Dr inż. Stanisław ŻYGADŁO Inż. Michał JANKOWSKI Wojskowa Akademia Techniczna UKŁAD STEROWANIA ZESPOŁEM ANTEN IMITATORA STACJI RADIOLOKACYJNEJ Streszczenie: W artykule opisano zasady sterowania systemem imitatorów stacji radiolokacyjnej służącego do jej ochrony przed pociskami antyradiolokacyjnymi. Opisano założenia projektowe oraz przedstawiono praktycznie wykonany prototyp układu pozycjonowania anteny imitatora w płaszczyźnie azymutu i elewacji. CONTROL UNIT OF THE RADAR STATION ANTENNAS IMITATOR Abstract: The control principles of imitators system of radar station used for anti-radiolocation missile protection are described in the paper. Design objectives are described. Practically made prototype of the antenna positioning imitator in azimuth and elevation plane is presented. Słowa kluczowe: radiolokacja, sterowanie antenami, imitator stacji rlok. Keywords: radiolocation, antennas control, radar imitator 1. WPROWADZENIE Imitatory pracy stacji radiolokacyjnej (ISR) rozmieszczone wokół macierzystej stacji radiolokacyjnej (SRL) mają za zadanie generowanie sygnału imitującego pracę ochranianego urządzenia. Po wykryciu sygnału radarowego, jego parametry są zapamiętywane przez komputer pokładowy pocisku antyradiolokacyjnego (PAR). Pocisk zaczyna śledzić pozycję SRL i atakuje, kierując się w stronę źródła promieniowania. Jeżeli stacja radiolokacyjna zostanie w tym czasie wyłączona, a zaczną promieniować ISR, to pocisk zmieni tor lotu i uderzy w środek sektora promieniowania wyznaczonego przez rozmieszczone odpowiednio imitatory [1, 2]. Systemy ISR bazujące na ochronie pasywnej posiadają anteny dookólne, promieniujące z jednakową mocą w każdym kierunku. Są stosowane zazwyczaj do ochrony radarów bez systemu wykrywania pocisków antyradiolokacyjnych. Nadajniki ISR muszą pracować synchronicznie razem z radarem tak, aby następowało zjawisko interferencji obu sygnałów. Ponieważ antena radaru jest kierunkowa i się obraca, a antena ISR promieniuje dookólnie, to następuje zjawisko nakładania się fal zarówno dla głównej wiązki promieniowania, jak i dla listków bocznych. System ochrony bazujący na aktywnych ISR składa się z urządzenia sterującego oraz urządzenia nadawczo-odbiorczego, sprzężonego z anteną imitującą promieniowanie nadajnika kanału obserwacji celu. Urządzenie sterujące znajduje się w kabinie stacji radiolokacyjnej i korzysta z informacji o celu oraz informacji o odpaleniu pocisku antyradiolokacyjnego. Na podstawie oceny sytuacji powietrznej wypracowuje komendy, które są przesyłane do układów sterowania poszczególnymi nadajnikami ISR. Każdy nadajnik wyposażony jest 875
w ruchomą antenę, autonomiczne zasilanie z akumulatora oraz elektroniczny układ kontroli i sterowania [3-5]. Podstawowym sposobem komunikacji pomiędzy urządzeniami systemu są komendy przesyłane drogą radiową lub przewodem np. dwużyłowym typu PKL-2. W przypadku systemu z czterema nadajnikami, musi być zapewnione odpowiednie adresowanie ISR, aby można było sterować indywidualnie każdym z nich. Dwukierunkowa komunikacja umożliwia przesyłanie zwrotnie informacji o aktualnym trybie pracy oraz położeniu anteny. Radiomodemy pracują na częstotliwości, która nie jest zakłócana sygnałami nadajnika stacji radiolokacyjnej ani sygnałami nadajnika ISR. Zapewniają ciągłą komunikację na dystansie kilkuset metrów w bezpośredniej widoczności urządzeń i w każdych warunkach atmosferycznych. Urządzenie sterujące zapisuje w pamięci i aktualizuje wszystkie dane odnośnie do stanu nadajników, położenia każdej anteny systemu ISR względem stacji radiolokacyjnej i stanu zasilania. W trybie gotowości dane te powinny być aktualizowane przynajmniej raz na minutę. W trybie pracy bojowej, a więc po wykryciu PAR, aktualizacja powinna następować przynajmniej raz na sekundę. W przypadku braku komunikacji przewodowej z dowolną pułapką, urządzenie sterujące przechodzi automatycznie na komunikację radiową, ale