Разработка цифрового двойника радиолокационной станции дальнего обнаружения

Введение

Современные темпы развития отрасли требу­ют быстрого и точного прототипирования РЛС с целью повышения качества разработки. Эту задачу можно решить с помощью примене­ния концепции цифрового двойника. Цифро­вой двойник - это бинарная модель, которая детально имитирует работу РЛС и ее состав­ных частей. Разработка цифрового двойника РЛС является актуальной задачей, так как по­является возможность проверить как можно больше практических решений за минималь­ное время, а также подтвердить их правиль­ность на этапе эскизного проектирования. Цифровой двойник должен обладать свой­ствами ситуационного моделирования и от­вечать на основной вопрос: как изменяются основные тактико-технические характери­стики (ТТХ) изделия в различных условиях функционирования. Например, как увидеть изменение оценки угловых координат, если каждый приемный канал антенны будет рас- фазирован, или оценить деградацию алгорит­ма помехозащиты при нелинейности АЧХ при­емника. Быстрые ответы на подобные вопросы существенно экономят время при принятии решений заказчиком, главным конструктором или разработчиком аппаратуры.

К тому же с помощью цифрового двойни­ка можно отлаживать новые концепции управ­ления РЛС и оперативно их внедрять в штат­ный режим работы. Кроме того, цифровой двойник позволяет верифицировать новые ме­тоды и алгоритмы цифровой обработки сиг­нала без присутствия на объекте испытаний, что существенно экономит время и трудозатра­ты. Также цифровой двойник позволяет много­кратно повторить различные эксперименты по помехозащите, по обнаружению и распозна­ванию сложных целей и многое другое.

Безусловно, разработка цифрового двой­ника РЛС дальнего обнаружения - сложный и трудоемкий процесс, который по времени может быть сопоставим с процессом разра­ботки натурной РЛС. Однако вышеперечислен­ные преимущества оправдывают потраченное время и затраты. В статье рассматривается упрощенная верификационная модель (УВМ), которая является начальным приближением к цифровому двойнику. Ключевым досто­инством УВМ является то, что она отражает конструктивные и физические особенности аппаратной части разрабатываемой РЛС даль­него обнаружения. К конструктивным особен­ностям можно отнести: размер РЛС, общую структуру и вид антенного полотна, в частно­сти тип излучателей и расстояние между ними, коммутацию аналоговых и цифровых приемо-передатчиков, метод формирования диаграмм направленности (применительно к данной модели - цифровой метод) и многое другое. Физические особенности - это пара­метры, которые определены в ТУ на аналого­вые и цифровые приемо-передатчики: коэффи­циент передачи приемо-передающего канала, АЧХ и ФЧХ приемо-передающего тракта, ко­эффициент шума и другое. Разработка УВМ осуществлялась в пакете Matrix Laboratory (MATLAB). Благодаря проработанному мате­матическому аппарату, MATLAB хорошо под­ходит для моделирования не только отдельных составных узлов РЛС, но и изделия в целом. В частности, пакет MATLAB включает в себя такие библиотеки, как Phased Array system tool­box, Antenna toolbox, DSP system toolbox и мно­гие другие, которые способствуют быстрому и точному моделированию особенностей раз­рабатываемого изделия [1]. Также стоит от­метить, что сам программный язык MATLAB стал средством общения между научным со­обществом по всему миру [2].

Наибольший интерес, с точки зрения мо­делирования, вызывает утилита Simulink, кото­рая является частью пакета MATLAB. Simulink позволяет осуществить моделирование изде­лия и его составных частей в наглядной фор­ме. Это, в свою очередь, обеспечивает высокий уровень понимания общих принципов работы разрабатываемой РЛС.

Рассмотрим архитектуру построения УВМ.

Архитектура УВМ

Структурная схема УВМ представлена на ри­сунке 1.

Главным конструктивным элементом УВМ является антенный радиоэлектронный комплекс (РЭК) (внешний вид РЭК представ­лен на рис. 2б), состоящий как из аналоговых приемо-передающих модулей (АППМ), так и из цифровых приемо-передающих модулей (ЦППМ). По сути, РЭК является конструктив­ной единицей РЛС (рис. 2а). Набор из несколь­ких десятков или сотен РЭКов может ими­тировать полноценную РЛС. В связи с этим мы разработали на базе утилиты Simulink биб­лиотечный блок РЭК (рис. 3), что позволяет его использовать совместно со стандартными бло­ками, предусмотренными в Simulink, напри­мер цель, среда, антенно-фидерное устрой­ство (АФУ). В свою очередь, РЭК базируется на АППМ и ЦППМ, которые и определяют физические особенности работы станции. Они были выполнены также в виде библио­течных элементов (рис. 3).

Хочется отметить, что в одном РЭК нахо­дятся 64 АППМ и 32 ЦППМ, а применительно к полноценной РЛС их порядка нескольких тысяч. На функциональной схеме представ­лен вычислительный комплекс (ВК), который формирует команды управления составны­ми элементами модели. Также ВК анализи­рует принятые команды состояния с целью функционального контроля изделия. Вычис­лительный комплекс - это абстрактный эле­мент модели, представляющий собой набор алгоритмов и методов анализа. В частности, ВК позволяет сформировать зондирующий сигнал, осуществить цифровую обработку принятого сигнала. Более подробно ВК будет рассмотрен далее. Помимо ВК и РЭК на функ­циональной схеме представлены блок АФУ, блок «среда распространения», блок «цель».

