Tester ATE do wtórnych radarów dozorowania

Rys. 1. Architektura zautomatyzowanego stanowiska testowego dla wtórnych radarów dozorowania

W przeciwieństwie do radarów pierwotnych, wtórny radar dozorowania (SSR) oblicza zasięg i azymut celu - przykładowo samolotu - wykorzystując dwukierunkowe łącze komunikacyjne. Dzięki powyższemu rozwiązaniu uzyskuje się dostęp do informacji, takich jak identyfikator, wysokość przelotu czy kod kraju statku powietrznego. SSR wykorzystywany jest przez inżynierów w lotnictwie wojskowym i cywilnym. W pierwszym przypadku podstawową funkcją radaru jest identyfikacja swój-obcy (Identification Friend or Foe).

SSR może działać w kilku trybach, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie różnych informacji od statku powietrznego. Stacja naziemna wysyła impulsy przesłuchujące o częstotliwości 1030 MHz poprzez obrotową, dwukierunkową antenę. W momencie, gdy obiekt wykryje zapytanie, jego transponder odpowiada określoną ramką impulsów nadawaną na częstotliwości 1090 MHz.

Radar pracujący po stronie stacji naziemnej odpowiada za generowanie impulsów przesłuchujących, żądając od obiektu informacji zwrotnych, takich jak jego numer identyfikacyjny, wysokość przelotu czy kod kraju. Kolejno będą odpowiadać za to tryby Mode-A/3A, Mode-C lub Mode-S. W zależności od otrzymanego sygnału obiekt odpowiada standardową kombinacją impulsów zawierającą zakodowane dane. System oblicza zasięg i azymut w oparciu o stosunek prędkość-dystans i pozycję kątową anteny w odniesieniu do kierunku północnego lub kierunku ruchu.

Współczesne radary wymagają wykonania dokładnych i rygorystycznych testów przed wprowadzeniem ich do użytku zarówno w lotnictwie wojskowym, jak i cywilnym. Wykorzystując modułowe systemy NI PXI, stworzono zautomatyzowane środowisko testowe, które upraszcza tworzenie testów funkcjonalnych radarów oraz badanie parametrów fizycznych toru odbiorczego (Rx) i nadawczego (Tx).

Na przykład mogą to być testy przepustowości i czułości nadajnika, mocy odbiornika bądź parametrów impulsów przez niego generowanych. Testy funkcjonalne uwzględniają symulację obserwowanego obiektu nadającego na częstotliwości 1090 MHz, detekcję sygnału wideo oraz wyświetlanie przekonwertowanej informacji z radaru. Symulowane obiekty lub grupy obiektów generowały sekwencje impulsów odpowiadające celom stacjonarnym oraz poruszającym się po zadanych trajektoriach. Rysunek 1 przedstawia ogólną architekturę stanowiska testowego połączonego z SSR.

Charakterystyka systemu

Rys. 2. Diagram zautomatyzowanego stanowiska testowego dla wtórnych radarów dozorowania

Podstawą stworzonego systemu jest ośmioslotowa obudowa PXI-1042 oraz kontroler embedded PXI-8196. Testy funkcjonalne torów Tx oraz Rx wymagają utrzymywania radaru zarówno w trybie nadawania, jak i odbierania. Sygnały określające położenie zewnętrznej anteny - kierunek północny oraz ACP (Azimuth Count Pulses) - są generowane i symulowane przez układ FPGA.

Generator sygnałów wektorowych PXI-5671 jest odpowiedzialny za generowanie odpowiedzi w postaci impulsów o częstotliwości 1090 MHz. System pozyskuje zdemodulowane sygnały wideo z odbiornika poprzez kartę oscyloskopową w celu testów obsługi toru Rx. Sygnały dużej mocy z toru nadawczego są odbierane przez analizator sygnałów wektorowych PXI-5661, który mierzy moc sygnału Tx oraz pozostałe parametry generowanych impulsów.

