Метод и технология полунатурного моделирования бортовых радиосистем ближнего действия фазодоплеровского типа

Введение

Проведение натурных экспериментов радио­систем ближнего действия необходимо для оценки возможности выполнения требова­ний тактико-технических заданий (ТТЗ) к высокоскоростным средствам доставки (ВСД) до цели и требует больших материальных и временных затрат. Как правило, наименьшее количество летных экспериментов проводят в полной комплектации ВСД, что не позволя­ет проверить их работоспособность, в особен­ности аппаратуры системы подрыва на базе различных радиосистем ближнего действия, только натурными экспериментами. Други­ми словами, за минимальное число натурных экспериментов необходимо проверить мак­симальное количество параметров и условий работы системы, гарантирующих выполне­ние предъявляемых к ней требований, и при­нять решение о их соответствии ТТЗ.

Решить проблему можно с помощью соз­дания комплексных имитационных моделирую­щих стендов (КИМС), в состав которых входят аппаратура и математические модели с их последующей аттестацией по ограниченному количеству натурных и полунатурных экс­периментов. Это требует существенно мень­ших затрат, чем проведение натурных экспери­ментов, и позволяет прогнозировать функ­ционирование как системы в целом, так и ее подсистем практически для любых вариантов применения.

Основные задачи полунатурного моделирования

Главная задача полунатурного моделирования на КИМС радиосистем ближнего действия (РБД) - получение показателей качества и эф­фективности функционирования (оценка об­ласти срабатывания, вероятностных характе­ристик работы по цели и т. д.) в составе ВСД для заданных в ТТЗ условий применения с целью валидации аппаратуры.

К основным назначениям работ на КИМС РБД относят не только проверку пра­вильности ее функционирования, но и реко­мендации по доработке аппаратуры РБД до ее поставки для комплектации ВСД перед на­турными испытаниями. Не менее важно, что в процессе проведения испытаний может быть получен большой объем результатов для паспортизации математической модели РБД в составе ВСД для последующей оценки выполняемости всех требований ТТЗ к ВСД методом математического моделирования на комплексе аттестованных математических моделей ВСД.

Как показывает практика, в настоящее время существуют большие возможности для создания полунатурных КИМС для РБД как в аппаратной части, так и в части общего программно-алгоритмического обеспечения (ПАО). При этом практически полностью от­сутствуют готовые технологические решения, позволяющие реализовать КИМС, в котором были бы адекватно учтены особенности функ­ционирования РБД, взаимодействующих с вы­сокоскоростными, малозаметными объектами в условиях естественных и специально орга­низованных помех.

В данной статье рассмотрен один из ва­риантов решения данной задачи для РБД фазодоплеровского типа с непрерывным подсветом, используемых в ВСД.

На КИМС РБД, согласно анализа, могут быть получены результаты работы аппарату­ры РБД и ее ПАО в составе ВСД для типовых условий применения:

• по одиночной цели в свободном про­странстве, по прикрытой шумовой помехой оди­ночной маловысотной цели, на фоне подстила­ющей поверхности;
• по постановщику активной шумовой помехи, в том числе прикрытому шумовой помехой;
• по группе из двух «чистых» целей, или по группе из двух постановщиков помех;
• по цели с уводящей помехой по доплеровской скорости.

Отметим, что недостатком процессов, ими­тируемых на КИМС РБД при работе по имитато­ру радиосигнала в сборке с аппаратурой РБД, яв­ляется их «статичность», так как они получаются при фиксированных угловых положениях аппа­ратуры РБД и источников радиосигналов. Ука­занный недочет может быть нивелирован про­ведением экспериментов для различных угловых положений и уровней сигналов.

Методика моделирования РБД

Основную задачу моделирования в боль­шинстве случаев определяет оценка качества функционирования ВСД с аппаратурой РБД для проверки выполнения требований технического задания. Согласно существующей технологии тестирования проводят на ком­плексе математических моделей надсистемы, состоящем из моделей системы управления ВСД (ММУ-ВСД) и комплекса имитационных математических моделей для оценки эффек­тивности ее применения (КИММ-Э) (рис. 1).

