Nghiên cứu giải pháp tính toán quĩ đạo bay của mục tiêu cho máy tạo giả mục tiêu ra đa MP-123 trên công nghệ FPGA

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 189 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN QUĨ ĐẠO BAY CỦA MỤC TIÊU CHO MÁY TẠO GIẢ MỤC TIÊU RA ĐA MP-123 TRÊN CÔNG NGHỆ FPGA Hà Huy Dũng1*, Cao Việt Linh1, Bùi Công Phước1, Nguyễn Văn Hữu2 Tóm tắt: Máy tạo giả trong ra đa có nhiệm vụ tạo tín hiệu mục tiêu giả có các tham số giống như mục tiêu do ra đa thu được thực tế. Thành phần trung tâm máy tạo giả là thiết bị tính toán quĩ đạo bay của mục tiêu. Nhiệm vụ chính của thiết bị này là quá trình giải các phương trình tọa độ của mục tiêu với các tham số được cập nhật tức thời. Việc cập nhật các tham số và giải nhiều phương trình đồng thời, theo thời gian thực là vấn đề chính cần giải quyết, cũng là trọng tâm được trình bày trong bài báo. Từ khóa: Máy tạo giả, Quĩ đạo, Thời gian thực, FPGA. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Công dụng, vị trí của máy tạo giả Máy tạo giả là một thành phần của hệ thống đài ra đa hỏa lực MP-123 được sử dụng nhằm hai mục đích chính [3]: - Phục vụ công tác điều chỉnh và hiệu chỉnh máy, kiểm tra chức năng các thành phần riêng biệt của hệ thống trong trong trạng thái động mà không cần phát sóng vào không gian; - Phục vụ huấn luyện trong luyện tập hàng ngày cho các nhân viên, trắc thủ mà không cần dùng các phương tiện đảm bảo trên không, trên biển. Huấn luyện trắc thủ bắt, bám, bắn theo mục tiêu giả và đánh giá chất lượng của kết quả. Để giải quyết các nhiệm vụ trên, máy tạo giả tạo ra các tín hiệu có các tham số giống như xung phản xạ của mục tiêu ở một thời điểm cho trước trong không gian, với độ chính xác về các tham số tọa độ, tham số chuyển động. Các tham số tạo giả phải phù hợp với các khả năng thực tế chiến đấu của đài ra đa. Các bài thực hành phải đảm bảo tính thực tế của mục tiêu như khả năng thay đổi quĩ đạo vận động mục tiêu, khả năng tạo tín hiệu tên lửa do mục tiêu bắn ra, khả năng tạo các miền nhiễu địa vật bất kỳ. Đặc điểm tín hiệu tạo giả phải đảm bảo phù hợp với các thành phần có thể được kiểm tra, đó là các tín hiệu được điều chế theo đúng các qui luật vận động của mục tiêu và đài ra đa. Hình 1 chỉ ra vị trí đưa tín hiệu tạo giả vào hệ thống ra đa MP- 123 với các thành phần khác là nguyên bản của đài ra đa. Máy tạo giả nhận các tín hiệu đồng bộ từ khối đồng bộ toàn đài đài ra đa, các tín hiệu tức thời của vị trí anten theo cả phương vị và góc tà, các tham số hiệu chỉnh cân bằng của tàu. Đây là các tham số phục vụ tính toán đảm bảo vị trí mục tiêu được tạo ra có các sai lệch điện phù hợp với vị trí trong không gian của nó. Tín hiệu ra của khối tạo giả có đầy đủ các thông tin như mục tiêu thực tế và được điều chế bởi trung tần 30MHz. Tín Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Nghiên cứu giải pháp tính toán trên công nghệ FPGA.” 190 hiệu này được cấp tới đầu vào khuếch đại trung tần của đài ra đa nhờ chuyển mạch điều khiển chế độ Kiểm tra/Làm việc. 