Патент на изобретение №2296348

(54) СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ С ОБНАРУЖИТЕЛЕМ МАНЕВРА И АДАПТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ПРОГНОЗА

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиотехнических системах измерения параметров траекторий летательных аппаратов, а именно: дальность – скорость, скорость – ускорение, угловая координата – скорость изменения угловой координаты. Техническим результатом является повышение точности и устойчивости работы следящего измерителя с обнаружителем маневра в условиях неопределенности закона изменения измеряемой координаты при сопровождении им интенсивно маневрирующих летательных аппаратов. Следящий измеритель с обнаружителем маневра и адаптивной коррекцией прогноза содержит вычитающее устройство, первый, второй и третий усилители, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй блоки задержки, при этом в него дополнительно введены вычислитель порога и коэффициентов усиления невязки, устройство обнаружения маневра, первый и второй вычислители, первый и второй переключатели, при этом обнаружение маневра выполняется по факту превышения переменного порога, а адаптация – за счет автоматического изменения аддитивной поправки к прогнозу. 2 ил.

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).

Актуальность обнаружения маневра цели важна как с тактической, так и технической точек зрения. Несвоевременное обнаружение начала маневра цели достаточно часто приводит к срыву атаки из-за запаздывания адекватного изменения пространственного положения летательного аппарата. Следствием этого запаздывания может быть уход цели из зоны возможных атак и потеря позиционного превосходства в бою. В связи с этим для летчика важно иметь информацию о наличии маневра. В техническом плане интенсивное маневрирование цели может существенно ухудшить точность и устойчивость автоматического сопровождения цели следящими измерителями. Таким образом, задача обнаружения маневра и адаптации к нему следящих измерителей является весьма актуальной.

1. Известны: 1) следящий измеритель, содержащий фильтр Калмана второго порядка [1, Меркулов В.И., Перов А.И., Саблин В.Н. и др. Радиолокационные измерители дальности и скорости. T.1 / Под ред. В.Н.Саблина. – М.: Радио и связь, 1999, стр.30]; следящий измеритель, содержащий 6 фильтров Калмана [2, Авторское свидетельство СССР №1061082, кл. G 01 S 13/66, 1983]; линейное адаптивное устройство обработки данных, содержащее 12 фильтров Калмана [3, Патент РФ №2052835, кл. G 01 S 13/02, 1996].

Недостатками этих следящих измерителей являются отсутствие информации о маневре сопровождаемой цели, например летательного аппарата (ЛА), низкая точность оценивания отслеживаемых параметров траекторий ЛА вследствие нарастания ошибок оценивания при нелинейном законе изменения отслеживаемых параметров траекторий ЛА [1, стр.32], либо высокие требования к вычислительной системе по объему памяти и быстродействию [2, 3], а также подверженность срыву автосопровождения из-за невозможности обнаружения факта маневра ЛА и последующего предотвращения расходимости процесса оценивания отслеживаемых параметров траекторий ЛА [1, стр.32].

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является следящий измеритель с фильтром Калмана второго порядка [1, стр.30], содержащий канал оценивания одной отслеживаемой координаты и канал оценивания ее скорости изменения.

Известное устройство проводит измерение координаты и обработку результатов измерения в соответствии с алгоритмом:

где: x₀, и x_э – соответственно начальное, оцененное и экстраполированное значения отслеживаемой координаты, например дальности; и – соответственно начальное, оцененное и экстраполированное значения скорости ее изменения; z_и(k) – измеренное значение отслеживаемой координаты, состоящее из текущего значения отслеживаемой координаты х и случайной ошибки измерения _и с математическим ожиданием, равным нулю, и известной дисперсией D_и(k); к_ф1 и к_ф2 – переменные коэффициенты усиления невязки; D_э(k) – матрица дисперсий ошибок экстраполяции, определяющих вес коэффициентов усиления невязки; D(k) – матрица ошибок фильтрации, определяющих точность оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения; H(k) – матрица связи векторов х и z_и, k и (k-1) – дискретные значения времени измерения; Ф(k, k-1) – фундаментальная матрица, определяющая связь между фазовыми координатами, ф_ij(k) – коэффициенты исходной фундаментальной матрицы состояния Ф(k, k-1), положенной в основу синтеза фильтра Калмана; ф₁₁(0)=1; ф₁₂(0)=; ф₂₁(0)=0; ф₂₂(0)=1; – длительность такта обработки; т – знак транспонирования.

