Следящий измеритель

 

1. СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ, содер;){саший блок вычитания,- последовательно включенные первый фильтр Калмана, первый усилитель, перЪый интегратор, второй усилитель и первьай сумматор, второй вход которого соединен с лторым выходом первого фильтра Ксшмана, и последовательно включеН1Ные второй фильтр Калмана, третий усилитель, второй интегратор и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом второго усилителя, при этом выход первого сумматора соединен с вторыми входами .второго сумматора и первого и третьего усилителей через блок вычитания, второй вход которого соединен с вторым выходом второго фильтра Калмана, при этом первый и второй фильтры Калмана содержат последовательно включенные блок вычитания, первый усилитель, первый блок сложения и первый блок згщержки , последовательно включенные второй усилитель, второй /блок, сложения , второй блок задержки и третий усилитель, последовательно включенные четвертый усилитель, третий блок сложения третий блок задержки, пятый усилитель и четвертый блок сложения , второй и третий входы и выходы которого соединены соответственно с выходом первого блока задержки, выходом третьего усилителя и вторыми входами блока вычитания и первого блока сложения, и последовательно включенные шестой усилитель и пятый блок сложения,, выход которого соединен с вторым входом третьего блока сложения, выход второго блока задержки соединен с вторым входом пятого блока сложения, a выход третьего блока задержки соединен с входом шестого усилителя и вторым входом . четвертого блока сложения, причем выход блока вычитания соединен с входами второго и четвертого усилителей и является первым выходом первого и второго фильтров Калмана, входом которых является вход блока вычитания, a вторым выходом - выход (Л первого блока сложения, при этом первый и второй интеграторы содержат последовательно включенные блок сложения и блок задержки, выход которого соединен с первым входом блока сложения, a входом и выходом первого и второго интеграторов являются соответственно второй вход блока сложения и выход блока сложения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и устойчивости измерений на участках наблюдения мао лой длительности при сложной динаX ) мике движения объекта измерений, введены стабилизирующий фильтр, вый и второй входы и выходы которого соединены соответственно с входом первого фильтра Калмана, с выходом первого сумматора и с входом второго фильтра Калмана. 2. Измеритель по п. 1, отлича . ющийся тем, что .стабилизирующий фильтр содержит блок задержки , первый, второй, третий и четвертый усилители и последовательно включенные пятый усилитель, первый , второй и третий блоки сложения и первый и второй блоки вычитания,

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19I (11) М51) 0 01 S 13 бб

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "-

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ОО ДЕЛАМ ИЭОЬРЕТЕНИЙ И ОТБЫТИЙ (21) 3484032/18-09 .(22) 23.08.82 (46) 15.12.83. Бюл. 9 46 (72) Б.Г. Мельников и Б.Н. Остриков (53) 621.-396.96(088.8) (56) 1. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации.,М., "Сов. радио", 1974, с. 348.

2. Авторское свидетельство СССР

У 878041, кл. 0 01 Б 13/бб, приор. 21.05.80 (прототип).. (54)(57) 1. СЛЕДЯЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ, содержащий блок вычитания, последо-. вательно включенные первый фильтр

Калмана, первый усилитель, первый интегратор, второй усилитель и первый сумматор, второй вход которого соединен с вторым выходом первого фильтра Калмана, и последовательно включейные второй фильтр Калмана, третий усилитель, второй интегратор и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом второго усилителя, при этом выход первого сумматора соединен с вторыми входами . второго сумматора и первого и третьего усилителей через блок вычитания, второй вход которого соединен с вторым выходом вто» рого фильтра Калмана, при этом первый и второй фильтры Калмана содер« жат последовательно включенные блок вычитания, первый усилитель, первый блок сложения и первый блок задержки, последовательно включенные вто- . рой усилитель, второй . блок, сложения, второй олок задержки и третий усилитель, последовательно включенные четвертый усилитель, третий блок.

