CC BY
125
Реализация имитационного моделирования в разрабатываемой отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла
Коновальчик А.П., Плаксенко О.А., Щирый А.О.,
АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» andreyschiriy@gmail. com
Аннотация
Работа посвящена созданию отечественной системы автоматизированного проектирования в полном сквозном цикле радиолокационных систем (комплексов, станций). Представлена концепция пяти уровней проектирования (системный, структурный, функционально-логический, схемотехнический, конструктивно-технологический) и основные требования при реализации данной концепции. Специфика разрабатываемой системы проектирования наиболее выражена в учете сценариев использования проектируемого изделия в условиях конкретных средств воздушно-космического нападения и обороны. Основное внимание в работе уделено реализации имитационного моделирования - совместно реализуются дискретно-событийная и пошаговая схемы моделирования: дискретно-событийная на системном и структурном уровнях, а пошаговая - на функционально-логическом.
1 Введение
В настоящее время Концерном ВКО «Алмаз-Антей» проводится [1,2] инициативная опытно-конструкторская работа по созданию системы автоматизированного проектирования (САПР) радиолокационных станций (РЛС), комплексов и систем, а также их компонентов. Необходимость разработки собственной САПР обусловлена тем, что не существует готовых отечественных САПР, которые бы позволяли решать в комплексе задачи проектирования РЛС от формулирования требований, обоснования облика, имитационного моделирования изделия до получения готовой конструкторской документации. Особая специфика разрабатываемой САПР заключается в закладываемом функционале имитационного моделирования боевых действий, для проектирования изделий с учетом конкретных условий боевого применения, средств воздушно-космического нападения, фоноцелевой обстановки.
2 Уровни проектирования РЛС в разрабатываемой САПР
В разрабатываемую САПР РЛС закладывается концепция многоуровневого ведения проектирования РЛС с применением данной САПР [2]:
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 по фиксированному набору целей с учетом местности и внешних воздействий в условиях применения конкретных средств воздушно-космического нападения (СВКН) и воздушно-космической обороны (СВКО).
2. Структурный уровень: создание структуры РЛС из готовых образцов составных частей (приемник, передатчик, антенно-фидерные устройства, опорно-поворотные устройства, АЦП/ЦАП, блок фоно-целевой обстановки и т. д.). На этом уровне проводится исследование возможности создания и оценка показателей эффективности работы РЛС, состоящей из различных составляющих для выполнения конкретной задачи в фиксированных условиях; обоснование оптимального состава РЛС. А в перспективе и функционально-стоимостной анализ различных проектных решений.
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 [3].
4. Схемотехнический уровень: создание принципиальных схем блоков аналоговой и цифровой обработки сигналов, устройств управления РЛС, приемных и передающих модулей, генераторов сигналов, блоков питания и т. п.
5. Конструктивно-технологический уровень: создание 3Б-моделей и чертежей конструктивных элементов - компонентов РЛС (антенно-фидерные устройства, опорно-поворотные устройства, обтекатель, система охлаждения и т. д.), схем разводки плат. Разработка рабочей конструкторской документации для организации производства.
Для реализации уровня 1 необходим, в том числе, функционал геоинформационной системы (ГИС), включающий возможности отображения в 2Б и 3Б проекциях и возможность импорта пространственных данных из различных источников (обязательное требование - поддержка формата 8ХБ, который в настоящее время принят в качестве базового для хранения и передачи цифровых карт в государственном картографо-геодезическом фонде). Должна обеспечиваться работа не только с географическими и топографическими картами, но с любыми необходимыми цифровыми данными, имеющими пространственную привязку: матрицами свойств местности (прежде всего радиофизических свойств, например, диэлектрических), матрицами высот, метеорологическими данными (загружаемыми из открытых источников сети интернет из стандартизованных форматов). Перечисленные данные («некарты») нужны, прежде всего, для работы вычислительных модулей, но в случае необходимости должна обеспечиваться их визуализация как отдельных слоев. Также на 1 уровне необходим функционал для создания сценариев имитационного моделирования, с возможностью создания обороняющейся и нападающей боевых группировок. Моделирование РЛС в конкретных географических условиях необходимо для учета радиофизических свойств местности, а также рельефа (углы закрытия, расчёта зон видимости РЛС с учётом полета летательных аппаратов с огибанием рельефа местности). То есть будет реализован редактор радиосцены, позволяющий:
— задать положение компонентов РЛС, вписав их в рельеф местности;
— задать типы целей и их траекторию (контрольные точки, типы манёвров, ожидаемые скорости движения на участках);
— настроить режим работы РЛС: сектора сканирования, шаг сетки сканирования, режимы сопровождения и др.
Редактор радиосцены предоставляет возможность легкого переключения 2D-3D представлений. 2Б-карта позволяет хорошо привязываться к местности, однако многие детали сцены на ней будут показаны неточно - в частности, трёхмерные траектории целей, зоны закрытия РЛС, положение главного лепестка диаграммы направленности (ДНА) РЛС и детали рельефа местности на ней могут быть показаны лишь приблизительно, в виде проекции на плоскость. 3D-карта позволяет показать детальную картинку, отображая любые объекты, включая рельеф и ДНА. Её недостаток — трудности в привязке к местности, особенно при большом увеличении.