Комплекс моделей системы управления ВСД включает в себя:

• модель движения цели и ВСД;
• модель бортовых средств самонаведе­ния (БСН);
• модель инерциальной системы;
• модель наземных средств многофунк­циональных информационно-измерительных станций (МФИИС);
• модель пункта управления (ПУпр);
• модель аппаратуры стартовой автома­тики (АСА).

В состав КИММ-Э обычно входят гео­метрическая или сигнальная математические модели РБД. Геометрическая модель учиты­вает только логику работы аппаратуры РБД во взаимодействии с системой управления ВСД. Сигнальная модель является более точной в части описания процессов, происходящих как в аппаратуре РБД, так и в системе «РБД - ВСД». В большинстве случаев в существу­ющей сигнальной модели достаточно задать цель распределением «блестящих» точек с фиксированным годографом эффективной от­ражающей поверхности (ЭОП) по углам на­блюдения и приема. Аттестация модели РБД в соответствии с вышесказанным сводится к введению в нее следующих элементов:

• законов распределения ЭОП цели;
• характеристик аппаратуры РБД и ее начальных состояний;
• имитаций обмена с СУ;
• инструментальных ошибок;
• ошибок мерцания;
• ошибок, обусловленных воздействием помех прикрытия и эффектом интерферен­ции при обнаружении групповых и низколе­тящих целей.

Радиолокационные математические мо­дели ряда типовых целей (в виде распределе­ния «блестящих» точек в требуемом диапазоне длин волн) обычно разрабатывает и верифицирует предприятие-разработчик РБД. Они инварианты для всех вновь создаваемых РБД.

На этапе полунатурных работ при назем­ной отработке РБД фазодоплеровского типа на КИМС РБД могут быть решены задачи по аттестации математических моделей, используемых для оценки следующих параметров:

• областей срабатывания в различных условиях встречи (дальность срабатывания, количество ложных срабатываний, количество несрабатываний);
• характеристик квадратурных состав­ляющих сигналов на входе сигнальных кана­лов высокочастотного приемного устройства (ВПУ);
• характеристик квадратурных состав­ляющих сигналов на выходе фильтров сосре­доточенной селекции сигнальных каналов ВПУ;
• характеристик квадратурных составля­ющих сигнала на выходе доплеровских филь­тров низких частот (ФНЧ) с различной от­стройкой центральной частоты;
• характеристик выходных сигналов на выходе ФНЧ каждого доплеровского канала;
• моментов срабатывания доплеровских каналов;
• характеристик суммарной фазы сигнала на входе фазового детектора основного и ква­дратурного каналов;
• характеристик сигналов с выходов основного и квадратурного каналов;
• моментов общего срабатывания частот­ного канала;
• моментов общего срабатывания фазо­вого канала;
• моментов общего срабатывания аппа­ратуры.

С точки зрения системного подхода для верификации работы математической модели радиосистем ближнего действия фазодопле­ровского типа и валидации аппаратуры для большего диапазона условий встречи целесо­образно привлекать КИМС РБД с ММУ-ВСД и КИММ-Э.

В соответствии с принятой технологией для каждого проектируемого изделия разраба­тывают автоматизированную комплексную ис­пытательную станцию (АКИС), позволяющую проверить исправность всех подсистем, в том числе и радиосистем ближнего действия. Соз­дание КИМС РБД на базе АКИС-ВСД позво­ляет комплексно и с минимальными затратами контролировать ключевые команды и сигналы, необходимые для валидации аппаратуры РБД и верификации математической модели.

Показатели правильности работы аппа­ратуры РБД ВСД совместно с требованиями, предъявляемыми к системе, определяют кри­терии правильности ее работы, что в свою очередь позволяет выбрать методику, техно­логию и объем проводимых стендовых экспе­риментов. Методика проведения эксперимента и структура комплекса математических моде­лей определяет структурно-функциональную схему КИМС РБД.

