Моделирование игровых ситуаций при управлении характеристиками излучателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Моделирование игровых ситуаций при управлении характеристиками излучателей

Ключевые слова:

моделирование, слежение за движущейся целью, деловые игры технической направленности, управление характеристиками излучателей, фазированная антенная решетка.

Для получения остронаправленного излучения широко применяются антенные решетки, состоящие из совокупности отдельных, как правило, идентичных излучателей. В качестве элементов могут использоваться направленные и слабонаправленные излучатели (симметричные вибраторы, щели, открытые концы волноводов, рупора, диэлектрические стержни, спирали). Использование антенных решеток позволяет существенно повысить эффективность современных бортовых и наземных радиосистем за счет осуществления быстрого безинерционного обзора пространства путем сканирования луча электрическими методами (электрическое сканирование); увеличения коэффициента усиления антенны; формирования диаграммы направленности с требуемыми шириной и уровнем боковых лепестков путем создания соответствующего амплитудно-фазового распределения по раскрыву решетки; совмещение в ней нескольких функций, например: поиска, обнаружения и сопровождения цели. При этом антенная решетка может служить первичным звеном обработки (в общем случае пространственно - временной) сигнала и в силу этого в значительной мере определяет основные характеристики всей системы. В последнее время существенное значение приобретает внедрение в образовательный процесс деловых игр. Такие задачи ставятся в соответствии с Федеральным Государственным образовательным стандартом и перед техническим университетским образованием. Описывается метод интерактивного математического моделирования процесса слежения за движущейся целью плоской антенной решеткой с электрическим типом сканирования. Впервые поставлена задача и создана деловая игра технической направленности на основе разработанной программы.

Будагян И.Ф.,

профессор, кафедра КПРЭСМГТУМИРЭА

Романов Д.Ф.,

КПРЭС МГТУ МИРЭА

В последнее время существенное значение приобретает внедрение в образовательный процесс деловых игр. Однако подобные разработки в области технического образования неизвестны. В качестве наиболее целесообразного применения разработки выбран радиолокационный поиск и уничтожение цели с использованием фазированной антенной решетки [ 1 ].

Важнейшее современное направление совершенствования угломерных систем различной физической природы и различного назначения — повышение точности и угловой разрешающей способности. При компьютерном моделировании игровых ситуаций при управлении угловыми характеристиками излучающих систем и оценки угловых координат цели создаются и программно реализуются новые алгоритмы динамического моделирования угломерных систем. В дальнейшем величина угловой разрешающей способности может быть повышена при цифровой обработке результатов измерений [2].

Предлагаемый метод проигрывания ситуаций при динамическом моделировании угломерных систем в зарубежной и отечественной литературе не описывался. Пусть в секторе обзора измерительной системы или системы наблюдения по одной из угловых координат 0 находится объект с конечными угловыми размерами. Поворот луча антенны осуществляется либо за счет изменения фазового сдвига между элемен тами антенной решетки, либо за счет частотного сканирования, когда на входе передающего устройства измерительной системы меняется частота волны.

Целью работы является разработка специализированного алгоритма построения излучающих систем с управляемыми угловыми характеристиками и движущихся целей и его программная реализация на динамической модели излучающей системы.

Существуют различные возможности осуществления программы сканирования цели антенной решеткой, в частности - с использованием среды Маг1аЬ (версия 201ОЬ). Алгоритм программы следующий: исходные данные для расчета ДН, местоположения цели и антенны на осях координат задаются в графическом интерфейсе пользователя и экспортируются в основную программу расчета. Диаграмма направленности линейной решетки рассчитывается по общей формуле Г (в) = /•„ (в) ■ /'р (0), где множитель /•"„(#)

учитывает направленные свойства одиночного излучателя, а 1:р(в) — множитель решетки линейной антенны, состоящей из N элементов

FP(0) =

-(sinfy -і//)

(1)

где d - расстояние между элементами решетки, к- волновое число, \|/- фаза, в к -направление максимума ДН.