Sygnał wideo jest generowany przez jednostkę przetwarzającą radaru w standardzie TTL i odbierany przez cyfrowe wyjście układu FPGA. Po przekonwertowaniu sygnał wyświetlany jest na wykresie w układzie współrzędnych biegunowych. Jest to część interfejsu użytkownika, która pozwala określić dystans i kąt azymutu, wysokość przelotu, kod państwa oraz kod informacyjny statku powietrznego. Rysunek 2 przedstawia szczegółowy diagram zautomatyzowanego środowiska testowego podłączonego do SSR.

Każdy z impulsów wyzwalających jest zsynchronizowany z impulsem przesłuchującym nadawanym z radaru po stronie stacji naziemnej. Aby zapewnić ochronę urządzeniom systemu, podczas testów Rx wyłączono nadajnik radaru ze względu na wbudowany w SSR moduł transceivera. Porty Tx oraz Rx podłączone zostały do tego samego gniazda, które podłączone jest do anteny. W jej miejsce podpięto jednak analizator oraz generator sygnałów, co pozwoliło na generowanie/odbieranie sygnałów w.cz. o częstotliwości 1090/1030 MHz.

Parametry testów

Rys. 3. Ekran przedstawiający aplikację symulatora wykrywanego obiektu

Wyjście Tx z radaru jest podłączone do wektorowego analizatora sygnałów poprzez tłumik. Transmisja polegała na przesyłaniu impulsu sinusoidalnego w częstotliwości radiowej, o szerokości impulsu ok.1 µs i o okresie impulsowania (PRT) 5 ms. Uzyskano stabilność sygnału Tx (1030 ±0,03 MHz), moc szczytową impulsu 2 kW oraz zapewniono realizację takich funkcji jak m.in. sektorowanie anteny oraz wybór mocy wyjściowej, dobór szczeliny pomiędzy impulsami i kształtu impulsu, regulacja cyklu pracy (0,01-66%) i parametrów impulsu (szerokości, czasu narastania i opadania).

Sygnały w.cz. na wejściu Rx radaru są generowane przez wektorowy generator sygnałów, synchronizowany impulsem wyzwalającym. Z kolei każdy z tych triggerów jest zsynchronizowany z sygnałem przesłuchującym. Po otrzymaniu takiego sygnału na wejściu wyzwalającym generatora i układu FPGA generowany jest impuls w.cz.

Sygnał wyjściowy wideo podłączono do karty oscyloskopu w celu zmierzenia parametrów toru Rx takich jak: czułość, szerokość pasma i zakres dynamiczny odbiornika. Aparatura pozwala także na różnicowe pomiary faz, czułości operacyjnej w czasie odbioru sygnałów odpowiedzi (STC) i kompensację listków bocznych w czasie odbioru sygnałów odpowiedzi (RSLS).

Testy funkcjonalne

Rys. 4. Konwersja informacji otrzymywanych przez radar

Podczas testów funkcjonalnych system ATE generował sygnały symulujące działanie anteny, takie jak kierunek północny oraz ACP. Symulowana była także obecność wielu obiektów stacjonarnych i ruchomych o różnych wartościach azymutu i odległości. Dodatkowo w aplikacji konwertującej informacje z radaru wyświetlane były dane z transpondera, takie jak azymut czy odległość.

Przy wykorzystaniu odpowiednio zsynchronizowanego wektorowego generatora sygnałów możliwe jest ponadto przeprowadzenie testów funkcjonalnych modułu odbiornika w oparciu o symulację wykrywanych obiektów. W tym przypadku, ATE pełni funkcję generatora sygnałów, które w systemie końcowym emitowane są przez obiekty.

Każda transmisja impulsu przesłuchującego jest synchronizowana od podłączonego chipa FPGA oraz portu wyzwalania wektorowego generatora sygnałów. Odległość oraz azymut symulowanego obiektu mogą być konfigurowane przez użytkownika. W momencie, gdy obiekt przygotowany jest do symulacji, generator wysyła impulsy radiowe będące odpowiedzią obiektu na sygnał przesłuchujący.

Dzieje się to, gdy w układzie FPGA wartość zwiększającego się azymutu osiągnie określony poziom oraz pojawi się kolejny sygnał wyzwalający z radaru. Użytkownik może wybrać formę odpowiedzi oraz tryb, dzięki czemu odpowiednio określone impulsy zostaną wygenerowane z wymaganą odległością i azymutem. Możliwa jest również symulacja obiektów będących w ruchu - użytkownik jest w stanie skonfigurować ich trajektorie.

