CC BY
236
Боков А. С. , Важенин В. Г. , Дядьков Н.А., Иофин А.А., Мухин В.В., Щербаков Д.Е. ОЦЕНКА КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БОРТОВЫХ РАДИОВЫСОТОМЕРОВ
Для проверки работоспособности бортового радиовысотомера (РВ) и проведения испытаний в реальных условиях его необходимо установить непосредственно на летательном аппарате (ЛА), для которого РВ предназначен, и провести летные испытания. Это позволяет получить реальный отраженный сигнал от земной поверхности в зависимости от параметров полета ЛА. Однако такие испытания требуют больших финансовых и временных затрат, а зачастую, вообще не реализуемы. В связи с этим разработан имитатор отраженных сигналов ИОС-РВ, предназначенный для имитации временной задержки и ослабления излученного СВЧ сигнала РВ в соответствии с заданными параметрами антенной системы, высотой полета, типом подстилающей поверхности, углами крена и тангажа, скоростью ЛА.
ИОС-РВ может применяться в составе комплексов полунатурного моделирования систем бортового радиоэлектронного оборудования ЛА.
ИОС-РВ предназначен для экспериментальной отработки и полунатурного моделирования РВ, способного в диапазоне измеряемых высот сымитировать отраженный сигнал в условиях, приближенных к реальным, при заданных параметрах полета ЛА над заданным типом подстилающей поверхности.
Методы имитации, позволяющие выполнять сквозную функциональную проверку не только в статическом, но и в динамическом режиме, с учётом влияния доплеровских сдвигов, эволюций ЛА, наличия переотражений излучаемого и флуктуаций отраженного сигнала, могут быть использованы как на этапах разработки и отладки, так и для проверки изготавливаемых и принятых в эксплуатацию РВ.
Имитатор дает возможность разработчикам изучить более детально поведение РВ в условиях приближенных к реальным, сократить время отработки новых перспективных РВ, что в свою очередь влияет на их конечную стоимость.
Разработка систем электронной имитации на базе современных методов цифрового преобразования сигналов позволяет имитировать в реальном времени отраженный сигнал, соответствующий движению ЛА по различным траекториям над подстилающими поверхностями различных типов с одновременной оценкой соответствия характеристик РВ требованиям технических условий.
Для оценки характеристик РВ аппаратура имитации должна обеспечивать фиксацию показаний измерителя для проверки следующих основных параметров:
Оценка потенциала (отношения мощности передатчика к чувствительности приемника) РВ; оценка максимальной Яшах и минимальной измеряемой высоты Яш1п ; измерение погрешности измерения высоты в диапазоне от Ятп до Яшах;
измерение погрешности измерения высоты при имитации движения по заданной траектории, в том числе при наличия крена и тангажа;
выдачу сигналов предупреждения опасных высот
оценка качественного влияния мешающих переотражений на малых высотах;
оценка времени выхода РВ из режима поиска при временном отключении сигнала или питания. Приведём основные требования к аппаратуре имитации для функциональной проверки бортового РВ малых высот с ЛЧМ:
имитация отраженного сигнала с детерминированным спектром, соответствующим случайному и/или среднему спектру сигнала, отраженного от заданного типа подстилающей поверхности при заданных параметрах движения и антенной системы;
ослабление сигнала в диапазоне от минус 34 до минус 145 дБ (при непосредственном подключении кабелем без использования радиоканала) для соответствующих высот 3...3000 м. Шаг установки ослабления не более 1,5 дБ;
шаг изменения высоты при имитации полета не более 2 м;
диапазон вертикальных скоростей ±900 м/с, шаг установки скорости не более 1 м/с; диапазон углов эволюций ±45 град, шаг установки - не более 5 град;
имитация межантенной связи с дискретной регулировкой в диапазоне от минус 60 до минус 90 дБ ступенями не более 1,5 дБ. Задержка сигнала в тракте межантенной связи должна соответствовать расстоянию Ь = 1 м между передающей и приемной антеннами ЧМРВ.