Для обеспечения поддержки 2 и 3 уровней 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). Такой подход широко применяется как в относящихся к нашему проекту областях имитационного моделирования и моделирования цифровой обработки сигналов (например, Simulink), так и в других областях (например, известны системы RapidMiner и Orange Canvas, предназначенные для интеллектуального анализа неструктурированных текстовых данных и машинного обучения).
Для реализации поддержки 4 и 5 уровней на первом этапе разработки САПР РЛС предполагается интеграция с существующим программным обеспечением схемотехнического и конструкторско-технологического моделирования и проектирования.
3 Реализация имитационного
моделирования в разрабатываемой 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.
Необходимо учитывать, что 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. При разработке компонент, определяющих состав моделей образцов РЛС, и объединении их в единую модель, необходимо учитывать отличающиеся на порядки характерные масштабы осреднения по времени величин, фигурирующих в компонентах.
Конечной целью моделирования является оценка показателей эффективности боевого применения РЛС в составе группировок войск в различных условиях ФЦПО. Именно для расчета этих показателей, так как они служат основой для проектных решений на разработку РЛС, и разрабатывается модель, воспроизводящая процесс боевых действий. Характерный временной масштаб всех остальных процессов (первичной обработки радиолокационной информации, сопровождения целей, наведения ракет и др.) много меньше.
Одной из основных задач при разработке модели является выполнение требования синхронизации всех моделируемых объектов по времени, то есть правильное отображение порядка и временных отношений между изменениями в процессе боевых действий на порядок выполнения событий в модели. При непрерывном представлении времени считается, что существуют единые для всех объектов часы, которые показывают единое время. Передача информации между объектами происходит мгновенно, и таким образом, сверяясь с едиными часами, можно установить временную последовательность всех происходивших событий. Если в модели существуют объекты с дискретным представлением времени, для формирования единых часов модели необходимо объединить множество временных отсчетов моделей объектов, упо-
рядочить и доопределить значения сеточных функций на недостающих временных отсчетах. Синхронизировать модели объектов с событийным временем можно только явно, путем передачи сигнала о наступлении события. При этом необходима управляющая программа-планировщик организации выполнения событий различных объектов, которая и определяет требуемый хронологический порядок выполнения событий, осуществляет подключение и инициализацию моделей. В разрабатываемой САПР реализуется гибкая открытая архитектура, позволяющая разрабатывать модели независимо, легко интегрируя их в общую систему имитационного моделирования при условии соответствия программных интерфейсов (в качестве примера можно привести реализацию модели командного пункта системы предупреждения о ракетном нападении [4]).
В разрабатываемой САПР реализуется поддержка двух схем имитационного моделирования: на 1 и 2 уровнях имитационное моделирование по дискретно-событийной схеме [4], а на 3 уровне - по пошаговой схеме [3]. Пошаговая схема обладает такими преимуществами, как простота и наглядность, в пошаговой схеме возможно смоделировать некоторые несложные виды РЛС, однако, в ней невозможно корректное моделирования РЛС с параллельной обработкой сигналов на разных частотах: например, ряда РЛС с большой инструментальной дальностью (несколько тысяч км), используемых для задач ПРО. А уж тем более в пошаговой схеме невозможно моделирование группировок СВКН и СВКО.
Таким образом, 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 1-2 уровней.
4 Заключение
Таким образом, функционал закладываемый в САПР, позволит проводить обоснование облика проектируемых РЛС на основании результатов проведения сквозного комплексного имитационного моделирования, включая имитацию боевых действий в условиях конкретных СВКН и СВКО.
Некоторый функционал, запланирован к реализации, возможно лишь в будущих версиях САПР РЛС. Примером такого функционала является поддержка проектирования РЛС головок самонаведения ракет. Другим примером функционала, запланированного к реализации в будущем, является поддержка проектирования загоризонтных (ЗГ) РЛС, так как эти РЛС работают в ДКМ диапазоне и для их моделирования требуется учет крайне специфических свойств среды распространения -ионосферы [5-10].
Список литературы
1. Коновальчик А.П., Конопелькин М.Ю., Плаксенко 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. - с. 127-130.
2. 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.
3. Коновальчик А.П., Плаксенко О.А., Щирый А.О. Функционально-логический уровень проектирования РЛС в разрабатываемой отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла // XVIII Всеросс. научно-практич. конф. «Проблемы развития и применения средств противовоздушной обороны на современном этапе. Средства противовоздушной обороны России и других стран мира, сравнительный анализ»: материалы конференции. - Ярославль: Ярославское высшее военное училище противовоздушной обороны, 2017. - с.315-322.
4. Плаксенко О.А., Щирый А.О. Имитационная модель командного пункта системы предупреждения о ракетном нападении в составе системы моделирования боевых действий // Труды восьмой всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика». - СПб, 2017. - с.507-512.
5. Акимов В.Ф., Калинин Ю.К. Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов. - Москва, 2017. - 492 с.
6. 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.
7. Щирый А.О. Программное обеспечение управления базовой станцией ионосферного мониторинга // Инженерный вестник: Информатика, радиофизика, управление. -2005. № 2. - с. 204-207.
8. Щирый А.О. Развитие средств автоматизации наземного радиозондирования ионосферы // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2014. -Т.14. №5. - с. 170-173.
9. 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.
10.Ахияров В.В., Нефедов С.И., Николаев А.И., Слукин Г.П., Федоров И.Б., Шустиков В.Ю. Радиолокационные системы: Учебное пособие / Под ред. А.И. Николаева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 349 с.
