Патент на изобретение №2253131

(54) СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ С ОБНАРУЖИТЕЛЕМ МАНЕВРА

(57) Реферат:

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.

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

в которой х₀ – допустимая величина ошибки сопровождения;

и – постоянные коэффициенты усиления;

_к и _к – вычисляемые коэффициенты усиления;

k и k-1 – дискретные значения времени;

– длительность такта обработки.

Недостатком прототипа является сравнительно низкая точность сопровождения высокоманевренных ЛА вследствие того, что при вычислении коэффициентов усиления _к и _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 , 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, дополнительно введены:

устройство обнаружения маневра (УОМ), через третий вход которого в него вводят значение длительности такта обработки 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 , 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+_и – измеренное значение отслеживаемой координаты, состоящее из истинного значения отслеживаемой координаты x_ист и случайной ошибки измерения _и с дисперсией D_и;

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

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)+2D₂₁(k-1)+2D₂₂(k-1)] (6)

экстраполированной дисперсии ошибки оценивания отслеживаемой координаты;

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

экстраполированной дисперсии ошибки оценивания скорости изменения отслеживаемой координаты;

D_21э(k)=s(k)(1-к_м)[D₂₁(k-1)+D₂₂(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 – 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 , 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 , 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 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 . 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 , 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 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