1.2. Giải pháp thực hiện bộ tạo giả trên MP-123 nguyên bản Để thực hiện các chức năng của mình, bộ tạo giả tạo ra các tín hiệu, có tham số (độ rộng, biên độ) của mục tiêu ở một điểm cho trước trong không gian với độ chính xác cao về cự ly và đảm bảo chuyển động của mục tiêu giả theo cự ly và góc phù hợp với các điều kiện (trạng thái) và tham số chuyển động sơ bộ cho trước. Bộ tạo giả tạo ra tín hiệu sai số theo các hướng (phương vị, góc tà) bằng cách điều chế biên độ các xung mục tiêu và tên lửa theo hàm sin với tần số quét cánh sóng anten, khi đó độ sâu điều chế tỷ lệ với giá trị góc lệch của trục anten so với mục tiêu, còn pha điều chế mang tin tức về hướng lệch góc. Hình 1. Vị trí máy tạo giả trong hệ thống MP-123. Về giải pháp thực hiện, bộ tạo giả trong ra đa MP-123 được cấu thành từ 32 mô đun chức năng chính thực hiện đồng thời, tuần tự các qui trình tạo ra tín hiệu của duy nhất một mục tiêu giả. Ban đầu các tham số khởi tạo được thiết lập gồm : Vận tốc-Độ cao-Hướng bay-Quãng đường bay ngang -Cự ly nghiêng nhờ các xen-xin, chuyển mạch trên mặt máy, các giá trị lệnh khác như bổ nhào, phóng tên lửa được cập nhật tức thời theo yêu cầu của chỉ huy. Các tín hiệu khởi tạo sau đó được chuyển đổi thành các tham số trong tọa độ cầu và các tham số điều chế nhờ việc giải đồng thời, tuần tự một loạt các phương trình tọa độ[2]: - Phương trình tọa độ chiếu lên mặt phẳng ngang (X,Y): X = S.sin Qu - P cos Qu (km) (1) Y = P.sin Qu + S.cosQu (km) (2) - Phương trình phương vị-cự ly ngang (βu,d): X. cos βu - Y.sin βu = 0 (3) Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 191 d = X.sin βu + Y.cos βu (km) (4) - Phương trình góc tà, cự ly nghiêng chính xác (εu,du) d.sinεu – H.cosεu = 0 (5) du = H.sin εu + d.cosεu (6) - Phương trình sai số góc tà, phương vị (Δε,Δβ) Δε = ε - εu (li giác) (7) Δβ = β - βu + Qc (li giác) (8) - Các phương trình tức thời quãng đường-độ cao S = S0 ± ∫ (km) (9) H = H0 ± ∫ (m) (10) Trong đó : - Vh, Vv là các thành phần ngang và dọc của vec tơ vận tốc (m/s); - S(km)(ban đầu S0), H (km)(ban đầu H0), P(m) là đoạn bay ngang, độ cao, hướng bay của mục tiêu; - Qu, Qc là hướng theo phương bắc của mục tiêu và hướng mũi tàu. Hình 2 minh họa mối quan hệ giữa các tham số này. Hình 2. Các tham số tọa độ trong thiết bị tính toán quĩ đạo. Các phương trình tọa độ được thực hiện nhờ các bộ biến đổi một chiều-xoay chiều tỉ lệ với các tham số đầu vào, các thuật toán nhân sin, cos sẽ được thực hiện nhờ các kích thích quay của điện áp xoay chiều tỉ lệ lên các cuộn cầu phương (sin/cos). Các mạch tích phân-nhớ được sử dụng để giải các phương trình (9) và (10). Việc giải nhóm phương trình từ (1) đến (10) là quá trình tính toán quĩ đạo bay của mục tiêu, đây cũng chính là phần trọng tâm hướng tới với giải pháp thực hiện trên công nghệ mới của bài báo. Các tín hiệu nêu trên được cung cấp cho các xen-xin truyền tới các thành phần cần kiểm tra và các mạch chức năng của máy tạo giả. Tín hiệu tạo giả được tạo tổ hợp từ năm kênh xử lý tín hiệu đồng thời gồm: kênh