voprradio062020

6/2020

6/2020

ISSN 2218 5453 (Print) ISSN 2686 7680 (Online)

АО «ЦНИИ «Электроника» ISSN 2218-5453 (Print) ISSN 2686-7680 (Online)

НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ

Серия «Общетехническая» (ОТ) ВЫПУСК 6

ТОМ 49, № 6. 2020

Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного на‑ следия (свидетельство ПИ № ФС77-31114 от 15 февраля 2008 года). Журнал включен в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестацион‑ ной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для опубликования результатов диссертационных исследований (Перечень ВАК). Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Г. В. Анцев, к. т. н., доц. (АО «НПП «Радар ммс») В. М. Балашов, д. т. н., проф. (АО «НПП «Радар ммс») Я. В. Безель, д. т. н., проф. (АО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей») А. И. Белоус, чл.-корр. НАН Беларуси, д. т. н., проф. (ОАО «ИНТЕГРАЛ») А. Б. Бляхман, д. т. н., проф. (АО «ФНПЦ «ННИИРТ») М. М. Бутаев, д. т. н., проф. (АО «НПП «Рубин») Н. Ю. Жибуртович, д. т. н., проф. (АО «Корпорация Фазотрон-НИИР») Н. Н. Иванов, д. т. н. (ОАО «Авангард») А. В. Киселев, д. т. н., проф. (ФГБОУ ВО НГТУ) В. Е. Красовский, к. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») С. Ф. Боев, д. т. н., д. э. н. (ПАО «МАК «Вымпел») В. В. Мартынов, д. т. н., проф. (ФБГНУ «Аналитический центр») Н. А. Махутов, чл.-корр. РАН, д. т. н., проф. (ИМАШ РАН) Н. Л. Прохоров, д. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») С. А. Прохоров, д. т. н., проф. (Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева) П. И. Смирнов, к. т. н. (АО «НИИ «Масштаб») С. А. Сорокин, д. т. н. (АО «НИИВК им. М. А. Карцева») А. Ф. Страхов, д. т. н., проф. (АО «ГПТП «Гранит») В. Ф. Хватов, д. т. н. (Гостехнадзор Ленинградской области) С. В. Хохлов (ФГУП «ГосНИИАС») В. И. Штейнберг, к. т. н. (АО «НИИ «Аргон»)

Генеральный директор, главный редактор Алена Фомина instel@instel.ru +7 (495) 940‑65‑00

Выпускающий редактор Дмитрий Гудилин gudilin@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Реклама Полина Корсунская korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940‑65‑24 Распространение и подписка Вероника Филиппова filippova_v@instel.ru +7 (495) 940‑65‑46 Корректор Лариса Ильина Компьютерная верстка Григорий Арифулин

Полное или частичное воспроизведение материалов допускается только с пись‑ менного разрешения АО «ЦНИИ «Электроника». При перепечатке материалов ссылка на журнал «Вопросы радиоэлектроники» обязательна. Ответственность за содержание рекламных материалов несут рекламодатели. Ответственность за достоверность приведенных сведений, за наличие данных, не подлежащих открытой публикации, и точность информации по цитируемой литературе несут авторы. Позиция редакции может не совпадать с мнением автора. Все поступившие в редакцию материалы подлежат рецензированию. Редакция не вступает в переписку с авторами статей, получившими мотивиро‑ ванный отказ в опубликовании. Требования к оформлению статей размещены на сайте vre.instel.ru.

Издатель АО «ЦНИИ «Электроника»

Руководитель издательского отдела Полина Корсунская korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24

А. В. Фомина, д. э.н., доц., чл.-корр. Академии военных наук

Материалы, переданные в редакцию, не возвращаются.

Учредитель АО «ЦНИИ «Электроника»

Адрес редакции 127299, г. Москва, ул. Космонавта Волкова, д. 12 +7 (495) 940‑65‑00 www.instel.ru instel@instel.ru Подписка В редакции publish@instel.ru +7 (495) 940‑65‑46 Агентство «Роспечать» Индекс 84529 (каталог «Газеты. Журналы») Агентство «Почта России» Индекс ПР207 Агентство «Урал-Пресс» www.ural-press.ru +7 (495) 961‑23‑62 Подписано в печать 25.06.2020. Отпечатано в ООО «КАПЛИ ДОЖДЯ».

© АО «ЦНИИ «Электроника», 2020

CRI Electronics ISSN 2218-5453 (Print) ISSN 2686-7680 (Online)

(Issues of radio electronics)

Vol. 49, no. 6. 2020

General technical series VOLUME 6

The journal is registered at the Federal Service for Compliance with the Law in Mass Communications and Cultural Heritage Protection (Certificate PI № FS77-31114 of February 15th, 2008).

Founder Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics»

SCIENTIFIC JOURNAL

The journal is included into the List of periodicals recommended by the State commis‑ sion for academic degrees and titles for publishing of dissertation research results.

This journal is included in Russian Index of Scientific Citations.

EDITOR-IN-CHIEF A. V. Fomina, Doctor of Economics, Associate Professor, Corresponding Member of Russian Academy of Military Sciences EDITORIAL COUNCIL G. V. Antsev, Candidate of Engineering, Associate Professor (Radar mms) V. M. Balashov, Doctor of Engineering, Professor (Radar mms) Y. V. Besel, Doctor of Engineering, Professor (Concern PVO Almaz-Antei) A. I. Belous, Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, Doctor of Engineering, Professor (Joint Stock Company INTEGRAL) A. B. Blyakhman, Doctor of Engineering, Professor (NNIIRT) M. M. Butaev, Doctor of Engineering, Professor (NPP Rubin) N. Y. Zhiburtovich, Doctor of Engineering, Professor (PHAZOTRON-NIIR) N. N. Ivanov, Doctor of Engineering (Public Joint Stock Company Avangard) A. V. Kiselev, Doctor of Engineering, Professor (Novosibirsk State Technical University) V. E. Krasovskiy, Candidate of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Control Computers named after I. S. Bruk) S. F. Boev, Doctor of Engineering, Doctor of Economics (MAK Vympel) V. P. Martynov, Doctor of Engineering, Professor (Analytical Center at the Ministry of Education and Science of the Russian Federation) N. A. Makhutov, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Doctor of Engineering, Professor (Russian Academy of Sciences) N. L. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Control Computers named after I. S. Bruk) S. А. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (Samara University) P. I. Smirnov, Candidate of Engineering (Scientific Research Institute Mashtab) S. А. Sorokin, Doctor of Engineering (Scientific Research Institute of Computer Science named after M. A. Karzev) A. F. Strakhov, Doctor of Engineering, Professor (Head center maintenance and repair Granite) V. F. Khvatov, Doctor of Engineering (State Technical Supervision Body of Leningrad Region) S. V. Khokhlov (GosNIIAS) V. I. Shteinberg, Candidate of Engineering (Research Institute «Argon») Full or partial reproduction of materials is allowed only with the written permission of the Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics».

At a reprint of materials the link on journal «Issues of radio electronics» is mandatory.

Advertisers are responsible for the content of advertisements.

Authors are responsible for reliable information, for the availability of data are not subject to open publication, and accuracy of information on the cited literature.

The editorial standpoint may not correspond with authors’ opinions.

All incoming manuscripts are subject to review.

Editors do not correspond with authors, whose articles are considered unsuitable for the publication. Materials sent to the editor will not be returned.

© CRI Electronics, 2020

Publisher Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics» General director, Editor-in-Chief Alena Fomina instel@instel.ru +7 (495) 940‑65‑00 Head of publish department Polina Korsunskaya korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Managing editor Dmitry Gudilin gudilin@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Advertise Polina Korsunskaya korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940‑65‑24 Distribution and subscribe Veronika Filippova filippova_v@instel.ru +7 (495) 940‑65‑46 Proofreader Larisa Ilyina Design Grigoriy Arifulin Editorial office Kosmonavta Volkova st., 12, Moscow, Russian Federation, 127299 +7 (495) 940‑65‑00 www.instel.ru instel@instel.ru Subscribe publish@instel.ru +7 (495) 940‑65‑46 Signed to print 25.06.2020.

Printed in Raindrops Ltd.

АО «ЦНИИ «Электроника»

СОДЕРЖАНИЕ Качество – во главу угла..................................................................... 5

СИСТЕМЫ, УСТРОЙСТВА И ЭЛЕМЕНТЫ Волков А. А. Массогабаритные параметры формирователей мощного сверхвысокочастотного электромагнитного поля..................................................................... 6 Птицын С. О., Андреев Д. Е., Гусеница Я. Н., . Ткаченко В. В.. Уменьшение уровня шума в линиях питания цифроаналоговых систем с импульсными источниками питания........................................................................ 11

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ Куликов С. В., Епанешников Н. М., Лифиренко В. Д., . Алдохина В. Н.. Обнаружение факта разрушения космических объектов на орбите по некоординатной информации наблюдаемого потока...................................................................... 17 Балашов Е. В.. Анализ влияния угловых эволюций радиолокационного координатора на точность пеленгации.................................................................. 25

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ Соболев Е. А., Коновалова В. С.. Модернизация систем автоматизированного проектирования печатных плат с помощью внедрения дополнительного функционала.......................................................34

ТЕХНИКА СВЧ Добуш И. М., Калентьев А. А., Метель А. А., Горяинов А. Е.. Морфологический анализ интегральных СВЧ-усилителей с распределенным усилением.............................40

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Самохвалов О. А., Петушков А. М.. Методический подход к организации автономного управления группой средств воздействия при применении по территориально разнесенным объектам................................... 47

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ Романов А. Е. . Математическая модель степени опасности пожароопасной ситуации на корабле на основе системы нечеткого вывода........54

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ. .............61

© АО «ЦНИИ «Электроника», 2020

CRI Electronics (Issues of radio electronics)

CONTENTS Quality is paramount.............................................................................. 5

DEVICE DESIGN

SYSTEMS, DEVICES AND ELEMENTS

Sobolev E. A., Konovalova V. S..

Modernization of computer-aided design of printed circuit boards with introduction of additional functionality............................34

Volkov A. A..

Mass and dimensional parameters of shapers

of a powerful microwave electromagnetic field..................................... 6 Pticin S. O., Andreev D. E., Gusenitsa Ya. N., .

MICROWAVE TECHNOLOGY Dobush I. M., Kalentyev A. A., Metel A. A., Goryainov A. Е..

Morphological analysis of MMIC distributed amplifiers.....................40

Tkachenko V. V..

Noise reduction in power lines of digital analogue systems

with pulse power supplies.................................................................. 11

RADAR AND RADIO NAVIGATION Kulikov S. V., Epaneshnikov N. M., Liferenko V. D., Aldokhina V. N..

Detection of fact of destruction of space objects in orbit by non-coordinate information

of observed flow................................................................................. 17 Balashov E. V..

Analysis of influence of angular changes of radar

coordinator for direction-finding accuracy......................................... 25

© CRI Electronics, 2020

AUTOMATED CONTROL SYSTEMS Samokhvalov O. A., Petushkov A. M..

Methodical approach to organization of autonomous management of group of means of exposure at application on territorially distance objects.......................................................... 47

SYSTEM MODELING Romanov A. E..

Mathematical model of marine fire-dangerous situation hazard rate based on fuzzy output system.........................................54

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES. .................63

Качество – во главу угла Процесс глобализации на фоне мощного тех‑ нологического скачка и усиления конкуренции за‑ ставляет компании разрабатывать новые продукты, ориентируясь на удовлетворение стремительно ра‑ стущих запросов потребителей, в том числе в от‑ ношении стандартов качества. Риски и размер воз‑ можного финансового и репутационного ущерба постоянно растут, что, в свою очередь, вызывает необходимость регулирования производственных процессов, поставок, выработки требований к пе‑ редаче готовой продукции, а также к методам кон‑ троля и оценки ее качества. Изменения в структуре производства и растущие требования рынка об‑ условливают актуальность системы менеджмента качества (СМК) в высокотехнологичных секторах экономики. Основой успешного применения СМК является баланс между процессным и риск-ориентирован­ ным подходами, выражающийся в комплексном планировании с учетом факторов, которые по‑ тенциально способны вызвать отклонение от на‑ меченных показателей. Важным элементом этой модели является использование методов пред‑ упреждения и минимизации негативных послед‑ ствий, а также средств управления, позволяющих

vre.instel.ru

предприятиям извлечь максимум пользы из новых возможностей. Результатами непрерывного улучшения в рам‑ ках СМК являются оптимизация бизнес-процессов, повышение эффективности производства, улуч‑ шение качества планирования, изыскание вну‑ трипроизводственных резервов. В совокупности это дает накопительный эффект в виде снижения издержек предприятия, ускорения процессов соз‑ дания и внедрения в производство новой техники, повышения эффективности подготовки производ‑ ства и освоения новых видов продукции. Деятельность ЦНИИ «Электроника» в области сертификации СМК направлена на повышение общего уровня качества комплектующих, исполь‑ зуемых при производстве высокотехнологичной продукции военного и гражданского назначения. С 2017 года мы являемся аккредитованным орга‑ ном системы добровольной сертификации «Элек‑ тронсерт» на выполнение работ по сертификации СМК организаций, работающих на российском рынке радиоэлектроники, на соответствие стандар‑ там ГОСТ ISO 9001-2015, ГОСТ РВ 0015-002-2012, ЭС РД 009-2014, ЭС РД 010-2015. Сертификация осуществляется в рамках специ‑ ализированной системы с применением как граждан‑ ских, так и военных стандартов, а также требований госзаказа на основе комплекса ключевых положений. Среди последних: реализация требований к системе обеспечения качества и надежности изделий, ориен‑ тированной на более ранние стадии их создания; вве‑ дение статистических показателей надежности ком‑ понентов и методов их подтверждения; применение гибкого подхода к контролю качества готовой продук‑ ции, основанного на результатах приемочного кон‑ троля и информации о состоянии процесса производ‑ ства изделий; установление для всех групп изделий единых принципов статистического контроля и регу‑ лирования технологического процесса; определение процедуры сертификации СМК и производства. Добровольная сертификация СМК позволяет компаниям документально подтвердить соответ‑ ствие их продукции законодательным и норма‑ тивно-правовым актам, а также показать их заин‑ тересованность в продвижении на потребительский рынок высококачественных и востребованных това‑ ров и услуг. А. В. Фомина, доктор экономических наук, главный редактор журнала «Вопросы радиоэлектроники»

5

Системы, устройства и элементы Для цитирования: Волков А. А. Массогабаритные параметры формирователей мощного сверхвысокочастотного электромагнитного поля // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 6–10.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-6-10 УДК 621.373

А. А. Волков1 1 ВУНЦ

ВВС «ВВА»

МАССОГАБАРИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ МОЩНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Рассматриваются вопросы предварительной оценки возможности размещения формирователей мощного сверхвысокочастотного электромагнитного поля на носителях. Объем и масса формирователя, состоящего из автономного источника питания и генератора, прямо зависят от энергии и мощности генерируемых токов и полей. При этом полезная нагрузка любого носителя всегда имеет массогабаритные ограничения, что может не позволить разместить на нем формирователь поля с заданными параметрами излучения. Цель работы состоит в определении закономерностей, связывающих объем и массу формирователя электромагнитного поля с параметрами излучения – ​мощностью, длительностью, периодом повторения и количеством импульсов. Основой для нахождения объема и массы формирователя послужили уравнение энергетического баланса в системе «источник питания – ​генератор» для импульсно-периодического режима, удельные параметры энергии источника питания и удельные параметры мощности генератора. В уравнении энергетического баланса учтены потери мощности холостого хода во время пауз между импульсами. В результате получены выражения для оценки объема и массы формирователя электромагнитного поля. Определено условие, при котором потери холостого хода не влияют на массогабаритные параметры формирователя в режиме генерации последовательности одинаковых по мощности и длительности импульсов с постоянным периодом повторения. Проведена оценка объема и массы формирователя, построенного по схеме «взрывомагнитный генератор – ​виркатор». Ключевые слова: сверхвысокочастотный генератор, черенковский генератор, виркатор, параметры излучения

Введение При решении ряда прикладных задач, связанных с использованием формирователей импульсного электромагнитного поля (ЭМП) на основе мощных релятивистских сверхвысокочастотных (СВЧ) гене‑ раторов (виркаторов, черенковских генераторов, релятивистских магнетронов и др. [1]), возникает необходимость предварительной оценки возмож‑ ности их размещения на существующих носителях. Формирователь ЭМП представляет собой систему, состоящую из источника электропитания и СВЧгенератора. Объем и масса указанных устройств находятся в прямой зависимости от энергии и мощ‑ ности генерируемых токов и полей. Поэтому для эф‑ фективного решения практических задач, в которых требуются значительные уровни мощности излуча‑ емых полей (например, в задачах электромагнит‑ ного поражения радиоэлектронной аппаратуры [2]), формирователи ЭМП должны иметь большие объем и массу. При этом они не должны превышать, соот‑ ветственно, предельно допустимых объема и массы полезной нагрузки предполагаемого носителя. Ко‑ нечный массогабаритный ресурс может не позво‑ лить разместить на носителе формирователь ЭМП 6

с заданными параметрами излучения – ​мощностью, длительностью, периодом повторения и количе‑ ством импульсов, что, в свою очередь, повлечет не‑ возможность решения планируемой задачи. В известной литературе, касающейся задач, свя‑ занных с применением мощных СВЧ-генераторов, рассматриваемому вопросу не уделялось достаточ‑ ного внимания. В работе [3] представлены методика и результаты оценки массогабаритных характери‑ стик системы «емкостной накопитель – ​черенков‑ ский генератор». При оценке объема и массы такой системы вклад черенковского генератора не учиты‑ вался и, следовательно, не учитывались параметры формируемого СВЧ-излучения и их связь с энер‑ гией емкостного накопителя. В монографии [4] при‑ водятся типовые значения массовых и объемных плотностей энергии и мощности импульсных источ‑ ников электрической энергии различных классов. Эти данные позволяют оценить массогабаритные параметры источников питания с заданным запа‑ сом энергии. Целью настоящей работы является определение закономерностей, связывающих объем и массу фор‑ мирователя ЭМП с параметрами СВЧ-излучения

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Системы, устройства и элементы (мощностью, длительностью, периодом повторения и количеством импульсов). Оценка массогабаритных параметров формирователя ЭМП Вывод электромагнитной энергии мощных реля‑ тивистских СВЧ-генераторов в атмосферу произво‑ дится, как правило, через поверхностные антенны –​ диэлектрические окна в корпусах приборов. Такие антенны не требуют дополнительного массогаба‑ ритного ресурса, поэтому объем формирователя V и его масса M будут определяться источником пита‑ ния и генератором:

V = Vàè +VÉ ,

(1)

M = M àè + M É ,

(2)

где VИП, MИП – ​объем и масса источника питания; VГ, MГ – ​объем и масса СВЧ-генератора. Источники питания характеризуются удельными параметрами – ​объемной и массовой плотностями энергии (мощности) [4]. Для этого класса приборов объем и масса определяют количество запасенной энергии: Wàè0 , ΩV

(3)

Wàè0 , ΩM

(4)

Vàè =

M àè =

где WИП0 – ​начальная энергия источника питания; ΩV, ΩM – ​объемная и массовая плотности энергии источника питания. Мощность генераторного прибора зависит от ра‑ бочего объема и, следовательно, от его массы и не зависит от количества запасенной в источнике питания энергии. При известных удельных мощ‑ ностных параметрах объем и массу генератора можно представить в виде

VÉ =

Pmax , ΛV

(5)

MÉ =

Pmax , ΛM

(6)

где ΛV, ΛM – ​объемная и массовая плотности мощ‑ ности генератора ЭМП; Pmax = maxPi – ​максимальная импульсная мощность СВЧ-генератора; Pi – ​сред‑ няя мощность i-го импульса СВЧ-излучения. При формировании импульсов поля генератор преобразует энергию источника питания в энер‑ гию СВЧ-излучения с некоторой эффективностью. В интервалах времени между импульсами система находится в состоянии холостого хода. В общем случае это состояние может сопровождаться поте‑ рями энергии. Поэтому уравнение энергетического vre.instel.ru

баланса при формировании импульсной последо‑ вательности, состоящей из N непересекающихся импульсов, можно представить в виде: N

N −1

i=1

i=1

Wàè0 = ∑Wàè „ÂÌ i + ∑ Wàè ïï i(i+1) ,

(7)

где WИП ген i – ​энергия источника питания, затра‑ ченная на генерацию i-го импульса; WИП ХХ i(i + 1) –​ энергия источника питания, теряемая в состоянии холостого хода во время паузы между i-м и (i + 1)-м импульсами. В общем виде величины WИП ген i и WИП ХХ i(i + 1) определяются по формулам: Ti +τi

Wàè „ÂÌ i = −

∫

Pàè Ï„Ì i (t)dt = Pàèi τi ,

(8)

Ti

Wàè ïï i(i+1) = −

Ti+1

∫

Qàè Ï„Ì i(i+1) (t)dt = Qàè i(i+1) ΔTi(i+1) , (9)

Ti +τi

где PИП мгн i(t), PИП i – ​мгновенная и средняя мощ‑ ности источника питания в режиме генерации i-го импульса; QИП мгн i(i + 1)(t), QИП i(i + 1) – ​мгновенная и средняя мощности источника питания в состо‑ янии холостого хода во время паузы между i-м и (i + 1)-м импульсами; τi – ​длительность i-го им‑ пульса; Ti – ​момент начала i-го импульса; ΔTi(i + 1) = = Ti + 1 – ​Ti – ​τi – ​временной интервал между i-м и (i + 1)-м импульсами. Эффективность преобразования энергии источ‑ ника питания в СВЧ-излучение определяется ти‑ пом, конструкцией и схемой включения генератора и характеризуется коэффициентом полезного дей‑ ствия (КПД): Pi = ηi Pàèi ,

(10)

где ηi – ​КПД СВЧ-генератора при формировании i-го импульса. Мощность источника питания в состоянии холо‑ стого хода удобно выражать в долях мощности, за‑ траченной на генерацию импульса: Qàè i(i+1) = χi(i+1) Pàèi ,

(11)

где χi(i + 1) – ​коэффициент потерь холостого хода во время паузы между i-м и (i + 1)-м импульсами. С учетом (8) – ​(11) уравнение энергетического баланса примет вид Wàè0 =

N −1

⎛

P⎞

∑ ⎜⎝ (τi + χi(i+1)ΔTi(i+1) ) ηi ⎟⎠ + i=1

i

PN τ N . (12) ηN

Подстановки (3), (5) в (1) и (4), (6) в (2) с учетом уравнения (12) приводят к выражениям: V=

1 ⎛ N −1 ⎛ P⎞ P τ ∑ (τi + χi(i+1)ΔTi(i+1) ) ηi ⎟⎠ + Nη N ΩV ⎜⎝ i=1 ⎜⎝ i N

M=

⎞ Pmax ⎟ + Λ . (13) ⎠ V

1 ⎛ N −1 ⎛ P⎞ P τ ⎞ P (τi + χi(i+1) ΔTi(i+1) ) i ⎟ + N N ⎟ + max . (14) ∑ ⎜ ⎜ Ω M ⎝ i=1 ⎝ ηi ⎠ ηN ⎠ Λ M 7

Системы, устройства и элементы Из (13) и (14) видно, что объем и масса формиро‑ вателя ЭМП напрямую зависят от потерь в генера‑ торной схеме. При этом наличие потерь обуславли‑ вает зависимость объема и массы формирователя от интервалов времени между импульсами. Одним из наиболее интересных для практики ре‑ жимов работы формирователей ЭМП является ге‑ нерация последовательностей одинаковых по мощ‑ ности и длительности импульсов с постоянным периодом повторения T. В этом случае Pi = P, τi = τ, Ti = (i – ​1)T, ΔTi(i + 1) = T – ​τ, ηi = η, χi(i + 1) = χ, а объем и масса формирователя будут определяться фор‑ мулами:

⎛ 1 N τ + (N −1)(T − τ)χ ⎞ V =⎜ + ⎟⎠ P, ηΩV ⎝ ΛV

(15)

⎛ 1 N τ + (N −1)(T − τ)χ ⎞ M =⎜ + ⎟⎠ P. ηΩ M ⎝ ΛM

(16)

Для исключения влияния на массогабаритные параметры потерь холостого хода в данном режиме необходимо обеспечить выполнение условия:

χ≪

N τ .

N −1 (T − τ)

(17)

Современные мощные релятивистские СВЧгенераторы способны формировать последователь‑ ности импульсов нано- и микросекундной длитель‑ ности с частотой повторения от единиц до сотен Гц. Для таких исходных данных при N ≫1 условие (17) принимает вид

χ≪

τ .

