Trong bài viết này, các tác giả trình bày thiết kế, chế tạo hệ thống giả lập radar kiểm soát biển. Mục tiêu của hệ thống này là tạo ra hệ thống luyện tập có chương trình điều khiển và hiển thị giống như hệ thống khí tài thực tế, giúp cho người dùng làm quen với hệ thống thật.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 31 THIẾT KẾ GIẢ LẬP HỆ THỐNG RADAR GIÁM SÁT BIỂN DESIGN OF SIMULATOR SYSTEM FOR MARINE-SURVEILLANCE RADAR Nguyễn Trường Giang, Hoàng Trang Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM Ngày tòa soạn nhận 23/12/2015, ngày phản biện đánh giá 06/01/2016, ngày chấp nhận đăng 15/4/2016 TÓM TẮT Trong báo này, tác giả trình bày thiết kế, chế tạo hệ thống giả lập radar kiểm soát biển Mục tiêu hệ thống tạo hệ thống luyện tập có chương trình điều khiển hiển thị giống hệ thống khí tài thực tế, giúp cho người dùng làm quen với hệ thống thật Các bàn phím điều khiển, chương trình phần cứng điều khiển với PIC thiết kế y hệ thống khí tài thật mà trang bị cho sĩ quan, giao diện, ngơn ngữ kích thước Màn hình hiển thị giả lập thiết kế với ngôn ngữ C# hoạt động hệ thống hiển thị radar thực tế, với chế độ giả lập cho công tác huấn luyện kịch khác Từ khóa: Radar; hệ thống giả lập; giám sát biển; vi điều khiển PIC; huấn luyện ABSTRACT In this paper, the authors present the design, manufacture of a simulator system for marine-surveillance radar The objective of this work is to create a practicing system which consists of control program and display like the real ones Therefore, it helps users to become familiar with the real system Keyboard, program and hardware for controlling based on PIC-microcontroller are designed and manufactured to match perfectly in size interface language with the actual system which is equipped to soldiers The display interface is created using C# programming language and works with different scenarios for training purposes Keywords: Radar; simulator system; marine-surveillance radar; PIC-microcontroller; training GIỚI THIỆU Trong tác chiến đại, vũ khí khí tài cơng nghệ cao có vai trị định thắng lợi chiến tranh, radar khí tài đại có vai trị nhiệm vụ quan trọng tác chiến[1] Khí tài radar phát sóng vào khơng gian sục sạo tìm kiếm mục tiêu xâm phạm vùng trời, vùng biển hải đảo, vùng lãnh thổ Tổ Quốc để kịp thời thông báo cho lực lượng phịng vệ Phịng Khơng - Khơng Quân Hải Quân có phương án tác chiến kịp thời bảo vệ lãnh thổ lãnh hải Tổ Quốc Ngoài radar cịn có nhiều nhiệm vụ khác điều khiển loại hỏa lực tiêu diệt mục tiêu, dẫn đường cho tàu thuyền, máy bay ta tác chiến Trong tình hình nay, việc thiết kế chế tạo hệ thống radar gặp nhiều khó khăn cơng nghệ, Việt Nam phải nhập từ nước Khai thác sử dụng thành thạo loại khí tài radar đại có ý nghĩa quan trọng góp phần quản lý tốt vùng trời vùng biển Tổ Quốc Trong điều kiện khí tài thật phải nhập từ nước với giá thành cao trang bị tàu 32 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh phục vụ công tác sẵn sàng chiến đấu Do vậy, vấn đề cấp thiết nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giả lập radar giám sát biển phục vụ nhiệm vụ huấn luyện Hệ thống giả lập giúp chiến sỹ Hải Quân luyện tập, giúp chiến sỹ nhanh chóng nắm bắt sử dụng thành thạo