Введение

       Современные темпы развития отрасли требу-ют быстрого и точного прототипирования РЛС с целью повышения качества разработки. Эту задачу можно решить с помощью примене-ния концепции цифрового двойника. Цифро-вой двойник - это бинарная модель, которая детально имитирует работу РЛС и ее состав-ных частей. Разработка цифрового двойника РЛС является актуальной задачей, так как по-является возможность проверить как можно больше практических решений за минималь-ное время, а также подтвердить их правиль-ность на этапе эскизного проектирования. Цифровой двойник должен обладать свой-ствами ситуационного моделирования и от-вечать на основной вопрос: как изменяются основные тактико-технические характери-стики (ТТХ) изделия в различных условиях функционирования. Например, как увидеть изменение оценки угловых координат, если каждый приемный канал антенны будет рас- фазирован, или оценить деградацию алгорит-ма помехозащиты при нелинейности АЧХ при-емника. Быстрые ответы на подобные вопросы существенно экономят время при принятии решений заказчиком, главным конструктором или разработчиком аппаратуры.

       К тому же с помощью цифрового двойни-ка можно отлаживать новые концепции управ-ления РЛС и оперативно их внедрять в штат-ный режим работы. Кроме того, цифровой двойник позволяет верифицировать новые ме-тоды и алгоритмы цифровой обработки сиг-нала без присутствия на объекте испытаний, что существенно экономит время и трудозатра-ты. Также цифровой двойник позволяет много-кратно повторить различные эксперименты по помехозащите, по обнаружению и распозна-ванию сложных целей и многое другое.

       Безусловно, разработка цифрового двой-ника РЛС дальнего обнаружения - сложный и трудоемкий процесс, который по времени может быть сопоставим с процессом разра-ботки натурной РЛС. Однако вышеперечислен-ные преимущества оправдывают потраченное время и затраты. В статье рассматривается упрощенная верификационная модель (УВМ), которая является начальным приближением к цифровому двойнику. Ключевым досто-инством УВМ является то, что она отражает конструктивные и физические особенности аппаратной части разрабатываемой РЛС даль-него обнаружения. К конструктивным особен-ностям можно отнести: размер РЛС, общую структуру и вид антенного полотна, в частно-сти 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 пара-метры, которые определены в ТУ на аналого-вые и цифровые приемо-передатчики: коэффи-циент передачи приемо-передающего канала, АЧХ и ФЧХ приемо-передающего тракта, ко-эффициент шума и другое. Разработка УВМ осуществлялась в пакете Matrix Laboratory (MATLAB). Благодаря проработанному мате-матическому аппарату, MATLAB хорошо под-ходит 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 tool-box, Antenna toolbox, DSP system toolbox и мно-гие другие, которые способствуют быстрому и точному моделированию особенностей раз-рабатываемого изделия [1]. Также стоит от-метить, что сам программный язык MATLAB стал средством общения между научным со-обществом по всему миру [2].

       Наибольший интерес, с точки зрения мо-делирования, вызывает утилита Simulink, кото-рая является частью пакета MATLAB. Simulink позволяет осуществить моделирование изде-лия и его составных частей в наглядной фор-ме. Это, в свою очередь, обеспечивает высокий уровень понимания общих принципов работы разрабатываемой РЛС.

       Рассмотрим архитектуру построения УВМ.

       Архитектура УВМ

       Структурная схема УВМ представлена на ри-сунке 1.

       Рис. 1. Функциональная схема модели РЛС из одного антенного РЭК в режиме работы по цели

       Главным конструктивным элементом УВМ является антенный радиоэлектронный комплекс (РЭК) (внешний вид РЭК представ-лен на рис. 2б), состоящий как из аналоговых приемо-передающих модулей (АППМ), так и из цифровых приемо-передающих модулей (ЦППМ). По сути, РЭК является конструктив-ной единицей РЛС (рис. 2а). Набор из несколь-ких десятков или сотен РЭКов может ими-тировать полноценную РЛС. В связи с этим мы разработали на базе утилиты Simulink биб-лиотечный блок РЭК (рис. 3), что позволяет его использовать совместно со стандартными бло-ками, предусмотренными в Simulink, напри-мер цель, среда, антенно-фидерное устрой-ство (АФУ). В свою очередь, РЭК базируется на АППМ и ЦППМ, которые и определяют физические особенности работы станции. Они были выполнены также в виде библио-течных элементов (рис. 3).

