Модернизация подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики"

Факультет Заочного обучения

Направление (специальность) Информационные системы и технологии

Кафедра Информационных систем и технологии

Выпускная квалификационная работа (бакалаврская работа)

Модернизация подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации

Билярская С.Г.

Самара 2017

Содержание

Введение

1. Задача модернизации подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации ОРЛ-Т базе средств вычислительной техники

1.1 Характеристики обзорного радиолокатора объекта ОРЛ-Т

1.2 Характеристики выходных сигналов обзорного радиолокатора

1.3 Классификация подсистем сбора, обработки и передачи РЛ информации

1.4 Характеристика базовой системы сбора, обработки и передачи РЛ информации

1.5 Расчет достоверности РЛ данных полученных в контрольно-диспетчерском пункте

1.6 Определение требований к средствам вычислительной техники

1.7 Аппаратно-программных средств подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации

2. Разработка, выбор и обоснование структуры подсистемы аппаратно-программных средств сбора, обработки и передачи РЛ информации объекта ОРЛ-Т

2.1 Классификация и характеристика аппаратно-программных средств сбора, обработки и передачи РЛ

2.2 Характеристика основных методов обработки РЛ информации

2.3 Выбор и обоснование структуры подсистемы аппаратно-программных средств для сбора, обработки и передачи РЛ

3. Проектирование аппаратно-программных средств сбора, обработки и передачи РЛ информации

3.1 Разработка и обоснование функциональной схемы

3.2 Разработка принципиальной электрической схемы

3.3 Расчет параметров АЦП

3.4 Расчет Wi-Fi линии передачи данных

3.5 Разработка алгоритмов обработки РЛ информации

3.6 Разработка программного обеспечения

Заключение

Список использованных источников

Реферат

Название	Модернизация подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации
Автор	Билярская Светлана Григорьевна
Научный руководитель	Ряполова Елена Ивановна
Ключевые слова	Подсистема сбора информации, радиолокационная информация, сбор информации, передача информации
Дата публикации	2017
Библиографическое описание	Билярская, С.Г. Модернизация подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации: [Текст]: бакалаврская работа / С.Г. Билярская. Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ). Факультет заочного обучения (ФЗО). Кафедра информационных систем и технологий (ИСТ): науч. рук. Е.И. Ряполова - Самара. 2017. - 110 с.
Аннотация	В ВКР модернизирована подсистема сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т средствами вычислительной техники, что позволило повысить достоверность передаваемой информации диспетчерам по управлению полетами. Целью подсистемы является передача данных о воздушной обстановке на экраны мониторов диспетчеров.

Введение

Каждый день на пост заступают диспетчеры по управлению полетами, выполняющие роль арбитров, разводящих самолеты на безопасном расстоянии друг от друга. Такую работу возможно осуществлять только, выполнив одно важнейшее условие - нужно увидеть самолет! В зоне ближайшее к аэропорту воздушное судно можно обнаружить визуально, но как быть, если самолет находить за пределами видимости человеческому глазу? Тут на выручку приходят такие системы как обзорный радиолокатор трассовый, который способен обнаружить самолет в воздушном пространстве. Радиолокационные станции Оренбургского филиала аэронавигации способны видеть на расстоянии до 400км, что позволяет обеспечить все условия для работы диспетчеров.

Между РЛС и диспетчером имеется очень важное связующее звено - подсистема сбора, обработки и передачи радиолокационной информации. Целью которой является передать данные о воздушной обстановке на экраны мониторов диспетчера. В идеале информация должна содержать в себе только воздушные борта, никаких шумов, никаких помех, только полезная информация. Конечно, на то он и идеал, что к нему можно только приблизиться. Задачи данной подсистемы доставить как можно больше полезной информации и как можно меньше ненужной.

На текущий момент эти задачи выполняются устаревшей аналоговой аппаратурой, которая обладает большим количеством недостатков. Важным шагом будет переход на современную цифровую обработку информации, что позволит намного ближе подойти к идеалу.

Все вышесказанное определило актуальность темы работы - модернизации подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации ОРЛ-Т базе средств вычислительной техники.

Целью дипломного проекта (работы) является повышение достоверности передаваемой информации диспетчерам по управлению полетами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

-провести исследование характеристик текущей подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т;

- разработать структурную схему подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т;

- разработать аппаратное средство сопряжения РЛС с интерфейсом Ethernet;

- разработать алгоритм оцифровки и предварительной обработки радиолокационных данных.

- разработать алгоритм обработки данных для сервера;

- разработать программное обеспечение для сервера обработки данных;

- рассчитать и спроектировать Wi-Fi линию связи от объекта ОРЛ-Т до КДП. радиолокационный вычислительный информация

Объектом исследования выступает (является) ОРЛ-Т Оренбургского центра УВД.

Предметом исследования является подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации ОРЛ-Т.

Основными источниками информации для написания работы послужили: существующая система сбора и обработки информации предприятия, справочная литература и литература по теме ВКР.

Цель и задачи написания работы определили ее структуру, которая состоит из введения, 3 глав и заключения.

Во введении обосновывается актуальность работы, цель, задачи, объект и предмет исследования.

Первая глава раскрывает ВКР определяются характеристики обзорного радиолокатора, принцип его функционирования. Определяются характеристики выходных сигналов обзорного радиолокатора. Проводится анализ существующей подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации, выявляются ее основные недостатки и определяется необходимость в модернизации. Приводится классификация подобных подсистем. Описывается критерий оценки эффективности. Определяются требования к средствам вычислительной техники и производится постановка задачи на дипломное проектирование.

Во второй главе приводится классификация и характеристика аппаратно-программных средств сбора, обработки и передачи РЛ информации. Приводится характеристика основных методов обработки радиолокационной информации. Выбирается и обосновывается структура аппаратно-программных средств модернизированной подсистемы.

