Một số giải pháp tính toán độ sai lệch tín hiệu trong các mô đun thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ của tên lửa KH-35E

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> MỘT SỐ GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ SAI LỆCH TÍN HIỆU<br /> TRONG CÁC MÔ ĐUN THIẾT BỊ ĐO CAO VÔ TUYẾN РВЭ<br /> CỦA TÊN LỬA KH-35E<br /> Trần Quang Huy1*, Nguyễn Văn Hiếu1, Đặng Việt Hùng1,<br /> Trịnh Xuân Long2, Lê Thị Trang3<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc xây dựng giải pháp tính toán<br /> và đánh giá tình trạng hoạt động các mô đun trong thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ của<br /> tên lửa Kh-35E. Bằng cách tạo giả tập tín hiệu đầu ra bị lỗi, thực hiện mô phỏng<br /> thông qua hai phương pháp: phương pháp trung bình bình phương và phương pháp<br /> tương quan tín hiệu để tính toán độ sai lệch của tín hiệu đo với tín hiệu chuẩn. Các<br /> kết quả trên là tiền đề cho việc xây dựng và chế tạo một thiết bị có khả năng kiểm tra<br /> và chẩn đoán lỗi của các mô đun và thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ.<br /> Từ khóa: Đo cao vô tuyến; Tương quan tín hiệu; Trung bình bình phương; Chẩn đoán lỗi.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ được lắp đặt trên tên lửa Kh-35E, thực hiện chức năng<br /> xác định độ cao bay của tên lửa so với bề mặt đất (mặt đất liền, mặt băng tuyết hay mặt<br /> biển) và cung cấp số liệu này cho hệ thống điều khiển quán tính ИСУ để tính toán điều<br /> khiển bay [1, 3].<br /> Hiện nay, việc kiểm tra, đánh giá tình trạng hoạt động của các khối trong tên lửa Kh-35E<br /> nói chung và khối đo cao vô tuyến РВЭ nói riêng gặp rất nhiều khó khăn do chúng ta thiếu<br /> các phương tiện kiểm tra ngoại trừ 2 hệ thống AKΠA và ACK6.3. Đây là hai hệ thống có<br /> chức năng kiểm tra toàn diện quả đạn Kh-35E [2]. Với 168 tham số cho toàn quả tên lửa, chỉ<br /> có 2 tham số đánh giá toàn diện về khối РВЭ và không có phương tiện nào kiểm tra các mô<br /> đun bên trong РВЭ [4, 5]. Thông thường, để kiểm tra một mô đun mạch điện tử việc kiểm<br /> tra và xác định lỗi được thực hiện bằng cách đo đạc và kiểm tra các thông số tín hiệu đầu ra.<br /> Phương tiện dùng để đo các tín hiệu là các thiết bị đo lường (máy phân tích tín hiệu, máy<br /> hiện sóng, đồng hồ vạn năng,…), đánh giá kết quả thông qua thống kê và so sánh độ sai lệch<br /> so với tín hiệu chuẩn. Bài báo trình bày nội dung xây dựng một phương pháp kiểm tra, đánh<br /> giá các tín hiệu đầu ra bằng cách mô phỏng tín hiệu đầu ra có mức nhiễu khác nhau, sử dụng<br /> thuật toán so sánh độ sai lệch với tín hiệu chuẩn để xác định lỗi. Từ đó, xác định được<br /> phương pháp đánh giá tối ưu cho các mô đun trong thiết bị đo cao РВЭ.<br /> 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> 2.1. Mô đun và đặc trưng tín hiệu trong thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ<br /> 2.1.1. Các mô đun trong thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Mô đun nguồn của РВЭ. b. Mô đun thu-phát SCT РВЭ.<br /> <br /> <br /> 90 T. Q. Huy, …, L. T. Trang, “Một số giải pháp tính toán … РВЭ của tên lửa Kh-35E.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c. Mô đun БПС-Н 3506, 3507. d. Mô đun БС2-Н.