מערכות בדיקה אוטומטיות עבור מכ”ם עקיבה משני (SSR) המבוססות מכשור PXI מודולרי ו-LabVIEW

“מערכת הבדיקות האוטומטיות (ATE) לבדיקת מכ”ם עקיבה משני , שנבנתה תוך התבססות על מכשירי PXI מודולריים של נשיונל אינסטרומנטס (NI) ו-LabVIEW, אפשרה ללקוחותינו לקצר ב-%90 את זמני הבדיקה, בהשוואה למערכת הבדיקה הקודמת שלהם, שהתבססה על מכשור שולחני וחיבורים ידניים. עלויות המערכת היו נמוכות ב-%60 בהשוואה למערכת מסורתית המבוססת על מכשירים מזוודים בקופסה”.
-וישאנאת קלקור, Captronic Systems Pvt

האתגר: שימוש במכשירי PXI מודולרים ובתוכנת LabVIEW על מנת לבנות מערכת בדיקות אוטומטיות למכ”ם מעקב משני
הפתרון: שימוש במכשירי PXI מודולריים בשילוב מודולי NI LabVIEW FPGA על מנת ליצור פתרון יעודי, סקאלבילי לבדיקת מלוא טווח תפקודי המכ”ם.
מערכות מכ”ם משני (SSR) הן המערכות המשמשות לחישוב טווח ואזימוט המטרה, באמצעות תקשורת דו כיוונית ומאפשרות איסוף מידע על המטרה, כגון זיהוי, גובה, ואותות זיהוי מדינה. מערכות מכ”ם כאלה משמשות גם בתעופה צבאית, שם גם הן משולבות במערכות זע”ט, וגם לצרכי תעופה אזרחית. (מערכות מכ”ם ראשוני משמשות לצרכי גילוי).
מערכות SSR פועלות באופן שונה על מנת למצות מידע מן המטרה. המערכת שולחת דפקי חקירה באמצעות אנטנה דו כיוונית בתדר 1030 מגהרץ. אם המטרה מבחינה באות, המשיב (transponder) של המטרה שולח אות תשובה בצורת סדרת דפקים בתדר 1090 מגהרץ. המכ”ם בתחנת הקרקע מייצר אותות חקירה ובקשת מידע מן המטרה – כגון זהות, גובה, קוד מדינה, המיוצגים כ-mode-A/3A mode-C, או mode-S. המטוס משיב בפורמט דפקים סטנדרטי התלוי באות החקירה שקלט. המערכת מחשבת טווח ואזימוט בהתבסס על היחס בין המהירות למרחק, ומצב האנטנה הסיבובית ביחס לצפון או כיוון ההתקדמות.
מכשירי המכ”ם בני זמננו חייבים לעבור בדיקות קפדניות לפני הטמעתם בשירות התעופה הצבאית או האזרחית. חברת Captronic Systems Pvt פיתחה מערכת ATE המבוססת על מכשור PXI מודולרי מתוצרת NI על מנת להקל על ביצוע הבדיקות הפונקציונליות של המכ”ם ובדיקת הפרמטרים הפיזיקליים של המקלט והמשדר, כגון רגישות ורוחב פס המקלט, הספק ופרמטרים של דפקי המשדר. הבדיקות הפונקציונליות נעשות תוך שימוש בסימולטור מטרה המספק למכ”ם הנבדק אותות בתדר 1090 מגהרץ, וכוללות בדיקת גילוי אותות וידיאו, בדיקת תצוגת ממיר התצוגה תוך שימוש בלוגיקת TTL סינתטית ותקשורת LAN. אותות המענה של סימולטור המטרה, ושל סימולטור מטרות מרובות ייצגו מטרות נייחות ומטרות בתנועה. איור 1 מראה את הארכיטקטורה הכללית של מערכת ATE המחוברת ל-SSR.

