Tổng quan nghiên cứu

Pháo tự hành là loại vũ khí chiến đấu có tính cơ động cao, hỗ trợ hỏa lực cho bộ binh trong việc chiếm lĩnh trận địa và phá vỡ tuyến phòng thủ đối phương. Theo ước tính, các loại pháo tự hành hiện đại có tầm bắn từ 20 km đến 40 km, với khả năng tiêu diệt mục tiêu đa dạng từ công sự kiên cố đến các phương tiện cơ giới. Trong Quân đội nhân dân Việt Nam, pháo tự hành được biên chế nhằm phục vụ công tác huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu. Tuy nhiên, việc kiểm tra, giám sát và đánh giá chất lượng huấn luyện, đặc biệt thao tác của kíp trắc thủ trên màn hình radar, gặp nhiều khó khăn do thiếu công cụ truyền nhận dữ liệu tín hiệu mục tiêu về máy tính.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế mô hình giả lập tín hiệu cự ly mục tiêu trên màn hình radar pháo tự hành và phát triển giải pháp truyền nhận các tín hiệu này về máy tính để hỗ trợ người chỉ huy đánh giá trình độ kíp trắc thủ, từ đó nâng cao hiệu quả huấn luyện. Nghiên cứu tập trung vào hệ cự ly của đài radar 1РЛ33М trên pháo tự hành ЗСУ-23-4, khảo sát các tham số tín hiệu thực tế, áp dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) trên vi điều khiển STM32F411 và công nghệ truyền nhận vô tuyến Lora.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc giả lập và truyền nhận các xung tín hiệu chính của hệ cự ly radar, bao gồm xung chiếu sáng đường quét, xung cửa sóng I "di động", xung ngắm "di động" và xung tín hiệu phản xạ. Thời gian thực hiện nghiên cứu trong học kỳ 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển hệ thống giám sát huấn luyện pháo tự hành, đồng thời làm nền tảng cho các nghiên cứu mở rộng về truyền nhận và hiển thị tín hiệu từ khí tài thật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Nguyên lý hoạt động của radar pháo tự hành và hệ cự ly tín hiệu: Radar 1РЛ33М sử dụng các kênh tạo xung tín hiệu chuẩn, xung kích II, xung cửa sóng, và kênh xử lý tín hiệu phản xạ để hiện thị cự ly mục tiêu trên màn hình. Các xung tín hiệu có tần số dao động từ 150 kHz đến 4,7 kHz với biên độ từ 2,5V đến trên 90V, độ rộng xung từ 0,25μs đến 7,5μs, và thời điểm xuất hiện xung được đồng bộ chặt chẽ.

  2. Kỹ thuật giả lập tín hiệu và công nghệ truyền nhận vô tuyến: Sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) trên vi điều khiển STM32F411 để tạo các xung tín hiệu giả lập với đặc tính tương đương về thời gian và chu kỳ lặp lại so với tín hiệu thực tế. Công nghệ truyền nhận Lora SX1278 được áp dụng để truyền các tham số tín hiệu từ mô hình giả lập đến máy tính, đảm bảo truyền dẫn ổn định trong phạm vi phòng thí nghiệm.

Các khái niệm chính bao gồm: xung nhọn "cố định", xung kích II, xung chọn "di động", xung nhọn "di động", và xung tín hiệu phản xạ. Mô hình giả lập tập trung vào việc tái tạo chính xác các tham số thời gian của các xung này để mô phỏng hoạt động của hệ cự ly radar.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo quy trình khoa học gồm các bước:

  • Khảo sát thực tế và thu thập dữ liệu: Đo đạc các tham số tín hiệu trên khí tài pháo tự hành ЗСУ-23-4 bằng máy hiện sóng, đối chiếu với tài liệu kỹ thuật để xác định các đặc tính cần giả lập.

  • Thiết kế mô hình giả lập tín hiệu: Lập trình vi điều khiển STM32F411 sử dụng kỹ thuật PWM để tạo ra các xung tín hiệu giả lập với tần số, độ rộng và thời điểm xuất hiện tương đương tín hiệu thực tế.

  • Phát triển hệ thống truyền nhận: Ứng dụng module thu phát RF Lora SX1278 để truyền các tham số tín hiệu từ mô hình giả lập đến máy tính, đảm bảo độ trễ thấp và độ tin cậy cao.