В третьей главе описывается выбор узлов функциональной схемы и разработка электрической принципиальной схемы. Описывается расчет параметров аналого-цифрового преобразователя и расчет временных диаграмм. Рассчитываются параметры Wi-Fi моста и точки размещения антенн. Описывается процесс разработки алгоритмов обработки радиолокационной информации. Производится выбор языков программирования и средств разработки микропрограммы и программы сервера. Описывается процесс разработки микропрограммы микроконтроллера и сервера обработки данных.

В заключении сделаны основные выводы и результаты по проделанной работе.

1. Задача модернизации подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации ОРЛ-Т базе средств вычислительной техники

1.1 Характеристики обзорного радиолокатора объекта ОРЛ-Т

Объект обзорный радиолокатор трассовый (ОРЛ-Т) занимается обслуживанием воздушных трасс, путем первичной и вторичной радиолокации. Первичная радиолокация обеспечивается по средствам пассивного радиолокатора 1РЛ 139 (военная аббревиатура П-37). Вторичная радиолокация обеспечивается по средствам активного радиолокатора ВРЛ "Корень" АС М.

Трассовый радиолокатор 1РЛ 139 предназначен для обнаружения и измерения координат (азимут-дальность) воздушных судов во внеаэродромной зоне с последующей передачей информации о воздушной обстановке в пункты ОВД для целей контроля и обеспечения управления воздушным движением. Данная РЛС в настоящее время является одним из самых распространенных источников первичной радиолокационной информации, используемых предприятиями УВД России. Изначально радиолокатор был разработан в военных целях и имел аббревиатуру П-37. Длительная эксплуатация в советской армии доказало надежность и жизнеспособности данной системы, а учитывая изначально передвижное базирования станции, в нее закладывался большой запас прочности. Также необходимо отметить такую важную особенность эксплуатации техники в армии, как отсутствие узконаправленных специалистов. Это особенность потребовала разработать станцию, которую можно было быстро отремонтировать в походных условиях простыми солдатами. Благодаря всем особенностям военной ориентации 1РЛ 139 она служит Оренбургскому центру УВД уже на протяжении 25 лет.

Основное приемо-передающее оборудование размещено в кунге РЛС, также на нем смонтированы 2 антенны. Кунг размещен на мобильном основание с возможность его перемещения с помощью тягача. При базировании на местности решающую роль в возможности обозревать все воздушное пространство играет место размещения локатора и точное выравнивание по уровню. В Оренбургском Центре ОВД станция размещена на искусственном насыпе высотой 5 метров. Это позволяет уменьшить помехи от рельефа местности и построек.

Таблица 1.1

Тактико-технические характеристики 1РЛ 139[10]:

Параметр	Характеристика
Диапазон волн:	10 см. частота=2700-3100 МГц
Дальность обнаружения:	до 400км
Обзор:	круговой 0о-360о
Скорость обзора:	3 или 6 оборотов в минуту
Точность по дальности:	±500м
Точность по азимуту:	±1о
Мощность в импульсе:	800-900 КВт
Длительность импульса:	2.7 мкс
Частота повторения импульса по трем режимам:	- Р 1=300-375Гц из 7 частот; - Р 2=300-375Гц из 6 частот; - Ч=600-750Гц вобуляция 6 удвоенных частот.
Время включения радиолокатора:	5 мин., ускорено 3 мин
Чувствительность приемника:	не хуже 85дБ
Питание:	3Ч220В 50Гц 50КВт, 3Ч220В 400Гц 25КВт

Приемо-передающая аппаратур станции состоит из 5 приемо-передатчиков (5 каналов). 1-3 каналы работают с нижней антенной, 4 и 5 каналы работают с верхней антенной. Разделение по каналам обусловлено двумя причинами[11]:

1. Резервирование оборудование на базе одной станции - РЛС способна работать как с одним каналом, так и со всеми пятью каналами. Что позволяет не прекращать работу при выходе из строя какого-либо приемо-передатчика. Выход из строя одного канала не значительно скажется на качестве радиолокационной информации, а при изменении угла антенны можно компенсировать вышедший из строя канал.

2. Необходимо для обеспечения заданной диаграммы направленности луча. На рисунке 1.1 а изображена диаграмма направленности, на рисунке 1.1 б изображен вклад каждого канала в обеспечении общей диаграммы.

Рис. 1.1 -- Диаграмма направленности 1РЛ 139

а) Общая диаграмма направленности; б) Диаграмма направленности по каналам

Диаграмма направленности первых трех каналов имеет одинаковый вид, отличаются друг от друга только углом отражения от антенны. 2 канала относительно оси антенны отражается под углом 0 градусов, 1 канал под углом минус 2 градуса, 3 канал под углом плюс 2 градуса. У 4, 5 каналов немного иные диаграммы, т.к. они обозреваю пространство, оставшееся от первых трех каналов. [11]:

1 канал берет на себя нижнюю часть диаграммы направленности - в близи это минимальная высота, а на большом расстоянии нижние эшелоны воздушных трасс.

2 канал обеспечивает обзор на нижних высотах, в дали обозревает высокие эшелоны.

3 канал обеспечивает обзор средних высот в близи и высокие эшелоны на средней дальности.

4 канал обеспечивает обзор высоких эшелонов ближе средней дальности.

5 канал обеспечивает обзор высоких эшелонов вблизи.

Передатчики различных радиолокаторов можно разделить на 2 группы:

1. Слабый генератор с мощным усилителем.

2. Мощный генератор без усилителя.

