Cải thiện độ chính xác của thiết bị đo cao vô tuyến trên tên lửa đối hạm bằng giải pháp tạo chùm xung đếm hai tần số

Kỹ thuật điện tử V. V. Binh, T. Q. Huy, ,“Cải thiện độ chính xác của thiết bị ...đếm hai tần số.” 10 CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ ĐO CAO VÔ TUYẾN TRÊN TÊN LỬA ĐỐI HẠM BẰNG GIẢI PHÁP TẠO CHÙM XUNG ĐẾM HAI TẦN SỐ Vũ Văn Binh*, Trần Quang Huy, Nguyễn Văn Hiếu, Lê Thị Luận Tóm tắt: Bài báo trình bày về một giải pháp nâng cao độ chính xác của thiết bị đo cao vô tuyến trên tên lửa đối hạm được thực hiện thông qua việc tạo chùm xung đếm có hai tần số để cung cấp cho các bộ đếm xung trong khối đo chu kỳ. Giải pháp này hướng tới giảm thiểu sai số đo độ cao gây ra do sai lệch của việc xác định khoảng thời gian đo khi xung tín hiệu cộng hưởng có dạng hình chuông và có độ rộng khác nhau theo độ cao. Từ khóa: Thiết bị đo cao vô tuyến, Nâng cao độ chính xác, Tạo chùm xung đếm. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thiết bị đo cao vô tuyến (TBĐCVT) trên một số tên lửa đối hạm thế hệ mới được thiết kế theo nguyên lý ra đa đo cự ly, phát tín hiệu siêu cao tần điều chế tần số. Tần số của tín hiệu phát thay đổi theo điện áp điều chế có dạng răng cưa không đối xứng không liên tiếp. Mô hình cấu trúc thiết bị được thiết kế về dạng hệ tự động duy trì tần số phách theo nguyên lý đo bám. Việc đo độ cao hành trình bay được chuyển về phép đo thời gian, được thực hiện thông qua phép đo chu kỳ bằng kỹ thuật số theo phương pháp đếm xung. Trong thành phần cấu trúc máy phát thường bố trí hai bộ cộng hưởng siêu cao tần có tần số cộng hưởng khác nhau f1 và f2 (trong đó f1 < f2) [2]. Độ dài của "khoảng thời gian đo" ("KTGĐ") được xác lập nhờ xung tín hiệu cộng hưởng của hai bộ cộng hưởng thiết lập mối liên hệ hàm số với độ cao cần đo theo biểu thức: đ MC t f Fc H     2 0 (1) trong đó: H - độ cao cần đo, m; c - vận tốc truyền sóng vô tuyến trong khí quyển, m/s; F0 - tần số phách (được duy trì ở một giá trị không đổi), Hz; MCf - dải dịch tần điều chế được giới hạn bởi hai tần số cộng hưởng 12 fff MC  , Hz; tđ - độ dài "KTGĐ", s. Thông thường xung tương ứng với "KTGĐ" - gọi là xung "KTGĐ" được lấy làm xung cửa để tạo chùm xung đếm cho bộ đếm xung trong khối đo chu kỳ. Mặc dù hai bộ cộng hưởng siêu cao tần được lựa chọn có hệ số phẩm chất cao, song xung tín hiệu cộng hưởng luôn có độ rộng nhất định. Vì vậy, việc tạo xung "KTGĐ" hay xung cửa cho bộ đếm xung trong trường hợp này không thực sự chính xác với hai thời điểm mà tần số tín hiệu phát fP = f1 và fP = f2, từ đó gây ra sai số đo. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 11 Với độ cao hành trình bay của tên lửa đối hạm hiện nay rất thấp, tức là dải độ cao cần đo nhỏ, thành phần sai số này có ảnh hưởng khá lớn, cần phải nghiên cứu giảm thiểu. 