CC BY
25
УДК 621.396.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАДИОДАЛЬНОМЕРНОЙ АППАРАТУРЫ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ
В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, М.С. Сидорова, Р. Ш. Загидуллин
Рассматривается имитационное моделирование с целью реализации программно-аппаратного комплекса радиоэлектронного модуля навигационной системы. Предлагаемый программно-аппаратный комплекс имеет концепцию распределенного решения, т.е. представляет собой модель, объединяющую различные уровни проектирования радиоэлектронной аппаратуры. Компьютерное имитационное моделирование проводилось с помощью сред графического программирования MATLAB/Simulink и LabVIEW, а также с помощью программ схемотехнического моделирования Multisim и MicroCap. Отмечена многогранность имитационного моделирования применительно к разработке и отладке алгоритмов функционирования сложной радиодальномерной аппаратуры.
Ключевые слова: имитационное моделирование, радиотехническая система локальной навигации, радиоэлектронный модуль, радиодальномерная аппаратура.
Введение. Радиотехническая система локальной навигации (РТСЛН) имеет широкий спектр областей применения, таких, как системы посадки беспилотных и пилотируемых летательных аппаратов (ЛА), системы высокоточной навигации в ограниченном/заданном районе, системы морской и речной навигации.
Принцип работы РТСЛН (рис.1) основан на одновременном измерении дальностей от борта до наземных радиомаяков, которые, в свою очередь, образуют искусственное навигационное поле с известной геометрической конфигурацией. Места позиционирования стационарных наземных радиомаяков (НРМ) определяются, исходя из конкретного места эксплуатации РТСЛН.
О,
Б
Рис. 1. Принцип действия РТСЛН
34
РТСЛН состоит из бортового и наземного комплектов оборудования. Составы бортового и наземного оборудования имеют аналогичный состав аппаратуры. Бортовой сегмент оборудования включает в себя радиоэлектронный дальномерный модуль (РЭМ) «запросчик», а также малогабаритное антенное устройство (АУ), устанавливаемое, как правило, под фюзеляжем ЛА. Наземный сегмент оборудования представляет собой как правило, от 4 до 8 компактных переносных НРМ. В свою очередь, НРМ состоит из РЭМ-ответчика, АУ и блока питания. Необходимо отметить, что АУ, входящие в состав как бортового, так и наземного сегментов оборудования, имеют различное строение и характеристики, поскольку подразумевают эксплуатацию в различных условиях.
РЭМ как бортовой, так и наземной аппаратуры имеют аналогичное схемотехническое решение, а режим их функционирования, т.е. «запрос-чик» или «ответчик», регламентируется соответствующим программным обеспечением.
Разработка РЭМ, как и любой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), представляет собой сложный комплексный процесс, требующий больших затрат временного, финансового, а также человеческого ресурсов.
В рамках статьи рассматривается создание программно-аппаратного комплекса (ПАК) - имитационной модели РЭМ навигационной системы (НС) - как на системотехническом, так и схемотехническом уровнях проектирования с целью модернизации и отладки работы как ра-диодальномерной аппаратуры в целом, так и ее отдельных функциональных узлов. Программно-аппаратный комплекс представляет собой набор технических и программных средств, работающих совместно для выполнения одной или нескольких однородных задач.
Предлагаемый подход - создание ПАК сложной РЭА с помощью имитационного моделирования - на сегодняшний день в рамках динамично развивающегося мира компьютерных технологий и рынка радиоэлектронных компонентов является актуальным, поскольку позволяет значительно упростить проектирование, а также визуализировать процессы, протекающие во всех функциональных узлах РЭА. Идея использования такого подхода, как имитационное моделирование, представляет собой воссоздание поведения как реальной аппаратуры в целом, так и ее отдельных функциональных узлов. Таким образом, благодаря имитационному моделированию представляется возможным получить детальные изменения сигнала при прохождении по всем элементам радиоэлектронного тракта, а также отследить влияние внешних воздействий, т.е. помех, на работу как РЭМ в целом, так и его отдельных функциональных узлов.
Основная часть. Одним из наиболее важных параметров навигационных систем является точность измерений. Применительно к рассматриваемой РТСЛН необходимо отметить, что на точность измерений даль-
35
ности от ЛА до НРМ влияет большое число различных факторов, в частности, схемотехническое решения РЭМ и условия распространения сигнала между «запросчиком» и «ответчиком» системы.
