CC BY
36Ссылка на статью:
// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 06. С. 1-12.
Б01: 10.7463/^ор1.0615.0777931
Представлена в редакцию: 11.10.2015 Исправлена: 25.10.2015
© МГТУ им. Н.Э. Баумана УДК 621.396.96
Синхронизатор для макета распределенной РЛС метрового диапазона
Крючков И. В.1, Нефедов С. И.1, а Бауепо б2 0 0 5@уапЛюии
Сапонов А. В.1*, Филатов А. А.1
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Предложен способ построения синхронизатора экспериментального макета распределенной РЛС. Предложен способ синхронизации, позволяющий получить потенциальную точность синхронизации 5...8 нс. Исследована погрешность аппроксимации шкал времени распределенной РЛС.
Ключевые слова: распределенная РЛС, шкала времени, кварцевые генераторы, сигналы синхронизации, аппроксимация шкалы времени
Введение
Одним из новых принципов построения радиолокационных систем заключается в переходе к территориальному разнесению приемных и передающих позиций [1-3]. Распределенные РЛС состоят из совокупности разнесенных в пространстве приемопередающих модулей (ППМ), и центрального пункта обработки (ЦПО), из которого осуществляется управление системой. Расположение модулей (элементов) выбирается таким образом, чтобы обеспечить пространственную когерентность отраженных от цели сигналов для их дальнейшего объединения на несущей частоте [4].
До настоящего времени одной из главных проблем технической реализации распределенных РЛС являлась синхронизация по времени всех приемных и передающих элементов системы. Это связано с тем, что для контроля задержек огибающих эхосигналов требуется единая системная шкала времени с погрешностью временной привязки (средне-квадратическое отклонение) десятки наносекунд [5, 6]. Данный уровень точность достигается современными средствами синхронизации, главным образом, при использовании дорогих технических решений [7].
Пространственный разнос и потенциально большое число элементов системы не позволяет осуществлять тактирование от одного опорного генератора (ОГ). В связи с этим в каждом приемопередающем элементе должен размещаться собственный опорный генера-
Радиооптика
Сетевое научное издание МГТУ * ш. Н. Э. Баум1 т н а
Кйр://гас1к>ор11С5.ш
тор. Анализ показал, что использование высокостабильных ОГ (в том числе атомных стандартов частоты) видится нецелесообразным, а при применении сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) могут возникать определенные проблемы [5-7]. Поэтому в качестве опорных генераторов предлагается использовать недорогие серийно выпускаемые кварцевые генераторы с долговременной относительной нестабильностью частоты Ш-5...10-0. При этом временная синхронизация должна обеспечиваться сведением нескольких формируемых таким образом шкал времени.
Таким образом, цель настоящей работы заключается в разработке аппаратно-программных средств сличения шкал времени для обеспечения тактовой синхронизации распределенной РЛС.
1. Основная часть
В НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан макет экспериментальной распределенной РЛС, работающей по указанному принципу (рис. 1). Он включает в себя опорный синхронизатор в составе ЦПО и модули, состоящие из малошумящего усилителя (МШУ), субмодуля тюнера, осуществляющего перенос спектра на промежуточную частоту, цифрового регистратора, субмодуля управления и синхронизации (СмУС), генератора пилот-сигнала, передатчика, субмодуля кабельного трансивера (трансивера), источника питания (аккумуляторная батарея).
Рис. 1 - Структурная схема макета распределенной РЛС
В рамках рассмотренного принципа построения распределенной системы возникает проблема синхронного управления устройств в составе ППМ. Предполагается, что настройки устройств могут быстро изменяться в процессе работы системы, что требует одновременной передачи команд управления для конфигурирования субмодулей из ЦПО (опорный синхронизатор) по каналу синхронизации.