tylko z tą, z którą nie może połączyć się przez kabel. Każda antena systemu pułapki elektromagnetycznej posiada własny moduł sterujący. Moduł ten służy do odbioru danych z urządzenia sterującego, odpowiedniej ich interpretacji i przesyłania odpowiedzi zwrotnej. Posiada unikatowy adres do komunikacji zarówno przewodowej, jak i bezprzewodowej. W przypadku odebrania danych o innym adresie, ignoruje je i nie analizuje. W systemie z antenami kierunkowymi moduł sterujący jest odpowiedzialny za sterowanie silnikiem obracającym antenę i mechanizmem wychylenia. Zmiana kierunku promieniowania anteny następuje tylko na komendę otrzymaną z urządzenia sterującego. Proces nastawy anteny na inny kąt jest monitorowany poprzez sprzężenie uzyskane dzięki enkoderom obrotowym i w przypadku wykrycia nieprawidłowości następuje ponowne wysłanie odpowiedniej komendy. Nowa nastawa anteny jest zapamiętywana w pamięci ISR. Orientacja kierunku promieniowania może być określana względem stacji radiolokacyjnej lub względem północy. Zastosowanie anteny o kącie promieniowania większym od 30 w azymucie dopuszcza orientację anteny z dokładnością nie gorszą niż 5. Mechanizm pozycjonowania anteny w kącie elewacji powinien zapewnić nastawę w zakresie 0 70 z krokiem nie większym niż 10. Proces nastawy nowego położenia kątowego powinien być wykonywany jak najszybciej. Aby to oszacować, można założyć, że stacja radiolokacyjna jest w stanie wykryć pocisk antyradiolokacyjny, np. AGM-88 HARM, poruszający się z maksymalną prędkością około 2300 km/h i wystrzelony z odległości 20.km [5]. Na podstawie tych danych czas, po jakim pocisk osiągnie cel, wynosi ok. 30 s. W tym czasie musi nastąpić aktywacja systemu, nastawa poszczególnych anten na określony kąt oraz włączenie nadajników ISR. Jeżeli włączenie promieniowania wystąpi zbyt późno, PAR będzie niewrażliwy na zmianę rozkładu promieniowania i uderzy w SRL. Dlatego też czas obrotu anteny o 180 nie powinien być dłuższy niż jedna sekunda. Impulsy emitowane przez nadajniki ISR muszą być zsynchronizowane z impulsami emitowanymi przez nadajnik stacji radiolokacyjnej. Dlatego też urządzenie sterujące musi przekazywać je bezpośrednio na wejście wyzwalające nadajnika ISR. Nie powinny one zakłócać pracy układów imitatora, np. powodować zmiany położenia kątowego anteny, zmian 876
trybu pracy itp. Urządzenie sterujące umożliwia autonomiczną pracę ISR zgodnie z programem, zdalne programowanie i włączanie. Autonomiczny system zasilania umożliwiający zachowanie długotrwałej gotowości do pracy wymusza, aby układ sterujący anteną charakteryzował się jak najmniejszym poborem energii. W związku z koniecznością ładowania źródła zasilania podczas pracy, ISR jest wyposażony w dodatkowe źródło podtrzymujące pracę pamięci, aby nie doszło do zaniku danych. Zadania systemu ISR są realizowane w następujących rodzajach pracy: zdalne automatyczne włączanie ISR w momencie zagrożenia PAR; zdalne automatyczne włączanie ISR wraz z przejściem SRL do pracy na ekwiwalent; zdalne ręczne włączanie i wyłączanie (niezależnie od rodzaju pracy systemu); praca autonomiczna zgodnie z programem, zdalnie programowana i włączana; sterowanie i programowanie z pulpitu zdalnego sterowania; obsługa. Promieniowanie anteny ISR powinno być dookólne, przy czym mogą to być cztery imitatory z antenami pracującymi sektorowo. Mechanizm obrotu anteny zapewnia obracanie anteną w zakresie 0-360 bez ograniczeń co do ilości wykonanych obrotów. 2. STEROWANIE SYSTEMEM ISR System ISR wykorzystuje tubowe, trapezoidalne anteny kierunkowe pracujące sektorowo. W przeciwieństwie do systemów z zespołem anten dookólnych, w tym rozwiązaniu trzeba zapewnić sterowanie pozwalające na ustawienie anten ISR na wybrany kierunek, w którym będą emitować promieniowanie. Zastosowanie anten kierunkowych pozwala na zmniejszenie mocy nadajników, a przez to efektywniejsze wykorzystanie źródła zasilania. Rozmieszczenie ISR zapewnia dookólną ochronę stacji radiolokacyjnej z jednakową skutecznością w każdym kierunku. Aby to osiągnąć, każdą z anten ISR można obracać w zakresie 0 360 w azymucie oraz 0 80 w elewacji. Dzięki temu w przypadku awarii jednej z anten, jej sektor promieniowania może przejąć inna, w zależności od kierunku, z którego nadlatywałby PAR. Przykładowe rozmieszczenie ISR względem SRL pokazano na rys. 1. Rys. 1. Przykładowe rozmieszczenie ISR względem stacji radiolokacyjnej 877