Рис. 1.2 - Функциональная схема передатчика

Передатчики 1РЛ 139 относятся ко второй группе. Функциональная схема генератора представлена на рисунке 1.2. Генератором является магнетрон МИ 29 мощностью излучения 800-900 киловатт. Генератор излучает импульс длительностью 2.7 мксек. в момент возникновения импульса "ЗАПУСК". От магнетрона до рупоров на антенну мощность передается через антенный переключатель и по системе волноводов. Антенный переключатель (АПС) отключает приемник в момент излучения мощного импульса, а после излучения переключается обратно на приемник[11].



Рис. 1.3 - Функциональная схема приемника

Задача приемника отфильтровать радиоволны от всех источников, кроме отраженных импульсов своего канала. Максимально эффективное выполнение этой задачи обеспечивает приемник с супергетеродинной схемой работы. На выходе смесителя промежуточная частота составляет 30 МГц, которая обрабатывается в видеодетекторе и системой селекции движущихся целей.

Данная РЛС на сегодняшний день является физически и морально устаревшей.

1.2 Характеристики выходных сигналов обзорного радиолокатора

Задачи по обнаружению воздушного судна выполняются в машине №1. На выходе из приемопередающей аппаратуры получаем следующие сигналы[11,12]:

- ЗАПУСК - импульс, синхронизирующий работу всего оборудования;

- ЭА - эхо амплитудное - это отраженные от любых преград импульсы;

- ЭК - эхо когерентное - отраженная информация прошедшая когерентную обработку, результатом которой является фильтрация всех пассивных помех и получения только движущихся целей;

- МАИ - малые азимутальные импульсы - импульсы характеризующие вращение кунга с антенной: 1 оборот антенны = 4096 импульсов МАИ;

- СЕВЕР - импульс синхронизации по северу - возникает, когда антенна ориентирована ровно на север и является важным дополнением к МАИ для синхронизации индикаторного оборудования.

Рис. 1.4 - Диаграмма основных аналоговых сигналов вырабатываемых радиолокационной станцией

На рисунке 1.4 изображены импульс возникающие при работе РЛС, они характеризуют работу приемо-передающей аппараты и схему обработки информации.

Работа любой РЛС начинается с импульса "ЗАПУСК", который генерируется управляющей аппаратурой. Он является главным синхронизирующим импульсом во всей аппаратуре радиолокационной станции. Также он определяет, как часто станция будет сканировать обстановку в воздушном пространстве. Станция 1РЛ-139 тремя режимами генерации импульс[12]:

1. Р - редкий. Постоянная частота генерации, которая может настраивать в пределах от 300 Гц до 375 Гц и соответственно периодом от 0.0033 сек. до 0.0026 сек;

2. Р 1 - редкий 1. Пределы генерации частоты остаются прежними, меняется только способ генерации импульса. В этом режиме период генерации импульса постоянно меняется в указанных пределах. На текущий момент режим "Редкий 1" не используется, т.к. был создан для решения задач военного характера;

3. Ч - частый. Постоянная частота генерации 700 Гц и соответствующий период 0.00143 сек.

Рис. 1.5 - Диаграмма импульсов "ЗАПУСК" на различных режимах

На представленном рисунке 1.5 наглядно изображено каким образом генерируется импульс "ЗАПУСК" в различных режимах. В данном примере рассмотрены режим "Р" с частотой генерации 375 Гц, режим "Р 1" с переменной частотой генерации и режим "Ч" с частотой генерации 750Гц. Помимо синхронизации оборудования импульс выполняет вторую не менее важную роль - ограничивает радиус действия РЛС. Чем больше частота генерации импульса, тем меньше радиус действия локатора. Максимально возможный радиус действия локатора, зависящий от частоты запуска можно рассчитать по следующей формуле:

, (1.1)

где R - радиус действия локатора;

F - частота запуска;

С - скорость света.

В представленной формуле 1.1 видно, что для получения максимально возможного радиуса действия локатора достаточно период импульса "ЗАПУСК" помножить на скорость света. Полученное расстояние необходимо разделить на 2 т.к. зондирующий импульс проходит два радиуса - от локатора до цели и отраженный от цели до локатора.

При возникновении импульса "ЗАПУСК" происходит два события:

1. В передатчиках РЛС происходит сброс наколенной энергии в магнетрон и излучается зондирующий импульс, примерной длительность 2.7 мксек. в воздушное пространство.

2. На индикаторе кругового обзора луч начинает двигаться от центра к краю согласно импульсу развертки.

Механизмом работы ЧПК является сравнение как минимум трех периодов работы РЛС как представлено на рисунке.

Рис. 1.6 - Диаграмма сравнения видео сигналов за три периода работы в блоке ЧПК

На рисунке 1.6 изображено три периода сканирования воздушного пространства, необходимых для сравнения и окончательного ответа о наличии отраженного сигнала. Сначала первый период сравниваем со вторым, наблюдаем что диаграммы идентичны, делаем вывод что пока ничего не нужно отфильтровывать. Далее полученный результат сравнения сравниваем с третьим периодом и можем заметить, что в отличии от первых двух периодов импульс t3 отсутствует. Это означает что данный импульс является помехой[12].

Задача аппаратуры машины №2 преобразовать эти сигналы в надлежащий вид для передачи диспетчерам. Основным способом передачи данных является коаксиальная кабельная линия, резервирование кабельный линии происходит радиорелейной станцией 1РЛ 51-М 1 "Василек".

1.3 Классификация подсистем сбора, обработки и передачи РЛ информации

Любая радиолокационная станция, выходящая из производств, уже обладает системой сбора, обработки и передачи информации. Данные системы, идущие в комплекте с РЛС можно разделить на 3 группы:

Цифровые, интегрированные в современные локаторы. Особенности таких систем в том, что РЛС и система сбора, обработки, передачи информации являются одним целым. Примером такой РЛС является Лира-А 10.

