Патент на изобретение №2237234

(54) УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

(57) Реферат:

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.

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:

^сч, ^сч, V^сч_Е, V^сч_N – координаты (широту, долготу) и составляющие (восточную и северную) путевой скорости и их признаки исправности: Испр ^сч, Испр ^сч, Испр V^сч_Е, Испр V^сч_N

– информационная шина 1.1 передает параметры системы счисления пути:

^сч, Испр ^сч, ^сч, Испр ^сч, V^сч_Е, Испр V^сч_Е, V^сч_N, Испр V^сч_N

– корректор (2), формирует параметры:

^к, ^к, V^к_E, V^к_N – координаты (широту, долготу) и составляющие (восточную и северную) путевой скорости и их признаки исправности: Испр ^к, Испр ^к, Испр V^к_E, Испр V^к_N;

– информационная шина 2.1 передает параметры корректора:

^к, Испр ^к, ^к, Испр ^к, V^к_Е, Испр V^к_Е, V^к_N, Испр V^к_N,

– 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 ( ^к, ^к, V^к_E, V^к_N) вновь вводимые элементы предназначены для выполнения следующих операций:

блок запоминающих устройств (6) – для запоминания выборки измеренных сигналов ( ^к, ^к, V^к_E, V^к_N) 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= , 2= , 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 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 – _погр, взятого из таблиц для n степеней свободы и заданной вероятности Q ложного отказа;

– устройства расчета показателя значимости _j между двумя интервалами обработки

где – значения дисперсий функции на соседних участках обработки, показатель _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 _доп допустимое значение среднеквадратического отклонения,

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

Информационная шина 8.1, передающая информацию ^к_БГО, Неприг ^к_БГО, ^к_БГО, Неприг ^к_БГО, V_Е^к_БГО, Неприг V_Е^к_БГО, V_N^к_БГО, Неприг V_N^к_БГО.

Информационная шина 9.1, передающая информацию ^к_МНК, ^к_МНК, V_E^к_МНК, V_N^к_МНК, Испр ^к_МНК, Испр ^к_МНК, Испр V_E^к_МНК, Испр V_N^к_МНК ^к_БГО, ^к_БГО, V_E^к_БГО, V_N^к_БГО – координаты (широта, долгота) и составляющие путевой скорости, прошедшие контроль на основе статистической обработки в блоке грубых оценок;

Неприг. ^к_БГО, Неприг. ^к_БГО, Неприг. V_Е^к_БГО, Неприг. V_N^к_БГО – признаки непригодности соответствующих параметров, формируемые на основе контроля, реализованного в блоке грубых оценок;

^к_МНК, ^к_МНК, V_Е^к_МНК, V_N^к_МНК – отфильтрованные методом наименьших квадратов координаты и составляющие скорости;

Испр ^к_МНК, Испр ^к_МНК, Испр V_E^к_МНК, Испр V_N^к_МНК – 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 ^к, Испр ^к, Испр V^к_E, Испр V^к_N и Неприг ^к_БГО, Неприг ^к_БГО, Неприг V_Е^к_БГО, Неприг V_N^к_БГО.

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 ^сч, Испр ^сч, Испр V^сч_Е, Испр V^сч_N),

(Испр ^к_МНК, Испр ^к_МНК, Испр V_E^к_МНК, Испр V_N^к_МНК,), (Испр ^к, Испр ^к, Испр V^к_E, Испр V^к_N),

и

Информационная шина (5.1), передает оцененные параметры и признаки

В текте приняты следующие обозначения:

Неприг. ^к_БГО, Неприг. ^к_БГО, Неприг. V_E^к_БГО, Неприг. V_N^к_БГО – признаки непригодности соответствующих параметров, формируемые на основе контроля, реализованного в блоке грубых оценок;

^к_МНК, ^к_МНК, V_Е^к_МНК, V_N^к_МНК отфильтрованные методом наименьших квадратов координаты и составляющие скорости;

Испр ^к_МНК, Испр ^к_МНК, Испр V_E^к_МНК, Испр V_N^к_МНК – 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 ^к_МНК, Испр ^к_МНК, Испр V_E^к_МНК, Испр V_N^к_МНК), 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