Введение к работе
Акіуальность темы
Интенсивное развитие компьютерной техники, в том числе однокристальных ЭВМ, создали предпосылки компьютеризации всех сфер человеческой деятельности. Постоянное снижение стоимости, энергопотребления, массогабаритных характеристик, расширение функциональных возможностей микроЭВМ обеспечивают широкое применение цифровых методов обработки информации в радиолокационных измерительных системах управления и контроля воздушного пространства страны.
С целью экономии государственных средств по обеспечению безопасности полётов необходимо объединять и унифицировать системы управления и контроля воздушного пространства противовоздушной обороны страны, гражданской авиации и гидрометеорологических служб в единую автоматизированную радиолокационную систему страны.
Тактико-технические характеристики радиолокационных станций (РЛС), входящих в такую систему, определяются исходя из характеристик контролируемых воздушных объектов и требований, которые предъявляются к единой системе управления и контроля воздушного пространства. РЛС должны обеспечивать в режиме кругового обзора воздушного пространства следующие типовые характеристики: зону по дальности D=5...400км, по углу места -2...+55. Точность изме-
5'... 15' и 5'... 15' соответственно. Количество одновременно сопровождаемых целей равно 100 ... 200.
РЛС ведут обзор пространства в полярной системе координат. В то же время на географической карте и дисплее координаты городов, других объектов, воздушных целей представляются в естественной прямоугольной системе координат. Таким образом, необходимо в режиме реального времени осуществлять преобразование прямоугольных координат в полярные и наоборот.
Для обеспечения высокого энергетического потенциала и разрешающей способности используются сложные радиолокационные сигналы с большой базой.
T'oiaww лгкпііпи ттг»"»тж лЛттомжгмулїттїтг п/ч^тжчлтттгтт tv лДт o»^Twr» т» лгтатгйпатпш iiv т>гчг\мт>т1
I Willi» VUJ/UJUIUj UjJII V/4/11UUJ /UV11I1I1 UUJ,4J ШІІШП VWUVK1UU CI VSJ.Jj-TWMV^I^Jl.riXI ил iv^WJU'.U,-*1
нат необходимо в реальном масштабе времени обеспечить вычисление взаимокорреляционных функций отраженного эхо-сигнала и копии, объединить квадратурные составляющие с нескольких каналов. Обслуживающий персонал РЛС обычно не превышает двух человек. Поэтому РЛС должны оснащаться эффективными средствами контроля. В связи с этим необходима разработка вычислительных устройств, обеспечивающих компактные способы встроенного автоматизированного тестирования сложных систем РЛС и тренировки операт оров.
В цифровых радиолокационных устройствах исходные данные с датчиков информации, от оператора, устройств управления, контроля преобразуются в реальном масштабе времени по определённым правилам алгоритма вычислений в выходные данные, которыми определяются с заданными погрешностями координаты воздушных объектов, траектории их движения. Пйй.Эт&м боаи обработка
БИБЛИОТЕКА j С. Петербург/j..
СПетервургд. у J 09 »tf«rf%M
информации должны заканчиваться Еыдачей в наглядной форме результатов и принятия по ним определенных решений с участием человека-оператора. В связи с этим актуальным является наиболее рациональное представление данных от РЛС с помощью систем обработки, контроля и отображения информации.
Поскольку основой высокоавтоматизированных систем обработки, контроля, трансформации и отображения информации являются цифровые вычислительные устройства, то в общей проблеме актуальной задачей является разработка и исследование численных методов и алгоритмов функционирования специализированных вычислителей и управляющих ЦВМ РЛС с целью повышения их эффективности, совершенствования их структуры, аппаратных и (или) программных решений.
Исследованию и реализации радиолокационных систем, разработке цифровых оптимальных методов обнаружения радиосигналов посвящено большое количество работ. Программно-аппаратурная реализация вычислительных устройств основывается на известных численных методах, разработкой которых занимались крупнейшие учёные своего времени Ньютон, Эйлер, Лобачевский, Гаусс, Чебы-шев, Эрмит и многие другие. Непосредственно ряд методов решения прикладных вычислительных задач, проектирования специализированных процессоров так же освещен в литературе. В частности, этим исследованиям посвящен ряд работ А.А. Воронова, А.Р. Гарбузова, В.Д. Байкова, В.Б. Смолова, Волдера, Меджита, Брэ-зенхема и дго/гих.