Komunikacja oraz sterowanie całym systemem ISR mogą być realizowane w czasie rzeczywistym z jednoczesną kontrolą połączeń i przesyłanych danych. Jednym ze skuteczniejszych rozwiązań, które zapewni te warunki, jest zastosowanie mikrokontrolerów jako elementów czuwających nad procesem komunikacji i sterowania. Ich konfiguracja umożliwia zbudowanie złożonych urządzeń z minimalną ilością dodatkowych układów [6]. Połączenie przewodowe pomiędzy ISR a urządzeniem sterującym zrealizowane jest za pomocą ustandaryzowanego protokołu transmisji danych, który jest odporny na zakłócenia i umożliwia transmisję za pomocą długich przewodów. Oprogramowanie mikrokontrolerów zapewnia realizację opracowanych algorytmów działania, które są wykonywane po otrzymaniu odpowiednich instrukcji sterujących. Zapewnia też powtarzalną jakość sterowania systemu, a w szczególności pozycjonowanie anten ISR w zadanym kierunku. Schemat blokowy połączeń systemu ISR pokazano na rys. 2. Głównym elementem układu jest mikrokontroler, którego zadaniem jest nadawanie, odbieranie i interpretowanie otrzymanych danych z różnych źródeł. Jako interfejs komunikacyjny między urządzeniem sterującym a pulpitem sterowania SRL wybrano komunikację w standardzie RS232C. Jest to podyktowane tym, że komputer pokładowy stacji radiolokacyjnej posiada złącza szeregowe, a także większość kontrolerów zawiera moduł USART, na bazie którego można zaimplementować komunikację szeregową pomiędzy dwoma urządzeniami. Dane oraz komendy przesyłane po tej linii komunikacyjnej są w formie ramek tekstowych odpowiednio kodowanych i dekodowanych. Przyjęcie ustalonego formatu tych danych pozwala na kontrolę i wykrywanie błędów transmisji. Rys. 2. Blokowy schemat połączeń systemu ISR Połączenie pomiędzy urządzeniem sterującym a nadajnikami ISR wykonano za pomocą przewodu PKL-2 oraz interfejsu szeregowego RS485, który ma wystarczającą odporność na zakłócenia. Do łączności bezprzewodowej wykorzystano radiomodem pracujący z częstotliwością 433 MHz. Ponieważ urządzenie sterujące musi w tym samym czasie obsługiwać połączenia przewodowe z pulpitem sterowania oraz nadajnikami ISR, odbiór i nadawanie danych przez radiomodem odbywa się samoczynnie, bez udziału mikrokontrolera. Funkcje mikrokontrolera ograniczone są, w procesie nadawania, do zapisywania danych wysyłanych do pamięci radiomodemu i inicjowania wysyłania krótkim komunikatem. W przypadku odbioru danych do odczytu odebranych bajtów z pamięci układu radiowego. Zastosowanie takiego rozwiązania wyeliminuje możliwość nieodebrania danych przez zajęty procesor wykonujący w czasie przesyłania danych inne zadania, np. odbiór danych z pulpitu operatora. 878
Głównym zadaniem modułu sterowania anteną ISR jest odbieranie danych z urządzenia sterującego i na ich podstawie sterowanie mechanizmem pozycjonowania anteny. Przesyłanie danych odbywa się za pomocą interfejsu RS-485 lub radiomodemu. Ponieważ układ realizuje wiele algorytmów i musi reagować na różne zdarzenia, również tutaj zastosowanie programowalnego mikrokontrolera zapewnia dużą funkcjonalność i wielozadaniowość całego urządzenia. Na rysunku 3 pokazano schemat blokowy połączeń między sterownikiem a układami peryferyjnymi, w które wyposażony jest układ sterowania anteną ISR. Rys. 3. Schemat blokowy układu sterowania anteną ISR 3. KONSTRUKCJA UKŁADU POZYCJONOWANIA ANTENY ISR Konstrukcja układu pozycjonowania anteny ISR powinna być