Дополнительной особенностью оценки характеристик бортовых РВ является проверка формирования сигналов предупреждения. На рис.1 изображен пример сигнала ^предупреждения «активного» при снижении ниже заданной высоты Ядредудрежцения . При имитации таких траекторий сложно одновременно обеспечить плавное изменение высоты с заданной скоростью и одновременный соответствующий доплеровский сдвиг при формировании сигнала имитирующего отражение от протяженной поверхности в реальном масштабе времени.
предупреждения
Рис. 1. Пример траектории ЛА и формирования сигнала предупреждения
Примерная информационно-логическая структура имитационного комплекса для функциональной проверки и оценки характеристик РВ, отвечающая перечисленным требованиям, приведена на рис. 2. Для повышения точности результатов подключение измерителя возможно без использования антенн, т.е. с непосредственным подключением передатчика и приёмника к СВЧ-преобразователю имитационного комплекса СВЧ-кабелями.
Рис. 2. Информационно-логическая структура при оценке характеристик РВ
Возможность технической реализации полученного алгоритма осуществима благодаря появлению цифровых процессоров обработки сигналов c производительностью, обеспечивающей преобразование зондирующего сигнала (задержку и доплеровское смещение частоты) в реальном масштабе времени при ширине спектра зондирующего сигнала в десятки мегагерц.
Одним из таких специализированных процессоров является СБИС 187 9ВМ3 разработки НТЦ «Модуль» (г. Москва) Микросхема предназначена для приема, предварительной обработки и синтеза широкополосных аналоговых сигналов, формирования потока данных для вторичной обработки сигнальным процессором, восстановления аналогового сигнала после вторичной обработки. СБИС содержит 2 шестиразрядных АЦП, 4 восьмиразрядных ЦАП. Наличие 2-х Мбит внутреннего ОЗУ позволяет осуществлять прием и хранение длительных выборок высокочастотных аналоговых сигналов.
Такой комплекс характеристик СБИС 187 9ВМ3 делает возможным создание имитаторов сигналов, в реальном масштабе времени обеспечивающих когерентность имитируемого сигнала, при динамическом изменении его задержки с дискретом в единицы метров и доплеровском сдвиге частоты с дискретом единицы герц. При обработке СВЧ сигнала на вход контроллера нужно подавать аналоговый сигнал, смещённый на НЧ в диапазон частот до 300 МГц. Квантуемые с частотой до 600 МГЦ квадратурные составляющие упаковываются в 64-х разрядные слова и затем могут быть преобразованы и записаны в память, либо выданы непосредственно на выходные ЦАП. Выходным сигналом контроллера являются выборки аналоговых значений квадратурных составляющих преобразованного входного сигнала.
Имитатор такого типа на основе СБИС 1879ВМ3, размещённом на инструментальном модуле МС-23.01 [2], был создан в ОАО «УПКБ «Деталь» [3] . Использование этой СБИС позволило достаточно просто решить задачу имитации сигналов, отраженных флюктуирующей точечной целью в диапазоне дальностей до 24 км и скоростей до 1500 м/с при произвольной модуляции зондирующего сигнала.
Для имитации сигнала, отраженного от протяженной поверхности, требуется реализация суммирования большого количества сигналов точечных отражателей. Аппаратная архитектура контроллера СБИС 187 9ВМ3 позволяет оперировать 8 сигнальными каналами, но функция суммирования сигналов разных каналов отсутствует и к выходным ЦАП в одно время подключается только один канал. Однако, имеется возможность аппаратной коммутации (с поочередным подключением к выходным ЦАП) 2 каналов или программной коммутации до 8 каналов, поэтому реализация нескольких каналов задержки зондирующего сигнала возможна путем периодичной коммутации сигнальных каналов, формирующих адрес считывания сигнала из памяти и запускаемых с различной задержкой относительно сигнального канала, формирующего адрес записи.
Отметим также реализованную в СБИС 187 9ВМ3 возможность обращения ко всем типам памяти в режиме ПДП без останова работы сигнальных каналов, что позволяет изменять с большой скоростью коэффициенты усиления или доплеровское смещение частоты в сигнальных каналах, задержку входного сигнала. Скорость смены параметров сигнала определяется их числом, разрядностью внешней шины данных и частотой обмена по ней. Данные особенности можно учесть и эффективно использовать при построении алгоритма обработки сигнала. Например, в модуле МС-23.01 имеется 64 Мбайт общего ОЗУ динамического типа, в которое можно разместить таблицы коэффициентов или дополнительный код программы, подгружаемые по ПДП во внутреннюю память данных/программ СБИС 187 9ВМ3.
Минимальный период коммутации сигнальных каналов составляет 8 периодов квантования (Тк) входного сигнала. Таким образом, длительность выборки сигнала с задержкой II может составлять 8-Тк-И, повторяющаяся с периодом 8-Тк'И'Ы, где М - программно задаваемый период коммутации, N - число коммутируемых каналов. Такая процедура формирования сигналов с различной задержкой с использованием временного разделения каналов задержки может быть реализована благодаря высокой частоте квантования входного сигнала и сравнительно узкой мгновенной полосе частот зондирующего сигнала.
При имитации отраженных сигналов от протяженных поверхностей сокращение числа моделируемых отражателей можно получить, если увеличить ширину имитируемых участков поверхности и сигнал, отраженный от участка поверхности внутри периода модуляции, считать не сигналом постоянной частоты со случайной начальной фазой и амплитудой, а узкополосным случайным процессом со средней частотой, равной средней частоте сигналов, отраженных от участка поверхности (цели) . Тогда в случае ЛЧМ-зондирующего сигнала каждому имитируемому участку можно сопоставить один сигнал, задержанный на время XI, который на выходе фильтра сигнала биений РВ будет соответствовать одной гармонике спектра сигнала биений (ЯЬ тах) .
Для воспроизведения сигнала биений достаточно частоты квантования порядка 10 ¥Ь тах. В РВ с ЛЧМ ¥Ь тах , как правило, не превосходит 106 Гц. Таким образом, достаточно частоты квантования выходного сигнала имитатора порядка 10 МГц. Учитывая, что частота квантования входного сигнала составляет 600 МГц, возможна реализация до 60 каналов задержки выходного сигнала путем последовательной работы каналов считывания сигнала из памяти с различной задержкой.
Для выбора количества и положения имитируемых гармоник спектра сигнала биений, имитирующих отражение от подстилающей поверхности, создана модель, позволяющая учесть параметры ЛА (высоту, скорость и углы эволюции в 3-х мерной системе координат), параметры РВ (среднюю частоту биений, остаточную высоту, ширину ДНА и ширину рабочей полосы фильтров сигнала биений), параметры поверхности (для фацетной модели: количество фацетов, величина крупномасштабных неровностей, ширина
диаграммы обратного рассеяния). Выбор положения имитируемых гармоник спектра сигнала биений может быть сделан из условия равного шага по частоте в пределах заданной ширины полосы фильтров сигнала биений.
Пример выбора показан на рис. 3: вверху - набор гармоник, соответствующих набору фацетов на
подстилающей поверхности, внизу - прореженные гармоники, используемые при имитации отражения от подстилающей поверхности (дополнительно в виде отдельных гармоник приведены положение центра тяжести спектра и амплитуда гармоник, приходящихся на «хвост» спектра, который далее можно не имитировать, т.к. он будет подавлен фильтрами сигнала биений).
Найденные таким образом амплитуды и положения гармоник соответствуют участкам поверхности, содержащим множество фацетов, сгруппированных по значениям соответствующей частоты в ожидаемом сигнале биений РВ (участки с равными приращениями частоты сигнала биений).
гармоники спектра сигнала биений от каждого фацета
прореженные гармоники спектра (хвост просуммирован в 1 гарм.)
с 1
< ?
( ..1.1 & > 1111 11111 .........
30 35 40 45 50 55
I, кГц
Рис. 3. Пример выбора положения имитируемых гармоник спектра сигнала биений
Описанный подход к полунатурному моделированию отраженного сигнала для функциональной проверки и оценки характеристик ЛЧМ РВ был реализован при создании имитатора ИОС-РВ в ОАО «УПКБ «Деталь».