В то же время интенсивное развитие цифровых средств требует пересмотра существующих методов реализации вычислительных процессов в системах РЛС. Разработка практических задач, решаемых специализированными вычислителями, в системах управления и контроля, визуализации, трансформации информации начинается с исследования математической модели. Предложено большое число решений уравнений и математических моделей численными методами, обеспечивающих обнаружение воздушных целей и определение их координат. Однако эти решения ориентированы, в определенной степени, на специалистов математического профиля. Эффективность методов определяется вариантами непосредственной ппяктичег.кой пеяптяпии яттгопитмя crmvKTvnM и пппгпяммнпгп обеспечения ЦВМ, применяемых при проектировании систем РЛС. Известны методы и алгоритмы, обеспечивающие измерение и преобразования координат воздушных целей, вычисления стандартных функций, которые реализованы в специализированных вычислителях, персональных компьютерах, калькуляторах. В то же время для систем цифровой обработки информации, тренировки операторов в РЛС эти алгоритмы во многих случаях не подходят, так как формат представления данных, быстродействие, разрядность и погрешности для результатов отличаются от обычных, используемых в персональных ЭВМ. С точки зрения технической реализации в РЛС ряд решений типовых запач по измерению и преобразованию координат, формированию гармонических сигналов, воспроизведению траекторий, вычислению элементарных функций, -Jx, 1/.y, которые приводятся в научно-технической литературе, являются неэффективными.
!
\
I 5
В системах РЛС не проведена оптимизация численных методов и вычислительных алгоритмов по повышению точностных характеристик и быстродействия устройств определения и преобразования координат, генерации гармонических и шумовых сигналов, идентификации реакций диагностируемых устройств, калибровки измерительных каналов. Не реализованы потенциальные возможности вычислительных алгоритмов машинной графики по увеличению количества имитируемых воздушных объектов и воспроизведения на экране дисплея воздушной обстановки в зоне действия РЛС. Не обеспечивается полный контроль систем РЛС непосредственно в рабочем режиме.
Экспериментальные и теоретические исследования автора, связанные с раз
работкой и внедрением в производство цифровых вычислительных устройств, по
казали, ч'ю даже для общеизвестных и широко применяемых численных методов
приближения функциональных зависимостей на основе полиномов Ньютона, Че-
бышева, итерационных алгоритмов, табличных преобразований может быть пред
ложен ряд улучшений, обеспечивающий потенциальный выигрыш по времени,
1 точностным характеристикам и (или) аппаратуре. Тем в большей степени это от-
носится к специализированным радиолокационным системам. Например, для реального масштаба времени при поступлении отраженных эхо-сигналов с приемника РЛС с интервалом разрешения по дальности необходимо за короткий интервал (порядка 0,2мкс) осуществить десятки и сотни вычислительных операций по обнапужению, измерению и ппеобпязовянию коопдинат воздушных объектов, совмещению информации с различных каналов. Особый интерес представляет применение гибридных алгоритмов, когда начальное приближение функции вычисляется с помощью многочлена со степенью, отличной от нулевой, а точное значение уточняется посредством итераций.
Областями применения данных исследований являются: вычислительные методы и цифровые структуры обработки, отображения информации в зоне обзора радиолокатора, измерение параметров воздушных целей, преобразования систем координат, функциональных зависимостей, воспроизведение траекторий, генерация тестовых и управляющих воздействий, калибровка измерительных приемных каналов метеорологических систем, разработка быстролейсткуюших прецизионных аналогов для проверки аудиотехники, фазометров, датчиков, например, си-ігусно-косинусньїх вращающихся трансформаторов, преобразование ортогональных составляющих сигналов в амплитуду и фазу.
Повышение качества, эффективности цифровых систем РЛС связано с обеспечением предельных оптимальных соотношений по точностным характеристикам, быстродействию и программно-аппаратурным затратам. Важнейшим ресурсом в этом плане является совершенствование универсальных численных методов, которые используются как для решения задач по измерению параметров воздушных целей в разных системах координат, так и для контроля систем РЛС, решающих эти задачи.
Необходимо обеспечить единый цикл проектирования, начиная с концепции построения радиоэлектронного комплекса, совершенствования численных мето-
дов решения вычислительных задач в радиолокационных системах с последующей детализацией их до алгоритмов, проведения вычислительных экспериментов и практической реализации с минимальными программно-аппаратурными, временными затратами.
Цель работы и задачи исследования
Целью работы является разработка новых и совершенствование существующих численных методов и алгоритмов реализации вычислительных процессов в цифровых радиолокационных устройствах обработки, контроля, отображения информации, что обеспечивает повышение точности, быстродействия, контролепригодности, степени автоматизации, расширения функциональных возможностей высокоинформативных измепительных "адиолок.яционных систем.