Рис. 1.7 - Разновидности РЛС по форме обработки сигналов

Аналоговые с элементами цифровой обработки. Такие систем интегрированы в локаторы ранних разработок, например, 1РЛ-139, ЛИРА-118, ЛИРА-ТВК. Они характеризуются более простой структурно схемой нежели современные РЛС.

РЛС и системы сбора, обработки, передачи радиолокационной информации неразрывно связаны. В совокупности они представляют собой один комплекс, именно поэтому невозможно представить классификацию АПОИ без классификации РЛС систем управления воздушным движением (УВД). Технически их можно разделить на 3 категории[1].

Рис. 1.8 - Виды радиолокационных станций

1 Категория - первичные РЛС. Иначе их называю пассивными. Особенность их работы заключается в том, что для обнаружения воздушного судна нужно только оборудование на РЛС. Примерами таких локаторов являются 1РЛ-139, ЛИРА-1, ЛИРА-118.

2 Категория - вторичные или активные РЛС. В отличии от первичных данные станции определяют не только наклонное расстояние, но и номер борта, высоту, остаток топлива в зависимости от запроса. Локатор в свою очередь этот код расшифровывает и выводит на экран в виде формуляра. Пример такой системы ВРЛ "Корень".

3 Категория - РЛС совмещающие в себе и первичный, и вторичный принцип действия. В таких РЛС ничего нового не придумали, а по сути, взяли 2 локатора и собрали на одной базе.

Аппаратура "БАРС". Аппаратура "БАРС" предназначена для отображения, трансляции и первичной обработки информации систем сканирования. "БАРС" работает с комплексами: ПРЛ, ВРЛ, МРЛ, АРП, РСП, высотомерами и другими системами сканирования. Состав: блок сопряжения с радиолокатором и предварительной обработки данных, устройства окончательной обработки и трансляции информации на базе ПЭВМ. Аппаратура "БАРС" предназначена для обработки, ввода в ПЭВМ, отображения и трансляции информации от радиолокаторов, высотомеров, метеолокаторов и других систем сканирования реального времени ("Иртыш", "МЕЧ", П-18, МРЛ, АРП, РСП и др.)

Аппаратура цифровой обработки радиолокационной информации ВИП - 118. Пульт технического контроля и аппаратура цифровой обработки ВИП-118 для РЛС "ЛИРА-1"(1Л 118) разработаны на базе применения современных вычислительных средств и технологий реализуют функцию первичной обработки по первичному каналу и каналам госопознавания обзорных, трассовых радиолокаторов 1Л 118, П-37 и "Корень АС".

Аппаратура "КОРМ". Аппаратура "КОРМ" предназначена для обработки, ввода в ПЭВМ, отображения и трансляции информации от радиолокаторов, высотомеров, метеолокаторов и других систем сканирования реального времени ("Иртыш", "МЕЧ", П-18, МРЛ, АРП, РСП и др.).

Приведенное выше оборудование является прекрасным примером различных систем АПОИ. Общей чертой является то, что аппаратура допускает подключения широкого спектра станций. Это является плюсом таких систем, т.к. нет необходимости создавать новую аппаратуры на различные радиолокационные станции. В свою очередь это можно и отнести к минусам, создавая универсальную систему появляется необходимость прибегать к различным компромиссам или значительно удорожают оборудование.

Одно только использование обычных персональных компьютеров позволит значительно снизить стоимость подсистемы. Минусом являет подверженность сбоям обычной операционной системы, но соблюдение определенных правил и регулярное техническое обслуживание позволит снизить к минимуму риск сбоя подсистемы. Также дополнительное дублирование позволит свести на нет все риски.

1.4 Характеристика базовой системы сбора, обработки и передачи РЛ информации

Базовая система сбора, обработки и передачи радиолокационной информации представлена аппаратурой входящей в состав изделия 1РЛ-139. Изначально РЛС разработана как станция мобильного базирования, состоящая из двух машин. Первая машина это кунг, на котором размещены две антенны и приемопередающая аппаратура. Приемники являются первым этапом обработки информации. Также в машине №1 размещено оборудование СДЦ. При переводе на стационарное базирование первая машина осталась в своем прежнем виде и была размещена на насыпе.

Машина №2 представляла собой рабочее место оператора РЛС. В ней находилось: пульт дистанционного управление, система трансляции по кабельной линии и радиорелейная станция для трансляции по "воздуху". При переводе на стационарное базирование все это оборудование было перенесено в здание.

Рис. 1.9 - Схема выработки радиолокационной информации и передачи ее диспетчерам

На приведенной схеме видно, что, информация, произведенная радиолокационной станцией прежде чем попасть к диспетчеру проходит несколько этапов. Подсистема сбора, обработки и передачи радиолокационных данных охватывает все, начиная от РЛС и заканчивая рабочим местом сменного инженера.

Недостатки существующей подсистемы:

1. Морально и физически устаревши линии связи;

2. Отсутствие возможности в использовании связной линии;

3. Подверженность линии связи неблагоприятным погодным условиям;

4. Слабая защищенность аналогового сигнала к различным искажениям.

Перечисленные недостатки вызвали необходимость в модернизации существующей подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации.

1.5 Расчет достоверности РЛ данных полученных в контрольно-диспетчерском пункте

Исходя из поставленной цели модернизации: повысить достоверность получаемой информации диспетчерами, необходимо определить критерии для определения достоверности. В существующей подсистеме сбора, обработки и передачи РЛ информации передаются по кабелям 4 сигнала: север, МАИ, запуск, видео. Таким образом достоверность складывается из:

- Север - необходимое наличие истинных импульсов и отсутствие ложных импульсов.

- МАИ - необходимое наличие истинных и отсутствие ложных импульсов.

- ЗАПУСК - необходимое наличие истинных и отсутствие ложных импульсов. Влияние импульсов "Запуск" на отображение информации так же очень велико, т.к. они необходимы для синхронизации видео сигнала.

