CC BY
30
Перспективы проектирования и совершенствования бортовых РЛС летательных аппаратов с применением разрабатываемой
отечественной САПР
Коновальчик А.П., Плаксенко О.А., Щирый А.О.,
АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» [email protected]
Аннотация
Представлено описание разрабатываемой АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» отечественной САПР для проектирования радиолокационных станций, комплексов и систем. Приведены цель разработки, решаемые задачи, описание состава и структуры САПР. Описана аппаратная база, требуемая для развертывания проектируемой системы и организационно-технические решения, требуемые для ведения распределенной разработки с ее применением. Приведен перечень уровней абстракции, на которых может вестись разработка, последовательность этапов создания изделий и сопроводительной документации, а также способы использования существующих библиотечных проектных решений и готовых наработок. Представлены результаты анализа возможности применения разрабатываемой САПР для проектирования БРЛС летательных аппаратов.
1 Введение
В настоящее время в АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» проводится инициативная опытно-конструкторская работа по созданию системы автоматизированного проектирования (САПР) радиолокационных станций, комплексов и систем, а также их компонентов [1-5]. Значительное количество предприятий Концерна занимается разработкой радиолокационных станций и устройств различной конструкции и назначения, в частности стационарных радиолокационных станций (РЛС) дальнего обнаружения, контроля космического пространства, подвижных РЛС обнаружения воздушных целей, бортовых радиолокационных головок самонаведения (ГСН). Функционирование всех перечисленных типов радиолокационных устройств имеет как ряд сходств в плане физики протекающих процессов, так и ряд от-
личительных особенностей. Устройство радиолокационных ГСН предполагает возможность движения антенны в двух степенях свободы, требует учета воздействия обтекателя на диаграмму направленности антенны (ДНА), а также учета взаимного перемещения ракеты и цели. В этом прослеживается их сходство с бортовыми РЛС авиации (БРЛС). Загоризонтная (ЗГ) РЛС является еще одним из запланированных к реализации, но не заложенных пока в структуру САПР, типов изделий, так как эти РЛС работают в ДКМ диапазоне и для их моделирования требуется учет крайне специфических свойств среды распространения - ионосферы [6-11].
Для корректной оценки характеристик проектируемого изделия требуется учет не только характеристик самой РЛС и ее компонентов, но и влияния внешних факторов как возможного воздействия противника: различные типы помех; так и внешней среды: нагрев антенны, погодные условия, воздействие ветра и нагрева на конструктив антенного полотна и т. д. Комплексный учет всех перечисленных факторов абсолютно необходим на современном этапе развития подходов к ведению разработки сложных технических систем, каковыми и являются радиолокационные комплексы, станции и системы. Для его реализации применяются системы САПР, имеющих в своем составе, в том числе, подсистемы инженерного анализа, компоненты, осуществляющие многокритериальную оптимизацию и междисциплинарный анализ. В настоящий момент не существует отечественных систем автоматизированного проектирования, позволяющих решать эти задачи в комплексе. Поэтому предприятиями Концерна используются ряд разрозненных программных решений собственной разработки и их зарубежных аналогов.
Ввиду ряда ограничений, вызванных санкциями, закрытой тематикой работ, а
также в целях импортозамещения, весьма актуальным является создание САПР РЛС, позволяющей решать указанные выше задачи в непрерывном сквозном цикле проектирования. Поэтому, как упомянуто выше, разработка такой САПР ведется силами АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», а также компаний, обладающих компетенциями в области проектирования РЛС, с использованием имеющегося у них задела [1-5].
2 Цели и задачи
Целью проводимой работы является создание специализированного программно-аппаратного комплекса (СПАК), позволяющего решать задачи выбора и оптимизации проектных параметров радиолокационных станций, комплексов и систем, а также их компонентов.
