Tự động hóa quá trình thiết lập ổn định liên lạc thông tin viba của tổ hợp tên lửa bờ Bastion

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 303 TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP ỔN ĐỊNH LIÊN LẠC THÔNG TIN VIBA CỦA TỔ HỢP TÊN LỬA BỜ BASTION Cao Đức Sáng, Vũ Hải Hà*, Nguyễn Trọng Khuyên Tóm tắt: Cải tiến, hiện đại hóa, nâng cao chất lượng sử dụng, để phát huy sức mạnh của hệ thống phòng thủ tên lửa là một trong những nhiệm vụ quan trọng của Quân đội ta hiện nay. Một trong những nhiệm vụ này là nâng cao khả năng sẵn sàng chiến đấu cho tổ hợp tên lửa bờ Bastion, trong đó tự động hóa quá trình thiết lập ổn định liên lạc thông tin Viba có vai trò hết sức quan trọng đảm bảo rút ngắn thời gian chuẩn bị trong tập luyện cũng như chiến đấu. Để làm rõ vấn đề này bài báo sẽ trình bày về hoạt động của hệ thống điều khiển thủ công hiện tại, trên cơ sở đó đề xuất cấu hình hệ thống mới cho quá trình thiết lập ổn định liên lạc thông tin viba. Từ khóa: Thông tin Viba; Tích hợp hệ thống; TECTEP. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, quân đội ta đang đẩy mạnh hiện đại hóa, cải tiến Vũ khí trang bị kỹ thuật, việc hiện đại hóa được thực hiện trên nhiều góc độ, như tăng tính cơ động, nâng cao độ chính xác, rút ngắn thời gian chuẩn bị đưa vũ khí vào sẵn sàng chiến đấu, nâng cao hiệu quả chiến đấu. Với tầm nhìn chiến lược của Đảng, Nhà nước, Quân ủy trung ương và Bộ Quốc phòng, Quân chủng Hải quân được ưu tiên hiện đại hóa đã phát triển mạnh mẽ cả về tổ chức, lực lượng và vũ khí trang bị, trong đó có tổ hợp tên lửa bờ Bastion hiện đại, có uy lực tác chiến cao, là lực lượng nòng cốt trong bảo vệ chủ quyền biển, đảo, thềm lục địa của Tổ quốc. Trong tổ hợp tên lửa bờ Bastion có tổ hợp rada bờ Monolit-B gắn trên xe ra đa, việc trao đổi dữ liệu giữa các xe rada được thực hiện qua hệ thống thông tin Viba. Để hệ thống được nhanh chóng đưa vào trạng thái sẵn sàng chiến đấu thì việc cải tiến hệ thống thiết lập ổn định thông tin Viba là rất cần thiết. Trong thời gian qua lữ đoàn 681 Quân chủng Hải Quân đã có giải pháp cải tiến truyền động tầm hướng của anten Viba, việc này đã giải quyết phần nào bài toán rút ngắn thời gian chuẩn bị và sẵn sàng chiến đấu của hệ thống tuy nhiên vẫn chưa thể đáp ứng được hết trước những yêu cầu ngày càng cao của chiến tranh hiện đại. Để tiếp nối nghiên cứu nâng cấp cải tiến cho hệ thống thiết lập thông tin Viba, dưới đây nhóm nghiên cứu trình bày giải pháp tích hợp hệ thống xử lý số liệu và điều khiển anten dựa trên công nghệ điều khiển tự động tiên tiến đang được triển khai để áp dụng cho các đơn vị trong Quân chủng Hải quân. 2. GIỚI THIỆU HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH THÔNG TIN LIÊN LẠC VIBA HIỆN TẠI Trong hệ thống tổ hợp tên lửa bờ Bastion, để tổ hợp rađa Monolit-B làm việc trong chế độ thụ động tính toán ra được các thông số mục tiêu khi phát hiện thì cần thiết phải trao đổi dữ liệu lẫn nhau giữa các xe rađa. Việc trao đổi dữ liệu giữa hai xe được thực hiện qua hệ thống thông tin Viba ЦPPC MИK-PЛ11. Khi hệ thống thông tin Viba làm việc thì việc điều khiển 2 anten của hệ thống Viba hướng chính xác vào nhau được thực hiện. Để hiệu chỉnh anten Viba hiện tại bao gồm 2 quá trình là hiệu chỉnh thô và hiệu chỉnh tinh [1, 