Следующий этап - это расчет диаграммы направленности по формуле и построение ее [рафика. Данные для построения графика ДН и расположения антенны экспортируется в среду интерфейса пользователя и строятся гам. С помощью линии скроллинга можно менять значения фазы в формуле и угол качания луча ДН, тем самым устанавливая необходимую ДН и наводя ее на цель. Цель возможно задавать двух видов: статическую (координаты вводятся через пользовательский интерфейс вручную) и движущуюся.

Еще один метод динамического отображения раесмот-рен на примере моделирования наносекундных импульсов в среде MalhCAD. интегрированной в оболочку. 11ри создании оболочки выбрана среда программирования Visual Basic 6.0 как наиболее подготовленная для интеграции с MathCAD. Оболочка помогает сконцентрировать внимание на результатах моделирования и не отвлекаться на многообразие

формул расположенных на рабочем документе MathCAD [3,4].

Однако, в обоих рассмотренных методах необходимо предварительное наличие на используемых компьютерах программных сред Matlab или MathCad, что неудобно для использования в рамках деловых компьютерных игр [5,6].

Поэтому в работе рассматривается методика разработки деловых игр с помощью специализированного программного пакета для разработки игр - Game Maker [7-9]. Здесь имеется большое количество встроенных эффектов, заложены основные физические законы и игровые понятия, например, есть функция проверки на столкновения двух объектов; присутствует встроенный язык программирования высокого уровня - GML. Это так называемый скриптовый язык программирования, по синтаксису похожий на JavaScript, который вполне позволяет описывать не сложные физические законы и зависимости. В Game Maker есть функции для использования внешних DLL, что позволяет добавлять любые возможности. Для функции рисования в Game Maker используют Direct3D API.

Алгоритм программы моделирования волновых процессов на примере фазированной антенной решетки следующий: исходные данные для расчета вектора ДН задаются в графическом интерфейсе программы. Антенная решетка -система однотипных излучателей, которые на рис. I схематически представлены в виде рупорных излучателей, расположенных определенным образом и возбуждаемых одним или несколькими когерентными генераторами.

Фаюаращотвии Иаяучатмм \_ \

О- [I <

о L<

о <

о <

о <

■о~ —

Луч ШТАММЫ

ПК

1 1 Сш.-.

— ч

Ьло» упраамюм Фах*ращат»яям'

Рис. 1. Схема антенны с одномерным сканированием

Вход антенны представлен одним волноводом (коакси-атьным кабелем), который соединяегся с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол 0*. Фазовый сдвиг между соседними излучателями

ДI// —

2mls\n0L

(2)

При этом надо следить, чтобы он лежал в пределах -тг < Д у/ < л. Тогда луч будет качаться в пределах [10]:

^кт\п = “агс5ш(Л/2г/), вктах =лгс$\п(Л12с1), (3)

т.е. полный сектор качания (сканирования) луча составляет величину

Щ =0*тах ~&ктт = 2агС5Ш(Л/2</) . (4)

Таким образом, при заданном расстоянии между излучателями (1 и заданной длине волны Л, меняя сдвиг фаз Д \|/, можно менять угол качания луча

0* = ± агс5т(ХДч/ / 27к/). (5)

Так как частота/=с/ А,, где с- 3x108м/с - скорость света, то формулу для угла качания можно также записать в виде: 0* = ± агс5т(сДх|/ / (6)

Следующий этап - это расчет вектора направленности по приведенной формуле. Данные динамически считываются и вектор автоматически рассчитывается. С помощью кнопок клавиатуры и манипулятором «мышь» можно менять значения фазы Д\|/ и частоты / в формуле, тем самым, наводя ДН на цель. На экране (рис. 2) отображается сама формула и текущее изменение соответствующих значений фазы и частоты.