Недостатком прототипа является отсутствие информации о начале маневра ЛА, низкая точность сопровождения фильтруемых координат вследствие появления при маневре в алгоритме изменения сопровождаемой траектории второй, третьей и более высоких производных скорости отслеживаемой координаты, приводящих к нарастанию во времени динамических ошибок сопровождения, что неизбежно приведет к срыву сопровождения.

Таким образом, задачей изобретения является повышение точности и устойчивости работы следящего измерителя с обнаружителем маневра в условиях неопределенности закона изменения измеряемой координаты при сопровождении им интенсивно маневрирующих летательных аппаратов.

Поставленная задача достигается тем, что в следящий измеритель с обнаружителем маневра и адаптивной коррекцией, содержащий вычитающее устройство (ВУ), на первый вход которого подается измеряемая величина, а выход соединен с первым входом первого усилителя и первым входом третьего усилителя, первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход с первым входом первого блока задержки, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, третий сумматор, первый вход которого соединен с выходом третьего усилителя, а выход с первым входом второго блока задержки, выход которого соединен с первым входом второго усилителя, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора и вторым входом вычитающего устройства дополнительно введены:

устройство обнаружения маневра (УОМ), через первый вход которого в него вводят значение порога h_z с выхода вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки, а второй вход соединен с выходом упомянутого ранее ВУ, а его выход соединен со вторым входом введенного первого переключателя и вторым входом введенного второго переключателя;

первый вычислитель, первый вход которого соединен с выходом упомянутого ВУ, через второй вход в него вводят значение коэффициента усиления к_ф1 с выхода вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки, а его выход соединен с первым входом первого переключателя, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора;

второй вычислитель, первый вход которого соединен с выходом ВУ, через второй вход которого в него также вводится значение коэффициента усиления к_ф1 с выхода вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки, а выход соединен с первым входом введенного второго переключателя, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора;

вычислитель порога и коэффициентов усиления невязки, первый выход которого соединен с первым входом устройства обнаружения маневра для ввода значения порога, второй выход соединен со вторым входом первого усилителя, вторым входом первого вычислителя, вторым входом второго вычислителя для ввода в них значения коэффициента усиления к_ф1, третий выход соединен со вторым входом третьего усилителя для ввода значения коэффициента усиления к_ф2.

Возможность формирования решающего правила заключается в достоверности определения начала маневра при превышении невязкой измерений порога h_z в процессе анализа невязки z(k)=z_и(k)-x_э(k) основана на том, что в линейном оптимальном фильтре невязка представляет собой центрированный гауссовский белый шум с ковариационной матрицей [4, Оценивание дальности и скорости в РЛС. Часть 1. / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. М.: Радиотехника, 2004 г., стр.31]

практически достоверно распределенный в диапазоне . Если , то это свидетельствует о наличии маневра. Исходя из этого значение порога срабатывания в УОМ выбирается равным . После обнаружения маневра производится коррекция прогноза состояния.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема следящего измерителя с обнаружителем маневра и адаптивной коррекцией прогноза, где

1 – вычитающее устройство (ВУ),

2 – первый усилитель,

3 – первый сумматор,

4 – первый блок задержки,

5 – второй сумматор,

6 – устройство обнаружения маневра,

7 – первый вычислитель,

8 – первый переключатель,

9 – второй усилитель,

10 – второй вычислитель,

11 – второй переключатель,

12 – вычислитель порога и коэффициентов усиления невязки,

13 – третий усилитель,

14 – третий сумматор,

15 – второй блок задержки.

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

На фиг.2 и 3 показаны графики исследований фильтра дальномера с адаптивной коррекцией прогноза. На фиг.2 показаны ошибки слежения по дальности для фильтра с коррекцией и без нее. На фиг.3, соответственно, показаны ошибки слежения по скорости.