tạo tín hiệu mục tiêu theo cự ly, kênh tạo tín hiệu tên lửa theo cự ly, kênh tạo sai số góc (phương vị, góc tà), kênh tạo giản đồ hướng, kênh tạo nhiễu. Các kênh xử lý này sử dụng phương pháp xử lý tín Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Nghiên cứu giải pháp tính toán trên công nghệ FPGA.” 192 hiệu từ thô đến tinh (theo tần số đồng bộ đài) và được chế tạo trên cơ sở các đèn điện tử được lắp theo các cụm chức năng khuếch đại thuật toán, xoay pha, trộn . . . Cuối cùng tín hiệu mục tiêu giả có biên độ và độ rộng phù hợp được trộn với trung tần của đài và cấp ra thiết bị khuếch đại trung tần của đài MP-123 (Hình 1). 2. CÁC YÊU CẦU KỸ - CHIẾN THUẬT CỦA MÁY TẠO GIẢ 2.1. Yêu cầu kỹ-chiến thuật Với các giải pháp nêu tại 1.2 máy tạo giả của MP-123 đạt được các tham số kỹ thuật được liệt kê tại bảng 1: Bảng 1. Chỉ tiêu kỹ thuật chính máy tạo giả trong ra đa MP-123. STT THAM SỐ CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ 1 Sai số góc tĩnh ±3 Li giác 2 Sai số cự ly tĩnh 3 %Cự ly nghiêng (d) 3 Sai số độ cao (H) ±15 Sai lệch góc tà (2,5km) theo li giác 4 Sai số cự ly nghiêng tên lửa ±10 % d 5 Giản đồ hướng anten 100-120 Li giác 6 Sai số điều chế góc với tên lửa ±5 Li giác 7 Sai số điều chế góc với mục tiêu ±10 Li giác 8 Điều chế biên độ kí sinh cực đại 5 % 9 Độ rộng xung mục tiêu 0,35 μs 10 Biên độ xung mục tiêu -1,5 đến 7 V 11 Các tần số lặp 3;1 KHz 12 Tần số trung tần điều chế 30 MHz Các yêu cầu chiến kỹ thuật phải tuân thủ gồm có: - Tín hiệu mục tiêu phải chuyển động nhịp nhàng, không bị mất xung trong vùng có thể quan sát; - Sự đồng bộ phải tuân theo các mức đồng bộ thô, tinh của khối đồng bộ trong hệ thống ra đa MP-123; - Tín hiệu mục tiêu phải có sự vận động (có khả năng thay đổi quĩ đạo) phù hợp với yêu cầu mục đích huấn luyện và tính năng của hệ thống ra đa MP- 123. 2.2. Đánh giá các chỉ tiêu, tính năng của máy tạo giả nguyên bản Máy tạo giả trong ra đa MP-123 tạo ra tín hiệu mục tiêu phù hợp với tính năng của đài, cung cấp đầy đủ các phương pháp truyền dữ liệu phù hợp đến các thành phần khác của đài. Tính năng tạo giả đơn giản cho phép quá trình khởi động thực hiện nhiệm vụ đơn giản đối với trắc thủ. Tuy nhiên có thể chỉ ra một số nhược điểm của thiết bị nguyên bản này, bao gồm: Về độ mềm dẻo: Cơ cấu nhập các tham số mục tiêu nhờ các chuyển mạch chỉ cho phép thiết lập (cố định 5 vị trí) một số lượng hạn chế sự lựa chọn các bài huấn Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 193 luyện. Điều này chỉ phù hợp với huấn luyện qui trình thao tác. Ngoài ra việc thực hiện với một mục tiêu duy nhất cũng hạn chế khả năng của trắc thủ so với điều kiện thực tế. Về độ tin cậy, vận hành: Các giải pháp thực hiện máy tạo giả như nêu tại mục 1, sự chính xác và thời gian đáp ứng phụ thuộc vào khả năng chấp hành và đáp ứng của hệ thống cơ điện. Điều này dẫn tới những hiện tượng tiêu cực như trôi vị trí, lệch đồng bộ do quá trình tháo lắp và vận hành lâu ngày gây ra. Về công nghệ, chế tạo: Máy tạo giả nguyên bản do Nga chế tạo với 32 bo