- Видео - Необходимое наличие истинной информации от отраженных целей, минимальное зашумление сигнала и минимальное количество ложных отметок.

Данные импульсы в совокупности дают общую достоверность отображения воздушной обстановки:

1. Наличие истинных целей и метеобразований, отсутствие ложных

2. Отсутствие сбоев в отображении информации

3. Верное отображение целей по азимуту

4. Верное отображение целей по дальности

В модернизированной подсистеме сбора, обработки и передачи РЛ информации все данные должны будут объединяться в единый пакет и отправляться по одной лини. Таким образом нет необходимость в определении достоверности каждого сигнала, нужно определяться только общую.

Критерий достоверности это должна быть статистическая информация отображающая возникновение вышеперечисленных сбоев за определенный промежуток времени.

Сбор информации по сбоям должна вестись в автоматизированном режиме, приводиться в достаточно простую и информативную форму в виде таблиц и графиков за определенный период времени.

Для расчета процента достоверности необходимо:

1. Рассчитать объем данных, которые должны прийти согласно режиму работы РЛС;

2. Посчитать, фактически пришедши объем данных;

3. Рассчитать процент потерь данных.

Для режима работы Р-1 с частотой запуска 375 Гц и размера пакета, отправляемых данных 2850 байт.

Формула расчет объема данных согласно режиму работы и полученных можно рассчитать по следующей формуле:

, (1.2)

где V - объем данных, байт/сек;

F - частота запуска РЛС, Гц;

- количество отправленных байт.

Процент потерь данных можно рассчитать по формуле:

, (1.3)

где P - процент потерь;

- объем данных расчетный;

- объем данных фактический.

Процент потерь должен стремиться к нулю.

1.6 Определение требований к средствам вычислительной техники

Первым сегментом модернизированной подсистемы является интерфейс "РЛС-Ethernet", который выполняет роль оцифровки и передачи радиолокационных данных на сервер обработки. Он должен отвечать следующим требованиям:

1) Способность работать в промышленной сети 3 фазы 220 вольт. Данное требование продиктовано тем, что на объекте установлена подстанция без глухо заземленной нейтрали. В сети объекта не нули и фаза 220 вольт, а фаза и фаза по 127 вольт.



Рис. 1.10 - Состав модернизированной подсистемы сбора обработки и передачи радиолокационных данных

2) Работать при температурных режимах от -40 до +50 гр. Цельсия. По итогам модернизации интерфейс должен будет установлен в кунге локатора, где температура может колебаться в таких пределах.

3) Обладать устойчивостью к перепадам по напряжению. Во время работы в промышленной сети происходят "броски" - перепады напряжения в положительную или отрицательную сторону.

4) Обеспечить необходимую частоту обработки сигналов. Интерфейс должен оцифровывать и обрабатывать сигналы с частотой определенной заданием.

5) Обладать необходимой точностью обработки сигналов. Дискретизация по амплитуде должна быть достаточной для уверенной работы системы подавления шумов.

6) Способность работать в сети Ethernet по протоколу TCP/IP. Для передачи данных выбрана сеть Ethernet.

Вторым сегментом является линия передачи данных №1, выполняющая роль связующего звена между интерфейсом "РЛС-Ethernet" и сервером обработки данных. Включает в себя совокупность требований к протоколу передачи данных, физической линии и оборудованию, обеспечивающему работу:

1) Оборудование должно быть распространенным. Выполнив это можно снизить стоимость подсистемы.

2) Способность работать в промышленной сети 3 фазы 220 вольт.

3) Линия передачи данных должна обладать помехоустойчивостью. На объекте установлено различное оборудование, которое выделяет электромагнитные волны. Линия должна работать в данной среде без нарушения в достоверности передаваемых данных.

4) Обладать достаточной скоростью передачи данных. Скорость передачи данных должна превышать объем данных вырабатываемых интерфейсом в единицу времени.

5) Обеспечить достоверность передачи данных. Протокол передачи данных должен проверять поступающую информацию на достоверность и повторять пересылку до тех пор, пока результат не будет удовлетворительным.

6) Обладать мультиплатформенностью. Протокол передачи данных должен быть универсальным, входить в состав различных операционных систем. Это предоставит свободный выбор среди различных операционных систем.

Третьим сегментом является сервер обработки радиолокационных данных. Он должен отвечать следующим требованиям:

1) Способность работать в промышленной сети 3 фазы 220 вольт.

2) Способность работать в сети Ethernet по протоколу TCP/IP.

3) Обладать большим объемом жесткого диска. Это необходимо для записи логов воздушного движения за длительный период времени.

4) Обладать необходимой производительностью. Основная нагрузка по обработке информации ложится на сервер, поэтому он должен обладать высокой производительностью.

5) Не высокой ценой. Создаваемая подсистема должна обладать минимальной ценой, чтобы был смысл ее создавать.

6) Отвечать санитарным требованиям. Важное требование т.к. аппаратура будет работать в круглосуточном режиме в помещении с персоналом.

Четвертым сегментом является линия передачи данных №2, выполняющая роль связующего звена между объектом ОРЛ-Т и командно-диспетчерским пунктом. Она разделяется на основную и резервную. Линии передачи данных должны отвечать следующим требованиям:

1) Линия передачи данных должна обладать помехоустойчивостью. Важно отметить что Wi-Fi линия связи будет работать в условиях сильного СВЧ излучения. Поэтому необходимо правильно выбрать оборудование, место установки и настройки.

2) Обеспечить достоверность передачи данных.

3) Обладать достаточной скоростью передачи данных.

Пятым сегментом является выносное рабочее место. Оно должно отвечать следующим требованиям:

1) Способность работать в сети Ethernet по протоколу TCP/IP.

2) Обладать большим объемом жесткого диска. Выносное рабочее место также будет вести логи по воздушному движению.