  • Xây dựng phần mềm hiển thị: Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để phát triển giao diện hiển thị các xung tín hiệu nhận được trên máy tính, mô phỏng lại màn hình cự ly radar.

  • Thử nghiệm và đánh giá: Thực hiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với cỡ mẫu tín hiệu đa dạng, đánh giá độ chính xác của mô hình giả lập và hiệu quả truyền nhận qua Lora. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các tín hiệu đặc trưng của hệ cự ly radar, đảm bảo tính đại diện và khả năng tái tạo.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2023, bao gồm khảo sát, thiết kế, lập trình, thử nghiệm và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khảo sát tham số tín hiệu thực tế: Các xung tín hiệu trên hệ cự ly radar 1РЛ33М có tần số dao động từ 150,7 kHz (xung điện áp hình sin) đến khoảng 4,6 kHz (xung chọn "di động"), độ rộng xung từ 0,25μs đến 7,5μs, biên độ điện áp từ 2,5V đến trên 90V. Kết quả đo thực tế sai số dưới 5% so với tài liệu kỹ thuật, đảm bảo độ tin cậy dữ liệu làm cơ sở thiết kế.

  2. Thiết kế mô hình giả lập tín hiệu: Vi điều khiển STM32F411 đã tạo thành công 8 loại xung tín hiệu giả lập với đặc tính thời gian tương đương tín hiệu thực tế, bao gồm xung nhọn "cố định", xung kích II, xung chọn "di động", xung nhọn "di động" và xung tín hiệu phản xạ. Mô hình đảm bảo độ ổn định tần số và độ chính xác độ rộng xung trong phạm vi ±2%.

  3. Truyền nhận tín hiệu qua công nghệ Lora: Hệ thống truyền nhận sử dụng module Lora SX1278 đạt tỷ lệ thành công truyền dữ liệu trên 98% trong phạm vi phòng thí nghiệm, độ trễ trung bình dưới 10 ms, phù hợp với yêu cầu truyền tín hiệu thời gian thực.

  4. Hiển thị tín hiệu trên máy tính: Phần mềm Python tái tạo chính xác các xung tín hiệu nhận được, mô phỏng màn hình cự ly radar với độ phân giải thời gian cao, giúp người chỉ huy dễ dàng quan sát và đánh giá thao tác kíp trắc thủ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng kỹ thuật PWM trên vi điều khiển STM32F411 là giải pháp hiệu quả để giả lập các xung tín hiệu phức tạp của hệ cự ly radar pháo tự hành. So với các nghiên cứu trước đây về giả lập tín hiệu radar, mô hình này có ưu điểm về tính linh hoạt, chi phí thấp và khả năng mở rộng.

Việc sử dụng công nghệ truyền nhận Lora đáp ứng tốt yêu cầu truyền dữ liệu trong môi trường quân sự với độ trễ thấp và độ tin cậy cao, phù hợp cho các ứng dụng huấn luyện và giám sát. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian các xung tín hiệu hoặc bảng so sánh tham số tín hiệu giả lập và thực tế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả mô hình.

Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm là cơ sở vững chắc để phát triển hệ thống truyền nhận và hiển thị tín hiệu từ khí tài thật trong các nghiên cứu tiếp theo, góp phần nâng cao chất lượng huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu của các đơn vị pháo tự hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống truyền nhận tín hiệu thực tế: Phát triển và tích hợp hệ thống truyền nhận tín hiệu từ khí tài pháo tự hành thật về máy tính, sử dụng công nghệ Lora hoặc các công nghệ truyền dẫn tương đương, nhằm hỗ trợ giám sát huấn luyện kíp trắc thủ. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu quân sự và kỹ thuật điện tử.

  2. Nâng cấp phần mềm hiển thị và phân tích dữ liệu: Mở rộng phần mềm Python hiện tại để tích hợp các thuật toán phân tích tự động, đánh giá hiệu suất thao tác kíp trắc thủ dựa trên dữ liệu tín hiệu thu nhận. Mục tiêu tăng độ chính xác đánh giá lên trên 90% trong vòng 6 tháng.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và chỉ huy đơn vị về sử dụng hệ thống giả lập và truyền nhận tín hiệu, đảm bảo vận hành hiệu quả trong thực tế. Thời gian đào tạo 3 tháng, chủ thể là các trường quân sự và viện nghiên cứu.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng kỹ thuật giả lập và truyền nhận tín hiệu cho các loại radar và khí tài quân sự khác, nhằm đa dạng hóa công cụ hỗ trợ huấn luyện và kiểm tra. Thời gian nghiên cứu mở rộng 18 tháng, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị quân sự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật quân sự: Nhóm này sẽ được cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật giả lập và truyền nhận tín hiệu radar, giúp nâng cao năng lực bảo trì, vận hành và phát triển hệ thống radar pháo tự hành.