СПАК должен обеспечивать решение следующих основных задач:
• теоретическую оценку проектных параметров РЛС (РЛК, РЛ систем) и их составных частей, обеспечивающих необходимые значения характеристик с учетом задаваемых начальных и граничных условий, а также эффективности их боевого применения в составе группировки войск в различных условиях помехо-целевой обстановки (ПЦО) [12];
• оценку показателей разведывательно-информационных возможностей группировки войск в зависимости от ТТХ проектируемой РЛС (РЛК, РЛ системы) и условий ПЦО [12];
• экспериментально-теоретическую оценку основных характеристик РЛС (РЛК, РЛ систем) и их составных частей при совместном алгоритмическом и аппаратном формировании отдельных компонентов при-емо-передающего тракта проектируемой РЛС, а также среды распространения ЭМВ и помеховых воздействий на РЛС;
• оценку возможности выполнения проектируемой РЛС (РЛК, РЛ системой) своей целевой функции по заданной цели (группе целей) с учетом географического положения, воздействия внешней среды и радиоэлектронного противодействия посредством имитационного моделирования;
• теоретическую оценку характеристик рассеяния ЭМВ телами сложной формы и подстилающей поверхностью и формирование поляризационных матриц рассеяния;
• теоретическую и экспериментально-теоретическую оценку внутренней электромагнитной совместимости отдельных устройств, объединенных в РЛС заданной конструкции, а также внешней ЭМС совокупности РЛС в комплексе или системе, а также других устройств (радиосредств);
• оптимизацию проектных параметров РЛС (РЛК, РЛ систем) и их составных частей по заданным (назначаемым или выбираемым) критериям;
• оптимизацию алгоритмов обработки информации и управления параметрами РЛС (РЛК, РЛ систем);
• формирование баз данных оптимизированных проектных решений в части разработки РЛС (РЛК, РЛ систем) и их компонентов, а также алгоритмов, полученных в процессе использования данного СПАК и других аналогичных средств автоматизированного проектирования с сопрягаемыми интерфейсами;
• проверку корректности функционирования всех составных частей и СПАК в целом с использованием набора примеров;
• обучение специалистов.
Для решения задач современной САПР, перечисленных выше, требуются проведение вычислительно трудоемких расчетов, чем обуславливается размещение САПР РЛС на высокопроизводительной аппаратной платформе - суперкомпьютере. Тот факт, что суперкомпьютер является весьма дорогостоящим, предполагает использование его вычислительного ресурса в общем удаленном доступе и ведение совместной разработки специалистами различных предприятий из состава Концерна. В то же время, снижается риск ведения дублирующихся разработок и обеспечивается совместное использование наработок специалистами предприятий кооперации, формирование единой библиотеки проектных решений и компонентов.
3 Концепция и архитектура
Одной из отличительных особенностей и преимуществ создаваемой САПР РЛС, отличающей ее от большинства существующих САПР, в том числе зарубежных, является включение в состав модуля оценки экономической целесообразности. Поскольку самыми удачными и востребованными являются изделия, у которых высок показатель
«цена/качество», его учет при проектировании должен обеспечить выбор наиболее эффективных технических решений и получение лучших результатов, нежели при применении чисто технического подхода. Также закладывается возможность информацион-
ного взаимодействия САПР РЛС с лабора-торно-испытательным стендом (HW-RLS) для осуществления моделирования частей РЛС или радио тракта в режиме параллельной симуляции или гибридного моделирования. Структурная схема САПР РЛС приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема САПР РЛС
Исследование процессов функционирования проектируемых РЛС в различных условиях фоно-целевой и помеховой обстановки, оценка эффективности боевого применения РЛС в составе группировок войск, а также оценка различных алгоритмических решений по обработке радиолокационной информации в РЛС, с использованием имитационной модели, предполагает формализованное описание логики функционирования исследуемых систем в соответствии со своими аналогами в реально протекающем процессе [13].
Современные образцы РЛС - это сложные технические системы, решающие комплекс взаимосвязанных задач. При моделировании таких объектов целесообразно сохранить и
отразить как естественный состав и структуру, так и алгоритмы боевого функционирования модели. Причем в зависимости от целей моделирования может потребоваться варьирование параметров модели (составом, структурой, алгоритмами) для различных вариантов расчета. Данное требование определяет необходимость разрабатывать модель конкретного образца как составную модель его подсистем, представляемых взаимосвязанными компонентами.
Конечной целью моделирования является оценка показателей эффективности боевого применения РЛС в составе группировки войск в различных условиях ФЦПО с учетом рельефа местности в точке размещения, вли-
яния подстилающей поверхности, характеристик целей и траекторий их движения. Выполнение на имитационном эксперименте моделью радиолокационного комплекса (системы, станции) своей целевой функции, а также подтверждение обеспечения требуемых характеристик служит основанием для проектных решений на разработку РЛС [5].
