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

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