2. SAI SỐ GÂY RA DO SỰ KHÔNG CHÍNH XÁC TRONG VIỆC XÁC ĐỊNH KHOẢNG THỜI GIAN ĐO VÀ KHẢ NĂNG GIẢM THIỂU Từ biểu thức (1) cho thấy rằng, khi tần số phách F0 và dải dịch tần điều chế tần số 12 fff MC  có giá trị không đổi, độ biến thiên vận tốc truyền sóng vô tuyến trong khí quyển tầm thấp là rất nhỏ ( 5101 c ) và thường được bỏ qua thì sai số xác định độ cao chỉ phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác xác định "KTGĐ" tđ. Trong các TBĐCVT trên tên lửa đối hạm thế hệ mới, việc đưa vào hai bộ cộng hưởng tần số làm cơ sở xác lập xung "KTGĐ" và được dùng làm xung cửa cho mạch tạo chùm xung đếm của bộ đếm xung. Khối điều chế trong TBĐCVT này được thiết kế sao cho giản đồ điện áp - thời gian thể hiện nguyên lý hoạt động của khối trong chế độ đo bám có dạng như mô tả trên hình 1. Hình 1. Giản đồ điện áp của khối điều chế trước đây. Theo đó, tại thời điểm t1 mạch tạo điện áp điều chế bắt đầu cho ra điện áp tăng trưởng thuận tuyến tính với độ dốc được quy định bởi điện áp điều khiển Uđk (hình 1.a), khi này tần số phát bắt đầu tăng tuyến tính. Đến thời điểm t2, khi tần số phát fP = f1, bộ cộng hưởng thứ nhất xuất hiện xung tín hiệu cộng hưởng thứ nhất (hình 1.b), xác lập thời điểm đầu của xung "KTGĐ" (hình 1.d). Tại thời điểm t3, khi tần số phát fP = f2, bộ cộng hưởng thứ hai xuất hiện xung tín hiệu cộng hưởng thứ hai (hình 1.c), xác lập thời điểm cuối của xung "KTGĐ" (hình 1.d). Điện áp ra của mạch tạo điện áp điều chế kết thúc quá trình tăng trưởng thuận và bắt đầu quá trình tD tđ tN t1 t1 t2 t3 t4 t5 t Uđk (b) (e) (d) (c) (a) Kỹ thuật điện tử V. V. Binh, T. Q. Huy, ,“Cải thiện độ chính xác của thiết bị ...đếm hai tần số.” 12 tăng trưởng nghịch (hình 1,a). Tại thời điểm này bộ giữ chậm định thời được kích hoạt với tgco = const. Tại thời điểm t4, khi tần số phát một lần nữa xác lập fP = f1, bộ cộng hưởng thứ nhất xuất hiện xung tín hiệu cộng hưởng thứ hai (hình 1.b). Tuy nhiên, do bộ giữ chậm định thời xung tín hiệu cộng hưởng này không làm chuyển biến trạng thái hoạt động của khối. Tại thời điểm t5, quá trình tăng trưởng nghịch của điện áp điều chế kết thúc (tN), nhưng chưa vượt quá thời gian giữ chậm tgco nên điện áp ra được giữ nguyên không đổi và được gọi là "thời gian dừng" - tD. Khi thời gian giữ chậm tgco kết thúc (tgco = tN + tD), quá trình hoạt động lại lặp lại như thời điểm t1 ban đầu. Xung "KTGĐ" (hình 1.d) từ khối điều chế được sử dụng làm xung cửa để tạo chùm xung đếm cho bộ đếm xung trong khối đo chu kỳ. Tuy nhiên, trong thực tế xung tín hiệu cộng hưởng không phải là xung kim hay xung vuông (có sườn đứng) như hình 1.b và 1.c mà có dạng gần hình chuông (có sườn thoải) với độ rộng khác nhau như mô tả trên hình 2. Do điểm làm việc của mạch điện tiếp nhận xung tín hiệu cộng hưởng thường đặt thấp hơn giá trị đỉnh xung nên thời điểm xác nhận sự xuất hiện của tín hiệu cộng hưởng sai lệch với thời điểm mà tần số phát bằng tần số danh định của bộ cộng hưởng. Mức độ sai lệch về thời gian là: tsl = (tsl1 + tsl2) (2) có giá trị gần bằng tổng 1/2 độ rộng các xung cộng hưởng tương ứng. Sự sai lệch này đã dẫn đến độ rộng của xung "KTGĐ" sai khác so với lý thuyết (tđ) [1]. Mặt khác, độ rộng của xung tín hiệu cộng hưởng không giống nhau mà phụ thuộc vào tốc độ biến thiên tần số phát hay độ rộng của xung cộng hưởng thay đổi theo độ cao bay hiện thời. Vì vậy, việc loại bỏ hay bù khử lượng sai lệch này không thể thực hiện được bằng phép cộng đại số đơn giản với một lượng hiệu chỉnh cố định. Hình 2. Giản đồ điện áp tương ứng với tín hiệu xung cộng hưởng thực tế. tđ tsl2 tsl1 t1 t1 t2 t3 t4 t5 t Uđk (b) (c) (a) t6 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 13 