Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования (4-е издание, 2010) (1151865), страница 114
Текст из файла (страница 114)
Сигналы, попадающие в максимум ДН, усиливаются. Гораздо больший эффект достигается тем, что сигналы, попадающие в минимум ДН (в «нуль»), могут существенно ослабляться. Имея в виду эти качества антенны, следует управлять ДН так, чтобы направлять ее нули в сторону источников помех (ИП) ("нуль на помеху").
708 Пространственно-временная обработка сигналов в аппаратуре потребителей Управлять антенной можно механически или электронно. Особенно просто осуществить электронное управление антенной решеткой (АР), состоящей из нескольких антенных элементов. Такое управление можно выполнять, изменяя комплексные весовые коэффициенты р, с которыми складываются выходы антенных элементов (рис, 18.1). Чем больше антенных элементов в решетке, тем больше степеней свободы для создания новых глубоких «нулей» ДН. В принципе, число таких нулей на единицу меньше числа элементов антенны [8.151.
Итак, главная задача такой обработки, не усилить сигнал, а подавить помеху. Подавляя помеху, можно существенно улучшить отношение сигнал/помеха и обеспечить условия для приема полезного сигнала. Вторая идея обеспечивает простой механизм управления ДН. На первый взгляд для подавления помех обязательно знать направления прихода помехи и сигнала, а также и структуру антенной решетки. На самом деле, если помеха — как в случае СРНС - значительно мощнее полезного сигнала, а компенсатор имеет структуру рис. 18.2, существенно подавить помеху и улучшить условия приема полезного сигнала можно, используя простой критерий минимума выходной мощности.
Рис. 18.2. Структура компенсатора При этом алгоритму адаптации "не нужно знать", откуда приходит помеха. Достаточно лишь так подстраивать коэффициент(ы) р, чтобы мощность на выходе сумматора уменьшалась. Существует несколько эффективных алгоритмов, способных выполнить такую минимизацию. Однако, такие алгоритмы адаптации не гарантирует наилучшего выходного отношения сигнал/помеха, т.к. сигналы от НС могут случайно попасть в провал ДН, где будут ослаблены. Особенности задачи пространственного подавления помех для защиты НАП СРНС Первые пространственные компенсаторы помех применялись для повышения помехозащищенности радиолокаторов.
Известно, что ДН РЛС имеет достаточно узкий главный лепесток, в котором находится цель, и широкую зону боковых лепестков. Поскольку задача заключалась в том, чтобы подавить 709 Глава 18 18.2. Алгоритм оптимальной пространственно-временной обработки Модель наблюдения.
Используя комплексную форму описания сигналов и помех 118.2], можем записать наблюдение на выходе антенной решетки г„=Н,в,(1,)+С,й, +по,, (18.1) где С = С ...С ... С ~, Н и С~ — векторы фазовых распределений сиг- 1 "' к"' Л!' нала и 1-й помехи на элементах антенны; й — БГШ, моделирующий источники внешних помех; по, — вектор независимых БГШ, описывающий внутрен- ние шумы в каналах. Если ввести обозначение для суммарного шума (18.2) и =Сй +и то уравнение наблюдения (18.2) приобретает вид (18.3) = Н~в~(Х )+и . Получим оптимальный алгоритм определения параметров Х сигнала 5,(Х) на основе многоканального наблюдения ~,(~) на некотором временном интервале г = 1, Т .
Величина интервала Т не имеет особого значения, но для определенности можем принять ее соответствующей 1 мс — основному интервалу как ГЛОНАСС, так и ОРЯ. Ограничимся рассмотрением оценки Х по максимуму правдоподобия. Существенно более общий подход, основанный на рассмотрении задачи фильтрации, дан в ~18.7, 18.16] и приводит к структуре рис. 18.3. Функционал правдоподобия р(~, ~Х) с учетом комплексного характера фигурирующих в уравнении для ~, векторов имеет вид (18.7, 18.15] 710 источники помех, действующие из зоны боковых лепестков, такие компенсаторы назвали «компенсаторами боковых лепестков (КБЛ)».