1 сложения, третий блок задержки, пятый усилитель и четвертЫй блок сложения, второй и третий входы и выходы которого соединены соответственно с выходом первого блока задержки, выходом третьего усилителя и вторыми входами блока вычитания и первого блока сложения, и последовательно включенные шестой усилитель и пятый блок сложения,. выход которого соединен с вторым входом третьего блока сложения, выход второго блока задержки соединен с вторым входом пятого блока сложения, а выход третьего блока задержки соединен с входом шестого усилителя и вторым входом . четвертого блока сложения, причем выход блока вычитания соединен с входами второго и четвертого усилителей и является первым выходом первого и второго фильтров Калмана, входом которых является вход блока э вычитания, а вторым выходом — выход первого блока сложения, при этом первый и второй интеграторы содержат последовательно включенные блок сложения и блок задержки, выход которого соединен с первым входом блока ф сложения, а входом и выходом первого и второго интеграторов являются соот ветственно второй вход блока сложения и выход блока сложения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности и устойчивости измерений на участках наблюдения малой длительности.при сложной динамике движения объекта измерений, введены стабилиэйрующий фильтр, первый и второй входы и выходы которого соединены соответственно с входом первого фильтра Калмана, с выходом первого сумматора и с входом второго фильтра Калмана.

2. Измеритель по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что .стабилизирующий фильтр содержит блок задержки, первый, второй, третий и четвертый усилители и последовательно включенные пятый усилитель, первый, второй и третий блоки сложения и первый и второй блоки вычитания, 1061082 при этом первый, второй, третий,. четвертый и пятый выходы блока задержки соединены с вторыми входами соответственно первого блока сложения - через первый усилитель,. второго блока сложения - через второй усилитель, третьего блока сложениячерез третий усилитель, первого

Изобретение относится к радиотехнике и,может использоваться в радиотехнических системах наВигации и измерения параметров траекторий летательных аппаратов.,5

Известен следящий измеритель, содержащий фильтр Калмана (11 ..

Однако известный следящий измеритель имеет низкую точность и устой. чивость измерения в условиях, когда Я динамика движения объекта, параметры траектории которого подлежат .измерению, не согласованы с порядком фильтра Калмана.

Наиболее близким техническим ре- 15 шением к изобретению является следящий измеритель, содержащий блок вычитания, последовательно включенные первый фильтр Калмана, первый усилитель, первый интегратор, вто-, р рой усилитель и первый сумматор, втоpqA вход которого соединен с вторым выходом первого фильтра Калмана, и последовательно включенные второй фильтр Калмана, третий усилитель, 5 второй интегратор и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом второго усилителя, при этом выход первого сумматора соединен с вторыми входами второго сумматора и первого и третьего усилителей через блок вычитания, второй вход которого соединен с вторым выходом второго фильтра Калмана, при этом первый и второй фильтры Калмана содержат последовательно включенные блок вычитания, первый усилитель, первый блок сложения и первый блок задержки, последовательно включенные второй усилитель, второй блок сложения, второй блок задержки и третий уси- 40 литель, последовательно включенные четвертый усилитель, третий блок сложения, третий блок задержки, пятый усилитель и четвертый блок сложения, второй и третьей входы и вы- 45 ходы которого соединены соответственно с выходом первого блока задержки, выходом третьего усилителя и вторыми входами блока вычитания и первого блока сложения, и послеблока вычитания — непосредственно, второго блока вычитания — через четвертый усилитель, при этом первым и вторым входом и выходом стабилизирующего фильтра соответственно являются вход пятого усилителя, вход блока задержки и выход второго блока вычитания. довательно включенные шестой усили-. тель и пятый блок сложения, выход которого соединен с вторым входом третьего блока сложения, выход второго блока задержки соединен с вторым входом пятого блока сложения, а выход третьего блока задержки соединен с входом шестого усилителя.и вторым входом четвертого блока сложения; причем выход блока вычитания соединен с входами второго и четвертого усилителей и является первым выходом первого и второго фильтров Калмана, выходом которых является выход блока вычитания, а вторым выходом — выход первого .блока сложения, при этом первый и второй интеграторы содержат последовательно включенные блок сложения и:блок задержки, выход которого соединен с первым входом блока сложения, а входом и выходом первого и второго интеграторов являются соответственно второй вход блока сложения и выход блока сложения f2) .