3) Обладать необходимой производительностью. Производительность может быть меньше чем у сервера, т.к. основная задача отображать и передавать информацию.

1.7 Аппаратно-программных средств подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации

Целью модернизации подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т средствами вычислительной техники является повышение достоверности передаваемой информации диспетчерам по управлению полетами.

Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:

- провести исследование характеристик текущей подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т;

- разработать структурную схему подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т;

- разработать аппаратное средство сопряжения РЛС с интерфейсом Ethernet;

- разработать алгоритм оцифровки и предварительной обработки радиолокационных данных;

- разработать алгоритм обработки данных для сервера;

- разработать программное обеспечение для сервера обработки данных;

- рассчитать и спроектировать Wi-Fi линию связи от объекта ОРЛ-Т до КДП.

2. Разработка, выбор и обоснование структуры подсистемы аппаратно-программных средств сбора, обработки и передачи РЛ информации объекта ОРЛ-Т

2.1 Классификация и характеристика аппаратно-программных средств сбора, обработки и передачи РЛ

Средства аналого-цифрового преобразования

Первым этапом сбора, обработки и передачи радиолокационной информации является сбор данных от объекта автоматизации. Невозможно переоценить важность этот этапа, т.к. именно здесь закладывается основные характеристики подсистемы.

С импульсными сигналами все просто, необходимо зафиксировать только факт возникновения импульса.

С аналоговыми сигналами дела обстоят гораздо сложнее, ведь нужно зафиксировать не только факт возникновения, но также амплитуду с определенным постоянным периодом.

АЦП параллельного преобразования [2].

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 миллиарда преобразований в секунда. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП, однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием.



Рис. 2.1 - Структурная схема АЦП прямого преобразования

Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

АЦП последовательного приближения[2].

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных "взвешиваний", то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин.

Рис. 2.2 - Структурная схема АЦП последовательного приближения

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение "весового" напряжения;

2. Цифро-аналоговый преобразователь. Он генерирует "весовое" значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода;

3. Регистр последовательного приближения. Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП;

4. Схема выборки-хранения. Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП.

Дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)[5].

Дельта-сигма АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора "отслеживает" входное напряжение. Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. Объединен с "дециматором", устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их "прореживания".

Таблица 2.1

Сравнительные характеристики АЦП

АЦП Параметры	Параллельного преобразования	Последовательного приближения	Дельта-сигма
Разрядность	8-10 бит - наиболее подходящая	10-14 бит - немного превышает необходимую	До 24 бит и более - избыточная разрядность
Частота дискретизации	Может достигать 100 и более МГц - избыточная частота	Достигает нескольких МГц - наиболее подходящая	Не превышает сотен Гц - недостаточная частота

Рассмотрев типы АЦП, для выполнения проекта подходят АЦП параллельного и последовательного преобразования, но наиболее подходящими являются параллельного преобразования. Данных выбор сделан исходя из следующих факторов:

1. Обладает достаточной разрядностью;

2. Высокая частота дискретизации позволит упростить процедуру запуска преобразования и последующего ожидания результатов. Ожидание результатов составит несколько тактов работы микроконтроллера.

Способы сопряжения аналого-цифровых преобразователей с устройствами обработки

Полученный оцифрованный сигнал на первом этапе необходимо передать в устройство предварительной обработки. Для этого используются различные цифровые интерфейсы передачи данных. Обзор литературы [2, 5, 4], позволил выделить основные типы интерфейсов для передачи информации от АЦП к устройству предварительной обработки:

1. Синхронный параллельный интерфейс;

2. Синхронный последовательный интерфейс.

Асинхронные интерфейсы также имеют место, но обладают множеством недостатков и на текущий момент почти не используются в АЦП. Поэтому есть смыл рассмотреть только синхронные интерфейсы.

Рис. 2.3 - Структура параллельного интерфейса

Параллельный интерфейс наиболее производителен, т.к. результат преобразования передается параллельно - каждому биту соответствует своя линия передачи данных. Количество линий соответствует разрядности АЦП (если АЦП 8ми разрядный, то линий будет 8). Он чаще всего используется в АЦП параллельного преобразования, т.к. без дополнительных схем сразу выводит результат преобразования на порт и обладает большой производительностью[4].

Недостатком такого интерфейса является необходимость в использовании большого количества выводов устройства обработки (например, микроконтроллера).

Преимуществами является большая скорость передачи данных и логически простая реализация, т.к. слово выводится на порт сразу полностью и нет необходимости в использовании регистров сдвига или программного сдвига данных.

Помимо параллельного интерфейса используются различные синхронный последовательные интерфейсы. Наиболее популярные на текущий момент интерфейсы это - SPI и IІC.



Рис. 2.4 - Структура синхронного последовательного интерфейса SPI

SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus - последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) - последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии[4].

Преимуществами данного интерфейса является большая скорость передачи данных за счет использования дуплексного режима и минимальное использование выводов ведущего устройства.

Недостатком можно назвать наличие отдельного сигнала выбора устройства. При большом количестве ведомых устройств потребуется на каждого выделить управляющий вывод ведущего устройства или использовать дополнительные микросхемы (например, дешифратор).

Рис. 2.5 - Структура синхронного последовательного интерфейса IІC

IІC - последовательная шина данных для связи интегральных схем, использующая две двунаправленные линии связи (SDA и SCL). Используется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами. [4].

Преимуществом данного интерфейса является использование всего двух линий передачи данных и при этом возможность подключения до 112 устройств.

Недостатками является малая скорость передачи данных и возникновение ошибок (коллизий) при работе.