о ——

0 . с

vvv^ 1—I - ■ЧМ“ 2s ~0(£ ЭД 1 ( • ) ял ГГц) 7VVV —-| ЮОО —_ УТ УГ - 1Ш»: 0 П

1 . 1

Рис. 2. Графический интерфейс

Цель задается автоматически, двух видов: статическая, движущаяся по одной оси и движущаяся по двум осям (координаты цели вычисляются случайным образом). После наведения прицельного маркера на цель необходимо «включить» ВЧ генератор кнопкой «пробел». Если цель попала точно в центр ДН то произойдет «взрыв» цели и к общему количеству очков добавится одно. Переход от одного режима к другому осуществляется при накоплении 10 удачных попаданий по цели. Значения частоты задаются в пределах от 3 до 250 ГГц, а фазового сдвиг а - в пределах от -77 до 77 радиан.

Результаты численных экспериментов, проводимых на математической модели. Пусть в секторе обзора измерительной системы или системы наблюдения по одной из угловых координат 0 находится объект с конечными угловыми размерами. Поворот луча антенны осуществляется либо за счет изменения фазового сдвига между элементами антенной решетки, либо за счет частотного сканирования, когда на входе передающего устройства измерительной системы меняется частота волны.

Для изменения параметров используются стрелки клавиатуры или курсор мыши для нажатия на соответствующие кнопки. Пуск происходит путем нажатия клавиши «пробел». Клавиши «влево» и «вправо» изменяют значение фазового сдвига соответственно в меньшую и большую стороны. Клавиши «вниз» и «вверх» изменяют значение частоты соответственно в меньшую и большую стороны. Всего предусмотрено три уровня. На первом - цель неподвижна на втором она приобретает возможность движения в

горизонтальном плоскости, а на третьем - еще и в вертикальной. Переход на следующий уровень осуществляется после 10 удачных «выстрелов». Выход из справки происходит путем нажатия кнопки «ЕЭС», а из игры путем нажатия кнопки «ЕБС» или закрытия окна.

Игровые ситуации при захвате лучом неподвижной цели. После закрытия информационного окна (справки) осуществляется переход непосредственно к игровому процессу, показанному на рис. 2. На первом этапе цель не производит никаких движений и поймать ее в «прицел» не вызывает проблем. При попадании по цели происходит анимация взрыва, как показано на рис. 3, и цель появляется в другом месте.

І2Х o n I

место»*

П’Ю

□

yvvvvvv

і : і

Рис. 3. Захват неподвижной цели

После десяти удачных захватов цели появляется надпись:

Поздравляю!

Вы перешли на второй уровень!

Дія продолжения нажмите "ЕБС".

Игровые ситуации при движении цели в горизонтальной плоскости. На втором уровне цель начинает выполнять движения вправо и влево (рис. 4), на разных уровнях. Предполагается, что наводиться на цель необходимо, перемещая прицельный маркер вслед за ней, всеми доступными способами. При попадании по цели произойдет анимация взрыва, цель появится на другом удалении от антенной решётки и продолжит свое движение

с он 2* ом гм

чало»

Я»!

□

vvvvvvv

ооооооо

I-----------------------1

* 1

♦деяь* слшг . *• О*

Г~~)

После десяти удачных захватов цели появляется соответствующая надпись о переходе на третий уровень.

Игровые ситуации при движении цели в горизонтальной и вертиказьной /носкостях. На третьем уровне цель движется по вертикали и горизонтали одновременно. При попадании по цели произойдет анимация взрыва, цель появится на другом удалении от антенной решётки и продолжит своё движение в произвольном направлении (рис. 5).

J с М

2* oat я»

&

\

Г~г-|

%

yvvvvvv

ооооооо

СТц)

I—1

Рис. 5. Захват движущейся цели

После десяти удачных захватов цели появляется надпись:

11оздравляю!

Вы успешно прошли игру!

Дзя завершения нажмите "ESC".