Основу РЭМ составляют приемо-передающий тракт дециметрового диапазона волн и аппаратура обработки сигналов на базе программируемой логики [1]. Структурная схема РЭМ представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема РЭМ
Приемный тракт РЭМ построен по принципу классического супергетеродинного приемника, который обладает возможностью получить высокочастотное усиление и требуемую избирательность на фиксированной промежуточной частоте (рис. 3). Промежуточная частота выбирается в диапазоне, для которого возможно обеспечить необходимую заданную добротность контуров, а также большую устойчивость высокочастотного усиления, поскольку часть усиления достигают на частоте сигнала, а часть - на промежуточной частоте. В приемниках супергетеродинного типа основное усиление осуществляется каскадами усилителя промежуточной частоты, настроенными на фиксированную промежуточную частоту, которая образуется в смесителе в результате взаимодействия входного сигнала и сигнала гетеродина [1, 2].
Рис. 3. Фрагмент имитационной модели приемного тракта РЭМ
Еще на этапе проектирования необходимо учесть время, режимы и условия эксплуатации РЭМ. Очевидно, что РЭМ необходимо защитить от перегрузок и влияния внешних воздействий различного рода. В связи с этим особенностью приемного тракта РЭМ является наличие в его составе
36
системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Система АРУ находится в каскаде усиления промежуточной частоты приемного тракта. Схема АРУ обладает высоким быстродействием, поскольку компоненты системы обладают достаточно большой постоянной времени. В состав данной схемы построения системы АРУ входят аттенюатор и устройство сравнения - компаратор, управление которыми осуществляется с помощью устройства управления и обработки данных на основе программируемой логики (ПЛИС) (рис. 4).
Алгоритм работы системы АРУ основан на изменении коэффициента усиления уровня напряжения сигнала пропорционально соответствующим весам каждого из разрядов управляемого аттенюатора. Благодаря определенной последовательности включения и выключения разрядов аттенюатора система АРУ обеспечивает максимальное приближение уровня входного сигнала к уровню опорного напряжения компаратора, другими словами, стабилизирует уровень напряжения принятого сигнала.
Учитывая наличие вышеуказанной системы АРУ в составе приемного тракта, также необходимо добавить устройство, с помощью которого будет фиксироваться временная задержка, пропорциональная дальности от ЛА до НРМ, - измерительный компаратор. Уровень порогового напряжения измерительного компаратора также устанавливается с помощью ПЛИС. Необходимо отметить, что уровни опорных напряжений компаратора системы АРУ и измерительного компаратора различны: измерительный компаратор имеет уровень опорного напряжения на 3 дБ ниже относительно компаратора схемы АРУ.
Наличие в приемном тракте системы АРУ накладывает требования к структуре информационного сигнала. Сигнал представляет собой пачку импульсов, в состав которой входят так называемые «импульсы АРУ», количество которых соответствует количеству разрядов аттенюатора.
Проведя анализ рынка как отечественных, так и зарубежных радиоэлектронных компонентов, наиболее подходящими аттенюаторами, которые можно использовать в составе системы АРУ, являются 8-, 9- и 10-разрядные аттенюаторы.
Передающий тракт РЭМ построен по классической схеме. В состав схемы передающего устройства входят блок возбудителя высокочастотного колебания определенной частоты, каскад умножения частоты и предварительного усиления мощности, каскад выходных усилителей мощности. На рис. 5 представлен сигнал «запрос дальности», посылаемый от ЛА к НРМ. Сигнал «запрос дальности» представляет собой пачку импульсов, в которой первый импульс - стартовый (сигнализирует о начале информационного сигнала), затем импульсы системы АРУ, количество которых соответствует разрядности аттенюатора, а также измерительные импульсы. На рис. 5 по оси абсцисс отложена временная задержка, по оси ординат -амплитуда сигнала, пропорциональная напряжению.
Рис. 4. Имитационная модель системы АРУ
Рис. 5. Сигнал «запрос дальности» посылаемый от ЛА к НРМ
Разработка программно-аппаратного комплекса включает в себя поэтапное построение имитационной модели радиоэлектронного модуля различных уровней проектирования; интеграцию элементов имитационной модели из одной среды компьютерного моделирования в другую. Также программно-аппаратный комплекс представляет возможность использования взаимодействия имитационной модели как с тестовой аппаратурой, так и с реальным устройством при различных условиях эксплуатации.
Программно-аппаратный комплекс построен с учётом задачи реализации исследования и модернизации РЭМ. Программная реализация использует концепцию распределённого решения, в которой каждый блок реального комплекса может быть представлен в виде макромодели, реализованной в среде LabVIEW И Simulink, схемотехнического решения, реализованного в среде Multisim или же в виде совокупности экспериментальных реализаций, полученных с использованием устройств сбора и обработки данных, реализованных в среде LabVIEW [3,4].