Правильность работы аппаратуры РБД ВСД характеризуют следующие показатели:

• вероятность срабатывания по цели для условий встречи, заданных ТТЗ (Р_ср);
• вероятность ложных срабатываний по подстилающей поверхности, по помехе (есте­ственной или искусственной) (Р_лср);
• пространственная конфигурация эффек­тивной области срабатывания (OS) аппаратуры РБД по цели для условий встречи, заданных ТТЗ (Θ).

Критериями правильности работы аппа­ратуры РБД фазодоплеровского типа для ВСД обычно служат следующие правила принятия решения:

1. аппаратура РБД должна обеспечи­вать срабатывание по заданным целям (S) в заданных условиях применения для типо­вых условий встречи (Θ) с вероятностью не ниже требуемой (Р_ср): по беспилотным целям   по пилотиру­емым целям - 
2. аппаратура РБД должна обеспечивать разброс координат срабатывания (σ_χ) не бо­лее X_mp при вероятности накрытия уязвимого контура цели (P_H ) для всех типов целей (S), заданных ТТЗ, не ниже 
3. аппаратура РБД должна формировать эффективную область срабатывания (OS) по заданным целям (S), обеспечивающую услов­ную вероятность поражения (УВП) (Ρ_Α(σ)) целей одной ВСД не менее требуемого уров­ня (P_A^mp) при заданных уровнях условно­го закона поражения (УЗП) P_A(h_∑): для бес­пилотных целей -  для пилотируемой авиации -  

• аппаратура РБД должна обладать высокой помехоустойчивостью от организо­ванных помех (ξ) и совместно со средством воздействия обеспечивать требуемый уровень УВП (ΡΑ(σ) > P_A^mp) на заданном множестве це­лей (S) при воздействии помех, заданных ТТЗ.

Структурно-функциональная схема полунатурного стенда

Для реализации концепции полунатурного моделирования аппаратуры РБД фазодопле­ровского типа в составе изделия было принято решение разработать оборудование комплекс­ных имитационных моделирующих стендов, используя опыт создания АКИС ВСД. Для до­стижения вышеуказанных целей были сфор­мированы основные требования к стенду:

• многофункциональность - стенд должен обеспечивать все необходимые входные воздей­ствия на РБД и анализировать выходные;
• универсальность - возможность исполь­зования широкого спектра модельных сигна­лов методом программной реконфигурации без доработки аппаратной части стенда;
• возможность работать с распространен­ными интерфейсами различного типа.

Также была сформирована общая кон­цепция построения стенда - использование многофункциональной модульной платформы PXI в сочетании с разрабатываемым блоком двухканального переносчика частоты (ДПЧ), который представляет собой СВЧ-устройство для преобразования опорной частоты модель­ного сигнала при помощи дифференциаль­ной квадратурной модуляции. Полунатурный стенд состоит из следующих комплекту­ющих:

• электронно-вычислительной машины с комплексом математических имитационных моделей, реализуемых в среде Simulink и Visual Studio 2005;
• промышленного компьютера техноло­гии PXI, обеспечивающего управление, об­работку и отображение результатов экспери­ментов;
• блока двухканального переносчика частоты;
• источника питания;
• аппаратуры РБД фазодоплеровского типа.

Внешний вид блока «двухканального переносчика частоты» и промышленного ком­пьютера технологии PXI представлен на рис. 2.

Промышленный компьютер технологии PXI, в свою очередь, состоит из высокопроиз­водительного 18-слотового шасси NI PXI-1075, набора фронтально загружаемых в него моду­лей и контроллера.

