CC BY
112Решетневские чтения. 2018
УДК 621.396.67
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АДАПТИВНОЙ ЦИФРОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ*
С. В. Ефремова1, Е. А. Киселева2, В. В. Храпунова1
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого Российская Федерация, 143900, г. Балашиха, ул. Карбышева, 8 E-mail: [email protected]
Описаны методы формирования диаграммы направленности адаптивной цифровой антенной решетки (АЦАР). Проведена экспериментальная проверка их эффективности методами математического моделирования.
Ключевые слова: адаптивная цифровая антенная решетка (АЦАР), диаграмма направленности (ДН), командно-измерительные системы (КИС).
MATHEMATICAL MODELING OF FORMATION OF THE DIRECTION OF DIRECTION ADAPTIVE DIGITAL ANTENNA ARRAY
S. V. Efremova1, E. A. Kiseleva2, V. V. Hrapunova1
:Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great 8, Karbysheva Str., Balashikha, 143900, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper describes the methods of forming the pattern of the adaptive digital antenna array. The experimental check of their efficiency by means of mathematical modeling has been carried out.
Keywords: adaptive digital antenna array (ADAA), radiation pattern, command and measurement systems.
Наиболее перспективным путем развития командно-измерительных систем (КИС) является применение адаптивных цифровых антенных решеток (АЦАР), что позволит повысить оперативность управления обменом информации с космическими аппаратами (КА) и производительность технологических операций, сократить временной интервал проведения технологического цикла управления.
В настоящее время АЦАР применяются, в основном, в радиолокации, где имеются свои ограничения. В первую очередь, это детерминированный полезный сигнал, временное разделение приема и передачи, достаточно мощный зондирующий сигнал. Указанные особенности не позволяют непосредственно использовать технические решения, реализованные в имеющихся адаптивных антенных решетках, для построения перспективной командно-измерительной системы. Решением этих противоречий может быть разработка методов формирования диаграммы направленности АЦАР и проверка их эффективности методами математического моделирования, главным преимуществом которых является существенное снижение финансовых, временных, трудовых затрат на проведение
экспериментов. Но наряду с преимуществами, у них есть и недостатки. Основным недостатком математического моделирования является невозможность учета всех факторов, влияющих на исследуемый процесс. Прежде всего, это слабые влияния, которыми пренебрегают, но при достаточно длительных экспериментах может сказаться их кумулятивный эффект, искажающий полученные результаты. Также не поддаются моделированию случайные воздействия - различного рода возмущения среды, перепады питающих напряжений, флуктуации мощности излучаемых КА сигналов, технологический разброс параметров исследуемых устройств и систем. Таким образом, одной из основных задач разработчика компьютерных моделей, особенно касающихся моделирования радиотехнических систем, учет всех возмущающих факторов, влияющих на результат.
В ходе выполнения исследований были разработаны методы формирования диаграммы направленности АЦАР, в том числе:
а) формирования диаграммы направленности АЦАР с одновременным приемом сигналов не менее чем от четырех КА;
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 03.10.2016 г. № 14.577.21.0220, уникальный идентификатор проекта КРМЕИ57716Х0220).
Математические методы моделирования, управления и анализа данных
б) калибровки приемных каналов АЦАР, обеспечивающие выравнивание группового времени запаздывания сигналов и определение взаимного положения ее элементов;
в) подавления помех с сохранением максимума диаграммы направленности на источник полезного сигнала и фазовых соотношений между сигналами, принимаемых отдельными элементами АЦАР;
г) измерения навигационных параметров (псевдодальности и псевдоскорости) по принятому полезному сигналу в интересах эфемеридного обеспечения.
В ходе разработки метода формирования диаграммы направленности АЦАР с одновременным приемом сигналов не менее чем от четырех КА были проведены синтез метода адаптации семиэлементной круговой АЦАР и синтез алгоритма адаптации для случая плоской АЦАР. Алгоритм защиты от помех в семи-элементной АЦАР позволяет реализовать близкий к оптимальному выходной эффект адаптивного устройства. Формирование максимумов ДН в направлении на источник сигнала повышает отношение сигнал/помеха, что повышает помехоустойчивость, а общий рост чувствительности обеспечивает прием сигналов КА в сложных условиях.