Чтобы снизить требования к пропускной способности канала связи в каждом элементе размещается отдельный синхронизатор, роль которого выполняет субмодуль управления и синхронизации (рис. 2). Данный блок формирует управляющие синхросигналы для согласованной работы всех устройств ППМ. Это позволяет существенно сократить количество передаваемых сигналов из ЦПО в модули. В процессе работы из ЦПО в элемент передаются не все требуемые команды, а только их небольшие фрагменты. По ним субмодуль управления и синхронизации производит всю необходимую настройку устройств согласно ранее заложенной программе.
Г
Рис. 2 - Плата субмодуля управления и синхронизации
Для согласования отдельных синхронизаторов между собой, в каждом модуле размещается специальный аппаратно-программный блок (АПБ), позволяющий осуществлять синхронизацию по расписанию. Ее суть состоит в том, что из ЦПО заранее, до начала работы системы, в элементы загружаются алгоритмы выдачи необходимых синхросигналов и команд управления (далее расписание), а потом дается сигнал, разрешающий работу АПБ. При одновременном запуске АПБ и строгом выдерживании временных соотношений между сигналами в расписаниях достигается синхронная работа системы в целом.
Загрузка расписания на этапе подготовки системы к работе позволяет использовать даже низкоскоростной канал связи со слабой помехоустойчивостью. Загрузка разных ал-
горитмов выдачи сигналов и команд в модули позволяет гибко конфигурировать систему, адаптивно меняя ее режим работы, в том числе и при выходе из строя отдельных модулей.
За выдачу синхросигналов в строго заданные в расписании моменты времени отвечает аппаратная часть АПБ, представляющая собой формирователь сигналов (ФС), реализованный в ПЛИС (рис. 3). В ФС присутствует счетчик, работающий на большой частоте (100 МГц), формирующий шкалу времени высокого разрешения. После каждого отсчета времени этой шкалы осуществляется проверка наличия в расписании синхросигналов для устройств модуля и выдача их на соответствующие линии управления в случае необходимости.
Рис. 3 - Пояснение принципа работы субмодуля управления и синхронизации
Время работы РЛС разбивается на определенные интервалы времени - такты, на каждом из которых возможны индивидуальные настройки устройств и схемы выдачи синхросигналов. Номер такта рассылается на все элементы с опорного синхронизатора в составе ЦПО. Синхронным счетом тактов работы системы достигается согласованная работа АПБ всех модулей, а значит, и согласованная работы системы в целом.
За алгоритм выдачи команд и синхросигналов устройствам на каждом такте отвечает программная часть АПБ, реализованная в виде микроконтроллера (МК) в составе СмУС. Расписание представляет собой сегмент исполняемого кода, который исходя из номеров тактов, состояния модуля и дополнительной информации, полученной из ЦПО, формирует наборы сигналов и команд, предназначенных для отдельных тактов работы. Использо-
вание исполняемого кода позволяет реализовывать достаточно сложные и гибкие программы работы системы. Помимо выполнения кода расписания микроконтроллер осуществляет гарантированный прием его из ЦПО и проверку целостности, реализует протоколы связи с ЦПО и с устройствами элемента, отслеживает состояние субмодулей в процессе работы системы [7].
Благодаря временному разделению между ЦПО и модулем используется только один канал связи, по которому передаются как данные, так и синхросигналы с номерами тактов. Задача контроля состояния канала связи и отслеживания номера такта работы тоже возложена на микроконтроллер.
Помимо синхронизации АПБ каждый такт работы используется также для привязки временных шкал элементов. Опорные генераторы в ППМ не идентичны, поэтому частоты дискретизации эхосигналов в разных модулях отличаются. Это эквивалентно тому, что каждый элемент работает в своей шкале времени. Для совместной обработки данных, записанных разными модулями, надо сводить эти временные шкалы к единой шкале. При получении синхросигналов от ЦПО СмУС транслирует их в цифровой регистратор (рис. 3), который привязывает их к отсчетам оцифрованного эхосигнала с высокой разрешающей способностью (20 нс). Сигналы синхронизации представляют собой отсчеты шкалы времени ЦПО. Таким образом, показания часов ЦПО регистрируются в шкале времени элемента. Данный механизм называется тактовой синхронизацией.