System potrafiprzeprowadzić symulację wielu obiektów z różnymi parametrami, korzystając z pojedynczego wektorowego generatora sygnałów. Impulsy zwrotne mogą być kodowane przy użyciu różnych modeli definiowanych przez użytkownika. Sygnały odpowiedzi są sekwencją impulsów o szczelinie równej 1 µs i szerokości wynoszącej 450 ns.

Odpowiedzi każdego z obiektów znajdują się w ramkach wyznaczonych przez impulsy F1 oraz F2 wysłane odpowiednio na początku i końcu każdej sekwencji. Liczba impulsów w ramce jest określona przez tryb przesłuchiwania wybrany w graficznym interfejsie użytkownika. Każdy impuls synchronizujący może mieć inny tryb odpowiedzi, w zależności od trybu przesłuchiwania.

Konfiguracja każdego impulsu zwrotnego zachodzi osobno, a ich generowanie można nastąpić w odpowiedzi na kolejne impulsy synchronizujące. Rysunek 3 przedstawia generowane impulsy zwrotne z azymutem, symulacją kodu oraz opóźnieniem spowodowanym odległością.

Konwersja informacji otrzymywanych z radaru

Rys. 5. Sygnał kierunku północnego i ACP, sygnał wyzwalający, symulowane ramki z odpowiedzią oraz sygnał wideo w standardzie TTL

System ATE odbiera i przetwarza sygnał wideo z radaru w standardzie TTL przy użyciu układu FPGA. Impulsy zwrotne konkretnego obiektu są demodulowane w odbiorniku, a sygnał wideo jest analizowany w jednostce przetwarzającej radaru. Procesor ten wysyła przekonwertowane impulsy TTL, które reprezentują ramkę odpowiedzi.

Z uwagi na to, że odbiornik wychwytuje również szumy, w torze nadawczym mogą pojawiać się niepożądane impulsy. Odrzucanie impulsów szumowych i dekodowanie poprawnej ramki stanowi podstawę działania specjalnie stworzonego algorytmu działającego na FPGA. Następnie obliczana jest odległość oraz azymut wykrytego obiektu wraz z jego kodem informacyjnym, wysokością oraz kodem państwa.

System jest w stanie odbierać nadawany w standardzie TTL sygnał wideo, zawierający informacje , takie jak: rzeczywisty obiekt wykryty przez antenę, symulowany obiekt wygenerowany wewnątrz radaru oraz obiekt symulowany przez wektorowy generator sygnału w odpowiedzi na impuls przesłuchujący.

Rysunek 4 przedstawia przekonwertowane i zdekodowane przy użyciu FPGA informacje z radaru wyświetlone na ekranie. Rysunek 5 pokazuje symulację sygnałów ACP i kierunku północnego w FPGA, odebrany impuls synchronizujący, symulację odpowiedzi bazującej na wybranych wartościach azymutu i odległości, odebrany sygnał wideo w standardzie TTL oraz dekodowanie ramki z odpowiedzią.

Symulacja anteny

Rys. 6. Sekwencja dostępnych testów

Działanie anteny jest symulowane poprzez generowanie znacznika kierunku północnego oraz ACP na wyjściu układu FPGA. W oparciu o LabVIEW stworzony został konfigurowalny graficzny interfejs użytkownika, który umożliwia zmianę szerokości impulsu, okresu impulsowania oraz liczby zliczeń wartości azymutu na pełny obrót w odniesieniu do kierunku północnego - są to parametry pozwalające na symulację działania anteny.

Funkcjonalność oprogramowania

Do testowania funkcji radaru stworzono system modułowych, edytowalnych sekwencji testów. Możliwy jest wybór trybu automatycznego lub ręcznego pracy, a panel diagnostyczny daje dostęp do konkretnych instrumentów PXI w celu przeprowadzenia autotestów bądź implementacji sprzężenia zwrotnego. Rysunek 6 przedstawia sekwencję testów dostępnych w zautomatyzowanym środowisku testowym.

Vishwanath Kalkur, Captronic Systems
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com