УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G01C21/00 

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть реализовано в навигационных системах, использующих информацию от радиосистем с зашумленным сигналом, в частности от спутниковой радионавигационной системы.

Известны устройства обработки сигналов [1], использующие информацию системы счисления пути и радио корректоров типа радиосистемы ближней навигации (РСБН VOR/DME), - радиолокационной станции (РЛС) - для комплексной обработки с помощью фильтра Калмана либо с помощью фильтра с ограниченно растущей памятью.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство обработки сигналов, описанное О.А.Степановым [2], которое содержит 1-й и 2-й измерители (датчика первичной информации, один из которых является корректором другого), фильтр и информационные связи. Известное устройство работает следующим образом: на основе разностных измерений от датчиков первичной информации решается задача фильтрации ошибок одного измерителя на фоне другого измерителя; выходной сигнал компенсируется с помощью отфильтрованной ошибки. При работе такого устройства не анализируется качество сигналов датчика первичной информации, выступающего в роли корректора, в частности, спутниковой навигационной системы (СНС). В этом случае на выходе фильтра могу присутствовать аномальные сигналы типа выбросов, сглаженные только частично.

Кроме того, второй датчик первичной информации (СНС) используется только в качестве корректора и при отказе первого датчика его информация не используется в качестве выходной.

Цель предлагаемого изобретения: создание устройства обработки информации, обеспечивающего

- обнаружение аномальных измерений в сигнале корректора и исключение их из дальнейшей обработки;

- повышение показателя полноты системы контроля корректора за счет введения дополнительного контроля, основанного на стастистической обработке сигналов корректора;

- увеличение числа навигационных режимов, отличающихся по качеству сигнала и точности, способных выполнять заданную целевую задачу, что обеспечивает функциональную информационную избыточность без применения дополнительных корректоров;

- повышение целостности навигационной информации.

Поставленная цель достигается введением в известное устройство дополнительных элементов и новых связей.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, где:

1 - датчик первичной информации - система счисления пути;

2 - корректор - СНС;

3 - фильтр;.

4, 5 - сумматоры;

6 - блок запоминающих устройств;

7 - 1-й вычислительный блок;

8 - блок обнаружения аномальных сигналов и времени их появления;

9 - 2-й вычислительный блок;

10, 11 - блоки контроля (дешифраторы);

12, 13 - коммутаторы;

1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 8.1, 9.1 - информационные шины, передающие параметры и их признаки достоверности;

Так же как и известное, предлагаемое устройство обработки сигналов содержит датчик первичной информации (1), корректор (2) и фильтр (3), подмоченный в свою очередь через первый сумматор (4) к датчику первичной информации (1) и ко второму сумматору (5), связанному также с датчиком первичной информации (1).

Кроме того, предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные блок запоминающих устройств (6), связанный с корректором (2), 1-й вычислительный блок (7) и блок обнаружения аномальных сигналов и времени их появления (8), связанный в свою очередь через второй вычислительный блок (9) с первым вычислительным блоком (7), а также два блока контроля (10, 11), входами связанные соответственно с корректром (2) и блоком обнаружения аномальных сигналов (8), а также с блоками 1, 5, 9, а выходами - с управляющими входами вновь введенных коммутаторов (12, 13) соответственно.

При этом входы первого коммутатора (12) связаны со входами корректра (2) и блока обнаружения аномальных сигналов (8) а выход - с первым сумматором (4), а входы второго коммутатора связаны соответственно с датчиком первичной информации (1), вторым сумматором (5), вторым вычислительным блоком (9) и корректром (2).

