей схемы 4 и с входом диаграммообразующей схемы 2.K переходящего во вход блока адаптивного управления (на фиг. 1 не показано).
1
2
K
В итоговой диаграммообразующей схеме 4 вход от внешнего сумматора 3.1 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 4.1 и с входом адаптивного управления 4.2, вход от внешнего сумматора 3.2 соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 4.1 и с входом адаптивного управления 4.2, вход от внешнего сумматора 3.K соединен с входом блока комплексного взвешивания сигналов 4.1 и с входом адаптивного управления 4.2.
1
2
K
Выходы адаптивного управления 4.2 соединены с входами блоков комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора 4.3.
Выход сумматора 4.3 соединен с входом адаптивного управления 4.2 и также является выходом устройства.
Комбинированная адаптивная антенная решетка работает следующим образом.
1
2
N
1
2
N
На антенную решетку 1 поступают навигационные сигналы и помеховые сигналы. Антенные элементы 1.1, 1.1, …, 1.1, принимают в основном помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  отправляют их в диаграммообразующие схемы 2.1, 2.2, …, 2.K, которые, рассмотрим на примере диаграммообразующей схемы 2.1, поступают в блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1, и в адаптивное устройство 2.1.2.
1
2
N
Адаптивное устройство 2.1.2 получив помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  производит расчет вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1.
1
2
N
1
2
N
Блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1, получив от антенных элементов 1.1, 1.1, …, 1.1 помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  а от адаптивного устройства 2.1.2 вектор весовых коэффициентов W(t), формирует компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 2.1.3.
1
Сумматор 2.1.3 диаграммообразующей схемы 2.1 получив компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий компенсирующий сигнал y(t), который с отрицательным знаком передается в сумматор 3.1.
2
Диаграммообразующая схема 2.2 передает сформированный результирующий компенсирующий сигнал y(t) с отрицательным знаком в сумматор 3.2.
K
Диаграммообразующая схема 2.K передает сформированный результирующий компенсирующий сигнал y(t) с отрицательным знаком в сумматор 3.K.
1
2
K
1
2
K
Антенные элементы 1.2, 1.2, …, 1.2 антенной решетки 1 принимает навигационные сигналы и помеховые сигналы  и передают их во внешние сумматоры 3.1, 3.2, …, 3.K с положительным знаком. Причем антенный элемент 1.2 передает навигационные и помеховые сигналы  во внешний сумматор 3.1, антенный элемент 1.2 передает навигационные и помеховые сигналы  во внешний сумматор 3.2, антенный элемент 1.2 передает навигационные и помеховые сигналы  во внешний сумматор 3.K.
1
1
1
1
Внешний сумматор 3.1, получив сигналы  антенного элемента 1.2 антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y(t) от диаграммообразующей схемы 2.1 формирует выходной сигнал s(t), который передается в адаптивное устройство 2.1.2 диаграммообразующей схемы 2.1, в итоговую диаграммообразующую схему 4 непосредственно в блок комплексного взвешивания сигналов 4.1 и в адаптивное устройство 4.2.
2
2
2
2
Внешний сумматор 3.2, получив сигналы  антенного элемента 1.2 антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y(t) от диаграммообразующей схемы 2.2 формирует выходной сигнал s(t), который передается в адаптивное устройство (на фиг. 1 не показано) диаграммообразующей схемы 2.2, в итоговую диаграммообразующую схему 4 непосредственно в блок комплексного взвешивания сигналов 4.1 и в адаптивное устройство 4.2.
K
2
K
K
Внешний сумматор 3.K, получив сигналы  антенного элемента 1.2 антенной решетки 1 и результирующий компенсирующий сигнал y(t) от диаграммообразующей схемы 2.K формирует выходной сигнал s(t), который передается в адаптивное устройство (на фиг. 1 не показано) диаграммообразующей схемы 2.K, в итоговую диаграммообразующую схему 4 непосредственно в блок комплексного взвешивания сигналов 4.1 и в адаптивное устройство 4.K.
1
1
2
N
1
2
N
Адаптивное устройство 2.1.2 диаграммообразующей схемы 2.1 получив сигнал s(t) от внешнего сумматора 3.1 и вновь поступающие помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  от антенных элементов 1.1, 1.1, …, 1.1, производит корректировку вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1.
1
2
N
1
2
N
Блоки комплексного взвешивания сигналов 2.1.1, 2.1.1, …, 2.1.1, получив от антенных элементов 1.1, 1.1, …, 1.1 помеховые сигналы и частично навигационные сигналы  а от адаптивного устройства 2.1.2 откорректированные вектора весовых коэффициентов W(t), формируют более чистые компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 2.1.3.
