Thiết kế bộ xử lý số mô phỏng chức năng xác định góc lệch bám sát mục tiêu

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. Đ. Thỏa, N.V. Sơn, P.C. Tư, “Thiết kế bộ xử lý số góc lệch bám sát mục tiêu.” 118 THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ SỐ MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG XÁC ĐỊNH GÓC LỆCH BÁM SÁT MỤC TIÊU Phạm Đức Thỏa*, Nguyễn Văn Sơn, Phạm Công Tư Tóm tắt: Đầu tự dẫn vô tuyến chủ động У502Э trên tên lửa đối hải Kh-35E được dùng để sục sạo, bắt, bám sát mục tiêu trong giai đoạn cuối hành trình bay. Đầu tự dẫn sử dụng bộ tọa độ mục tiêu vô tuyến để xác định sai lệch giữa mục tiêu và tên lửa. Từ các vấn đề nghiên cứu thực tế về bộ tọa độ mục tiêu và đầu tự dẫn У502Э, phân tích cơ sở lý thuyết xây dựng bộ tọa độ mục tiêu của đầu tự dẫn. Nhóm tác giả tiến hành thiết kế bộ xử lý số để mô phỏng chức năng xác định góc sai lệch giữa mục tiêu và tên lửa trong quá trình bám sát mục tiêu của khối xử lý thông tin và tính toán (БОИ- ЦВУ) trên đầu tự dẫn vô tuyến У502Э. Từ khóa: Bộ xử lý số; Tọa độ mục tiêu; Đầu tự dẫn vô tuyến. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tên lửa đối hải Kh-35E được trang bị để tiêu diệt các mục tiêu nổi trên mặt biển, nó sử dụng phương pháp dẫn đường quán tính kết hợp với tự dẫn. Đầu tự dẫn vô tuyến chủ động У502Э trên tên lửa Kh-35E sẽ sục sạo, bắt, bám sát mục tiêu ở giai đoạn cuối hành trình bay. Việc xác định vị trí mục tiêu so với tên lửa được thực hiện bởi bộ tọa độ mục tiêu. Nghiên cứu, khảo sát thực tế về bộ tọa độ mục tiêu và đầu tự dẫn У502Э, phân tích cơ sở lý thuyết ứng dụng để xây dựng bộ tọa độ mục tiêu cũng như chức năng của БОИ (khối xử lý thông tin mục tiêu). Thiết kế bộ xử lý số để mô phỏng chức năng xác định góc lệch mục tiêu bám sát là rất cần thiết. 2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO, NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ SƠ SỞ XÂY DỰNG BỘ TỌA ĐỘ MỤC TIÊU CỦA ĐẦU TỰ DẪN У502Э 2.1. Đặc điểm cấu tạo Đầu tự dẫn У502Э có các thành phần chính sau [4, 6]: - Thiết bị thu – phát bao gồm: An ten dùng để hình thành cánh sóng hẹp thay đổi hướng trong không gian nhờ thiết bị dẫn động điện cơ quay an ten; Bộ tạo tín hiệu phát siêu ngoại sai; Máy thu siêu ngoại sai; Thiết bị thu phát đóng vai trò như bộ tọa độ mục tiêu, thiết bị này phát đi tín hiệu siêu cao tần và thu về tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, trên cơ sở đó xử lý, biến đổi để phát hiện, xác định tọa độ mục tiêu. - Tổ hợp tính: Hoạt động như một máy tính số, nó điều khiển toàn bộ hoạt động các cụm khối trên đầu tự dẫn theo chương trình. Tín hiệu thông tin ra đa thu được sau khi giải điều chế thành thị tần cũng được đưa vào tổ hợp xử lý thông tin và tính toán số để số hóa, xử lý số, xác định mục tiêu và tọa độ mục tiêu. Hình 1. Sơ đồ khối chức năng đầu tự dẫn У502Э. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 119 2.2. Cơ sở lý thuyết xây dựng bộ tọa độ mục tiêu của đầu tự dẫn У502Э Trong sơ đồ hình 2 thể hiện bộ tọa độ mục tiêu vô tuyến một kênh thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Khi an ten quay xung quanh trục dọc của bộ tọa độ với tốc độ góc không đổi 0 và góc mở a0 hình thành tín hiệu điện áp tia, biên độ của nó không đổi khi trục quay của tia quét trùng với trục dọc bộ tọa độ. Gọi F(a) là hàm xác định phụ thuộc của giản đồ hướng vào góc mở a. Khi sục sạo thì góc amt sẽ thay đổi. Gọi biên độ tín hiệu đầu vào của bộ tọa độ vô tuyến khi mục tiêu nằm trùng với trục của búp sóng là Um, khi mục tiêu không nằm trùng với trục của búp sóng giản đồ hướng có sự phụ thuộc của tín hiệu thu được ở đầu vào bộ tọa độ góc sai lệch mục tiêu [2]: )( amtm FUU  (1) Do a0, amt thường nhỏ nên O1M  OO1mt; O1A  OO1a0 và AM  OO1mt. Giả thiết OO1=1, ta có: )cos(2 00 2 0 22 kamtamtamt t   (2) Vì mt<< a0 nên )cos( 2 1 0 0 0 k a mt aamt t     (3) Khai triển nhị thức đối với biểu thức (3) lấy hai số hạng đầu ta có: )cos( 00 kmtaamt t   (4) Khi này:  )cos()( 00 kmtaamt tFF   (5) Khai triển hàm )( amtF  theo chuỗi Taylo, lấy hai số hạng đầu, ta nhận được:  )cos(1)()( 00 kmtkaamt tFF   (6) Ở đây: )()( 00 , aak FF   - hệ số đặc tính đường cong giản đồ hướng tại điểm cắt của nó với đường cân bằng tín hiệu (trục bộ tọa độ). Thay biểu thức (6) vào (1) và đặt )( 00 am FUU  , ta nhận được biểu thức xác định tín hiệu điện áp đầu ra bộ tọa độ mục tiêu vô tuyến:  )cos(1 00 kmtk tUU   (7) Nếu mục tiêu nằm trên đường cân bằng tín hiệu (trục bộ tọa độ) thì tín hiệu phản xạ từ mục tiêu thu được ở từng kênh là như nhau: )()( 0 tEFUU ami  (8) Ở đây: )(tE - tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (tín hiệu siêu cao tần), ttE cos)(  . Khi mục tiêu không nằm trên đường cân bằng tín hiệu (có sự sai lệch mục tiêu), giả sử góc sai lệch theo kênh đứng là mt1; theo kênh ngang là mt2. Thiết lập tín hiệu sai lệch về mục tiêu tương tự như trên, ta có [3]: Kênh ngang:   tUU mtk  cos1 201  ;   tUU mtk  cos1 202  Kênh đứng:   tUU mtk  cos1 103  ;   tUU mtk  cos1 204  (9) )( 00 am FUU  ; k - hệ số đường cong giản đồ hướng tại điểm cắt trục bộ tọa độ. Hình 2. Sơ đồ bộ toa độ mục tiêu trên đầu tự dẫn У502Э. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. Đ. Thỏa, N.V. Sơn, P.C. Tư, “Thiết kế bộ xử lý số góc lệch bám sát mục tiêu.” 120 Khảo sát, phân tích đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc của bộ tọa độ mục tiêu đầu tự dẫn У502Э, chúng ta thấy: Để lấy được thông tin về sai lệch góc bộ tọa độ, cần phải xác định hiệu của các tín hiệu thu được theo kênh ngang và đứng: Kênh ngang: tUUU mtk  cos2 2021  Kênh đứng: tUUU mtk  cos2 1043  (10) Theo (9), xác định tổng của các tín hiệu thu được theo kênh ngang và đứng: tUUUUU cos2 04321  (11) Tổng các tín hiệu theo hai kênh là như nhau và không mang thông tin về sai lệch mục tiêu, chỉ có hiệu của chúng là mang thông tin về sại lệch mục tiêu. Để tách được tín hiệu tỷ lệ với góc sai lệch về mục tiêu 1mt , 2mt theo phương