ДВУХДИАПАЗОННЫЙ СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК G01S13/66 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиотехнических системах измерения параметров траекторий летательных аппаратов (дальность-скорость, скорость-ускорение, угловая координата-скорость изменения угловой координаты).

Известны: 1) следящий измеритель дальности, содержащий α-β-фильтр [1]; следящий измеритель, содержащий шесть фильтров Калмана [2]; линейное адаптивное устройство обработки данных, содержащее 12 фильтров Калмана [3], следящий измеритель с адаптивным α-β-фильтром [4].

Недостатками этих следящих измерителей являются либо низкая точность фильтрации данных, вследствие расходимости оценок вектора состояния при нелинейном законе изменения отслеживаемых фазовых координат ([1]), либо высокие требования к вычислительной системе по объему памяти и быстродействию ([2, 3] ), либо низкая точность фильтрации при использовании следящего измерителя в широкодиапазонных радиотехнических системах (РТС) при разных величинах шумов измерений [4].

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является следящий измеритель с α-β-корректируемым фильтром [5].

Недостатком этого устройства является низкая точность оценки отслеживаемых координат в случае использования следящего измерителя в широкодиапазонных РТС при разных величинах шумов измерений. Это связано с тем, что шумы измерений в различных частотных диапазонах имеют различные статистические характеристики, существенно отличающиеся друг от друга. Особенностью следящих измерителей, построенных на основе α-β-фильтров, является то, что выбор постоянных коэффициентов, обеспечивающих заданные показатели точности и устойчивости сопровождения отслеживаемых координат, осуществляется для определенных условий функционирования. Если оптимизировать значения этих коэффициентов для работы в одном диапазоне частот, то в другом диапазоне точность оценивания отслеживаемых координат снижается в несколько раз (от 2 до 6, в зависимости от интенсивности шумов измерений).

Таким образом, задачей изобретения является повышение точности оценки отслеживаемых координат в широкодиапазонных следящих измерителях.

Поставленная задача достигается тем, что в следящий измеритель, содержащий канал оценки отслеживаемой координаты, канал оценки скорости изменения отслеживаемой координаты и блок коррекции отслеживаемых координат, дополнительно введены четыре усилителя (по два в каждый канал) и два коммутатора (по одному в каждый канал), на коммутируемые входы которых подают сигнал, величина которого пропорциональна текущему частотному диапазону работы следящего измерителя.

На чертеже представлена структурная схема двухдиапазонного следящего измерителя, где 1 - вычитающее устройство, 2 - первый усилитель, 3 - первый коммутатор, 4 - второй усилитель, 5 - третий усилитель, 6 - первый сумматор, 7 - первый блок задержки, 8 - второй сумматор, 9 - первый вычислитель, 10 - первый перемножитель, 11 - второй коммутатор, 12 - четвертый усилитель, 13 - пороговое устройство, 14 - второй вычислитель, 15 - второй перемножитель, 16 - третий коммутатор, 17 - пятый усилитель, 18 - четвертый коммутатор, 19 - шестой усилитель, 20 - седьмой усилитель, 21 - третий сумматор, 22 - второй блок задержки.

Функционально двухдиапазонный следящий измеритель состоит из канала оценки отслеживаемой координаты, в состав которого входят последовательно соединенные вычитающее устройство 1, первый усилитель 2, первый коммутатор 3, параллельно соединенные второй 4 и третий 5 усилители, первый сумматор 6, первый блок задержки 7 и второй сумматор 8, канала оценки скорости изменения отслеживаемой координаты, в состав которого входят последовательно соединенные пятый усилитель 17, четвертый коммутатор 18, параллельно соединенные шестой 19 и седьмой 20 усилители, третий сумматор 21, второй блок задержки 22 и четвертый усилитель 12, и блока адаптации к текущим ошибкам экстраполяции, в состав которого входят первый вычислитель 9, второй вычислитель 14, первый 10 и второй 15 перемножители, пороговое устройство 13, второй 11 и третий 16 коммутаторы.