1
Сумматор 2.1.3, получив более чистые компенсирующие помеховые сигналы, формирует более чистый результирующий компенсирующий сигнал y(t), который с отрицательным знаком передается во внешний сумматор 3.1.
2
K
Так же формируют белее чистые результирующие компенсирующие сигналы y(t), …, y(t) диаграммообразующие схемы 2.2, …, 2.K, которые с отрицательным знаком передаются во внешние сумматоры 3.2, …, 3.K.
1
2
K
1
2
K
1
2
K
1
2
K
Внешние сумматоры 3.1, 3.2, …, 3.K, получив сигналы  от соответствующих антенных элементов 1.2, 1.2, …, 1.2 антенной решетки 1 и результирующие компенсирующие сигнал y(t), y(t), …, y(t) от соответствующих диаграммообразующих схем 2.1, 2.2, …, 2.K, формируют выходные сигналы s(t), s(t), …, s(t), которые передается в адаптивное устройство соответствующей диаграммообразующей схемы 2.1, 2.2, …, 2.K в соответствующий вход итоговой диаграммообразующей схемы 4 непосредственно в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4 и в адаптивное устройство 4.2.
1
2
K
1
2
K
Сформированные выходные сигналы s(t), s(t), …, s(t), от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, поступают в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4 и в адаптивное устройство 4.2 итоговой диаграммообразующей схемы 4.
1
2
K
1
2
K
Адаптивное устройство 4.2 получив сигналы s(t), s(t), …, s(t), от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, производит расчет вектора весовых коэффициентов W(t) передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4.
1
2
K
1
2
K
Блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4 получив от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K сигналы s(t), s(t), …, s(t), а от адаптивного устройства 4.2 вектор весовых коэффициентов W(t), формируют компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 4.3.
Сумматор 4.3 итоговой диаграммообразующей схемы 4, получив компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий, чистый выходной сигнал s(t), который содержит в основном навигационные сигналы и передает потребителю и в адаптивное устройство 4.2
1
2
K
Адаптивное устройство 4.2 итоговой диаграммообразующей схемы 4 получив сигнал s(t) от сумматора 4.3 и вновь поступающие сигналы 3.1, 3.2, …, 3.K, от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K, производит корректировку вектора весовых коэффициентов W(t) и передает их в блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4.
1
2
K
1
2
K
Блоки комплексного взвешивания сигналов 4.1, 4.1, …, 4 получив от внешних сумматоров 3.1, 3.2, …, 3.K сигналы s(t), s(t), …, s(t), а от адаптивного устройства 4.2 откорректированные вектора весовых коэффициентов W(t), формируют более чистые компенсирующие помеховые сигналы и передают их в сумматор 4.3.
Сумматор 4.3, получив более чистые компенсирующие помеховые сигналы, формирует результирующий, чистый выходной сигнал s(t), который содержит в основном навигационные сигналы и передает потребителю и в адаптивное устройство 4.2.
При моделировании комбинированной адаптивной антенной решетки подаются три навигационных сигнала и помеха.
В качестве сигналов используются фазоманипулированные сигналы с расширением спектра М-последовательностью длиной 1023 дискрета с 10 цифровыми отсчетами на дискрете. В качестве помехи используется фазоманипулированный сигнал с расширением спектра М-последовательностью длиной 511 дискретов. Параметры навигационных сигналов и помехи на входе комбинированной адаптивной антенной решетки приведены в Таблице фиг. 5.
Из таблицы следует, что уровень помехи на входе антенной решетки превышают уровень сигнала более, чем в 60 раз.
На фиг. 6 приведен отклик фильтра согласованного с навигационными сигналами, подключенного к выходу адаптивной антенной решетки (на фаг. 1 не показан) на навигационные сигналы в отсутствии помехи до компенсации.
На фиг. 7 приведен отклик согласованного фильтра на смесь навигационных сигналов и помехи в отсутствии компенсации.
На фиг. 8 приведен отклик согласованного фильтра на смесь сигналов и помехи после компенсации, на котором видно, что после компенсации уровень помехи ниже уровня сигналов в 6-8 раз. То есть отношение сигнал/помеха после компенсации увеличилось более, чем в 100 раз.
Таким образом, предлагаемая комбинированная адаптивная антенная решетка позволяет компенсировать помехи, приходящие с направлений, близких к азимутальному, превышающие уровень полезных навигационных сигналов и выделять навигационные сигналы.
Источник 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). - №914916922; 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. - 20 с.: 11 ил.