Так же как в известном устройстве

- датчик первичной информации (1) формирует параметры:

ϕ ^сч, λ ^сч, VсчЕ

, VсчN - координаты (широту, долготу) и составляющие (восточную и северную) путевой скорости и их признаки исправности: Испр ϕ ^сч, Испр λ ^сч, Испр VсчЕ, Испр VсчN

- информационная шина 1.1 передает параметры системы счисления пути:

ϕ ^сч, Испр ϕ ^сч, λ ^сч, Испр λ ^сч, VсчЕ

, Испр VсчЕ, VсчN, Испр VсчN

- корректор (2), формирует параметры:

ϕ ^к, λ ^к, VкE

, VкN - координаты (широту, долготу) и составляющие (восточную и северную) путевой скорости и их признаки исправности: Испр ϕ ^к, Испр λ ^к, Испр VкE, Испр VкN;

- информационная шина 2.1 передает параметры корректора:

ϕ ^к, Испр ϕ ^к, λ ^к, Испр λ ^к, VкЕ

, Испр VкЕ, VкN, Испр VкN,

- фильтр (3) формирует оценки ошибок координат и составляющих путевой скорости, получаемые при использовании сигналов корректора, прошедших контроль в блоке грубых оценок или без него;

- информационная шина 3.1 передает оценки ошибок координат и составляющих путевой скорости и их признаки исправности.

- информационная шина 4.1 передает ошибки координат и составляющих путевой скорости, являющихся разницей параметров, измеренных блоками 1 и 2.

Функционально вновь вводимые элементы 6-9 можно объединить в блок грубых оценок.

В “Блоке грубых оценок” с помощью статистической обработки сигналов на некотором скользящем интервале времени

1) выявляются аномальные сигналы;

2) контролируются величина и частота их появления;

3) устанавливется время появления аномальных сигналов;

4) проводится исключение аномальных сигналов из дальнейшей обработки;

5) проводится сглаживание сигналя корректора методом наименьших квадратов (МНК)[4];

6) формируются признаки “Непригодности”.

Формульно-логаческое описание элементов, входящих в блок грубых оценок.

Для каждого обрабатываемого параметра корректора (ϕ ^к, λ ^к, VкE

, VкN) вновь вводимые элементы предназначены для выполнения следующих операций:

блок запоминающих устройств (6) - для запоминания выборки измеренных сигналов (ϕ ^к, λ ^к, VкE

, VкN) или их аппроксимированных значений на интервале и отклонений измеренных параметров от эталонов, блок запоминающих устройств (6) может быть реализован с помощью

- таймера (счетчика) определения интервала обработки

Т - счетчик времени наблюдения;

Т_зад - заданное значение времени наблюдения (длина интервала наблюдения);

k - число обновляемых значений сигнала (для первого интервала к=Т_зад).

- запоминающего устройства выборки сигнала на интервале:

X_Z[i]:=X(t), Z=1,2,3,4 где 1=ϕ , 2=λ , 3=V_E, 4=V_N, i=1,... ,n, где n - количество измерений на интервале обработки. X_Z (t) - текущее значение сигнала. X_Z[i] -элемент массива запомненных значений сигнала;

Первый вычислительный блок (7) для расчета функций эталона и отклонения измеренного параметра или их аппроксимаций от эталонов, 1-й вычислительный блок (7) может быть реализован с помощью

- устройства вычисления функций эталона Y_Z [i] по выборке

где - скорость изменения измеренного навигационного параметра в момент времени t_i;

- устройства расчета отклонений Δ Х_Zкорр (погрешностей) вектора Х_Zкорр на каждом j-м интервале

Блок для обнаружения аномальных сигналов и времени их появлений (8) может быть реализован с помощью

- устройства расчета математических ожиданий и дисперсий для функции отклонений

- среднее значение функции ; на участке наблюдения;

- дисперсия функции отклонений на участке наблюдения

- устройства ввода и хранения пограничного значения показателя значимости - θ _погр, взятого из таблиц для n степеней свободы и заданной вероятности Q ложного отказа;

- устройства расчета показателя значимости θ _j между двумя интервалами обработки

где - значения дисперсий функции на соседних участках обработки, показатель θ _j характеризует отношение большей дисперсии к меньшей;

- устройства сравнения показателя достоверности с его пограничным значением, позволяющее обнаружить аномальные сигналы и момент их появления

Основные технические принципы решения, использованные при реализации блока грубых оценок (6, 7, 8 и 9), и его применение для обнаружения недопустимых отклонений в дискретных измерениях изложены в [3], метод МНК приведен в [4], но их применение в предлагаемом устройстве для обнаружения аномальных измерений и дополнительной фильтрации сигнала корректора позволили получить новые качества выходного сигнала предлагаемого устройства.