Для решения задач, возникающих в про­цессе разработки КИМС, используют модули:

• интерфейсную плату AIT MIL-STD-1553, обеспечивающую обмен информацией между промышленным компьютером и РБД по ГОСТ Р 52070-2003;
• высокоскоростные осциллографы NI PXIe-5105 (2 шт.) для приема и оцифровки всех выходных сигналов с РБД, которые не­обходимо контролировать в процессе полунатурной работы;
• генераторы сигналов произвольной формы (2 шт.) NI PXIe-5451, обеспечивающие формирование модулирующих сигналов для двухканального переносчика частоты.

Контроллер NI PXI-8133 управляет ра­ботой всего стенда, включая неунифициро­ванный блок двухканального переносчика частоты, разработанный по отдельному тех­ническому заданию. Характеристики кон­троллера позволяют реализовывать сложные вычислительные алгоритмы и обменивать­ся большими объемами информации с каж­дым из встроенных в систему модулей (до 8 Гбайт/с для всей системы). В качестве среды проектирования используется высокоуровне­вый язык программирования LabVIEW 2012, созданный специально для PXI-систем. Глав­ные и принципиальные отличия LabVIEW от классических языков программирования - графический способ проектирования программ и их потоковое исполнение - позволя­ют находить новые пути решения задач, а в ряде случаев получить качественно лучшие результаты. При этом сам процесс разработки новых программно-технических комплексов [1] упрощается.

На контроллере установлена операци­онная система WINDOWS 7, а созданный при помощи LabVIEW удобный интерфейс про­граммы позволяет убрать отдельное рабочее место оператора.

Методика и условия проведения стендового эксперимента

При проведении экспериментальных работ необходимо задать общую последователь­ность действий. В нее входят:

1. разработка плана полунатурных экс­периментов на КИМС РБД, в котором указы­вают перечень типовых условий встречи ВСД с целью;
2. проведение сквозного математического моделирования на ММУ-ВСД и КИММ-Э для РБД определенных планом условий примене­ния ВСД;
3. формирование по результатам моде­лирования массивов входных сигналов для РБД фазодоплеровского типа для каждой точки плана экспериментов в виде таблиц;
4. проведение на КИМС РБД полунатурного моделирования для всего массива вход­ных сигналов;
5. формирование массива выходных сигналов (реакция РБД) и массива оценок показателей правильности работы аппаратуры (Р_ср, Р_лср, OS);
6. проведение на КИММ-Э моделирова­ния для зафиксированной реакции аппаратуры радиосистем ближнего действия на входные сигналы для (Р_ср, Р_лср, OS) в целях получения оценок УЗП, УВП и разброса координат сра­батывания;
7. анализ результатов математического и полунатурного моделирования;
8. принятие решения о правильности функционирования аппаратуры в данных ус­ловиях по критерию правильности работы аппаратуры радиосистем ближнего действия фазодоплеровского типа.

Методика получения входных сигналов

В качестве входных сигналов в полунатурных экспериментах используют синтезированный сигнал, модулируемый в соответствии с за­коном для отраженного сигнала от типовой цели в текущих условиях пролета.

Общая теория расчета входных сигна­лов для систем ближней радиолокации (СБРЛ) от радиолокационных сцен, внешняя поверх­ность которых задана в виде полигональной модели, аппроксимирующей поверхность цели в виде совокупности плоских треуголь­ных элементов (полигонов), рассмотрена в работах А.Б. Борзова, РП. Быстрова, А.В. Соколова и В.Б. Сучкова [2, 3]. Методика рас­четов имеет максимальную степень досто­верности по сравнению с данными экспе­риментов, поскольку позволяет наиболее точно формализовать геометрию поверхно­сти цели и учесть электродинамические эф­фекты, имеющие место в условиях ближней зоны локации. Поскольку подобная модель сигнала РБД учитывает сложные волновые процессы, то необходимую точность можно достичь при количестве полигонов не менее 1,3 · 10⁵, что, в свою очередь, приводит к большим временным затратам на вычисления. В связи с этим при проведении практических расчетов в настоящее время используют «бы­стрые» многоточечные модели, образованные из 10-20 «блестящих» точек, что позволяет значительно сократить время анализа. Мето­ды получения таких многоточечных моделей радиолокационных характеристик целей изложены в работе С.В. Ягольникова [4].