תיאור המערכת
המערכת שחברת Captronic Systems Pvt בנתה מבוססת על סל כרטיסים בן שמונה חריצים מסוג NI PXI-1042 ובקר משולב NI PXI-8196. המכ”ם הנבדק נשמר במצב שידור או במצב קליטה לצורכי הבדיקה. אנטנה חיצונית משדרת אותות מיקום הצפון ואותות ACP azimuth אשר נוצרו וסומלצו בעזרת כרטיס FPGA. אותות המענה של המטרה, בתדר 1090 מגהרץ, נוצרו בעזרת מחולל אות וקטורי (VSG) מסוג NI PXI-5671. המערכת רכשה אותות וידיאו מפוענחים מהמקלט באמצעות כרטיס אוסצילוסקופ לצורך בדיקות המקלט. הרכשת אותות גבוהי הספק של המשדר בוצעה בעזרת נתח אות וקטורי (VSA) לצורך מדידת הספק המשדר ומאפייני הדפקים.
אות וידיאו מסונתז ברמת TTL מיוצר ביחידת העיבוד של המכ”ם ונרכש באמצעות הכניסה הדיגיטלית של ה-FPGA עבור ממיר הסריקה של המכ”ם לצורך הצגת המטרה בתרשים פולארי הכולל אזימוט ומרחק, קודי מידע, גובה, וקוד זיהוי מדינה. איור 2 מראה דיאגרמה מפורטת של חיבורי ה-ATE ל-SSR.
כל דופק דרבון וסינכרון סונכרן עם דפקי החקירה של ה-SSR. על מנת להגן על המכשירים נותקו משדרי המכ”ם בעת בדיקת המקלט, כיון שהמכ”ם מכיל מודול משדר. הדקי המשדר והמקלט חולקים אותו הדק חיבור פיזיקלי המחובר לאנטנה. ה-VSA וה-VSG אף הם מחוברים לאותו הדק חיבור, והם מחליפים את האנטה ומזינים אותות בתדרים 1030 ו-1090 מגהרץ.

הפרמטרים הנמדדים
פרמטרי המשדר
יציאת משדר המכ”ם מחוברת ל-VSA במערך ה-ATE באמצעות מנחת. השידור הוא דופק סינוס ממותג בתדר RF ורוחב דופק של כ-1µs וקצב חזרת דופק (PRT) של 5ms.
יציבות תדר המשדר
(1,030MHz + 0.03MHz)
הספק שידור שיאי (2.0KW)
קצב השנות דופק (ms)
אופן השידור ויציבות PRF
בחירת הספק ותחומי שידור
מרווח דפקים
צורות דפקים
משך מחזור (0.01 עד 66 אחוז)
רוחב דופק (µs)
זמן עליית הדופק (ns)
זמן ירידת הדופק (ns)
ספקטרום התדרים

פרמטרי המקלט
המקלט במכ”ם מקבל את דפקי ה-RF באמצעות ה-VSG, אשר מסונכרן עם דפקי הדירבון והסינכרון. כל דופק סינכרון מסנכרן עם דופק החקירה. אחרי קליטת דופק סינכרון בהדק הדירבון של ה-VSG וה-FPGA, מיוצר דופק RF באמצעות ה-VSG. מוצא הוידאו של המקלט מחובר לכרטיס אוסצילוסקופ בכדי למדוד את הפרמטרים הבאים:
רגישות המקלט
רוחב הפס של המקלט
התחום הדינמי של המקלט
יציבות התדר של המקלט
מדידות הפרשי מופע
רגישות קליטת רצף פעילויות – Reception chain operational sensitivity
דיכוי קליטת רצף אונות צד – Reception chain side lobe suppression

בדיקות תפקוד
בעת בדיקות התפקוד המערכת מייצרת אותות דימוי אנטנה, כגון אות צפון ו-ACP. המערכת מדמה מטרות מרובות במגוון טווחים ואזימוט, מטרות נייחות ומטרות בתנועה במסלול, ומייצגת את האזימוט והטווח ששולח הטרנספונדר בעת יישומי סריקת מכ”ם.

מדמה מטרה
המערכת יכולה לבצע בדיקת תפקודי המקלט בעזרת סימלוץ מטרה בעזרת VSG בהתבסס על דפקי סינכרון. במקרה שכזה, ה-ATE משמשת כמחולל דפקי מטרה המגיעים מן האנטנה. כל דופק חקירה מסונכרן באמצעות דופק דירבון המחובר הן ל-VSG והן ל-FPGA. המשתש יכול להגדיר את הטווח והאזימוט של המטרה שברצונו לסמלץ. כאשר המטרה מוכנה לסימלוץ ה-VSG מייצר את אות המענה לאחר שערך האזימוט חושב ב-FPGA ודופק הסינכרון הבא הגיע מהמכ”ם. המשתמש יכול לבחור את קוד ואופן המענה, ודפקי התרחיש מיוצרים בהתאם. המטרות יכולות להיות מטרות נייחות או מטרות בתנועה מסלולית, והמשתמש יכול לקבוע את מאפייני המסלולים. המערכת יכולה לסמלץ מטרות מרובות ואזימוטים שונים בעזרת אותו VSG. אותות המענה יכולים לקבל דפוסי אפיון שונים בתאם לבחירת המשתמש. דפקי המענה מגיעים כרצף דפקים במרווח של 1µs וברוחב דופק של 450ns. אותות המענה של כל מטרה ממוסגרים על ידי דפקי F1 ו- F2 בתחילת ובסיום כל מסגרת דפקים. מספר הדפקים במסגרת נגזר ממוד החקירה שנבחר ב-GUI. כל דופק סינכרון יכול להיות בעל אופן מענה שונה, בהתאם לאופן החקירה שנקבע. ניתן להגדיר שלושה סוגים של דפקי מענה בנפרד ולייצרם באמצעות ה-VSG עם ייחוס לכל אות דרבון. איור 5 מראה את אותו המענה המכיל השהיית טווח, אזימוט וסימולצית קוד.