T

(18)

Результаты расчета объема и массы формирователей ЭМП Эффективность формирователей ЭМП в значи‑ тельной степени определяется мощностью (энер‑ гией) генератора [2], поэтому практический интерес представляют оценки массогабаритных параметров формирователей, построенных на основе наибо‑ лее мощных генераторных приборов. В настоящее время таковыми являются приборы релятивистской вакуумной СВЧ-электроники – ​черенковские гене‑ раторы и виркаторы [5]. Анализ информационных источников, содержащих сведения о характеристи‑ ках указанных приборов [6, 7], показал, что суще‑ ствующие генераторы способны формировать ЭМП мощностью в единицы ГВт, а некоторые образцы превосходят уровень 10 ГВт. Черенковские генераторы и виркаторы очень близки по параметрам генерируемых ими импуль‑ сов (мощности, длительности, частоте повторения) и диапазону рабочих частот. Однако виркаторы от‑ личаются более простой и компактной конструкцией 8

и могут работать без внешнего фокусирующего магнитного поля [6]. Данные факторы могут стать определяющими при выборе генератора для разме‑ щения на носителе с жесткими массогабаритными ограничениями. В этой связи ниже в качестве СВЧгенератора будет рассматриваться виркатор. Анализ характеристик существующих вирка‑ торов [8] показал, что их объемные и массовые плотности мощности составляют, соответственно, единицы ГВт/м3 и единицы МВт/кг. Энергетическая эффективность виркаторов гигаваттного уровня мощности, как правило, составляет 1–10% [9]. На основе этих данных принято: ΛV = 5 ГВт/м3, ΛM = 5 МВт/кг, η = 0,05. Основной задачей источника питания форми‑ рователя является выработка токов (напряжений) большой мощности в течение относительно корот‑ кого промежутка времени. При этом он должен обе‑ спечивать согласованный режим работы с генера‑ тором, а его удельные энергетические параметры должны быть достаточно высокими. Среди суще‑ ствующих автономных источников питания указан‑ ным требованиям наилучшим образом удовлетво‑ ряют взрывомагнитные генераторы (ВМГ). Данные устройства имеют наивысшие удельные энергети‑ ческие и мощностные показатели [4]. Кроме того, они хорошо согласуются с виркаторами, что было показано в экспериментах [10]. Оценка удельных энергетических параметров источника питания на основе ВМГ с системой запуска и первичной за‑ питки магнитным полем, согласно [4], дает значе‑ ния ΩV = 10 МДж/м3, ΩM = 10 кДж/кг. На рис. 1 показаны графики зависимостей объ‑ ема и массы формирователя ЭМП, генерирующего СВЧ-импульсы мощностью 5 ГВт, от длительности импульсов при N = 100, χ = 10–5 и различных значе‑ ниях периода их следования. Из графиков на рис. 1 следует, что формирователи ЭМП гигаваттного уровня мощности, построенные по схеме «ВМГ –​ виркатор», требуют для размещения на носителях единиц кубических метров объема полезной на‑ грузки и единиц тонн грузоподъемности. На рис. 2 показаны графики зависимостей объ‑ ема и массы формирователя ЭМП, генерирующего СВЧ-импульсы мощностью 5 ГВт, от коэффициента потерь мощности при N = 100, τ = 100 нс и различ‑ ных значениях периода их следования. Из графиков на рис. 2 следует, что влияние потерь мощности на массогабаритные параметры форми‑ рователя снижается при уменьшении длительности и (или) периода следования импульсов. Для генера‑ ции последовательности импульсов с периодом по‑ вторения T = 10 мс формирователь с коэффициен‑ том потерь χ = 10–5 требует объема и массы на 9% больше, чем формирователь без потерь (V = 1,1 м3, M = 1100 кг). Увеличение потерь в 10 раз при том же

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Системы, устройства и элементы 2000

2 – Т = 10 мс

V, м3

M, кг

– Т = 1 мс 1500

1,5

1

10–7 τ, с

10–8

10–6

1000

Рисунок 1. Зависимости объема и массы формирователя электромагнитного поля от длительности импульсов

2000

2 – Т = 10 мс

V, м3

M, кг

– Т = 1 мс 1500

1,5

1

10–4 χ

10–5

10–3

1000

Рисунок 2. Зависимости объема и массы формирователя электромагнитного поля от коэффициента потерь мощности

соотношении объемов и масс требует уменьшения периода повторения тоже в 10 раз. Заключение На основе уравнения энергетического баланса с учетом удельных показателей энергии источ‑ ника питания и мощности генератора получены выражения для оценки объема и массы форми‑ рователя последовательности импульсов ЭМП. При решении задачи учитывались энергетические потери источника питания в интервалах между импульсами. Определено условие, при котором

в режиме генерации последовательности одинако‑ вых по мощности и длительности импульсов с по‑ стоянным периодом повторения потери холостого хода не влияют на массогабаритные параметры формирователя ЭМП. Проведенная оценка объема и массы формирователя гигаваттного уровня мощ‑ ности, построенного по схеме «ВМГ-виркатор», по‑ зволяет сделать вывод о возможности размещения указанных устройств на некоторых типах воздуш‑ ных носителей. При этом установлено, что требо‑ вания к потерям холостого хода должны быть до‑ статочно жесткими.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика: теория и практика. М.: Наука, 2003. 446 с.

2. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем / В. Д. Добыкин, А. И. Куприянов, В. Г. По‑ номарев, Л. Н. Шустов. М.: Вузовская книга, 2007. 468 с.

3. Добыкин В. Д., Никитин Р. П., Комолев С. Г. Оценка массогабаритных характеристик многоволнового черенковского генератора как источника мощного сверхвысокочастотного излучения // Радиотехника. 2008. № 6. С. 58–59.

4. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока / под ред. В. Е. Фортова. М.: Наука, 2002. 399 с.

5. Диденко А. Н. О предельно допустимом уровне мощности импульсных СВЧ-генераторов на основе сильноточных электронных ускорителей // Доклады Академии наук. 1997. Т. 356. № 4. С. 470–471.

6. Дубинов А. Е., Селемир В. Д. Электронные приборы с виртуальным катодом // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47. № 6. С. 645–672.

7. Черепенин В. А. Релятивистские многоволновые СВЧ генераторы и их возможные применения // Успехи физических наук. 2006. Т. 176. № 10. С. 1124–1130.

8. Источники СВЧ излучения с виртуальным катодом. Томский политехнический университет. Лаборатория № 42 [Электронный ресурс]. URL: http://portal.tpu.ru:7777/departments/laboratory/lab42/sciense/svch_virt (дата обращения: 07.11.2019).

vre.instel.ru

9

Системы, устройства и элементы 9. Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. В 2 т. М.: Физматлит, 2004. Т. 2. 648 с.

10. Азаркевич Е. И., Диденко А. Н. и др. Генерация импульсного СВЧ-излучения с помощью энергии химических взрыв‑ чатых веществ // Доклады Академии наук СССР. 1991. Т. 319. № 2. С. 352–355.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Волков Алексей Анатольевич, к. т. н., преподаватель, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Во‑ енно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), Российская Фе‑ дерация, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, тел.: 8 (906) 673‑67‑92, e-mail: volkov_aa@autorambler.ru.

For citation: Volkov A. A. Mass and dimensional parameters of shapers of a powerful microwave electromagnetic field.

Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 6–10.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-6-10 A. A. Volkov

MASS AND DIMENSIONAL PARAMETERS OF SHAPERS OF A POWERFUL MICROWAVE ELECTROMAGNETIC FIELD The questions of preliminary assessment of the possibility of placing shapers of a high-power microwave electromagnetic field on existing carriers are considered. The volume and mass of the shaper, consisting of an autonomous power source and generator, directly depend on the energy and power of the generated currents and fields. At the same time, the payload of any carrier always has weight and size limitations, which may not allow placing a field shaper with specified radiation parameters on the proposed carrier. The purpose of the work is to determine the laws that connect the volume and mass of the electromagnetic field shaper with the radiation parameters – ​power, duration, repetition period and number of pulses. The basis for finding the volume and mass of the shaper was the equation of the energy balance in the system «power supply-generator» for the pulse-periodic mode, the specific energy parameters of the power supply and the specific power parameters of the generator. In the energy balance equation takes into account idle power losses within pauses between pulses. As a result of solving the problem, expressions are obtained for estimating the volume and mass of the electromagnetic field shaper. Has been determined condition is under which, in the generation mode, sequences of pulses of the same power and duration with a constant repetition period, losses of idle do not affect the mass-dimensional parameters of the shaper. The volume and mass of the shaper, constructed according to the «explosive magnetic generator – v ​ ircator» scheme, were estimated.

Keywords: microwave generator, radiation parameters, Cherenkov generator, vircator

REFERENCES 1. Didenko A. N. SVCh-energetika: teoriya i praktika [Microwave energy: Theory and practice]. Moscow, Nauka Publ., 2003, 446 p.

(In Russian).

2. Dobykin V. D., Kupriyanov A. I., Ponomarev V. G., Shustov L. N. Radioelektronnaya borba. Silovoe porazhenie radioelektron­ nykh sistem [Electronic warfare. Power defeat of radio-electronic systems]. Moscow, Vuzovskaya kniga Publ., 2007, 468 p.

(In Russian).

3. Dobykin V. D., Nikitin R. P., Komolev S. G. Evaluation of the mass-dimensional characteristics of a multi-wave Cherenkov generator as a source of powerful microwave radiation. Radiotekhnika, 2008, no. 6, pp. 58–59. (In Russian).

4. Fortov V. Ye., editor. Vzryvnyye generatory moshnykh impulsov elektricheskogo toka [Explosive generators of powerful pulses of electric current]. Moscow, Nauka Publ., 2002, 399 p. (In Russian).

5. Didenko A. N. On the limiting admissible power level of pulsed microwave generators based on high-current electron accelerators. Doklady Akademii nauk, 1997, vol. 42, no. 10, pp. 528–529. (In Russian).

6. Dubinov A. E., Selemir V. D. Electronic devices with virtual cathodes. Radiotekhnika i elektronika, 2002, vol. 47, no. 6, pp. 575–600. (In Russian).

7. Cherepenin V. A. Relativistic multiwave oscillators and their possible applications. Uspekhi fizicheskikh nauk, 2006, vol. 49, no. 10, pp. 1097–1102. (In Russian).

8. Sources of microwave radiation with a virtual cathode. Tomsk Polytechnic University. Laboratory No. 42. Available at: http:// portal.tpu.ru:7777/departments/laboratory/lab42/sciense/svch_virt (accessed 07.11.2019).

9. Trubetskov D. I., Khramov A. Ye. Lektsii po sverkhvysokochastotnoy elektronike dlya fizikov [Lectures on microwave electronics for physicists]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2004, vol. 2, 648 p. (In Russian).

10. Azarkevich Ye. I., Didenko A. N., et al. Generation of pulsed microwave radiation using the energy of chemical explosives.

Doklady Akademii nauk SSSR, 1991, vol. 319, no. 2, pp. 352–355. (In Russian).

AUTHOR Volkov Aleksey, Ph. D., lecturer, Military Educational-Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin», 54A, Staryh Bolshevikov St., Voronezh, 394064, Russian Federation, tel.: +7 (906) 673‑67‑92, e-mail: volkov_aa@autorambler.ru.

10

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Системы, устройства и элементы Для цитирования: Уменьшение уровня шума в линиях питания цифроаналоговых систем с импульсными источниками питания / С. О. Птицын, Д. Е. Андреев, Я. Н. Гусеница, В. В. Ткаченко // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 11–16.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-11-16 УДК 621.314.1

С. О. Птицын1, Д. Е. Андреев2, Я. Н. Гусеница2, В. В. Ткаченко3 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», академия имени А. Ф. Можайского

2 ФГАУ «ВИТ «ЭРА», 3

Военно-космическая

УМЕНЬШЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА В ЛИНИЯХ ПИТАНИЯ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ С ИМПУЛЬСНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ Наряду с повсеместным распространением цифровой электроники, все большую значимость приобретают прецизионные аналоговые электронные компоненты. В связи с этим актуальна задача уменьшения уровня шума внутри цифроаналоговых систем, чтобы обеспечить режим работы, не ухудшающий точность функционирования подобных элементов. При этом импульсные преобразователи питания являются одним из основных источников шума в подсистеме питания устройств. С целью выявления факторов уменьшения импульсных помех в линиях питания системы была разработана математическая модель выходных элементов на различных стадиях преобразования импульсных источников питания. Получены результаты, определяющие ключевые компоненты и их параметры с точки зрения возникновения шума в линиях питания цифроаналоговых систем. Данные результаты основаны на аналитическом исследовании переходных процессов в импульсных источниках вторичного электропитания, цифровых интегральных схемах, а также шумовых показателей компонентов, входящих в линейные преобразователи. Ключевые слова: импульсные преобразователи, линейные регуляторы, подавление паразитных контуров импульсных преобразователей, шум линейных регуляторов

Введение Система питания является одной из главных со‑ ставных частей, обеспечивающих бесперебойное функционирование электротехнических устройств. Использование стабильных источников вторичного электропитания (ИВЭП), а также снижение взаим‑ ного влияния электрорадиоэлементов (ЭРЭ) имеет особенно важное значение в разработке цифро‑ аналоговых систем. При этом необходимо учиты‑ вать вопросы возникновения и подавления шумов в линиях электропитания как при преобразовании энергии, так и в процессе функционирования элек‑ трических узлов системы [1]. В настоящее время наиболее часто примени‑ мыми ИВЭП являются импульсные преобразова‑ тели. Соответственно, актуальны определение на основе общедоступных функциональных моде‑ лей [2, 3] механизма образования и разработка ме‑ тодов по уменьшению выходного шума таких пре‑ образователей. Конечные формулы, приводимые в технической литературе [4, 5], недостаточны для подобного анализа. Для этой цели требуется раз‑ работать математическую модель стадий преоб‑ разования, что позволит выявить параметры, кото‑ рые обуславливают импульсные помехи, и оценить vre.instel.ru

эффективность схемотехнических решений, обе‑ спечивающих приемлемый уровень помех в линиях питания системы. Уменьшение выходного шума в импульсных ИВЭП Для преобразования входного напряжения пи‑ тания в требуемые уровни напряжения устройства обычно используют импульсные ИВЭП. Главным преимуществом данного типа источников является высокая эффективность преобразования (около 90% [6]). При этом, вследствие принципа работы преобразователя, в спектре выходного напряжения содержатся высокочастотные компоненты, оказы‑ вающие негативное влияние на аналоговые изме‑ рительные приборы. Для обеспечения «чистоты» линий электропитания для аналоговых ЭРЭ чаще всего применяют линейные преобразователи на‑ пряжения. Кроме того, сами ЭРЭ могут подбираться таким образом, чтобы уровень шума в линиях элек‑ тропитания соответствовал приемлемому, не ухуд‑ шающему разрешающую способность данных ана‑ логовых элементов [7]. Наиболее часто использующимися импульс‑ ными преобразователями являются понижающие, 11

Системы, устройства и элементы

0

VOUT

SW2

L

–IPK/2 L

VOUT + VPK

Ток конденсатора C Q+

1/2IPK/2 Q-

tOFF/2

SW1

+IPK/2

tON/2

VIN

Напряжение конденсатора C

VOUT

VRIPPLE(p–p)

VOUT – VPK

t0

а)

t1

t2

б)

Рисунок 1. Понижающий импульсный преобразователь: а – функциональная схема; б – электрические показатели выходного конденсатора

функциональная схема которых, а также характер‑ ные электрические показатели выходного конден‑ сатора (в режиме DCM) приведены на рис. 1 [8]. Общий порядок преобразования напряжения им‑ пульсных ИВЭП заключается в циклическом выпол‑ нении двух стадий для режимов DCM (discontinuous current mode) и CCM (continuous current mode) и трех стадий для режима SCM (saturated current mode). С точки зрения простоты и дешевизны разработки импульсного ИВЭП, предпочтительнее использо‑ вать режим DCM, однако с точки зрения пониже‑ ния уровня создаваемых шумов в линиях электро‑ питания – CCM, так как пульсация напряжения на выходе оказывается значительно ниже. Об этом свидетельствует следующая формула (ESR конден‑ сатора не учитывается):

(1)

где IL(RIPPLE) – разница наибольшего и наимень‑ шего токов, протекающих через катушку индук‑ тивности, C – емкость выходного конденсатора, fSW – частота тактирования циклов контроллера преобразователя. При IL(RIPPLE) < IOUT преобразова‑ тель работает в режиме CCM, при IL(RIPPLE) = IOUT – в режиме DCM, при IL(RIPPLE) > IOUT – в режиме SCM, при котором в дополнение к увеличенным пульсациям напряжения образуются высокоча‑ стотные колебания. Уменьшение IL(RIPPLE) дости‑ гают за счет большей индуктивности L, а также выбором более высокой частоты fSW. Хотя увели‑ чение частоты сужает выбор моделей катушек ин‑ дуктивностей (в силу паразитных характеристик), уменьшение длительности цикла преобразования положительно влияет на скорость реакции (пере‑ ходную характеристику) преобразователя на из‑ меняющуюся нагрузку, например при увеличении тока потребления: I OUT [ N + k ] > I OUT [ N ] ∀k, k ∈ N →

12

∂ΔVOUT [ N +k ] ∂f

< 0. (2)

В случае отсутствия возможности использовать контроллер преобразователя с частотой, доста‑ точной для реализации режима CCM, необходимо предусмотреть установку катушки с повышенной индуктивностью. Иначе импульсный ИВЭП войдет в режим SCM, причиной чему является излишнее накопление магнитного поля и, как следствие, пе‑ резаряд выходного конденсатора:

(3)

При увеличении индуктивности катушки при работе в режиме CCM особое внимание необхо‑ димо обращать на параметры схемы компенса‑ ции обратной связи. Производители электроники могут интегрировать данную схему в контрол‑ лер, например, как в интегральной схеме (ИС) ST1S40 (fSW = 850 кГц, синхронный) компании ST Microelectronics, тем самым упрощая для инженера разработку преобразователя, но одновременно ограничивая его в выборе внешних компонентов. Так, установка индуктивности L = 270 мкГн (при вычисленном значении L = 4,6 мкГн обеспечива‑ ется режим CCM IL(RIPPLE) = 0,2IOUT) одновременно с С = 100 мкФ приводит к выходу данной ИС из стабильного состояния, что влечет возникновение пульсаций выходного напряжения, равных прибли‑ зительно 10% от номинального, так как контрол‑ лер «не успевает» компенсировать увеличивше‑ еся потребление линии питания (рис. 2). При таких задержках в спектре напряжения катушки могут образовываться компоненты верхнего звукового диапазона частот, что в данной ситуации при из‑ менении нагрузки (например, мигании светодиода) создавало слышимый звук. Замена катушки на другую с индуктивностью L = 47 мкГн восстановило стабильность обратной связи контроллера. Действительно, передаточная функция петли об‑ ратной связи ST1S40 выражается согласно следую‑ щей формуле [9]:

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

(4)

Системы, устройства и элементы

Рисунок 2. Осциллограмма SW-узла контроллера с нестабильной обратной связью

где

sz ≈ 11,6 кГц, sp1 ≈ 3,4 Гц, sp2 ≈ 50 МГц;

Таким образом, переходная характеристика изменения нагрузки h0 (t) = ∑ Ai cos(wi t + ϕi ) для комплексных корней многочлена H(s) имеет коле‑ бательный характер. Уменьшая, прежде всего, ин‑ дуктивность, можно добиться более линейной реак‑ ции устройства управления преобразователем. Несмотря на то, что большинство устанавлива‑ емых импульсных ИВЭП работают в режиме CCM, необходимо учитывать вероятность возникновения таких условий преобразования, при которых кон‑ троллер на некоторый промежуток времени перей­ дет в режим работы SCM. В качестве меры предо‑ сторожности следует модифицировать имеющиеся

колебательные цепочки, подавляя их добротность до приемлемого уровня, при этом принимая в рас‑ чет дополнительные потери энергии в компонентах образованных контуров. В противном случае воз‑ никшие колебания не только поступают в линии пи‑ тания в качестве шума, но и создают угрозу непо‑ средственно ИС контроллера импульсного ИВЭП, как минимум, добавляя дестабилизирующий фак‑ тор в процесс преобразования. На рис. 3 показан пример возникновения подобных колебаний на входе SW-контроллера, а также результат их пода‑ вления (рис. 3а) и экспериментальная реализация построенной модели (рис. 3б). Немаловажным фактором в поддержании ра‑ ботоспособности импульсных ИВЭП является вы‑ полнение этапа компоновки элементов преобра‑ зователя и создание печатного монтажа платы. Основная задача этапа разработки печатной платы (ПП) – минимизировать влияние паразитных свойств печатных элементов, уменьшить их элек‑ тромагнитное излучение и применить средства для защиты электрических цепей от помех. Источниками электромагнитных помех в по‑ нижающих импульсных ИВЭП выступают кон‑ туры «SW1-L-C» и «SW2-L-C», а в контроллерах – также контуры управления ключами «SW1/2».

20,00

-20,00 10,00

-10,00 -1,00u

0,00

1,00u

2,00u

3,00u

4,00u

а)

б)

Рисунок 3. Осциллограммы SW-узла контроллера в режиме SCM: а – смоделированные; б – экспериментальные

vre.instel.ru

13

Системы, устройства и элементы Таблица. Сопоставление шумовых показателей линейных ИВЭП

Модель ИС

Vn /en ÌÇ Éˆ

Нестабильность по току/ напряжению

76 дБ/1 МГц

1 % 5 % / 102 Ä 105 Ç

LT3045-1

0,8ÏÍÇ / 2,2

LT3040

1,25ÏÍÇ/4

ÌÇ Éˆ

73 дБ/1 МГц

1 % 5 % / 102 Ä 105 Ç

TPS7A87

4,7ÏÍÇ/13

ÌÇ Éˆ

39 дБ/500 кГц

3 % 3 % / 102 Ä 103 Ç

TPS7A91

3,8ÏÍÇ/11

ÌÇ Éˆ

40 дБ/500 кГц

2 % 5 % / 102 Ä 103 Ç

Для уменьшения их излучения требуется уменьшить площадь поверхности, а сами контуры – разместить на достаточном расстоянии от высокоимпедансных аналоговых входов контроллера/преобразователя (как правило, с этой же целью сами производители ИС пространственно выделяют подобные группы выводов). Особое внимание следует обращать на линию обратной связи, располагая ее дальше от импульсных линий и по возможности не допуская образования паразитных элементов. В цифроаналоговых устройствах импульсные ИВЭП маломощных ИС используются, как правило, в качестве промежуточного блока преобразова‑ ния напряжения. Как бы не уменьшалась величина изменения выходного напряжения, достичь при‑ емлемого уровня шума бывает практически не‑ возможно или нецелесообразно. Для обеспечения питания высокоточных компонентов, в частности RF-компонентов, предпочтительны линейные регу‑ ляторы напряжения, а именно LDO-регуляторы [10]. Типичные характеристики подобных ИС приведены в таблице. Несмотря на низкие шумовые показатели, ли‑ нейные преобразователи требуют обвязки, на‑ правленной на устранение внутренних источников шума. К основным элементам, вносящим помеху на выходное напряжение, относятся источник опорного напряжения, операционный усили‑ тель, проходной транзистор, резисторы обратной связи [11]. Многие производители ИС LDO предо‑ ставляют разработчикам возможность дополнить указанные компоненты дискретными фильтрами. Шум опорного источника уменьшают при по‑ мощи фильтра, а для исключения влияния усиле‑ ния входного шума по обратной связи используют шунтирование RG, что в то же время повышает за‑ пас ФЧХ петли обратной связи и скорость реакции переходной характеристики.

14

PSRR

Кроме влияния ИВЭП на линии электропитания, часть помех вносят сами потребители электроэнер‑ гии. Их импульсный характер функционирования и характеристики схемы распределения электро‑ питания приводят к перекосу потенциалов между эквипотенциальными точками системы, возникно‑ вению высокочастотного шума на входах соседних ИС. Эффективным средством уменьшения взаим‑ ного влияния компонентов устройства служат по‑ следовательные с входами питания ИС феррито‑ вые индуктивности совместно с параллельными развязывающими конденсаторами. При этом для недопущения возникновения индуцированных ко‑ лебаний применяют методы подавления резонанс‑ ной цепочки, образующейся после внесения индук‑ тивности в линию. Заключение Таким образом, при разработке системы элек‑ тропитания изделия необходимо учитывать ряд факторов, оказывающих влияние на величину шума в линиях питания. Предложенная матема‑ тическая модель работы импульсных преобразо‑ вателей позволила определить характеристики, которые вносят наибольший вклад в выходной шум. Результаты экспериментальных опытов подтвер‑ дили адекватность математического представле‑ ния. Основными методами уменьшения помех, воз‑ никающих вследствие заряда выходной емкости, являются повышение частоты тактирования и уве‑ личение инерционности преобразователя с учетом сохранения линейности переходной характери‑ стики. Новизна работы заключается в математиче‑ ском обосновании применения указанных в статье схемотехнических мер подавления низкочастотных и высокочастотных помех в линиях питания цифро‑ аналоговых систем с импульсными ИВЭП.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Системы, устройства и элементы Дальнейшее снижение импульсного шума в ли‑ ниях электропитания производится путем добавле‑ ния в систему питания линейных регуляторов. Несмо‑ тря на их высокие показатели подавления входного шума, установка дополнительных фильтрующих компонентов позволяет достичь лучшей стабиль‑ ности выходных параметров регуляторов. Нельзя

упускать из внимания помехи, вносимые в линии электропитания в результате функционирования ИС. В этом случае повышению помехоустойчивости си‑ стемы способствует установка на питающие входы компонентов пассивных фильтров, но при их исполь‑ зовании должны учитываться вносимые изменения в электрические параметры линий питания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Билибин К. И., Власов А. И. и др. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. 2-е изд. М.: МГТУ им. Баумана, 2005. 568 с.

2. ROHM Semiconductor. Efficiency of buck converter. Application Note. 2016. REV.001. AEK59-D1-0364-0. 16 p.

3. Raj A. Calculating efficiency. Texas Instruments Application Report. 2010. SLVA390. 7 p.

4. Zhang H. J. Basic concepts of linear regulator and switching mode power supplies. Linear Technology Application Note 140.

2013. AN140-1. 16 p.

5. Duraiappah L. Doing more with buck regulator ICs. Renesas Electronics White Paper. 2018. 7 p.

6. Wen D. Analysis of buck converter efficiency. Richtek Technology Corporation Application Note. 2014. AN005. 14 p.

7. Reeder R. Designing power supplies for high speed ADC. Analog Devices Incorporated Technical Article. 2012. MS-2210.

7 p.

8. Theory and applications of the MC34063 and A78S40 switching regulator control circuits. Semiconductor Components Indus‑ tries Application Note. 2013. AN920/D. 43 p.

9. 3 A DC step-down switching regulator ST1S40 3A. ST Microelectronics datasheet. 2013. 43 p.

10. Jayamohan U. Powering GSPS or RF sampling ADCs: switcher vs. LDO // Analog Dialogue. 2016. No. 50. P. 11–16.

11. Fwu W. LDO Basics. Texas Instruments, 2019. 23 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Птицын Сергей Олегович, к. т. н., доцент, начальник отдела, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (911) 770-08-16, e-mail: pticin_so@radar-mms.com. Андреев Денис Евгеньевич, оператор научной роты, ФГАУ «ВИТ «ЭРА», Российская Федерация, 353456, Анапа, Пионерский просп., д. 28, тел.: 8 (916) 794-01-44, e-mail: andreev.de@phystech.edu. Гусеница Ярослав Николаевич, к. т. н., начальник испытательной лаборатории, ФГАУ «ВИТ «ЭРА», Российская Федерация, 353456, Анапа, Пионерский просп., д. 28, тел.: 8 (981) 831-50-29, e-mail: yaromir226@gmail.com. Ткаченко Владимир Викторович, к. т. н., старший преподаватель, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (981) 797-65-34, e-mail: vik_hohol@mail.ru.