В рамках статьи эти блоки подробно рассмат­риваться не будут, так как они выполнены стандартными средствами утилиты Simulink. Однако нами была предусмотрена возмож­ность интеграции собственных методов и ал­горитмов, реализующих функционал блоков, для более детального учета разнообразных особенностей целей, среды и АФУ

Для общего понимания принципов ра­боты модели УВМ рассмотрим рисунки 4 и 5. На рисунке 4 представлена УВМ, реализован­ная средствами Simulink. Она соответствует канонической схеме [3], определенной в теории радиолокации. На рисунке 5 раскрыта схема РЭКа (приемо-передатчика, аппаратная часть РЭКа - подсистема 9) более подробно применительно к модели Simulink.

Генератор сигнала формирует зондирую­щий сигнал (ЗС) в двух поляризациях (таким образом, всего в модели 128 каналов: 64 гори­зонтальных и 64 вертикальных), причем вид и параметры ЗС задаются как стандартными генераторами Simulink, так и с помощью BK, где можно сформировать ЗС произвольного вида. Далее ЗС поступает в передающий тракт РЭКа через ЦППМ к АППМ (на рисунке 4 это передатчик). Распространение ЗС по линиям ЦППМ и АППМ обеспечивается подсисте­мой 6 рисунка 5. Подсистема 7 осуществляет дальнейшее распространение сигнала от пере­дающего тракта РЭКа к блокам среда и цель (помеховая составляющая входит в состав бло­ков и модулей). Далее отраженный сигнал по­ступает на приемный тракт РЭКа (приемник на рисунке 4) от АППМ к ЦППМ. В свою оче­редь, распространение сигнала по приемно­му тракту РЭКа обеспечивает подсистема 5. Подсистема 8 осуществляет распространение отраженного сигнала для дальнейшего анализа с помощью BK (обработка сигналов).

На рисунке 5 показано 8 аналоговых блоков (соответствует 1) и 4 цифровых бло­ка (соответствует 2). Отметим, что сигналы от двух аналоговых блоков поступают в один цифровой блок, аналогично выходы цифрово­го блока обеспечивают два аналоговых блока. B свою очередь, каждый из блоков содержит по 8 АППМ и ЦППМ, представленных на ри­сунке 3. Разработка дополнительных подси­стем аналоговых и цифровых блоков обус­ловлена улучшением читабельности модели. Аналоговый приемо-передающий модуль вы­полняет следующие функции: фильтрацию, аттенюацию, предварительное усиление. Так­же в нем учитываются нелинейные элементы, шумовые эффекты. Цифровой приемо-передающий модуль обеспечивает цифро-аналоговое преобразование, аналого-цифровое преоб­разование, аттенюацию, преобразование час­тот, фильтрацию сигнала, многоскоростную обработку [4]. Также в ЦППМ реализованы алгоритмы компенсации задержек сигнала, которые могут возникнуть в приемо-передающем тракте. Вычисление задержек сиг­нала приемного и передающего тракта ФАР осуществляется по внешнему излучателю/ приемнику и реализовано в вычислительном комплексе.

Распределение параметров управления каждым из АППМ и ЦППМ осуществляется с помощью подсистемы 3.

Смоделируем следующую ситуацию: от внешнего источника сигнала в РЭК через среду поступает ЗС. Из-за неидентичности длин кабелей или из-за рассинхронизации АЦП мо­гут возникнуть случайные задержки на каждом из приемных каналов, что, в свою очередь, мо­жет повлиять на приемную диаграмму направ­ленности. С помощью подобного режима рабо­ты можно сымитировать ситуацию калибровки и фазировки станции (рис. 6а и б).

В УВМ предусмотрены различные ме­тоды расчета задержек сигнала. Рассмотрим их вкратце (во всех методах один из сигналов является опорным, относительно которого осу­ществляется расчет задержки):

• метод на основе расчета интеграла вза­имной корреляции [5] (далее по тексту - кор­реляционный метод);
• метод на основе спектрального анализа осуществляет расчет спектров двух сигналов, далее находит номера фильтров, где спектры максимальные, и подставляет их в качестве индексов в расчет разности между фазовы­ми частотными характеристиками [5] (далее по тексту - спектральный метод);
• метод на основе преобразования Гиль­берта осуществляет преобразование Гильберта над сигналами, далее рассчитывает фазу отно­шения между результатами преобразования [5] (далее по тексту - метод Гильберта);
• метод на основе свойств ЛЧМ сигнала осуществляет гетеродинирование между опор­ным сигналом и сигналом с задержкой, далее производит расчет спектра, где находит значе­ние максимального фильтра, по значению ко­торого производится расчет задержки сигнала (далее по тексту - метод ЛЧМ).

На рисунке 7 представлены результаты обработки вышеизложенными методами.

