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