При создании данной игры не ставилась цель создания полностью достоверного симулятора волновых процессов, поэтому за ширину диаграммы направленности была взята ширина прицельного маркера. Эго было сделано для усложнения попадания по цели. Следует заметить, что в программном комплексе Game Maker отсутствуют такие широкие математические возможности как в специализированных математических пакетах MatCAD и MatLab, поэтому отрисовка «живых» волновых процессов сопряжена с трудностями. В Game Maker нет функции динамического создания изображений, вместо этого предполагается работа с уже готовыми и предварительно загруженными изображениями. С каждой версией программа все больше развивается, в текущей версии уже добавлены возможности создания произвольно ломаной линии построенной по набору координат.

Разрабатываемые программные продукты по радиолокационному поиску и уничтожению цели с использованием фазированной антенной решетки позволили начать внедрение в образовательный процесс деловых игр технического направления, что соответствует задачам, поставленным новым Федеральным Государственным образовательным стандартом перед техническим университетским образованием [11].

Рис. 4. Схема движения в горизонтальной плоскости

Литература

1. Романов ДФ. Моделирование игровых ситуаций при управлении характеристиками излучателей / Магистерская диссертация. - М.: МГТУ МИРЭА, 2012. - 74 с.

2. Лаговскии Б.А. Методы повышения эффективного углового разрешения малоразмерных целей в задачах радионавигации и радиолокации // Антенны., 2007, № 9( 124). - С. 50-55.

3. Будагян И.Ф.. Илюшечкин М.Н.. Щучкин Г.Г. Анализ формы наносекундных сигналов. Излучение и распространение. -Palmarium Academic Publishing, 2012,-132 с.

4. Будагян И.Ф.. Романов Д.Ф. Моделирование наносекундных импульсов в среде MathCAD, интегрированной в оболочку // Сб. избранных трудов IV МНІЖ Современные информационные технологии и ИТ-образование, 14-16 декабря 2009, МГУ. - C.6I8-624.

5. Трайнев В.А., Трайнев ИВ. Интенсивные педагогические игровые технологии в гуманитарном образовании (методология и практика). - М: Дашков и Ко, 2007. - 284 с.

6. Вильямс ДжД. Совершенный стратег или букварь по теории стратегических игр. - М.: Либроком, 2009. - 274 с.

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Garne_Maker.

8. http://wiki.yoyogames.corn/index.php/Main_Page.

9. http://game-maker.ru.

10. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Фазовращатели сканирующих антенн для радаров обзора территорий // Компьютерные технологии, №9,2007.-С. 164-166.

11. Будагян И.Ф.. Романов Д.Ф., Мерсяитова Г.Р.. Илюшечкин М.Н. ИТ при создании мультимедийных программнометодических комплексов по дисциплинам электродинамического цикла // Международная конференция «Информационные технологии в образовании», ИТО Москва, сб. тезисов, ч.3,2010. -С.53-61.

Modeling of game situations at management of radiator's characteristics

Budagyan I.F., the professor, KPRES MGTU MIREA,

Romanov D.F., the graduate, KPRES MGTU MIREA

Abstract

For reception highly directed radiations are widely applied the antenna arrays consisting of identical radiators, as a rule. As elements array can be used directed and leaky-wave radiators (symmetric vibrators, the cracks, the open ends of wave guides or horns, dielectric cores, spirals). Use of antenna arrays allows to raise essentially efficiency of modern onboard and land radio systems at the expense of realization the fast inertialess review of space by beam scanning by electric methods (electric scanning); increases in factor of strengthening of the aerial; formations of the diagramme of an orientation with the demanded width and level of lateral petals by creation corresponding it is peak — phase distribution on aperture array; combination in it of several functions, for example: search, detection and purpose support. Thus the antenna array can serve as a primary link of processing (generally spatially-time) a signal and owing to it appreciably defines the basic characteristics of all system. Recently essential value gets introduction in educational process of business games. Such problems are put according to the Federal State educational standard and before a technical university education. In work the method of interactive mathematical modeling of process of tracking a moving target by a flat antenna array with electric type of scanning is described. For the first time the task in view also is created business game of a technical orientation on the basis of the developed program.

Keywords: Modeling, tracking a moving target, business games of a technical orientation, management of radiator's characteristics, the phased antenna array.