Khảo sát trường hợp điển hình (TBĐCVT trên tên lửa đối hạm thế hệ mới), với độ cao tương đương H = 50 m tương ứng với các số liệu đo được: tđ ≈ 1268 μs và tsl ≈ 70 μs. Khi này, sai số xác định độ cao gây ra do sai lệch xác định điểm cộng hưởng sẽ là: 5,5100 1268 70 100  đ sl đ t t t % (3) Từ (3) cho thấy, thành phần sai số gây ra do sai lệch xác định điểm cộng hưởng có ảnh hưởng rất lớn đến sai số chung của toàn thiết bị. Từ cơ sở lý thuyết và thực tế trên cho thấy, việc nâng cao độ chính xác xác định độ cao bay đối với TBĐCVT có thể được thực hiện bằng giải pháp kỹ thuật nào đó sao cho loại bỏ hay giảm nhỏ sai lệch giữa thời gian xuất hiện xung tín hiệu cộng hưởng với thời điểm tần số phát trùng với giá trị danh định của bộ cộng hưởng. Và một giải pháp được lựa chọn mà bài báo này đề cập là giải pháp tạo chùm xung đếm hai tần số, có tính đến độ rộng của tín hiệu xung cộng hưởng. 3. NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO ĐỘ CAO BAY BẰNG GIẢI PHÁP TẠO CHÙM XUNG ĐẾM HAI TẦN SỐ CHO BỘ ĐẾM XUNG Với giả thiết xung tín hiệu cộng hưởng lấy ra từ các bộ cộng hưởng siêu cao tần có dạng gần hình chuông. Giải pháp tạo chùm xung đếm hai tần số được thực hiện theo hai bước: + Bước 1: Thiết kế cấu trúc của khối điều chế có chức năng tạo điện áp điều chế, xung "KTGĐ" và xung "khoảng thời gian điều chế - KTGĐC" được mô tả trên hình 3. Khi này, hoạt động của khối điều chế trong chế độ đo bám có giản đồ điện áp như trên hình 4. Theo đó, xung cộng hưởng tổng hợp (xung CH) có dạng hình 4.e, xung "KTGĐ" - hình 4.f và xung "KTGĐC" - hình 4.g. Ba xung này sẽ được sử dụng với tư cách xung cửa cho mạch tạo chùm xung đếm. Như vậy, ở trong các trường hợp thông thường chỉ có xung "KTGĐ" được lấy làm xung cửa cho mạch tạo chùm xung đếm, và chùm xung đếm chỉ có một tần số. Còn ở giải pháp này cả ba xung nói trên được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ này. + Bước 2: Thiết kế mạch tạo chùm xung đếm hai tần số cho khối đo chu kỳ. Sơ đồ cấu trúc của mạch tạo chùm xung đếm được thiết kế có dạng như hình 5, gồm 2 thành phần cơ bản: bộ đa hợp/giải đa hợp và bộ chia tần. Hình 5. Sơ đồ cấu trúc mạch tạo chùm xung đếm hai tần số. Chùm xung 2 tần số Fc và Fc/2 Xung CH (6.c) Xung Fc Bộ chia tần Xung KTGĐ (6.d) Xung KTGĐC (6.e) A3 A2 A1 Bộ đa hợp/giải đa hợp Đầu vào A Đầu vào B Đầu ra Đầu vào địa chỉ Kỹ thuật điện tử V. V. Binh, T. Q. Huy, ,“Cải thiện độ chính xác của thiết bị ...đếm hai tần số.” 14 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc khối điều chế theo giải pháp mới. Hình 4. Giản đồ điện áp của khối điều chế theo giải pháp mới. (b) (g) (f) (e) (g) Uđk U0 U02 (d) (c) (a) Bộ phối hợp Bộ tích phân Bộ chuyển mạch điện tử Bộ đảo 1 NOR 1 Bộ giữ chậm NOR 2 Bộ so sánh NOR 3 NOR 4 Bộ so sánh 2 Bộ đảo 3 Bộ tạo xung "KTGĐC" Bộ tạo xung "KTGĐ" Bộ KĐ Bộ đảo 4 Bộ đảo 2 t6 t1 t1 t2 t3 t4 t5 t Uđk (b) (g) (e) (f) (d) (c) (a) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 15 Tín hiệu xung tần số chuẩn Fc đưa tới đầu vào A của bộ đa hợp/giải đa hợp. Tín hiệu này cũng được đưa tới bộ chia tần mà ở đây là bộ chia 2, và tín hiệu ra có tần số bằng Fc/2 được đưa tới đầu vào B của bộ đa hợp/giải đa hợp. Các xung cộng hưởng tổng hợp (hình 6.c ứng với hình 