mạch chính, hệ thống cơ điện phức tạp, khó hiệu chỉnh và rất cồng kềnh. Sự vận hành với một số lượng lớn các kênh chức năng lắp cùng nhau hạn chế sự mở rộng chức năng của thiết bị so với điều kiện huấn luyện thực tế. Quá trình bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế thực sự phức tạp. Các hạn chế nêu trên hoàn toàn có thể được khắc phục nhờ chuyển đổi công nghệ chế tạo với việc sử dụng các chíp nhúng phần mềm và một cơ cấu giao tiếp hợp lí. Phần tiếp theo của bài báo trình bày một giải pháp thực hiện dựa trên công nghệ FPGA. 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍNH TOÁN QUĨ ĐẠO BAY TRÊN CÔNG NGHỆ FPGA 3.1. Giải pháp thực hiện Thiết bị tính toán quĩ đạo bay mục tiêu thực hiện giải các nhóm phương trình (theo mục 1) một cách đồng bộ và tuần tự. Thành phần này trong máy tạo giả nguyên bản được chế tạo cồng kềnh dựa trên những nguyên lí cơ điện và chỉ thực hiện với chỉ một mục tiêu. Giải pháp thực hiện thiết bị tính toán quĩ đạo bay dựa trên công nghệ FPGA cho phép người sử dụng có thể tạo ra nhiều mục tiêu đồng thời, cho phép thay đổi tính chất mục tiêu một cách mềm dẻo [1]. Các giải pháp và những thiết kế hệ thống chính gồm có: Giải phương trình: Các phép toán trong phần mềm được thực hiện nhanh chóng nhờ giải pháp sử dụng các bảng tra lượng giác độ phân giải cao, cụ thể các giá trị đều được thiết kế đồng dạng bộ nhớ với phân giải 10x14 (10 bit giá trị và 14 bit phân giải về góc). Ví dụ với phương trình (3) góc phương vị được tính ra trong một xung nhịp 20ns bằng một phép tra bảng tanβu = X/Y như lưu đồ trên hình 3. Các phép tính tích phân được biến đổi thành mạch tổng (hiệu) khi thực hiện. Như vậy bằng phương pháp tính toán sẵn các hàm chuyển đổi lượng giác, các kết quả phép toán các tham số tọa độ không gian tức thời của mục tiêu luôn được xác định. Độ chính xác tính toán so với nguyên bản được nâng cao nhờ khả năng mở rộng độ phân giải của các phép tính. Giải pháp đồng bộ thời gian của thiết bị tính toán quĩ đạo dựa trên nguyên tắc đồng hồ lượng tử thay vì các vận động đều theo vận tốc và xoay pha liên tục của hệ thống cơ điện. Hệ thống tính toán quĩ đạo sẽ quản lý tham số thời gian thực dựa trên số các xung lượng tử thời gian có độ chính xác tới 10ns nhằm cấp các phương Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Nghiên cứu giải pháp tính toán trên công nghệ FPGA.” 194 trình vận động. Sơ đồ thực hiện tính toán trên phần mềm được tuân thủ tính đồng thời và tuần tự như trên hình 3. Hình 3. Lưu đồ tính phương vị mục tiêu. Trên hình 4 các phép toán được thực hiện từ trên xuống dưới, các phương trình trong từng khối chức năng được thực hiện một cách đồng thời. Tính thứ tự thực hiện được kiểm soát chặt chẽ đảm bảo sự ổn định của tham số truyền tới tầng tiếp theo. Sơ đồ trên đảm bảo thực hiện chức năng tính quĩ đạo với một mục tiêu. Số lượng mục tiêu cần tạo sẽ phụ thuộc vào việc sử dụng song song các cấu trúc này. Hình 4. Sơ đồ qui trình tính toán quĩ đạo mục tiêu. Các dữ liệu đầu ra có thể được biến đổi ngược