2, 6]: - Hiệu chỉnh thô: Chỉnh thô Anten được thực hiện bằng cách quay anten của hệ thống Viba đi các góc (± 1800) được lấy tham số từ HACY( trạm chỉ huy mặt đất) gồm: góc quay ngang, góc quay dọc. ( để chỉnh thô An ten cần phải tháo các đai ốc hãm, khi chỉnh Anten xong phải Điều khiển & Tự động hóa C. Đ. Sáng, V. H. Hà, N. T. Khuyên, “Tự động hóa quá trình thiết lập tên lửa bờ Bastion. ” 304 vặn xiết chặt các đai ốc hãm lại); Việc hiệu chỉnh thô này được thực hiện bởi trắc thủ trước khi nâng anten của hệ thống Viba. - Hiệu chỉnh tinh: Trắc thủ dùng cà lê vặn các đai ốc tinh chỉnh góc lệch ngang, góc lệch dọc của Anten (± 70), vừa chỉnh vừa xem mức tín hiệu trên bộ TECTEP (bộ kiểm tra tín hiệu cộng hưởng). Khi hiệu chỉnh được tín hiệu đầu vào đảm bảo thì tiến hành vặn chặt các đai ốc hãm, tháo bộ TECTEP, vặn chặt nắp bảo vệ. Quá trình điều khiển định hướng cánh sóng của thông tin Viba để thiết lập đường truyền tín hiệu và dữ liệu hiện nay đang thực hiện thủ công bằng tay do 1 trắc thủ thông tin trèo lên cột anten Viba để điều khiển, điều này xảy ra nhiều hạn chế: + Thời gian chuẩn bị hiệu chỉnh phục vụ cho thiết lập thông tin Viba thường lớn hơn 18 phút. Đôi khi mất rất nhiều thời gian (có thể đến hàng giờ) cho công tác định hướng cánh sóng thiết lập thông tin Vi ba để đưa tổ hợp ra đa vào làm việc, huấn luyện, chiến đấu. + Nguy cơ mất an toàn cao do trắc thủ phải trèo lên để thực hiện hiệu chỉnh thủ công định hướng cánh sóng thông tin Viba trên cột anten cao 12m so với mặt đất. Hình 1. Thông tin Viba trên xe Ra đa của tổ hợp tên lửa bờ Bastion. Trong đó các bộ phận trên anten được đánh số như sau: 1. Gương nhôm Parabôn; 2. Thép gá gương; 3. Thiết bị quay Anten; 4. Bộ chỉnh căng; 5. Êcu điều chỉnh; 6. Vòng kẹp giữa; 7. Thanh ép. Với cơ cấu như vậy nên việc điều chỉnh tín hiệu liên lạc thông tin Viba vẫn phải điều chỉnh bằng tay và cần phải cải tiến để quá trình này được tự động hóa [2, 6]. 3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THIẾT LẬP THÔNG TIN VIBA Qua phân tích hoạt động của thông tin Viba trong tổ hợp tên lửa bờ Bastion, chúng ta thấy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động thiết lập liên lạc thông tin Viba cho tổ hợp tên lửa bờ Bastion là rất cần thiết, nhằm đáp ứng được yêu cầu trong điều kiện chiến tranh hiện đại. Giải pháp được đưa ra là: Chế tạo hệ thống điều khiển tự động nhằm giảm các hạn chế đã nếu và tăng khả năng thiết lập ổn định liên lạc thông tin Viba, hệ thống được lắp đặt trên hai xe rađa của tổ hợp tên lửa bờ Bastion. Thiết bị đáp ứng kịp thời yêu cầu về rút ngắn thời gian tiến hành hiệu chỉnh liên lạc thông tin Viba, tăng độ chính xác trong quá trình hiệu chỉnh, tự động hóa quá trình thiết lập thông tin Viba, đảm bảo an toàn cho trắc thủ khi khi làm việc, đơn Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 305 giản trong quá trình thao tác sử dụng. (Anten viba tự động quay trong dải ±90 độ kênh hướng và ±10 độ kênh tầm). Chính vì vậy giải pháp mà bài viết đề cập đến có tính ứng dụng cao, đáp ứng được nhu cầu cấp thiết của đơn vị. Hình 2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động thiết lập thông tin viba. Nối ghép cơ khí Động cơ tầm Bộ công suất động cơ tầm Modul đo góc tầm Modul điều khiển đc tầm Hạn biên tầm Bộ công suất động cơ hướng Modul đo góc hướng Động cơ hướng Modul điều khiển đc hướng La bàn Khối định vị vệ tinh φ, λ, h Hạn biên hướng TECTEP Thu thập số liệu Khối giao diện điều khiển Anten Viba PV dB Tín hiệu từ xe 2 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc 1 kênh hệ thống tự động thiết lập thông tin viba. Hệ thống điều khiển hoạt động như sau: Điều khiển & Tự động hóa C. Đ. Sáng, V. H. Hà, N. T. Khuyên, “Tự động hóa quá trình thiết lập tên lửa bờ Bastion. ” 306 Hệ thống tự động thiết lập thông tin Viba bao gồm ăng ten Viba gắn với hệ thống điều khiển tự động tìm kiếm, bám mức tín hiệu đầu vào là lớn nhất (bao gồm cả thiết bị kiểm tra tín hiệu cộng hưởng TECTEP). Trước hết, hệ thống bao gồm hệ cơ khí (hình 4) đảm bảo cơ cấu truyền động theo góc phương vị và góc tầm hoạt động với độ mịn cao, quay đều, không bị giật cục. Hình 4. Kết cấu cơ khí cải tiến của hệ thống điều khiển anten viba. Các bộ phận trên hệ thống điều khiển anten được đánh số như sau: 1. Gương nhôm Parabôn; 2. Tấm gá gương; 3. Trục Anten; 4. Trục đỡ bảo vệ; 5. Hộp số bánh răng – trục vít; 6. Động cơ phương vị; 7. Động cơ tầm. Khối xác định thông tin về vị trí và định hướng thực của ăng ten theo cả hai góc phương vị, góc tầm. Trong đó, Tọa độ vị trí của mỗi an ten Viba chủ yếu được cung cấp bởi khối định vị vệ tinh GPS (Xác định kinh độ λ; vĩ độ φ và độ cao h) và cảm biến từ trường (la bàn số để xác định hướng anten) để điều khiển định vị thô ban đầu, và bộ kiểm tra tín hiệu cộng hưởng TECTEP (đối với tinh chỉnh và đồng bộ hướng anten) [3]. Khối động truyền động bao gồm động cơ servo với độ chính xác cao cho điều khiển góc phương vị và động cơ dây căng hành trình dùng cho điều khiển góc tầm của anten Viba. Dựa trên tính toán về góc phương vị Bắc thật và vị trí thực tế, bộ điều khiển sẽ ra lệnh chuyển dịch anten theo cả hai hướng phương vị và tầm đến vị trí yêu cầu (chỉnh thô). Sử dụng các thuật toán phân tích, điều khiển để mức tín hiệu đầu vào là lớn nhất (kết hợp bộ kiểm tra tín hiệu cộng hưởng) đảm bảo cho hệ thống hai anten hướng chính xác vào nhau, định hướng cánh sóng và thiết lập thông tin Viba. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 307 Trong quá trình hiệu chỉnh, trắc thủ chỉ cần thao tác bật nguồn hệ thống, nạp thông tin tọa độ trạm viba thứ hai (nhận thông tin qua bộ đàm) , và ấn nút hiệu chỉnh; hệ thống sẽ tự động điều khiển , dò tìm, bám theo hướng cực đại của tín hiệu thu được và thiết lập thông tin Viba. 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN Thuật toán điều khiển của hệ thống tự động điều khiển thiết lập thông tin Viba được trình bày trong lưu đồ ở hình 5. Bắt đầu Khởi tạo các giá trị về vị trí, tọa độ của 2 xe Rađa Tính toán góc phương vị Bắc thực Tính toán lượng điều khiển chỉnh thô cho anten trên 2 xe Tinh chỉnh và đồng bộ hướng anten Mức tín hiệu đầu vào lớn nhất? Kết thúc No Yes Dừng điều chỉnh anten khi đến vị trí sơ bộ So sánh tín hiệu đầu vào anten qua thiết bị TECTEP Hình 5. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống tự động thiết lập thông tin viba. Để giải bài toán xác định khoảng cách giữa hai xe và góc giữa đường thẳng nối hai xe với phương Bắc thực của trái đất có rất nhiều phương pháp như sử dụng công thức Haversine, sử dụng định lý Cosin trong lượng giác cầu, phương pháp xấp xỉ hình chữ nhật hay phương pháp điểm giữa. Các phương pháp này chỉ là gần đúng khi coi trái đất là hình cầu, bởi thực tế trái đất là một hình ellipsoid nhẹ (hình cầu dẹt). Như ta đã biết khoảng cách ngắn nhất giữa 2 điểm trên hình cầu là cung trong của vòng tròn lớn đi qua 2 điểm này và có tâm là tâm hình cầu [4]. Điều khiển & Tự động hóa C. Đ. Sáng, V. H. Hà, N. T. Khuyên, “Tự động hóa quá trình thiết lập tên lửa bờ Bastion. ” 308 Khoảng cách giữa A và B lúc này được xác định theo công thức tính độ dài của cung tròn (hình 6):  Rd (1) Trong đó, R là bán kính của hình cầu (với trái đất R ≈ 6371km), Ѳ – góc trung tâm (góc giữa tâm hình cầu và cung tròn AB) tính theo radian. Hình 6. Định luật cosin cho tam giác trên mặt cầu. Giả sử, xe 1 ở vị trí điểm A có kinh độ là λ1, vĩ độ ϕ1. Xe 2 ở vị trí điểm B có kinh độ là λ2, vĩ độ ϕ2. Xét tam giác hình cầu ABN, trong đó N là điểm cực Bắc ta sẽ có độ lớn góc của các cạnh tam giác ABN là: ; 2 ˆ 1  NOA ; 2 ˆ 2  NOB .ˆ 12  BNA (2) Lưu ý, độ lớn kinh độ vĩ độ các điểm A,B phải được chuyển sang radian. Theo định luật cosin cho tam giác trên mặt cầu [5] ta được: )ˆcos()ˆsin()ˆsin()ˆcos()ˆcos(cos)ˆcos( BNANOBNOANOBNOABOA   (3) )cos() 2 sin() 2 sin() 2 cos() 2 cos(cos 122121           (4) )cos(coscossinsincos 122121   (5) Khi đó góc trung tâm Ѳ sẽ được xác định theo công thức cosin cho hình cầu [4]: ))cos(coscossinarccos(sin 122121   (6) C là điểm tính toán có tọa độ với vĩ độ ϕ1 trùng với vĩ độ của xe 1và kinh độ λ2 trùng với kinh độ của xe 2. Áp dụng công thức (1) và (2) ta tính được độ dài các đoạn thẳng AC và BC. Do khoảng cách truyền dẫn tối đa của liên lạc Viba chỉ trong khoảng 50km trong trường hợp ít vật cản nên khi đó khoảng cách AB giữa 2 xe Rađa là đủ nhỏ so với đường cong hay bán kính của trái đất. Từ đó ta có thể áp dụng lý thuyết lượng giác phẳng vào bài toán xác định góc như hình 5. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 309 Hình 7. Minh họa vị trí theo kinh độ vĩ độ của 2 xe Ra đa. Góc β của tam giác vuông ACB được xác định theo công thức: arctan(a/b)  1 1 1 1 2 1 1 2 1 2 arccos(sin sin cos cos cos( ) arctan arccos(sin sin cos cos cos(0)                          (7) Góc β là góc vô hướng được tính trong tam giác vuông ABC ttheo công thức (7) có đơn vị là radian. Quy đổi về độ khi đó góc βAB là góc phương vị thật của đường thẳng AB nối 2 xe với hướng Bắc thật qua điểm A được tính theo quy ước về dấu như sau: ∆λ=λ1- λ2; <0, ∆φ=φ1-φ2 Nếu ∆λ<0, ∆φ<0 (góc phần từ thứ I hình 6) khi đó βAB= β Nếu ∆λ>0, ∆φ<0 (góc phần từ thứ II hình 6) khi đó βAB= -β Nếu ∆λ>0, ∆φ>0 (góc phần từ thứ III hình 6) khi đó βAB= -(180-β) Nếu ∆λ0 (góc phần từ thứ IV hình 6) khi đó βAB= 180-β Ứng dụng GPS xác định tọa độ từ đó tính toán ra góc phương vị Bắc thật kết hợp với la bàn sẽ đưa ra được lượng hiệu chỉnh cần thiết cho anten trên 2 xe để chúng sơ bộ hướng vào nhau hoàn thành bước chỉnh thô. Để thực hiện tinh chỉnh đồng bộ hướng anten ta thực hiện theo các bước sau [6, 7]: Bước thứ nhất, xe thứ nhất tiến hành hiệu chỉnh, ghi nhận hướng thay đổi của tín hiệu sau đó đưa anten về hướng lớn nhất. Bước thứ hai, dừng hiệu chỉnh xe thứ nhất, sang hiệu chỉnh xe thứ 2 để xác định điểm gặp của 2 búp sóng là phía trên