38
Проектирование на уровне макромодели представляет собой определение конкретной структурной реализации радиодальномерной аппаратуры, взаимодействие функциональных узлов радиоэлектронного устройства друг с другом, т.е. определяются связи между модулями. Проектирование на этом уровне состоит из определения структуры радиоэлектронного устройства, а затем определения оптимальных значений параметров структуры данного устройства. Все функциональные блоки на уровне проектирования макромодели рассматриваются как преобразователи сигналов безотносительно к их внутреннему устройству.
В свою очередь, на схемотехническом уровне создания имитационной модели производится подробное проектирование внутренней структуры всех функциональных узлов радиодальномерной аппаратуры.
При любой последовательности расчёта пользователь на каждом этапе разработки может выбрать моделирование, используя макромодель блока, его схемотехническое решение или же использовать данные экспериментального решения.
Очевидно, что функционирование РЭА всегда подразумевает действие на данную аппаратуру помех различного типа происхождения. В связи с этим разработчику радиоэлектронных систем и устройств необходимо обеспечить сохранность работоспособности аппаратуры при различных условиях эксплуатации. Другими словами, необходимо создать радиоэлектронную аппаратуру, обладающую высокой степенью помехозащищенности. Наиболее слабым, как правило, является приемный тракт радиоэлектронной аппаратуры. Независимо от времени и условий эксплуатации радиоэлектронные системы и устройства всегда подвержены влиянию как внутренних, так и внешних помех. Внутренние помехи возникают в самом приемном тракте. Их главными источниками являются флуктуа-ционные шумовые процессы во всех элементах схемы приемного устройства, контактные шумы и треск, вызванные нарушением токопрохождения в цепях приемного тракта в результате плохого качества контактов; помехи, вызванные неустойчивостью работы и паразитной модуляцией отдельных каскадов схемы, а также помехи от вспомогательных сигналов, вырабатываемых в тракте.
Внутренние помехи, представляющие собой внутренние шумы радиоприемника, существуют практически непрерывно.
Внешние помехи имеют различный характер, способ происхождения и время действия. Такие помехи могут быть как естественного, так и искусственного происхождения. Основными видами внешних помех являются помехи от другой РЭА, т.е. от любых устройств, предназначенных для генерирования и излучения радиоволн, промышленные помехи - это в основном помехи от различного электрооборудования, создающего искровые или дуговые разряды, атмосферные помехи, создаваемые электрическими разрядами в атмосфере, помехи космического происхождения, вызываемые излучениями космического пространства, достигающими нашей планеты, организованные помехи, умышленно создаваемые в условиях военных действий для подавления радиосредств противника.
Организованные помехи представляют собой один из наиболее труднопреодолимых видов помех, поскольку их структуру специально выбирают такой, чтобы подавление выбранного полезного информационного сигнала было наиболее эффективным.
При разработке РЭА необходимо заранее учитывать некоторый допустимый уровень внешних помех на входе приемного тракта, при котором искажения полезного сигнала будут незначительными. Очевидно, что наличие различного рода и интенсивности помех оказывает различное влияние на точность выделения информационного сообщения из сигнала, поступающего на вход приемника. При воздействии на РЭА помехой высокого уровня интенсивности вероятность противодействия данной помехе будет мала, это значит, что искажения, вносимые помехой в информационный сигнал, будут достаточно велики, а, следовательно, точность приема информационного сигнала будет достаточно низкой, и выделение из принятого сигнала полезной информации будет весьма затруднительно.
Для исследования влияния различного рода помех на РЭУ используются как теоретический, так и экспериментальный методы.
К экспериментальным методам относятся лабораторные испытания, а также испытания в реальных условиях работы РЭА.
Лабораторные испытания часто проводятся методом моделирования и имеют очень важное значение, т.к. они обеспечивают получение результатов, близких к тому, что будет в реальных условиях работы испытуемого РЭМ, не требуя значительных затрат времени и средств реализации.
ПАК представляет возможным оценить влияние помех как на работу аппаратуры в целом, так и на отдельные ее функциональные узлы.
Проведя анализ типовой помеховой обстановки, используя среду графического моделирования Simulink, реализован генератор помех различного рода. Как отмечалось ранее, ПАК представляет собой интегрированную имитационную модель, в связи с этим для экономии временного и вычислительного машинного ресурсов генератор помех интегрируется в имитационную модель среды LabVIEW.
Поскольку помехи являются аддитивным, то на вход приемного тракта РЭМ поступает сигнал, представляющий собой сумму помехового и информационного сигналов (рис. 7).