       Рис. 2. Внешний вид станции (а) и радиоэлектронного комплекса (б)

       Рис. 3. Внешний вид библиотечных базовых блоков: а - РЭК, б - АППМ, в - ЦППМ

       Хочется отметить, что в одном РЭК нахо-дятся 64 АППМ и 32 ЦППМ, а применительно к полноценной РЛС их порядка нескольких тысяч. На функциональной схеме представ-лен вычислительный комплекс (ВК), который формирует команды управления составны-ми элементами модели. Также ВК анализи-рует принятые команды состояния с целью функционального контроля изделия. Вычис-лительный комплекс - это абстрактный эле-мент 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 функ-циональной схеме представлены блок АФУ, блок ？среда распространения？, блок ？цель？.

       В рамках статьи эти блоки подробно рассмат-риваться не будут, так как они выполнены стандартными средствами утилиты Simulink. Однако нами была предусмотрена возмож-ность интеграции собственных методов и ал-горитмов, реализующих функционал блоков, для более детального учета разнообразных особенностей целей, среды и АФУ

       Для общего понимания принципов ра-боты модели УВМ рассмотрим рисунки 4 и 5. На рисунке 4 представлена УВМ, реализован-ная 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.

       Рис. 4. Схема построения упрощенной верификационной модели

       Рис. 5. Радиоэлектронный комплекс, разделенный подсистемами

       Генератор сигнала формирует зондирую-щий сигнал (ЗС) в двух поляризациях (таким образом, всего в модели 128 каналов: 64 гори-зонтальных 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 подсисте-мой 6 рисунка 5. Подсистема 7 осуществляет дальнейшее распространение сигнала от пере-дающего тракта РЭКа к блокам среда и цель (помеховая составляющая входит в состав бло-ков и модулей). Далее отраженный сигнал по-ступает на приемный тракт РЭКа (приемник на рисунке 4) от АППМ к ЦППМ. В свою оче-редь, распространение сигнала по приемно-му 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 бло-ка (соответствует 2). Отметим, что сигналы от двух аналоговых блоков поступают в один цифровой блок, аналогично выходы цифрово-го блока обеспечивают два аналоговых блока. B свою очередь, каждый из блоков содержит по 8 АППМ и ЦППМ, представленных на ри-сунке 3. Разработка дополнительных подси-стем аналоговых и цифровых блоков обус-ловлена улучшением читабельности модели. Аналоговый приемо-передающий модуль вы-полняет следующие функции: фильтрацию, аттенюацию, предварительное усиление. Так-же в нем учитываются нелинейные элементы, шумовые эффекты. Цифровой приемо-передающий модуль обеспечивает цифро-аналоговое преобразование, аналого-цифровое преоб-разование, аттенюацию, преобразование час-тот, фильтрацию сигнала, многоскоростную обработку [4]. Также в ЦППМ реализованы алгоритмы компенсации задержек сигнала, которые могут возникнуть в приемо-передающем тракте. Вычисление задержек сиг-нала 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 мо-гут возникнуть случайные задержки на каждом из приемных каналов, что, в свою очередь, мо-жет повлиять на приемную диаграмму направ-ленности. С помощью подобного режима рабо-ты можно сымитировать ситуацию калибровки и фазировки станции (рис. 6а и б).

       Рис. 6. Результаты работы УВМ: а и в - приемный сигнал, б и г - диаграмма направленности

       В УВМ предусмотрены различные ме-тоды расчета задержек сигнала. Рассмотрим их вкратце (во всех методах один из сигналов является опорным, относительно которого осу-ществляется расчет задержки):

       метод на основе расчета интеграла вза-имной корреляции [5] (далее по тексту - кор-реляционный 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 фазовы-ми частотными характеристиками [5] (далее по тексту - спектральный метод); метод на основе преобразования Гиль-берта осуществляет преобразование Гильберта над сигналами, далее рассчитывает фазу отно-шения между результатами преобразования [5] (далее по тексту - метод Гильберта); метод на основе свойств ЛЧМ сигнала осуществляет гетеродинирование между опор-ным сигналом и сигналом с задержкой, далее производит расчет спектра, где находит значе-ние максимального фильтра, по значению ко-торого производится расчет задержки сигнала (далее по тексту - метод ЛЧМ). На рисунке 7 представлены результаты обработки вышеизложенными методами.

       Рис. 7. Результаты работы модели: а - расчет задержки, б - расчет задержки в окрестности 25 канала; 1 - истин-ная задержка сигнала, 2 - рассчитанная задержка с помощью корреляционного метода, 3 - рассчитанная задерж-ка с помощью спектрального метода, 4 - рассчитанная задержка с помощью метода Гильберта, 5 - рассчитанная задержка с помощью метода ЛЧМ; Ch - номер канала, T - задержка сигнала

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

       Так как в роли ЗС выступает ЛЧМ сиг-нал, для дальнейшего анализа остановимся на методе ЛЧМ. После расчета задержек сиг-нала в приемо-передающем тракте необходи-мо произвести их компенсацию. Компенсация осуществляется в ЦППМ. Для этого была рас-считана матрица задержек (рис. 8).