Блок расчета сглаживающей функции (9) предназначен для расчета сглаживающей функции сигнала корректора, методом наименьших квадратов и формирования сигналов непригодности может быть реализован с помощью

- устройства для расчета функции аппроксимации сигнала корректора с использованием метода наименьших квадратов на основе математических ожиданий и дисперсий [4],

- устройства корректировки аномального сигнала

- скорректированный сигнал;

- устройства формирования признака непригодности сигнала, учитывающего величину и частоту появления аномалии

где σ _доп допустимое значение среднеквадратического отклонения,

ω _j, ω _доп - частота появления аномального сигнала и его допустимое значение.

Информационная шина 8.1, передающая информацию ϕкБГО

, Неприг ϕкБГО, λкБГО, Неприг λкБГО, V_ЕкБГО, Неприг V_ЕкБГО, V_NкБГО, Неприг V_NкБГО.

Информационная шина 9.1, передающая информацию ϕкМНК

, λкМНК, V_EкМНК, V_NкМНК, Испр ϕ кМНК, Испр λ кМНК, Испр V_EкМНК, Испр V_NкМНК ϕкБГО, λкБГО, V_EкБГО, V_NкБГО - координаты (широта, долгота) и составляющие путевой скорости, прошедшие контроль на основе статистической обработки в блоке грубых оценок;

Неприг. ϕ кБГО

, Неприг. λ кБГО, Неприг. V_ЕкБГО, Неприг. V_NкБГО – признаки непригодности соответствующих параметров, формируемые на основе контроля, реализованного в блоке грубых оценок;

ϕ кМНК

, λ кМНК, V_ЕкМНК, V_NкМНК - отфильтрованные методом наименьших квадратов координаты и составляющие скорости;

Испр ϕ кМНК

, Испр λ кМНК, Испр V_EкМНК, Испр V_NкМНК - признаки исправности координат и составляющих скорости соответствующих параметров, формируемые на основе контроля, реализованного в блоке грубых оценок;

Вновь введенные блоки (10, 11) контроля функционально представляют собой дешифраторы, которые могут быть реализованы с помощью известных устройств (например, реле или транзисторы).

Первый блок контроля (10), осуществляет выбор и переключение шин 2.1 и 8.1. на основе анализа признаков Испр ϕ ^к, Испр λ ^к, Испр VкE

, Испр VкN и Неприг ϕ кБГО, Неприг λ кБГО, Неприг V_ЕкБГО, Неприг V_NкБГО.

Во втором вновь введенном блоке контроля (11) производится выбор и переключение информационных режимов с учетом их точности. Переключение информации осуществляется по мере снижения ее точности на основе логического анализа признаков исправностей параметров

(Испр ϕ^сч, Испр λ^сч, Испр VсчЕ

, Испр VсчN),

(Испр ϕ кМНК

, Испр λ кМНК, Испр V_EкМНК, Испр V_NкМНК,), (Испр ϕ ^к, Испр λ ^к, Испр VкE, Испр VкN),

и

Информационная шина (5.1), передает оцененные параметры и признаки

В текте приняты следующие обозначения:

Неприг. ϕ кБГО

, Неприг. λ кБГО, Неприг. V_EкБГО, Неприг. V_NкБГО - признаки непригодности соответствующих параметров, формируемые на основе контроля, реализованного в блоке грубых оценок;

ϕ кМНК

, λ кМНК, V_ЕкМНК, V_NкМНК отфильтрованные методом наименьших квадратов координаты и составляющие скорости;

Испр ϕ кМНК

, Испр λ кМНК, Испр V_EкМНК, Испр V_NкМНК - признаки исправности координат и составляющих скорости соответствующих параметров, формируемые на основе контроля, реализованного в блоке грубых оценок;

оценки ошибок координат и составляющих скорости, получаемые при использовании сигналов корректора, прошедших контроль в блоке грубых оценок или без него;

оценки координат и составляющих скорости, получаемые при использовании сигналов корректора, прошедших контроль в блоке грубых оценок или без него;

- оцененные выходные параметры устройства - широта, долгота, восточная и северная составляющие скорости;

- признаки достоверности выходных параметров, формируемых на основе признаков исправности используемых сигналов;

