Mục đích nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu khả năng khép kín hai hệ thống thu và phát của đài radar ĐKTL thành một hệ thống khép kín tự động chống quá tải máy thu trên cơ sở tổng hợp mới thuật toán và cấu trúc của hai phần tử là: Bộ phát hiện quá tải và Bộ điều khiển chống quá tải máy thu.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ VĂN SÂM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THÔNG TIN ĐO BÁM MỤC TIÊU TRONG ĐÀI ĐIỀU KHIỂN TÊN LỬA THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 52 02 16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Hỏa Tiễn TS Trần Ngọc Quý Phản biện 1: PGS TS Phạm Trung Dũng Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 2: PGS TS Trần Đức Thuận Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 3: TS Tống Xuân Đại Viện Kỹ thuật Phòng không-Không quân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện, họp Viện Khoa học công nghệ quân vào hồi ngày tháng Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam năm 2019 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Vũ Hỏa Tiễn, Trần Ngọc Quý, Lê Văn Sâm, 2016, “ Nghiên cứu khả tự động ổn định dải động máy thu đài radar điều khiển hỏa lực hệ mới”, Tạp chí “Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự” số Đặc san 9-2016, tr 57-66 Vũ Hỏa Tiễn, Trần Ngọc Quý, Lê Văn Sâm, 2017, “Nghiên cứu đề xuất giải pháp tự động khống chế dải động đầu vào máy thu đài radar điều khiển hỏa lực hệ mới”, Tạp chí “Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự” số 49, 6-2017, tr 09-17 Ву Хоа Тиен, Ле Ван Шам, Чан Нгок Куй, 2017, “Разработка алгоритма программного обеспечения автоматического обнаружения нелинейных искажений полезного сигнала в приёмном тракте РЛС управления огнём при большом динамическом диапазоне”, Журнала “Естественные и Технические науки” (ВАК) №10-2017 (91-96) Lê Văn Sâm, Vũ Hỏa Tiễn, Trần Ngọc Quý, 2018, “Tổng hợp hệ thu – phát tự động chống tải máy thu đài radar điều khiển hỏa lực” Tạp chí “Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự” số 55, 6-2018 tr 3-15 GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN Tính cấp thiết đề tài Trong hệ thống điều khiển TLPK, độ xác đo tọa độ mục tiêu tên lửa có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, yếu tố định đến xác suất tiêu diệt mục tiêu đạn tên lửa Hệ thống đo - bám sát tọa độ mục tiêu tên lửa có thơng tin đầu vào lấy từ máy thu tương ứng dạng tín hiệu thị tần số Sự méo dạng khơng ổn định biên độ tín hiệu đầu máy thu làm tăng sai số xác định tọa độ mục tiêu hệ đo bám tọa độ Nghiên cứu khả tự động hóa q trình thu, xử lý tín hiệu mục tiêu trước q trình đo bám tọa độ đài ĐKTL sở khép kín hai thiết bị thu phát đài thành hệ tự động điều khiển nói lên tính cấp thiết đề tài luận án Kết nghiên cứu không cho phép ổn định chất lượng thông tin đầu vào hệ đo bám tọa độ, mà cho phép nâng cao mức độ tự động hóa đài ĐKTL, điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng thực tế tác chiến đại Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu khả khép kín hai hệ thống thu phát đài radar ĐKTL thành hệ thống khép kín tự động chống tải máy thu sở tổng hợp thuật toán cấu trúc hai phần tử là: Bộ phát tải Bộ điều khiển chống tải máy thu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng đài radar ĐKHL phịng khơng nói chung hệ thống thu, phát bám sát mục tiêu đài ĐKTL nói riêng Phạm vi nghiên cứu tổng hợp hệ thu – phát kín tự động điều khiển chống tải cho máy thu, bảo tồn chất lượng thơng tin đầu vào cho hệ đo bám tọa độ mục tiêu Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết sở: lý thuyết điều khiển tự động; lý thuyết mơ hình hóa hệ thống; lý thuyết xử