<br /> Hình 1. Các mô đun trong thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ.<br /> Thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ có 4 mô đun bên trong, cụ thể [3]:<br /> + Mô đun nguồn БП-Н;<br /> + Mô đun thu – phát cao tần;<br /> + Mô đun БПС-Н 3506 và БПС-Н 3507;<br /> + Mô đun БС2-Н.<br /> 2.1.2. Đặc trưng tín hiệu trong các mô đun của thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. Tín hiệu xung răng cưa. b. Tín hiệu cộng hưởng 1 và 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c. Tín hiệu chuỗi bit. d. Tín hiệu truyền số liệu.<br /> Hình 2. Một số tín hiệu trong các mô đun của thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ.<br /> Các tín hiệu trong mô đun của РВЭ bao gồm:<br /> - Tín hiệu điện áp một chiều: +27V, -15,5V, +15,5V, +4,6V, +40,2V.<br /> - Tín hiệu tương tự:<br /> + Tín hiệu xung răng cưa;<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 91<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> + Tín hiệu tần số phách;<br /> + Tín hiệu cộng hưởng 1;<br /> + Tín hiệu cộng hưởng 2.<br /> - Tín hiệu số:<br /> + Chuỗi bit;<br /> + Tín hiệu báo truyền số liệu;<br /> + Tín hiệu tần số 200 khz;<br /> + Tín hiệu tần số 2 MHz;<br /> + Tín hiệu mã ARINC429.<br /> 2.2. Cơ sở lý thuyết trong xử lý tín hiệu<br /> 2.2.1. Phương pháp sai số trung bình bình phương<br /> Một trong những đại lượng được sử dụng rộng rãi trong thống kê là sai số trung bình<br /> bình phương (MSE - Mean Squared Errors), là trung bình của bình phương các sai số, tức<br /> là bình phương của sự khác biệt giữa các giá trị ước lượng và giá trị thực tế. MSE của giá<br /> trị dự báo Xˆ và giá trị thực tế X được tính theo biểu thức [6-8]:<br /> M SE  E [( Xˆ  X ) 2 ] (1)<br /> <br /> Nếu Xˆ là một vector của n giá trị dự báo ( Xˆ 1 , Xˆ 2 ,..., Xˆ n ) và X là vector các giá trị<br /> quan sát được ( X 1 , X 2 ,..., X n ) thì MSE của 2 vector là:<br /> 1 n ˆ (2)<br /> MSE   ( X i  X i )2<br /> n i 1<br /> Đối với một ước lượng không có thiên vị, MSE chính là phương sai của ước lượng.<br /> Cũng giống như phương sai, đơn vị đo của MSE bằng bình phương đơn vị của X. Do đó,<br /> lấy căn bậc hai của MSE cho ra sai số RMSE (Root Mean Square Errors) và được gọi là<br /> độ lệch chuẩn.<br /> Sử dụng các giá trị MSE của phép ước lượng để xác định mức độ sai lệch giữa vector<br /> ˆ<br /> X với vector X. MSE sử dụng phép bình phương để khuếch đại sai số, là phương pháp<br /> được sử dụng nhiều trong việc đánh giá sự tối ưu của mô hình hồi quy tuyến tính hoặc để<br /> xấp xỉ một hàm có các tham số chưa biết với các giá trị thống kê với sai số tuân theo phân<br /> bố chuẩn.<br /> Xét ma trận tín hiệu mẫu AM có kích thước (1 x n) là ma trận có các phần tử là các giá<br /> trị lấy mẫu của các tín hiệu chuẩn đầu ra của các mô đun. MSE giữa ma trận tín hiệu mẫu<br /> AM và ma trận tín hiệu đo được AD có cùng kích thước (1 x n) được tính theo biểu thức:<br /> 1 n 2<br /> (3)<br /> MSE    AM (i )  AD (i ) <br /> n i 1<br /> Dựa trên giá trị MSE ta có thể tính toán và đánh giá mức độ sai lệch giữa ma trận tín<br /> hiệu mẫu AM và ma trận tín hiệu đo được AD tại đầu ra của mỗi dạng tín hiệu. Theo công<br /> thức (3), tín hiệu đo càng giống tín hiệu mẫu khi MSE tiến gần đến 0.