Таблица 2.2

Сравнительные характеристики интерфейсов сопряжения АЦП

Интерфейс Параметры	Параллельный	SPI	I2C
Количество выводов	Не менее 10 выводов	4 вывода	2 вывода
Удобство обработки	Наиболее удобный для обработки	Менее удобный для обработки	Менее удобный для обработки

Для сопряжения АЦП с устройством предварительной обработки наиболее подходящие интерфейс - параллельный. Он обеспечивает необходимую скорость передачи информации, также, как и интерфейс SPI, но за счет параллельной передачи потребует меньше аппаратных и программных ресурсов устройства предварительной обработки информации. В свою очередь это упростит создание микропрограммы.

Средства первичной обработки радиолокационной информации

Средства первичной обработки радиолокационной информации является промежуточным звеном между аналого-цифровым преобразователем и сервером обработки информации. Данные устройства также обрабатывают импульсные сигналы. Схема обработки информации с удаленного объекта представлена на рисунке.



Рис. 2.6 - Место промежуточного звена в общей подсистеме.

Существует ряд интерфейсов передачи данных от средства предварительной обработки информации к серверу обработки, которыми можно воспользоваться, такие как USB, Ethernet, COM, PCI, PCI-Expres и др. Все это необходимо учитывать при выборе устройства предварительной обработки радиолокационных данных.

Таблица 2.3

Сравнительные характеристики средств первичной обработки РЛ информации

Средство Параметры	Микроконтроллер	ПЛИС	Микрокомпьютер
Приблизительная стоимость	Низкая	Высокая	Высокая
Производительность	Достаточная	Высокая	Высокая
Перспективность для усовершенствования	Не высокая	Высокая	Высокая
Сложность реализации	Сравнительно простая	Самая сложная	Средней сложности

Поставленную задачу одинаково успешно могут выполнить все представленные устройства. Для выполнения задачи предварительной обработки информации был выбран микроконтроллер, т.к. обладает всей необходимой периферией, в том числе и АЦП, также обеспечивается производителем готовыми библиотеками (такими как TCP/IP стек) для упрощения создания микропрограммы.

Способы сопряжения средств первичной обработки радиолокационной информации и средств вычислительной техники

Выполнив предварительную обработку радиолокационной информации необходимо передать данные на сервер для последующей обработки и передачи. Помочь в осуществлении данной задачи могут множество различных интерфейсов. При этом необходимо учесть, что предполагается в качестве сервера использование обычного персонального компьютера. Рассмотрим только те интерфейсы, которые наиболее распространены на современном ПК[13, 14]:

- последовательный интерфейс COM;

- PCI и PCI-E;

- универсальная последовательная шина USB;

- технология Ethernet.

Технология Ethernet позволяет использовать различные среды передачи, для каждой из которой имеется стандартное название вида XBaseY, где X - скорость передачи, Мбит/с (10, 100, 1000…); Base - ключевое слово (обозначает смодулированную передачу); Y - условное обозначение среды передачи и дальности связи. [13].

Для Ethernet со скоростью 10 Мбит/с существуют следующие стандарты: 10Base5, 10Base2, 10BaseT,10BaseF.

Для сетей Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с существуют следующие стандарты: 100BaseTX, 100BaseT4, 100BaseFX, 100BaseSX.

Для сетей Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с существуют следующие стандарты: 1000BaseCX, 1000BaseT, 1000BaseSX, 1000BaseLX.

Из приведенной выше краткой информации об интерфейсах можно сформировать сравнительную таблицу.

Таблица 2.4

Сравнительные характеристики интерфейсов

	COM	PCI	USB 2.0	Ethernet
Скорость передачи данных	До 115200 бит/сек	До 528 Мбит/сек	До 480 Мбит/сек	До 1000 Мбит/сек
Максимальная длина кабеля	15 м.	0 м.	5 м.	Витая пара до 100 м.
Простота реализации	Самая простая	Самая сложная	Средней сложности	Средней сложности

Для сопряжения устройства предварительной обработки информации с компьютером был выбран интерфейс Ethernet, т.к. обладает достаточной скоростью передачи данных, существуют готовые библиотеки для микроконтроллера, отсутствие необходимости в создании драйверов для компьютера.

Способы передачи радиолокационной информации от объекта в автоматизированное рабочее место сменного инженера

Обработанную на сервере информацию теперь необходимо передать в контрольно-диспетчерский пункт. Данная задача значительно усложнена в связи с существенным расстоянием, примерно составляющим 2.5 км. Данные условия ограничивают круг применяемых способов передачи данных. Поэтому необходимо использовать уже существующие линии или создать новую, но стоимость должна быть минимальной. Наименее трудоемким и с минимальной стоимость будет применения радиоканала.

Исходя из сложившихся условий было принято решение использовать следующие линии связи[6, 7]:

1. Существующая линия - связной кабель;

2. Создать радио линию на основе технологии Wi-Fi, т.к. данное оборудование достаточно дешевое, обеспечивает необходимое расстояние и скорость передачи данных.



Рис. 2.7 - Схема взаимодействия компонентов подсистемы

В приведенной схеме взаимодействия компонентов подсистемы сбора, обработки и передач радиолокационной информации видно, что сервер обработки РЛ информации и выносное рабочее место должны будут взаимодействовать одновременно через связной кабель и Wi-Fi мост. Канал передачи данных должен будет выбираться автоматически исходя из исправности каналов и приоритета основного канала.

Дистанция прямой видимости от объекта ОРЛ-Т до потребителя РЛ информации примерно составляет 2400м. Учитывая тот факт, что максимальная длина одного сегмента сети составляет 1200 м., возникает необходимость применять репитеры. Применение репитеров не допустимо, т.к. необходимо создавать инфраструктуру для их установки и нарушать целостность связного кабеля. Данные мероприятия приведут к значительному удорожанию проекта.

Кроме вышеперечисленных недостатков стандарта RS-485, необходимо отметить малую скорость передачи данных на максимальной дистанции. Что, в свою очередь, потребует создания более сложных алгоритмов сжатия РЛ информации и может привести к ухудшению качества выходного продукта.