For citation: Pticin S. O., Andreev D. E., Gusenitsa Ya. N., Tkachenko V. V. Noise reduction in power lines of digital analogue systems with pulse power supplies. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 11–16.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-11-16

S. O. Pticin, D. E. Andreev, Ya. N. Gusenitsa, V. V. Tkachenko

NOISE REDUCTION IN POWER LINES OF DIGITAL ANALOGUE SYSTEMS WITH PULSE POWER SUPPLIES Along with the ubiquity of digital electronics, precision analog electronic components are becoming increasingly important. In this regard, the urgent task of reducing the noise level inside digital-analog systems is to ensure a mode of operation that does not impair the accuracy of the operation of such elements. Moreover, switching power converters are one of the main sources of noise in the device power subsystem. In order to identify factors that reduce impulse noise in the power lines of the system, a mathematical model of the output elements at various stages of the conversion of pulsed power sources was developed. The results are obtained that determine the key components and their parameters in terms of the occurrence of noise in the power lines of digital-to-analog systems. These results are based on an analytical study of transients in pulsed secondary power sources, in digital integrated circuits, as well as noise performance of components included in linear converters.

Keywords: switching power supplies, linear converters, damping of switching converters parasitic loops, noise of linear converters

REFERENCES 1. Bilibin K. I., Vlasov A.I., et al. Konstruktorsko-tekhnologicheskoe proektirovanie elektronnoi apparatury [Building of electronic devices]. 2nd ed. Moscow, BMSTU Publ., 2005, 568 p. (In Russian).

2. ROHM Semiconductor. Efficiency of buck converter. Application Note, 2016, REV.001, AEK59-D1-0364-0, 16 p.

3. Raj A. Calculating efficiency. Texas Instruments Application Report, 2010, SLVA390, 7 p.

vre.instel.ru

15

Системы, устройства и элементы 4. Zhang H. J. Basic concepts of linear regulator and switching mode power supplies. Linear Technology Application Note 140, 2013, AN140-1, 16 p.

5. Duraiappah L. Doing more with buck regulator ICs. Renesas Electronics White Paper, 2018, 7 p.

6. Wen D. Analysis of buck converter efficiency. Richtek Technology Corporation Application Note, 2014, AN005, 14 p.

7. Reeder R. Designing power supplies for high speed ADC. Analog Devices Incorporated Technical Article, 2012, MS-2210, 7 p.

8. Theory and applications of the MC34063 and A78S40 switching regulator control circuits. Semiconductor Components Indus‑ tries Application Note, 2013, AN920/D, 43 p.

9. 3 A DC step-down switching regulator ST1S40 3A. ST Microelectronics datasheet, 2013, 43 p.

10. Jayamohan U. Powering GSPS or RF sampling ADCs: switcher vs. LDO. Analog Dialogue, 2016, no. 50, pp. 11–16.

11. Fwu W. LDO Basics. Texas Instruments, 2019, 23 p.

AUTHORS Ptiсin Sergey, Ph. D., associate professor, chief of the department, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (911) 770-08-16, e-mail: pticin_so@radar-mms.com.

Andreev Denis, scientific company operator, ERA Military Innovative Technopolis, 28, Pionerskii Ave., Anapa, 353456, Russian Federation, tel.: +7 (916) 794-01-44, e-mail: andreev.de@phystech.edu.

Gusenitsa Yaroslav, Ph. D., chief of research laboratory, ERA Military Innovative Technopolis, 28, Pionerskii Ave., Anapa, 353456, Russian Federation, tel.: +7 (981) 831-50-29, e-mail: yaromir226@gmail.com.

Tkachenko Vladimir, Ph. D., senior lecturer, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (981) 797-65-34, e-mail: vik_hohol@mail.ru.

16

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Обнаружение факта разрушения космических объектов на орбите по некоординатной информации наблюдаемого потока / С. В. Куликов, Н. М. Епанешников, В. Д. Лифиренко, В. Н. Алдохина // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 17–24.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-17-24 УДК 621.396.969

С. В. Куликов1, Н. М. Епанешников2, В. Д. Лифиренко1, В. Н. Алдохина1 1 Военно-космическая

академия имени А. Ф. Можайского, 2 ФГКВОУ «Санкт-Петербургский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации»

ОБНАРУЖЕНИЕ ФАКТА РАЗРУШЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОРБИТЕ ПО НЕКООРДИНАТНОЙ ИНФОРМАЦИИ НАБЛЮДАЕМОГО ПОТОКА* В настоящее время каталогизация космических объектов (КО) выполняется в системе контроля космического пространства. Разрушение КО на орбите устанавливается в результате обнаружения новых объектов по измерениям, не прошедшим идентификацию. Решение данной задачи может занимать от нескольких часов до нескольких суток. Цель настоящей работы – ​повысить оперативность обнаружения факта разрушения методом контроля параметров закона распределения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) часового потока КО, наблюдаемых радиолокационной станцией специального назначения (РЛС СН). Рассмотрена возможность использования для обнаружения факта разрушения КО в околоземном космическом пространстве некоординатной информации, получаемой при наблюдении КО, траектории которых проходят через зону видимости РЛС СН на выбранном интервале времени. Предлагается сравнивать средние значения ЭПР наблюдаемого потока КО в смежных временных интервалах наблюдения. Результаты обработки статистического материала показали, что предложенный метод позволяет повысить оперативность обнаружения факта разрушения КО на орбите в несколько раз с заданной надежностью вывода γ = 0,99. Ключевые слова: околоземное космическое пространство, эффективная поверхность рассеяния, часовой поток космических объектов

Введение За весь период освоения космоса в околозем‑ ное космическое пространство (ОКП) выведено свыше 30 тыс. крупных (размером более 10–20 см) космических объектов. По данным систем контроля космического пространства (СККП) России и США на 30 сентября 2016 г. в ОКП находилось 17 815 ка‑ талогизированных КО, из них 1503 – ​действующие космические аппараты (КА), а остальные 16 312 от‑ носятся к «космическому мусору» (КМ) [1–3], в том числе: • недействующие КА – ​2736; • разгонные блоки (РБ) и последние ступени ра‑ кет-носителей (РН) – 1 ​ 954; • фрагменты КА, РБ, последних ступеней РН и операционные элементы – ​11 622. Приведенные данные свидетельствуют о том, что лишь небольшая часть – ​менее 9% КО – ​является действующими КА, все остальные – ​техногенный

мусор, который создает проблемы безопасной де‑ ятельности в ОКП. На рис. 1 приведена динамика освоения ОКП и его засоренности результатами освоения. Пред‑ ставленные зависимости, кроме кривых 6 и 7, по‑ строены на основе каталогов КО, которые ведутся в Центре котроля космического пространства, начи‑ ная с 1960-х гг. Для формирования каталога и его ведения с самого начала привлекались штатные информационные средства Министерства обороны, способные обнаруживать и сопровождать КО, сред‑ ства Системы предупреждения о ракетном нападе‑ нии и Системы противоракетной обороны [4]. Анализ результатов наблюдений показывает, что количество техногенного мусора в разы больше по сравнению с числом космических аппаратов, вы‑ водимых в космос. Особую обеспокоенность вызы‑ вает факт «планируемого засорения» ОКП при ка‑ тастрофическом типе столкновений КО с их полным разрушением [4]. Так, в результате испытания в Ки‑ тае противоспутникового оружия в 2007 г. (перехват

* Основные результаты работы были обсуждены на научно-технической конференции «VII Репинские чтения» в ПАО «МАК «Вымпел».

vre.instel.ru

17

Радиолокация и радионавигация

1000

700 600

6

500

7

150 000

400 1

2

300

10 000

200 5 000

3

0

4

1 000

100

Количество объектов мелкого КМ, млн

200 000

800

1 – Общее количество 2 – Фрагменты разрушения 3 – Космические аппараты 4 – Сопутствующий мусор 5 – Фрагменты РН 6 – Образовавшийся мелкий КМ (1–2,5 мм) 7 – Оставшийся мелкий КМ

2018

2014

2010

2006

2002

1998

1994

1990

1986

1982

1978

1974

1970

1966

1962

5 1958

Количество каталогизированных объектов

900

Годы

Рисунок 1. Динамика освоения околоземного космического пространства

китайского КО Fengun 1C) образовалось около 3000 каталогизированных фрагментов. Аналогичное испытание в марте 2019 г. провела Индия. Кроме испытаний противокосмического ору‑ жия официально подтвержден факт столкновения в 2009 г. космического аппарата Iridium 33 (США) и КО «Космос‑2251» (Россия). Результат столкнове‑ ния – ​образование около 2000 каталогизированных фрагментов разрушения. Данные факты подтверж‑ даются скачками числа элементов разрушений на графиках (рис. 1). С целью постоянного контроля за орбитами КО техногенного и естественного происхождения, опасных для пилотируемых и автоматических КА, выявления и прогноза развития опасных ситуа‑ ций в России под эгидой Федерального космиче‑ ского агентства «Роскосмос» с 2009 г. разработана и функционирует автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в около‑ земном космическом пространстве (АСПОС ОКП). Одной из задач АСПОС ОКП является обнаружение разрушения КО на орбитах в течение 30 суток с мо‑ мента факта разрушения. Для ее решения исполь‑ зуется координатная информация Главного ката‑ лога системы контроля космического пространства. Цель настоящей работы – ​предложить метод контроля для повышения оперативности обнаруже‑ ния факта разрушения КО на орбите. Метод обнаружения события разрушения КО на орбите по некоординатной информации, формируемой РЛС СН по наблюдаемому потоку КО Основными источниками измерительной ин‑ формации о КО для СККП и АСПОС ОКП являются 18

радиолокационные станции специального назначе‑ ния (РЛС СН), в которых максимальная дальность наблюдения КО размером более 10–30 см дости‑ гает нескольких тысяч километров [4, 5]. Данная информация используется для ведения каталога СККП и выполнения прогнозов движения КО с не‑ обходимой точностью. Каталог содержит данные о международном номере КО, времени и месте за‑ пуска, типе объекта, национальной принадлежно‑ сти, назначении, размерах, массе и т. п. Координатная информация о наблюдаемых КО формируется в РЛС СН по информативным па‑ раметрам обнаруженного отраженного сигнала (время задержки, частота Доплера, угловое поло‑ жение максимума принятого сигнала). По неинфор‑ мативному параметру – ​амплитуде сигнала – ​рас‑ считывается некоординатная информация (НКИ) КО – ​эффективная поверхность рассеяния (ЭПР). Текущее значение ЭПР (Хi) наблюдаемого КО определяется путем сравнения амплитуды при‑ нятого сигнала (отношения сигнал/шум) со значе‑ нием амплитудного рельефа – ​потенциала РЛС. Значение ЭПР КО за проводку (X ) вычисляется по результатам всех замеров в зоне видимости РЛС. Под проводкой понимается интервал вре‑ мени от первого до последнего замера отражен‑ ного сигнала от КО, обнаруживаемых РЛС СН. Значение X определяется по рекуррентному вы‑ ражению

Xi =

X i−1 (i −1) X i + , i i

(1)

где X i – ​текущее значение ЭПР по i-му замеру при‑ нятого сигнала сопровождаемого КО.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация Если величина t превосходит значение t*(k, γ), найденное в таблице распределения Стьюдента при k = n1 + n2 – 2 и заданной вероятности надеж‑ ности вывода γ(0,95; 0,99), то расхождение x1 и x2 считается неслучайным с надежностью вывода, равным γ [7–9].

По окончании проводки полученное значение ЭПР X , как и координатная информация о КО, вы‑ дается в СККП. Таким образом, локатор является источником радиолокационной информации по «от‑ дельно взятому» (или группе) КО согласно про‑ граммно-реализованному алгоритму обработки. Учитывая, что обнаружение сигналов от объ‑ ектов и измерение параметров их движения явля‑ ются случайными (входные данные – ​флюктуации отраженного сигнала; наличие внешних помех и внутренних шумов приемного тракта РЛС), можно говорить и о случайной величине ЭПР КО, полу‑ ченной в течение проводки X i [6]. При этом ве‑ личина ЭПР потока за фиксированный интервал времени (текущий час) является случайной величи‑ ной X ∈(X 1, …, X n ), где n – ​количество КО в потоке. Следовательно, для принятия решения по обнару‑ жению факта разрушения КО необходимо выпол‑ нить проверку гипотезы о параметрах закона рас‑ пределения ЭПР наблюдаемого (часового) потока с малоразмерными (фрагментами разрушения) КО и без них методом сравнения выборочных средних значений ЭПР [4, 7, 8]. Для решения этой задачи воспользуемся мето‑ дикой при неизвестной дисперсии измерения слу‑ чайной величины S2 [7, 9]. Введем обозначения X *i = x1 и X *i+1 = x2 и вычислим значение величины t: t=

x1 − x2 , 1 1 s + n1 n2

Результаты оценки возможности обнаружения факта разрушения КО на орбите по среднему значению ЭПР часового потока, наблюдаемого РЛС СН Для оценки эффективности метода использова‑ лась статистика по некоординатной информации, полученная на РЛС СН дециметрового диапазона радиоволн [10]. На рис. 2–6 приведены гистограммы распределения ЭПР часового потока КО, получен‑ ные в одноименные промежутки времени в 1989, 2008, 2010, 2012, 2014 гг. При этом катастрофиче‑ ских столкновений в ОКП, согласно официальным источникам, не происходило. Согласно официальной информации, 10 фев‑ раля 2009 г. в 16 ч 56 мин (UT) произошло стол‑ кновение американского действующего КА Iridium 33 (масса 560 кг) с прекратившим активное суще‑ ствование российским КА «Космос‑2251» (масса 900 кг). За период времени от момента столкно‑ вения до конца марта 2009 г. каталогизировано 823 образовавшихся в его результате фрагмен‑ тов [2, 3]. На рис. 7 приведена величина часового потока КО в зоне видимости РЛС СН до и после разруше‑ ния КО. Анализ показывает, что величина часового по‑ тока КО (n) после разрушения увеличилась в це‑ лом незначительно. Максимальные значения n фиксировались в 1, 3, 12 и 19 часов по москов‑ скому времени. На рис. 8 приведены средние зна‑ чения ЭПР часового потока X * в соответствую‑ щие часы.

(2)

где

(n1 −1)s12 +(n2 −1)s22 . (n1 −1)+(n2 −1)

s=

(3)

Si2 – ​несмещенная оценка дисперсии, i = 1, 2,

Si =

1 n −1

0,14

30

∑ [x j − X * ]2 .

(4)

j=1

pi*

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 ЭПР, дБ 0

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

Рисунок 2. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов по данным за 1989 г.

vre.instel.ru

19

Радиолокация и радионавигация 0,14

p i*

0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 ЭПР, дБ

0

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

Рисунок 3. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов по данным за 2008 г.

0,12

p i*

0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

ЭПР, дБ 27 29

Рисунок 4. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов по данным за 2010 г.

0,12

p i*

0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

ЭПР, дБ 1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

Рисунок 5. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов по данным за 2012 г.

*

В указанные часы уменьшается величина X на 1,0–1,5 дБ. Плотности распределения ЭПР часо‑ вого потока в 3, 12, 19 часов приведены на рис. 9–11. Анализ показывает, что плотность распреде‑ ления ЭПР часового потока после разрушения КО 20

приобретает двухмодальный характер. При этом второй максимум формируется в области «мало‑ размерных» объектов с ЭПР от 5 до 12 дБ. Расчетные данные для интервалов времени на‑ блюдения фрагментов разрушения (значение t

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация 0,12 pi* 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

ЭПР, дБ 27 29

Величина часового потока КО, шт.

Рисунок 6. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов по данным за 2014 г.

800 600 400 200 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Суточное время, ч До разрушения

После разрушения

Среднее значение ЭПР КО часового потока, дБ

Рисунок 7. Величина часового потока космических объектов Iridium 33 и «Космос‑2251» до и после разрушения

15,50 15,00 14,50 14,00 13,50 13,00 12,50 12,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Суточное время, ч До разрушения

После разрушения

Рисунок 8. Величина среднего значения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов Iridium 33 и «Космос‑2251» до и после разрушения

и значение распределения Стьюдента t* при k для γ = 0,99) приведены в табл. Результаты показывают, что величина t > t*, и тем самым подтверждается факт неслучайного неравенства средних значений ЭПР ча‑ сового потока КО с надежностью вывода γ = 0,99. vre.instel.ru

Заключение Таким образом, предложенный метод позво‑ ляет обнаруживать факт разрушения КО на ор‑ бите по среднему значению ЭПР часового по‑ тока, наблюдаемого РЛС СН, с учетом заданной 21

Эмпирическая частота

Радиолокация и радионавигация

0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

3

5

7

9

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

ЭПР часового потока КО, дБ

Эмпирическая частота

Рисунок 9. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов на 3:00

0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

3

5

7

9

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 ЭПР часового потока КО, дБ

Рисунок 10. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов на 12:00

Эмпирическая частота

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

ЭПР часового потока КО, дБ Рисунок 11. Гистограмма распределения эффективной поверхности рассеяния часового потока космических объектов на 19:00

надежности вывода γ = 0,99. Если для обнару‑ жения факта разрушения КО на орбите сред‑ ствами АСПОС ОКП отводится до 30 суток,

22

то предложенный метод позволяет повысить опе‑ ративность до одного часа при наблюдении одним локатором.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация Таблица. Расчетные данные для интервалов времени наблюдения фрагментов разрушения

n

s2

t*

γ

t

До разрушения КО

538

13,44

2,576

0,99

–

После разрушения, 3.00

581

18,07

2,576

0,99

6,64

После разрушения, 12.00

588

17,53

2,576

0,99

6,84

После разрушения, 19.00

550

16,67

2,576

0,99

7,73

Момент наблюдения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. События в околоземном космическом пространстве. ЦНИИМаш., ЦУП, 2016. Вып. 3 (70). 51 с.

2. Об оценке опасности мелкого космического мусора для космической деятельности и экологии земли / В. В. Адушкин, О. Ю. Аксенов, С. С. Вениаминов, С. И. Козлов // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 3 (100). С. 72–81.

3. Адушкин В. В., Аксенов О. Ю. и др. О популяции мелкого космического мусора, ее влиянии на безопасность космиче‑ ской деятельности и экологию земли // Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы. Сер. «Механика, управление и информатика». М.: ИКИ РАН, 2019. С. 20–32.

4. Назаренко А. И. Моделирование космического мусора. М.: ИКИ РАН, 2013. 216 с.

5. Вениаминов С. С., Червонов А. М. Космический мусор – у ​ гроза человечеству. М.: ИКИ РАН, 2012. 192 с.

6. Бакут П. А., Большаков И. А. и др. Вопросы статистической теории радиолокации. М.: Советское радио, 1963. 467 с.

7. Пустыльник Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. 288 с.

8. Брандт З. Статистические методы анализа наблюдений. М.: Мир, 1975. 372 с.

9. Саврасов Ю. С. Оптимальные решения. М.: Радио и связь, 2000. 152 с.

10. Евстропов Г. А., Хуторовский З. Н. Непревзойденный «Дунай‑3У» [Электронный ресурс] // Журн. ВКО. 2009. № 5.

URL: http://new.vko.ru/oruzhie/neprevzoydennyy-dunay‑3u (дата обращения: 20.05.2020).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Куликов Сергей Валерьевич, к. т. н., Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, e-mail: kulich‑52@mail.ru. Епанешников Николай Михайлович, к. т. н., доцент, ФГКВОУ «Санкт-Петербургский военный институт войск нацио‑ нальной гвардии Российской Федерации», Российская Федерация, 198206, Санкт-Петербург, ул. Летчика Пилютова, д. 1, e-mail: nik_mihel@mail.ru. Лифиренко Виктор Данилович, д. т. н., профессор, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Россий‑ ская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, e-mail: li.victor2013@yandex.ru. Алдохина Виктория Николаевна, к. т. н., доцент, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, e-mail: belvik@list.ru.

For citation: Kulikov S. V., Epaneshnikov N. M., Liferenko V. D., Aldokhina V. N. Detection of fact of destruction of space objects in orbit by non-coordinate information of observed flow. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 17–24.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-17-24 S. V. Kulikov, N. M. Epaneshnikov, V. D. Liferenko, V. N. Aldokhina

DETECTION OF FACT OF DESTRUCTION OF SPACE OBJECTS IN ORBIT BY NONCOORDINATE INFORMATION OF OBSERVED FLOW Cataloging of space objects is performed in the space control system. Destruction of space objects in orbit is established as a result of the discovery of new objects from measurements that have not been identified. Solving the problem can take from several hours to several days. The goal of the work is to increase the efficiency of detecting the fact of destruction by controlling the parameters of the law of distribution of the effective scattering surface of the hourly flow of space objects observed by special-purpose radars. The paper considers the possibility of using non-coordinate information obtained when observing space objects, whose trajectories pass through the visibility zone of a special-purpose radar station at a selected time interval to detect the fact of destruction of space objects in near-Earth space. To solve the problem, it is proposed to compare the average values of the effective scattering surface of the observed objects flow in adjacent time intervals of observation. The results of statistical material processing showed that the proposed method allows to increase the efficiency of detecting the fact of destruction of space objects in orbit by several times with the specified output reliability γ = 0.99.

Keywords: near-Earth space, effective scattering surface, hourly flow of space objects

vre.instel.ru

23

Радиолокация и радионавигация REFERENCES 1. S obytiya v okolozemnom kosmicheskom prostranstve [Accidents in near-Earth space]. TSNIIMash., TSUP, 2016, no. 3 (70), 51 p. (In Russian).

2. Adushkin V. V., Aksenov O. Yu., Veniaminov S. S., Kozlov S. I. On the hazard assessment of small space debris for space activities and the ecology of the Earth. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 3 (100), pp. 72–81. (In Russian).

3. Adushkin V. V., Aksenov O. Yu., et al. On the population of small space debris, its impact on the safety of space activities and the ecology of the earth. Kosmicheskiy musor: fundamentalnyye i prakticheskiye aspekty ugrozy. Moscow, IKI RAS Publ., 2019, pp. 20–32. (In Russian).

4. Nazarenko A. I. Modelirovaniye kosmicheskogo musora [Modeling space debris]. Moscow, IKI RAS Publ., 2013, 216 p.

(In Russian).

5. Veniaminov S. S., Chervonov A. M. Kosmicheskiy musor – ​ugroza chelovechestvu [Space debris – ​a threat to humanity].

Moscow, IKI RAS Publ., 2012, 192 p. (In Russian).

6. Bakut P. A., Bolshakov I. A., et al. Voprosy statisticheskoy teorii radiolokatsii [Questions of the statistical theory of radar].

Moscow, Sovetskoye radio Publ., 1963, 467 p. (In Russian).

7. Pustylnik E. I. Statisticheskiye metody analiza i obrabotki nablyudeniy [Statistical methods of analysis and processing of observations]. Moscow, Nauka Publ., 1968, 288 p. (In Russian).

8. Brandt S. Data analysis. Statistical and computational methods for scientists and engineers. 4th ed. Springer, 2014, 523 p.

9. Savrasov Yu. S. Optimalnyye resheniya [Optimal solutions]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 2000, 152 p. (In Russian).

10. Evstropov G. A., Khutorovsky Z. The unsurpassed «Dunay‑3U». Zhurn. VKO, 2009, no. 5. (In Russian). Available at: http:// new.vko.ru/oruzhie/neprevzoydennyy-dunay‑3u (accessed 20.05.2020).

AUTHORS Kulikov Sergey, Ph. D., Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, e-mail: kulich‑52@mail.ru.

Epaneshnikov Nikolay, Ph. D., associate professor, Saint Petersburg Military Institute of the National Guard of the Russian Federation, 1, L. Pilyutova St., Saint-Petersburg, 198206, Russian Federation, e-mail: nik_mihel@mail.ru.

Liferenko Victor, D. Sc., professor, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, e-mail: li.victor2013@yandex.ru.

Aldokhina Viktoriya, Ph. D., associate professor, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, e-mail: belvik@list.ru.