При программной коммутации сигнальных каналов одного модуля МС-23.01 можно использовать до 6 сигнальных каналов, т.к. 1 канал занят записью оцифрованного сигнала в буферное ОЗУ и ещё 1 канал требуется для обновления данных моделирования из внешнего ОЗУ.
Основные принципы формирования имитации отраженного сигнала на базе 187 9ВМ3 показаны на блок-схеме (рис. 4). Работа контроллера организована в режиме «циклического» буфера, т.е. воспроизведение на выходе задержанного входного сигнала сколь угодно большой длительности без разрывов при возможном динамическом изменении задержек по сигнальным каналам, что дает возможность имитировать задержанный сигнал при произвольном законе модуляции входного сигнала без дополнительных синхронизирующих связей между имитатором сигналов и РВ.
г
Рис. 4. Блок-схема формирования имитации отраженного сигнала
Предварительно подготовленные случайные сигналы соответствуют составляющим, отраженным от N = 6 участков поверхности. Каждый такой участок поверхности может содержать множество фацетов, сгруппированных по значениям соответствующей частоты в ожидаемом сигнале биений РВ (участки с равными приращениями частоты сигнала биений). При этом группировка выполняется с учётом высоты и скорости ЛА. По результатам группировки с учётом ширины ДНА и случайных коэффициентов отражения соответствующих фацетов вычисляется суммарная мощность для каждого канала (частоты группировки). Для «размытия» спектра сигнала каждого канала можно выполнять случайное изменение амплитуд сигналов каналов. Случайные значения количества тактов работы каждого канала формирования сигнала могут обновляться по ПДП с заданным периодом для имитации флуктуаций спектра. При этом получаемый вид спектра сигнала биений соответствует получаемым спектрам, если выполнять моделирование при большем количестве отражателей.
Соответствующее ПО, написанное на языке ассемблера (с использованием препроцессора языка ANSI C++) для контроллера 1879ВМ3, осуществляет следующую последовательность действий:
канал 0 настраивается на циклическую оцифровку с частотой 600 МГц и запись в память входных квадратурных составляющих аналогового сигнала;
каналы 1 - 6 настраиваются на циклическое чтение из внутренней памяти со сдвигом адреса, соответствующего заданной задержке, до 150 мкс с погрешностью не более ±27 нс;
канал 7 настраивается на циклическое обновление случайных коэффициентов (в форме кода программы) из внешнего ОЗУ модуля МС-23.01 в режиме ПДП;
в фоновом режиме производится поочередное программное подключение сигнальных каналов 1-6 к выходным ЦАП.
Реальное управление параметрами моделирования: изменение высоты, скорости, параметров подстилающей поверхности в соответствии с выбранной моделью и траекторией движения ЛА осуществляется с помощью ПО интерфейса оператора.
Период имитации реализуется с помощью системного таймера, имеющего определённый дискрет. Для Windows 2000 дискрет примерно равен 10 мс, поэтому фактически устанавливаемый такт работы будет «округляться в большую сторону» до числа кратного 10 мс (для ОС Windows XP 16 мс).
Согласно протоколу приёмочных испытаний имитатор ИОС-РВ обеспечивает ослабление, задержку и доплеровский сдвиг сигнала ЧМ РВ в соответствии с параметрами антенной системы, заданными высотой полета, скоростью, углами тангажа и крена. Однако минимальное значение имитируемой высоты ограничивается возможностью модуля МС-23.01 и задержкой в аналоговом тракте ИОС-РВ и составляет 16 м. Минимальный шаг изменения высоты при имитации полета определяется тактовой частотой модуля МС23.01 и составляет 2,2 м. Минимальное время установки следующего значения задержки составляет 50 мс и определяется программным обеспечением. Возможно снижение до интервала системного таймера ОС Windows 10 мс.
Результаты испытаний ИОС-РВ приведены на рис.5.