В качестве входных сигналов для ДПЧ при генерации входных сигналов по каждо­му из каналов РБД используют квадратурные компоненты (Х, Y), полученные с использова­нием алгоритмов расчета отраженного сигнала на входе каждого канала РБД. При этом вход­ные сигналы ДПЧ для каждого канала РБД представляют в виде

v(t) = x(t) cos w_ct + jy(t) sin w_ct,

где w_c - частота несущей, условная промежу­точная частота РБД, которая служит в качест­ве опорной.

Для расчета входных сигналов РБД тра­ектория относительного движения цели задает­ся в относительной системе координат (ОСК), начало которой, точка O_p , совмещается с цен­тром координат ВСД Sp: {O_p, X_p, Y_p, Z_p). Орт  ОСК направлен по вектору относительной ско­рости и лежит в плоскости, образованной век­торами скоростей  ВСД и цели, а также вектором относительной скорости  Данные векторы образуют треугольник скоро­стей. Орт  перпендикулярен плоскости треу­гольника скоростей, а орт z дополняет ОСК до правой плоскости. В качестве параметров, определяющих условия встречи, принимают:

• курсовой угол  - угол между  и 
• курсовой угол цели q - угол между век­тором скорости цели ;
• угол крена цели  λ_цv - угол между пло­скостью планера ВСД и плоскостью треуголь­ника скоростей;
• V_p - угол атаки ВСД.

Координата срабатывания РБД X₀ в ОСК соответствует продольной координате х - ус­ловной точке цели и вектору ее промаха , где h - величина промаха, Θ - угол по трубке промахов, отсчитываемый от оси z по часовой стрелке.

При расчете мощности входного сигнала РБД на траектории движения цели, заданной многоточечной моделью, используют массивы значений эффективной площади рассеивания и начальной фазы локальных отражателей, рассчитанные на этапе формирования много­точечной модели. В соответствии с представ­лением цели в виде набора локальных отража­телей мощность отраженного сигнала от m-й точки многоточечной модели в ближней зоне локации определяют следующим образом:

где D_pr - коэффициент направленного дей­ствия (КНД) приемной антенны РБД, D_per - КНД передающей антенны РБД;

λ - длина волны, м;

P_per - мощность передатчика РБД, Вт;

R_o - наклонная дальность «передатчик РБД - m-я точка на цели», м;

r_m = - расстояние от приемника РБД до m-го отражающего элемента цели, выделенного в математической модели, в момент времени t для текущего k-го канал приемника РБД, м;

DD_RA - текущее значение функции направ­ленности приемной антенны РБД в направле­нии визирования m-го элемента цели (Θ'");

DD_TA - текущее значение функции на­правленности передающей антенны РБД;

ERS_m - значение ЭОП каждого m-го эле­мента цели с направления угла приема φ_Μ;

φ_m - угол между направлением на центр приемной антенны и осью цели для каждого m-го элемента цели (ось цели - вектор, харак­теризующий положение продольной оси фю­зеляжа цели в выбранной СК).

Зная мощность входного сигнала РБД Р_ос, вычисляем квадратурные составляющие сигнала от каждой m-й «блестящей» точки на входе приемника РБД (на выходе антенной системы) в текущий момент времени t_i:

где   - амплитуда  отраженного сигнала от m-й «блестящей» точки В, в которых Za - сопротивление излучения ан­тенны РБД;

- текущая радиаль­ная скорость m-й «блестящей» точки цели, м/с;

t_i - текущий момент времени;

 - дальность до «блестящей» точки в текущий и предыдущий моменты времени, м;

 - начальная фаза отра­женного сигнала от элементарного отражателя («блестящей» точки);

Δt - шаг моделирования, с.