Этапы проектирования РЛС посредством разрабатываемой САПР (этап предварительной оценки параметров РЛС, этап инженерного анализа, этап имитационного моделирования, этап статистической обработки и оптимизации, этап оценки экономической целесообразности, этап разработки рабоче-конструкторской документации) были ранее изложены нами в [2].
Рис. 2. Редактор вычислительного графа
В разрабатываемую САПР РЛС закладывается концепция многоуровневого ведения проектирования РЛС посредством данной САПР, для чего выделено пять уровней проектирования [3], которые перечислены ниже.
1. Системный уровень: размещение на картах местности РЛС, компонентов радиолокационных (РЛ) комплексов, целей, а также маршрутов их движения, источников помех с заданием типов. Компоненты выбираются из существующих библиотек готовых изделий, образцов (шаблонов), а также из компонентов, создаваемых на следующих (нижних) уровнях проектирования. Позволяет оценить эффективность работы группировки РЛ средств с учетом местности и
внешних воздействий в условиях применения конкретных средств воздушно-космического нападения (СВКН) и воздушно-космической обороны (СВКО).
2. Структурный уровень: создание (сборка) структуры РЛС из готовых модулей (антенно-фидерные устройства, приемники, передатчики и их составные части) - моделей либо реально существующих образцов, либо разработанных на нижних уровнях САПР. На этом уровне проводится исследование возможности создания и оценка показателей эффективности работы отдельных РЛС; обоснование оптимального состава отдельных РЛС. Также РЛС собранные на этом уровне являются неделимыми элемен-
тами для системного уровня, на котором эффективность работы оценивается в составе группировки и с учетом СВКН и СВКО.
3. Логический (функционально-логический) уровень: варьирование алгоритмов цифровой обработки информации (первичной, вторичной, третичной) с целью обеспечения оптимального их сочетания по выбранным критериям эффективности. Выбор и обоснование оптимального алгоритма управления РЛС, типов и параметров используемых сигналов. Для обеспечения поддержки функционально-логического уровня реализуются программные средства т.н. программирования потоков данных (dataflow programming): то есть "сборки" необходимого функционала в виде набора параметризованных блоков, соединённых через входы и выходы (порты). Иллюстрация прототипа пользовательского интерфейса разрабатываемого визуального средства программирования потоков данных, представлена на рисунке 2.
4. Схемотехнический уровень: создание принципиальных схем.
5. Конструктивно-технологический уровень: создание 3D-моделей и чертежей конструктивных элементов, схем разводки плат, рабочей конструкторской документации.
В разрабатываемой системе реализуется поддержка двух схем имитационного моделирования: на системном и структурном уровнях - по дискретно-событийной схеме, а на логическом уровне - по пошаговой схеме. Пошаговая схема обладает такими преимуществами, как простота и наглядность, в ней удобно моделировать алгоритмы обработки, составные части РЛС, и даже некоторые несложные виды РЛС. Однако, в ней невозможно корректное моделирование, например, РЛС с параллельной обработкой сигналов на разных частотах. Тем более в ней крайне ограничены возможности для моделирования группировок войск и боевых действий. Поэтому при имитационном моделировании функционируют два планировщика: «высокоуровневый» дискретно-событийный диспетчер и «низкоуровневый» пошаговый. Дискретно-событийный диспетчер взаимодействует с пошаговым планировщиком каждый раз, когда рассчитывает очередной событийный блок одного из двух верхних уровней. В ходе имитационного мо-
делирования рассчитываются показатели качества РЛС. При этом этап имитационного моделирования служит для верификации и уточнения параметров проектируемых РЛС, облик которых определен в общем виде на этапах предварительной оценки параметров и инженерного анализа.