24

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Балашов Е. В. Анализ влияния угловых эволюций радиолокационного координатора на точность пеленгации // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 25–33.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-25-33 УДК 621.396.96

Е. В. Балашов1 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УГЛОВЫХ ЭВОЛЮЦИЙ РАДИОЛОКАЦИОННОГО КООРДИНАТОРА НА ТОЧНОСТЬ ПЕЛЕНГАЦИИ В статье рассматривается проблема достижения высокой точности измерения угловых параметров лоцируемых объектов малогабаритного радиолокационного координатора (РЛК), подверженного вращению по крену и угловым эволюциям по тангажу и рысканью. Проведен анализ соотношений параметров гармонических процессов вращения и угловых эволюций. По результатам исследования вводится аналитическое описание динамических процессов движения РЛК и, как следствие, равносигнального направления. Подробно рассмотрена методика построения проекций зоны обзора на картинную плоскость и на земную поверхность. Введены аналитические описания матриц поворота и коэффициентов центрального проецирования. Проведен анализ влияния угловых эволюций на работу метода сравнения при коническом сканировании, а также вводится аналитическое описание оказываемого влияния. По результатам исследования сделан вывод, что применение классического подхода при расчете угла пеленга лоцируемого объекта без учета угловых эволюций приводит к значительным ошибкам. Это обстоятельство требует разработки нового метода пеленгации, позволяющего минимизировать погрешность классического подхода. Ключевые слова: пеленгационный метод сравнения, коническое сканирование, угол тангажа, угол рысканья

Введение В статье рассматривается проблема достижения высокой точности измерения угловых параметров объектов с помощью малогабаритного радиолока‑ ционного координатора (РЛК), подверженного вра‑ щению по крену и угловым эволюциям по тангажу и рысканью. Сложность возникает в силу следую‑ щих факторов, которые характерны для РЛК дан‑ ного класса: • из-за наличия малого миделя имеется возмож‑ ность практической реализации только одно‑ канальной РЛ-системы, применение много‑ канального (моноимпульсного) метода в РЛК рассматриваемого класса не представляется возможным; • частоты вращения и угловых эволюций РЛК со‑ поставимы по величине. При жестком креплении радиолокатора появ‑ ляется возможность использовать собственное вращение РЛК для сканирования пространства [1]. Однако тогда угловые эволюции приводят к угло‑ вым колебаниям равносигнального направления (РСН), относительно которого производится от‑ счет углового положения лоцируемого объекта. vre.instel.ru

Это обуславливает появление ошибок при пелен‑ гации объектов и в ряде случаев может сделать ее невозможной. В статье рассматривается РЛК, подверженный вращению по углу крена на траектории. РЛК совер‑ шает сложное движение, состоящее из линейного перемещения, вращения по крену и колебаний по углам тангажа и рысканья. Пеленгация в рассматриваемом случае обеспе‑ чивается методом сравнения при коническом ска‑ нировании. Реализация данного метода на основе одноканального приемо-передающего тракта воз‑ можна при формировании пары диаграмм направ‑ ленности за счет собственного вращения [1]. Суть метода сравнения применительно к рас‑ сматриваемой системе заключается в сопостав‑ лении амплитуд сигналов, соответствующих двум положениям диаграммы направленности антенны (ДНА), разнесенным на 180° по углу крена. Для рассматриваемого РЛК при вращении по крену для каждого угла поворота можно получить симме‑ тричную пару ДНА через половину оборота. Введем понятие «прямого» и «обратного», то есть поверну‑ того на 180° положения ДНА. Равенство амплитуд принимаемых сигналов означает, что направление на источник сигнала 25

Радиолокация и радионавигация 1 Δ

30

0 -30

0,8 60

Направление на цель

РСН

0,6

-60

0,4 0,2 90

-90

0

Рисунок 1. Метод сравнения

совпадает с равносигнальным направлением, кото‑ рое также называют равносигнальной осью. Работа метода иллюстрируется на рис. 1 в азимутальной плоскости. Колебания по углам тангажа и рысканья оказы‑ вают влияние на процесс пеленгации. Рассмотрим характер оказываемого влияния. Анализ соотношений параметров гармонических процессов вращения и угловых эволюций На практике существует два наиболее вероят‑ ных случая: частота вращения по углу крена суще‑ ственно больше, чем частота угловых эволюций; указанные частоты сопоставимы. Первый случай не вызывает сложности и описан в литературе [1]. Более подробного рассмотрения заслуживает второй случай, когда частоты соб‑ ственного вращения и паразитных эволюций сопо‑ ставимы по величинам. Проанализируем соотношение параметров гар‑ монических процессов вращения и угловых эволю‑ ций с целью определения возможности и метода коррекции. Рассмотрим общий случай, когда изменение каждого из курсовых углов представляет собой независимый процесс. При этом изменение угла крена γ описывается уравнением равномерного вращательного движения, а изменение тангажа θ и рысканья ψ как ортогональных составляющих пространственного гармонического процесса – уравнением гармонического колебательного про‑ цесса. В таком случае все значения углов можно описать следующими уравнениями:

по тангажу; ψA – амплитуда колебаний по рыска‑ нью; ωγ/θ/ψ – угловая скорость изменения соответ‑ ственно угла крена/тангажа/рысканья; jγ/θ/ψ – на‑ чальная фаза угла крена/тангажа/рысканья. Для лучшего понимания процесса сканирова‑ ния пространства РЛК при наличии угловых эволю‑ ций необходимо рассмотреть траекторию движения РСН, которая совпадает с осью симметрии антенного устройства (АУ), параллельной нормали к апертуре. Рассмотрим !траекторию движения точки, полу‑ ченной путем пересечения РСН и картинной плоско‑ сти. Положение этой точки задается двумя углами: рысканья и тангажа, соответственно, поведение которых описывается гармоническими функциями. Колебания происходят в двух взаимно перпендику‑ лярных плоскостях. Таким образом, траектория проекции РСН опи‑ сывается фигурами Лиссажу, вид которых зави‑ сит от соотношения частот ωθ/ωψ и разности фаз δj = jθ – jψ. Учитывая, что работа РЛК на пикиру‑ ющей траектории происходит в течение несколь‑ ких секунд, все гармонические процессы можно считать полностью детерминированными. Рассмотрим несколько примеров возможных траекторий движения РСН (рис. 2). Наибольший интерес вызывает случай, который наиболее часто встречается на практике, когда ча‑ стоты колебаний совпадают ωθ/ωψ = 1, а разность фаз δj = p/2. Введем обозначение ωA = ωθ = ωψ и рассмотрим разные случаи соотношения частот угловых эволюций и вращения по крену. Покажем, что существует такое соотношение частот, при ко‑ тором выполняются следующие условия:

(4)

где n – целое нечетное число. Раскроем формулы системы уравнений (4) от‑ носительно параметра времени для двух моментов времени t1 и t2. Для упрощения будем считать, что эволюции происходят только в одной из плоско‑ стей. Тогда система примет вид

,

(2)

,

(3)

где n – любое целое число. Производим замену , где δt – промежу‑ ток времени между моментами t1 и t2, тогда:

где γ – мгновенное значение угла крена; θ – мгно‑ венное значение угла тангажа; ψ – мгновенное значение угла рысканья; θA – амплитуда колебаний 26

(5)

(1)

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

(6)

Радиолокация и радионавигация

0 -1 -1 0 1 θ, град.

1 0 -1 -1 0 1 θ, град.

1 0 -1 -1 0 1 θ, град.

1 0

1 0 -1 -1

-1 -1 0 1 θ, град.

0 1 θ, град.

0 -1 -1

0 1 θ, град.

1 0

1 0 -1 -1 0 1 θ, град.

ψ, град.

ψ, град. ψ, град.

1 0

0 1 θ, град.

1 0 -1 -1

1 0

0 0 1 θ, град.

0 -1 -1 0 1 θ, град.

1 0 -1 -1 0 1 θ, град.

0 1 θ, град.

1

-1 -1

-1 -1 0 1 θ, град.

1

0 -1 -1

0

-1 -1 0 1 θ, град.

0 1 θ, град. ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

0 1 θ, град.

1

0

0 1 θ, град.

1 ψ, град.

-1 -1

ψ, град.

ψ, град.

0

-1 -1

-1 -1

1 ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

0 -1 -1 0 1 θ, град.

0 1 θ, град.

1

0

1

0

ψ, град.

0

0

-1 -1 0 1 θ, град.

ψ, град.

1

1

-1 -1

ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

0 1 θ, град. ψ, град.

ψ, град. ψ, град.

ψ, град. ψ, град.

0

-1 -1

0

1

ψ, град.

1

0

1

-1 -1 0 1 θ, град. ψ, град.

δϕ = 180º

ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

1

0

ωθ/ωψ = 4/5

1

ψ, град.

0

-1 -1 0 1 θ, град.

ωθ/ωψ = 3/5

1

ψ, град.

1

ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

0

-1 -1 0 1 θ, град.

1

ψ, град.

ψ, град. ψ, град.

δϕ = 135º

0

0 -1 -1 0 1 θ, град.

1 δϕ = 90º

1

ωθ/ωψ = 3/4

1

ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

ψ, град.

0

0

ψ, град.

1

ωθ/ωψ = 2/5

1

ψ, град.

-1 -1 0 1 θ, град.

ψ, град.

0

1

ψ, град.

δϕ = 45º

ψ, град.

δϕ = 0º

ψ, град.

1

ωθ/ωψ = 1/2

ψ, град.

ωθ/ωψ = 2/3

ψ, град.

ωθ/ωψ = 0

1 0 -1 -1 0 1 θ, град.

Рисунок 2. Возможные траектории движения равносигнального направления

Так как синус – периодическая функция, то зна‑ чения будут полностью совпадать через период:

(7)

где k – любое целое число. Разделив одно уравнение на другое, получим простое соотношение: .

(8)

Легко показать, что в случае ωθ ≠ ωψ достаточным условием для идеального совмещения диаграмм через n полупериодов вращения по крену является

(9)

где n – целое нечетное; kθ, kψ – любое целое число.

vre.instel.ru

Из полученных соотношений можно сделать сле‑ дующие выводы: • условие совмещения «прямого» и «обратного» положений ДНА не зависит от начальной фазы и амплитуды процессов; • условие совмещения «прямого» и «обратного» положений ДНА не зависит от траектории дви‑ жения проекции центра по поверхности; • для идеального совмещения «прямого» и «об‑ ратного» положений ДНА через n полупериодов вращения по крену необходимо, чтобы частоты относились друг к другу как нечетное к четному; • минимальное значение фазы по крену при сме‑ щении, на которой происходит совмещение «пря‑ мого» и «обратного» положений ДНА, равно pn; • при равенстве частот совмещение диаграмм, повернутых на 180°, невозможно. Влияние угловых эволюций на работу метода сравнения при коническом сканировании Суть паразитного влияния угловых эволюций на работу метода сравнения при коническом скани‑ ровании заключается в несовмещении «прямого»

27

Радиолокация и радионавигация и «обратного» положений ДНА, а именно – в слож‑ ности определения РСН. На основании полученных выше выводов можно предложить простой путь, как обеспечить выполне‑ ние условия совмещения «прямого» и «обратного» положений ДНА. Он заключается в том, что для формирования разностной диаграммы необходимо использовать пару диаграмм, удовлетворяющих ус‑ ловию (8). Однако в реальных условиях отношение ωγ/ωA может принимать фактически случайное зна‑ чение и обеспечить стабильное выполнение усло‑ вия (8) невозможно. Рассмотрим этот вопрос более детально. При рассмотрении процесса угловых эволюций будем принимать, что частоты и амплитуды колеба‑ ний по тангажу и рысканью совпадают, ωA = ωθ = ωψ, A = Aθ = Aψ, разность фаз δj = p/2 [2]. Рассмотрим пеленгационный метод сравнения при коническом сканировании. Реализация данного метода на основе одноканального приемо-переда‑ ющего тракта возможна при формировании пары диаграмм направленности за счет собственного вращения и применения специально оптимизиро‑ ванной ДНА, обеспечивающей возможность фор‑ мирования разностной диаграммы при повороте на 180° по крену [3]. В качестве аналитического описания формы ДНА воспользуемся часто используемой в теории и на практике Гауссовой моделью [5] (рис. 3):

,

(10)

где θ – угол пеленга; θ0 – смещение максимума ДНА относительно РСН; θ0,5 – ширина ДНА на уровне по‑ ловинной мощности.

На рис. 4 представлена нормированная раз‑ ностная диаграмма F(θ), полученная для пары диа‑ грамм, повернутых по углу крена друг относительно друга на 180°: ,

(11)

где G0(θ) – «прямое» положение ДНА; G180(θ) – «об‑ ратное» положение ДНА. Для формирования оценки угла пеленга в клас‑ сической теории необходимо получить сигнал рассогласования, который описывается выраже‑ нием (11), и с помощью обратной функции к пелен‑ гационной характеристике рассчитать значение угла пеленга лоцируемого объекта. Предполага‑ ется, что пеленгационная характеристика для лю‑ бой пары диаграмм, повернутых друг относительно друга, будет одинаковой. В условиях, когда угло‑ вые эволюции отсутствуют или их частота суще‑ ственно меньше частоты вращения по крену, это действительно так. В случае когда частоты угло‑ вых эволюций и вращения по крену сопоставимы, необходимо рассматривать суперпозицию двух процессов: угловых колебаний, которые приводят к изменению положения РСН, и собственного вра‑ щения, которое приводит к вращению ДНА относи‑ тельно РСН [3]. Для более наглядного представления рассмо‑ трим вид проекций ДНА «прямого» и «обратного» положений на картинную плоскость, для чего про‑ ведем ряд преобразований. Воспользуемся пространственным представле‑ нием зоны обзора (ЗО) в виде эллиптического ко‑ нуса. Эллиптическое сечение обусловлено разной шириной ДНА во взаимно перпендикулярных пло‑ скостях.

0

1 0,8

-5

0,6 0,4

-10 F(θ)

G(θ), дБ

0,2

-15

0 -0,2 -0,4

-20

-0,6 -0,8

-25 -15

-10

-5

0 θ, град.

5

10

15

Рисунок 3. Вид диаграммы направленности антенны, аппроксимированной кривой Гаусса при θ0 = 8°; θ0,5 = 8°

28

-1 -15

-10

-5

0 θ, град.

5

10

15

Рисунок 4. График нормированной разностной диаграммы направленности антенны

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация Рассмотрим стереометрические преобразова‑ ния, позволяющие построить проекцию ЗО на зем‑ ную поверхность и на картинную плоскость в за‑ висимости от положения РЛК. Исходные данные: Rt – текущая дальность до точки наведения (ТН); α – угол атаки; β – угол подхода; γ – угол крена; θ – угол тангажа; ψ – угол рысканья. Параметрическое уравнение поперечного сече‑ ния эллиптического конуса на расстоянии Rt от вер‑ шины будет иметь вид:

Y C β D

O

A1

A

A2

X

Рисунок 5. Геометрия наблюдения объекта в плоскости XOY

(12)

где ζ – параметр, задаваемый вектор-строкой в пределах [0, 360] c некоторым шагом; E – единич‑ ная матрица размерностью, совпадающей с ζ. Переход к инерциальной системе координат (СК) осуществляется с помощью уравнения:

(13)

где M – матрица поворота; Mx, My, Mz – матрицы по‑ ворота вокруг осей OX, OY, OZ соответственно. Перенос начала координат из центра масс (ЦМ) в точку, соответствующую проекции ЦМ на поверх‑ ность Земли:

(14)

На рис. 5. представлена геометрия наблюдения объекта в плоскости XOY. Здесь D – прямая даль‑ ность до цели; пунктиром обозначены расстояния до ближней (CA1) и дальней (CA2) границ ЗО; β – угол подхода к объекту. Введем СК. Для этого на расстоянии прямой дальности от ЦМ, вдоль продольной оси, в направ‑ лении распространения ЭМ-волн, расположим пло‑ скость, перпендикулярную продольной оси изде‑ лия, – картинную плоскость. Ось X образуем путем пересечения картинной плоскости и плоскости спе‑ циальной формы ДНА, ось Y – путем пересечения картинной плоскости и плоскости остронаправлен‑ ного излучения ДНА. В итоге получаем систему ко‑ ординат в картинной плоскости OkXkYkZk. Чтобы получить аналитическое описание про‑ екции ЗО на земную поверхность, необходимо по‑ строить эллипс в системе координат картинной плоскости с углами раскрыва (ηE и ηН) и применить к нему аффинные преобразования для поворота на угол крена γ, угол подхода к цели β с учетом угла тангажа θ, угол рысканья ψ, а также по линейному смещению. Для преобразований необходимо использовать матрицы поворота:

Проекция точек эллипса на плоскость XOY земной СК с центром проекции в точке с координатами ЦМ:

где

(15)

–

матрица поворота вокруг оси X,

– вектор-строка параметров, вычисляемых

для каждой точки эллипса; * – оператор поэлемент‑ ного умножения матриц. Переход к земной СК с центром в точке с ко‑ ординатами проекции ЦМ на земную поверхность в момент включения РЛК:

–

матрица поворота вокруг оси Y,

–

vre.instel.ru

(16)

матрица поворота вокруг оси Z. 29

Радиолокация и радионавигация После проведенных преобразований будут полу‑ чены координаты точек зоны обзора в земной СК. Для того чтобы получить координаты точек ЗО на поверхности Земли, необходимо произвести цен‑ тральное проецирование полученных точек. В ка‑ честве центра проецирования (xs, ys, zs) используем координаты центра масс изделия (0, 0, D*sin(β)). Коэффициент, используемый для проецирова‑ ния, рассчитывается по следующей формуле:

Все точки фигуры, которой принадлежат точки A1 и A2, лежат в плоскости XOZ земной СК. Эта фи‑ гура и есть проекция ЗО («след» ДНА) на местно‑ сти. Эллипс и принадлежащие ему точки AK1 и AK2 лежат в картинной плоскости. Здесь точка C – координаты ЦМ и, соответ‑ ственно, центральная точка проецирования; точка A – центр эллипса в картинной плоскости (проек‑ ция этой точки имеет те же координаты, что и сама точка). Пунктиром выделены проецирующие лучи. На рис. 7 представлен вид проекций на плоско‑ сти XOY, XOZ, YOZ земной СК. Из инерциальной навигационной системы но‑ сителя поступает информация о проекциях углов рысканья, тангажа и крена изделия в наклонной СК. Эта СК определена следующим образом. Центр OH – положение ЦМ в момент захвата РЛК объекта; ось OHXH направлена по линии «носитель – объект»; ось OHYH направлена перпендикулярно оси OHXH в вертикальной плоскости; ось OHZH на‑ правлена перпендикулярно осям OHXH и OHYH и со‑ ставляет с ними правую СК. Проекции зон обзора на земную поверхность для «прямого» и «обратного» положений ДНА пред‑ ставлены на рис. 8. При построении использова‑ лись типовые параметры движения (табл.). На рис. 8 сплошной линией обозначена зона обзора, соответствующая «прямому» положению ДНА, пунктиром – «обратному». Кружками обо‑ значены точки пересечения РСН и плоскости про‑ екции, соответствующие «прямому» и «обрат‑ ному» положениям. Звездочкой обозначена точка,

(17)

На рис. 6 рассмотрена геометрия наблюдения объекта в земной СК.

1000 500 0 -500 500

Y C

AK2

O 0 -500

Z

0

A1

500

X

A2

A AK1

2000

1500

1000

3000

2500

Рисунок 6. Геометрия наблюдения объекта в земной системе координат

1000 Y

Y

1000

C

C 500 A1

0 -500

500

AK2

A2

A

X

0

AK1 0

500

500 400 300 200 100 C 0 -100 -200 -300 -400 -500

Z

1000

1500

2000

2500

A1 AK1

-500 -500

3000

а)

500

A2

A A1 500

0

Z

б) AK2

0

A

AK2 A2

X

AK1 1000

1050

2000

2500

3000

в)

Рисунок 7. Вид проекций зоны обзора в земной системе координат на плоскость: а – XOY; б – YOZ; в – XOZ 30

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация

600 400 200 Z, м

0

*

-200 -400 -600 0

500

1000

1500 X, м

2000

2500

3000

Рисунок 8. Рассогласование зон обзора радиолокационного координатора на местности при «прямом» и «обратном» положении диаграммы направленности антенны в условиях угловых эволюций

относительно которой происходят угловые эволю‑ ции РСН. Хорошо видно, что наличие угловых эво‑ люций приводит к несовмещению пары проекций ЗО, соответствующему факту несоответствия диа‑ грамм направленности, что, в свою очередь, при‑ водит к ошибкам пеленгации при использовании в РЛК классического метода сравнения. Сравним получаемые отклики и суммарно-раз‑ ностные диаграммы при наличии угловых эволюций и их отсутствии. В качестве параметров движения

используем значения, представленные в табл. Для более наглядного представления будем рассматри‑ вать двумерные проекции ДНА в пределах одного дискрета дальности. Далее приведены примеры проекции зон обзора и дискрета дальности, а также графики мощности отраженного сигнала (в пределах дискрета дально‑ сти) при отсутствии (рис. 9) и в условиях (рис. 10) угловых эволюций. Из рис. 9 и 10 видно, что при отсутствии угловых эволюций ДНА «прямого» и «обратного» хода сим‑ метричны относительно оси ординат. Угловые эво‑ люции приводят к изменению вида проекции ДНА, что существенно нарушает симметрию [4]. Очевидно, что нормированные разностные диа‑ граммы в двух рассмотренных случаях будут также существенно отличаться, что приведет к искаже‑ нию пеленгационных характеристик (ПХ) и появле‑ нию угловой погрешности. На рис. 11 показаны примеры огибающих сиг‑ нала в пределах дискрета дальности, на рис. 12 – построенные на их основании ПХ. Результаты, представленные на рис. 11 и 12, имеют частный характер, так как получены для конкретной пары диаграмм при выбранных пара‑ метрах движения. При изменении любого из пара‑ метров движения, выборе другой пары диаграмм результат может отличаться, однако, существо негативного влияния угловых эволюций РСН оста‑ нется прежним.

Таблица. Типовые значения параметров движения

Параметр

Значение

Угловая скорость вращения по крену ωγ, рад/с

6p

Амплитуда колебаний по углу тангажа А, град.

2

Угловая частота колебаний по углу тангажа ωА, рад/с

4p

600 400 0

G(Δ)

Z, м

200 -200 -400 -600 0

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -30

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 X, м

а)

-20

-10

0 Δ, град.

10

20

30

б)

Рисунок 9. Проекции зон обзора и дискрета дальности (а) и мощность отраженного сигнала (в пределах дискрета дальности) (б) в условиях без угловых эволюций

vre.instel.ru

31

Радиолокация и радионавигация 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -30

600 400 Z, м

200

G(Δ)

0

-200 -400 -600 0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 X, м

-20

-10

0 Δ, град.

10

20

30

а) б) Рисунок 10. Проекции зон обзора и дискрета дальности (а) и мощность отраженного сигнала (в пределах дискрета дальности) (б) в условиях эволюций по углам тангажа (Аθ = 2°, f0 = 2 Гц) и рысканья (Аψ = 2°, fψ = 2 Гц) 1

0,9

1

«Обратное» положение «Прямое» положение

0,9

0,8

«Обратное» положение «Прямое» положение

0,8

0,7

0,7

0,6

0,6

0,5

G(Δ)

G(Δ)

0,5

0,4

0,4

0,3

0,3

0,2

0,2

0,1

0 -40 -30 -20 -10

0,1

0 -40 -30 -20 -10

0 10 20 30 40 Δ, град.

а)

0 10 20 30 40 Δ, град.

б)

Рисунок 11. Огибающие сигнала в пределах дискрета дальности: а – при отсутствии угловых эволюций; б – в условиях угловых эволюций 1

В условиях угловых эволюций Без угловых эволюций

0,5 F(Δ)

0 -0,5 -1 -50

-40

-30

-20

-10 0 Δ, град.

10

20

30

40

Рисунок 12. Пеленгационные характеристики, построенные на основании огибающих сигнала в пределах дискрета дальности

Заключение Анализ графиков, представленных на рис. 8, позволяет сделать вывод, что применение клас‑ сического подхода при расчете угла пеленга ло‑ цируемого объекта приведет к значительным ошибкам (в рассматриваемом случае ошибка может достигать 4°). Таким образом, достижение высокой точности измерения угловых параметров объектов малогабаритных РЛК, подверженных вращению по углу крена и угловым эволюциям по тангажу и рысканью, сопровождается необ‑ ходимостью разработки метода, учитывающего влияние угловых эволюций и позволяющего ми‑ нимизировать методическую погрешность клас‑ сического подхода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гуткин Л. С. Принципы радиоуправления беспилотными объектами. М.: Сов. радио, 1959. 384 с.

2. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2004. 320 с.

3. Павлов В. С., Блудов А. А., Балашов Е. В. Анализ пеленгационного метода конического сканирования в условиях угловых эволюций равносигнального направления // Радиопромышленность. 2017. № 1. С. 37–43.

4. Ахияров В. В., Нефедов С. И., Николаев А. И. и др. Радиолокационные системы. 2-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 2018. 349 с.

5. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. М.: Сов. радио, 1976. 392 с.

32

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Радиолокация и радионавигация ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Балашов Егор Владимирович, аспирант, инженер 1-й категории, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (964) 380-59-86, e-mail: balashov_ev@radar-mms.com.

For citation: Balashov E. V. Analysis of influence of angular changes of radar coordinator for direction-finding accuracy. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 25–33.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-25-33

E. V. Balashov

ANALYSIS OF INFLUENCE OF ANGULAR CHANGES OF RADAR COORDINATOR FOR DIRECTION-FINDING ACCURACY The article deals with the problem of achieving high requirements for the accuracy of measurements of angular parameters of located objects of small-sized radar, subject to rotation roll and angular evolutions in pitch and yaw. In the first place, in the study the analysis of correlations of parameters of harmonic processes of rotation and angular motion. Based on the results of which an analytical description of the dynamic processes of movement and as a consequence of the equal direction is introduced. The methodology for constructing the projection of the viewing zone on the picture plane and on the earth’s surface is considered in detail/ Analytical descriptions of rotation matrices and central projection coefficients are introduced. The analysis of the influence of angular evolutions on the operation of the comparison method for conical scanning is performed, and an analytical description of the influence is introduced. According to the results of the study, it is concluded that the application of the classical approach to calculating the bearing angle of the located object without taking into account angular evolutions leads to significant errors. This circumstance requires the development of a new method of direction finding that allows you to minimize.

Keywords: direction-finding comparison method, conical scanning, pitch angle, yaw angle

REFERENCES 1. Gutkin L. S. Printsipy radioupravleniya bespilotnymi obyektami [Principles of radio control of unmanned objects]. Moscow, Sov. Radio Publ., 1959, 384 p. (In Russian).

2. Bakulev P. A. Radiolokatsionnyye sistemy [Radar systems]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2004, 320 p. (In Russian).

3. Pavlov V. S., Bludov A. A., Balashov E. V. Analysis of range measurement method of conical scanning in conditions of boresight angle stepping. Radio industry (Russia), 2017, no. 1, pp. 37–43. (In Russian).

4. Akhiyarov V. V., Nefedov S. I., Nikolaev A. I., et al. Radiolokatsionnyye sistemy [Radar systems]. 2nd ed. Moscow, BMSTU Publ., 2018, 349 p. (In Russian).

5. Barton D. K., Ward H. R. Handbook of radar measurement. Artech, 1984, 448 p.

AUTHOR Balashov Egor, postgraduate, engineer of 1 category, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (964) 380-59-86, e-mail: balashov_ev@radar-mms.com.

vre.instel.ru

33

Проектирование устройств Для цитирования: Соболев Е. А., Коновалова В. С. Модернизация систем автоматизированного проектирования печатных плат с помощью внедрения дополнительного функционала // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 34–39.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-34-39 УДК 004.416.6

Е. А. Соболев1, 2, В. С. Коновалова1, 2 1 АО

«Научно-производственное предприятие «Радар ммс», университет ИТМО

2

Национальный исследовательский

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПОМОЩЬЮ ВНЕДРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ФУНКЦИОНАЛА Рассмотрена возможность внедрения дополнительного функционала в системы автоматизированного проектирования (САПР) печатных плат (ПП). Для этого были рассмотрены две принципиально отличающиеся САПР: Xpedition Enterprise и Altium Designer. Каждая из рассмотренных САПР обладает своими преимуществами и недостатками. Первая имеет сложный интерфейс и разветвленную структуру программы, но при этом предоставляет пользователю практически неограниченные возможности в проектировании ПП. Вторая обладает понятным интерфейсом и простой структурой программы, однако имеет ограничения при разработке сложных проектов. При этом в обеих САПР существует возможность внедрения дополнительного функционала путем написания новых сценариев на языке программирования. В статье описано использование внутренней среды разработки в САПР Xpedition Enterprise. На языке VBScript написан скрипт, выполняющий подсчет переходных отверстий в проекте ПП. Создание новых сценариев в САПР позволяет во многом упростить работу инженеров-топологов и ускорить разработку проектов ПП. Ключевые слова: САПР, программирование, скрипты

Введение В настоящее время существует множе‑ ство САПР, имеющих различное применение: 3D-моделирование, конструирование, проектиро‑ вание ПП [1]. Во многих подобных системах реали‑ зована возможность добавления дополнительного функционала, так или иначе облегчающего работу в ней. Подобный функционал может быть реали‑ зован пользователями самостоятельно на одном из современных языков программирования. Ра‑ бота по внедрению дополнительного функционала в САПР проводится в рамках создания проектов ПП. На рынке представлен широкий выбор САПР, позволяющих спроектировать ПП любой слож‑ ности. Все они имеют как различия в интерфейсе и возможностях, так и общие черты. В «продвину‑ тых» САПР реализована возможность введения дополнительного функционала, используя сред‑ ства программирования и создания скриптов. Наи‑ более востребованными из них являются Xpedition Enterprise и Altium Designer, основные особенности которых рассмотрены далее.

