Ảnh hưởng của chất lượng thông tin đầu vào đến độ chính xác

1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển tên lửa phịng khơng, vai trò kênh

1.1.3. Ảnh hưởng của chất lượng thông tin đầu vào đến độ chính xác

xác xác định tọa độ mục tiêu của các hệ bám trong đài điều khiển tên lửa

Tín hiệu đầu vào không bị biến dạng, biên độ ổn định luôn là những yêu cầu cao nhất của các hệ đo – bám tọa độ mục tiêu trong đài ĐKHL để bảo đảm độ chính xác xác định tọa độ.

Những yêu cầu này nếu không được bảo đảm ở mức độ cho phép sẽ có tác động trực tiếp đến chất lượng làm việc của cả hệ thống điều khiển. Trong mục này luận án sẽ đề cập đến hai tham số quan trọng trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng các hệ bám tọa độ mục tiêu, đó là độ ổn định biên độ và độ méo dạng tín hiệu khi quá tải máy thu.

Trong kênh thu - phát bám sát mục tiêu đài ĐKHL thường có 4 hệ bám tương ứng với 4 tọa độ: cự ly (Dmt); tốc độ (Vmt); hai tọa độ góc (φв, φн).

Trong quá trình bám sát, trước sự cơ động của mục tiêu theo các tọa độ, các hệ bám tọa độ làm việc theo nguyên tắc đưa sai số bám sát tiến tới giá trị 0, đồng thời với việc đo tọa độ tức thời của mục tiêu.

Tín hiệu sai số trong các hệ bám được hình thành bởi bộ phân biệt (BPB) và là tham số quyết định đến chất lượng và độ chính xác đo tọa độ của mục tiêu đang được bám sát. Do tất cả các BPB tọa độ của các hệ bám đều làm việc theo ngun lý tách thơng tin có ích (tọa độ mục tiêu) từ hình dạng và vị trí của tín hiệu phản xạ sau máy thu theo chu kỳ lặp lại, cho nên sự ổn định biên độ và hình dạng tín hiệu đầu ra máy thu trong từng chu kỳ đo là rất quan trọng. Nó bảo đảm việc loại trừ những thông tin nhiễu có trong thành phần tín hiệu sai số ở đầu ra các BPB.

Trên cơ sở phân tích ngun tắc hình thành tín hiệu sai số của các hệ đo-bám tọa độ mục tiêu ta có thể chứng minh sự cần thiết phải bảo tồn hình dạng và ổn định biên độ tín hiệu đầu vào các hệ bám.

1.1.3.1. Ảnh hưởng của mất ổn định biên độ và méo dạng tín hiệu đầu vào đến chất lượng hệ bám cự ly, tốc độ mục tiêu đài ĐKHL

a) Đặc điểm các hệ đo – bám cự ly, vận tốc mục tiêu [41], [45]

Một hệ đo bám tọa độ cự ly, tốc độ mục tiêu thường có dạng như hình 1.3.

BPB Bộ Điều Khiển Bộ hiệu chỉnh tín hiệu Các cảm biến t/h hiệu chỉnh MT

Upx UΔt Dđo; Vr; Vmt Dns

CS1 CS2

CS3

Vp

Vht Axa; Aya; Aza βa; εa

Dhc Vhc Tín hiệu dị

Tín hiệu phản xạ

Hình 1.3. Cấu trúc của một bộ đo bám cự ly và vận tốc mục tiêu radar ĐKHL Bộ tạo các cửa sóng Thiết bị phát-thu

Trong hình 1.3: βa, εa tọa độ góc trục đo của anten ĐTD; Vht, Vp vận tốc hướng tâm và vận tốc thẳng TL; Axa, Aya, Aza các gia tốc tuyến tính chuyển động của ĐTD; Dhc, Vhc các tín hiệu hiệu chỉnh cự ly và vận tốc; Upx tín hiệu phản xạ từ mục tiêu sau máy thu; UΔt tín hiệu sai lệch thời gian; Dđo, Vtc, Vmt các tín hiệu đánh giá cự ly, vận tốc tiếp cận và vận tốc mục tiêu; Dns cự ly ngoại suy dựa vào thông tin tiên niệm; CS1, 2, 3 là các cửa sóng bám sát và chọn.

Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu được thiết bị thu xử lý sau đó được đưa tới đầu vào BPB, là khâu đo trong hệ bám tọa độ mục tiêu.

Độ chính xác bám sát mục tiêu chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng làm việc của bộ phân biệt. Ngun tắc hình thành tín hiệu sai số (Uss) được thể hiện trên đặc trưng phân biệt (theo thời gian đối với đo cự ly và theo tần số đối với đo vận tốc).

* Nguyên lý làm việc của BPB thời gian hệ đo-bám cự ly

Đặc trưng phân biệt thời gian thường được hình thành trên cơ sở hai bộ tích phân mắc song song chung đầu vào. Mỗi bộ dùng để tích phân tín hiệu trung tần nằm trong độ rộng cửa sóng bám sát như mơ tả trong hình 1.4.

Uv Tích phân TT-1 Trộn TT CS1, CS2 Bộ trừ UssD UD1 CS1 UssD Tích phân TT-2 CS2 UD2 Uv CS1 CS2 UssD UD1 UD2 Δτ τ1 τ2 t t t UssD t Δτ a) Cấu trúc BPB cự ly ở trung tần

b) Giản đồ tín hiệu giải thích nguyên lý làm việc của BPB cự ly

Tín hiệu đầu ra hai bộ tích phân có dạng: 1 1 0 ( ) ( ) cs D v v U K U t dt KU      (1.1) 2 2 ( ) ( )2 cs cs D v v U K U t dt KU       (1.2)

trong đó: K - hệ số khuếch đại mạch tích phân; cs - độ rộng mỗi cửa sóng; 1, 2 - tương ứng với thời gian tín hiệu tồn tại trong CS1 và CS2; Uv(t) - tín hiệu phản xạ đầu vào BPB.

Điện áp sai số là hiệu của các điện áp đầu ra hai bộ tích phân.

UssD= UD1 – UD2 = KUv(1 - 2) (1.3)

UssD = KUv. (1.4)

Nếu tín hiệu mục tiêu nằm đối xứng qua vách ngăn của hai cửa sóng, thì tín hiệu sai số bằng 0 (UssD=0), tức là ∆τ=(τ1-τ2)=0. Ngược lại, nếu tín hiệu mục tiêu lệch khỏi vách ngăn hai cửa sóng, thì BPB sẽ tạo ra sai số khác 0 (UssD≠0). Dấu của Uss phản ánh chiều lệch của tín hiệu so với vách ngăn hai cửa sóng.

Nhận xét 1.1. Tín hiệu sai số đầu ra BPB cự ly không chỉ phụ thuộc

vào sai lệch thời gian Δτ=(τ1-τ2), mà còn phụ thuộc vào sự ổn định của hệ số truyền BPB là K.Uv. Nếu biên độ tín hiệu Uv thay đổi sẽ dẫn đến hệ số truyền BPB thay đổi (K±∆K). Nếu tín hiệu bị biến dạng thì tâm năng lượng của nó sẽ dịch chuyển (xuất hiện ∆’τ) và ∆τ=∆τ0±∆’τ. Kết quả là giá trị tín hiệu sai số

UssD thay đổi, dẫn tới sự xuất hiện sai số đo – bám cự ly do sự không ổn định

biên độ và do sự méo tín hiệu.

* Nguyên lý làm việc của BPB tần số trong hệ đo bám vận tốc mục tiêu

Thơng tin về vận tốc mục tiêu (Vmt) có trong tần số Dopler (fd) làm thay đổi tần số sóng mang của tín hiệu phản xạ. Vì vậy, trong ĐĐK, tốc độ mục tiêu được xác định bởi tần số Dopler tách từ tần số sóng mang của tín hiệu phản xạ.

Để đo tần số Dopler, người ta sử dụng bộ phân biệt tần số (BPB-Vmt) kiểu hai kênh sai lệch tần số tương hỗ (hình 1.5).

