Algorithms for Adaptive Signal Processing in Geosynchronous Orbit Satellite Systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Relevance. Adaptive signal processing is a key technology in modern satellite systems. Its use significantly improves the efficiency of radio engineering systems by improving interference immunity and increasing the operating range. Iterative adaptation algorithms are used to implement spatial filtering in real time. An analysis of existing developments shows that the vast majority of solutions are based on least mean squares (LMS) and recursive least squares (RLS) algorithms. The popularity of these methods is due to their relative simplicity of implementation and optimal characteristics in a stationary electromagnetic environment. However, in a dynamically changing signal-to-noise environment, their effectiveness decreases sharply, and in these conditions, non-stationary algorithms based on the Kalman filter are used, among which the most well-known are the constant modulus algorithm based on the unbiased Kalman filter (UKF-CMA) and the minimum variance distortionless algorithm based on the extended Kalman filter (EKF-MVDR).The aim of the study was to improve the signal-to-noise ratio by using adaptive signal processing algorithms in geostationary satellite communication systems.The work used methods of mathematical modeling of adaptive spatial filtering algorithms for satellite communication channels in the MATLAB environment.In the solution of solving the scientific problem, an analysis of the stability of both stationary algorithms (LMS and RLS) and non-stationary algorithms based on Kalman filtering (UKF-CMA, EKF-MVDR, UKF-MVDR) in a geostationary satellite communication system for various environments, such as urban, suburban, and rural areas. An analysis of computational complexity, convergence speed, and signal-to-noise ratio gain was also performed for the algorithms under study in stationary and non-stationary signal-to-noise conditions.The scientific novelty of this work lies in proposing a modification of the EKF-MVDR algorithm based on an unbiased Kalman filter (UKF-MVDR) to improve the stability of the algorithm in non-stationary signal-to-noise conditions as applied to adaptive signal processing tasks.The theoretical significance of this work lies in the use of spatial signal processing algorithms in geostationary satellite communication systems to ensure stable operation in stationary and dynamic signal-to-noise environments.

About the authors

I. A. Boyko

The Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications

Email: boiko.ia@sut.ru
ORCID iD: 0000-0001-8856-9733

E. I. Glushankov

The Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications

Email: glushankov.ei@sut.ru
ORCID iD: 0000-0003-4148-3208

A. Zh. Lyalina

The Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications

Email: lyalina.az@sut.ru
ORCID iD: 0009-0003-7460-0949

References

  1. Глушанков Е.И., Коровин К.О., Бойко И.А., Борисов М.Г. Современное состояние и перспективы развития адаптивных антенных комплексов в радиотехнических системах // Вестник СПбГУТ. 2024. Т. 2. № 1. С. 9. EDN:AKVWWB
  2. Григорьев В.А., Щесняк С.С., Гулюшин В.Л., Распаев Ю.А., Хворов И.А. Адаптивные антенные решетки. Ч. 1. СПб.: Университет ИТМО, 2016. С. 55.
  3. Глушанков Е.И., Кирик Д.И., Коровин К.О., Царик И.В., Бойко И.А., Казьмин О.Ю. Реализация алгоритма адаптивного диаграммообразования на ПЛИС // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2023. Т. 11. № 1(40). С. 19–20. doi: 10.26102/2310–6018/2023.40.1.025. EDN:JMTNCV
  4. Щедрин А.А., Бойко И.А. Использование фильтра Калмана с ограничениями в целях уменьшения чувствительности приемной адаптивной фазированной антенной решетки к углу прихода // Вестник СПбГУТ. 2024. Т. 2. № 4. С. 4. EDN:ENPYXH
  5. Щедрин А.А., Бойко И.А., Глушанков Е.И. Исследование Калмановских алгоритмов фильтрации в целях адаптивного диаграммообразования // Научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио. 2024. № 1(79). С. 3–5. EDN:NHEOCZ
  6. Shubber Z.A., Jamel T.M., Nahar A.K. Beamforming Array Antenna Technique Based on Partial Update Adaptive Algorithms // International Journal of Electrical and Computer Engineering Systems. 2023. Vol. 14. Iss. 8. PP. 821–831. doi: 10.32985/ijeces.14.8.1
  7. Fu X.-Z, Liu Z., Hu S.-L., Liu Z.-K. Variable step-size LMS adaptive algorithm and its application in time delay estimation for low SNR // Journal of Central South University (Science and Technology). 2012. Vol. 43. Iss. 3. PP. 1010–1019.
  8. Bhotto M.Z.A., Bajić I.V. Constant Modulus Blind Adaptive Beamforming Based on Unscented Kalman Filtering // IEEE Signal Processing Letters. 2015. Vol. 22. Iss. 4. PP. 474–478. doi: 10.1109/LSP.2014.2362932
  9. Omgond P., Singh H. Constrained Kalman filter based interference suppression in phased arrays // Proceedings of the International Microwave and RF Conference (IMaRC, Bangalore, India, 15–17 December 2014). IEEE, 2014. PP. 286–289. doi: 10.1109/IMaRC.2014.7039029
  10. Рекомендация МСЭ-R P.681-11. Данные о распространении радиоволн, необходимые для проектирования систем сухопутной подвижной спутниковой службы. 2019.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».