pháp điều chế biên độ, cần phải lấy hiệu các tín hiệu (10) trên mỗi kênh nhân với tổng của nó. Từ các biểu thức (10), (11), ta có biểu thức mô tả các tín hiệu ở đầu ra bộ nhân tần: Kênh ngang: tkkkUUUUUkkU mtNkN  2 2221 2 02121212 cos4))((  (12) Kênh đứng: tkkkUUUUUkkU mtNkN  2 1143 2 04343431 cos4))((  (13) Trong đó: 4321 ,,, kkkk - các hệ số khuếch đại tín hiệu đầu ra thu được trên các an ten; 12 , NN kk - hệ số khuếch đại của bộ nhân tần kênh ngang và bộ nhân tần kênh đứng; 12 , NN UU - tín hiệu đầu ra của bộ nhân tần kênh ngang và kênh đứng. Biến đổi (12), (13) ta nhận được: )2cos1(2cos4 2 2 0221 2 2121 2 02 tUkkktkkkUU mtkNmtNkN   (14) )2cos1(2cos4 1 2 0143 2 1243 2 01 tUkkktkkkUU mtkNmtNkN   (15) Các tín hiệu (14), (15) sau khi qua bộ lọc thấp tần loại bỏ thành phần dao động tần số cao ( 2 ). Do được tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại, nên đầu ra bộ tọa độ là tín hiệu điện áp một chiều có biên độ tỷ lệ với góc sai lệch về mục tiêu [1]: 22 2 02212 mtNmtkNKN KUkkkU   (16) 11 2 01432 mtĐmtkNKĐ KUkkkU   (17) Hình 3. Sơ đồ máy thu nhiều kênh trên đầu tự dẫn У502Э. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 121 Ở đây: kNN UkkkK 202212 , kNĐ UkkkK  2 01432 - các hệ số tỷ lệ được ổn định. Biểu thức (16), (17) xác định góc sai lệch giữa tên lửa và mục tiêu được ứng dụng đối với bộ tọa độ mục tiêu vô tuyến trên đầu tự dẫn У502Э, tên lửa Kh-35E. 3. XÂY DỰNG BỘ XỬ LÝ SỐ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH GÓC BÁM SÁT KHỐI XỬ LÝ THÔNG TIN MỤC TIÊU 3.1. Thiết kế phần cứng bộ xử lý số mô phỏng xác định góc bám sát khối xử lý thông tin mục tiêu Trên cơ sở nghiên cứu phần cứng và chức năng khối xử lý thông tin mục tiêu với những tính năng phát hiện mục tiêu, xác định sự xuất hiện của bờ, phát hiện tín hiệu nhiễu (trong chế độ sục sạo), tính toán cự ly và góc bám sát (trong chế độ bắt và tự động bám sát) [4, 5]. Nhóm tác giả xây dựng sơ đồ chức năng tổng thể thiết bị như hình 4. Hình 4. Sơ đồ chức năng bộ xử lý số thông tin mục tiêu. Đáp ứng sơ đồ chức năng trên, nhóm tác giả xây dựng sơ đồ thiết kế bộ xử lý thông tin mục tiêu như hình 5. Hình 5. Sơ đồ thiết kế bộ xử lý thông tin mục tiêu. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. Đ. Thỏa, N.V. Sơn, P.C. Tư, “Thiết kế bộ xử lý số góc lệch bám sát mục tiêu.” 122 Trên cơ sở nghiên cứu chức năng xử lý thông tin cơ bản được phân bổ giữa khối xử lí thông tin và thiết bị tính số trên đầu tự dẫn vô tuyến У502Э trang bị trên tên lửa Kh-35E, các đặc tính kỹ thuật của thiết bị tính toán số, nhóm tác giả lựa chọn bộ xử lý tín hiệu số là chip FPGA dòng Spartan 6 để thực hiện các thuật toán xử lý số theo chức năng của thiết bị. Các bộ biến đổi tương tự số có độ phân giải 8 bit, tốc độ lấy mẫu đến 40Ms/s.Các bộ nhớ ROM và RAM bổ trợ thêm cho chip FPGA nhằm nhớ chương trình của chip, lưu trữ tạm thời dữ liệu trong các bài toán nhớ mục tiêu, xử lý thông tin mục tiêu. Thiết bị có 12 bit số mở rộng đầu