Заявленное устройство обеспечивает выполнение следующего алгоритма:




ΔX(k) = X_и(k)-X_э(k); (3)

X_и(k) = X(k)+ξ_и(k), (5)
в котором:
X - текущее значение отслеживаемой координаты;
Х_э - экстраполированное на следующий интервал обработки значение отслеживаемой координаты;
Х_о - начальное значение отслеживаемой координаты;
Х_и - измеренное значение отслеживаемой координаты;
оцененное значение отслеживаемой координаты;
текущее значение скорости изменения отслеживаемой координаты;
начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты;
оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты;
α и β - постоянные коэффициенты усиления невязки ΔX;
ΔT - интервал обработки;
k - шаг дискретизации;
ξ_и - шум измерений с известными математическим ожиданием и дисперсией;
u_д и u_v - корректирующие поправки в каналах оценки отслеживаемой координаты и ее производной, соответственно, вычисляемые в соответствии с выражениями
u_д = k_ру1ΔX,
u_v = k_ру2ΔX. (6)
Переменные коэффициенты усиления K_py1 и К_ру2, входящие в (6), равны


где:
- ΔX₀ - допустимая величина ошибки сопровождения отслеживаемой координаты;
- ΔX_макс - максимально допустимая величина ошибки сопровождения отслеживаемой координаты;
- К_д - коэффициент, учитывающий интенсивность шумов измерений, принимающий два различных значения

в зависимости от текущего частотного диапазона работы следящего измерителя. Текущий частотный диапазон работы задается величиной сигнала П_д признака диапазона, вводимого в следящий измеритель из радиотехнической системы и принимающего два значения: П_д=1 - для одного частотного диапазона и П_д=0 - для другого диапазона.

Рассмотрим, как происходит формирование значений оценок отслеживаемых координат. За один интервал ΔT до начала работы следящего измерителя по результатам предварительных измерений в каналы оценки отслеживаемой координаты и скорости ее изменения через первый 6 и третий 21 сумматоры вводят начальные значения, соответственно, отслеживаемой координаты Х_о и скорости ее изменения Задержанное на один интервал обработки ΔT в первом блоке задержки 7 начальное значение отслеживаемой координаты, в виде оцененного значения отслеживаемой координаты, подают на первый вход второго сумматора 8. Задержанное на один интервал обработки ΔT во втором блоке задержки 22 начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты, в виде оцененного значения скорости изменения отслеживаемой координаты, подают на второй вход третьего сумматора 21 и на вход четвертого усилителя 12, где его усиливают в ΔT раз и подают на второй вход второго сумматора 8. В результате на выходе второго сумматора 8 формируется экстраполированное значение отслеживаемой координаты Х_э (4), которое подают на вторые входы вычитающего устройства 1 и первого сумматора 6.

При поступлении измеренного значения отслеживаемой координаты Х_и (5) на первый вход вычитающего устройства 1 на его выходе формируется невязка измерений ΔX (3), которая поступает на первый 2 и пятый 17 усилители, на вторые входы первого 10 и второго 15 перемножителей, на первый вход первого вычислителя 9 и на пороговое устройство 13. Если величина невязки ΔX (3) не превышает допустимой величины ошибки сопровождения ΔX₀, то с выхода порогового устройства 13 управляющие сигналы на второй 11 и третий 16 коммутаторы не поступают. В этом случае невязку измерений ΔX усиливают в α раз в первом усилителе 2 и, либо в 1/К_д1 раз во втором усилителе 4, либо в 1/К_д2 раз в третьем усилителе 5, в зависимости от значения П_д признака диапазона. Если П_д=1, то срабатывает первый коммутатор 3, подключая выход первого усилителя 2 ко входу второго усилителя 4, а на входе третьего усилителя 5 формируют нулевое значение сигнала. Если П_д=0, то первый коммутатор 3 подключает выход первого усилителя 2 ко входу третьего усилителя 5, а на входе второго усилителя 4 формируют нулевое значение сигнала. Таким образом осуществляется адаптация к ошибкам измерителя коэффициента усиления невязки в канале оценки отслеживаемой координаты. В канале оценки скорости изменения отслеживаемой координаты производится аналогичная процедура: в зависимости от значения П_д признака диапазона посредством пятого усилителя 17, четвертого коммутатора 18, шестого 19 и седьмого 20 усилителей невязка ΔX усиливается либо в β/K_д1, либо в β/K_д2 раз. Усиленную таким образом в разных каналах невязку далее соответственно подают на третьи входы первого 6 и третьего 21 сумматоров. На выходе первого сумматора 6 формируется оцененное значение отслеживаемой координаты (1). В канале оценки скорости изменения отслеживаемой координаты на выходе третьего сумматора 21 формируется оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты (2). Оцененные значения отслеживаемой координаты и скорости ее изменения далее используются потребителями и при формировании экстраполированного значения отслеживаемой координаты Х_э (4) на следующий интервал обработки по вышеописанному алгоритму.