Приз. Отказ устройства - признак отказа устройства обработки сигналов. Предлагаемое устройство работает следующим образом:

на сумматор 4 подается сигнал корректора, прошедший дополнительный контроль в блоках 6, 7, 8, 9, а в случае невозможности его использования

, осуществляется переход на связь, предусмотренную в прототипе, фильтр отрабатывает погрешность, получаемую как разницу измерений системы счисления пути и корректора; одновременно в блоке 4 сигнал корректора пропускается через статистический фильтр, построенный с использованием МНК, и формирует признаки (Испр ϕ кМНК

, Испр λ кМНК, Испр V_EкМНК, Испр V_NкМНК), скорректированный (оцененый) выходной сигнал устройства формируется сумматором 5; далее 2-я система контроля на основе анализа признаков состояний возможности применить режим в текущий момент времени и установленного приоритета режимов осуществляет подключение одного из режимов к выходной информационной шине. Приоритет режимов следующий: 1 - система счисления пути и корректор, сигнал которого прошел дополнительный контроль, 2 - система счисления пути и корректор, сигнал которого не прошел дополнительный контроль, 3 - корректор, сигнал которого прошел дополнительный контроль, 4 - корректор, сигнал которого не прошел дополнительный контроль, 5 - система счисления пути.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит обеспечить

- получение качественно нового сигнал корректора за счет обнаружения и исключения аномальных измерений.

- повышение точности навигационной информации, формируемой устройством, за счет дополнительного контроля сигналов корректора;

- повышение целостности навигационной информации, формируемой устройством, за счет функционального резервирования навигационных режимов.

Работоспособность предлагаемого устройства была подтверждена результатами математического моделирования с использованием реальных данных датчика (БИНС) и корректора (СНС).

Результаты подтвердили получение положительного эффекта. В настоящее время ведутся работы по внедрению данного устройства в состав бортового программного обеспечения вычислительных систем ПрНК для самолета Ан-70, БИНС-СП для самолета 10КУБ и базовой навигационной системы (БНС) для самолетов ДА и ВТА.

Источники информации

1. Авиационные приборы и навигационные системы. Под ред. О.А.Бабича, М., изд. ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1981, стр.565.

2. О.А.Степанов. Особенности построения и перспективы развития навигационных инерциально-спутниковых систем. Санкт-Петербург, Сборник статей и докладов “Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации”. Под ред. В.Г.Пешехонова, 2001, стр.39.

3. А.М. Длин. Математическая статистика в технике, М., изд. Советская наука, 1958, стр.465.

4. Г. Крамер Математическая статистика, М., изд. Мир, 1976, стр.453.

Устройство обработки сигналов относится к области авиационного приборостроения и может быть применено в навигационных системах, использующих информацию с зашумленным сигналом, например, от спутниковых навигационных систем. Устройство обработки сигналов содержит датчик первичной информации, корректор и фильтр, связанный через сумматор с датчиком первичной информации, подключенным ко второму сумматору, связанному в свою очередь с фильтром. Кроме того, в него дополнительно введены последовательно соединенные блок запоминающих устройств, связанный с корректором, первый вычислительный блок и блок обнаружения аномальных сигналов и времени их появления, а также второй вычислительный блок, два блока контроля, два коммутатора и новые связи. Достигаемым техническим результатом является повышение целостности навигационной информации. 1 ил.

Устройство обработки сигналов, содержащее датчик первичной информации, корректор и фильтр, подключенный через первый сумматор к датчику первичной информации, связанного, в свою очередь, со вторым сумматором, подключенным к фильтру, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные блок запоминающих устройств, связанный с корректором, первый вычислительный блок и блок обнаружения аномальных сигналов и времени их появления, связанный, в свою очередь, через вновь введенный второй вычислительный блок с первым вычислительным блоком, а также два блока контроля, связанных с управляющими входами двух вновь введенных коммутаторов соответственно, при этом входы первых блока контроля и коммутатора подключены соответственно к корректору и блоку обнаружения аномальных сигналов, выход первого коммутатора связан с первым сумматором, а входы вторых блока контроля и коммутатора подключены соответственно к датчику первичной информации, корректору, второму сумматору и второму вычислительному блоку.