<br /> 2.2.2. Phương pháp tương quan tín hiệu<br /> Hệ số tương quan (Correlation Coefficient) của hai biến ngẫu nhiên là đại lượng đặc<br /> trưng cho mức độ giống nhau của hai biến đó, ký hiệu là corr(X,Y), σX σY, rX,Y, được tính<br /> theo công thức:<br /> <br /> <br /> 92 T. Q. Huy, …, L. T. Trang, “Một số giải pháp tính toán … РВЭ của tên lửa Kh-35E.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> corr ( X , Y ) E (( X  EX ).(Y  EY )) (4)<br /> rX ,Y  <br />  X . Y  X . Y<br /> Biểu thức (4) còn gọi là hệ số tương quan Pearson, hệ số tương quan có các tính chất sau:<br /> a) -1  rX,Y  1 vớiX, Y;<br /> b) Nếu X, Y độc lập thì rX,Y = 0, ngược lại chưa chắc đúng;<br /> c) Với mọi hằng số a, b, c, d:<br /> corr ( X , Y ) a.b  0<br /> corr (aX  c, bY  d )  <br /> corr ( X , Y ) a.b  0<br /> d) rX,Y= 1 khi và chỉ khi X = aY + b, a > 0;<br /> rX,Y=-1 khi và chỉ khi X = aY + b, a < 0.<br /> Hệ số tương quan dùng để đo mức độ phụ thuộc tuyến tính của hai biến ngẫu nhiên X<br /> và Y. Khi rX ,Y càng gần 1 thì tính chất phụ thuộc tuyến tính càng chặt chẽ. Khi rX ,Y<br /> càng gần 0 thì sự phụ thuộc tuyến tính càng lỏng lẻo. Khi rX ,Y = 0, ta nói X và Y không<br /> tương quan. Việc xác định giá trị lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) trong các giá trị rX,Y sẽ cho biết<br /> hai biến tương ứng đó có mức độ phụ thuộc tuyến tính nhất (giống nhau hoặc khác nhau<br /> nhất) gọi là phương pháp tương quan cực trị (ECF - Extreme Correlation Function).<br /> Với việc so ghép ma trận tín hiệu mẫu А và ma trận tín hiệu đo được АD có cùng kích<br /> M<br /> <br /> <br /> thước (1 x n) hàm tương quan có dạng:<br /> n<br /> <br />   А (i)  А   А (i)  А <br /> i 1<br /> M M D D<br /> (5)<br /> CF <br /> n n<br /> 2 2<br />   А (i)  А    А (i)  А <br /> i 1<br /> M M<br /> <br /> i 1<br /> D D<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> trong đó А , АD tương ứng là giá trị trung bình của các phần tử ma trận А và АD .<br /> M M<br /> <br /> <br /> <br /> Theo công thức (5), tín hiệu đo được càng giống tín hiệu mẫu khi CF tiến gần đến 1.<br /> 2.3. Xây dựng giải pháp kiểm tra tín hiệu trong mô đun của thiết bị đo cao РВЭ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ mô phỏng phương pháp kiểm tra tín hiệu đo đầu ra.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 93<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Thông qua quá trình khảo sát và đo đạc các tín hiệu của các mô đun trong thực tế, ta sẽ<br /> lập được bộ tín hiệu chuẩn đầu ra. Tập tín hiệu đầu ra giả lập sẽ được tạo ra từ tập tín hiệu<br /> mẫu bằng cách cộng thêm nhiễu biên độ và nhiễu ngẫu nhiên để thành một bộ tín hiệu đầu<br /> ra có mức độ sai lệch nhất định (giả định là tín hiệu đo). Sau đó, các tín hiệu này được so<br /> sánh với tín hiệu chuẩn bằng hai phương pháp đã trình bày ở mục 2.2 để xác định hiệu quả<br /> đánh giá của mỗi phương pháp. Quá trình kiểm tra tín hiệu đầu ra của mô đun như hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Lưu đồ thuật toán kiểm tra, đánh giá mô đun của thiết bị PBЭ.