По полученным моментам регистрации синхроимпульсов необходимо провести аппроксимацию шкалы времени элемента. На малых интервалах времени уход частоты кварцевого генератора линеен, т.е. можно аппроксимировать полиномом 1-й степени:
На более длительных интервалах времени, порядка секунд, используется кусочно-линейная аппроксимация (рис.4).
2 () = Ы + Ь
(1)
си □
Т
и О
- V
о Э
а
п х
а.
¡и г
0
1
1-1 к
о с:
х л
ГП пи
*
[] номер синхросигнала [шкала ЦПО)
Рис. 4 - Аппроксимация шкалы времени модуля
Коэффициенты к и Ь соответствующих полиномов определяются методом максимального правдоподобия:
X = ¥ЛТ Я 1Z, (2)
где А - матрица связи выборки моментов привязки и оцениваемых параметров; V - ковариационная матрица оценок;
Я - ковариационная матрица, характеризующая шум измерений. Матрица А имеет вид:
А =
1 '1 ■■ Ъ
1 2!
1 и - ... -2!
А
2! '2
А 2!
'2
1 к — ..
п 2!
2!
(3)
где 11 - моменты привязки временных шкал.
Ковариационная матрица оценок V имеет вид:
¥ = [АТ Я ~1А] 1
(4)
Ковариационная матрица Я, характеризующая шум измерений:
Я = °1МI, (5)
где &1зм - дисперсия ошибки регистрации синхросигнала в цифровом приемнике; I - единичная матрица. Алгоритм оценки по фиксированной выборки удобен тем, что в случае эквидистантных оценок сводится к простой свертке.
График зависимости разности наблюдаемой и аппроксимированной шкал времени при передаче сигналов синхронизации в полосе 1 МГц и длительности линейного интервала, равного 1 с, приведен на рис. 5.
Рис. 5 - Зависимость разности реальной и аппроксимированной шкал времени
2
£
£
п
Из графика видно, что разность между наибольшим и наименьшим отклонениями отсчета времени и его аппроксимации не превышает 20 нс (точности регистрации синхросигналов в цифровом приемнике). Таким образом, можно судить о правомерности выбора указанного интервала.
На рис. 6 представлены экспериментальные результаты оценки погрешности измерения времени при аппроксимации шкалы времени полиномом первой и второй степеней (сплошная и пунктирная линии соответственно).
А.
- 30
со
I
Ь 75 20 15 10 5 0
/
/ /
О 1234-56789 10
ТН,С
Рис. 6 - Оценка погрешности измерения времени при аппроксимации шкалы времени Расчеты, представленные на рис. 6, выполнялись в соответствии с формулой:
а(Тн) = М {(7 () - 7 (Г ))2}1 +г (6)
1е(Т0'Т0 +ТН )
где I (?) - реальная шкала времени, 7 (?) - аппроксимация линейным полиномом (или второй степени), Т0 - начальный момент времени, Тн - длительность интервала аппроксимации.
Из рис. 6 видно, что аппроксимация шкалы времени, задаваемой кварцевым генератором, может выполняться полиномом первой степени на интервалах времени Тн до 2.. .3
с. В этом случае аппроксимация требует минимальных вычислительных затрат (по сравнению с применением полиномов более высоких порядков).
Полученные экспериментальные результаты соответствуют работам, в которых аппаратура строилась на кварцевых генераторах с относительной нестабильностью частоты [10, 11].