Функционально следящий измеритель с обнаружителем маневра и адаптивной коррекцией прогноза 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 13, третий сумматор 14, второй блок задержки 15 и второй усилитель 9;

– вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки 12;

– устройства обнаружения маневра 6;

– вычислителя аддитивных корректирующих поправок прогноза, в состав которого входят первый 7 и второй 10 вычислители, первый 8 и второй 11 переключатели. Переключатели 8 и 11 идентичны по своей структуре: при наличии на вторых входах сигнала, соответствующего логической единице «1», с выхода УОМ 6 вводят со своих первых выходов сигналы коррекции соответственно на третий вход первого сумматора 3 и второй вход третьего сумматора 13.

Алгоритм функционирования следящего измерителя описывается следующими уравнениями:

где: x₀, и х_э – соответственно начальное, оцененное и экстраполированное значения отслеживаемой координаты; – соответственно начальное и оцененное значения скорости ее изменения; k, (k-1) – дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на длительность такта обработки ; к_ф1 и к_ф2 – коэффициенты усиления, вычисляемые по правилу (6)-(8); u_x(k), – аддитивные корректирующие поправки прогноза измеряемой координаты и скорости ее изменения для k-го момента времени, вычисляемые согласно формул (15), (16) [5, Авиационные системы радиоуправления. Т 2. / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. М.: Радиотехника, 2003 г., стр.267].

Заявленное устройство работает следующим образом.

После включения следящего измерителя в момент начала отсчета k=0 выполняют следующее.

1. В виде переменных вводят:

– начальное значение порога срабатывания h_z – в УОМ 6;

– начальное значение длительности такта обработки – в первый 4 и второй 15 блоки задержки;

– начальное значение коэффициента усиления к_ф1 – в первый усилитель 2 и в первый вычислитель 7;

– начальное значение коэффициента усиления к_ф2 – в третий усилитель 13 и во второй вычислитель 10;

2. На четвертый вход первого сумматора 3 подают начальное значение отслеживаемой координаты х₀, а на третий вход третьего сумматора 14 – начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты . Отслеживаемой координатой может быть, например, дальность.

3. В первом сумматоре 3 в соответствии с учетом введенного значения x₀ формируется оцененное значение отслеживаемой координаты которое поступает на первый вход первого блока задержки 4, где задерживается на время, равное длительности такта обработки , после чего оно в виде значения поступает на первый вход второго сумматора 5.

4. В третьем сумматоре 14 в соответствии с учетом введенного значения формируется оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты которое поступает на первый вход второго блока задержки 15, где задерживается на время, равное длительности такта обработки , после чего оно в виде значения поступает на первый вход второго усилителя 9 и на четвертый вход третьего сумматора 14, для его запоминания. Во втором усилителе 9 оцененный сигнал скорости изменения отслеживаемой координаты усиливается в раз и далее подается на второй вход второго сумматора 5, где суммируется с сигналом формируя тем самым в соответствии с формулой (14) экстраполированное значение отслеживаемой координаты x_э(k), которое с выхода второго сумматора 5 поступает на второй вход ВУ 1, который его запоминает, и на второй вход первого сумматора 3, где он также запоминается.

После этого на каждом последующем такте работы следящего измерителя происходит следующее.

1. Измеренное значение отслеживаемой координаты z_и(k) подают на первый вход ВУ 1, где формируется значение невязки измерений z(k)=z_и(k)-x_э(k), которое поступает на первые входы первого 2 и третьего 13 усилителей, на второй вход У ОМ 6 и на первые входы первого 7 и второго 10 вычислителей.

2. Первый вычислитель 7 по формуле (15) вычисляет значение аддитивной корректирующей поправки прогноза u_x(k), которое с его выхода поступает на первый вход первого переключателя 8.

3. Второй вычислитель 10 по формуле (16) вычисляет значение аддитивной корректирующей поправки прогноза , которое с его выхода поступает на первый вход второго переключателя 11.