Theo [51] BPB-Vmt sẽ được thực tế hóa trên cơ sở hai bộ tích phân trung tần (ИПЧ) làm việc trên hai tần số lệch nhau một khoảng là Δf. Tín hiệu đầu ra mỗi kênh f f và f  f được tách sóng và trừ cho nhau hình thành ra tín hiệu sai số Ussf. Tín hiệu sai số được đưa qua bộ lọc bám sát vận tốc

mục tiêu. Tại đầu ra của bộ lọc bám sát, nhận được điện áp (UΔf) tỷ lệ với thay đổi tần số Dopler (Δf), tức là thay đổi của vận tốc mục tiêu (ΔV). Điện áp UΔf

được đưa vào điều khiển máy phát LC ngoại sai Dopler để trộn tần với tín hiệu đầu vào là tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Đầu ra bộ trộn tần số của hệ đo – bám vận tốc mục tiêu (HĐB-Vmt), nhận được tín hiệu trung tần với tần số sau:

TT 3 nsD D D D n D n 1 f  f  f ;  f f (T ) f (T ) (1.5) Bộ trộn tấn Máy phát ngoại sai fnsD Bộ TPTT-V1 Bộ TPTT-V2 Bộ TPTT-V0 Khuếch đại U1(+ΔfD) Khuếch đại U2(-ΔfD) TSP UssV APY Uns(t,fnsD) fD0 Uss(ΔfD ) a) b) t Xung kênh Uns(t,fTT3) Các xung kênh V0

Hình 1.5. Nguyên lý xây dựng BPB-Vmt (a) và biểu đồ thời gian (b) Trong đó: fTT 3 - trung tần thứ 3 sau bộ trộn; fnsD - trung tần ngoại sai Dopler;

fD- lượng dịch tần Dopler giữa hai chu kỳ lặp của tín hiệu đầu vào.

Như vậy trong mọi thời điểm ta có thể đo được vận tốc mục tiêu theo biểu thức sau:

  

Với: V0d – vận tốc mục tiêu được xác định bởi tần số ngoại sai Dopler;

ΔV – sai lệch vận tốc Dopler mà bộ lọc bám sát đo được.

Giá trị tín hiệu sai số đầu ra BPB-Vmt phụ thuộc vào: - Lượng dịch tần Dopler (fD) qua mỗi chu kỳ đo; - Dạng điều biên và giá trị biên độ tín hiệu đầu vào Um.

Chứng minh cho kết luận trên, ta xét cấu trúc tín hiệu trong BPB-Vmt: Tín hiệu đầu ra mạch tách sóng pha (TSP) phụ thuộc vào độ lệch và hướng lệch tần số đầu vào so với tần số cộng hưởng (fTT0) của bộ lọc trung tần trung tâm (hình 1.6) có cấu trúc như sau:

TT TT j 2 f t 1 1 TT nsD nsD 0 j 2 f t 2 2 TT nsD nsD 0 U K K(f f )K E (t).e n(t) U K K(f f )K E (t).e n(t)                 (1.7) Hình 1.6. Các đặc trưng biên độ tần số a) BĐTS bộ TPTT1; b) 2 bộ lọc TSP; c) BPB-fD

Khi tính đến: tính chất tách sóng cầu phương (sử dụng tách sóng pha đồng bộ); tính chất giống nhau của nhiễu tạp n(t) trong hai kênh cầu

phương; tính chất giống nhau về cấu trúc và tham số của hai kênh tích phân

K(f) Smt(f) fnsD-Δf fnsD+Δf ĐTBTV1 ĐTBTV2 CVTP fnsD fTT UssV fTT UssV>0 UssV<0 fTT fnsD-fD fnsD+fD 0 a) b) c)

trung tần (K1=K2, chung KnsD), từ (1.7) có thể rút ra biểu thức tính tín hiệu sau bộ trừ (hình 1.5) như sau:

2 2 2 2 2 2

U (t, f D)(th n ) K1,2.KnsDK (f1 TT fnsD)K (f2 TT fnsD)

  (1.8)

Trong đó: U (t, f) - đặc trưng phân biệt tần số; th2 , n2 - sai số trung bình bình phương phép đo tần số đối với tín hiệu và nhiễu; 2

1,2

K - bình phương hệ số truyền hai kênh xử lý cầu phương khi (K1=K2).