2.2 Характеристика основных методов обработки РЛ информации

Отраженный ЭХО сигнал от воздушного судна прежде чем попадает на экран монитора проходит многоуровневую систему обработки и качество изображение напрямую зависит от каждого узла прохождения сигнала. Существуют множество радиолокационных станций, и каждая обладает своими особенностями обработки сигналов. Все методы можно объединить в одну систему [1, 8, 9]:

Рис. 2.8 - Этапы обработки отраженного ЭХО сигнала в РЛС

Исходя из приведенной схемы подсистемы обработки РЛ информации можно разделить на две группы:

1. Подсистемы, входящие в состав РЛС;

2. Подсистемы входящие в состав аппаратуры предварительной обработки информации (подсистема сбора, обработки и передачи радиолокационной информации).



Рис. 2.9 - Диаграмма работы ЧПК

На диаграмме представлен порядок прохождения сигнала через ЧПК второго порядка (т.е. текущий импульс сравнивается с двумя предыдущими). Для работы схемы необходимо 2 запоминающих устройства способные запомнить предыдущие периоды излучения зондирующих импульсов. На первом периоде поступивший новый импульс сравнивается с данными хранящимися в ячейках памяти, но т.к. там на текущий момент нет сохранённых импульсов он через схему ЧПК не проходит и сохраняется в ячейке до следующего периода. На втором периоде поступивший импульс сравнивается с сохраненным предыдущим импульсом и второй пустой ячейкой, соответственно не проходит через ЧПК. Предыдущий импульс пересохраняется в следующую ячейку памяти, а текущий импульс записывается на место предыдущего импульса. На третьем периоде потупивший импульс сравнивается уже с двумя предыдущими импульсами и проходит через ЧПК[1].

Эхо когерентное обрабатывается схемой СДЦ основанной на эффекте Доплера. Существую три типа РЛС с когерентной обработкой[19]:



Рис. 2.10 - Классификация РЛС по способу когерентной обработки

Для разрабатываемой подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации были выбраны следующие методы обработки:

1. Оцифровка - перевод аналогового видео сигнала в цифровой вид;

2. ШАРУ - программная реализация аналогово ШАРУ. Необходимо для определения уровня шумов в видеосигнале;

3. Выделение сигнала из шума - промежуточный этап обработки, необходим для отделения полезной информации от шумов. Основывается на результате работы предыдущего этапа;

4. ЧПК - очистка полезной информации от остаточных шумов, не отфильтрованных на предыдущем этапе.

2.3 Выбор и обоснование структуры подсистемы аппаратно-программных средств для сбора, обработки и передачи РЛ

С учетом проведенного анализа цели, задачи и требований была разработана следующая структура подсистемы.

Разрабатываема АПС подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации будет состоять из трех основных компонентов.



Рис. 2.11 - Состав АПС подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации

Корректность работы всей подсистемы одинаково зависит от каждого ее компонента и поэтому невозможно выделить более или менее важные компоненты. Аналоговый сигнал от РЛС прежде чем попасть на рабочее место сменного инженера линейно-аппаратного зала проходит 3 этапа обработки:

1 этап - очень ответственный этап, т.к. именно здесь происходит процесс оцифровки сигналов. Качество работы подсистемы зависит от возможностей оборудования аналогово-цифрового преобразования, а также от выбора частоты дискретизации и разрядности. Помимо оцифровки полученные данные нужно каким-то образом передать на компьютер, где будет происходить обработка результатов. Для передачи данных на сервер обработки выбран интерфейс Ethernet.

2 этап - полученные оцифрованные данные необходимо обработать. Этот процесс происходит на сервере обработки данных. Основная задача обработки - это максимально эффективное выделение полезной информации и фильтрация шумов. Помимо обработки сервер будет выполнять роль контрольного рабочего места, на котором можно будет наблюдать воздушные судна, метеообразования и пассивные помехи. Тем самым техник будет иметь возможно внести корректировки в процесс обработки радиолокационных данных. Также будет создаваться архив воздушного движения. Далее информацию нужно передать в КДП на третий этап обработки по двум каналам связи:

- Основной - существующая связная линия;

- Резервный - Wi-Fi.

3 этап - отображение полученной информации на выносном рабочем месте в линейно-аппаратном зале, сменный инженер может повторно оценить качество радиолокационных данных и при необходимости внести некоторые коррективы. Далее преобразование в протокол "Asterix" для передачи на рабочее место сменного инженера ЛАЗ.

При модернизации существующей подсистемы сбора обработки и передачи радиолокационной информации важно произвести работы таким образом, чтобы не внести изменения в существующую. Иначе говоря, модернизированная подсистема должна работать параллельно с существующей. Это необходимо для соблюдений требований по резервированию подсистем и безопасности информации. Также важно понимать, что новую подсистему необходимо проверить в течении длительного времени прежде чем использовать как основную.

Рис. 2.12 - Схема выработки радиолокационной информации и передачи ее диспетчерам вместе с модернизированной подсистемой

После модернизации подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации аналоговые сигналы, выходящие из кунга локатора должны, будут поступать на входы:

1) Блок трансляции - существующая подсистема, основная линия передачи данных.

2) Радиорелейная станция - существующая подсистема, резервная линия передачи данных.

3) Интерфейс РЛС-Ethernet - модернизированная подсистема.

Рис. 2.13 - Структура интерфейса "РЛС-Ethernet"

На вход интерфейса будет подаваться один аналоговый сигнал, который будет оцифровываться и подаваться на микроконтроллер и три импульсных сигнала. В микроконтроллере будет производиться предварительная обработка и далее через контроллер сети Ethernet информация будет отправляться на сервер обработки данных.

...