vào để phối hợp nhận dữ liệu, lệnh điều khiển từ khối tính toán số hoặc thiết bị mô phỏng chức năng khối tính toán số cho các điều kiện, trạng thái hoạt động. Màn hình hiển thị LCD giúp cho thiết bị hiển thị được các thông báo trạng thái đang hoạt động cũng như một số thông số, tham số về mục tiêu hiện thời. 3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán tạo giả tín hiệu mục tiêu và xác định góc lệch mục tiêu bám sát khối xử lý thông tin mục tiêu Hình 6. Lưu đồ thuật toán xác định Hình 7. Lưu đồ thuật toán tạo giả góc lệch tiêu bám sát. tín hiệu mục tiêu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 123 3.3. Kết quả mô phỏng nhận được Tín hiệu tạo giả bao gồm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, tín hiệu nhiễu tạp, sóng biển (cường độ khác nhau), xử lý số mô phỏng toàn bộ chức năng xác định góc lệch mục tiêu bám sát của khối xử lý thông tin mục tiêu thu được kết quả như sau: * Tín hiệu tạo giả: - Độ rộng xung đơn thị tần (1±0.05)μs; Biên độ xung đơn thị tần (0.1÷12 )V; Chu kỳ các xung đơn thị tần (25÷100)μs {Kiểm tra với cự ly gần}, (25÷300)μs {Kiểm tra với cự ly xa}; Số lượng xung đơn trong chùm (1÷20)xung; Biên độ mức logic điều khiển (5±1)V. * Các lệnh chức năng: - Xung đồng bộ hệ thống trong chế độ bám sát có chu kỳ lặp lại (100±0.5)μs, độ rộng xung đồng bộ (28±0.1)μs; - Lệnh bật nguồn (là lệnh gốc hệ thống) (27±2)V; - Lệnh “K45”: Thời điểm xuất hiện sau lệnh bật nguồn (45±1)s; Mức điện áp (27±2)V. - Lệnh "Mở" (là lệnh tạo mốc thời gian bắt đầu kiểm tra các khối đầu tự dẫn): ≥1s; Mức điện áp (27±2)V STT Tham số mô phỏng Giải giá trị Bước mô phỏng Kết quả 1 Phát hiện mục tiêu đơn 0; 1 1 Đúng theo phân tích lý thuyết và chỉ tiêu kỹ thuật trong tài liệu của đầu tự dẫn vô tuyến У502Э 2 Xác định sự có mặt của bờ 0; 1 1 3 Phát hiện nhiễu 0;1 1 4 Cự ly mục tiêu, m 150÷15.000 150 5 Góc lệch mục tiêu so với đường ngắm anten, độ -45÷+45 3 Kết quả mô phỏng chức năng khối xử lý thông tin mục tiêu trên đầu tự dẫn vô tuyến У502Э (Đã được hội đồng khoa học đánh giá và nghiệm thu) * Một số kết quả mô phỏng nhận được qua ghi lại từ USB và hiển thị LCD. Hình 8. Tín hiệu phản xạ mục tiêu trong chế độ bám sát ứng với cự ly mục tiêu 4,2km và 1,8km. Kết quả mô phỏng chức năng xác định cự ly mục tiêu: Trên hình 8 tín hiệu ở kênh 1 là tín hiệu kích phát, tín hiệu ở kênh 2 là tín hiệu phản xạ mục tiêu. Tín hiệu phản xạ mục Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P. Đ. Thỏa, N.V. Sơn, P.C. Tư, “Thiết kế bộ xử lý số góc lệch bám sát mục tiêu.” 124 tiêu được giữ chậm so với xung kích phát là 28μs và 12μs tương ứng với cự ly mục tiêu được bám sát là 4,2km và 1,8km. Hình 9. Tín hiệu mục tiêu và xung kích phát (a), tín hiệu kênh tổng và kênh hiệu(b). Hình 10. Kết quả đo tọa độ mục tiêu. Kết quả mô phỏng chức năng xác định góc lệch mục tiêu: Tín hiệu tạo giả mục tiêu phản xạ (kênh 1) và xung kích phát (kênh 2) thể hiện trên hình 9a. Độ rộng tín hiệu mục tiêu phản xạ bằng 1μs. Tín hiệu mục tiêu chậm hơn xung kích phát 21μs. Tín hiệu mục tiêu kênh tổng (kênh 1) và kênh hiệu (kênh 2) hình 9b. Từ tỉ số tín hiệu kênh hiệu và kênh tổng sẽ tính ra góc lệch mục tiêu bám sát. Tọa độ mục tiêu bám sát tính được hiện trên LCD (hình 10). 