Описанная выше система синхронизации, состоящая из аппаратно-программного блока и библиотеки алгоритмов тактовой синхронизации, реализована в макете экспериментальной пространственно-когерентной распределенной РЛС. Экспериментальные ис-
следования принципов тактовой синхронизации макета РЛС проводились на площадке экспресс-полигона в Дмитровском филиале НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования показали, что разработанная аппаратура позволяет получить потенциальную точность временной синхронизации на уровне 5.. .8 нс (СКО) при полосе канала синхронизации 1 МГц и долговременной относительной нестабильности частоты кварцевого генератора 10-5 [8, 9, 15]. Научная новизна работы заключается в предложенной методике тактовой синхронизации, которая заключается в программно-алгоритмическом сведении шкал времени распределенной РЛС. Новый принцип синхронизации позволил применять относительно простые технические решения при макетировании распределенной РЛС. Достигнутая точность временной синхронизации удовлетворяет требованиям к данному типу станций [12-14].
Статья выпущена в рамках НИОКТР "Реализация комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства радиолокационного комплекса для системы управления воздушным движением с удаленной диспетчеризацией", выполняемой МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ОАО "РТИ" в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, в целях реализации постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», при финансовой поддержке по проекту Министерства образования и науки Российской Федерации.
Список литературы
1. Черняк В.С. О новых и старых идеях в радиолокации: MIMO РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2011. № 2. С. 5-20.
2. Зарецкий С.В., Арешин Я.О., Зданович Ю.А. Экспериментальная проверка принципов распределенной радиолокации // 17-я МНТК «Радиолокация, навигация, связь»: тез. докл. Т. 3. Воронеж, 2011. С. 1718-1727.
3. Чапурский В.В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 279 с.
4. Федоров И.Б., Крючков И.В., Нефедов С.И., Слукин Г.П. Возможности и особенности построения нового поколения информационных систем на основе принципов когерентной малобазовой радиолокации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2009. Спец. вып. С. 28-40.
5. Piester D., Rost M., Fujieda M., Feldmann T., Bauch A. Remote Atomic Clock Synchronization via Satellites and Optical Fibers // Advances in Radio Science. 2011. Vol. 9. P. 1-7. DOI: 10.5194/ars-9-1-2011
6. Крючков И.В., Нефедов С.И., Филатов А.А. Аппроксимация шкал времени в пространственно-когерентных многопозиционных РЛС с кооперативным приемом // 6-я ВНТК «Радиолокация и радиосвязь»: сб. докл. Т. 2. М., 2012. С. 298-302.
7. Крючков И.В., Филатов А.А. Синхронизация подвижных модулей распределенных радиолокационных комплексов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 8. Режим доступа: http://engiournal.ru/catalog/pribor/radio/316.html (дата обращения 01.02.2015).
8. Крючков И.В., Нефедов С.И., Сапонов А.В., Филатов А.А. Принципы построения синхронизатора распределенной РЛС // Радиотехника. 2013. № 11. С. 59-63.
9. Крючков И.В., Нефедов С.И., Сапонов А.В., Филатов А.А. Синхронизация шкал времени в малобазовых распределенных РЛС // Радиотехника. 2013. № 11. С. 69-74.
10. Лебедев В.Ю., Корниенко В.Г., Танцай П.И. Пространственная погрешность шкал времени разнесенных наземных измерительных пунктов при использовании локальной системы синхронизации // 17-я МНТК «Радиолокация, навигация, связь»: тез. докл. Т. 3. Воронеж, 2011. С. 2137-2145.
11. Fujieda M., Maeno H., Piester, D., Bauch A., Yang S.H., Suzuyama T., Tseng W.H., Huanxin L., Gao Y., Achkar J., Rovera D. Impact of the transponder configuration on the Asia-Europe TWSTFT network // 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), San Fransisco. IEEE Publ.,
2011. P. 1-6. DOI: 10.1109/FCS.2011.5977786
12. Крючков И.В., Сапонов А.В., Филатов А.А. Экспериментальная отработка когерентного разнесенного приема в распределенной РЛС воздушного базирования // ВНТК «Радиооптические технологии в приборостроении»: тез. докл. Туапсе, 2014. С. 108110.