1:, с
а)
1:, с
б)
Рис. 5. Результаты испытаний ИОС-РВ а) общий вид, б) увеличенный начальный участок
Результаты для модели «одиночного отражателя» полностью соответствуют ожидаемым:
в статическом режиме измеренная высота соответствует заданной в пределах погрешности РВ во всём диапазоне работы;
дискрет установки имитируемой высоты составляет «2.2м, но может быть уменьшен путём добавки расчётного доплеровского сдвига частоты при известных параметрах модуляции;
для имитации на малых высотах (до 16м) требуется добавка расчётного доплеровского сдвига частоты при известных параметрах ЛЧМ;
точности измерений РВ достаточно для оценки запрограммированного корректирующего значения остаточной высоты;
в динамическом режиме соответствие сохраняется, но при больших ускорениях взлёта/снижения наблюдается запаздывание измеренных значений относительно заданных значений высоты.
Результаты моделирования для стационарной подстилающей поверхности:
в статическом и динамическом режимах измеренная высота соответствует центру тяжести имитируемого спектра при учёте эффекта смещения измеренного значения (+12% к заданной высоте при ширине ДНА ±30°) в пределах погрешности РВ во всём диапазоне работы;
добавление крена и/или тангажа приводят к увеличению смещения измеренного значения высоты, т.к. центр тяжести задаваемой формы имитируемого спектра смещается с помощью расчётной модели;
Моделирование эффектов переотражений и замирания сигналов на малых высотах:
на высотах порядка 5м с остаточной высотой 2м, при ослаблении основной гармоники в 2 и более раз по сравнению со 2-ой гармоникой, соответствующей переотраженной, возможно скачкообразное изменение измеряемой высоты с «захватом» 2-ой гармоники.
Выводы.
Анализ особенностей формирования отраженного сигнала для РВ с ЛЧМ и разработанная модель отраженного сигнала позволила сформулировать концепции имитации отраженного сигнала РВ с ЛЧМ сигнала и провести анализ возможностей имитации.
В случае применения ЛЧМ сигналов процедура формирования сигналов с различной задержкой с использованием временного разделения каналов задержки может быть реализована благодаря высокой ча-
стоте квантования входного сигнала и сравнительно узкой мгновенной полосе частот зондирующего сигнала.
Имитация отражения от статистически однородной шероховатой поверхности с достаточной степенью
точности может быть обеспечена при использовании ограниченного числа каналов задержки зондирующе-
го сигнала.
Каналы задержки зондирующего сигнала могут быть реализованы в режиме разделения времени с помощью одного модуля МС-23.01 с переключением задержки с некоторой частотой коммутации, зависящей от ширины спектра сигнала биений РВ.
Для «размытия» спектра сигнал каждого канала можно модулировать шумом с шириной спектра равной интервалу между частотами группировки.
При имитации отражения от неоднородных поверхностей увеличение числа каналов задержки зондирующего сигнала можно получить за счёт использования нескольких модулей МС-23.01 с суммированием выходных сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микросхема интегральная 187 9ВМ3(DSM), Техническое описание, Версия 1.1, ЮФКВ 431268 001 ТО1
К, Научно-технический центр «Модуль». Москва. 2002.
2. Инструментальный модуль МС23.01 на базе СБИС "система на кристалле" 187 9ВМ3. Режим доступа:
http://www.module.ru/ruproducts/dspmod/mc23 01.shtml
3. Боков А.С. Имитатор отраженных сигналов радиолокационных систем / А.С. Боков, В.Г. Важенин, Л.П. Воробьев, Н.А. Дядьков, В.В. Мухин, Ю.Г. Нестеров, А.И. Сиротин // Радиовысотометрия - 2004. Труды Первой Всероссийской НТК / Под ред. А.А. Иофина, Л.И. Пономарева. Екатеринбург. Издательство АМБ, 2004. с.164 - 168.
4. Жуковский А.П. Теоретические основы радиовысотометрии /А.П. Жуковский [и др.]. М.: Сов. радио, 1979. 320 с.
5. Тверской Г.Н. Имитаторы эхо-сигналов судовых радиовысотомерных станций / Г.Н. Тверской, Г.К. Терентьев, И.П. Харченко. М.: Судостроение, 1973. 224 с.