В каждый момент времени t_i вводят значения квадратурных составляющих от­раженного сигнала от каждой m-й «блес­тящей» точки:

Находим амплитуду суммарного сигнала на входе каждого канала приемника РБД:

Фаза суммарного сигнала на входе каж­дого канала приемника в текущий момент вре­мени ti вычисляют по формуле

Выбор шага расчета считают наиболее ответственным моментом, поскольку он су­щественно влияет на адекватность входного сигнала. Для РБД, использующего принцип частотной селекции и фазовой пеленгации цели, шаг расчета выбирают на основании теоремы Котельникова, исходя из условия сохранения информации о частоте и фазе сигнала, и обычно Δt = λ/kV_рц, где k = 4, 8, ... .

Результатом расчета отраженного сигна­ла на входе приемника РБД в t_i момент времени является массив данных (входные сигналы для пролета на фиксированном промахе и фазе) (рис. 3):

Npoint - номер точки плана экспериментов;

Promax - промах в картинной плоскости, м;

FazaKci - угол по трубке промаха, град;

V_отн - относительная скорость сближения, м/с;

t_i  - текущее время моделирования, с;

Amp_k - суммарная амплитуда сигнала на входе k-го канала РБД, В;

Faza_k            - фаза суммарного сигнала на входе k-го канал РБД, рад;

 - квадратурные составляющие сигнала (X, Y) на входе приемника РБД на момент времени t_i (k-го канала).

Контролируемые сигналы и параметры

Для проверки правильности функционирова­ния РБД фазодоплеровского типа обычно от­слеживают выходные параметры, одновремен­но являющиеся первоначальными данными для аттестации математической модели РБД (см. рис. 4). Для сигнальных каналов контролируют:

• сигналы на входе сигнальных каналов приемника (на входе УПЧ1-k);
• сигналы на выходе фильтров сосредото­ченной селекции сигнальных каналов прием­ника - напряжения с выходов амплитудных де­текторов в УПЧ приемного устройства (U_ш1,2) (после УПЧ1-k-j).

Для доплеровского канала (ДК) отсле­живают:

• сигналы на выходе доплеровских фильт­ров с отстройкой f₁, f₂ кГц.

Для фазового пеленгатора проверяют сигналы с выходов фазовых детекторов основ­ного и квадратурного каналов (U_ФД1 - синусои­дальное напряжение, U_ФД2 - косинусоидальное напряжение).

Для блока логической обработки сигна­лов уточняют:

• время срабатывания доплеровских (СрабДК) и фазовых (СрабФК) каналов;
• общее время срабатывания РБД (СрабРБД).

Типовой пример результатов работы 4-канального РБД фазодоплеровского типа по сигналу от математической точки показан на рис. 4, где приведены импульсы срабатывания по ДК, ФК и общего срабатывания, а также сигналы с выходов фильтров сосредоточенной селекции сигнальных каналов приемника - напряжения с выходов амплитудных детек­торов в УПЧ приемного устройства (U_шп(з)1,2), с выходов доплеровских фильтров с отстрой­кой f₁, f₂, f₃ кГц (сигналы U_дк1, U_дк2, U_дк3 и с выходов фазовых детекторов основного и квадратурного каналов (U_ФД1  - синусоидаль­ное напряжение, U_ФД2  - косинусоидальное напряжение).

Вывод

Решить проблему минимизации числа натур­ных экспериментов в полной комплектации ВСД при одновременном гарантированном выполнении требований ТТЗ можно при помощи увеличения числа полунатурных экс­периментов, которые используют технологию сквозного полунатурного моделирования на базе КИМС, включающих в свой состав аппаратуру и математические модели необхо­димых систем с их последующей аттестаци­ей по ограниченному количеству натурных и полунатурных экспериментов. Разработанная и апробированная авторами технология стендового полунатурного имитационного моделирования фазодоплеровских РБД по­зволяет существенно снизить материальные и временные затраты при разработке ВСД и дать достоверный прогноз функционирова­ния как системы в целом, так и ее подсистем практически для любых ситуаций применения.