lại thành các dạng nguyên bản nhờ các bộ điều chế số, biến đổi số tương tự hoặc giữ dạng số khi chế tạo mới toàn bộ máy tạo giả trên công nghệ FPGA. 3.2. Đánh giá Trên cơ sở duy trì các tham số tín hiệu, các thực hiện cơ bản của mục tiêu vận động. Nhờ sử dụng xung nhịp đồng bộ tốc độ cao, cùng với độ phân giải của các tham số lớn, chỉ tiêu kỹ thuật của mục tiêu luôn đạt được độ ổn định và độ chính xác không thay đổi trong suốt quá trình vận động. Việc thực hiện hoàn toàn các Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 195 tính toán quĩ đạo trên công nghệ số hướng tới việc chế tạo hoàn thiện các thành phần khác của máy tạo giả trên công nghệ mới. Đặc biệt toàn bộ các thành phần chức năng khác của máy tạo giả đều có thể được viết theo các mô đun phần mềm. Chỉ các tín hiệu vào, và đầu ra cuối cùng cần đến các bộ chuyển đổi tương tự. Sơ đồ chức năng của máy tạo giả trên công nghệ FPGA được minh họa trên hình 5. Công nghệ chế tạo thiết bị đảm bảo tính gọn nhẹ, tiêu hao năng lượng ít và đảm bảo tính chủ động trong khai thác, sử dụng và duy trì vật tư. Với công nghệ số các tham số được tạo ra từ thiết bị hoàn toàn có thể được kiểm soát nhờ việc lắp thêm các chuẩn truyền dữ liệu vào máy tính. Hình 5. Sơ đồ chức năng máy tạo giả áp dụng công nghệ FPGA. 4. KẾT LUẬN Thiết bị tính toán quĩ đạo bay trong máy tạo giả ra đa MP-123 là thành phần quyết định đến độ chính xác tham số của tín hiệu mục tiêu giả. Ưu điểm nổi bật của thiết bị này khi thực hiện trên công nghệ FPGA đó là tạo ra sự mềm dẻo và chủ động điều chỉnh các khuôn dạng và độ chính xác của các tham số. Việc thực hiện thành công Máy tạo giả có ý nghĩa thực tiễn lớn không chỉ đối với một loại ra đa MP-123 mà còn có thể hiệu chỉnh bộ tham số để thực hiện với các đài ra đa điều khiển hỏa lực khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Skolnick, M.I., “Introduction to Radar Systems”, McGraw-Hill, 2001. [2]. “Thuyết minh kỹ thuật Ra đa MP-123”, Cục kỹ thuật Hải quân. [3]. “Hướng dẫn sử dụng Ra đa MP-123”, Cục kỹ thuật Hải quân. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa H.H. Dũng, C.V. Linh, , “Nghiên cứu giải pháp tính toán trên công nghệ FPGA.” 196 ABSTRACT A STUDY OF THE SOLUTION FOR CALCULATING THE MANEUVER OF AIR TARGETS FOR THE MP-123 RADAR USING FPGA TECHNOLOGY Radar target imitator is responsible for generating a simulated target signal with parameters similar to those of real targets detected by an actual radar. The main component is a device which calculates the maneuver of air targets. The major task of this device is the solving process for the target coordinates equations with their real time parameters. The parameters and solving multiple equations simultaneously in real time are the key issues to be addressed, which also is the focus of this paper. Keywords: Imitator, Trajectory, Realtime, FPGA Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ : 1Viện Ra đa, Viện KH-CN quân sự; 2Tiểu đoàn 151, Vùng 1, Quân chủng Hải quân. *Email: dungsystemdesigner@gmail.com