khí tài thật; từ góp phần bảo vệ vững vùng trời, vùng biển, hải đảo Tổ Quốc Phần lại báo tổ chức sau: Trong phần 2, chúng tơi trình bày ngắn gọn ngun lý làm việc hệ thống radar nguyên lý tham số mục tiêu radar Từ đó, phần 3, chúng tơi trình bày việc thiết kế, chế tạo hệ thống giả lập Cuối cùng, phần kết luận báo trình bày phần NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG RADAR VÀ ĐO CÁC THAM SỐ MỤC TIÊU CỦA RADAR Phần trình bày nguyên lý radar, làm sở cho thiết kế chế tạo phần 2.1 Phân loại radar theo dải tần làm việc Bảng Phân loại dải tần làm việc radar Tên băng tần Phạm vi tần số HF VHF UHF L S C X Ku K Ka V W mm MHz - 30 MHz 30 MHz – 300 MHz 300 MHz – 1000 MHz 1000 MHz – 2000 MHz 2000 MHz - 4000 MHz 4000 MHz- 8000 MHz 8000 MHz – 12000 MHz 12 GHz – 18GHz 18 GHz – 27 GHz 27 GHz- 40 GHz 40 GHz – 75 GHz 75 GHz- 110 GHz 110 GHz – 300 GHz Phân loại radar theo dải tần làm việc trình bày Bảng 1[1,2,3] Radar làm việc tần số cao độ xác đo tọa độ mục tiêu lớn suy hao đường truyền sóng lớn dẫn đến cự ly quan sát giảm; ngược lại radar làm việc tần số thấp cự ly quan sát tăng độ xác đo tọa độ mục tiêu giảm[4,5] 2.2 Nguyên lý làm việc hệ thống radar Chuyển mạch thu phát Máy phát Máy thu Hiển thị Hình Nguyên lý làm việc hệ thống radar Nguyên lý làm việc hệ thống radar xung hoạt động theo sơ đồ khối Hình Máy phát radar tạo xung phát xạ siêu cao tần đưa qua hệ thống ống dẫn sóng tới chuyển mạch thu phát, lúc chuyển mạch thu phát đóng tuyến thu để khơng cho lượng siêu cao tần lọt vào phá hỏng máy thu, đồng thời mở tuyến phát đưa lượng siêu cao tần ăng ten xạ định hướng vào không gian dạng sóng siêu cao tần Sóng siêu cao tần gặp mục tiêu phản xạ trở ăng ten thu nhận qua hệ thống ống dẫn sóng chuyển mạch thu phát vào máy thu Tại máy thu, tín hiệu mục tiêu phản xạ trở chọn lọc, biến đổi, khuếch đại đưa đến thiết bị hiển thị Thiết bị hiển thị mục tiêu, qua xác định tham số, tính chất mục tiêu cự ly, phương vị, độ cao … Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 2.3 Nguyên tắc đo tham số mục tiêu radar a) Đo cự ly mục tiêu radar 33 đồng với nhau, nghĩa ăng ten tia quét có tốc độ quay, búp hướng Bắc tia qt độ hình hiển thị mục tiêu Giả sử Hình 3, búp sóng qt tới góc α gặp mục tiêu phản xạ trở hiển thị hình radar ta đo góc 59độ c) Nguyên tắc đo độ cao mục tiêu radar Hình Cự ly tín hiệu mục tiêu Nguyên tắc đo cự ly sau: gọi T thời gian giữ chậm từ xung phát xạ khỏi ăng ten tới gặp mục tiêu phản xạ trở máy thu cự ly mục tiêu R tính theo cơng thức (1) R = (C*T)/2 (1) đó: R cự ly mục tiêu C vận tốc sóng điện từ (3*108 m/s) T thời gian truyền sóng Hình ví dụ thực tế cự ly mục tiêu radar, cự ly tối đa mà radar đo 300 km, mục tiêu radar phát hình cự ly 100 km b) Đo góc phương vị mục tiêu radar Hình Nguyên tắc đo độ cao mục tiêu radar Nếu mặt đất phẳng ta dễ dàng tính tốn độ cao mục tiêu theo cơng thức (2) h = R* sin (2) Trên thực tế trái đất hình cầu thể hình độ cao thực tế mục tiêu tính theo cơng thức (3) H = R* sin + R2/2re (3) đó: h độ cao mục tiêu coi mặt đất phẳng Hình Ngun tắc đo góc phương vị mục tiêu radar Để đo góc mục tiêu, ăng ten quay phát sóng vào khơng gian dị tìm mục tiêu, hình radar quay, thiết kế cho chúng quay đồng pha H