ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Под ред. А.И.Перова (2010) (1151961), страница 112
Текст из файла (страница 112)
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. При этом алгоритмы АКП не требуют знания направлений на источник помех, а извлекают необходимую информацию из корреляционных характеристик помех. Это следует из алгоритма оптимальной пространственной обработки (18.7), куда входит только корреляционная матрица помех на выходах элементов АР.
Далее, в условиях СРНС АКП гаранти- 716 Пространственно-временная обработка сигналов в аппаратуре потребителей рованно не настраивается на подавление полезных сигналов. Дело в том, что приходящий полезный сигнал оказывается на 15 и 30 дБ ниже уровня внутреннего шума, поэтому даже в отсутствии внешних помех он не будет формировать нули в направлении на НИСЗ. Наконец, анализ структуры ОПФ (см. п.18.4) подчеркивает важную роль АКП и в теории ПВОС. Замечание 2. Легко увидеть, что классический компенсатор получается путем минимизации выходного шума р К~ при ограничении р, =1.
Иногда и предлагается другой вариант компенсатора, минимизирующего выходной шум р~1ф при ограничении ~ф~ =1. Можно показать, что такой компенсатор (в отличие от классического) при отсутствии помех формирует провал ДН на полезный сигнал. Замечание 3. В [18.281 предложен вариант построения пространственных фильтров с линейными ограничениями. Такой подход позволяет задавать направления, в которых нужно дополнительно формировать провалы и максимумы ДН. К сожалению, рациональное задание таких ограничений требует установления детерминированного соответствия между физическим трехмерным пространством и пространством векторов Н =Г(д,а). Это предполагает фазирование антенной решетки и существенно усложняет реализацию.
В дальнейшем при исследовании характеристик пространственной обработки мы будем рассматривать параллельно как оптимальный пространственный фильтр, так и АКП. 18.4. Структура оптимального пространственного фильтра Проанализируем структуру ОПФ. В нашем анализе выбраны представления, подчеркивающие фундаментальную роль АКП как важнейшей составляющей ОПФ. В выражении для алгоритма оптимальной пространственной обработки (18.7) легко увидеть две ее главные составляющие. Первая и основная для работы в условиях помех составляющая пространственной обработки — режекция помехи, отражаемая в выражении (18.7) умножением вектора наблюдения с выходов АР на матрицу У, содержащую все пространственно-временные -1 характеристики помехи, — 1 =ч ц.
(18.23) 717 Вторая составляющая алгоритма пространственной обработки — объединение полезных сигналов, содержащихся во всех компонентах ~~ . Она осуще- уК ствляется умножением ~т на вектор Н, т.е. Пространственно-временная обработка сигналов в аппаратуре потребителей ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ФИЛЬТР Рис. 18.6. Схема пространственного фильтра Сконструируем невырожденное представление вектора сп таким образом, чтобы полезный сигнал сфокусировался на одном, пусть первом, выходе преобразователя и отсутствовал на остальных т — 1 выходах.
Например, оно может описываться матрицей П, зависящей только от взаимного расположения АР и НИСЗ в которой первая строка равна сопряженному вектору Н с нормировочным множителем 1/~Н~, а остальные и — 1 строк составлены из векторов С,, 1=1, и — 1, ортогональных Н, т.е. С,* Н=О. Например, в качестве С,. могут использоваться т — 1 строка матрицы Р„= ~ - ««Я«'«), представляющей оператор проектирования на подпространство, ортогональное вектору Н,т.е., РнН=О. г Очевидно, что ПН=(1 0 ... 0) и значит о ~, =Псп = П[НЯ,(1)+и,]= Я,(А)+й,.
118.24) Из 118.24) следует, что полезный сигнал собран в первом элементе вектора Остальные выходы преобразователя П~, содержат только шумы 719 Глава 18 й,, 1= 2, т. Так как эти шумы коррелированны с шумом первого выхода, то интуитивно ясно, что выходы с номерами 2, т можно использовать для ком- пенсации й„т.е. напрашивается дальнейшая конструкция обработки типа пт т1, = ~„+ ~~) а,~, = ~„+ а ~а, тг (18.25) где и=~а,~, г=2, м, л, - некоторые комплексные числа, а чт, =(Тт - еек/р тор, составленный из компенсационных выходов преобразователя (18.24). Важно заметить, что преобразование (18.25) изменяет лишь уровень шума на выходе т1,, не искажая сигнал и оставляя его мощность фиксированной. В этих условиях выбор вектора а из условия минимума мощности выходного шума обеспечит максимум отношения сигнал/шум (ОСШ).
В 118.31 показано, что минимум дисперсии т1, достигается при --1 р- рк= — Чттт Чтд, где Утт =Мбайт, чт,~, Чт, =Мбайт, й;,~, а оптимальный алгоритм пространственной обработки (18.10) приводит к тому же результату. Это означает, что если полезный сигнал присутствует только в одном канале наблюдения, то оптимальный пространственный фильтр совпадает с корреляционным компенсатором помех. Структуру оптимального пространственного фильтра в общем случае можно представить в виде рис.
18.7. ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ФИЛЬТР Рис. 18.7. Структура оптимального пространственного фильтра 72С В пространстве первый этап преобразований приводит к электронному формированию ш антенн. Первая антенна, представленная выходом ~н, сфокусирована в направлении на НИСЗ. Остальные ш-1 антенны, напротив, имеют в направлении на НИСЗ нуль в диаграмме направленности. Это следует из выражения Ошибка! Источник ссылки не найден., конкретнее из требований к весам С,* Н =-О, 1= 2, т.
Отсутствие сигнала в компенсационных выходах ~г Пространственно-временная обработка сигналов в аппаратуре потребителей гарантирует полезный сигнал в первом канале,"„от подавления при сложении с полезными сигналами в других каналах с неудачными фазовыми соотноше- ниями при компенсации в АР. 18.5. Характеристики алгоритмов пространственной обработки сигналов Наиболее распространенным критерием помехозащищенности ПСН служит максимальное отношение мощности помехи У к мощности сигнала Б на входе приемника, при котором приемник остается в рабочем режиме. Для помех с шириной спектра, большей, чем у сигнала, для определения мощности необходимо задать полосу частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