34

САПР Xpedition Enterprise Пакет программ Xpedition Enterprise – ​это инно‑ вационная САПР, использующаяся в крупном про‑ изводстве [2]. Данная САПР реализована в виде нескольких программ, каждая из которых имеет различное назначение и отвечает за конкретную область проектирования ПП, однако, все они свя‑ заны между собой общим проектом. В программе Cell Editor создаются символы элементов для прин‑ ципиальной электрической схемы (ПЭС), посадоч‑ ных мест на ПП и связей между ними. В Xpedition Designer создаются ПЭС. Также в состав САПР входит программа Xpedition Layout, реализующая трассировку проекта ПП, интерфейс которой пред‑ ставлен на рис. 1. Справа располагается меню Display control, ко‑ торое позволяет настраивать отображение слоев ПП и элементов на плате. Сверху – ​панель инстру‑ ментов для проектирования ПП, среди которых есть панель перехода в разные режимы работы. Всего в программе предусмотрено четыре режима работы:

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Проектирование устройств

Рисунок 1. Интерфейс Xpedition Layout

Рисунок 2. Меню режимов работы в Xpedition Layout

• Select Mode, позволяющий выделять объекты разных типов и вносить изменения в ряд их свойств; • Place Mode для изменения положения компонен‑ тов на плате; • Route Mode для прокладки проводников; • Draw Mode для изменения контура платы, по‑ зиционных обозначений компонентов и вставки текста на плату. Каждый из режимов выбирается при нажатии соответствующих команд на панели инструментов (рис. 2). В центре экрана располагается основная рабо‑ чая область, в которой изображен начальный кон‑ тур платы (внешний контур) и контур границы трас‑ сировки (внутренний контур). Работа над проектом ПП всегда начинается с изменения этих границ. Габариты ПП определяются в соответствии с техни‑ ческим заданием. Компоненты размещаются на ПП при помощи меню Component Explorer, в котором представлены структура проекта и входящие в нее компоненты. Связь с ПЭС осуществляется при создании про‑ екта ПП в Xpedition Layout – ​в специальном окне ука‑ зывается путь к файлу ПЭС, после чего автомати‑ чески происходит аннотация проекта, т. е. перенос информации о любых изменениях ПЭС в проект ПП vre.instel.ru

(например, изменение связей, компонентов и т. д.). Если в схеме произошли какие-либо изменения, это будет сразу видно по значку «светофора», распо‑ ложенного в правом нижнем углу экрана. Если все индикаторы горят зеленым цветом, значит, плата синхронизирована со схемой, если присутствуют желтые или красные цвета – ​в схеме произошли изменения, которые требуется перенести в плату (сделать аннотацию).

Xpedition Enterprise имеет сложный интерфейс и огромное количество разнообразных команд, что, естественно, усложняет задачу освоения дан‑ ной САПР начинающими пользователями. Однако Xpedition Enterprise позволяет гибко настраивать проект ПП и реализовывать сложные и интересные проекты. САПР Altium Designer Altium Designer является комплексной системой проектирования и в отличие от Xpedition Enterprise имеет общую структуру проекта, т. е. один проект включает в себя ПЭС, ПП и библиотеку символов и посадочных мест [3]. Данная САПР имеет инту‑ итивно понятный интерфейс (рис. 3), что является немаловажным для начинающих топологов. В центре экрана расположена рабочая область программы, в которой создаются принципиальные электрические схемы и посадочные места (ПМ), ри‑ суются символы и трассируются ПП. В левой части экрана отображается структура проекта. Проект состоит из нескольких папок: Source documents –​ листы принципиальной электрической схемы про‑ екта и проект с трассировкой ПП; Libraries содер‑ жит в себе файлы библиотеки посадочных мест и символов (PCB Library Documents и Schematic Library Documents соответственно). Над панелью с открытыми документами располагается панель 35

Проектирование устройств

Рисунок 3. Интерфейс Altium Designer: 1 – ​структура проекта; 2 – ​панель с открытыми документами

инструментов, используемых для редактирования документов. В Altium Designer нет режимов работы, все изменения вносятся в реальном времени. Если курсор направлен на компонент, то при нажатии левой кнопки мыши его можно перемещать, если курсор указывает на проводник, то при нажатии клавиши он будет изменен. Для удобства работы в данной САПР есть система «горячих клавиш», благодаря которой можно быстро получить доступ к требуемым операциям. Кроме того, в Altium Designer реализована воз‑ можность проектирования ПЭС, в которых есть несколько повторяющихся узлов или составных частей. Такие схемы принято называть мультика‑ нальными (Multi-Channel). В Altium Designer есть специальные инструменты, позволяющие быстро создавать подобные схемы, что дает возможность преобразовать структуру проекта в иерархическую. В иерархических проектах есть два типа листов: главный лист определяет функциональные связи между компонентами, в побочном листе прово‑ дятся реальные связи между компонентами. Для простоты представления главный лист можно пред‑ ставить в виде так называемого «черного ящика», а в побочный вынести его содержимое. При этом побочный лист может быть размножен с помощью специальных ключевых слов. В САПР Xpedition Enterprise не реализована подобная возможность, в связи с чем проектирование подобных ПЭС зани‑ мает много времени и требует создания большого количества листов для схемы вручную. Несмотря на ряд преимуществ Altium Designer, система обратной аннотации проекта ПП (пере‑ нос изменений в ПЭС из проекта ПП) в данной САПР работает с ошибками. Обратная аннотация применяется при проектировании сложных ПП 36

с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). В Xpedition Enterprise данная система работает более стабильно. Общей для обеих САПР является возможность создания дополнительного функционала, исполь‑ зуя современные языки программирования. Внедрение дополнительного функционала в САПР Дополнительный функционал может быть вне‑ дрен в САПР двумя способами. Первый предпола‑ гает использование внутренних сред разработки, интегрированных в САПР. В этом случае пользо‑ ватель обычно ограничен в выборе языков про‑ граммирования. Второй способ предоставляет пользователю больше возможностей реализации на различных языках программирования, но тре‑ бует наличия дополнительных сред разработки. Очевидно, что для внедрения дополнительного функционала практичнее использовать первый способ, поскольку он не требует затрат на поиск и установку дополнительного программного обе‑ спечения. Немаловажно, что языки программиро‑ вания, используемые в подобных средах разра‑ ботки, просты для освоения. Внутренняя среда разработки САПР Xpedition Enterprise поддерживает два языка программиро‑ вания: Jscript и VBScript. Начинающим программи‑ стам рекомендуется выполнять создание сценариев на языке VBScript, поскольку он прост в освоении и обладает простым синтаксисом [4]. На рис. 4 представлен интерфейс среды разработки САПР. В верхней части располагается основная па‑ нель инструментов, ниже – ​команды Run Form, Stop Form и View Script соответственно. Команда Run Form запускает скрипт, Stop Form – ​останавливает

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Проектирование устройств

Начало

Получение доступа к классу отверстий (VIA) через приложение (Xpedition) и открытый проект ПП

Информация о переходных отверстиях в проекте ПП

Да

Выполнить подсчет всех отверстий?

Выполнить операцию подсчета переходных отверстий (Count vias)

Нет

Выделение с помощью мыши области, в которой нужно выполнить операцию подсчета переходных отверстий Выполнить операцию подсчета переходных отверстий (Count vias)

Вывод результата подсчета на экран

Рисунок 4. Интерфейс среды разработки Конец

Рисунок 6. Блок-схема алгоритма работы программы по подсчету переходных отверстий в проекте печатной платы

Application Document Components Pins

Etc.

Nets Vias

Etc.

Рисунок 5. Иерархическая структура САПР Xpedition Enterprise

выполнение программы, а View Script осуществляет переключение между режимами графического ото‑ бражения скрипта и текстовым редактором кода. Справа расположена панель инструментов для редактирования графического отображения ин‑ терфейса скрипта. Внутренняя среда разработки позволяет создавать сложные скрипты, имеющие свой собственный интерфейс с набором кнопок, ко‑ торым можно присваивать назначение. В качестве примера работы во внутренней среде разработки рассмотрим задачу создания сценария по подсчету количества переходных отверстий, ис‑ пользуемых в проекте ПП [5]. При создании любого сценария сперва необхо‑ димо представить структуру будущей программы и последовательность выполняемых ею действий. Наиболее удобным является вариант представления алгоритма работы программы в виде блок-схемы. Сначала программа должна получить доступ к проекту ПП. САПР Xpedition Enterprise имеет ие‑ рархическую структуру, представленную на рис. 5. Ее возглавляет приложение (Application), в котором vre.instel.ru

и происходят манипуляции с объектами. Ниже пред‑ ставлен проект ПП (Document), непосредственно связанный с объектами управления: Components (электронные компоненты ПП) и Nets (цепи), каж‑ дый из которых разделяется на меньшие объекты. Для реализации подсчета переходных отверстий производится обращение к объектам Vias. Если число переходных отверстий необходимо опреде‑ лить лишь на конкретном участке ПП, то при помощи мыши выделяется нужный участок, после чего про‑ изводится подсчет. Результат подсчета выводится на экран, и программа завершает свою работу. Блоксхема данного алгоритма представлена на рис. 6. Алгоритм реализован на языке VBScript. Для удобства использования разработан интерфейс программы, в котором имеется три кнопки (рис. 7). Нажатие Count All запускает подсчет всех пере‑ ходных отверстий, использованных в проекте ПП, Count Selected выполняет подсчет переходных от‑ верстий в выделенной области, Cancel прекращает выполнение скрипта. Результат подсчета отверстий в выделенной области представлен на рис. 7. Данный скрипт является полезным при разра‑ ботке конструкторской документации (КД) на фи‑ нальных этапах проектирования ПП, когда в до‑ кументацию вносится информация о количестве отверстий в ПП или для контроля количества пере‑ ходных отверстий, если на него имеются ограни‑ чения. Скрипт может быть модернизирован для 37

Проектирование устройств

Рисунок 7. Результат выполнения программы по подсчету выделенных переходных отверстий

вычисления количества и других объектов – ​доста‑ точно изменить несколько строк в коде. Заключение САПР Xpedition Enterprise имеет более сложный интерфейс, чем Altium Designer, однако, в Xpedition Enterprise реализована стабильная работа при про‑ ведении обратной аннотации проектов ПП, что критично при разработке сложных проектов с ис‑ пользованием ПЛИС. Обе САПР имеют внутрен‑ ние среды разработки, позволяющие создавать скрипты без наличия специализированного ПО.

В статье рассмотрен дополнительный сценарий, написанный на языке VBScript, который выполняет подсчет использованных переходных отверстий в проекте ПП. Данный скрипт может быть полезен на финальных этапах проектирования ПП при со‑ ставлении КД. Аналогичным образом можно разработать сцена‑ рии для внедрения функционала, которого нет в ис‑ пользуемой САПР, но который реализован в другой. Внедрение дополнительного функционала позво‑ ляет не только гибко настроить САПР, но и ускорить работу инженеров-топологов над проектами ПП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абрамов А. Автоматизированное проектирование радиоэлектронной аппаратуры [Электронный ресурс]. URL: https:// habr.com/ru/post/439572 (дата обращения: 28.04.2020).

2. Документация Xpedition Enterprise [Электронный ресурс]. URL: https://www.mentor.com/pcb/xpedition (дата обраще‑ ния: 28.04.2020).

3. Документация Altium Designer [Электронный ресурс]. URL: https://www.altium.com/ru/documentation/altium-designer (дата обращения: 28.04.2020).

4. Дунаев В. Основы VBScript [Электронный ресурс]. URL: https://docplayer.ru/25861870-Osnovy-vbscript-vvod-vyvoddannyh-funkciya-msgbox-vadim-dunaev.html (дата обращения: 28.04.2020).

5. Соболев Е. А., Милорадов П. В., Коновалова В. С. Применение инструментов программирования для модернизации систем автоматизированного проектирования // Метрологическое обеспечение инновационных технологий: сб. ста‑ тей. СПб.: ГУАП, 2020. 308 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Соболев Егор Анатольевич, инженер-конструктор, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Россий‑ ская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А; магистрант, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», Российская Федерация, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, тел.: 8 (921) 436‑93‑72, e-mail: sobolev_ea@radar-mms.com. Коновалова Вера Сергеевна, ведущий специалист, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Рос‑ сийская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А; доцент, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», Российская Федерация, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, тел.: 8 (921) 596‑52‑52, e-mail: konovalova_vs@radar-mms.com.

For citation: Sobolev E. A., Konovalova V. S. Modernization of computer-aided design of printed circuit boards with introduction of additional functionality. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 34–39.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-34-39 E. A. Sobolev, V. S. Konovalova

MODERNIZATION OF COMPUTER-AIDED DESIGN OF PRINTED CIRCUIT BOARDS WITH INTRODUCTION OF ADDITIONAL FUNCTIONALITY The paper considers the possibility of introducing additional functionality in Computer-aided design systems (CAD) which can be used for the design of printed circuit boards (PCB). Two fundamentally different CAD systems were considered for this

38

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Проектирование устройств purpose: Xpedition Enterprise and Altium Designer. Each of the reviewed CAD systems has its advantages and disadvantages.

The first has a complex interface and branched program structure, but at the same time provides the user with almost unlimited possibilities in the design of printed circuit boards. The second has a clear interface and simple program structure, but it has limitations in the design of complex printed circuit boards. Despite its shortcomings in both CAD systems, it is possible to implement additional functionality by writing new scripts in a programming language. This article describes the use of the internal development environment in Xpedition Enterprise. A script was written on VBScript language which perform count vias in a PCB project. The development of new scenarios in CAD can greatly simplify the work of topological engineers and accelerate the development of PCB designs.

Keywords: CAD, programming, scripts

REFERENCES 1. Abramov A. Computer-aided design of electronic equipment. Available at: https://habr.com/en/post/439572 (accessed 28.04.2020).

2. Documentation for Xpedition Enterprise. Available at: https://www.mentor.com/pcb/xpedition (accessed 28.04.2020).

3. Documentation for Altium Designer. Available at: https://www.altium.com/en/documentation/altium-designer (accessed 28.04.2020).

4. Dunaev V. Fundamentals of VBScript. Available at: https://docplayer.ru/25861870-Osnovy-vbscript-vvod-vyvod-dannyhfunkciya-msgbox-vadim-dunaev.html (accessed 28.04.2020).

5. Sobolev E. A., Miloradov P. V., Konovalova V. S. Application of programming tools for the modernization of computer-aided design systems. In: Metrologicheskoye obespecheniye innovatsionnykh tekhnologiy [Metrological support of innovative technologies]. Saint-Petersburg, GUAP Publ., 2020, 308 p. (In Russian).

AUTHORS Sobolev Egor, design engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation; undergraduate, ITMO University, 49, Kronverksky Ave., Saint-Petersburg, 197101, Russian Federation, tel.: +7 (921) 436‑93‑72, e-mail: sobolev_ea@radar-mms.com.

Konovalova Vera, leading specialist, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation; associate professor, ITMO University, 49, Kronverksky Ave., Saint-Petersburg, 197101, Russian Federation, tel.: +7 (921) 596‑52‑52, e-mail: konovalova_vs@radar-mms.com.

vre.instel.ru

39

Техника СВЧ Для цитирования: Морфологический анализ интегральных СВЧ-усилителей с распределенным усилением / И. М. Добуш, А. А. Калентьев, А. А. Метель, А. Е. Горяинов // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 40–46.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-40-46 УДК 621.375.4, 004.89

И. М. Добуш1, А. А. Калентьев1, А. А. Метель1, А. Е. Горяинов1 1

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СВЧ-УСИЛИТЕЛЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ* Эффективным способом снижения трудоемкости и стоимости проектирования СВЧ интегральных схем (ИС) является развитие подходов, методик, алгоритмов и программных модулей для автоматизированного синтеза схемных и топологических решений. В частности, перспективными являются подходы к структурнопараметрическому синтезу СВЧ-устройств, базирующиеся на принципах искусственного интеллекта и эволюционных вычислений. В статье представлены результаты морфологического анализа СВЧ-усилителей с распределенным усилением (СВЧ УРУ), разрабатываемых на базе различных интегральных технологий (GaAs, GaN, InP, Si, SiGe). На его основе сформирована модель морфологического множества СВЧ УРУ, которая может быть использована для последующего создания методики, алгоритма и программного модуля, позволяющих выполнить автоматизированный структурно-параметрический синтез схемных решений интегральных СВЧ УРУ по комплексу требований к его характеристикам. Ключевые слова: интегральная схема, структурно-параметрический синтез, модель морфологического множества, принципы искусственного интеллекта, САПР

Введение Одним из современных направлений развития САПР СВЧ-устройств является разработка моду‑ лей автоматизированного синтеза схемных и то‑ пологических решений функциональных блоков по заданным человеком требованиям к характе‑ ристикам создаваемого устройства [1–3]. Данная тенденция обусловлена возрастающими объемами рынков беспилотных автомобилей, интернета ве‑ щей и связи пятого поколения, создающих высокий спрос на компактные приемо-передающие модули на основе полупроводниковых технологий изготов‑ ления интегральных схем (ИС). Однако скорость развития данной области значительно сдержива‑ ется высокой трудоемкостью и стоимостью проек‑ тирования СВЧ ИС. Эффективным ответом на дан‑ ный вызов является развитие подходов, методик, алгоритмов и программных модулей, позволяющих выполнить автоматизированный синтез схемных и топологических решений СВЧ ИС. Анализ существующих подходов к решению проблемы автоматизированного синтеза анало‑ говых и цифровых электронных устройств выпол‑ нен в работах [3–8]. Перспективными являются подходы к структурно-параметрическому синтезу

СВЧ-устройств, базирующиеся на принципах искус‑ ственного интеллекта (ИИ) и эволюционных вычис‑ лений (ЭВ), о чем свидетельствует появление зна‑ чительного количества публикаций с примерами успешно решенных задач, в том числе: синтеза антенн [9], согласующих и корректирующих цепей [1, 10], фильтров, каскадных транзисторных усили‑ телей [11]. Процесс синтеза, основанный на прин‑ ципах ИИ и ЭВ, включает три основных этапа [3]: формирование модели морфологического множе‑ ства заданного класса проектируемых устройств; выбор алгоритма синтеза; формирование целевой функции. Настоящая работа направлена на формирова‑ ние модели морфологического множества инте‑ гральных СВЧ-усилителей с распределенным уси‑ лением (СВЧ УРУ) с целью последующего создания методики, алгоритма и программного модуля, по‑ зволяющих выполнить автоматизированный синтез схемных решений по комплексу требований к ха‑ рактеристикам создаваемой СВЧ ИС УРУ. УРУ яв‑ ляются одним из основных типов схемотехнических решений, используемых при построении сверхши‑ рокополосных СВЧ-усилителей (усилителей с поло‑ сой рабочих частот более октавы).

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-00138.

40

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Техника СВЧ Морфологический анализ и формирование модели морфологического множества Формирование множества поиска требуется для того, чтобы разумно сократить теоретически бес‑ конечное разнообразие схемных решений разра‑ батываемого устройства, то есть по возможности выполнять синтез в пространстве схем, которые, во-первых, могут реализовать необходимые функ‑ ции и, во-вторых, могут быть осуществлены на практике. С этой целью множество поиска должно учитывать уже накопленный опыт разработки по‑ добного класса устройств и включать уже из‑ вестные схемные решения. С другой стороны, это множество не должно ограничиваться только из‑ вестными вариантами, чтобы допускать получение новых решений. В морфологическом подходе приняты следую‑ щие определения: пространство поиска структур‑ ных (схемных) решений называется морфологи‑ ческим множеством, процесс определения этого пространства – морфологическим анализом, про‑ цесс генерации решений с использованием этого множества – морфологическим синтезом. Для осу‑ ществления целенаправленного поиска структуры устройства морфологическое множество должно быть упорядочено по классификационным призна‑ кам, согласно которым можно однозначно иден‑ тифицировать структуру и параметры элементов устройства заданного класса. В свою очередь, упо‑ рядоченное множество называется моделью мор‑ фологического множества. Существуют различные способы представления модели морфологического множества [12, 13], в том числе в виде: И-ИЛИ де‑ ревьев, графов, таблиц, специальных языков опи‑ сания морфологического множества и др. В насто‑ ящей работе используется представление в виде И-ИЛИ дерева, так как данный способ обладает двумя особенностями:

схемотехническое решение УРУ используется для построения как сверхширокополосных малошумя‑ щих и буферных усилителей (МШУ и БУ), так и уси‑ лителей мощности (УМ). Наиболее встречаемые решения интегральных УРУ включают от четырех до десяти секций, под секцией понимается совокуп‑ ность активного элемента (АЭ) с примыкающими участками входных и выходных линий передачи (ЛП). В качестве дополнительной функциональ‑ ности кристалл ИС усилителя может оснащаться схемой ESD-защиты и детектором проходящей мощности. В целях экономии места в настоящей публикации приводятся наиболее используемые разработчиками СВЧ ИС базовые решения инте‑ гральных УРУ. На рис. 1 приведено базовое схемное решение № 1 [14, 15] – структурная схема интегрального од‑ нородного УРУ с одним транзистором в секции. Это решение является наиболее распространенным в литературе и используется при построении сверх‑ широкополосных МШУ и БУ по схеме УРУ. Для него характерны следующие признаки:

• древообразная структура изначально постро‑ ена по иерархическому признаку, что позво‑ ляет удобно представить блочно-иерархическую структуру СВЧ УРУ в виде дерева; • И-ИЛИ связи представляют набор как альтерна‑ тивных, так и заданных морфологических при‑ знаков, из которых может быть сформировано удовлетворяющее всем ограничениям решение.

Рисунок 1. Структурная схема интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением: базовое схемное решение № 1

Морфологический анализ интегральных СВЧ УРУ В процессе морфологического анализа было рассмотрено более ста пятидесяти источников информации по СВЧ УРУ, разработанных на ос‑ нове различных интегральных технологий (GaAs, GaN, InP, Si, SiGe) и активных элементов (HEMT, CMOS, HBT, MESFET). Необходимо отметить, что vre.instel.ru

• каждая секция УРУ включает транзистор с оди‑ наковой периферией (T); • в каждой секции УРУ включены одинаковые входные ЛП затвора (Zg) или базы; • в каждой секции УРУ включены одинаковые вы‑ ходные ЛП стока (Zd) или коллектора.

ZВых1

Zd

Zd

Zd

ZВых2

ZБ2

ZВх1

T

T

Zg

Zg

T Zg

ZВх2 ZБ1

На рис. 2 приведено базовое схемное решение № 2 [16] – структурная схема интегрального одно‑ родного УРУ с каскодным включением транзисто‑ ров в секции. Каскодное включение транзисторов позволяет снизить влияние эффекта Миллера (вли‑ яние паразитной емкостной обратной связи внутри транзистора). Такое решение является наиболее используемым в коммерческих сверхширокополос‑ ных МШУ и БУ по схеме УРУ. Решение характери‑ зуется следующими признаками: • каждая секция УРУ состоит из одного и того же каскодного включения транзисторов (T1 и T2); 41

Техника СВЧ

ZВых1

Zd

С

С

Zd

Zd

ZВых2

ZБ2

ZБ2

ZВх1

Т2

С

Т2

Т1

Т1

Zg

Zg

Zg

Zd1

ZВых1 C1

C2

Zd2

T2

Т1

T1

T3

Zg1

Zg2

ZВх1

CN

T4

Т2

ZВх2

ZdN-1

ZВых2

TM TM-1

ZgN-1

ZВх2

ZБ1

ZБ1

Рисунок 2. Структурная схема интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением: базовое схемное решение № 2

Рисунок 4. Структурная схема интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением: базовое схемное решение № 4

• в каждой секции УРУ включены одинаковые входные ЛП; • в каждой секции УРУ включены одинаковые вы‑ ходные ЛП.

На рис. 4 приведено базовое схемное решение № 4 [18] – структурная схема интегрального не‑ однородного УРУ с каскодным включением тран‑ зисторов в секции. Это решение используется для построения сверхширокополосных МШУ и БУ. Ос‑ новные отличия от базового решения № 2:

На рис. 3 приведено базовое схемное решение № 3 [17] – структурная схема интегрального неод‑ нородного УРУ с одним транзистором в секции. Это решение используется как для построения сверх‑ широкополосных БУ, так и для УМ по схеме УРУ. Основные отличия от базового решения № 1: • каждая секция УРУ может содержать транзи‑ сторы разной периферии (T1, T2, TN); • в каждой секции УРУ могут быть включены вход‑ ные ЛП (Zg1, Zg2, ZgN), имеющие различные пара‑ метры (длина, волновое сопротивление и др.); • в каждой секции УРУ могут быть включены раз‑ личные выходные ЛП (Zd1, Zd2, ZdN). Использование различных периферий транзи‑ сторов, а также различных параметров во входных и выходных ЛП позволяет разработчику УРУ более гибко оптимизировать комплекс электрических ха‑ рактеристик в заданной полосе частот: неравно‑ мерность коэффициента усиления, уровни коэф‑ фициентов отражения по входу и выходу, выходной мощности, КПД.