sztywna i wytrzymała a zarazem lekka, ponieważ trzeba ją ręcznie przenosić na docelową pozycję bojową. Na rysunku 4 przedstawiono model układu pozycjonowania anteny zamodelowany w programie SolidEdge ST4. Uwzględniając materiały, z jakich wykonane są elementy konstrukcji ISR, masa całego urządzenia wynosi ok. 2,5 kg. Do takiej masy jest przystosowany stojak, który zapewnia odpowiednią wysokość anteny ISR. Ponieważ stabilność anteny musi być bardzo dobra, wysokość stojaka nie może być duża. Można przyjąć, że optymalna wysokość względem ziemi, na jakiej powinna pracować antena, wynosi około 1 metra. Zapewnia to odpowiednią stabilność położenia anteny, a zarazem możliwość pracy w wysokiej trawie. Aby chronić silnik i mechanizm przed wpływem warunków atmosferycznych, moduł jest wyposażony w odpowiednią osłonę spełniającą te funkcje. 879
Lekkość, a zarazem odporność na korozję duraluminium spowodowała, że konstrukcję ISR wykonano z tego materiału. Przy projektowaniu wzięto pod uwagę funkcje, jakie będzie ona spełniała, czyli przede wszystkim obracanie anteną w kierunku azymutu i elewacji. Niezbędne zatem było zastosowanie łożysk, w których został osadzony wał spełniający funkcję osi obrotu. Podczas pracy konstrukcji nie będą występowały znaczne obciążenia, dlatego zastosowano łożyska o małej nośności, tj. łożyska kulkowe znormalizowane 6002. Rys. 4. Model układu pozycjonowania anteny ISR (1 enkoder, 2 mikrofalowe złącze obrotowe, 3 pierścienie ślizgowe, 4 przekładnia zębata, 5 silnik krokowy, 6 enkoder, 7 serwomechanizm, 8 i 9 oprawy łożysk) Ponieważ antena ISR musi obracać się o 360 i nadążać za anteną SRL do przenoszenia sygnału mikrofalowego ze wzmacniacza do anteny zastosowano mikrofalowe złącze obrotowe typu RJS-A8A8 (rys. 5) oferowane przez firmę RFline [8]. Kolejnym problemem konstrukcyjnym jest zapewnienie połączenia elektrycznego urządzeń pracujących w części obrotowej ISR, czyli serwomechanizmu i enkodera. Połączenie takie zostało zrealizowane za pomocą pierścieni ślizgowych z otworem przelotowym typu MT01206 (rys. 6) firmy MOFLON [9]. Pomiędzy łożyskami na wale jest osadzone koło zębate, służące do przeniesienia napędu z wału silnika krokowego przymocowanego do korpusu. Na wale silnika osadzony jest zębnik tworzący z kołem zębatym przekładnię. W płaszczyźnie azymutu do wału silnika zamocowano obrotowy enkoder inkrementalny typu I58 (rys. 7) firmy LIKA [10]. Jako enkoder w płaszczyźnie elewacji zastosowano taki sam typ enkodera tylko pracujący z większą rozdzielczością, np. 3600 impulsów na obrót. 880
Rys. 5. Widok złącza obrotowego RJS-A8A8 Rys. 6. Widok pierścieni ślizgowych MT01206 Rys. 7. Widok enkodera I58 881
MECHANIK 7/2013 W celu przebadania jakości i poprawności pracy sterowników opracowanego modelu zbudowano prototyp mechanizmu pozycjonowania anteny ISR w płaszczyźnie azymutu i elewacji rys. 8. W prototypie zabrakło pierścieni ślizgowych i mikrofalowego złącza obrotowego, co nie wpłynęło na możliwość przebadania poprawności działania sterowników. Rys. 8. Widok zmontowanego mechanizmu pozycjonowania anteny ISR Praca finansowana ze środków na naukę jako projekt badawczo-rozwojowy realizowany w latach 2012-2015. LITERATURA [1] Maślanka S.: Zabójcy radarów, Przegląd sił powietrznych, nr 12/2008, s. 18-25. [2] Czeszejko S.: Kierunki rozwoju systemów rozpoznania radiolokacyjnego SP (cz. I), Przegląd Sił Powietrznych, nr 12/2010, s. 15-26. [3] http://www.ausairpower.net/apa-sam-defaids.html [4] http://www.radary.az.pl/index.php [5] Lim J.S., Chae G.S., Kim M.N.: A Method of Radar Protection from ARM with Active Decoys, http://ap-s.ei.tuat.ac.jp/isapx/2011/pdf/%5bfrp1-60%5d%20d06_1005.pdf [6] Kardaś M.: Mikrokontrolery AVR. Język C. Podstawy programowania, Atmel, Szczecin, 2011. [7] www.solidedge-st.pl [8] http://www.jyebao.com.tw/pdfpath/rjs-a8a8.pdf [9] Materiały firmowe firmy MOFLON. [10] Materiały firmowe firmy LIKA. 882