Однако известный следящий измеритель имеет низкую точность и устойчивость измерений на участках наблюдения малой длительности при сложной динамике движения объекта.

Цель изобретения — повышение точности и устойчивости измерений на участках наблюдения малой длительности при сложной динамике движения. ,объекта измЕрений.

Цель достигается тем, что в сле дящий измеритель, содержащий блок вычитания, последовательно включенные первый фильтр Калмана, первый усилитель, первый интегратор, второй усилитель и первый сумматор, второй вход которого соединен с вторым выходом первого фильтра Калмана, и последовательно включенные второй фильтр Калмана, третий усилитель, второй интегратор и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом второго усилителя, при этом выход первого сумматора соединен с вторыми входами второго сумматора и первого и третьего усилителей

1О61ОЕ2 через блок вычитания, второй вход которого соединен с вторым выходом второго фильтра Калмана, при этом первый и второй фильтры Калмана со» держат последовательно включенные блок вычитания, первый усилитель, первый

5 блок сложения и первый блок задержки, последовательно включенные второй усилитель, второй блок сложения, второй блок задержки и третий усилитель, последователь включенные чет- 10 вертый усилитель, третий блок,сложе- ния, третий блок задержки, пятый усилитель и четвертый блок сложения, второй и третий входы и выходы которого соединены соответственно с вы- 15 ходом первого блока задержки, выходом третьего усилителя и вторыми входами блока вычитания и первого блока сложения, и последовательно включенные шестой усилитель и пятый блок сложения, выход которого соединен с вторым входом третьего блока сложения,.:выход второго блока задержки соединен с вторым входом пятого бдока сложения, а выход треть- 25

его блока задержки соединен с вхо«, дом шестого усилителя и вторым входом четвертого блока сложения, причем выход блока вычитания соединен с входами второго и четвертого усилителей и является первым выходом первого и второго фильтров Калмана, входом которых является вход блока вычитания, а вторым выходом — выход первого блока сложения, при этом первый и второй интеграторы содержат последовательно включенные блок сложения и блок задержки, выход кото рого соединен с первым входом блока сложения, а входом и выходом первого и второго интеграторов являются соот-40 ветственно второй вход блока сложения и выход блока сложения, введен стабилизирующий фильтр, первый и второй входы и выход которого соединены соответственно с входом пер- 45 вого фильтра Калмана, с выходом первого сумматора и с входом второго фильтра Калмана.

Стабилизирующий фильтр содержит блок задержки, первый, второй, третий и четвертый усилители и последовательно включенные пятый усилитель, .первый, второй и третий блоки сложения и первый и второй блоки вычитания, при этом первый, второй третий,. .. четвертый и пятый выходы блока задержки соединены с вторыми входами соответственно первого блока сложения — через первый усилитель, второго блока сложения - через вто- 60 рой усилитель, третьего блока сложения — через третий усилитель, первого блока вычитания — непосредствен- но, второго блока вычитания — через I четвертый усилитель, при этом rtepвым и вторым входами и выходом ста.— билизирующего фильтра соответственно являются вход пятого усилителя, вход блоха задержки и выход второго блока вычитания.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предложенного устройства; на фиг. 2 — графики полной средней квадратической ошибки .Е (К) измерения: a — известное устройство, о - предложенное устройство, Ь вЂ” потенциальная точность измерения.

Следящий измеритель содержит первый фильтр 1 Калмана, первый усилитель 2, первый интегратор 3, второй усилитель 4, первый сумматор 5, блок б вычитания, второй фильтр 7 Калмана, третий усилитель 8, второй интегратор 9, второй сумматор 10, причем каждый из фильтров 1, 7 Калмана содержит первый, второй, .третий, четвертый,. пятый и шестой усилители 11-16,,первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки 17-21 сложения, первый, второй и третий блоки

22-24 задержки и блок 25.вычитания, каждый из интеграторов 3, 9 содержит блок 2б сложения и блок 27 задержки, стабилизирующий фильтр 28 содержит первый, второй и третий . блоки 29-31 сложения, первый и второй блоки 32 и 33 вычитания, первыф, второй, третий, четвертый и пятый усилители 34-38 и блок 39 задержки.