<br /> Trên cơ sở đó, thuật toán đánh giá mô đun của thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ được xây<br /> dựng sử dụng phương pháp Monte-Carlo, thực hiện trên Matlab với n lần thống kê (với n<br /> = 100 mẫu) cho tập tín hiệu đầu ra lỗi. Tính toán độ sai lệch của tập tín hiệu ra này với tập<br /> tín hiệu ra chuẩn bằng hai phương pháp: phương pháp tương quan tín hiệu và phương pháp<br /> trung bình bình phương để vẽ ra hai hàm CF và MSE như trên hình 4.<br /> <br /> <br /> 94 T. Q. Huy, …, L. T. Trang, “Một số giải pháp tính toán … РВЭ của tên lửa Kh-35E.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 1) Nhập các giá trị ban đầu: là các ma trận tín hiệu mẫu sau khi số hóa (ADC) tín hiệu<br /> đầu ra của các mô đun cần kiểm tra.<br /> 2) Tạo ma trận tín hiệu đo được tại đầu ra của mỗi mô đun mạch cần kiểm tra dựa trên<br /> các phép biến đổi số ADC.<br /> 3) Tính các giá trị CF, MSE giữa tập tín hiệu mẫu và tập tín hiệu đo được thực tế theo<br /> các biểu thức (5) và (3) tương ứng ở trên.<br /> 4) Dựa trên các giá trị CF, MSE đã xác định bằng phương pháp thống kê, được thực<br /> hiện nhiều lần để vẽ biểu đồ đánh giá mức độ tương quan giữa tín hiệu đo được và tín hiệu<br /> mẫu khi cho mô đun hoạt động.<br /> 5) Đánh giá sự sai lệch của tín hiệu đo được thực tế và tín hiệu mẫu dựa trên biểu đồ đã<br /> thống kê và sai số cho phép của tín hiệu.<br /> 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> Hai phương pháp tính toán độ sai lệch sẽ thống kê các giá trị hàm CF và MSE với n lần thử<br /> các mức sai lệch ngẫu nhiên giữa tín hiệu đo và tín hiệu mẫu. Kết quả mô phỏng như sau:<br /> - Tín hiệu xung răng cưa<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Giá trị hàm CF. b) Giá trị hàm MSE.<br /> Hình 5. Giá trị hàm CF và MSE theo sai số ngẫu nhiên tín hiệu xung răng cưa.<br /> Đối với tín hiệu xung răng cưa, ta nhận thấy hàm CF có độ dốc lớn khi biên độ nhiễu<br /> 400 mV.<br /> - Tín hiệu chuỗi bit:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Giá trị hàm CF. b) Giá trị hàm MSE.<br /> Hình 6. Giá trị hàm CF và MSE theo sai số ngẫu nhiên tín hiệu chuỗi bit.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 95<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Với tín hiệu chuỗi bit, từ biểu đồ thống kê hình 6, ta thấy hàm CF có độ dốc lớn khi<br /> nhiễu tác động với biên độ 300 mV.<br /> - Tín hiệu xung báo truyền số liệu:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Giá trị hàm CF. b) Giá trị hàm MSE.<br /> Hình 7. Giá trị hàm CF và MSE theo sai số ngẫu nhiên tín hiệu xung báo truyền số liệu.<br /> - Tín hiệu xung 200 KHz:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Giá trị hàm CF. b) Giá trị hàm MSE.<br /> Hình 8. Giá trị hàm CF và MSE theo sai số ngẫu nhiên tín hiệu xung 200 kHz.<br /> Với tín hiệu xung nhịp 200 kHz, hàm CF có độ dốc khá lớn khi nhiễu ngẫu nhiên tác động<br /> với biên độ 300 mV.<br /> Từ các biểu đồ thống kê trên, ta cũng nhận thấy hàm CF có độ dốc lớn khi nhiễu ngẫu<br /> nhiên tác động với biên độ tương đối nhỏ, hàm MSE có độ dốc lớn khi biên độ nhiễu ở<br /> mức 300 mV. Các kết quả mô phỏng trên cùng với đặc trưng của dạng tín hiệu của các mô<br /> đun ta có kết luận: đối với các tín hiệu có mức biên độ nhiễu nhỏ hơn 300 mV phương<br /> pháp sai số tương quan sẽ đánh giá tốt hơn, đối với các tín hiệu có mức nhiễu biên độ lớn<br /> lớn hơn 300 mV sử dụng phương pháp trung bình bình phương đánh giá sẽ hiệu quả hơn.