lý tín hiệu đại; lý thuyết sở xây dựng tổ hợp TLPK - Phương pháp tính tốn, tổng hợp mơ hình máy tính số - Phương pháp đánh giá kiểm chứng; thống kê thực nghiệm; mô q trình máy tính số; so sánh đối chứng Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn luận án - Đề tài đóng góp kết nghiên cứu lý thuyết xây dựng hệ tự động thu – phát tín hiệu vơ tuyến khép kín cho đài radar ĐKHL đa kênh nói chung cho đài ĐKTL nói riêng - Kết nghiên cứu đề tài có khả thực tế hóa, định hướng tới ứng dụng cụ thể Bố cục luận án Toàn luận án dài 131 trang trình bày chương, với 55 hình vẽ, đồ thị minh họa, 11 bảng biểu, 11 trang phụ lục NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương TỞNG QUAN VỀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG THÔNG TIN ĐO BÁM TỌA ĐỘ MỤC TIÊU TRONG ĐÀI RA ĐA ĐIỀU KHIỂN HỎA LỰC 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển TLPK, vai trò kênh bám sát cần thiết trì chất lượng đo – bám tọa độ mục tiêu 1.1.1 Tổng quan chung hệ thống điều khiển tên lửa phịng khơng Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển tên lửa nói chung có dạng hình 1.1: Hệ thống phát t/h dò & hỏi Mục tiêu Hệ thu bám sát mục tiêu Tên lửa Hệ thu bám sát tên lửa Hệ đồng (εmt,βmt,rmt) Hệ lập lệnh điều khiển (εtl,βtl,rtl) Hệ phát lệnh điều khiển (λε,λβ,K3) Đường truyền vô tuyến Hình 1.1 Các thành phần chức hệ thống điều khiển tên lửa Trong đó, hệ đo – bám tọa độ có chức đo tọa độ góc tọa độ cự ly hai đối tượng (mục tiêu, tên lửa) 1.1.2 Vai trò kênh thu - bám sát mục tiêu hệ thống ĐKTL Kênh bám sát mục tiêu thành phần hệ thống điều khiển TLPK Việc nâng cao chất lượng thu - xử lý tín hiệu mục tiêu trực tiếp nâng cao chất lượng thông tin đầu vào hệ bám tọa độ chất lượng thông tin điều khiển đài ĐKTL 1.1.3 Ảnh hưởng chất lượng thông tin đầu vào đến độ xác xác định tọa độ mục tiêu hệ bám đài ĐKTL Tín hiệu bị méo dạng không ổn định trực tiếp làm tăng sai số xác độ mục tiêu hệ bám 1.1.3.1 Ảnh hưởng mất ổn định biên độ méo dạng tín hiệu đầu vào đến chất lượng hệ bám cự ly, tốc độ mục tiêu đài ĐKHL Độ xác bám sát mục tiêu chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng làm việc phân biệt (BPB) cự ly vận tốc Từ phân tích ảnh hưởng ổn định biên độ méo dạng tín hiệu đầu vào rút nhận xét sau: Nhận xét 1.1 Nếu biên độ tín hiệu Uv thay đổi dẫn đến hệ số truyền BPB thay đổi (K±∆K) Nếu tín hiệu bị biến dạng tâm lượng dịch chuyển (xuất ∆’τ) sai số giữ chậm ∆τ=∆τ0±∆’τ Để đo tần số Dopler xác định vận tốc mục tiêu, người ta sử dụng phân biệt tần số (BPB-Vmt) kiểu hai kênh sai lệch tần số tương hỗ Nhận xét 1.2: Sự méo dạng tín hiệu đầu vào khơng ổn định biên độ dẫn tới biến dạng đặc trưng phân biệt tần số BPB-Vmt 1.1.3.2 Ảnh hưởng mất ổn định biên độ méo dạng tín hiệu đầu vào đến chất lượng hệ bám góc mục tiêu đài ĐKHL Từ biểu thức tính tín hiệu sai số bám góc cho thấy, khơng có biện pháp ổn định, bảo tồn dạng tín hiệu gây sai số đo tọa độ góc 1.2 Tổng quan biện pháp ổn định biên độ, chống méo dạng tín hiệu đầu vào hệ đo - bám tọa độ mục tiêu đài điều khiển hỏa lực 1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định biên độ méo dạng tín hiệu đầu vào hệ bám tọa độ mục tiêu đài ĐKHL Hai yếu tố quan tâm là: - Mất ổn định biên độ tín hiệu đầu biên độ tín hiệu đầu vào biến động lớn - Méo dạng tín hiệu đầu tải máy thu Để thể trực quan méo dạng tín hiệu tải máy thu, ta xét đặc trưng khuếch đại máy thu (hình 1.10) KĐ phi Ura tuyến Ura UV t Uv t/h méo phi tuyến Dải KĐ tuyến tính t Hình 1.10 Đặc trưng KĐ máy thu tượng méo phi tuyến tín hiệu 1.2.2 Tổng quan biện pháp ổn định biên độ, chống méo dạng tín hiệu đầu vào hệ đo - bám tọa độ mục tiêu 1.2.2.1 Tổng quan biện pháp ổn định biên