СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ С ОБНАРУЖИТЕЛЕМ МАНЕВРА Российский патент 2005 года по МПК G01S13/66 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических системах измерения параметров траекторий летательных аппаратов (ЛА), таких как дальность-скорость; скорость-ускорение; угловая координата-скорость изменения угловой координаты.

Известны: 1) следящий измеритель дальности, содержащий α-β-фильтр [Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: Радио и связь, 1986, стр. 166]; следящий измеритель, содержащий шесть фильтров Калмана [авторское свидетельство СССР №1061082, кл. G 01 S 13/66, 1983]; линейное адаптивное устройство обработки данных, содержащее 12 фильтров Калмана [патент РФ №2052835, кл. G 01 S 13/02, 1996], следящий измеритель с адаптивным фильтром [патент РФ №2148836, кл. G 01 S 13/66, 2000], следящий измеритель с корректируемым фильтром [патент РФ №2156477, кл. G 01 S 13/66, 2000].

Недостатками этих следящих измерителей являются либо низкая точность оценивания отслеживаемых параметров траекторий ЛА вследствие расходимости процесса оценивания при нелинейном законе изменения отслеживаемых параметров траекторий ЛА [Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: Радио и связь, 1986, стр. 166], либо высокие требования к вычислительной системе по объему памяти и быстродействию [авторское свидетельство СССР №1061082, кл. G 01 S 13/66, 1983; патент РФ №2052835, кл. G 01 S 13/02, 1996], либо низкая точность сопровождения высокоманевренных летательных аппаратов [патент РФ №2148836, кл. G 01 S 13/66, 2000; патент РФ №2156477, кл. G 01 S 13/66, 2000], обусловленная отсутствием возможности обнаружения факта маневра ЛА.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является следящий измеритель с адаптивным фильтром [патент РФ №2148836, кл. G 01 S 13/66, 2000], содержащий фильтр оценки измеряемой координаты, фильтр оценки скорости изменения измеряемой координаты и блок адаптации к текущим ошибкам экстраполяции.

Алгоритм работы упомянутого следящего измерителя описывается следующими уравнениями:

где

x₀, и x_э - начальное, оцененное и экстраполированное соответственно значения отслеживаемой координаты;

- начальное, оцененное и экстраполированное соответственно значения скорости изменения отслеживаемой координаты;

x_и=x_ист+ξ_и - измеренное значение отслеживаемой координаты, состоящее из истинного значения отслеживаемой координаты x_ист и случайной ошибки ξ_и с дисперсией D_и, значение которой определяют по формуле

в которой Δх₀ - допустимая величина ошибки сопровождения;

α и β - постоянные коэффициенты усиления;

α_к и β_к - вычисляемые коэффициенты усиления;

k и k-1 - дискретные значения времени;

τ - длительность такта обработки.

Недостатком прототипа является сравнительно низкая точность сопровождения высокоманевренных ЛА вследствие того, что при вычислении коэффициентов усиления α_к и β_к используется постоянное значение дисперсии шумов измерений D_и, которое в реальных условиях зависит от условий применения, от точности оценивания отслеживаемой координаты x и скорости ее изменения , а также от интенсивности маневрирования сопровождаемого ЛА.

Таким образом, задачей изобретения является повышение точности и устойчивости работы следящего измерителя при сопровождении им интенсивно маневрирующих летательных аппаратов за счет обнаружения факта их маневра.

Поставленная задача достигается тем, что в следящий измеритель, содержащий вычитающее устройство (ВУ), на первый вход которого подают измеренное значение отслеживаемой координаты x_и, а его выход соединен с первым входом первого усилителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, на третий вход которого подают начальное значение отслеживаемой координаты x₀, а выход соединен с потребителями информации и первым входом первого блока задержки, через второй вход которого в него вводят значение длительности такта обработки τ, а выход соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора и вторым входом ВУ, выход которого также соединен с первым входом третьего усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, на третий вход которого подают начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты , а выход соединен с потребителями информации и первым входом второго блока задержки, через второй вход которого в него вводят значение длительности такта обработки τ, а выход соединен с вторым входом третьего сумматора и первым входом второго усилителя, через второй вход которого в него вводят значение длительности такта обработки τ, а выход соединен с вторым входом второго сумматора, дополнительно введены:

устройство обнаружения маневра (УОМ), через третий вход которого в него вводят значение длительности такта обработки τ и значение дисперсии шумов измерений D_и, его первый вход соединен с упомянутым ранее выходом вычитающего устройства, а его выход соединен с вторым входом введенного первого вычислителя, через третий вход которого в него вводят значения длительности такта обработки τ, коэффициента маневра к_м и дисперсии изменения скорости отслеживаемой координаты D_v,

второй вычислитель, через четвертый вход которого в него вводят D₁₁₀, D₂₁₀, D₂₂₀ - значения дисперсий и взаимных дисперсий ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения, а его третий выход соединен с вторым входом УОМ и первым входом первого вычислителя, выход которого соединен с первым входом второго вычислителя, второй выход которого соединен с первым входом введенного третьего вычислителя, через второй вход которого в него вводят значение дисперсии шумов измерений D_и, а его выход соединен с вторым входом первого усилителя и вторым входом второго вычислителя, первый выход которого соединен с первым входом введенного четвертого вычислителя, через второй вход которого в него вводят значение дисперсии шумов измерений D_и, а его выход соединен с третьим входом второго вычислителя и вторым входом третьего усилителя.

На чертеже приведена структурная схема следящего измерителя с обнаружителем маневра, где

1 - вычитающее устройство (ВУ),

2 - первый усилитель,

3 - первый сумматор,

4 - первый блок задержки,

5 - второй сумматор,

6 - устройство обнаружения маневра (УОМ),

7 - первый вычислитель,

8 - третий вычислитель,

9 - второй усилитель,

10 - второй вычислитель,

11 - четвертый вычислитель,

12 - третий усилитель,

13 - третий сумматор,

14 - второй блок задержки.

На приведенной схеме крупными цифрами обозначены номера блоков, а мелкими - номера их входов и выходов.

Функционально следящий измеритель с обнаружителем маневра состоит из:

- канала оценивания отслеживаемой координаты, в состав которого входят последовательно соединенные ВУ 1, первый усилитель 2, первый сумматор 3, первый блок задержки 4, второй сумматор 5;

- канала оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты, в состав которого входят последовательно соединенные третий усилитель 12, третий сумматор 13, второй блок задержки 14 и второй усилитель 9;

- устройства обнаружения маневра 6;

- вычислителя коэффициентов усиления невязок измерений, в состав которого входят первый 7, второй 10, третий 8 и четвертый 11 вычислители.

Алгоритм функционирования канала оценивания отслеживаемой координаты описывается следующими уравнениями:

где x₀, и x_э - соответственно начальное, оцененное и экстраполированное значения отслеживаемой координаты;

- значение экстраполированной скорости изменения отслеживаемой координаты;

x_и=x_ист+ξ_и - измеренное значение отслеживаемой координаты, состоящее из истинного значения отслеживаемой координаты x_ист и случайной ошибки измерения ξ_и с дисперсией D_и;

k, (k-1) - дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на длительность такта обработки τ;

к_ф1 - первый коэффициент усиления невязки измерений, значение которого вычисляется в третьем вычислителе 8.

Алгоритм функционирования канала оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты описывается следующими уравнениями:

где - соответственно начальное и оцененное значения скорости изменения отслеживаемой координаты;

к_ф2 - второй коэффициент усиления невязки измерений, значение которого вычисляется в четвертом вычислителе 11.

Устройство обнаружения маневра 6 реализовано в вычислителе, который запрограммирован на выполнение следующих действий:

возведение в квадрат значения невязки измерений [x_и(k)-x_э(k)];

сравнения значения квадрата невязки измерений [х_и(k)-x_э(k)]² со значением дисперсии шума измерений D_и, при этом если [х_и(k)-x_э(k)]² больше D_и, то считается, что ЛА, координаты которого оценивают в упомянутых выше каналах, совершает маневр, в противном случае маневр он не совершает;

- в зависимости от результатов сравнения вычисление значения весового коэффициента s(k) по формуле

где D₁₁ - значение дисперсии ошибки оценивания отслеживаемой координаты;

D₂₂ - значение дисперсии ошибки оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты;

D₂₁ - значение взаимной дисперсии ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения.