13. Namin F., Petko J.S., Werner D.H. Analysis and design optimization of robust aperiodic mi-cro-UAV swarm-based antenna arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation.
2012. Vol. 60, no. 5. P. 2295-2308. DOI: 10.1109/TAP.2012.2189715
14. Слукин Г.П., Чапурский В.В. Пространственно-многоканальные РЛС большой дальности с высокой разрешающей способностью // Радиотехника. 2013. № 11. С. 24-34.
15. Крючков И.В., Нефедов И.С., Филатов А.А., Сапонов А.В. Синхронизатор для экспериментальной распределенной РЛС метрового диапазона // 20-я международная НТК «Радиолокация, навигация, связь»: тез. докл. Т. 3. Воронеж, 2014. C. 1599-1604.
Radiooptics of the Bauman MSTU, 2015, no. 06, pp. 1-12.
DOI: 10.7463/rdopt.0615.0777931
Received: 11.10.2015
Revised: 25.10.2015
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Synchronizer for Meter Range Distributed Radar Prototype
I.V. Kryuchkov1, S.I. Nefedov1, " a saverio &2 0 0 5andexju
A.V. Saponov1*, A.A. Filatov1
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Radiooptics
Keywords: distributed radar, time scale, quartz oscillator, synchronizing signals, time scale
approximation
One of the problems of a spatially coherent distributed radar is to form a single timescale of the system for cooperative echo signals processing received by different modules, and synchronize operation of spaced modules. This paper considers a method to design a synchronizer that allows us to solve these problems.
Modules cannot be clocked from common reference oscillator (RO) due to spacing therefore there is a separate RO in each module. Inexpensive commercially available quartz oscillators with long-term frequency instability of the order of 10-5.. ,10-6 may be used as reference oscillators for surveillance meter range radar. To simplify the hardware reference oscillators operate in the free vibration mode. Thus several independent time scales are formed in the system. These time scales will be collated using special synchronization signals during system operation and their differences will be assessed.
A problem of synchronous control of module devices arises for distributed system. It is expected that device settings may be quickly changed during system operation. This requires the simultaneously transmitting control commands for configuration devices (sub-modules) from the central processing station using synchronization channel. To reduce requirement for communication there is a separate synchronizer in each module. Algorithms of synchronization signals and control commands output are loaded in these synchronizers beforehand. Central processing station sends only small pieces of data during system operation. These data fragments used for rapid device configuration according to previously loaded program. Synchronous operation of the system is achieved by the simultaneous launch of synchronizers and keeping strict between the signals.
Synchronization system described in the article successfully is implemented in spatially coherent distributed radar prototype, developed by BMSTU NIIRET. Experimentation showed that designed equipment enables to achieve potential synchronization accuracy equal to 5.8 ns using communication channel bandwidth of 1MHz and quartz oscillators long-term frequency instability of the order of 10-5. Achieved accuracy is enough for operation of surveillance meter
range spatially coherent distributed radar. Scientific innovation is the proposed cycle synchronization method, which consists in software-algorithmic comparison of distributed radar time scales. The new synchronization principle allowed to use relatively simple technical solutions for distributed radar prototyping.
References
1. Chernyak V.S. About New and Old Ideas in Radar: MIMO Radars. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki = Achievements of Modern Radioelectronics, 2011, no. 2, pp. 5-20. (in Russian).
2. Zaretskii S.V., Areshin Ya.O., Zdanovich Yu.A. The experimental check of distributed radiolocation principles. 17-ya MNTK "Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz"': tez. dokl. T. 3 [Abstracts of the 17th International Scientific and Technical Conference on Radiolocation, Navigation, Communication. Vol. 3]. Voronezh, 2011, pp. 1718-1727. (in Russian).
3. Chapurskii V.V. Izbrannye zadachi teorii sverkhshirokopolosnykh radiolokatsionnykh sistem [Selected problems of ultra wide band radiolocation systems]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2012. 279 p. (in Russian).