Из результатов работы модели можно сделать следующие выводы: корреляционный метод дает наибольшую погрешность вычис­ления задержки сигнала (рис. 7а, штрихпунк- тирная линия). Преимущество этого метода в простоте его реализации. Спектральный ме­тод и метод Гильберта дают очень близкие оценки задержки сигнала (рис. 7б), но эти ме­тоды не справляются с поставленной задачей, когда задержка сигнала становится больше це­лого периода сигнала. К тому же эти методы очень чувствительны к шумовым и помеховым составляющим. Метод на основе свойств ЛЧМ сигнала не имеет вышеизложенных недостат­ков, однако он более сложен в реализации.

Так как в роли ЗС выступает ЛЧМ сиг­нал, для дальнейшего анализа остановимся на методе ЛЧМ. После расчета задержек сиг­нала в приемо-передающем тракте необходи­мо произвести их компенсацию. Компенсация осуществляется в ЦППМ. Для этого была рас­считана матрица задержек (рис. 8).

Каждый столбец матрицы - это набор за­держек сигнала на всех каналах, номер столб­ца - это относительно какого канала произво­дится компенсация задержек. Таким образом, элементы выбранного столбца записываются в ЦППМ, где осуществляется компенсация задержки сигнала. Результаты компенсации временных задержек представлены на рисун­ках 6в и г.

Далее рассмотрим структуру и интер­фейс управления УВМ.

Структура и интерфейс управления УВМ

Разработанная упрощенная верификационная модель управляется с помощью специальной структуры - структуры управления. По сути, структура управления - это массив структур, где индексом является номер РЭК. В свою оче­редь, структура РЭК включает в себя следую­щие компоненты:

• массив структур управления АППМ, где каждая структура хранит собственные зна­чения параметров управления одного АППМ, такие как коэффициент передачи, коэффици­енты фильтров, АЧХ и т.п. Таким образом, в модели УВМ каждый АППМ может иметь свои параметры управления, что позволяет адаптировать модули к особенностям реаль­ных АППМ, тем самым приближая УВМ к ре­альной РЛС;
• массив структур управления ЦППМ, так же как и в АППМ, можно отдельно управ­лять каждым ЦППМ, например регулировкой задержки сигнала приема/передачи, установ­кой коэффициентов цифровых фильтров, ре­гулированием ширины полосы сигнала;
• структура цель, которая содержит па­раметры управления целью: ЭПР, дальность, скорость и т. п.;
• структура среда, которая содержит па­раметры управления средой распространения: коэффициент отражения от Земли, задержки, количество полос и т. п.

Далее рассмотрим интерфейс управле­ния, который представлен на рисунке 9.

По сути, представленный интерфейс яв­ляется оболочкой ВК. Как можно видеть, ин­терфейс управления имеет довольно обшир­ный набор опций, которые позволяют задавать различные режимы отображения полученной информации выбором включения или отключе­ния как АППМ, так и ЦППМ, и многое другое. Вкладка Model List вызывает свой интерфейс управления: формирование зондирующего сигнала, цели, среды, антенны, РЭК, АППМ и ЦППМ. Также предусмотрен режим работы по цели, где в качестве среды распространения и цели выступают стандартные блоки утили­ты Simulink. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию: две цели с отличными ЭПР расположены на разных расстояниях. Первая цель находилась на расстоянии по­рядка 1000 м, другая - на 2000 м. Причем ра­диальная скорость у целей была разная. Об­работка и отображение полученного сигнала осуществлялись стандартными блоками ути­литы Simulink. Результат обработки представ­лен на рисунке 10.

Выводы

На начальном этапе разработки цифрового двойника РЛС была создана упрощенная верификационная модель, в которой был смоде­лирован один антенный РЭК и его составные части: АППМ и ЦППМ. Модель цели, среды распространения радиоволн, АФУ использо­валась из среды Simulink. Благодаря особен­ностям утилиты Simulink модель получилась наглядной и отражает конструктивные осо­бенности проектируемого изделия. Управле­ние моделью и отображение результатов ее работы осуществляются с помощью разработанного приложения на языке MATLAB. В связи с этим модель имеет гибкую структуру, что позволяет адаптировать каждый отдельный модуль под реальные характеристики разра­батываемого изделия. Были решены следую­щие задачи: дано общее понимание принци­пов работы изделия, определены параметры управления аппаратурой и программным обес­печением, отработан режим калибровки при­емного и передающего тракта по внешнему калибровочному сигналу, отработан режим обнаружения цели.

Хочется отметить, что модель имеет не­законченный вид и в дальнейшем будет расши­ряться для выполнения других задач. Прио­ритетными направлениями развития модели являются: увеличение количества РЭК (уве­личения размера антенны), задание уравне­ния движения цели, работа по сложным це­лям. Также нами рассматривается возможность проведения полунатурного моделирования, применение технологии SDR (англ. Softwaredefined radio).

Разработка модели идет параллельно с разработкой натурного РЭКа, поэтому даль­нейшим направлением будет сравнение пара­метров, полученных при моделировании, с результатами испытания РЭК.