Первый вычислитель 7 вычисляет по нижеприведенным формулам значения:

D_11э(k)-s(k)[D₁₁(k-1)+2τD₂₁(k-1)+2τD₂₂(k-1)] (6)

экстраполированной дисперсии ошибки оценивания отслеживаемой координаты;

D_22э(k)-s(k)(1-τк_м)²[D₂₂(k-1)+D_v] (7)

экстраполированной дисперсии ошибки оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты;

D_21э(k)=s(k)(1-τк_м)[D₂₁(k-1)+τD₂₂(k-1)] (8)

экстраполированной взаимной дисперсии ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения.

В формулах (6)-(8) обозначено:

к_м - коэффициент маневра (постоянный коэффициент, значением которого учитывают степень неизвестности значения скорости изменения отслеживаемой координаты);

D_v - дисперсия изменения скорости отслеживаемой координаты.

Второй вычислитель 10 вычисляет по нижеприведенным формулам значения:

D₁₁(k)=[1-к_ф1(k)]D_11э(k), D₁₁(0)=D₁₁₀ (9)

дисперсии ошибки оценивания отслеживаемой координаты;

D₂₂(k)-D_22э(k)-к_ф2(k)_D21э(k), D₂₂(0)=D₂₂₀ (10)

дисперсии ошибки оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты;

D₂₁(k)=D_21э(k)-к_ф2(1с)D_11э(k), D₂₁(0)=D₂₁₀ (11)

взаимной дисперсии ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения.

В формулах (9)-(11) обозначено:

D₁₁₀ - начальное значение дисперсии ошибки оценивания отслеживаемой координаты;

D₂₂₀ - начальное значение дисперсии ошибки оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты;

D₂₁₀ - начальное значение взаимной дисперсии ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения.

Третий вычислитель 8 по формуле

к_ф1(k)=D₁₁(k)/D_и (12)

вычисляет значение первого коэффициента усиления невязки измерений.

Четвертый вычислитель 11 по формуле

к_ф2(k)=D₂₁(k)/D_и (13)

вычисляет значение второго коэффициента усиления невязки измерений.

Заявленное устройство работает следующим образом.

После включения следящего измерителя, в момент времени k=0, выполняют следующее.

1. В виде констант вводят:

- значение длительности такта обработки τ - в УОМ 6, в первый вычислитель 7, во второй усилитель 9, в первый 4 и второй 14 блоки задержки;

- значение коэффициента маневра к_м - в первый вычислитель 7;

- значение дисперсии изменения скорости отслеживаемой координаты D_v - в первый вычислитель 7;

- значение дисперсии шума измерений D_и - в УОМ 6, в третий 8 и четвертый 11 вычислители.

2. На третий вход первого сумматора 3 подают начальное значение отслеживаемой координаты x₀ и на третий вход третьего сумматора 13 - значение скорости изменения отслеживаемой координаты .

3. Первый сумматор 3 по формуле (1) определяет оцененное значение отслеживаемой координаты, которое с его выхода поступает на первый вход первого блока задержки 4, который его задерживает на время, равное длительности такта обработки τ, после чего оно с выхода первого блока задержки 4 в виде значения поступает на первый вход второго сумматора 5.

4. Третий сумматор 13 по формуле (2) формирует оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты, которое с его выхода поступает на первый вход второго блока задержки 14, который его задерживает на время, равное длительности такта обработки τ, реализуя этим формулу (4), после чего экстраполированное значение скорости изменения отслеживаемой координаты с выхода второго блока задержки 14 поступает на первый вход второго усилителя 9 и на второй вход третьего сумматора 13. Второй усилитель 9 экстраполированное значение скорости изменения отслеживаемой координаты усиливает в τ раз, которое далее поступает на второй вход второго сумматора 5, который суммирует значения и формируя этим, в соответствии с формулой (3), экстраполированное значение отслеживаемой координаты x_э(k), которое с выхода второго сумматора 5 поступает на второй вход ВУ 1 и на второй вход первого сумматора 3, где его запоминают.