4. УОМ 6 сравнивает значение модуля невязки измерений z(k)=z_и(k)-x_э(k) с переменным сигналом порога срабатывания h_z, поступающим с первого выхода третьего вычислителя 12, выполняя тем самым процедуру обнаружения маневра ЛА. При отсутствии маневра ЛА, т.е. когда невязка измерений не превышает значение порога |z|h_z, управляющий сигнал на вторых входах переключателей 8 и 11 имеет значение логического нуля «0», запрещающее выдачу аддитивных корректирующих поправок прогноза u_x(k) и измеряемой величины и скорости ее изменения на первый 3 и третий 14 сумматоры. Если |z|h_z УОМ 6 формирует на первом выходе сигнал признака маневра (ПМ) (фиг.1) в виде постоянного сигнала, поступающего на индикатор, и управляющий сигнал в виде логической единицы, поступающий с его второго выхода на вторые входы первого 8 и второго 11 переключателей и заставляющий срабатывать оба переключателя 8 и 11. В этом случае аддитивные корректирующие поправки прогноза u_x(k) и соответственно с первого вычислителя 7 и второго вычислителя 10 поступают соответственно на третий вход первого сумматора 2 и второй вход третьего сумматора 14.

5. Первый усилитель 2 усиливает невязку измерений z(k)=z_и(k)-x_э(k) поступающую на его первый вход в к_ф1 раз, сигнал к_ф1 поступает на его второй вход со второго выхода вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки 12. Усиленная невязка с выхода первого усилителя 2 поступает на первый вход первого сумматора 3, в котором по формуле (12) вычисляют оцененное значение отслеживаемой координаты , которое с его выхода поступает к потребителям информации, а также на первый вход первого блока задержки 4, где его задерживают на время, равное длительности такта обработки . С выхода первого блока задержки 4 оцененное значение отслеживаемой координаты поступает на первый вход второго сумматора 5.

6. Третий усилитель 13 усиливает невязку измерений z(k)=z_и(k)-x_э(k), поступающую на первый вход, на величину к_ф2, сигнал к_ф2 поступает на его второй вход с третьего выхода вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки 12 и подает ее на первый вход третьего сумматора 14, в котором по формуле (13) вычисляют оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты , которое с его выхода поступает к потребителям информации, а также на первый вход второго блока задержки 15, где задерживается на время, равное длительности такта обработки . С выхода второго блока задержки 15 задержанное значение скорости изменения отслеживаемой координаты поступает на первый вход второго усилителя 9.

7. Второй усилитель 9 значение скорости изменения отслеживаемой координаты усиливает в раз и подает его на второй вход второго сумматора 5, где его в соответствии с формулой (14) суммируют 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, для его запоминания.

Далее процесс повторяется.

Для выполнения заявленного устройства может быть использована элементная база, выпускаемая в настоящее время отечественной промышленностью. Применяемые в заявленном устройстве вычислители и усилители могут быть реализованы в любой современной цифровой электронно-вычислительной машине. Отличительной особенностью заявленного устройства является простота его реализации.

Использование изобретения дает возможность определить факт наличия маневра и повысить точность оценивания отслеживаемой координаты и скорости ее изменения, а также устойчивость функционирования следящего измерителя в целом.

Формула изобретения

Следящий измеритель с обнаружителем маневра и адаптивной коррекцией прогноза, содержащий вычитающее устройство (ВУ), на первый вход которого подается измеренное значение отслеживаемой координаты, а его выход соединен с первым входом первого усилителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, на четвертый 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 со 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 четвертым 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

вычислитель порога и коэффициентов усиления невязки, первый выход которого соединен с первым входом устройства обнаружения маневра, второй выход соединен со вторым входом первого усилителя, вторым входом первого вычислителя и со вторым входом второго вычислителя, а третий выход соединен со вторым входом третьего усилителя;

устройство обнаружения маневра (УОМ), первый вход которого соединен с первым выходом вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки, его второй вход соединен с выходом ВУ, а его выход – со вторыми входами введенных первого и второго переключателей;

первый вычислитель, первый вход которого соединен с выходом ВУ, второй вход соединен со вторым выходом вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки, а выход соединен с первым входом введенного первого переключателя, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора;

второй вычислитель, первый вход которого соединен с выходом ВУ, второй вход соединен со вторым выходом вычислителя порога и коэффициентов усиления невязки, а выход соединен с первым входом введенного второго переключателя, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора, при этом первый вычислитель вычисляет значение аддитивной корректирующей поправки прогноза измеряемой координаты, а второй вычислитель вычисляет значение аддитивной корректирующей поправки прогноза скорости изменения измеряемой координаты.

РИСУНКИ