Исходя из цели работы, задачами исследования являются:
Совершенствование известных и создание новых гибридных методов и быстродействующих алгоритмов приближения функциональных зависимостей при реализации вычислительных процессов обработки информации для многофункциональных цифровых радиолокационных систем.
Разработка принципов построения вычислительных устройств для высокоинформативных автоматизированных систем РЛС.
Повышение точности и быстродействия цифровых устройств проведения траекторных расчётов для систем отображения радиолокационной информации, контроля и тренировки операторов РЛС.
Разработка быстродействующих прецизионных генераторов эталонных сигналов, автоматических методов калибровки для адаптивных радиометрических систем встроенного контроля и диагностики устройств РЛС.
Разработка многофукциональных цифровых специализированных вычислителей для измерения и преобразования координат, контроля и диагностики.
Научная новизна
1) Предложены новые методы повышения быстродействия и снижения про
граммно-аппаратурных затрат цифровых устройств, осуществляющих измерение,
преобразование координат и автоматическую калибровку адаптивных измери-
IV^lUAlUl/V jyiV-*"'-' «""«« »""""» VIIVIWH».
Разработаны численные методы повышения точностных характеристик таблично-алгоритмических преобразователей путем взаимной компенсации и симметрирования коррелированных составляющих погрешностей метода, усечения разрядных сеток операндов.
Разработаны методы расчета и уменьшения средних и среднеквадратиче-ских значений погрешностей цифровых структур, обеспечивающих воспроизведение траекторий для систем отображения информации и тренировки операторов РЛС.
Определены эффективные быстродействующие гибридные алгоритмы для воспроизведения функциональных зависимостей, которые, в частности, включают: преобразование ортогональных составляющих сигналов в амплитуду и фазу,
воспроизведение гармонических сигналов, вычисление основных элементарных функций.
5) Разработаны оригинальные структуры сопряжения и синхронизации вычислительных устройств радиолокаторов с датчиками координат, обеспечивающие повышение информативности, быстродействия и точности при обработке информации с многомерным представлением сигналов.
6) Предложены новые принципы построения автоматизированных систем обработки, встроенного контроля, отображения информации, тренировки операторов для активно-пассивных РЛС, защищенные шестнадцатью авторскими свидетельствами, тремя патентами на изобретения.
Практическая значимое і ь и реализация результатов работы
1. Предложены эффективные методы по замене аналоговых устройств на универсальные цифровые в системах отображения, контроля, обработки, диагностики и тренировки операторов РЛС. Снижено влияние дестабилизирующих факторов с необходимостью подстройки параметров систем операторами, повышена точность определения координат в 2 ... 4 раза. В системе корреляционной обработки сигналов экспериментального образца РЛС обеспечено сокращение аппаратурных затрат с девяти блоков на один без ухудшения характеристик обнаружения сигналов.
2 Ипе^чожены тти^11^овы аналоги "^лек^ТгОмеханических систем воспро-
изведения имитируемой воздушной обстановки синхронно с обзором пространства, позволившие обеспечить совмещение первичной (от РЛС с аналоговыми системами формирования радиально-кругового растра) и вторичной (от цифровой системы тренировки операторов) информации на экране индикатора кругового обзора.
Повышено качество тренировки операторов РЛС для отдаленных районов с исключительно малой интенсивностью воздушного движения. Количество имитируемых целей увеличено с двух до тридцати двух. При внедрении тренажера в серийное производство получено несколько авторских свидетельств и использовано
пЯ1тмпня_ттизяТОпСК0С ПпСпЛОЖЄНИС
Применение разработанных быстродействующих гибридных алгоритмов преобразования координат позволяет обеспечить в тренажере-имитаторе увеличение количества имитируемых траекторий целей на 30% и довести их до 150. ..200.
Внедрение оригинальных цифровых структур отображения информации в ряде изделий обеспечило повышение информативности, точности ввода координат в два раза. Съём полярных координат и ввод траекторий целей осуществлён с помощью эргономичного датчика прямоугольных координат.
На (10-30)% повышены точностные характеристики генераторов эталонных сигналов, преобразователей координат, измерителей амплитуд и фаз сигналов для широкого диапазона значений погрешностей (5-0,001)%.