Математическая модель следящего измерителя описывается следующими соотношениями

"s(k) =%О- хзэ(й) 8„(}4 «х„(k)

Х9(Ц -((И " з(О) 852(Ц Х з(Ц

9() (() Х з(Ю 8 3(Ц Х (k)

Х М= з(-4)+х (+т+х(К g).ò (г л Ю А хз (k)= 9(К-4)+ xз(g-4) Т

Хвэ(Ч = x<(k-×у где 1(к) - входное воздействие;

Q (k) — коэффициенты усиления;

To - делитель тактар (kj - .экстраполированное эна53 чение координаты, а также системой разностных уравнений: (1=r,(k-4>+ В„(k)P(k)-Й„(М) (з) к(Ц =),(Ц y(k)

Х(Ц=х,„(Ц+х (k) ш(Ц= а,ЦЦ <и< х(М) 4о х (-84а4х(ь З)- x (k-405". (М 5) - () пз()= " ("1 п эз(Ц1 Вз. (И 4 ms (") ° ()

B (k) =(m0kl- k,(k)) /6 „(<) 1061082

Pm(k) = Р(Л) «„(k)L>(6-4,(Ц)) (2}

Y(k) = tr„(k)a (kq8- (k. (3) где q (k) — коэффициент усиления;

k (1с) - параметры траектории;

6 - дисперсия шума измерений;

,р„...ц9 - постоянные коэффициенты, являющихся дискретным вариантом соотношений, описывающих линейный сглаживающий фильтр, оптимальный по критерию максимума вероятности попадания н заданную область.

Следящий измеритель работает следующим образом. 15

Входное воздействие 1() поступает на первый фильтр 1 Калмана.

Сигнал ошибки, с выхода блока 25 вычитания этого фильтра после усиления первым усилителем 2 поступает 20 иа вход блока 26 сложения первого интегратора 3, где он складывается с выходным сигналом блока 26 сложения, задержанным на время, определяемое задержкой в блоке 27 эа- 25 держки, т.е. вычисляется оценка (Ц в соответствии с выражением

-,(1). Вта оценка усиливается с вторым усилителем 4, т.е. формируется оцен-, ка x (k) в соответстнии с (2 ) . 30

Оценка х (k) поступает на первый сумматор 5, где складывается с оценкой первого фильтра 1 Калмана к з() в соответствии с (3). Результирующая оценка x < поступает на выход 35 следящего измерителя и одновременно в цепь обратной связи. В цеии обратной связи оценка x(k) поступает через стабилизирующий фильтр 28 на вход второго фильтра 7 Калмана, ко- 40 торый на выходе формирует экстраполированную оценку в (k41) н соответствии с (5). Эта оценка поступает на вход блока 6 вычитания, где вычйтается иэ одновременно поступив.- . 45 шей на второй вход оценки g(4) . Разностный сигнал поступает на управляющие входы первого и третьего усилителей 2 и 8, в которых под действием этого управляющего сигнала коэффициенты усиления Ь (k) устанавливаются в соответствии с (6).

Одновременно с выхода блока 25 вычитания второго фильтра 7 Калмана разностный сигнал после усиления третьим усилителем 8 поступает на блок 26 сложения второго интегратора 9, где складывается с сигналом, поступающим -с выхода блока

26 сложения через блок 27 задержки, т. е. вычисляется оценка р (k} в со- 60 отнетстии,с (7). Суммарный сигнал ф (k) поступает на нторой (управляювход второго усилителя 4 через второй сумматора 10, на второй вход которого одновременно поступает разностный сигнал с выхода блока 6 вычитания.