ZВых1

Zd1

Zd2

• каждая секция УРУ может содержать каскодное включение транзисторов разной периферии (T1, T2, TM), однако, наиболее часто используется одно и то же каскодное включение транзисторов (см. базовое решение № 2); • в каждой секции УРУ могут быть включены раз‑ личные входные ЛП; • в каждой секции УРУ могут быть включены раз‑ личные выходные ЛП. На рис. 5 приведено базовое схемное решение № 5 [14, 19, 20] – структурная схема интегрального неоднородного УРУ с одним транзистором в сек‑ ции. Это решение используется для построения сверхширокополосных УМ. Основным отличием от базового решения № 3 является отсутствие бал‑ ластной нагрузки (ZБ2) в выходной ЛП. Такой прием позволяет повысить КПД УМ по схеме УРУ за счет исключения возможности рассеивания полезной мощности сигнала в балластной нагрузке.

Zd1

ZВых2

ZdN-1

ZdN-1

Zd2

ZВых

ZБ2

ZВх1

T1

T2

Zg1

Zg2

TN ZgN-1

ZВх1

ZВх2

T1

T2

Zg1

Zg2

TN

ZgN-1

ZВх2

ZБ1

ZБ1

Рисунок 3. Структурная схема интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением: базовое схемное решение № 3

Рисунок 5. Структурная схема интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением: базовое схемное решение № 5

42

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Техника СВЧ YВых1 ZБ2 СЦВых1

YВыхN ЛПВых1

ЛПВыхN-1

C

ЛПВх1

ЛПВхN-1

YВх1

СЦВх2

C

T2

АБN

АБ1 ZВх СЦВх1

ZВых

СЦВых2

R

Рисунок 6. Обобщенная структурная схема интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением

Обобщая информацию по используемым схе‑ мотехническим решениям интегральных СВЧ УРУ, получим обобщенную структурную схему (рис. 6), которая будет являться самым верхним уровнем иерархии морфологического анализа. Приведен‑ ная структурная схема состоит из соединения сле‑ дующих основных частей: активные блоки (АБ) и примыкающие к ним проводимости YВх и YВых, входные и выходные ЛП, согласующие цепи (СЦ). Далее рассмотрим результаты морфологического анализа следующего уровня иерархии, в частности результаты анализа схемотехнических решений ос‑ новных частей обобщенной структурной схемы ин‑ тегрального СВЧ УРУ. При построении АБ можно использовать как единичный, так и составной (два и более) АЭ. На рис. 7 и рис. 8 представлены наиболее исполь‑ зуемые структуры АБ в интегральных СВЧ УРУ. К ним относятся: включение полевого транзистора с общим истоком (ОИ) или для биполярного тран‑ зистора – с общим эмиттером (ОЭ); каскодное включение полевых транзисторов по схеме ОИ – общий затвор (ОЗ) или для биполярных транзи‑ сторов по каскодной схеме ОЭ – общая база (ОБ). Необходимо отметить, что в состав АБ могут вхо‑ дить пассивные цепи, выполняющие функции со‑ гласования, коррекции и обратной связи (ОС) для обеспечения работы АЭ. В случае необходимости выравнивания фазового набега во входной и/или выходной ЛП на полюсах АБ могут подключаться проводимости YВх и YВых (рис. 6). Обычно они обладают емкостной составляющей импеданса и реализуются в виде холостоходных шлейфов (ХХ-шлейфов).

TL(Z0, EL)

TL2 T1 L

T1 R

C

T1 L

T1

C

T2 TL(Z0,EL)

T1

T1

T1

T1

L

L

L

L

C1

R1

C2

R2

C2 T2

R

R

L

C

T1 L

Рисунок 7. Используемые структуры при построении активных блоков в интегральных СВЧ-усилителях с распределенным усилением на основе единичного активного элемента

vre.instel.ru

T2

C1 T1

T1

TL1

T2

ZБ1

YВхN

C

TL(Z0,EL) R C

T2

L

C2

R2

T2

R1

T1

C1

L

L

C2

R1

T2

R2

T1

C1

L

R3

Рисунок 8. Используемые структуры при построении активных блоков в интегральных СВЧ-усилителях с распределенным усилением на основе каскодного включения активного элемента

TL(Z0,EL)

L

L

TL(Z0,EL)

C

R

Рисунок 9. Используемые структуры при построении входной и выходной линий передачи в интегральных СВЧ-усилителях с распределенным усилением

На рис. 9 приведены используемые структуры при построении входных и выходных ЛП в инте‑ гральных СВЧ УРУ. Наиболее часто они имеют структуру фильтров нижних частот и выполняются на основе отрезков микрополосковой или копла‑ нарной ЛП (TL), спиральных катушек индуктивно‑ сти, а также комбинации их соединений. В некото‑ рых случаях ЛП могут состоять из параллельного соединения катушки индуктивности и конденса‑ тора, а также параллельного соединения отрезка ЛП и резистора. При анализе схем УРУ отдельного внимания заслуживают входные и выходные СЦ, соединяю‑ щие усилитель с нагрузочными импедансами (ZВх, ZБ1, ZБ2, ZВых). На рис. 10 показаны используемые структуры при построении входных и выходных СЦ в интегральных СВЧ УРУ. Стоит отметить, что при достаточно хорошем согласовании усилителя с на‑ грузками структуры СЦ могут вырождаться в струк‑ туры входных и выходных ЛП. Модель морфологического множества интегрального СВЧ УРУ По результатам проведенного морфологиче‑ ского анализа построена модель морфологиче‑ ского множества интегрального СВЧ УРУ в виде И-ИЛИ дерева (рис. 11). Эта модель позволяет 43

Техника СВЧ C

L

TL(Z0,EL)

C

L

Интегральный СВЧ УРУ (N-секций)

L C

L

TL(Z0,EL)

C

R

C

TL2 TLO

TL1

Tr

TL3 C TL4

L2

TL2

L1

TL1

C

C Tr

Tr

TLO

СЦВых1

ограничить бесконечное разнообразие схемных ре‑ шений в процессе синтеза интегрального СВЧ УРУ. На рис. 11 приняты следующие обозначения: прямоугольниками показаны составные элементы; в виде окружностей – базовые элементы (конечные узлы) с задаваемыми диапазонами варьирования (TLO – ХХ-шлейф, TL – отрезок ЛП, C – конденса‑ тор, L – индуктивность, R – резистор, T1 и T2 – тран‑ зисторы, Tr – трансформатор, индекс ⊥ – шунтиро‑ вание элемента на землю, индекс || – параллельное соединение базовых элементов); сплошная линия означает связь типа «И» (узел обязательно войдет в синтезируемое устройство); пунктирная линия – связь типа «ИЛИ» (войдет только один возможный вариант из набора альтернативных вариантов); IN, OUT, F, INTER – пассивные цепи в составе АБ (входная СЦ, выходная СЦ, цепь ОС, цепь между транзисторами в случае каскодного включения со‑ ответственно). Заключение В результате проведенного морфологического анализа была сформирована модель морфологи‑ ческого множества СВЧ УРУ, разрабатываемых на основе различных интегральных технологий (GaAs, GaN, InP, Si, SiGe) и активных элемен‑ тов (HEMT, CMOS, HBT, MESFET). Эта модель

ЛПВых1

ЛПВыхN-1

СЦВх1

YВх1

АБN ЛПВх1

АБ Составной АЭ (каскод)

T1 IN

T1 OUT

СЦВых2

YВыхN

АБ1

Единичный АЭ

Рисунок 10. Структуры, используемые при построении входных и выходных согласующих цепей в интегральных СВЧ-усилителях с распределенным усилением

YВых1

F1

ЛПВхN-1

YВхN

ЛП

TLO

TL

L

СЦВх2

L⎢⎢C

TL⎢⎢R СЦ

T2 INTER

F2

C

TL

L

TL

C

TL

L

R⎢⎢C, L

L

R,C

L

TL

TL,C

R

R

R, TL,C

R⎢⎢C

1 элемент

N элементов C

TL L Tr TLO R

R⎢⎢C, R⊥

Рисунок 11. Модель морфологического множества интегрального СВЧ-усилителя с распределенным усилением в виде И-ИЛИ дерева

является основой для последующего создания ме‑ тодики, алгоритма и программного модуля, бази‑ рующихся на принципах ИИ и ЭВ и позволяющих выполнить автоматизированный структурно-пара‑ метрический синтез схемных решений интеграль‑ ного СВЧ УРУ по комплексу требований к его ха‑ рактеристикам. Дальнейшие исследования в рамках настоя‑ щей тематики целесообразно вести в следующих направлениях: выбор быстродействующего алго‑ ритма математического моделирования; исследо‑ вание и разработка алгоритма синтеза; формиро‑ вание целевой функции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Vye D. Network synthesis wizard automates interactive matching-circuit design // Microwave Journal. 2018. Vol. 61. No. 11.

P. 96–102.

2. Kalentyev A. A., Babak L. I., Garays D. V. Genetic-algorithm-based sythesis of low-noise amplifiers with automatic selection of active elements and DC biases. 44th European Microwave Conference. 2014. P. 1464–1467.

3. Акимов С. В. Анализ проблемы автоматизации структурно-параметрического синтеза // Доклады ТУСУР. 2011. № 2 (24). С. 204–211.

4. Zebulum R. S., Pacheco M. A., Vellasco M. M. Evolutionary electronics: automatic design of electronic circuits and systems by genetic algorithms. CRC Press, 2001. P. 306.

5. Koza J. R., Bennett F. H., Andre D., Keane M. A. Evolutionary design of analog electrical circuits using genetic programming.

3rd International Conference on Adaptive Computing in Design and Manufacture. 1998. P. 177–192.

6. Sripramong T., Toumazou C. The invention of CMOS amplifier using genetic programming and current-flow analysis // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2002. Vol. 21. No. 11. P. 1237–1252.

44

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Техника СВЧ 7. Chen D., Aoki T., et al. Graph-based evolutionary design of arithmetic // IEEE Transactions on Evolutionary Computation.

2002. Vol. 6. No. 1. P. 86–100.

8. Курейчик В. М., Лебедев Б. К., Лебедев В. Б. Планирование сверхбольших интегральных схем на основе интегра‑ ции моделей адаптивного поиска // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2013. № 1. С. 84–101.

9. Linden D. S., Rayno J. Synthesis of robust UHF RFID antennas on dielectric substrates // Antenna systems and technology.

2016. P. 6–10.

10. Babak L. I., Vjushkov V. A., et al. Synthesis of matching networks for microwave active circuits based on genetic algorithm // Microwave and Optical Technology Letters. 2014. Vol. 56. No. 11. P. 2719–2722.

11. Zhabin D. A., Garays D. V., et al. Automated synthesis of low noise amplifiers using s-parameter sets of passive elements.

Asia Pacific Microwave Conference. 2017. P. 1262–1264.

12. Акимов С. В. Модель морфологического множества уровня идентификации // Труды учебных заведений связи. 2005. № 172. С. 120–135.

13. Верхова Г. В., Акимов С. В. Модель морфологического множества широкополосных согласующих цепей // Антенны и распространение радиоволн. 2018. С.134–138.

14. Campbell C. F. Evolution of the nonuniform distributed power amplifier: a distinguished microwave lecture. IEEE Microwave Magazine. 2019. Vol. 20. No. 1. P. 18–27.

15. Hamidi E., Mohammad-Taheri M., Moradi G. Improvements in the noise theory of the MMIC distributed amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008. Vol. 56. No. 8. P. 1797–1806.

16. Shivan T., Hossain M., et al. An ultra-broadband low-noise distributed amplifier in InP DHBT technology. 13th European Mi‑ crowave Integrated Circuits Conference. 2018. P. 241–244.

17. Duperrier C., Campovecchio M., et al. New design method of uniform and nonuniform distributed power amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. Vol. 49. No. 12. P. 2494–2500.

18. Nikandish G., Medi A. A 40-GHz bandwidth tapered distributed LNA // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2018. Vol. 65. No. 11. P. 1614–1618.

19. Nikandish G., Staszewski R., Zhu A. The (R)evolution of distributed amplifiers: from vacuum tubes to modern CMOS and GaN ICs // IEEE Microwave Magazine. 2018. Vol. 19. No. 4. P. 66–83.

20. Green B., Lee S., et al. High efficiency monolithic gallium nitride distributed amplifier // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. 2000. Vol. 10. No. 7. P. 270–272.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Добуш Игорь Мирославович, к. т. н., ст. научный сотрудник, лаборатория 50ohm Lab, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (923) 402-92-86, e-mail: igor.dobush@50ohm.tech. Калентьев Алексей Анатольевич, к. т. н., ст. научный сотрудник, лаборатория 50ohm Lab, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (923) 408-04-08, e-mail: alexey.kalentyev@50ohm.tech. Метель Александр Андреевич, лаборант, лаборатория 50ohm Lab, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (996) 938-48-70, e-mail: aleksandr.metel@50ohm.tech. Горяинов Александр Евгеньевич, к. т. н., ст. научный сотрудник, лаборатория 50ohm Lab, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (913) 841-24-29, e-mail: aleksandr.goryainov@50ohm.tech.

For citation: Dobush I. M., Kalentyev A. A., Metel A. A., Goryainov A. Е.

Morphological analysis of MMIC distributed amplifiers. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 40–46.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-40-46

I. M. Dobush, A. A. Kalentyev, A. A. Metel, A. Е. Goryainov

MORPHOLOGICAL ANALYSIS OF MMIC DISTRIBUTED AMPLIFIERS An effective way to reduce the complexity and cost of designing microwave integrated circuits (IС) is to develop approaches, techniques, algorithms and software modules for the automated synthesis of circuit and topological solutions. In particular, approaches to the structural-parametric synthesis of microwave devices based on the principles of artificial intelligence and evolutionary computing are promising. The article presents the results of a morphological analysis of microwave distributed amplifiers (DAs). The DAs manufactured using various MMIC processes (GaAs, GaN, InP, Si, SiGe) were analyzed. A MMIC DA morphological set model was created and presented in the article. The model can be used for the technique, algorithm, and software module development for automated structural-parametric synthesis of MMIC DA schematics according to the set of characteristics requirements.

Keywords: monolithic microwave integrated circuit, structural-parametric synthesis, morphological set, artificial intelligence, CAD

vre.instel.ru

45

Техника СВЧ REFERENCES 1. Vye D. Network synthesis wizard automates interactive matching-circuit design. Microwave Journal, 2018, vol. 61, no. 11, pp. 96–102.

2. Kalentyev A. A., Babak L. I., Garays D. V. Genetic-algorithm-based sythesis of low-noise amplifiers with automatic selection of active elements and DC biases. 44th European Microwave Conference, 2014, pp. 1464–1467.

3. Akimov S. V. Analysis of the structural parametric synthesis problem. Doklady TUSUR, 2011, vol. 24, no. 2, pp. 204–211.

(In Russian).

4. Zebulum R. S., Pacheco M. A., Vellasco M. M. Evolutionary electronics: automatic design of electronic circuits and systems by genetic algorithms. CRC Press, 2001, p. 306.

5. Koza J. R., Bennett F. H., Andre D., Keane M. A. Evolutionary design of analog electrical circuits using genetic programming.

3rd International Conference on Adaptive Computing in Design and Manufacture, 1998, pp. 177–192.

6. Sripramong T., Toumazou C. The invention of CMOS amplifier using genetic programming and current-flow analysis. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 2002, vol. 21, no. 11, pp. 1237–1252.

7. Chen D., Aoki T., et al. Graph-based evolutionary design of arithmetic. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 2002, vol. 6, no. 1, pp. 86–100.

8. Kurejchik V. M., Lebedev B. K., Lebedev V. B. Integrated circuits planning based on the integration of adaptive search models.

Izvestija Rossijskoj akademii nauk. Teorija i sistemy upravlenija, 2013, no. 1, pp. 84–101. (In Russian).

9. Linden D. S., Rayno J. Synthesis of robust UHF RFID antennas on dielectric substrates. Antenna systems and technology, 2016, pp. 6–10.

10. Babak L. I., Vjushkov V. A., et al. Synthesis of matching networks for microwave active circuits based on genetic algorithm.

Microwave and Optical Technology Letters, 2014, vol. 56, no. 11, pp. 2719–2722.

11. Zhabin D. A., Garays D. V., et al. Automated synthesis of low noise amplifiers using s-parameter sets of passive elements.

Asia Pacific Microwave Conference, 2017, pp. 1262–1264.

12. Akimov S. V. A morphological model of the identification level. Trudy uchebnyh zavedenij svjazi, 2005, no. 172, pp. 120–135.

(In Russian).

13. Verhova G. V., Akimov S. V. A morphological model of broadband matching networks. Antenny i rasprostranenie radiovoln, 2018, pp. 134–138. (In Russian).

14. Campbell C. F. Evolution of the nonuniform distributed power amplifier: a distinguished microwave lecture. IEEE Microwave Magazine, 2019, vol. 20, no. 1, pp. 18–27.

15. Hamidi E., Mohammad-Taheri M., Moradi G. Improvements in the noise theory of the MMIC distributed amplifiers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008, vol. 56, no. 8, pp. 1797–1806.

16. Shivan T., Hossain M., et al. An ultra-broadband low-noise distributed amplifier in InP DHBT technology. 13th European Microwave Integrated Circuits Conference, 2018, pp. 241–244.

17. Duperrier C., Campovecchio M., et al. New design method of uniform and nonuniform distributed power amplifiers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001, vol. 49, no. 12, pp. 2494–2500.

18. Nikandish G., Medi A. A 40-GHz bandwidth tapered distributed LNA. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2018, vol. 65, no. 11, pp. 1614–1618.

19. Nikandish G., Staszewski R., Zhu A. The (R)evolution of distributed amplifiers: from vacuum tubes to modern CMOS and GaN ICs. IEEE Microwave Magazine, 2018, vol. 19, no. 4, pp. 66–83.

20. Green B., Lee S., et al. High efficiency monolithic gallium nitride distributed amplifier. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 2000, vol. 10, no. 7, pp. 270–272.

AUTHORS Dobush Igor, Ph. D., senior research fellow, 50ohm Lab, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (923) 402-92-86, e-mail: igor.dobush@50ohm.tech.

Kalentyev Alexey, Ph. D., senior research fellow, 50ohm Lab, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (923) 408-04-08, e-mail: alexey.kalentyev@50ohm.tech.

Metel Aleksandr, laboratory assistant, 50ohm Lab, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (996) 938-48-70, e-mail: aleksandr.metel@50ohm.tech.

Goryainov Aleksandr, Ph. D., senior research fellow, 50ohm Lab, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (913) 841-24-29, e-mail: aleksandr. goryainov@50ohm.tech.

46

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Автоматизированные системы управления Для цитирования: Самохвалов О. А., Петушков А. М. Методический подход к организации автономного управления группой средств воздействия при применении по территориально разнесенным объектам // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 47–53.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-47-53 УДК 681.513.7

О. А. Самохвалов1, А. М. Петушков1 1 Военно-космическая

академия имени А. Ф. Можайского

МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОРГАНИЗАЦИИ АВТОНОМНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ СРЕДСТВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ПО ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАЗНЕСЕННЫМ ОБЪЕКТАМ* В статье рассматривается задача повышения целевого эффекта при огневом воздействии на объекты путем оптимизации распределения средств воздействия – авиационных средств поражения. Исследована возможность автономного управления средствами воздействия на удаленные, территориально разнесенные объекты. Для рационального использования ресурсов предложено деление группы средств воздействия на два кластера, из которых только в одном применяются средства с автономным управлением. Разработан методический подход к решению задачи автономного управления группой средств воздействия. Его применение на практике позволит оптимизировать использование средств при нанесении заданного воздействия назначенным удаленным объектам. Проведенное имитационное моделирование показало, что деление средств воздействия на кластеры и применение автономного управления позволяют повысить суммарный целевой эффект на 15–20%.

Ключевые слова: перенацеливание, целераспределение, кластер, эффективность

Введение Анализ вооруженных конфликтов и локальных войн последних десятилетий свидетельствует о том, что основу современных военных действий состав‑ ляет поражение наземных объектов государствен‑ ного и военного управления, объектов системы связи, информационного обеспечения, промышленности и энергетики. Эффективность огневого воздействия по этим стационарным и квазистационарным объек‑ там современными средствами поражения зависит от оптимальности распределения сил и средств. Решению оптимизационных задач распределения сил и средств в системах военного назначения, полу‑ чивших название «задачи целераспределения», по‑ священ ряд работ [1, 2]. В последнее время эти задачи приобрели особую актуальность в области оператив‑ ного управления войсками по следующим причинам: • действия противоборствующих сторон стано‑ вятся более динамичными, ведутся с макси‑ мальным использованием боевых возможностей различных средств поражения и применением новых способов выполнения боевых задач;

• с одной стороны, происходит усиление центра‑ лизации управления группировками войск (сил), с другой – децентрализация руководства при не‑ посредственном выполнении поставленных задач. Решение задачи целераспределения является сложным процессом, который сопровождается це‑ лым рядом проблем. Поиск оптимального назначения средств воздействия (СВ) на объекты воздействия (ОВ) еще более усложняется при целераспределе‑ нии во время непосредственного контакта. По сути, указанная проблема порождается сложной (много‑ уровневой) системой управления и жестким регла‑ ментом времени для принятия решения на опера‑ тивное целераспределение (перенацеливание) [2], поскольку цикл «планирование – воздействие» в со‑ временных условиях сокращается, в зависимости от масштаба, с нескольких суток до нескольких часов и с нескольких часов до минут. Под СВ понимаются авиационные (воздушные) средства поражения – боевые и учебно-боевые средства, обеспечивающие непосредственное по‑ ражение целей и решение вспомогательных задач.

* Основные результаты работы были обсуждены на научно-технической конференции «VII Репинские чтения» в ПАО «МАК «Вымпел».

vre.instel.ru

47

Автоматизированные системы управления В их числе: ракеты, бомбардировочные средства (основного и вспомогательного назначения), мины, торпеды, артиллерийские боеприпасы [3]. Кроме того, в настоящее время отчетливо про‑ сматривается тенденция трансформации понятия «поле боя» в «единое боевое пространство», сопо‑ ставимое с театром военных действий, с размахом от 2–3 тыс. км и более как по ширине, так и по глубине за счет увеличения дальности применения СВ. При этом, в случаях когда ОВ находятся на больших рас‑ стояниях (1000 км и более) от пунктов управления, возможность оперативного управления (перенаце‑ ливания) СВ непосредственно в районе применения отсутствует. Эту проблему предполагается преодо‑ леть за счет внедрения передовых информационнокомандных технологий, реализованных в виде еди‑ ного и постоянного процесса с циклами «контроль пространства – управление – воздействие». Применение СВ с автономной системой управления К наиболее перспективным вариантам дости‑ жения максимального целевого эффекта СВ на больших расстояниях следует отнести создание средств, способных самостоятельно принимать решение о воздействии, то есть СВ с автономным управлением (АСВ). Автономное управление представляет собой способ наведения СВ по программе, задающей тра‑ екторию движения и ОВ. При автономном управле‑ нии на борт СВ не поступает никаких управляющих воздействий с удаленных пунктов управления. По‑ лучение необходимой текущей информации для выработки управляющих сигналов осуществляется с помощью бортовых устройств. Такие системы управления характеризуются информационной ав‑ тономностью и для них не могут быть созданы орга‑ низованные помехи, что является их достоинством. Таким образом, автономность СВ предполагает самостоятельность выработки стратегии поведе‑ ния без вмешательства человека. Следовательно, Мониторинг ОВ

СВ функционируют в составе группы, реализуя ал‑ горитм выбора собственной стратегии поведения, подчиненной необходимости решения задачи всей группы. Вариантность выбора целей определяется мно‑ жеством конечных и промежуточных состояний, до‑ стижение которых СВ приняло в качестве текущей стратегии поведения. Очевидно, что цели могут быть сформированы в виде последовательности (плана) действий либо точек прицеливания на ОВ. Для СВ в группе следует выделять два типа целей: индивидуальные и общие. Общие цели имеют при‑ оритет над индивидуальными и подлежат реализа‑ ции в первую очередь. Под реактивностью понимается способность воспринимать состояние среды и своевременно от‑ вечать (реагировать) на изменения, которые в ней происходят. Это свойство реализуется путем мони‑ торинга штатных систем датчиков и настройки си‑ стемы управления СВ на ответные действия. Очевидно, что формирование группы полностью из АСВ может быть неоправданно затратным. По‑ этому предпочтительна рационализация общего за‑ мысла применения, например, деление СВ в группе на два кластера. СВ первого (основного) кластера имеют частные задачи по воздействию на общие (наиболее значимые) объекты/цели и не обладают возможностью перенацеливания. Второй кластер составляют АСВ, которые следуют в группе с от‑ ставанием от СВ первого кластера. Они проводят мониторинг района применения и осуществляют дополнительное воздействие на объекты, по кото‑ рым действовали СВ первого кластера, либо, если общие ОВ обработаны, выполняют задачи по своим (дополнительно назначенным и возможно менее важным) объектам. Второй кластер действует ав‑ тономно, самостоятельно обрабатывает информа‑ цию, получаемую в ходе мониторинга, и принимает решения о перенацеливании в зависимости от те‑ кущей ситуации, но в интересах выполнения общей задачи группы СВ (рис. 1).