Как уже упоминалось выше, в разрабатываемую САПР изначально закладывается возможность проектирования РЛС ГСН, поскольку зенитные управляемые ракеты (ЗУР) и зенитно-ракетные комплексы (ЗРК), позволяющие их применять, являются основной продукцией Концерна. При проектировании РЛС ГСН требуется учет ряда особенностей, характерных также и для БРЛС летательных аппаратов: высокие требования к компактности и массо-габаритным характеристикам, надежности в условиях перепадов давления, температуры и знакопеременных ускорений, плотная компоновка монтажа, использование гиростабилизаторов, должен быть обеспечен учет взаимного перемещения РЛС и цели в пространстве, вращение, возможность совершения целью маневров уклонения при имитационном моделировании боевого применения. Этим обуславливается возможность оперативного добавления БРЛС в перечень проектируемых изделий при возникновении такой потребности.
4 Заключение
Проектирование БРЛС ЛА с применением среды проектирования САПР РЛС, разрабатываемой Концерном, позволит сократить время разработки, повысить эффективность изделий путем учета множества разнородных влияющих факторов и осуществления многокритериальной оптимизации. Количество потребных натурных испытаний может быть сокращено путем частичной замены на имитационные эксперименты. Моделирование также позволит оценить эффективность БРЛС при заданном сценарии применения, по необходимому типу цели. Выполнение или невыполнение проектируемым изделием своей целевой функции может быть определено еще до создания опытного образца. Стоимость бортового радиоэлектронного оборудования составляет порядка 6070% от общей стоимости летательного аппарата [14]. Таким образом, выбор наиболее эффективных конструктивных решений по
соотношению «цена/качество» позволит в
значительной степени оптимизировать и
стоимость носителя в целом.
Список литературы
1. Коновальчик А.П., Конопелькин М.Ю., Плак-сенко О.А., Щирый А.О. Постановка задачи разработки и предварительная архитектура отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. - 2017, № 20. - c.127-130.
2. КоновальчикА.П., Конопелькин М.Ю., Плак-сенко О.А., Щирый А.О. Отечественная система автоматизированного проектирования радиолокационных систем, комплексов и станций с учетом средств воздушно-космического нападения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли, 2018, Т.10, №1. - с.40-47.
3. Коновальчик А.П., Плаксенко О.А., Щирый А.О. Концепция многоуровневого проектирования РЛС в разрабатываемой САПР РЛС полного сквозного цикла // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2017. Т.17. № 4. - с.889-892.
4. Коновальчик А.П., Плаксенко О.А., Щирый А.О. Функции имитации боевых действий в разрабатываемой отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла // Вопросы радиоэлектроники. 2018. №3. - с.30-34.
5. КоновальчикА.П., Плаксенко О.А., Щирый А.О. Обоснование облика перспективных радиолокационных станций посредством разрабатываемой отечественной системы автоматизированного проектирования // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли.- 2019, Т.11, №1. - с.4-11.
6. Акимов В.Ф., Калинин Ю.К. Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов. - Москва, 2017. - 492 с.
7. Щирый А.О. Разработка алгоритмов для повышения точности измерения и расширения возможностей традиционного применения наклонного ионозонда // Системы управления и информационные технологии. - 2007, №1.1(27). - с. 202-204.
8. Щирый А.О. Разработка и моделирование алгоритмов автоматического измерения характеристик ионосферных коротковолновых радиолиний: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: Спец. 05.12.04; СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. - СПб., 2007. - 19 с.
9. Колчев А.А., Щирый А.О. Восстановление частотной зависимости комплексного коэффициента отражения по данным наклонного ЛЧМ ионозонда // Оптика атмосферы и океана.- т.20,2007,№7 - с.627-630.
10.Щирый А.О. Развитие средств автоматизации наземного радиозондирования ионосферы // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2014. - Т.14. №5. -с.170-173.
11.Колчев А.А., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография / Мар. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2013. - 147 с.
12.Неупокоев Ф.К. Стрельба зенитными ракетами. 3-е изд. М.: Воениздат, 1991. 343 с.
13.Имитационное моделирование боевых действий: теория и практика / Под ред. д-ра техн. наук, проф. Созинова П.А., д-ра техн. наук, проф. Глушкова И.Н. Тверь, 2013. 528 с.
14.Давыдов П.С., Жаворонков В.П., Кащеев Г.В., Криницын В.В., Уваров В.С., Хресин И.Н. Радиолокационные системы летательных аппаратов. - М.: Транспорт, 1977. 352 с.