độ chớng méo dạng tín hiệu đầu vào hệ bám tọa độ mục tiêu đài ĐKTL Hệ thống thu - phát tuyến bám sát mục tiêu đài ĐKTL thường hệ thống mà tuyến phát độc lập với tuyến thu mặt điều khiển (hình 1.11) Để điều chỉnh KΣ, sử dụng tổng hợp phương pháp [25],[47] bao gồm: suy giảm tín hiệu (SGTH) đầu vào; tự động điều chỉnh KĐ (APY); điều chỉnh KĐ tay (PPY); chuyển mạch công suất phát AT Máy phát cao tần Tầng điều chế xung Đồng MT AT Cao tần máy thu Máy thu trung tần Xử lý tín hiệu thị tần Hình 1.11 Hệ thu - phát hở mạch điều khiển Các hệ bám sát tọa độ mục tiêu 1.2.2.2 Một số nhận xét phương pháp ổn định biên độ đầu chống tải cho máy thu - Sử dụng nhiều biện pháp tay tự động: APY; PPY; SGTH; thay đổi công suất phát để ổn định chống méo dạng tín hiệu - Thời điểm mức độ điều chỉnh tay mang yếu tố chủ quan , dẫn tới giữ chậm không mong muốn, gây tượng méo tín hiệu tạm thời Điều trực tiếp làm giảm chất lượng tín hiệu đầu vào hệ đo – bám tọa độ; tồn thao tác cho trắc thủ 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu luận án Nghiên cứu tổng hợp thuật toán cấu trúc hệ thu – phát khép kín tự động điều khiển chớng q tải máy thu cho đài ĐKTL nói chung Đã xác định bốn toán, cụ thể sau: Khảo sát xây dựng đặc trưng biến thiên công suất biên độ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu đầu vào tuyến thu, tìm quy luật thay đổi cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu theo cự ly diện tích PXHD mục tiêu Xây dựng đặc trưng thay đổi hệ số truyền tuyến thu tồn dải thay đổi cự ly diện tích PXHD mục tiêu Tổng hợp thuật toán phát hiện, thuật toán điều khiển cấu trúc phù hợp cho hệ tự động phát – thu khép kín Mô khảo sát, đánh giá hiệu hệ thống AT MT AT Máy phát cao tần Tầng điều chế xung Bộ điều khiển logic Cao tần máy thu Máy thu trung tần Bộ phát tải NG Các hệ bám sát tọa độ mục tiêu Hình 1.16 Cấu trúc hệ thu – phát tự động chống tải máy thu 1.4 Kết luận chương Ổn định chất lượng thông tin đầu vào hệ bám trực tiếp ổn định chất lượng điều khiển đài ĐKTL Tự động ổn định biên độ chống méo dạng tín hiệu thơng qua đề xuất khép kín hai hệ thu phát thành hệ điều khiển tự động chống tải cho máy thu nhu cầu thực tế nâng cao chất lượng hệ bám tọa độ mục tiêu Chương ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CHỐNG QUÁ TẢI MÁY THU TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU 2.1 Lựa chọn đối tượng mơ hình khảo sát 2.1.1 Đối tượng khảo sát, phân tích Đối tượng nghiên cứu chương hệ thống thu phát độc lập đài radar ĐKTL Khảo sát thực cho kênh thu – bám sát 2.1.2 Cấu trúc kênh thu - phát bám sát mục tiêu dùng cho khảo sát Sơ đồ cấu trúc tổng quát kênh thu – phát vô tuyến bám sát mục tiêu đài ĐKTL điển hình có dạng thể hình 2.1, [9], [11] Đây kênh thu phát độc lập, khơng khép kín điều khiển, có số phần tử điều chỉnh khuếch đại SGTH tay AT Máy phát cao tần Tầng điều chế xung Hệ đồng MTSTT MT AT Cao tần máy thu Bộ SGTH Trộn tần KĐTT-1 fns2 KĐTTLọc PPY CИД PPY Trộn tần KĐTT3 fns3 Hệ bám APY 8dB 18dB 26dB Hình 2.1 Cấu trúc kênh thu – phát bám sát mục tiêu đài ĐKTL 2.2 Khảo sát xác định dải biến thiên biên độ tín hiệu đầu vào đặc trưng khuếch đại tín hiệu máy thu 2.2.1 Xác định dải biến thiên cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu Cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu xác định công thức: Pph G p Gt mt ' (2.1) Ppx 4 Rmt4 L 10 a) Khảo sát giảm công suất máy phát lần 1: Giảm P0P01 tải máy thu, kết thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào máy thu hình 2.10 b) Khảo sát giảm công suất máy phát lần (P01P02) : kết thể điểm (Hình 2.11) Hình 2.10 Thay đổi biên độ tín hiệu Hình 2.11 Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào máy thu giảm Pph lần đầu vào máy thu giảm Pph lần 2.3.2.2 Sử dụng Attenuator (SGTH) đầu vào máy thu Bộ SGTH sử dụng cho khảo sát có mức suy giảm: 8dB; 18dB; 26dB Mơ mức suy giảm: a) Suy giảm lần (SG1- điểm hình 2.12) b) Suy giảm lần (SG2- điểm hình 2.13) c) Suy giảm lần (SG3 - điểm hình 2.14) Hình 2.12 Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào máy thu SG8dB Hình 2.13 Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào máy thu SG18dB Nhận xét 2.6: Bằng cách sử dụng hết khả điều chỉnh biên độ tín hiệu đầu vào máy thu (2 lần giảm công suất máy phát, Hình 2.14 Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào máy thu SG26dB ba lần tăng mức SGTH, 11 trì để máy thu khơng bị q tải mục tiêu có diện tích PXHD 100m2 thay đổi cự ly tồn dải (hình 2.14) Vấn đề đặt ra, cách để tự động phát thời điểm máy thu bị tải 2.4 Tổng hợp thuật toán chống tải cho máy thu 2.4.1 Tổng hợp thuật toán điều khiển chống q tải (hình 2.15) Thuật tốn xây dựng kiểm chứng sở tham số kỹ - chiến thuật đài đa ĐKHL cụ thể với công nghệ lai analog-digital 2.4.2 Đặc trưng điều khiển chống tải cho máy thu Mô thuật tốn tổng hợp (mục 2.4.1) với lưu đồ hình 2.15 Hình 2.15 Lưu đồ thuật tốn điều khiển cơng suất máy phát SGTH Hình 2.16 Đặc trưng thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào kênh thu – phát bám sát có điều khiển chống tải phần mềm MATLAB-SIMULINK, theo tham số đài [9],[11] mục tiêu ví dụ khảo sát mục 2.3.2.1 Kết cho thấy điều khiển biên độ tín hiệu đầu vào máy thu phù hợp với dải động thực tế tự động chống q tải (hình 2.16) Thuật tốn áp dụng cho đối tượng mục tiêu cụ thể ví dụ nêu 12 2.5 Kết luận chương Chương tiến hành khảo sát đặc trưng cần thiết làm sở cho việc tổng hợp phát điều khiển đề xuất; đó, tổng hợp thuật tốn điều khiển tham số kênh thu – phát bám sát tự động chống tải máy thu với mục tiêu cụ thể Trường hợp áp dụng cho mục tiêu có tham số bất kỳ, xuất cự ly nghiên cứu chương Chương TỞNG HỢP THUẬT TỐN, CẤU TRÚC BỘ PHÁT HIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHỐNG QUÁ TẢI MÁY THU 3.1 Tổng hợp thuật toán cấu trúc phát tải máy thu 3.1.1 Cơ sở tổng hợp thuật toán phát tải máy thu 3.1.1.1 Méo phi tuyến tín hiệu thay đổi đặc trưng phổ a) Hiện tượng méo phi tuyến tín hiệu máy thu tải Quá tải máy thu làm cho hình dạng tín hiệu đầu bị méo dạng phi tuyến [13],[42] (hình 3.1) Hình 3.1 Giải thích tượng méo phi tuyến tín hiệu máy thu b) Chân dung phổ tín hiệu trước sau bị méo phi tuyến 3.1.1.2 Khảo sát đặc trưng phổ tín hiệu đầu máy thu trước sau tải Kết khảo sát: Đặc trưng phổ tín hiệu trước máy thu q tải (hình 3.3) 13 Đặc trưng phổ tín hiệu sau máy thu tải (hình 3.4) Hình 3.3 Chân dung phổ tín hiệu đầu máy thu chưa tải Hình 3.4 Chân dung phổ tín hiệu đầu máy thu tải 3.1.1.3 Đánh giá kết khảo sát nhận định Đánh giá: Khi máy thu chưa tải, biên độ vạch phổ xa tần số trung tâm thấp ổn định Biên độ búp phụ tăng lên tương ứng với mức độ tải Nhận định: Có thể sử dụng đặc điểm thay đổi biên độ vạch phổ thành phần tần số cao để phát thời điểm tải máy thu, xây dựng đặc trưng phụ thuộc biên độ vạch phổ thứ “m” vào cơng suất (Ppx) tín hiệu phản xạ đầu vào máy thu, tức là: Smt (mf)=G[10log(p px )] (3.16) 3.1.2 Độ tin cậy phương pháp phát tải cách theo dõi biên độ vạch phổ xác định Đã đánh giá theo yếu tố ảnh hưởng tới chân dung phổ tín hiệu mà luận án phân tích 3.1.3 Tổng hợp thuật toán phát tải máy thu: bao gồm chức chống tải hoàn chống tải máy thu Điều kiện hình thành tín hiệu q tải “j”: - Biên độ vạch phổ “m” tăng đột biến so với mức ngưỡng NG cho trước; - Điện áp đầu máy thu Ura>Ungương_max=Ura_0 Điều kiện hình thành tín hiệu hồn chớng q tải “Q”: - Điện áp APY giảm, UAPY