Маршруты полета СВ 1-го кластера 2-й кластер

1-й кластер

ОВ1

ОВ2

ОВ3

Средства ПВО противника

Маршруты полета СВ 2-го кластера

Рисунок 1. Принцип применения группы средств воздействия первого и второго кластеров

48

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Автоматизированные системы управления Если предположить, что АСВ во втором кла‑ стере действуют независимо друг от друга (не об‑ мениваются информацией и не образуют управ‑ ляющих цепочек), то содержательно решение рассматриваемой задачи заключается в форми‑ ровании алгоритма действий АСВ, применение которого позволит добиться максимального целе‑ вого эффекта при воздействии на совокупность общих ОВ. Математическая постановка задачи автономного управления группой СВ Сформулируем задачу достижения максималь‑ ного целевого эффекта при воздействии на совокуп‑ ность объектов за счет их перераспределения между АСВ, действующими в составе группы, с учетом опе‑ ративного оценивания условий обстановки [4]. Задано множество объектов, размещенных в некоторой географической области (районе при‑ менения СВ) О = {Oi}, i = 1,…, I, которые являются, с одной стороны, персональными целями для СВ первого кластера, с другой стороны, общими объ‑ ектами для СВ второго кластера. Отметим, что некоторые ОВ ввиду больших га‑ баритных размеров могут иметь несколько точек воздействия. В рамках предлагаемой постановки задачи будем считать эти точки отдельными ОВ. Каждый из Оi характеризуется множеством па‑ раметров:

Oi : {Кi, ТТХi, pi, yi},

(1)

где Кi – координаты (географические широта и долгота) Оi; ТТХi – тактико-технические харак‑ теристики (эксплуатационные параметры) Оi (раз‑ меры, конструкционные особенности и исполь‑ зуемые материалы, устойчивость к воздействию и т. п.); рi – ранг (значимость) Оi, под которым бу‑ дем понимать степень важности i-го ОВ в зави‑ симости от условий задачи (задается директивно на основании применения процедур экспертного оценивания); уi – текущий относительный достиг‑ нутый эффект воздействия Оi. При достижении требуемого эффекта (yi(t) ≥ yтр) Оi считается об‑ служенным. Также задается множество (группа) средств воз‑ действия, включающее СВ двух типов:

C = C1 ∪ C2,

где C1 = {C1j}, j = 1,…, J – подмножество СВ первого кластера; C2 = {C2j}, k = 1,…, K – подмножество СВ второго кластера. Каждое C1j характеризуется совокупностью зна‑ чимых параметров Пj: тактико-техническими харак‑ теристиками (эксплуатационными параметрами) vre.instel.ru

ТТХj, в числе которых средняя скорость движения, запас ресурсов топлива и т. п., собственной реша‑ емой в группе задачей – воздействие по одному из общих объектов Оi, и маршрутом полета МПij: (2)

C1j : Пj = {ТТХj, МПij, Оi}.

Каждое С2k характеризуется собственными так‑ тико-техническими характеристиками, маршрутом полета и решаемой групповой задачей (мониторинг состояния ОВ и достижение должного эффекта воз‑ действия по самостоятельно определяемой цели):

C2 k : è k = {ííï k ,åè k ,åå k ,ék‰ÓÔ },

(3)

где ТТХk – тактико-технические характеристики С2k; МПk – маршрут полета С2k от носителя до рай‑ она применения; ММk – маршрут мониторинга рай‑ она применения С2k, представляющий собой упоря‑ доченное множество маршрутных точек:

åå k = {åå kl }, åå kl = < åí kli >,

åí kli : {éi , Ì kli },

(4)

где l = 1,…, Lk – номер цикла мониторинга (значение Lk определяется ТТХk); нkli – приоритет (порядковый номер, нkli ∈ {0, 1,…, I}) Оi для l–го цикла маршрута мониторинга С2k. Порядок мониторинга общих ОВ АСВ для оче‑ редного цикла задается следующим образом: С2k обследует состояние Оi в порядке возрастания нki, причем если нki = 0, то Оi исключается из списка мониторинга. Тем самым задается порядок движе‑ ния от объекта к объекту, а значит, и специфика ре‑ шаемой С2k задачи в группе. ék‰ÓÔ – индивидуальный дополнительный ОВ, за‑ данный аналогично (1) для воздействия С2k и яв‑ ляющийся конечной маршрутной точкой для С2k в случае, если по результатам очередного цикла мониторинга выяснится, что все Оi обслужены (yi(t) ≥ yтр), либо если после инспекции очередного ОВ запас топлива достигнет критического уровня (топлива не хватит для полета и к следующей марш‑ рутной точке, и к ék‰ÓÔ ). Целевую функцию для всей группы СВ сформи‑ руем как сумму вкладов ее элементов в достижение совместного целевого эффекта при воздействии на множество общих объектов:

W Σ (t ) = W 1 (t ) + W 2 (t ), I

(

)

W 1 (t ) = ∑ pi yi1 (t ) , i=1

(5)

(6)

49

Автоматизированные системы управления I

(

)

K

(

)

W 2 (t ) = ∑ pi yi2 (t ) + ∑ p k‰ÓÔ yk‰ÓÔ (t ) , i=1

k=1

(7)

где W1(t) и W2(t) – вклады первого и второго кла‑ стеров соответственно; yi1 (t ) и yi2 (t ) – воздействие, достигнутое Оi СВ первого и второго кластеров соответственно; p k‰ÓÔ и yk‰ÓÔ – ранг ék‰ÓÔ и воздей‑ ствие, достигнутое С2k, соответственно. Таким образом, учитывая введенные обозначе‑ ния, требуется найти

{

}

è * = è *j ,è *k , j =1, ..., J ,

k =1, ..., K :W ∑ (t) → max,

(8)

где Пj* и Пk* – оптимальные (рациональные) значе‑ ния параметров, характеризующих С1j и С2k соот‑ ветственно. Если дополнительно ввести условие, что цель достигается только при воздействии на объект, то слагаемые аддитивных сверток (5) следует допол‑ нить булевыми сомножителями, принимающими единичное значение при достижении требуемой степени воздействия на объект и нулевое – в про‑ тивном случае. Введем следующие ограничения: значения ва‑ рьируемых параметров СВ не должны противо‑ речить их физическому смыслу и превышать предельно допустимые уровни для реально суще‑ ствующих (перспективных) СВ; тактико-техниче‑ ские характеристики СВ первого и второго класте‑ ров должны быть сопоставимы и обеспечивать их применение по удаленным территориально разне‑ сенным объектам. Во избежание возможных коллизий маршруты мониторинга общих целей составлены таким об‑ разом, чтобы исключить одновременную ревизию состояния какого-либо ОВ (точки прицеливания) разными СВ второго кластера. Методический подход к организации автономного управления группой СВ при применении по территориально разнесенным объектам Поскольку вклад второго кластера зависит не только от значений ряда варьируемых параметров каждого С2k (3), но и от вклада первого кластера, размер которого заранее определить невозможно, то рассматриваемая задача относится к классу за‑ дач выбора в условиях неопределенности [5]. Такие задачи обычно решаются путем имитационного мо‑ делирования исследуемых процессов, причем для уменьшения их размерности часть исследуемых параметров задают в дискретном виде по ограни‑ ченным выборкам.

50

Из содержательной постановки рассматрива‑ емой задачи следует, что в качестве основных ва‑ рьируемых параметров логично рассматривать ко‑ личество АСВ в группе, число циклов и маршруты мониторинга ОВ в циклах для каждого из АСВ. Остальные варьируемые параметры (3) следует считать дополнительными. Вариант последовательности действий СВ в районе боевого применения представлен на рис. 2. В ходе мониторинга состояние ОВ ана‑ лизируется и запоминается. При этом, если до‑ стигнут требуемый уровень воздействия, объект исключается из списка мониторинга на последую‑ щих циклах как обслуженный. Из представленной схемы видно, что достижение максимума целевой функции является результатом итерационного процесса, представляющего собой совокупность параллельных процедур циклического последова‑ тельного самостоятельного поиска СВ второго кла‑ стера необслуженных общих ОВ с последующим воздействием по ним. Однако указанную последовательность дей‑ ствий можно считать корректной, только если введено условие необходимости достижения за‑ данного целевого эффекта при воздействии на объект. Если такое условие отсутствует, то АСВ должно сначала оценить текущие уровни воздей‑ ствия по общим объектам, выделенным ему для мониторинга, и, учитывая ранг ОВ и свои потенци‑ альные возможности, выбрать наиболее выгодный вариант осуществления воздействия на объект. То есть АСВ должно первоначально провести монито‑ ринг общих объектов, выбрать из них по заданным критериям наиболее выгодный, долететь до него, проверить еще раз его состояние и провести воз‑ действие или выбрать другой объект. Таким образом, задача поиска рационального количества циклов и очередности обследования ОВ (значений нkli) в циклах для нескольких АСВ явля‑ ется нетривиальной, ее решение во многом опре‑ деляется как размерностью и спецификой исходной задачи целераспределения, так и особенностями конкретных ОВ. Поэтому и разработка возможных вариантов последовательности действий АСВ явля‑ ется сложным плохо формализуемым процессом, и только применение имитационного моделирования позволяет найти искомые значения переменных для алгоритмов любого уровня сложности, пусть даже и путем длительного перебора возможных ва‑ риантов. Если в результате поиска будет получено мно‑ жество возможных сравнимых по результативности решений, необходимо перейти к многокритериаль‑ ному выбору путем введения показателей опера‑ тивности и ресурсоемкости, то есть к анализу эф‑ фективности найденных вариантов алгоритмов.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Автоматизированные системы управления

Начало

СВ достигли района применения

Воздействие по объектам СВ 1-го кластера

Начало очередного цикла мониторинга ОВ СВ 2-го кластера

Да Все объекты обслужены?

Нет

Нет Да

Маршрут мониторинга завершен

Запас топлива достиг критического уровня

Да

Нет Перелет и мониторинг состояния очередного ОВ

Исключение ОВ из списка мониторинга

Да

Перелет и воздействие на дополнительный (собственный) ОВ рангом ниже

ОВ обслужен? Нет

Воздействие по объекту

Конец

Рисунок 2. Вариант последовательности действий средств воздействия в районе применения по целевому назначению

Результаты моделирования Моделирование применения группы СВ по терри‑ ториально разнесенным объектам осуществлялось на программном комплексе моделирования применения воздушно-космических сил и средств в действиях ВС РФ, разработанного в ВКА имени А. Ф. Можайского. Использовались следующие ограничения: • ТТХ используемых в сеансах средств воздей‑ ствия однозначно позволяют им достичь ОВ даже с учетом перенацеливания и маневрирова‑ ния на конечном участке траектории; vre.instel.ru

• используются только конвенциональные СВ; • ОВ и наряд СВ выбирается таким образом, что любое СВ может воздействовать на любой ОВ (со‑ ставную часть общего ОВ) достаточно эффективно. При этом состав дополнительных ОВ задается та‑ ким образом, что, если в сеансе моделирования все основные ОВ отработаны и остался запас СВ, каждому типу СВ можно назначить соответствую‑ щий ему ОВ, а если все СВ израсходованы по ос‑ новному ОВ, то задача считается выполненной. Исходные данные представлены в таблице.

51

Автоматизированные системы управления Таблица. Исходные данные моделирования

№ варианта

1

2

3

4

Количество ОВ

8

8

8

8

Количество СВ первого кластера С1

8

7

6

5

Количество СВ второго кластера С2

-

1

2

3

W 1

0,8

0,6 W1 W2 WΣ

0,4

0,2

0 1

2

3 Номера вариантов

4

Рисунок 3. Результаты моделирования применения группы средств воздействия на территориально разнесенные объекты

Результаты моделирования применения группы СВ отображены на рис. 3. Сравнительный анализ приведенных результа‑ тов показывает, что при воздействии на множество территориально разнесенных объектов суммарный целевой эффект группы СВ, состоящей из двух кластеров, на 15–20% выше, чем в случае одно‑ кластерной группы, сформированной из такого же количества СВ без АСВ.

Заключение Предлагаемый методический подход к органи‑ зации автономного управления группой средств воздействия при применении по территориально разнесенным объектам может быть использован в качестве основы для создания соответствующей методики, которая за счет разработки новых спо‑ собов применения СВ позволит дополнительно ре‑ шать ряд практических задач: • оптимизация расхода АСВ при нанесении воз‑ действия назначенным объектам с заданным эффектом; • минимизация времени, затрачиваемого на мони‑ торинг и выбор целей из состава общих ОВ; • оптимизация запаса ресурсов АСВ, необхо‑ димого для достижения требуемого целевого эффекта воздействия по удаленным группо‑ вым ОВ; • оценка возможности использования вновь соз‑ даваемых и модернизируемых образцов беспи‑ лотных летательных аппаратов в качестве АСВ для реализации разрабатываемых алгоритмов применения; • определение требований к ТТХ перспективных СВ, предназначенных для осуществления раз‑ личных воздействий на существующие и прогно‑ зируемые удаленные групповые ОВ и т. п.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Неупокоев Ф. К. Противовоздушный бой. М.: Воениздат, 1989. 262 с.

2. Буренок В. М. Методология программно-целевого планирования развития систем вооружения на современном этапе. М.: Граница, 2013. 520 с.

3. Приказ Министра обороны Российской Федерации № 150 от 30.04.2007 (редакция от 18.07.2010) «Об утверждении Федеральных авиационных правил по штурманской службе государственной авиации».

4. Абросимов В. К. Коллективы интеллектуальных летательных аппаратов. М.: Наука, 2017. 302 с.

5. Аверин А. Н. и др. Нечеткие множества в моделях управления искусственного интеллекта / под ред. Д. А. Поспелова. М.: Наука, 1986. 312 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Самохвалов Олег Александрович, к. в. н., старший научный сотрудник лаборатории, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (921) 760-81-23, e-mail: garri7531@gmail.com. Петушков Александр Михайлович, к. в. н., старший научный сотрудник, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (921) 907-85-82, e-mail: petushkov.1961@yandex.ru.

52

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Автоматизированные системы управления For citation: Samokhvalov O. A., Petushkov A. M. Methodical approach to organization of autonomous management of group of means of exposure at application on territorially distance objects. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 47–53.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-47-53

O. A. Samokhvalov, A. M. Petushkov

METHODICAL APPROACH TO ORGANIZATION OF AUTONOMOUS MANAGEMENT OF GROUP OF MEANS OF EXPOSURE AT APPLICATION ON TERRITORIALLY DISTANCE OBJECTS The article discusses the task of increasing the target effect during the fire impact on objects by optimizing the distribution of means of exposure – aviation weapons. The possibility of autonomous control of means of exposure on remote, geographically dispersed objects is investigated. For rational use of resources, it is proposed to divide the group of means of exposure into two clusters, of which only one uses means with autonomous control. A methodological approach to solving the problem of autonomous control of a group of means of exposure is developed. Its practical application will allow optimizing the use of funds in the application of a given effect to designated remote objects. The conducted simulation showed that dividing the means of exposure into clusters and the use of autonomous control can increase the total target effect by 15–20%.

Keywords: retargeting, target allocation, cluster, efficiency

REFERENCES 1. Neupokoev F. K. Protivovozdushnyy boy [Air combat]. Moscow, Voyenizdat Publ., 1989, 262 p. (In Russian).

2. Burenok V. M. Metodologiya programmno-tselevogo planirovaniya razvitiya sistem vooruzheniya na sovremennom etape [The methodology of program-targeted planning for the development of weapons systems at the present stage]. Moscow, Granitsa Publ., 2013, 520 p. (In Russian).

3. Order of the Minister of Defense of the Russian Federation no. 150 of April 30, 2007 (edition of July 18, 2010) «On the ap‑ proval of the Federal Aviation Rules for the navigational service of state aviation».

4. Abrosimov V. K. Kollektivy intellektualnykh letatelnykh apparatov [Teams of intelligent aircraft]. Moscow, Nauka Publ., 2017, 302 p. (In Russian).

5. Averin A. N., et al. Nechetkiye mnozhestva v modelyakh upravleniya iskusstvennogo intellekta [Fuzzy sets in control models of artificial intelligence]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 312 p. (In Russian).

AUTHORS Samokhvalov Oleg, Ph. D., senior research associate, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., SaintPetersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (921) 760-81-23, e-mail: garri7531@gmail.com.

Petushkov Alexander, Ph. D., senior researcher, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (921) 907-85-82, e-mail: petushkov.1961@yandex.ru.

vre.instel.ru

53

Моделирование систем Для цитирования: Романов А. Е. Математическая модель степени опасности пожароопасной ситуации на корабле на основе системы нечеткого вывода // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 54–60.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-54-60 УДК 004.032.26

А. Е. Романов1 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ПОЖАРООПАСНОЙ СИТУАЦИИ НА КОРАБЛЕ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ НЕЧЕТКОГО ВЫВОДА Статья посвящена проблеме выявления пожароопасных ситуаций на морском транспорте с использованием математического моделирования на основе системы нечеткого вывода. Подробно описана поэтапная процедура нечеткого вывода: составление базы правил, фаззификация входных переменных, агрегирование подусловий, активация подзаключений, аккумулирование заключений, дефаззификация выходных переменных. Объяснен алгоритм формирования нечеткой базы знаний для обеспечения пожарной безопасности на корабле на основе алгоритма Мамдани. Выбран и обоснован вид функции принадлежности. Разработанная модель предназначена для использования в алгоритмическом обеспечении корабельных систем безопасности и борьбы за живучесть с целью повышения обоснованности принятых решений при контроле пожарной опасности. Указанное повышение обоснованности основывается на индивидуализации критериев определения степени пожарной опасности для каждого помещения и постоянном обновлении базы данных с численными значениями факторов, характеризующих пожарную опасность. Ключевые слова: пожарная безопасность, нечеткая логика, алгоритм Мамдани

Введение Накопленная за продолжительный период ин‑ формация [1] свидетельствует о том, что в боль‑ шинстве случаев началу пожара на морском транс‑ порте предшествует возникновение пожароопасной и предпожарной ситуаций. На этих этапах отсутствует пламенное горение. Первый этап характеризуется по‑ явлением контакта горючих веществ и материалов с окислителем (например, кислородом окружающей среды) и возникновением источника зажигания, вто‑ рой – термическим разложением твердых горючих ве‑ ществ, образованием паров легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), выделением в объем помещения горючих газов. Устранить эти ситуации можно за счет обесточивания аварийной электрической цепи, пони‑ жения давления в поврежденном трубопроводе, за‑ пуска принудительной вентиляции помещения и пр. Последствия подобных предаварийных ситуаций для судна таким образом оказываются сведены к мини‑ муму: в худшем случае выйдет из строя аварийное оборудование или его часть, однако своевременное принятие необходимых мер предотвратит катастро‑ фические последствия пожара. Не всегда возможно четко разграничить стадии развития пожара. Временной интервал между на‑ чальной и конечной стадиями может быть крайне малым (порядка единиц секунд) в ситуациях, когда 54

ЛВЖ воспламеняются моментально, нередко при‑ водя к взрывам. При других условиях загорание способно развиваться весьма медленно, и проти‑ вопожарные системы и службы корабля способны предотвратить развитие пожара в случае своевре‑ менного информирования. С целью поддержки принятия решений при по‑ жароопасной ситуации на корабле необходимо оце‑ нить угрозу, для чего требуется соответствующая модель. В связи с тем, что точная оценка факторов, сопровождающих пожароопасную ситуацию, пред‑ ставляется нерешаемой задачей ввиду уникально‑ сти каждого защищаемого от пожара объекта, для реализации модели целесообразно использовать системы нечеткого вывода (СНВ). Процесс нечеткого вывода Нечеткий вывод при определении степени опас‑ ности пожароопасной ситуации на корабле состоит из следующих последовательных этапов: • • • • • •

формирование базы правил; фаззификация входных переменных; агрегирование подусловий; активация подзаключений; аккумулирование заключений; дефаззификация выходных переменных.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Моделирование систем Раскроем подробнее содержание каждого этапа. База правил (БП) – это формальное представ‑ ление знаний в проблемной области. В системах нечеткого вывода в качестве формального пред‑ ставления знаний используются правила нечетких продукций, в которых заключения представлены в терминах нечетких лингвистических высказы‑ ваний. Таким образом, конечное множество пра‑ вил нечетких продукций составляет базу правил. Формирования базы правил предусматривает определение следующих множеств [2]:

(1)

• анализируется каждое подусловие полученного в результате фаззификации множества B = {bi’}; • в случае если условие правила является нечет‑ ким выражением, степень его истинности прини‑ мается равной bi’; • в случае если условие состоит из несколько подусловий, и при этом термы попарно не яв‑ ляются равными, то по предустановленным значениям истинности каждого из подусловий вычисляется степень истинности составного высказывания.

V = {β1, β2, … βm}; (2)

При применении правила нечеткой конъюнкции для вычисления степени истинности T необходимо воспользоваться одним из выражений [2]:

• правил нечетких продукций

P = {R1, R2, … , Rn};

• входных лингвистических переменных

• выходных лингвистических переменных

W = {ω1, ω2, … ωs}. (3)

V’ = {x1, x2, … xi, … xm},

(4)

где xi ∈ Xi, Xi – универсум логических переменных βi. Затем рассматривается каждое из подусловий вида «βi есть α’», где α’ – некоторый терм с извест‑ ной функцией принадлежности μ(x). При этом xi ис‑ пользуется в качестве переменной функции μ(x). Таким образом, вычисляется количественное зна‑ чение bi’ = μ(xi), являющееся результатом фаззифи‑ кации подусловия «βi есть α’». Получение всех значений bi’ = μ(xi) для каждого из подусловий всех компонентов базы правил сви‑ детельствует об окончании этапа фаззификации. Множество B = {bi’} является результатом данного этапа.

vre.instel.ru

,

Фаззификация входных переменных – проце‑ дура определения значений функций принадлеж‑ ности нечетких множеств на основании нечетких исходных данных. Процесс фаззификации заклю‑ чается в установлении соответствия между кон‑ кретным, зачастую численным, значением входного аргумента и значением функции принадлежности соответствующей этому аргументу входной линг‑ вистической переменной. В результате фаззифи‑ кации для всех входных аргументов вычисляются значения функций принадлежности по каждой из лингвистических переменных, которые применя‑ ются в подусловиях базы правил. Результатом фаззификации является получение множества значений всех входных переменных:

Агрегирование подусловий – вычисление сте‑ пени истинности условий для каждого правила. Оно происходит по следующему алгоритму:

(5)

,

(6)

T ( A ∧ B) = max {[T ( A)+T (B) −1], 0},

(7)

(8)

где A и B – нечеткие высказывания. При использовании нечеткой дизъюнкции для определения истинности, в свою очередь, приме‑ нима одна из следующих формул [2]: ,

(9) ,

(10)

T ( A ∨ B) = min {[T ( A)+T (B)],1},

(11)

(12)

При этом bi’ являются переменными для соот‑ ветствующих логических операций. В итоге вычис‑ ляются значения степени истинности всех условий правил. В результате выполнения этапа агрегирования определяются все значения bk’’ для каждого из пра‑ вил Rk базы правил и составляется множество

B’’ = {b1’’, b2’’, … , bn’’}.

(13)

55

Моделирование систем Активизация подзаключений – процесс вычисле‑ ния степени истинности каждого из подзаключений правил. Он происходит по следующему алгоритму: • в случае если заключение правила является не‑ четким высказыванием, степень его истинности будет определяться выражением bi’’ × Fi, где bi’’ – значение, соответствующее заключению, Fi – ве‑ совой коэффициент; • в случае если заключение правила является со‑ ставным и включает некоторое количество под‑ заключений, а лингвистические переменные в подзаключениях попарно различны, то степень истинности каждого из подзаключений будет определяться выражением bi’’ × Fi. Таким образом, вычисляются все степени ис‑ тинности подзаключений ck для каждого правила Rk множества P базы правил. В итоге получается мно‑ жество: C = {c1, c2,…, cq},

(14)

где q – суммарное число подзаключений в базе правил. После формирования множества C вычисляются функции принадлежности каждого из подзаключе‑ ний для рассматриваемых выходных лингвистиче‑ ских переменных, для чего могут применяться сле‑ дующие методы [2]:

интегрирование всех степеней истинности заклю‑ чений для определения функции принадлежности каждой из ЛП. Процедура аккумулирования происходит по сле‑ дующему алгоритму: • анализируется каждая из выходных ЛП ωj ∈ W и относящиеся к ней нечеткие множества Cj1, Cj2,…, Cjq; • результатом аккумулирования для выходной пе‑ ременной ωj является объединение D нечетких множеств Cj1, Cj2,…, Cjq по одному из приведен‑ ных выражений [2]: ,

(18)

, (19)

{

}

(20)

(21)

,

(22)

µ D (x) = min ⎡⎣µ c j1 (x)+...+µ c jq (x)⎤⎦,1 ,

где λ ∈ [0,1].

• min-активизации ;

(15)

• prod-активизации

;

(16)

• average-активизации

,

(17)

где μ(y) – функция принадлежности терма, который является значением выходной переменной ωj, при‑ надлежащей универсуму Y. В результате выполнения процедуры активизации подзаключений для каждой из результирующих линг‑ вистических переменных, входящих в определенные подзаключения правил, вычисляются функции при‑ надлежности нечетких множеств их значений, т. е. со‑ вокупность нечетких множеств: C1, C2, …, Cq. Аккумулирование заключений – нахождение функции принадлежности для каждой из резуль‑ тирующих лингвистических переменных (ЛП) мно‑ жества W. Целью данной процедуры является 56

В результате выполнения процедуры аккуму‑ лирования для каждой из выходных переменных определяются результирующие функции принад‑ лежности нечетких множеств и их значений, т. е. совокупность нечетких множеств: C1’, C2’, … , Cs’. Дефаззификация выходных переменных – это процедура нахождения количественного значения для каждой выходной ЛП множества W. Выполнение процедуры дефаззификации про‑ водится по следующему алгоритму: анализируется каждая из выходных переменных ωj ∈ W и соответ‑ ствующее ей нечеткое множество Cj’; результатом дефаззификации для выходной переменной ωj яв‑ ляется значение yj = R, полученное с помощью раз‑ личных методов [2]: • центра тяжести

,

(23)

где y – результат дефаззификации, x – переменная, которая соответствует выходной ЛП ωj;

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Моделирование систем • центра тяжести для одноточечных множеств

,

(24)

где n – число единичных нечетких множеств, каж‑ дое из которых соответствует единственному зна‑ чению рассматриваемой выходной переменной; • центра площади ;

(25)

• левого модального значения

.