5. Во второй вычислитель 10 вводят D₁₁₀, D₂₁₀, D₂₂₀ - начальные значения дисперсий и взаимных дисперсий ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения. Второй вычислитель 10, в соответствии с формулами D₁₁(0)=D₁₁₀ (9), D₂₁(0)=D₂₁₀ (11) и D₂₂(0)=D₂₂₀ (10), формирует значения упомянутых дисперсий для момента времени k=0, которые с его третьего выхода поступают на второй вход УОМ 6 и на первый вход первого вычислителя 7. Кроме этого, значение дисперсии ошибки оценивания отслеживаемой координаты D₁₁(0) с его второго выхода поступает на первый вход третьего вычислителя 8, а значение взаимной дисперсии ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения D₂₁(0) с его первого выхода поступает на первый вход четвертого вычислителя 11.

6. Первый вычислитель 7, в соответствии с формулами (6)-(8), при условии, что значение весового коэффициента s(0)=1, вычисляет D_11э(k), D_21э(k), D_22э(k) - экстраполированные значения дисперсий и взаимных дисперсий ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения, которые поступают на первый вход второго вычислителя 10, где их запоминают.

7. Третий вычислитель 8, в соответствии с формулой (12), вычисляет значение первого коэффициента усиления невязки измерений к_ф1, которое с его выхода поступает на второй вход второго вычислителя 10, где его запоминают.

8. Четвертый вычислитель 11, в соответствии с формулой (13), вычисляет значение второго коэффициента усиления невязки измерений к_ф2, которое с его выхода поступает на третий вход второго вычислителя 10, где его запоминают.

После этого на каждом последующем такте работы измерителя выполняют следующее.

1. Измеренное значение отслеживаемой координаты x_и(k) подают на первый вход ВУ 1, где из него вычитают сформированное на предыдущем такте экстраполированное значение отслеживаемой координаты x_э(k), формируя этим значение невязки измерений x_и(k)-x_э(k), которое с выхода ВУ 1 поступает на первые входы первого 2 и третьего 12 усилителей и на первый вход УОМ 6.

2. Второй вычислитель 10 по формулам (9)-(11) вычисляет значения D₁₁(k), D₂₁(k), D₂₂(k) - дисперсий и взаимных дисперсий ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения, которые с его третьего выхода поступают на первый вход первого вычислителя 7 и на второй вход УОМ 6. Кроме этого, с его первого выхода значение D₂₁(k) поступает на первый вход четвертого вычислителя 11, а с его второго выхода значение D₁₁(k) поступает на первый вход третьего вычислителя 8.

3. УОМ 6 выполняет следующее:

возводит в квадрат значения невязки измерений [х_и(k)-x_э(k)];

сравнивает значение квадрата невязки измерений [х_и(k)-x_э(k)]² со значением дисперсии шума измерений D_и, при этом если [x_и(k)-x_э(k)]² больше D_и, то считается, что ЛА, координаты которого оценивают в упомянутых выше каналах, совершает маневр, в противном случае маневр он не совершает;

в зависимости от результатов сравнения по формуле (5) вычисляет значение весового коэффициента s(k), которое с его выхода поступает на второй вход первого вычислителя 7.

4. Первый вычислитель 7 по формулам (6)-(8) вычисляет для следующего такта работы измерителя D_11э(k), D_21э(k), D_22э(k) - экстраполированные значения дисперсий и взаимных дисперсий ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения, которые с его выхода поступают на первый вход второго вычислителя 10, где их запоминают.

5. Третий вычислитель 8 по формуле (12) вычисляет значение первого коэффициента усиления невязки измерений к_ф1(k), которое с его выхода поступает на второй вход первого усилителя 2 и на второй вход второго вычислителя 10, где его запоминают.

6. Четвертый вычислитель 11 по формуле (13) вычисляет значение второго коэффициента усиления невязки измерений к_ф1(k), которое с его выхода поступает на второй вход третьего усилителя 12 и на третий вход второго вычислителя 10, где его запоминают.

7. Первый усилитель 2 невязку измерений x_и(k)-x_э(k) усиливает в к_ф1 раз, которая с его выхода поступает на первый вход первого сумматора 3, который по формуле (1) вычисляет оцененное значение отслеживаемой координаты которое с его выхода поступает к потребителям информации, а также на первый вход первого блока задержки 4, который его задерживает на время, равное длительности такта обработки τ. С выхода первого блока задержки 4 оцененное значение отслеживаемой координаты поступает на первый вход второго сумматора 5.