ממיר סריקת מכ”ם
המערכת רוכשת ומעבדת אותות וידאו מהמכ”ם בתצורת TTL באמצעות כרטיס ה-FPGA. דפקי המענה המגיעים מן המטרה מפוענחים במקלט המכ”ם ואותות גולמיים ומעובדים ביחידת העיבוד. המעבד מספק דפקי TTL סינתטיים המייצגים את מסגרת המענה. מסגרת זו מפוענחת ב-FPGA תוך שמירה על רוחב מדוייק של כל דופק. כיון שהמקלט קולט בנוסף לאותות גם רעשים מן האנטנה, נכללים באות גם דפקי רעש בלתי רצוי. על מנת לנפות את אותות הרעש כוללת המערכת אלגוריתמים המאפשרים להבחין ברעש ולפענח את המסגרת בצורתה הנכונה. ה-FPGA מבצע חישוב טווח ואזימוט תוך עיבוד נתוני קוד המידע, גובה וזיהוי מדינה של המטרה. המערכת יכולה לקלוט אותות TTL של וידאו סנתטי תוך שימוש בפורמט הבא:
מטרה ממשית נרכשת באמצעות האנטנה, מטרה מדומה מיוצרת במכ”ם עצמו, המטרה המסומלצת באמצעות ה-VSG בהתבסס על דפקי החקירה. איור 4 מראה את תצוגת ממיר הסריקה מפוענח באמצעות ה- FPGA. איור 5 מציג את אותות ה-ACP, סימולצית הצפון באמצעות ה-FPGA, הרכשת דפקי סינכרון ודירבון, סימולציה של דפקי מענה המבוססים על בחירת הטווח והאזימוט, אותות וידאו TTL, ופענוח מסגרות דפקי מענה. הדפקים המאופננים המגיעים מה-VSG מכילים גל נושא בתדר 1030 מגהרץ.

סימולצית האנטנה
סימולצית האנטנה מבוצעת על ידי יצירת דופק סמן הצפון ב-FPGA. למערכת המדידות ממשק משתמש גרפי GUI המבוסס על LabVIEW והוא מאפשר לשלוט רוחב הדופק,PRT ומאפייני סטיית אזימוט מהצפון על מנת לסמלץ את פרמטרי האנטנה.

תכונות התוכנה
החברה פיתחה סדרת בדיקות מודולרית, ניתנת לעריכה, לבדיקה פונקציונלית מלאה. המשתמש יכול לבחור אופן בדיקות אוטומטי, או אופן בדיקות ידני לצורך בדיקת פרמטר יחיד. הפנל הדיאגנוסטי מאפשר למשתמש גישה למכשיר PXI ספציפי לצורך בדיקות עצמיות או loop-back. איור 6 מראה את סדרת הבדיקות של ה-ATE.

הקטנת זמן בדיקת המכ”ם
מערכת הבדיקות שפתחה החברה עבור בדיקת SSR מתבססת על מכשור PXI מודולרי של NI בשילוב תוכנת LabVIEW. המערכת מאפשרת למשתמשים להקטין את זמן בדיקת המכ”ם ולחסוך 90% מזמן הבדיקות בהשוואה לבדיקות המבוצעות על ידי מכשור שולחני הדורש ביצוע חיבורים ידני. המערכת הזו חוסכת 60% בעלויות הבדיקה בהשוואה למערכות ATE המבוססות על מכשור קופסתי מסורתי. בנוסף, המערכת החדשה משתמשת ב-NI PXI VSG יחיד בהשוואה למערכות ישנות יותר המכילות מחולל דפקים ואפנן נפרדים. גישה זו מאפשרת בדיקה פונקציונלית מלאה של סימולציית המטרה, הרכשת אותות וידאו, גילוי מטרה, ומאפשרת בניית מבדק בלולאה סגורה. החברה מתכננת לשדרג כך שניתן יהיה לבדוק את יתר ששת ההדקים של המכ”ם בעזרת מערך מיתוג אוטומטי, שיתבסס על מרבב מסוג NI PXI-2596 SP6T ובכך למנוע שימוש בכבלים ארוכים.
חברי הברית של נשיונל אינסטרומנטס מהווים ישויות עצמאיות ונפרדות, ואין להם סוכנות, שותפות או יחסי שיתוף פעולה עם נשיונל אינסטרומנטס.
– הכתבה באדיבות נשיונל אינסטרומנטס