(26)

Построение нечеткой базы знаний Составление нечеткой базы знаний для обеспе‑ чения пожарной безопасности на корабле выпол‑ нено с применением алгоритма Мамдани [3]. Этот алгоритм был предложен в 1975 г. английским ма‑ тематиком Е. Мамдани для управления паровым двигателем и является одним из первых, нашед‑ шим применение для построения СНВ. Суть данного алгоритма заключается в следу‑ ющем: • формирование базы правил и фаззификация реализуются в соответствии с процедурами, описанными выше; • с целью установления истинности условий каж‑ дого из правил нечетких продукций применя‑ ются парные нечеткие логические операции – правила, степень истинности условий которых не равна нулю, полагаются активными и прини‑ мают участие в дальнейших расчетах; • активизация реализуется по (15); • аккумулирование реализуется по (18); • дефаззификация реализуется по методу центра тяжести (23). В качестве множества входных лингвистических переменных V (2) приняты следующие факторы по‑ жароопасной ситуации: • • • • •

β1 – температура воздуха в помещении; β2 – оптическая плотность воздуха; β3 – концентрация аэрозоля; β4 – наличие искры; β5 – наличие горючих материалов или веществ (ГМВ); • β6 – целостность тары.

vre.instel.ru

Термами α’ входных ЛП являются выражения: «низкий уровень», «средний уровень», «высокий уровень». Множеством выходных ЛП W (3) выступает мно‑ жество степеней пожарной опасности ωi. На основе документов, регламентирующих пра‑ вила пожарной безопасности на морских судах [4], а также результатов экспериментальных исследо‑ ваний [5] была сформирована база правил – мно‑ жество нечетких продукций P(1). Система нечеткого вывода, сформированная на основании указанных правил, позволяет избежать чрезмерного объема вычислений, что является критическим при исполь‑ зовании системы в режиме реального времени. Нечеткие переменные β1, β2 и β3 определены тремя термами: «низкий уровень», «средний уро‑ вень», «высокий уровень». Переменные β4, β5 и β6 определены двумя термами: «низкий уровень», «высокий уровень». В качестве выходных переменных выступают степени опасности пожароопасной ситуации: • «Критическая» – критические превышения нор‑ мальных значений факторов, вызывающие по‑ явление условий возникновения пожара; • «Высокая» – превышения нормальных значений факторов, вызывающие появление условий воз‑ никновения пожара; • «Средняя» – отклонения факторов от нормаль‑ ных значений, вызывающие одно из условий возникновения пожара; • «Низкая» – значения факторов, вызывающих возникновение пожара, находятся в заданных пределах. Таким образом, была построена база правил, содержащая 33 × 23 = 216 продукционных правил R (табл. 1). На основании государственных стандартов, правил Российского морского регистра судоход‑ ства [4, 6] и экспериментальных исследований [5] определяются значения термов лингвистических переменных (табл. 2 и 3). Выбор функции принадлежности Функция принадлежности нечеткого множества представляет степень принадлежности каждого члена пространства рассуждения к данному нечет‑ кому множеству. Функция принадлежности μ(x) графически изо‑ бражена на рис. 1 и 2. Вид функции выбран, исходя из адекватного соответствия соответствующей лингвистической переменной и простоты последующей работы с мо‑ делью с использованием вычислительных средств.

57

Моделирование систем Таблица 1. База продукционных правил

Поряд- ковый номер

Степень пожарной опасности

Факторы пожароопасной ситуации, уровень

i

β1

β2

β3

β4

β5

β6

ωi

1

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Низкая

2

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Низкая

3

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Низкий

Средняя

4

Низкий

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Высокий

Низкая

5

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Низкий

Низкий

Низкая

6

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Низкий

Высокий

Низкая

7

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Высокий

Низкий

Средняя

8

Низкий

Низкий

Низкий

Высокий

Высокий

Высокий

Низкая

9

Низкий

Низкий

Средний

Низкий

Низкий

Низкий

Низкая

10

Низкий

Низкий

Средний

Низкий

Низкий

Высокий

Низкая

…

…

…

…

…

…

…

…

216

Высокий

Высокий

Высокий

Высокий

Высокий

Высокий

Критическая

Таблица 2. Значения параметров ЛП, характеризующиеся тремя термами

Наименование переменной

Значение переменной x’1

x’2

x’3

Температура в помещении, °С

30

50

100

Оптическая плотность, дБ/м

0

0,05

0,2

Концентрация аэрозоля, мг/м3

0

1

10

Таблица 3. Значения параметров ЛП, характеризующиеся двумя термами

Наименование переменной

Значение переменной x’1

x’2

Наличие искры

0

1

Наличие ГМВ

0

1

Целостность тары

0

1

В соответствии с нормативными документами [4, 6] и экспериментальными исследованиями [5] именно треугольный и трапециевидный типы функции при‑ надлежности в полной мере соответствуют реаль‑ ному характеру исследуемого фактора – степени пожарной опасности.

58

Использование более сложных типов функции принадлежности: сигмоидов, сплайнов, гауссовых – не является оправданным в данной задаче, так как все характеристические признаки пожароопасной ситуации (термы, характеризующие нечеткие пере‑ менные) устанавливают линейные зависимости.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

Моделирование систем

µ(x) Низкий уровень

Средний уровень

Высокий уровень

1

0

x’1

x’2

x’3

x

Рисунок 1. Функции принадлежности нечетких переменных, характеризуемых тремя термами

µ(x) Низкий уровень

Высокий уровень

1

0

x’1

x’2

x

Рисунок 2. Функции принадлежности нечетких переменных, характеризуемых двумя термами

Заключение Управление движением корабля и его энерге‑ тической установкой осуществляется с ходового мостика и из центрального поста управления с использованием интегрированной автомати‑ зированной системы управления кораблем. Она осуществляет обмен информацией со многими корабельными системами, включая систему по‑ жарной сигнализации. Для повышения эффектив‑ ности работы операторов автоматизированные рабочие места оснащаются системами информа‑ ционной поддержки (СИП). На серверах системы размещены базы данных, которые содержат ак‑ туальную информацию о корабле, его системах и технических средствах. Оборудование и программное обеспечение СИП наилучшим образом подходят для реали‑ зации автоматизированного контроля пожарной опасности на корабле, целью которого явля‑ ется предупреждение развития пожароопасной ситуации с переходом в возгорание, а также vre.instel.ru

определение местонахождения источника пожа‑ роопасной ситуации. С целью реализации функций обнаружения пожароопасных ситуаций в корабельных СИП должна быть сформирована регулярно обновляе‑ мая база данных с численными значениями фак‑ торов, характеризующих пожарную опасность. На основании этих данных определяются досто‑ верные интервалы значений факторов, а также скорости их изменения в различных режимах ра‑ боты корабельных технических средств, условиях окружающей среды и при разных значениях иных внешних воздействующих факторов. Для каждого помещения должны быть приняты условия выдачи сигналов предупреждения о на‑ личии пожароопасной ситуации. В таком случае СИП в повседневном режиме эксплуатации может своевременно предупреждать об угрозе пожара и минимизировать ложные срабатывания системы пожарной сигнализации, что обеспечит снижение времени, затрачиваемое на обнаружение пожара.

59

Моделирование систем СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Шарапов С. В., Крутолапов А. С., Копейкин Н. Н. Анализ информации о пожарах на судах и о практике их тушения в портах // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. № 26 (1). С. 52–60.

2. Поспелов Д. А. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. М.: Наука, 1986. 316 с.

3. Тупиков Д. В. Система нечеткого вывода по обнаружению пожароопасных ситуаций на взрыво- и пожароопасных производствах. Компьютерные науки и информационные технологии: материалы междунар. науч. конф. Саратов: ИЦ «Наука», 2014. С. 341–344.

4. Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации, НД:2-030101-009. ФАУ «Российский морской регистр судоходства», 2020. 285 с.

5. Результаты экспериментальных исследований в области раннего и сверхраннего обнаружения пожара в судовых помещениях / С. В. Ковальчук, М. В. Марковский, А. А. Райков, С. В. Шедько // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. № 3 (381). С. 68–74.

6. ГОСТ Р 53325-2012. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требова‑ ния и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2012. 262 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Романов Александр Егорович, инженер, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федера‑ ция, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (953) 342-41-19, e-mail: romanov_ae@radar-mms.com.

For citation: Romanov A. E. Mathematical model of marine fire-dangerous situation hazard rate based on fuzzy output system.

Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 54–60.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-6-54-60

A. E. Romanov

MATHEMATICAL MODEL OF MARINE FIRE-DANGEROUS SITUATION HAZARD RATE BASED ON FUZZY OUTPUT SYSTEM The article describes development of mathematical model of marine fire-dangerous situation hazard rate based on fuzzy output system. Stepwise process of fuzzy inference is described in detail, particularly: formation of rules base, input variables fuzzification, aggregation of sub-conditions, activation of sub-conclusions, accumulation of conclusions and defuzzification of the output variables. Algorithm of fuzzy marine fire safety database formation based on Mamdani algorithm is disclosed. Membership function type is chosen and substantiated.

Developed model provides algorithmic support of security and viability marine systems with mathematical apparatus for decision making for the purpose of elimination of fire or effective fire-extinguishing in case of rapid flame development. Integration of developed mathematical model inside ship information management systems’ algorithmic support is capable of dramatically raise effectiveness of decisions made while providing fire safety on ships.

Keywords: fire safety, fussy logic, Mamdani algorithm

REFERENCES 1. Sharapov S. V., Krutolapov A. S., Kopeikin N. N. Analysis of information about fires on ships and about the practice of their extinguishing in ports. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2017, no. 26 (1), pp. 52–60. (In Russian).

2. Pospelov D. A. Nechetkiye mnozhestva v modelyakh upravleniya i iskusstvennogo intellekta [Fuzzy sets in control and artificial intelligence models]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 316 p. (In Russian).

3. Tupikov D. V. Fuzzy inference system for detecting fire hazardous situations at explosion and fire hazardous industries.

(Conference proceedings) Kompyuternyye nauki i informatsionnyye tekhnologii. Saratov, Nauka Publ., 2014, pp. 341–344.

(In Russian).

4. Guidelines for technical supervision of ships in service, ND: 2-030101-009. Rossiyskiy morskoy registr sudokhodstva, 2020, 285 p. (In Russian).

5. Kovalchuk S. V., Markovsky M. V., Raikov A. A., Shedko S. V. Results of experimental research in the field of early and very early fire detection in ship premises. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra, 2017, no. 3 (381), pp. 68–74.

(In Russian).

6. GOST R 53325-2012. Fire techniques. Means of fire automatics. The general technical requirements. Test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2012, 262 p. (In Russian).

AUTHOR Romanov Alexander, engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (953) 342-41-19, e-mail: romanov_ae@radar-mms.com.

60

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ К рассмотрению принимаются нигде не опубли‑ кованные ранее рукописи статей с оригинальными результатами теоретических и экспериментальных исследований в области радиоэлектроники. Мини‑ мальный объем статьи – 18000 печатных знаков (с пробелами), максимальный объем статьи – 23000 печатных знаков (с пробелами), включая формулы, иллюстрации, таблицы. Обязательными являются следующие элементы статьи: • Тематическая рубрика журнала, к которой должна быть отнесена статья.

• Индекс УДК.

• Название статьи, максимально конкретное и ин‑ формативное, на русском и английском языках.

• Ф.И.О. всех авторов (полностью) на русском и английском языках.

• Информация об авторах на русском и англий‑ ском языках: регалии; место работы (полное и сокращенное название организации, почтовый адрес с указанием города и почтового индекса), должность; электронный адрес; телефон. Если авторов несколько, то информация должна быть представлена по каждому из них.

• Аннотация статьи на русском и английском язы‑ ках. В аннотации подчеркивается новизна и ак‑ туальность темы (без повтора заглавия статьи в тексте аннотации). Аннотация статьи должна быть информативной и подробной, описывать методы и главные результаты исследования. Из аннотации должно быть ясно, какие вопросы поставлены для исследования и какие ответы на них получены. Предпочтительна структура ан‑ нотации, повторяющая структуру статьи и вклю‑ чающая введение, цели и задачи, методы, резуль‑ таты/обсуждение, заключение/выводы. Объем аннотации составляет 100–200 слов.

• Ключевые слова на русском и английском язы‑ ках. Должны отражать основное содержание статьи, но, по возможности, не повторять ее на‑ звание. Рекомендуемый объем – ​3–6 слов или коротких словосочетаний.

• Основной текст статьи. Следует соблюдать еди‑ нообразие терминов, а также единообразие в обо‑ значениях, системах единиц измерения, номен‑ клатуре. Следует избегать излишних сокращений, кроме общеупотребительных. Если сокращения все-таки используются, то они должны быть рас‑ шифрованы в тексте при первом упоминании.

• Список литературы, на русском и английском языках. Должен в достаточной мере отражать современное состояние исследуемой обла‑ сти и не быть избыточным. Должен содержать ссылки на доступные источники. Не цитируются тезисы, учебники, учебные пособия, диссерта‑ ции без депонирования. Допустимый объем са‑ моцитирования автора не более 20% от источни‑ ков в списке литературы.

• Список иллюстраций должен располагаться в конце статьи и содержать названия статей и подписи, размещенные на рисунке. vre.instel.ru

Правила оформления статей Материалы статьи представляются для публика‑ ции в электронном виде. В состав электронной версии статьи должны входить текстовая часть в формате MS Word (фор‑ мулы в MathType), а также иллюстрации в виде от‑ дельных графических файлов (каждый файл дол‑ жен содержать один рисунок). Статья представляется в итоговом варианте, т. е. не предполагает существенных авторских измене‑ ний и дополнений, а также не содержит исправле‑ ний, отображаемых на полях или в тексте работы. Английский блок должен включать (в указанном порядке): заголовок статьи, Ф. И. О. всех авторов, аннотацию, ключевые слова, список литературы в романском алфавите. Графический материал Все иллюстрации должны быть черно-белыми. Иллюстрации для каждой статьи должны нахо‑ диться в отдельной папке с названием статьи; назва‑ ние файла должно включать номер рисунка. Каждый файл должен содержать только один рисунок. Параметры иллюстраций: • форматы *.tif или *.eps; • цветовая модель Grayscale (Black 95%), разре‑ шение 300 dpi при 100%-ной величине; • цветовая модель Bitmap, разрешение не ниже 600 dpi; • толщины линий не менее 0,5 point; • не следует использовать точечные закраски в программах работы с векторной графикой, та‑ ких как Noise, Black&white noise, Top noise; • не следует добавлять сетку или серый фон на за‑ дний план графиков и схем; • желательно иллюстрации предоставлять в двух вариантах (первый – ​со всеми надписями и обо‑ значениями, второй – ​без текста и обозначений); • все надписи на рисунках и названия рисунков обязательно (!) должны быть набраны текстом и располагаться на отдельной странице в тек‑ стовой части статьи. Текст статьи Текст должен быть в формате MS Word; на‑ бран через двойной интервал; шрифтом Times New Roman, размер шрифта – 1 ​ 2 пунктов. Не следует вводить больше одного пробела под‑ ряд (в том числе при нумерации формул). Исполь‑ зуйте абзацный отступ и табуляцию. Подзаголовки должны быть без нумерации. Таблицы представляются в формате MS Word. Их следует располагать в тексте непосредственно после ссылки на таблицу. В тексте статьи должны быть ссылки на все ри‑ сунки и таблицы. Если в статье один рисунок и/или таблица, номер не ставится. Рисунки с цифро-бук‑ венной нумерацией обозначаются в тексте без за‑ пятой и пробела (например, рис. 1а). В шапке таблицы пустых ячеек быть не должно.

61

Правила представления статей В таблице не должно быть графы с порядковым номером. Если нумерация строк необходима, то по‑ рядковый номер указывается непосредственно пе‑ ред текстом. При отсутствии данных в ячейках должны быть прочерки (т. е. пустых ячеек быть не должно). Подписи к рисункам должны содержать расшиф‑ ровку всех обозначений, использованных на рисунке. На отдельном листе в конце статьи должны быть набраны названия рисунков с подписями, а также текст, размещенный на рисунках. Формулы и буквенные обозначения Все формулы должны быть набраны только (!) в математическом редакторе MathType с настрой‑ ками строго (!) по умолчанию. Не допускается на‑ бор из составных элементов (часть – ​текст, часть –​ математический редактор). Не допускается также вставка формул в виде изображений. Формулы располагают по месту в тексте статьи. По возможности следует избегать «многоэтаж‑ ных» формул. В частности, в сложных формулах экспоненту рекомендуется представлять как «exp». Дроби предпочтительно располагать отдельной строкой, числитель от знаменателя отделять гори‑ зонтальной чертой. В десятичных дробях для отделения целой части используется запятая (например, 10,5). В качестве знака умножения используется сим‑ вол точка (·), при переносе формулы в качестве знака умножения следует использовать символ крест (×). Знак умножения в формулах ставится только (!) перед цифрой и между дробями. В формулах и тексте скалярные величины, обо‑ значаемые латинскими буквами, набираются курси‑ вом, обозначаемые греческими буквами – ​прямым шрифтом. Для обозначения векторных величин используется прямой полужирный шрифт, стрелка вверху не ставится. Одиночные буквы или символы, одиночные пе‑ ременные или обозначения, у которых есть только верхний или только нижний индекс, единицы изме‑ рения и цифры в тексте, а также простые матема‑ тические и химические формулы следует набирать в текстовом режиме без использования внедрен‑ ных рамок (т. е. без использования математических редакторов). Слова «минус» и «плюс» перед цифрами обо‑ значаются знаками (например, +4; –6). Размерности Размерности отделяются от числа пробелом, кроме градусов, процентов, промилле. Для сложных размерностей допускается исполь‑ зование как отрицательных степеней, так и скобок. Главное условие – ​соблюдение единообразия на‑ писания одинаковых размерностей по всему тексту и в иллюстрациях. При перечислении, а также в числовых интерва‑ лах размерность приводится только после послед‑ него числа (например, 18–20 кг), за исключением угловых градусов.

62

Числовой диапазон оформляется коротким тире без пробелов (например, 18–20). Размерности переменных пишутся после их обо‑ значений через запятую, а не в скобках. Список литературы В журналах принимается Ванкуверская система цитирования – ​последовательный численный стиль: ссылки нумеруются по ходу их упоминания в тексте, таблицах и рисунках. Единый список литературы оформляется также в порядке упоминания в тексте. На все работы, включенные в список литера‑ туры, должна быть ссылка в тексте. Допустимый объем самоцитирования автора не более 20% от источников в списке литературы. Не цитируются: • тезисы, учебники, учебные пособия; • диссертации без депонирования. Единый список литературы на русском языке размещают в конце текста статьи и озаглавливают «Список литературы». Единый список литературы в романском алфа‑ вите (латинице) размещают в англоязычном блоке после ключевых слов (Keywords) и озаглавливают References. В тексте статьи ссылки приводят квадратных скобках: [1–5] или [1, 3, 5]. Источники приводят на языке оригинала. Рус‑ ские – ​на русском, англоязычные – ​на английском. Пример оформления статьи из периодического издания: Таран П. П., Иванов А. А. Глобализация и трудо‑ вая миграция: необходимость политики, основан‑ ной на правах человека // Век глобализации. 2010. № 1. С. 66–88. Пример оформления книги: Костылева Л. В. Неравенство населения России: тенденции, факторы, регулирование. М.: ИСЭРТ РАН, 2011. 200 с. Пример оформления электронного источника: Костылева Л. В. Неравенство населения Рос‑ сии: тенденции, факторы, регулирование [Элек‑ тронный ресурс]. М., 2011. 30 с. Адрес доступа: http://elsevierscience.ru/ Подписи к рисункам На отдельном листе должны быть набраны (в по‑ рядке упоминания в тексте) порядковый номер ри‑ сунка, его название, а также все надписи, располо‑ женные на рисунке. Подписи к рисункам должны содержать расшифровку всех обозначений, ис‑ пользованных на рисунке. Комплект предоставляемых материалов Комплект материалов рукописи статьи должен включать электронную версию статьи; иллюстрации в виде отдельных графических файлов; экспертное заключение о разрешении публикации материалов в открытом доступе. Материалы следует загружать через электрон‑ ную форму на сайте vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES Accepted for consideration manuscript with original results of theoretical and experimental research in the field of electronics with no publishing record. The minimal article length is 18000 printed characters (with spaces), the maximum article length is 23 000 printed characters (with spaces), including formulas, illustrations, tables.

The mandatory elements of the articles are the fol‑ lowing: • Thematic heading of magazine to which article should be carried • Index of the universal decimal classification.

• The name of article, at the most specific and infor‑ mative, in Russian and English languages.

• The information on authors, in Russian and English languages: regalia; place of job (the full and short‑ hand name of the organization, the post address with the indication of city and the postal index), a po‑ sition; the electronic address; phone. If there’re few authors then the information should be presented on each of them.

• The summary of article in Russian and English lan‑ guages. Novelty and a urgency of subject matter (without repetition of the title of article in the text of the summary) should be emphasized in the sum‑ mary. The summary of article have to be informative and detailed, describe methods and the main results of research. The summary has to cover what ques‑ tions are put for research and the answers to them are received. The structure of the summary has to repeat structure of article and including introduction, objectives and problems, methods, results/discus‑ sions, the conclusion/conclusions is preferential.

The volume of the summary makes 100–200 words.

• Key words in Russian and English languages.

Should reflect the main content of the article, but if possible not to repeat its name. The recommended amount – ​3–6 words or short phrases.

• The main text of the article. The uniformity of terms should be observed as well as uniformity in the no‑ tation, systems of units, nomenclature. Avoid unnec‑ essary abbreviations commonly used in addition. If the abridgement is still used then it must be tran‑ scribed in the text at the first mention.

• References in English and Russian languages. Must adequately reflect the current state of the study area and not be excessive. Must contain references to available sources. Not quoted theses, textbooks, manuals, thesis without deposit. The allowable amount of self-citation of the author should not ex‑ ceed 20% of the sources in the bibliography.

• The list of illustrations should be placed down in the end of article and contain names of articles and the signatures placed in picture. vre.instel.ru

Formalized rules for articles Materials of the Articles are submitted for publication in electronic form.

The electronic version of the paper should include the text portion in MS Word format (formulas in Math‑ Type), as well as illustrations as separate image files (each file should contain one figure).

The article appears in the final version and copyright does not involve significant changes and additions, as well as does not include patches that are displayed in the fields or in the text of the work.

English unit should include (in indicated order): title of the article, name all authors, abstract, keywords, ref‑ erences in the Roman alphabet.

Graphical material All illustrations should be in black and white.

Illustrations for each article must be in a separate folder with the title of the article; File name should in‑ clude the figure number. Each file must contain only one drawing. illustrations parameters: • formats *.tif or *.eps; • color model Grayscale (Black 95%), the resolution of 300 dpi at 100% value; • color model Bitmap, resolution of at least 600 dpi; • Lines’s thickness of not less than 0,5 point; • It is not necessary to use dot shadings in pro‑ grams of work with vector graphics, such as Noise, Black*white noise, Top noise • It is not necessary to add a grid or a grey background on a background of charts and diagrams; • it is desirable to provide the illustrations in two ver‑ sions (the first – ​with all the inscriptions and sym‑ bols, the second – w ​ ithout text and symbols); • All signs in the figures and the names of figures is obligatory (!) Should be typed in the text and placed on a separate page in the text of the article.

The text of article The text should be in MS Word format; typed dou‑ ble-spaced; font Times New Roman, font size – ​12 points.

Do not enter more than one space in a row (including the numbering of formulas). Use indentation and tabs.

Subtitles should be without numbering.

Tables submitted in MS Word format. They should be placed in the text immediately following the refer‑ ence to the table.

The text of the article should be a reference for all figures and tables. If an article of one figure and / or ta‑ ble number is not assigned. Figures alphanumeric num‑ bering are indicated in the text without a comma and a space (for example, Fig. 1a).

63

Rules for submitting articles In the header of the table empty cells should not be.

The table should not have graphs with a serial num‑ ber. If line numbering is needed, the serial number is indicated immediately before the text.

In the absence of data in the cells must be dashes (empty cells should not be).

Captions should include decoding of symbols used in the figure.

On a separate sheet at the end of the article should be typed in the names of images with captions, and also the text that appears in the figures.

Formulas and letter designations All formulas should be typed only (!) In MathType mathematical editor. Not allowed set of constituents (Part – ​text part – ​mathematical editor). There can be no insert formulas in the form of images. Formula for a place in the text.

If possible, avoid «multi-storey» formulas. In partic‑ ular, complex formulas recommended exponent of as «exp».

Fractions are preferably arranged separately, the numerator by the denominator separated by a horizon‑ tal line.

In decimal fractions to separate the integer part of a comma (eg 10,5).

As a sign of multiplication using the dot (·), when transferring the formula should use the cross symbol (×) as a multiplication sign.

The multiplication sign in the formulas is put only (!) before a figure between fractions.

In the formulas and text scalar quantities, denoted by Latin letters, italicized, denoted by Greek letters – ​font.

To indicate vector quantities used straight bold, arrow at the top is not put.

Single letters or symbols, single variables or sym‑ bols that have only the upper or only the lower the index, units, and figures in the text, as well as simple mathematical and chemical formulas should be typed in text mode without the use of embedded frames (ie, without the use of Mathematical editors).

The words «minus» and «plus» to the numbers indi‑ cated by signs (eg 4, –6).

Dimensions Dimensions are separated from the number by a space, except degrees, percent, per mille.

For complex dimensions allowed as the negative powers, and parentheses. The main condition – ​that the consistency of writing the same dimensions throughout the text and illustrations.

In the listing, as well as the dimension of the numer‑ ical ranges given only after the last day (e. g. 18–20 kg) except angular degrees.

A numeric range is made short dash without spaces (for example, 18–20).

64

The dimensions of the variables are written after the notation, separated by commas, but not in parentheses.

Bibliography The magazines use the Vancouver citation system –​ consistent numerical style: links are numbered in the course of their appearance in the text, tables and fig‑ ures. A single list of references is also executed in the order mentioned in the text.

All work included in the list of references should be referenced in the text.

The allowable amount of self-citation is not the au‑ thor of more than 20% of the sources in the bibliogra‑ phy.

Do not quoted: • theses, textbooks, teaching aids; • dissertation without deposit.

A unified list of literature in Russian is placed at the end of the text and the headline «References».

A unified list of references in the Roman alphabet (Roman alphabet) are placed in an English-speaking unit after keywords (CET Keywords) and headline Ref‑ erences.

The text of the article links lead brackets: [1–5] or [1, 3, 5].

Sources of lead in the original language. Russian –​ Russian, English language – E ​ nglish.

A sample of articles from periodicals: Taran P. P., Ivanov A. A. Globalization and labor mi‑ gration: the need for a policy based on human rights // Century of Globalization. 2010. № 1. pages 66–88.

Formalizing example for the book Kostyleva L. V. Inequality of the Russian population: trends, factors that regulation. M.: ISERT RAS, 2011.

200 p.

Example of electronic sources: Kostyleva L. V. Inequality population of Russia: ten‑ dencies, factors, regulation [electronic resource]. M., 2011. 30 p. Access Location: http://elsevierscience.ru/ Signatures to pictures On a separate sheet should be typed (in order of appearance in the text) the serial number of the picture, its name, as well as all the inscriptions located in the picture. Captions should include decoding of symbols used in the figure.

The complete set of provided materials The complete set of materials of the manuscript of article should include the electronic version of article; illustrations in the form of separate graphic files; expert opinion on the permission of the materials publication in open access.

Materials should be submit online vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 6/2020