5. Разработка и встраивание эффективных устройств контроля и диагностики
в системы РЛС обеспечили поиск дефектов с точностью до типового элемента
замены D -ті* иилпр м ппя nafinuerri ПРЖИМЯ
6. Издано три учебных пособия, в которых изложены более рациональные
методы реализации вычислительных процессов в системах тренировки операто
ров, отображения, диагностики, обработки информации РЛС.
Научная обоснованность и достоверность положений диссертации подтверждается разработкой, внедрением в серийное производство и эксплуатацией автоматизированных систем обработки, отображения и контроля информации и тренировки операторов РЛС, взаимосравнением результатов моделирования и теоретических заключений с данными натурных испытаний.
В период с 1975 по 2002 гг, полученные автором результаты по разработке систем отображения, контроля информации были представлены в тридцати отчетах по НИР, ОКР, технических описаниях систем и изделий. Работы выполнялись по постановлениям Правительства СССР, РФ, отраслевых министерств и их главных управлений, государственных комиссий по результатам испытаний опытных образцов, а также по договорам с Всероссийским НИИ радиотехники, грантам Министерства образования по обеспечению безопасности полетов в развитие указа Президента Российской Федерации Путина В.В. № 1123, по договорам с Муромским заводом радиоизмеритсльных приборов (МЗ РИЛ), Запорожским объединением "Искра"... Реіультатьї работы вошли б отчеты по НИР, проводимым в Муромском институте ВлГУ, использованы в учебно" пособии, рекомендованном учебно-методическим объединением (УМО) по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации. В экспериментальных, опытных образцах, НИР, ОКР, серийных изделиях, трех учебных пособиях использованы шестнадцать изобретений и три патента. Внедрение основных результатов и научных положений, экспериментальных исследований диссертационной работы в промышленные разработки и учебный процесс подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Пятое Всесоюзное совещание по робототехническим системам (Геленджик, 1990 г.).
Конференция Владимирского областного правления НТО РЭС им. А.С.Попова по применению достижений радиоэлектроники (Владимир. 1977г.)
Всероссийская конференция "Экологические мониторинги" (Таганрог, 1991 г.).
Всесоюзная научно-техническая конференция по радиолокационным системам (Киев, 1982г.).
II Всероссийская научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Муром, 2 доклада, 1992 г.).
Международная научно-техническая конференция "Проблемы радиоэлектроники" (к 100-летию радио), (Москва, 1995 г.)
Международная научно-техническая конференция "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1995г.).
III Всероссийская научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Муром, 1999г.).
Ежегодные научно-технические конференции Муромского института ВлГУ 4986-2001 гг.\
Головные научно - технические советы подотрасли в 3-м и 11 м главных управлениях министерства радиопромышленности СССР, Всесоюзного НИИ радиотехники и т.д.
Публикация по теме диссертации По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 80 работ, включая 30 статей в 10-ти общегосударственных журналах различного профиля, 16 авторских свидетельств на изобретения. 3 патента, 3 учебных пособия. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложения и списка лигерагуры. Обьем диссертации составляет 218 страниц машинописного тек-
ложение на 6 страницах.
Основные результаты и научные положения диссертационной работы, выносимые на защиту
1. Численные методы и структуры реализации цифровых кусочно-
полиномиальных аппроксиматоров воспроизведения сигналов и преобразователей
координат с повышенными точностными характеристиками и быстродействием
для диапазона значений погрешностей (5-=-0,01)%.
Методы, алгоритмы и структуры формирования траекторий для систем отображения и тренировки операторов РЛС с уменьшенными средними и средне-квадратическими значениями погрешностей.
Эффективные гибридные алгоритмы вычисления основных элементарных функций, преобразования ортогональных составляющих сигналов в амплитуду и фазу, воспроизведения гармонических сигналов.
Принципы построения адаптивных структур измерителей координат воздушных целей и сопряжения в реальном масштабе времени вычислительных устройств систем встроенного контроля, диагностики, отображения с датчиками координат, приемниками пассивных и активных каналов радиолокаторов и диагностируемых устройств.
Структуры устройств высокоинформативных автоматизированных систем, встроенного контроля, отображения и тренировки операторов РЛС.
Личный вклад автора
Как ведущий специалист, зам. главного конструктора, автор формировал основные принципы и положения работ, принимал непосредственное участие в постановке научных задач и их решении, обработке экспериментальных данных, разработке и внедрении в серийное производство на МЗ РИП, 'Запорожском заводе "Искра" систем отображения и контроля, тренажера мобильных радиолокационных станций 1РЛ134 (П19), КАСТА-2Е1 (51У6), КАСТА-2Е2 (39Н6Е), 35Д6...