4.e) cùng với xung "KTGĐ" (hình 6.d ứng với hình 4.f) và xung "KTGĐC" (hình 6.e ứng với hình 4.g) được đưa tới 3 đầu vào địa chỉ tương ứng (A3, A2, A1). Dãy xung đầu ra bộ đa hợp/giải đa hợp có dạng chùm xung phức hợp, trong đó phần đầu và phần cuối của mỗi chùm tương ứng với độ rộng xung cộng hưởng thứ nhất và xung cộng hưởng thứ hai có tần số bằng Fc/2, còn phần giữa (phần chiếm đa số) có tần số Fc. Chùm xung phức hợp này đưa đến khối đo chu kỳ với tư cách chùm xung đếm. Bộ đếm xung trong khối đo chu kỳ sẽ thực hiện phép đếm số xung trong chùm xung, và đầu ra của nó là số liệu độ cao đã được số hóa. Hình 6. Giản đồ điện áp của mạch tạo chùm xung đếm hai tần số. Do phần đầu và phần cuối của chùm xung đếm có tần số xung bằng Fc/2 nên số xung đếm được ứng với độ rộng xung cộng hưởng thứ nhất và thứ hai sẽ giảm đi một nửa. Việc làm này sẽ tương tự như xác định điểm giữa của các xung cộng hưởng gần đúng với thời điểm cộng hưởng thật sự tại tần số bằng f1 và f2. Như vậy, sai số của phép đo độ cao gây ra do sai lệch xác định vị trí xuất hiện cộng hưởng tại f1 và f2 của bộ cộng hưởng thứ nhất và thứ hai đã được khắc phục và giảm thiểu thông qua tạo chùm xung đếm phức hợp có hai tần số như trên. Theo nghiên cứu khảo sát, các TBĐCVT trên các tên lửa đối hạm thế hệ mới đã có áp dụng giải pháp này, và qua đo đạc cho thấy thành phần sai số này có thể t Fc/2 Fc Fc/2 Fc (f) (e) (c) (d) Fc/2 (b) (a) Fc Kỹ thuật điện tử V. V. Binh, T. Q. Huy, ,“Cải thiện độ chính xác của thiết bị ...đếm hai tần số.” 16 giảm xuống còn không quá 0,2%, tức là giảm đến hơn 5 %. Điều này thực sự đã khẳng định tính hiệu quả của giải pháp. 4. KẾT LUẬN Việc tạo chùm xung đếm hai tần số cho bộ đếm trong khối đo chu kỳ của TBĐCVT như trình bày ở trên là một giải pháp khoa học cho phép khắc phục và giảm thiểu thành phần sai số xác định độ cao gây ra do sai lệch xác định vị trí cộng hưởng tần số trong các TBĐCVT có sử dụng các bộ cộng hưởng siêu cao tần để xác định khoảng thời gian đo. Với hiệu quả mà giải pháp mang lại rất có ý nghĩa đối với các TBĐCVT dùng cho các tên lửa hành trình đối hạm có độ cao bay hành trình siêu thấp trên bề mặt biển có nhiễu động. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Báo cáo khoa học tổng hợp Nhiệm vụ số 12 "Khai thác tìm hiểu hệ thống thiết bị đo cao vô tuyến trên quả đạn Kh-35E" thuộc Đề án KHCN "Khai thác toàn diện quả đạn Kh-35E", 2014. [2]. Радиовысотомер А-037, Руководство по технической эксплуатации. ГУ1.000.51 РЭ. ABSTRACT IMPROVE ACCURACY OF RADIO ALTIMETER INSTALLED ON THE ANTI-SHIP MISSILES USING A SOLUTION CREATES COUNTING PULSE BEAM WITH TWO FREQUENCIES This paper presents a solution to improve the accuracy of the radio altimeter on anti-ship missiles performed through creating beam counting pulse with two frequencies to give the pulse counter in measuring cycle blocks. This solution aims to reduce altitude measurement error caused by the deviation of the determination "interval measured" when signals resonant bell-shaped and have different widths according to altitude. Keywords: Radio altimeter, Improve accuracy, Creating beam counting pulse. Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CN quân sự; Email: binhvuvdt@gmail.com.