hay phía dưới. Bước thứ ba, đưa hai búp sóng của hai xe về trùng với đường cân bằng. Khi hiệu chỉnh búp sóng hai xe về đường cần bằng thu được tín hiệu đầu vào đảm bảo mức cường độ tín hiệu đầu vào là lớn nhất tại vị trí của hai xe và đảm bảo nằm trong khoảng - 90dBm đến -40dBm (đây là khoảng cường độ tín hiệu cho thấy sóng liên lạc là khỏe) thì dừng hiệu chỉnh anten, kết thúc quá trình thiết lập ổn định liên lạc thông tin Viba [7]. Điều khiển & Tự động hóa C. Đ. Sáng, V. H. Hà, N. T. Khuyên, “Tự động hóa quá trình thiết lập tên lửa bờ Bastion. ” 310 5. KẾT LUẬN Như vậy, hệ thống sau khi tích hợp có khả năng điều khiển theo hai chế độ, bằng tay và tự động. Ở chế độ bằng tay, các trắc thủ điều chỉnh anten và xác định góc dựa theo kinh nghiệm quan sát từ thiết bị đo tín hiệu cộng hưởng. Trong chế độ tự động, hệ thống có khả năng tự động điều khiển, dò tìm, bám theo hướng cực đại của tín hiệu thu được và thiết lập thông tin Viba giúp đơn giản hóa thao tác của trắc thủ trong quá trình vận hành, rút ngắn thời gian chuẩn bị, nâng cao khả năng sẵn sàng chiến đấu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Thiết bị РРС МИК-РЛ11,Р1-В2-М26-К11-А10, Hướng dẫn sử dụng 464655.404 РЭ - Quân chủng Hải Quân. [2]. Quy trình thiết lập kết nối thông tin Viba - Quân chủng Hải Quân 2012. [3]. Đỗ Hương Giang, Bùi Đình Tú, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức, La bàn 2D ứng dụng trong các trạm thu vệ tinh di động, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 31, Số 4 (2015), pp. 9-14. [4]. Евтихов Владимир, МПУ, Москва, Россия; Евтихов Макар, ГБОУ, Москва, Россия, Использование функции гаверсинусов в расчетах ориентации географических объектов. [5]. W. Gellert, S. Gottwald, M. Hellwich, H. Kästner, and H. Küstner, The VNR Concise Encyclopedia of Mathematics, 2nd ed., ch. 12 (Van Nostrand Reinhold: New York, 1989). [6]. Nguyễn Hữu Xuân, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển định hướng cánh sóng dò tìm và thiết lập liên lạc của thông tin vi-ba tổ hợp ra đa Monolit, Thuyết minh đề tài NCKH - Đoàn 681 Quân chủng Hải Quân. [7]. Thiết bị điều khiển đồng bộ hướng an ten Viba trong tổ hợp MONOLIT-B, Thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng 464655.404 РЭ – Lữ đoàn 681 - Quân chủng Hải Quân 2014. ABSTRACT AUTOMATIC SETUP PROCESS FOR THE VIBA CONTACT INFORMATION OF THE “BASTION” COASTAL DEFENCE MISSILE SYSTEM To promote the strength of the missile defense system, improving, modernizing and enhancing the quality of use is one of the most important tasks of our army today. One of these tasks is to improve the combat readiness for the Bastion missile system, in which automatic setup process for the Viba contact information plays an important role in shortening preparation time for training as well as fighting. In order to clarify this issue, the article will present the operation of the current manual control system. On that basis, a new system configuration for the Viba automatic setup process will be proposed. Keywords: The viba contact information; System integration; TECTEP. Nhận bài ngày 20 tháng 12 năm 2018 Hoàn thiện ngày 07 tháng 3 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019 Địa chỉ: Viện Tự động hóa KTQS; * Email: vuhatdh@gmail.com.