4. Fedorov I.B., Kryuchkov I.V., Nefedov S.I., Slukin G.P. Possibilities and Features of Construction of Data System New Generation Based on Principles of Coherent Small-Base Radiolocation. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Priborostroenie = Herald of the Bau-man Moscow State Technical University. Ser. Instrument Engineering, 2009, spec. iss., pp. 28-40. (in Russian).
5. Piester D., Rost M., Fujieda M., Feldmann T., Bauch A. Remote Atomic Clock Synchronization via Satellites and Optical Fibers. Advances in Radio Science, 2011, vol. 9, pp. 1-7. DOI: 10.5194/ars-9-1-2011
6. Kryuchkov I.V., Nefedov S.I., Filatov A.A. Time scale approximation in spatial coherent multistation distributed radar with cooperative reception. 6-ya VNTK "Radiolokatsiya i radiosvyaz'": sb. dokl. T. 2 [Proc. of the 6th All-Russian Scientific and Technical Conference on Radiolocation and Radiocommunication. Vol. 2]. Moscow, 2012, pp. 298-302. (in Russian).
7. Kruchkov I.V., Filatov A.A. Synchronization of the movable modules of distributed radar complexes. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii = Engineering Journal: Science and Innovation, 2012, no. 8. Available at: http://engjournal.ru/catalog/pribor/radio/316.html , accessed 01.02.2015. (in Russian).
8. Kryuchkov I.V., Nefedov S.I., Saponov A.V., Filatov A.A. Principles of synchronizer construction for distributed radar. Radiotekhnika = Radioengineering, 2013, no. 11, pp. 59-63. (in Russian).
9. Kryuchkov I.V., Nefedov S.I., Saponov A.V., Filatov A.A. Time scales synchronization for small base distributed radars. Radiotekhnika = Radioengineering, 2013, no. 11, pp. 69-74. (in Russian).
10. Lebedev V.Yu., Kornienko V.G., Tantsai P.I. Spatial error of time scale of the carried land measuring points at use of local system of synchronization. 17-ya MNTK "Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz'": tez. dokl. T. 3 [Abstracts of the 17th International Scientific and Technical Conference on Radiolocation, Navigation, Communication. Vol. 3]. Voronezh, 2011, pp. 2137-2145. (in Russian).
11. Fujieda M., Maeno H., Piester, D., Bauch A., Yang S.H., Suzuyama T., Tseng W.H., Huanxin L., Gao Y., Achkar J., Rovera D. Impact of the transponder configuration on the Asia-Europe TWSTFT network. 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), San Fransisco. IEEE Publ.,
2011, pp. 1-6. DOI: 10.1109/FCS.2011.5977786
12. Kryuchkov I.V., Saponov A.V., Filatov A.A. Experimental processing of coherent diversity reception in distributed air-launched radar. VNTK "Radioopticheskie tekhnologii v priborostroenii": tez. dokl. [Abstracts the All-Russian Scientific and Technical Conference on Radiooptical Technology in Instrument Engineering]. Tuapse, 2014, pp. 108-110. (in Russian).
13. Namin F., Petko J.S., Werner D.H. Analysis and design optimization of robust aperiodic mi-cro-UAV swarm-based antenna arrays. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
2012, vol. 60, no. 5, pp. 2295-2308. DOI: 10.1109/TAP.2012.2189715
14. Slukin G.P., Chapursky V.V. Spatially multichannel distant range radar with high resolution. Radiotekhnika = Radioengineering, 2013, no. 11, pp. 24-34. (in Russian).
15. Kryuchkov I.V., Nefedov I.S., Filatov A.A., Saponov A.V. Synchronizer for experimental meter range distributed radar. 20-ya MNTK "Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz'": tez. dokl. T. 3 [Abstracts of 20th International Scientific and Technical Conference on Radiolocation, Navigation, Communication. Vol. 3]. Voronezh, 2014, pp. 1599-1604. (in Russian).