Từ (1.8) và hình 1.6 có thể nhìn thấy U (t, f) 0  do hai nguyên nhân: a) Biên độ tín hiệu trong hai kênh bằng nhau, nhưng

D TT nsD

f (f f ) 0

    ;

b)  fD (fTT fnsD) 0 nhưng dạng tín hiệu bị méo dẫn tới méo dạng đặc trưng BĐTS K(fTT) các bộ TPTT gây sai số khi xác định vận tốc mục tiêu (xem giải thích tại hình 1.7).

Hình 1.7. Ảnh hưởng của méo dạng tín hiệu tới dạng đặc trưng BPB-Vmt

Nhận xét 1.2: Có thể thấy rằng sự méo dạng và khơng ổn định biên độ

của tín hiệu đầu vào có thể dẫn tới sự biến dạng đặc trưng phân biệt tần số của BPB-Vmt. Mức độ biến dạng đặc trưng phân biệt phụ thuộc vào mức độ biến dạng đường bao biên độ tín hiệu đầu vào BPB-Vmt.

S’mt(f) fnsD-Δf fnsD fnsD+Δf U’ssV fTT UssV>0 fTT fnsD-fD fnsD+fD 0 UssV<0

1.1.3.2. Ảnh hưởng của mất ổn định biên độ và méo dạng tín hiệu đầu vào đến chất lượng hệ bám góc mục tiêu đài ĐKHL

a) Nguyên tắc tạo đo - bám tọa độ góc của các đài ra đa đơn xung [1], [11], [55]

Radar ĐKHL hiện đại sử dụng anten mạng pha (ATMP) thường là các đài ra đa đơn xung Dopler, việc đo - bám sát mục tiêu và tên lửa theo các toạ độ góc được thực hiện theo phương pháp vùng cân bằng tín hiệu, tức là so sánh tức thời biên độ (hoặc pha) tín hiệu được thu đồng thời bởi hai cánh sóng đối xứng nhau qua đường cân bằng tín hiệu. Về nguyên tắc, hệ đo - bám tọa độ góc bao gồm hai kênh xử lý tín hiệu tổng (Σ) và hiệu (Δ).

- Sơ đồ cấu trúc của một hệ đo – bám sát tọa độ góc

Sơ đồ hệ đo bám góc của đài ra đa đơn xung - dopler điển hình có dạng như hình 1.8.

Trong hình 1.3:

+ HT Anten – hệ thống anten và cơ cấu truyền động; + TB”+/-” – thiết bị cộng - trừ tín hiệu cao tần;

Anten MP Đ/C TB “+/-” Trộn SC-1 Trộn SC-2 KĐ TT-1 KĐ TT-2 Chọn D-1 Chọn D-2 Trộn TC-1 Trộn TC-2 Lọc DH-1 Lọc DH-2 KĐ Log-1 KĐ Log-2 TS A-1 TS A-2 TSP H TSP B ĐC Đ/C MF ĐAC KĐ video Tr.Đ Ant. DAC MTS ADC- 1 ADC- 2 Các CB đo góc Uns1 EΣ EΔ EΣ+EΔ EΣ-EΔ

Ucs Uns2 Uvideo

UΔβ

UΔε EΔε

EΔβ

BỘ ĐỊNH HƯỚNG ANTEN

Hình 1.8. Hệ đo-bám góc hiệu chỉnh theo tốc độ của đài radar đơn xung chiếu xạ mục tiêu cận liên tục

UĐKε(n); Ω

UΩ

UΩ0

+ Đ/C – khối điều chế;

+ ĐC Đ/C – động cơ điều chế;

+ MF ĐAC – máy phát các điện áp chuẩn; + Trộn SC – bộ trộn ngoại sai sơ cấp; + Trộn TC – bộ trộn ngoại sai thứ cấp; + KĐTT – khuếch đại trung tần;

+ Chọn D – bộ chọn theo cự ly; + Lọc DH – bộ lọc dải thông hẹp; + KĐ Log – bộ khuếch đại Logarithm; + TSA – bộ tách sóng biên độ;

+ KĐ video – bộ khuếch đại tín hiệu thị tần; + TSP – bộ tách sóng pha;

+ ADC và DAC – các bộ biến đổi tương tự - số và số - tương tự; + CB đo góc – các cảm biến đo vị trí góc của hệ thống anten; + MTS – máy tính số;

+ Anten MP – anten mạng pha và cơ cấu quay; + Tr.Đ Ant. – kênh truyền động điều khiển anten.