В отличие от типовых радиолокационных задач для приемников СРНС требуется защитить сигналы, приходящие от нескольких (не менее 4-х) навигационных спутников из разных точек небесной сферы. Поскольку, как правило, спутников, доступных приемнику СРНС больше четырех, какие-то из них можно и потерять, но приемник при этом решит поставленную задачу. Другая особенность — сигнал от спутника очень слабый, т.к. спутник далеко. Эта специфика задачи приводит к существенным отличиям в реализации компенсатора для СРНС от КБЛ. Глава 18 Понятно, что оценка Х не изменяется при умножении р на произвольное положительное (некомплексное) число.
Поэтому иногда удобно рассматривать р в виде 118.7, 18.151 р=йУ 1Н, .0= 1/Н* У 1Н. (18.10) (18.11) Так как в этом случае РН = Н*Ч 'Н/Н* Г'Н =1, то (18.12) о„=лт(л„л,',~ =лт(р п„п„р~ =р ур=нч 'уу 'н/н ъ' 'н= 1/нч 'н, что совпадает с (18.11). Принципиально, что характеристики оптимальной оценки параметра А при многоканальном наблюдении эквивалентны характеристикам оценивания Х при одноканальном наблюдении (18.12).
Временной ~ Рис. 18.3. Схема оптимального алгоритма ПВОС Результирующий оптимальный алгоритм пространственно-временной обработки представлен на рис. 18.3 в виде последовательно соединенных оптимального пространственного фильтра (ОПФ) и временного фильтра. При более общих постановках задачи, включающих меняющиеся во времени параметры сигнала и параметры Н, и У„характеризующие пространственное расположение АР, НИСЗ и источников помех, в структуре оптимального алгоритма меняется только вид временного фильтра (18.7, 18.16~. Прежде чем анализировать оптимальный пространственный фильтр рассмотрим антенный компенсатор помех.
712 где и„— эквивалентный шум с дисперсией фильтр [оэ~ — ф-к — > ! ! Пространственно-временная обработка сигналов в аппаратуре потребителей 18.3. Классический антенный компенсатор помех В классическом антенном компенсаторе помех (АКП) [18.20, 18.151 выделяют основную антенну, выход которой содержит полезный сигнал и помехи, и дополнительные (компенсационные) антенны, которые не должны содержать полезного сигнала, Структура компенсатора имеет вид рис.18.4.
вх1 Рнс. 18.4. Структура компенсатора В компенсаторе сигнал основного канала подается на сумматор с единичным весом, а колебания компенсационных каналов взвешиваются, исходя из помеховой обстановки. При этом цель подстройки весовых коэффициентов а- обеспечить минимальную мощность шума на выходе (минимальную дисперсию П колебания ц ). Выражение для а можно найти из условия В (а) =ппп: .Ол(а) = М Ц*(1 а) = " ' 11 а) = 1'~~+а Ъ'21+У12а+а У22а. Откуда, дифференцируя по а д/да'1Ц,(а))=У12+а Ъ'22 и приравнивая результат нулю, получаем а = — Ъ'22 Уд~ — — — У22 ~21. (18.13) Если Вх1, Вх2 схемы рис.
18.4 подключены к антеннам, такая компенсация эквивалентна формированию нулей в ДН на все источники приходящих сигналов, в связи с чем для этих схем даже используется термин Адаптивный формирователь нулей (АФН) [18.9~, а в иностранной литературе [18.15, 18.21)— пц11ег. Такой компенсатор помех часто используется в радиолокации как компенсатор боковых лепестков [18.20, 18.151. Коэффициент подавления. Качество работы компенсатора принято характеризовать [18.20, 18.18] коэффициентом подавления, который определяется 713 Глава 18 как отношение дисперсии шума в основном канале к дисперсии шума на выхо- де АКП ,0 1~п = ~в (18.14) Учитывая, что .0~ — — Р;,, и приведенные выше соотношения, получаем ! ( .0 4Ч ) =Р;, — Ч„Чгг Чг,,т.