độ cao thực tế mục tiêu R cự ly mục tiêu re bán kính trái đất (gần 6370km) [6] góc tạo thành độ cao mục tiêu với mặt phẳng ngang 34 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh THIẾT KẾ, CHẾ TẠO Để thiết kế, chế tạo hệ thống giả lập radar giám sát biển, thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển hệ thống, thiết bị tạo giả mục tiêu radar thiết bị hiển thị mục tiêu radar Thiết bị hiển thị hình LCD độ lớn tương đương với hình radar thiết bị thực tế Hai phần trình bày thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển hệ thống thiết bị tạo giả mục tiêu radar 3.1 Thiết kế thiết bị điều khiển hệ thống Để sát với mục đích thiết kế hệ thống luyện tập cho chiến sỹ Hải Quân làm quen với hệ thống thật sử dụng ngôn ngữ Nga, trước tiên thiết kế, chế tạo giao diện điều khiển để người dùng tương tác với hệ thống thể Hình Giao diện gồm phần điều khiển hệ thống nhập tham số để xử lý mục tiêu radar Phần điều khiển gồm nút nhấn lớn để điều khiển tắt mở hệ thống quay ăng ten, tắt mở phát sóng cao tần, hỏi đáp địch ta Phần nhập tham số ma trận phím để nhập số nguyên từ - 9, phép tính ngồi giao diện cịn có đèn báo phân biệt địch ta Phần bên bảng điều khiển mạch điều khiển với khối trung tâm dựa chip vi điều khiển PIC Các phím nhấn giao diện kết nối với mạch điều khiển lập trình theo chức phím 3.2 Thiết kế thiết bị tạo giả mục tiêu radar Thiết bị tạo giả gồm máy tính cấu hình cao có card đồ họa chương trình giả lập mục tiêu hình radar Máy tính kết nối với mạch điều khiển đề cập mục 3.1 a) Giải thuật hệ thống Giải thuật hệ thống thực theo giải thuật Hình 6, với quy trình sau: Bắt đầu làm việc, cấp nguồn cho hệ thống khởi động hệ thống Hình Giao diện điều khiển hệ thống luyện tập Trong đó, ý nghĩa nút nhấn: РЛС- ВКЛ: mở nguồn máy РЛС РЛС- ОТКЛ: tắt nguồn máy РЛС ВЫСОКОЕ: mở cao áp ОТКЛ:là tắt cao áp АНТЕНHA: điều khiển quay ăng ten ИЗЛУЧЕНИЕ: nối đầu máy phát НП: bàn phím nhập số liệu ВВОД: nhập vào lựa chọn СБРОС: bỏ lựa chọn Hệ thống tự động kiểm tra an toàn, kiểm tra báo tốt tiến hành quay ăng ten, hỏng quay khởi động lại Hệ thống quay ăng ten làm việc tốt tiến hành phát sóng radar, phát sóng radar mục tiêu nằm cánh sóng radar hiển thị hình radar, khơng nằm cánh sóng khơng mục tiêu quay phát sóng radar Khi có mục tiêu hiển thị hình radar tiến hành chọn mục tiêu bám sát, mục tiêu chọn bám sát hệ thống tự động bám sát mục tiêu, mục tiêu không chọn bám sát quay hiển thị mục tiêu Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Kết thúc quy trình làm việc hệ thống Bắt đầu Cấp nguồn cho hệ thống khởi động hệ thống Kiểm tra an toàn hệ thống Hỏng Tốt Quay ăng ten Phát sóng radar Khơng Mục tiêu cánh sóng Quay Hiển thị mục tiêu Không Chọn bám sát mục tiêu Chọn Bám sát mục tiêu Kết thúc Hình Giải thuật hệ thống 35 36 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh b) Thiết kế giả lập hình hiển thị hệ thống radar Màn hình hiển thị giả lập hệ thống radar dùng để hiển thị mục tiêu radar, trạng thái làm việc điều khiển hệ thống làm việc Hình Màn hình giả lập hệ thống radar chế độ làm việc Hình Màn hình giả lập hệ thống radar chế độ kiểm tra Màn hình thiết kế giao diện giống hình radar thực tế, để giúp cho chiến sỹ Hải Quân luyện