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, khảo sát thực tế đầu tự dẫn У502Э, phân tích đặc điểm cấu tạo, nguyên tắc làm việc của đầu tự dẫn, tiến hành phân tích, luận dẫn cơ sở lý thuyết xây dựng bộ tọa độ mục tiêu vô tuyến được ứng dụng đối với đầu tự dẫn У502Э của tên lửa Kh-35E [4]. Bài báo đã xây dựng bộ xử lý số mô phỏng chức năng xác định cự ly và góc lệch mục tiêu bám sát khối xử lý thông tin mục tiêu БОИ trên đầu tự dẫn vô tuyến У502Э trên nền công nghệ xử lý số sẵn có trong nước. Kết quả đạt được cho thấy những phân tích lý thuyết và thực tế là phù hợp với các tài liệu của đầu tự dẫn vô tuyến У502Э. Kết quả bài báo cũng là công cụ hỗ trợ đắc lực tiến hành nghiên cứu, khai thác, cũng như kiểm tra các khâu thành phần khối xử lý thông tin mục tiêu БОИ trên đầu tự dẫn vô tuyến У502Э, tên lửa Kh-35E. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Казаков И .Е, Мишаков А Φ. “Авиационые управляемые ракеты В В И А им проф”. Н.Е. Жуковского 1988. [2] МаксимовМ.В, Горгонов Г.И. “Радиоэлектронные системы самонаведения” - М.: Радио и связь, 1983. [3]. Пугачёв В. С, “Системы управления и динамика полета ракеты, В В И А и м. Проф”. Н Е Жуковского 1965. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 125 [4]. Ракета 3М-2Э, Техническое описание часть 3. [5]. GS TSKH Phạm Thế Long, “Báo cáo khoa học về khả năng cải tiến thiết bị tự động kiểm tra chẩn đoán tham số AKPA”, Học viện KTQS, 2003 [6]. Thuyết minh kỹ thuật tổ hợp tên lửa "URAN-E" 3M-24.0000.0000 TO. Viện KT QC PK-KQ, 2001 ABSTRACT DESIGN A DIGITAL PROCESSOR SIMULATING THE FUNCTION OF THE ANGLE-FOLLOWING TARGET DETERMINATION Active radio homing self-seeker У502Э on the Kh-35E antiship missile is used to capture, track and precision-guide the missile toward the target and destroy it during the final approach. The self-seeker uses the target radio coordinates to determine the deviation between the target and the missile. Based on the practical research problem on the target coordinates and the self-seeker У502Э, analyzes the theoretical basis of the target coordinate construction of the self-seeker. The paper conducted processor designed to simulate the function of determining the angle difference between the target and the missile in the process of following the targets of block information processing and computation БОИ- ЦВУ on active radio homing self-seeker У502Э. Keywords: Digital processor, Target coordinates, Radio self-guide head. Nhận bài ngày 19 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 09 tháng 3 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 4 năm 2016 Địa chỉ: Viện Tên lửa, Viện Khoa học – Công nghệ quân sự. *Email: [email protected]