Рис. 6. Принцип построения ПАК
Рис. 7. Сложение сигнала и помехи
Фиксация временной задержки, пропорциональной дальности от ЛА до НРМ, производится по огибающей принятого высокочастотного сигнала.
Заключение. С помощью такого подхода, как имитационное моделирование, результат работы системы предлагается в привычном для разработчика радиоэлектронной аппаратуры виде - классических осциллограммах, а также предусмотрены и возможности рассмотрения спектра сигнала по передающему и приёмному тракту.
Результатом работы является модель функционирования РЭМ в части определения временной задержки сигнала, пропорциональной расстоянию от запросчика до ответчика в различных условиях работы.
В заключение хочется отметить, что созданную модель предполагается использовать в том числе и для сбора данных, а также оперативного изменения структуры решения как на этапе анализа, так и на этапе создания прототипа радиоэлектронного модуля. Возможность создавать быстрые и точные системы для измерений и управления предлагается основывать на модульных программных и аппаратных решениях. Модель приёмопередающего тракта с этой целью реализована с использованием различных сред имитационного моделирования, а также с включением и интеграцией в модель модулей на основе программ схемотехнического и системотехнического моделирования. Решения могут быть предложены на основе конфигурируемой рабочей среды, составные части которой будут использовать как рассматриваемый в работе подход на основе среды МАТЬАВ/81ши1тк, так и интеграцию с имеющимися наработками в среде ЬаЬУ1ЕШ. Возможности построенной таким образом модели с использованием аппаратных средств сбора и обработки данных, рассмотрение решения как на уровне макромоделей составляющих, так и на уровне схемотехнического анализа позволят для разработчика существенно повысить качество работ и сократить временные затраты.
Благодаря возможностям построения подобных программно-аппаратных комплексов в виде имитационных моделей, пользователь может провести анализ точности определения координат, используя построе-
41
ние гистограмм результатов измерения, а также проводить постобработку результатов в программах математической обработки Mathcad, MATLAB и других, применяя данные, полученные в результате анализа работы имитационной модели. В работах авторов ранее было показано создание имитационной модели с помощью среды MATLAB/Simulink.
Сегодня, во время динамически развивающегося мира компьютерных технологий, необходимо внедрение такого подхода, как имитационное моделирование, поскольку разработка сложных систем в целом и отдельных функциональных узлов системы в частности становится наглядной.
Список литературы
1. Розанов Б. А. Приемники радиосистем. Консспект лекций по курсу «Радиоприемные устройства». Ч. 1. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2000. 55 с.
2. Ширман Я.Д. Справочник радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. М.: Радиотехника, 2007. 515 с.
3. Макаренко Вю Моделирование радиоэлектронных устройств с помощью программы NI Multisim // Электронные компоненты и системы, 2008. № 1, 2, 3.
4. Харнитер Марк Е. Multisim 7: Современная системы компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств / пер. с англ. А.И. Осипова. М.: Изд-во «ДМК Пресс», 2006. 488 с.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, старший научный сотрудник, начальник научно-технического отделения, cniiag@,cniiag. ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, начальник лаборатории, [email protected] Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Сидорова Марина Сергеевна, инженер, shugaeva. ms@yandex. ru, Россия, Москва, АО « Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Загидуллин Равиль Шамильевич, канд. техн наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, МГТУ им Н.Э. Баумана
SIMULA TION OF OPERA TING MODES OF RADIO-MEASURING EQ UIPMENT OF THE LOCAL NA VIGA TION SYSTEM
V.V. Scherbinin, G.A. Kvetkin, M.S. Sidorova, R.Sh. Zagidullin
42
It is proposed to consider simulation modeling with the aim of implementing a hardware-software complex of the radio-electronic module of the navigation system. The various computer modeling environments available today allow the development and design of electronic equipment at various levels. In this regard, the proposed hardware-software complex has the concept of a distributed solution - i.e. is a model that combines various levels of design of electronic equipment. Computer simulation was carried out using graphical programming environments MATLAB / simulink and LabVIEW, as well as using circuit simulation programs Multisim and MicroCap. The article reveals the versatility of simulation modeling in relation to the development and debugging of the functioning algorithms of complex radio range-finding equipment.
Key words: simulation modeling, radio-technical system of local navigation, radio-electronic module, radio range-finding equipment.
Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, professor, head of research department, [email protected], Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hy-draulics»,
Sidorova Marina Sergeevna, engineer, shugaeva. ms@yandex. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Zagidullin Ravil Shamil 'evich, candidate of technical sciences, docent, 361zag@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