tập sát với thực tế giao diện sử dụng ngôn ngữ Nga thể Hình Màn hình hiển thị giả lập hệ thống radar thiết kế gồm phần sau: Chính hình hiển thị giả lập hệ thống radar thiết kế hình hiển thị mục tiêu radar Tại hình hiển thị giả lập hệ Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 37 thống lập trình giả lập hiển thị loại mục tiêu radar, loại tàu thuyền, phương tiện bay, loại nhiễu radar…, thiết kế lập trình giả lập lưới đo cự ly phương vị cố định để người sử dụng xác định nhanh tọa độ mục tiêu radar hiển thị giống hệ thống radar thật Phần bên phải lập trình giả lập pannel mơ q trình kiểm tra thiết bị hệ thống radar, phần bên trái lập trình giả lập pannel điều khiển quy trình kiểm tra thiết bị hệ thống radar Bên phải hình hiển thị giả lập hệ thống radar thiết kế lập trình giả lập pannel điều khiển hệ thống radar pannel thị tham số mục tiêu radar có chức tính chất giống hệ thống radar thực tế Phía hình hiển thị giả lập hệ thống radar thiết kế lập trình giả lập pannel hiển thị trạng thái làm việc thiết bị hệ thống radar c) Thiết kế hình giả lập hệ thống radar chế độ kiểm tra Màn hình giả lập hệ thống radar chế độ kiểm tra dùng để giả lập quy trình kiểm tra hệ thống radar thật thể Hình Màn hình thiết kế lập trình gồm phần, có giao diện, quy trình chức KẾT LUẬN Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế chế tạo giả lập hệ thống radar giám sát biển trang bị tàu chiến đấu Hệ thống giả lập radar giám sát biển phục vụ chiến sỹ Hải Quân luyện tập tình chiến đấu giống hệ thống radar thật, giúp chiến sỹ làm quen, nắm bắt từ nhanh chóng làm chủ hệ thống radar thật trang bị tàu chiến Hải Quân Kết thử nghiệm hệ thống trình bày báo mở hướng thiết kế hệ thống giả lập cho nhiều loại vũ khí khí tài khác Hải Quân Những hệ thống phương tiện luyện tập hiệu cho chiến sỹ Hải Quân nhanh chóng nắm bắt làm chủ vũ khí khí tài đại, giúp đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ bảo vệ Tổ Quốc tình hình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Nguyễn Thanh Hùng, Nguyên lý Radar, NXB Học viện Hải quân, 2011 Frank E Sloan, Gilbert J Cote., Radar Principles, Naval Education and Training, 1998 Online: www.radartutorial.eu Peyton Z.Peebles, Radar Principles, New Work, John Wiley & Sons, 1998 Merrlil I.Skolic, Radar Handbook, Second Edition, Mc,Graw-Hill, 1990 Nguyễn Đức Luyện, Ngô Văn Bắc, Vũ Hồng Thanh, Nguyên lý radar, NXB Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2000 Tác giả chịu trách nhiệm viết ThS Nguyễn Trường Giang Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM Email: 12140014@hcmut.edu.vn ... Minh THIẾT KẾ, CHẾ TẠO Để thiết kế, chế tạo hệ thống giả lập radar giám sát biển, thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển hệ thống, thiết bị tạo giả mục tiêu radar thiết bị hiển thị mục tiêu radar Thiết. .. giống hệ thống radar thực tế Phía hình hiển thị giả lập hệ thống radar thiết kế lập trình giả lập pannel hiển thị trạng thái làm việc thiết bị hệ thống radar c) Thiết kế hình giả lập hệ thống radar. .. trình bày thiết kế chế tạo giả lập hệ thống radar giám sát biển trang bị tàu chiến đấu Hệ thống giả lập radar giám sát biển phục vụ chiến sỹ Hải Quân luyện tập tình chiến đấu giống hệ thống radar