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày một số kết quả trong việc xây dựng một phương pháp đánh giá<br /> tình trạng hoạt động của các mô đun trong thiết bị đo cao vô tuyến РВЭ thông qua tính<br /> toán độ sai lệch tín hiệu đầu ra so với tín hiệu chuẩn. Bằng cách thực hiện mô phỏng hai<br /> phương pháp kiểm tra: phương pháp sai số trung bình bình phương và phương pháp tương<br /> quan tín hiệu. Hai phương pháp trên đều có thể phân biệt được sự chính xác của các tín<br /> hiệu tại một mức nhiễu nhất định. Do đó, khi thực hiện kiểm tra, đánh giá từng loại tín<br /> <br /> <br /> 96 T. Q. Huy, …, L. T. Trang, “Một số giải pháp tính toán … РВЭ của tên lửa Kh-35E.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> hiệu, chúng ta có thể linh hoạt sử dụng một trong hai phương pháp trên để có hiệu quả<br /> đánh giá cao nhất.<br /> Bài báo thuộc đề tài KC-T.21: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo giá kiểm tra thiết bị đo<br /> cao vô tuyến РВЭ của tên lửa Kh-35E”.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Nguyễn Thế Hiếu, Bùi Ngọc Mỹ, “Cơ sở kỹ thuật đo cao vô tuyến điện”, Viện Khoa<br /> học và công nghệ quân sự, 2015.<br /> [2]. “Tài liệu kỹ thuật về thiết bị tự động kiểm tra chẩn đoán tham số AKΠA”, Viện Kỹ<br /> thuật Quân chủng PK-KQ, 2001.<br /> [3]. Vũ Văn Binh, “Khai thác tìm hiểu hệ thống thiết bị đo cao vô tuyến trên quả đạn Kh-<br /> 35E”, Viện Điện tử/Viện KHCNQS, 2013.<br /> [4]. “Tổ hợp tên lửa chống tàu URAN-E - Thuyết minh kỹ thuật”, Cục Kỹ thuật /Quân<br /> chủng Hải quân, 2013.<br /> [5]. “Hướng dẫn sử dụng tên lửa 3М-24ЭП1”, Cục Kỹ thuật/Quân chủng Hải Quân, 2013.<br /> [6]. Lê Bá Long, “Sách hướng dẫn học tập Xác suất thống kê”, Học viện Công nghệ Bưu<br /> chính viễn thông, 2006.<br /> [7]. Tống Đình Quỳ, “Giáo trình xác suất thống kê”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013<br /> [8]. S. H. Mok, H. Bang, "Terrain Slope Estimation Methods Using the Least Squares<br /> Approach for Terrain Referenced Navigation," International Journal of Aeronautical<br /> and Space Sciences,2013.<br /> ABSTRACT<br /> A SOLUTION CALCULATING DIFFERENT ERROR OF SIGNAL<br /> IN MODULE OF ALTIMETER RADIO РВЭ ON KH-35E MISSILE<br /> The article presents some results in researching and building method for<br /> calculating and evaluating fault in a module of РВЭ. By using the fake output<br /> signals and situating base on two methods: Mean Squared Error (MSE) and<br /> Extreme Correlation Function (ECF) between output with reference output signals<br /> to calculating different error signals. This is as the premise for researching and<br /> manufacturing the systems detecting and error diagnostic for the modules of<br /> altimeter РВЭ.<br /> Keywords: Radio altimeter; Sniper rifles; Extreme Correlation Function; Mean squared error; Error diagnostic.<br /> <br /> Nhận bài ngày 29 tháng 10 năm 2019<br /> Hoàn thiện ngày 04 tháng 12 năm 2019<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2020<br /> <br /> Địa chỉ: 1Viện Điện tử, Viện KH-CNQS;<br /> 2<br /> Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> 3<br /> Trường đại học Công nghiệp Hà Nội.<br /> *<br /> Email: tranquanghuy.vdt@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 97<br />