е. ), ~! 1~п = -1 1''~ ~ — Ч~г . Чгг Чг~ Выражение для Кп упрощается, если вместо матрицы Ч ковариаций шу- мов в каналах использовать матрицы коэффициентов корреляции шумов р, т.е., Ч =арп, где 6= лад(ю>, а )=Лад~Я>,...1Р„),Р=~р ~, ~,~=1т,р, =м(ло ~/гр В частности, г Р;, = ст, р„= сг,, так как р» — — 1, 1 = 1, и, Чг =Чг = тРгРг,где пг =с11Ж(~'г,"о;.), Рг~ =(Рл Рз~ ".Р.н) Чгг = ~гРггпг, где (Ргг)," = Р,, 1.1 = 2. и . При этом 2 -1 * -1 ~т~ РгРг (<~гРгг~ ) пг 1 Рг!рггрг1 Существенно, что коэффициент подавления зависит только от коэффициентов межканальной корреляции шумов.
В частности, для одного опорного канала АКП (двухэлементной АР) 1 1 1~п = 1-!а !' 1-!~ !' 714 Замечание1. Отметим, что экспериментально коэффициент подавления можно оценить, подав на входы компенсатора рис. 18.4 одно и то же колебание и замерив в установившемся режиме отношение мощностей 0~, /0„. Выражение для коэффициента подавления через р~ = рог характеризует "качество" каналов, интегрально учитывая действие декоррелирующих факторов: межканальной корреляции (коэффициент корреляции р собственно помеховых колебаний Х„и Х, в каждой из антенн) и внутренних шумов. Эти Глава 18 тельно, смесь помехи с мощностью Х1г с шумом в основном канале при идеальной коррелированности помех в каналах компенсатора будет подавлена до уровня Так как внутренний шум с мощностью 1Э„в основном канале не может быть компенсирован, то остаток мощности В„предлагается трактовать как нескомпенсированную часть помехи.
Более детальный анализ показывает, что на самом деле помеха в этом случае почти полностью компенсируется, однако при этом на выход АКП добавляется внутренний шум опорного канала с мощностью В„. В итоге мощность шумов на выходе АКП увеличивается по меньшей мере в 2 раза или на 3 дБ. Выше отмечалось, что с точки зрения создания условий для приема полезного сигнала, структура АКП оптимальна только тогда, когда полезный сигнал присутствует лишь в основном канале.
Тем не менее, он нашел широкое применение в качестве устройства подавления помех на входе ПСН. Например, в разработанном фирмой Кауйеоп антенном компенсаторе помех бАЯ-1, описываемом далее, в 7 элементной решетке центральный антенный элемент образует основной канал компенсатора, а расположенные вокруг него равномерно по окружности радиусом Я/2 6 элементов — вспомогательные каналы АКП. Оснс вные причины такой подмены оптимального пространственного фильтра компенсатором помех заключаются, прежде всего, в относительной сложности реализации электронной фокусировки на НИСЗ. Такая фокусировка требует весьма точной юстировки амплитудных и особенно фазовых характеристик элементов АР. Кроме того, хотя положение НИСЗ в земной системе координат известно достаточно точно, ориентация АР на подвижных объектах изменяется в довольно широких пределах.
Поэтому для реализации оптимального пространственного фильтра в современных приемниках типа бРЯ- приемника Ьос1йеед Магйп 0-ИТАК™ ~18.24] в блок антенной решетки приходится ставить специальные гироскопы, определяющие ориентацию АР. Во— вторых, оптимальный пространственный фильтр предполагает фокусировку на каждый НИСЗ. С другой стороны, АКП реализует основную составляющую оптимальной пространственной обработки — режекцию помех, по сравнению с которой роль фокусировки, собирающей полезные сигналы от небольшого числа отдельных элементов АР, заметно меньше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