       Рис. 8. Матрица задержек

       Каждый столбец матрицы - это набор за-держек сигнала на всех каналах, номер столб-ца - это относительно какого канала произво-дится компенсация задержек. Таким образом, элементы выбранного столбца записываются в ЦППМ, где осуществляется компенсация задержки сигнала. Результаты компенсации временных задержек представлены на рисун-ках 6в и г.

       Далее рассмотрим структуру и интер-фейс 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 оче-редь, структура РЭК включает в себя следую-щие компоненты:

       массив структур управления АППМ, где каждая структура хранит собственные зна-чения параметров управления одного АППМ, такие как коэффициент передачи, коэффици-енты фильтров, АЧХ и т.п. Таким образом, в модели УВМ каждый АППМ может иметь свои параметры управления, что позволяет адаптировать модули к особенностям реаль-ных АППМ, тем самым приближая УВМ к ре-альной РЛС; массив структур управления ЦППМ, так же как и в АППМ, можно отдельно управ-лять каждым ЦППМ, например регулировкой задержки сигнала приема/передачи, установ-кой коэффициентов цифровых фильтров, ре-гулированием ширины полосы сигнала; структура цель, которая содержит па-раметры управления целью: ЭПР, дальность, скорость и т. п.; структура среда, которая содержит па-раметры управления средой распространения: коэффициент отражения от Земли, задержки, количество полос и т. п.

       Далее рассмотрим интерфейс управле-ния, который представлен на рисунке 9.

       Рис. 9. Внешний вид интерфейса управления УВМ

       По сути, представленный интерфейс яв-ляется оболочкой ВК. Как можно видеть, ин-терфейс управления имеет довольно обшир-ный набор опций, которые позволяют задавать различные режимы отображения полученной информации выбором включения или отключе-ния 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 утили-ты Simulink. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию: две цели с отличными ЭПР расположены на разных расстояниях. Первая цель находилась на расстоянии по-рядка 1000 м, другая - на 2000 м. Причем ра-диальная скорость у целей была разная. Об-работка и отображение полученного сигнала осуществлялись стандартными блоками ути-литы Simulink. Результат обработки представ-лен на рисунке 10.

       Рис. 10. Режим работы по цели

       Выводы

       На начальном этапе разработки цифрового двойника РЛС была создана упрощенная верификационная модель, в которой был смоде-лирован один антенный РЭК и его составные части: АППМ и ЦППМ. Модель цели, среды распространения радиоволн, АФУ использо-валась из среды Simulink. Благодаря особен-ностям утилиты Simulink модель получилась наглядной и отражает конструктивные осо-бенности проектируемого изделия. Управле-ние 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 разра-батываемого изделия. Были решены следую-щие задачи: дано общее понимание принци-пов работы изделия, определены параметры управления аппаратурой и программным обес-печением, отработан режим калибровки при-емного и передающего тракта по внешнему калибровочному сигналу, отработан режим обнаружения цели.

       Хочется отметить, что модель имеет не-законченный вид и в дальнейшем будет расши-ряться для выполнения других задач. Прио-ритетными направлениями развития модели являются: увеличение количества РЭК (уве-личения размера антенны), задание уравне-ния движения цели, работа по сложным це-лям. Также нами рассматривается возможность проведения полунатурного моделирования, применение технологии SDR (англ. Softwaredefined radio).

       Разработка модели идет параллельно с разработкой натурного РЭКа, поэтому даль-нейшим направлением будет сравнение пара-метров, полученных при моделировании, с результатами испытания РЭК.

       Авторы: Балакин Д.А., Керский Е.В.

       Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей

       Список литературы:

       ↑1. Bassem R. Mahafza, Atef Z. Elsherbeni. MATLAB simulations for radar systems design. 2004. 686 р.

       ↑2. Матюшев Ю. Ю. Практика функционального моделирования в радиотехнике: учеб. пособие. М., 2014. 188 с.

       ↑3. Леонов А. И., Васенов В. Н., Гайдуков Ю. И. и др. Моделирование в радиолокации. М.: Советское радио, 1979. 264 с.

       ↑4. Витязев В. В., Зайцев А. А. Основы многоскоростной обработки сигналов: учеб. пособие. Ч. 1. Рязань, 2005. 124 с.

       ↑5. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., 2006. 719 с.

       14.09.2020