- Nguyên lý đo - bám tọa độ góc mục tiêu

Hệ thống anten mạng pha sẽ hình thành ở đầu ra ba dạng tín hiệu: + Tín hiệu tổng trên mặt mở anten - EΣ;

+ Tín hiệu trừ trong mặt phẳng đứng:

B B

Δφ 0Δφ B 1 Bmt Ba B

E =E .cosφ =k (φ -φ )cosφ ;

+ Tín hiệu trừ trong mặt phẳng ngang:

H H

Δφ 0Δφ H 2 Hmt Ha H

E =E .cosφ =k (φ -φ )cosφ .

Với:  Bmt; Hmt, Hmt; Ha - tương ứng các cặp góc tương đối giữa đường ngắm đài – mục tiêu (ra đa-mục tiêu) và đường CBTH của ATMP trong hai

mặt phẳng B và H; ,

B H

0Δφ 0Δφ

E E - tương ứng biên độ tín hiệu trong các mặt phẳng đo tọa độ góc; k1, k2 - hệ số tỷ lệ tương ứng với các kênh;  B; H – pha tức thời của tín hiệu.

Trong bộ điều chế (Đ/C), tín hiệu cả hai mặt phẳng được cộng lại thành tín hiệu kênh hiệu

B H

Δ Δφ Δφ

E E E có biên độ bị điều chế bởi dao động dạng sin tần số Ω, xác định bởi tần số quay của động cơ điều chế (ĐC-Đ/C).

Trong thiết bị cộng - trừ (hình 1.8) sẽ hình thành ra hai tín hiệu:

E E và EE. Các tín hiệu này sau đó được khuếch đại riêng trong hai kênh máy thu. Do trong mỗi kênh máy thu đồng thời khuếch đại cả tín hiệu tổng (E) lẫn tín hiệu hiệu (E) nên yêu cầu về sự giống nhau của các kênh máy thu được giảm bớt. Trong các bộ trộn sơ cấp (SC-1) và (SC-2) kết hợp với dao động ngoại sai Uns1, tín hiệu được biến đổi thành dạng trung tần sơ bộ U(ftt1), sau đó chúng được khuếch đại trong các bộ khuếch đại trung tần (KĐTT-1 và KĐTT-2).

Tín hiệu chiếu xạ mục tiêu gần liên tục cho phép lựa chọn mục tiêu theo cả cự ly và góc như mong muốn. Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu cần bám sát sẽ được lọc theo cự ly trong từng kênh máy thu sau mỗi bộ chọn D-1, D-2 (xem hình 1.8) nhờ các cửa sóng chọn cự ly UCS1 và UCS2. Các tín hiệu mang thơng tin về tần số Dopler (vận tốc tiếp cận Vc) được tách ra sau các bộ lọc dải thông hẹp DH-1 và DH-2 sau khi được trộn với ngoại sai thứ cấp Uns2.

Trong quá trình biến đổi tần số thứ cấp, tần số fns2 của điện áp Uns2 sẽ thay đổi sao cho hiệu của trung tần sơ cấp và ngoại sai thứ cấp ln bằng tần số Dopler của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu: FD=fns2 - ftt1. Như vậy tín hiệu ngoại sai thứ cấp Uns2 là có điều khiển và được hình thành trong kênh bám sát mục tiêu theo vận tốc. Tín hiệu liên tục được tách ở đầu ra các bộ lọc dải hẹp

DH-1 và DH-2 (xem hình 1.8) được đưa tới các bộ khuếch đại logarithm tương ứng (KĐ Log-1, KĐ Log-2). Đặc điểm các bộ KĐ Log là có đặc tuyến khuếch đại dạng hàm logarithm, tín hiệu đầu ra bộ KĐ Log có dạng:

log.lg

Log Log

ra v

U k U với klog là hệ số khuếch đại.

b) Ảnh hưởng của biên độ và dạng tín hiệu vào tới sai số đo tọa độ góc

Nhờ có thuật tốn Logarithm hóa có thể thực hiện được việc chuẩn hóa tín hiệu. Bản chất của nó là loại trừ sự phụ thuộc tín hiệu kênh đo góc vào