  2. Chỉ huy các đơn vị pháo tự hành: Luận văn cung cấp công cụ và giải pháp hỗ trợ đánh giá trình độ kíp trắc thủ trong huấn luyện, giúp nâng cao hiệu quả công tác chỉ huy và điều hành chiến đấu.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ quân sự: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho các nghiên cứu về mô phỏng tín hiệu radar, truyền nhận dữ liệu vô tuyến và phát triển hệ thống giám sát huấn luyện.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Luận văn cung cấp ví dụ thực tiễn về ứng dụng kỹ thuật điều chế PWM, công nghệ truyền nhận Lora và lập trình vi điều khiển trong lĩnh vực quân sự, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần giả lập tín hiệu radar pháo tự hành?
    Giả lập tín hiệu giúp mô phỏng hoạt động của radar trong điều kiện không có khí tài thật, hỗ trợ huấn luyện và đánh giá thao tác kíp trắc thủ một cách hiệu quả, giảm chi phí và rủi ro trong thực tế.

  2. Vi điều khiển STM32F411 có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    STM32F411 có khả năng xử lý tín hiệu PWM với tần số cao, độ ổn định tốt và chi phí hợp lý, phù hợp để tạo các xung tín hiệu giả lập phức tạp với độ chính xác cao.

  3. Công nghệ truyền nhận Lora có phù hợp cho môi trường quân sự?
    Lora cung cấp phạm vi truyền dẫn rộng, độ trễ thấp và khả năng chống nhiễu tốt, đáp ứng yêu cầu truyền tín hiệu thời gian thực trong môi trường quân sự có nhiều nhiễu và điều kiện phức tạp.

  4. Phần mềm hiển thị tín hiệu trên máy tính được xây dựng như thế nào?
    Phần mềm sử dụng ngôn ngữ Python với giao diện trực quan, tái tạo chính xác các xung tín hiệu nhận được, giúp người dùng dễ dàng quan sát và phân tích dữ liệu trong quá trình huấn luyện.

  5. Luận văn có thể áp dụng cho các loại radar khác không?
    Có, phương pháp giả lập tín hiệu và truyền nhận dữ liệu có thể được điều chỉnh và áp dụng cho nhiều loại radar và khí tài quân sự khác, mở rộng phạm vi ứng dụng trong nghiên cứu và huấn luyện.

Kết luận

  • Luận văn đã khảo sát và phân tích chi tiết các tham số tín hiệu hệ cự ly radar pháo tự hành 1РЛ33М, làm cơ sở cho thiết kế mô hình giả lập tín hiệu chính xác.
  • Thiết kế mô hình giả lập sử dụng vi điều khiển STM32F411 và kỹ thuật PWM thành công tạo ra 8 loại xung tín hiệu với đặc tính tương đương tín hiệu thực tế.
  • Hệ thống truyền nhận tín hiệu sử dụng công nghệ Lora đạt hiệu quả cao với tỷ lệ truyền thành công trên 98% và độ trễ thấp, phù hợp yêu cầu huấn luyện.
  • Phần mềm hiển thị trên máy tính tái tạo chính xác các xung tín hiệu, hỗ trợ người chỉ huy đánh giá thao tác kíp trắc thủ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển hệ thống truyền nhận và hiển thị tín hiệu từ khí tài thật, góp phần nâng cao chất lượng huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu của các đơn vị pháo tự hành.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống truyền nhận tín hiệu từ khí tài thật, nâng cấp phần mềm phân tích dữ liệu và mở rộng ứng dụng cho các loại radar khác. Đề nghị các đơn vị quân sự và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và cán bộ kỹ thuật quân sự nên tiếp cận và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả huấn luyện pháo tự hành, đồng thời phát triển các giải pháp công nghệ mới trong lĩnh vực radar và truyền nhận tín hiệu quân sự.