В разработанном алгоритме адаптации плоской АЦАР осуществляется автономное управление формированием нуля ДН по двум координатам за счет независимого создания в каждом управляемом усилителе, включенном в приемный канал антенной решетки, необходимого управляющего напряжения. В случае сложности аппаратной реализации этого алгоритма предложен его упрощенный вариант -управление формированием нуля ДН по двум координатам за счет регулировки амплитудного распределения по строкам и столбцам.
Оценка эффективности синтезированных алгоритмов показала, что в установившемся режиме эффективность подавления активных помех практически одинакова. Однако синтезированные алгоритмы показали более высокую сходимость по сравнению с градиентными. Отличие составляет десятки и даже сотни шагов адаптации при достижении оптимальных значений отношения сигнал/шум в зависимости от различных помеховых ситуаций.
В ходе разработки метода калибровки приемных каналов АЦАР были разработаны методы коррекции частотной характеристики (КЧХ), выравнивания межканальных временных задержек сигналов в трактах приема и их коррекции, определения взаимного положения элементов АЦАР.
Коррекция КЧХ возможна как с использованием специальной пилот-помехи, так и с применением выравнивающего фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр). Для определения межканальных временных задержек и взаимного положения элементов АЦАР (юстировки) предусмотрено излучение измерительного сигнала с имитатора при помощи слабонаправленной измерительной антенны. При этом измерительный сигнал должен позволять проводить измерения псевдодальности, то есть быть промодулированным дальномерным кодом. По разности измеренной псевдодальности (кодовой и фазовой) определяется межканальная задержка и положение
фазового центра антенного элемента (АЭ), с учетом разности хода сигнала между выбранными антеннами.
В ходе разработки метода подавления помех с сохранением максимума диаграммы направленности на источник полезного сигнала и фазовых соотношений между сигналами, принимаемых отдельными элементами АЦАР были рассмотрены следующие способы:
- создание специальных дополнительных ДН при помощи диаграммаобразующей схемы (ДОС);
- поддержание постоянного коэффициента передачи адаптивного устройства для сигнала, приходящего с направления главного лепестка ДН;
- устранение сигнала из цепей самонастройки адаптивного устройства.
Полный алгоритм работы АЦАР предусматривает нацеливание и удержание ДН АЦАР в пространстве в направлении прихода полезного сигнала, при одновременном подавлении пространственных помех любой структуры. Глубина провалов в ДН при подавлении помех составляет более 40 дБ.
При разработке метода измерения навигационных параметров (псевдодальности и псевдоскорости) по принятому полезному сигналу в интересах эфемерид-ного обеспечения были рассмотрены принципы измерения текущих навигационных параметров как с использованием кодовых, так и фазовых измерений. Проведен анализ погрешностей измерения радионавигационных параметров и даны предложения по их минимизации. Разработанные методы измерения текущих навигационных параметров обеспечивают измерение псевдодальности с погрешностью не более 3 м (при кодовых измерениях) и измерения псевдоскорости с погрешностью менее 0,1 м/с.
Результаты, полученные в ходе исследований, могут внести существенный вклад в теорию построения адаптивных антенных решеток, теорию цифровой обработки сигналов и многие другие, сопряженные с темой проекта, области знаний. Полученные результаты позволят существенно улучшить характеристики КИС наземного комплекса управления (НКУ) при одновременном улучшении экономических и эксплуатационных показателей за счет сокращения числа КИС [1-3].
References
1. The Synthesis Algorithm for Spatial Filtering to Maintain a Constant Level of the Useful Signal / Valeriy N. Tyapkin, Dmitry D. Dmitriev, Yuri L. Fateev, Nikolay S. Kremez // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2016. 9(2). P. 258-268.
2. The Synthesis Algorithm for Spatial Filtering to Maintain a Constant Level of the Useful Signal / Valeriy N.Tyapkin, Dmitry D. Dmitriev, Yuri L. Fateev, Nikolay S. Kremez // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2016. 9(2). P. 258-268.
3. Algorithms for adaptive processing of signals in a flat phased antenna array / V. N. Tyapkin, I. N. Kartsan, D. D. Dmitriev, S. V. Efremova // 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON).
© Ефремова С. В., Киселева Е. А., Храпунова В. В., 2018