Если величина невязки ΔX (3) в пороговом устройстве 13 превысит допустимую величину ошибки сопровождения ΔX₀, то с выхода порогового устройства 13 на второй 11 и третий 16 коммутаторы поступают коммутирующие сигналы. В результате этого на четвертые входы первого 6 и третьего 21 сумматоров поступают соответствующие корректирующие поправки u_д и u_v (6). Корректирующую поправку u_д, для канала оценки отслеживаемой координаты формируют на выходе первого перемножителя посредством умножения невязки ΔX (3) на коэффициент усиления к_py1 (7), вычисленный в первом вычислителе 9. Корректирующую поправку u_v для канала оценки скорости изменения отслеживаемой координаты формируют на выходе второго перемножителя 15 посредством умножения невязки ΔX (3) на коэффициент усиления к_ру2 (8), вычисленный во втором вычислителе 14. Значения коэффициентов к_py1 и к_ру2 зависят от П_д признака диапазона, поступающего на второй вход первого вычислителя 9. В результате такой коммутации коррекция оцененных значений отслеживаемой координаты (1) и скорости ее изменения (2) будет более интенсивная, адаптируемая как к текущим ошибкам прогноза, так и к текущему частотному диапазону работы следящего измерителя.

Для выполнения заявленного устройства может быть использована элементная база, выпускаемая в настоящее время отечественной промышленностью.

Использование изобретения, по сравнению с прототипом за счет учета ошибок измерителей, позволяет использовать следящий измеритель в широкодиапазонных РТС. Если РТС работает в нескольких диапазонах, то достаточно изменить количество коммутируемых первым 3 и четвертым 18 коммутаторами усилителей, и система будет работать в любом частотном диапазоне при различных шумах измерителей. Проведенное моделирование алгоритмов двухдиапазонного следящего измерителя показало, что точность оценки сопровождаемой координаты в нем практически не зависит от диапазона частоты РТС, тогда как прототип ухудшал свои показатели точности оценивания измеряемых параметров в 2-6 раз в зависимости от интенсивности шумов измерений.

Кроме того, предложенный алгоритм практически не требует ни повышения быстродействия вычислителей, ни увеличения объема памяти.

Двухдиапазонный следящий измеритель предназначен для измерения параметров траекторий летательных аппаратов (дальность - скорость, скорость - ускорение, угловая координата - скорость изменения угловой координаты). Отличительными его особенностями от подобных измерителей и достигаемым техническим результатом являются адаптация к текущим ошибкам оцениваемых параметров движения летательных аппаратов, адаптация к текущим ошибкам измерителей, обусловленным работой следящих систем в различных частотных диапазонах, и низкие требования к вычислительной системе по быстродействию и объему памяти. 1 ил.

Двухдиапазонный следящий измеритель, содержащий вычитающее устройство, на первый вход которого подается измеряемая величина, а выход соединен с входами первого и пятого усилителей, входом порогового устройства, с первыми входами первого и второго перемножителей и первым входом первого вычислителя, выход которого подключен к входу второго вычислителя и к второму входу первого перемножителя, выход которого подключен к входу второго коммутатора, выход которого соединен с четвертым входом первого сумматора, на первый вход которого подается начальное значение отслеживаемой координаты, а выход соединен с входом первого блока задержки, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход второго вычислителя соединен с вторым входом второго перемножителя, выход которого соединен с входом третьего коммутатора, выход порогового устройства соединен с коммутируемыми входами второго и третьего коммутаторов, выход третьего коммутатора соединен с четвертым входом третьего сумматора, на первый вход которого подается начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты, выход третьего сумматора подключен к входу второго блока задержки, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора и с входом четвертого усилителя, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом сумматора и вторым входом вычитающего устройства, отличающийся тем, что выход первого усилителя подключен к входу введенного первого коммутатора, на коммутируемый вход которого подается сигнал признака диапазона, первый и второй выходы первого коммутатора подключены соответственно к входам введенных второго и третьего усилителей, выходы которых подключены к третьему входу первого сумматора, выход пятого усилителя подключен к входу введенного четвертого коммутатора, на коммутируемый вход которого подается сигнал признака диапазона, первый и второй выходы четвертого коммутатора подключены соответственно к входам введенных шестого и седьмого усилителей, выходы которых подключены к третьему входу третьего сумматора, на второй вход первого вычислителя подается сигнал признака диапазона.