8. Третий усилитель 12 невязку измерений x_и(k)-x_э(k) усиливает в к_ф2 раз, которая с его выхода поступает на первый вход третьего сумматора 13, который по формуле (2) вычисляет оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты которое с его выхода поступает к потребителям информации, а также на первый вход второго блока задержки 14, который его задерживает на время, равное длительности такта обработки τ, реализуя этим формулу (4). С выхода второго блока задержки 14 экстраполированное значение скорости изменения отслеживаемой координаты поступает на первый вход второго усилителя 9 и второй вход третьего сумматора 13.

9. Второй усилитель 9 экстраполированное значение скорости изменения отслеживаемой координаты усиливает в τ раз, которое с его выхода поступает на второй вход второго сумматора 5, который, в соответствии с формулой (3), суммирует его с оцененным значением отслеживаемой координаты Полученное в результате суммирования экстраполированное значение отслеживаемой координаты x_э(k) с выхода второго сумматора 5 поступает на второй вход ВУ 1 и на второй вход первого сумматора 3.

Далее процесс повторяют.

Для выполнения заявленного устройства может быть использована элементная база, выпускаемая в настоящее время отечественной промышленностью. Применяемые в заявленном устройстве вычислители могут быть реализованы в любой современной цифровой электронно-вычислительной машине.

Использование изобретения дает возможность повысить точность оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения и устойчивость функционирования измерителя в целом.

Следящий измеритель с обнаружителем маневра предназначен для измерения параметров траекторий летательных аппаратов (дальность-скорость, скорость-ускорение, угловая координата-скорость изменения угловой координаты). Отличительными особенностями следящего измерителя от устройств, решающих подобные задачи, являются: адаптация к текущим ошибкам оцениваемых параметров движения летательных аппаратов (ЛА), адаптация к маневрам летательного аппарата и низкие требования к вычислительной системе по быстродействию и объему памяти. Адаптация к ошибкам оцениваемых параметров движения ЛА и его маневрам достигнута введением в состав следящего измерителя обнаружителя маневра, который по анализу обновляющего процесса изменяет коэффициенты усиления фильтров оценивания параметров движения ЛА. 1 ил.

Следящий измеритель с обнаружителем маневра, содержащий вычитающее устройство (ВУ), на первый вход которого подают измеренное значение отслеживаемой координаты, а его выход соединен с первым входом первого усилителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, на третий вход которого подают начальное значение отслеживаемой координаты, а выход соединен с потребителями информации и первым входом первого блока задержки, через второй вход которого в него вводят значение длительности такта обработки, а выход соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора и вторым входом ВУ, выход которого также соединен с первым входом третьего усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, на третий вход которого подают начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты, а выход соединен с потребителями информации и первым входом второго блока задержки, через второй вход которого в него вводят значение длительности такта обработки, а выход соединен с вторым входом третьего сумматора и первым входом второго усилителя, через второй вход которого в него вводят значение длительности такта обработки, а выход соединен с вторым входом второго сумматора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены устройство обнаружения маневра (УОМ), через третий вход которого в него вводят значение длительности такта обработки и значение дисперсии шумов измерений, его первый вход соединен с упомянутым ранее выходом вычитающего устройства, а выход - с вторым входом введенного первого вычислителя, через третий вход которого в него вводят значения длительности такта обработки, коэффициента маневра и дисперсии изменения скорости отслеживаемой координаты, второй вычислитель, через четвертый вход которого в него вводят значения дисперсий и взаимных дисперсий ошибок оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения, а его третий выход соединен с вторым входом УОМ и первым входом первого вычислителя, выход которого соединен с первым входом второго вычислителя, второй выход которого соединен с первым входом введенного третьего вычислителя, через второй вход которого в него вводят значение дисперсии шумов измерений, а его выход соединен с вторым входом первого усилителя и вторым входом второго вычислителя, первый выход которого соединен с первым входом введенного четвертого вычислителя, через второй вход которого в него вводят значение дисперсии шумов измерений, а его выход соединен с третьим входом второго вычислителя и вторым входом третьего усилителя.