В результате воздействия управляющих сигналов коэффициент усиления („ второго усилителя 4 устанавливается в соответствии с (8). л Стабилизирующий фильтр 28 работает следующим образом.

Входное.вбздействие 1к поступает на,пятый усилитель 38, на выходе каторого образуется. произведение

a,f(k), которое складывается с произведением задержанной на один такт оценки x (k-1), имеющий место на первом выходе блока 39 задержки, на коэффициент а2, полученного на выходе первого усилителя 34. Сумма а„f (k) + а. x (k-4) складывается, в свою очередь, с произведением а (k-l},ïîëó÷åíííì на выходе второго усилителя 35 в результате поступившей на его вход и задержанл ной на 2 шага оценки x(k-2) со второго выхода блока 39 задержки. Полученное значение а„ f(k) + а у,(k-1) +

1+ а 1 (k-2} на выходе второго блока

30 сложения опять складчнается с помощью третьего блока 31 сложения с произведением ал x(k-ý) получаемым на выходе третьего yñèëèzeza 36 после поступления на его вход задержанной на 3 шага оценки

X(k-3) с третьего выхода блока 39 задержки. С помощью нторого блока

33 вычитания из полученной на его втором входе суммы с выхода первого блока 32 вычитается задержанная на

4 шаге оценка x (k-4), поступающая с четвертого выхода блока 39 задержки. После вторичного вычитания из величины а,ЦМ+о,х(с4 о,x(k-2) a4x(k-з)-x(k-Ч произведения а x(k- 5), полученного

5 из задержанной на 5 шагов оценки х(k-s) с пятого выхода блока 39 задержки через четвертый усилитель

37, на выходе второго блока 33 вычитания образуется величина m (k) согласно уравнению (4). Эта величина поступает на вход блока 25 вычитания второго фильтра 7 Калмана, где используется в качестве детерминированной составляющей для получения оценки х(k) ..Полученная на выходе первого сумматора 5 оценка () на К-м шаге поступает на вход блока 39 задержки стабилизирующего фильтра 28, в результате чего этот сигнал эаписынается в нем, а его прежнее значение поступает на второй выход блока 39 задержки и так далее до пятого выхода блока 39 задержки, где имеет место значение

3 (k-41в качестве новой величины х (М- 5).

1061082

Таким образом, после получения оценки х (k) и обновления содержи- . мого блока 39 задержки, производимо го эа :время между двумя измерениями ТО, следящий измеритель готов к обработке входного воздействия на следующем шаге.

Для оценки эффективности предлагаемого устройства проведено моделирование на ЭВМ.

В качестве реализации высокодинамического входного воздействия используют массив дискретных изме- рений, рассчитываемых на основе вычисления текущих значений с шагом

То = 0,05 с полинома шестой степени следующего вида

ЦЦ 50 30 -5 10 1<То- 0 < То!2-20k Tî 3!

10" Vî ll к "о . к о "()т гдеР(k)- случайная ошибка измерений, распределенная по нормальному закону с нулевым средним и единич" ной дисперсией. Число шагов К; определяющее длительность участка наблюдения, принято равным 60. Величина средней квадратическОй ошибки

Е измерений на каждом шаге определяется методом статических испытаний на основе пятидесяти реализаций.

Масштабирующне величины коэффициентов в уравнении (4) модели предлагаемого устройства определяют на основе метода наименьших квадратов по фиксированной выборке из шести измерений и: аппроксимации входного воздействия полиномом первой степени. На основе расчетов получены следующим значения этих коэффициентов: а = 0,524; а

0,381; а3 = 0,238; а4 = 0,0954; а = 0,191. Для определения потейциальной точности моделируют измеритель на основе фильтра ° Калмана в виде решения следующей системы дискретных уравнений:

Х (М) -((х)-"ээ()18э (М х (Ц

Ф э (") = 1 (") - ()) 8< (g) x э(Ц л

X (k)=x (l(1) IX (g 1) yx (y () Р t2i . +

+Х".„(К-<) То I&l

xL AI «и ээ() " (<1

В лМ х» x (- ) х(Ц= 4(4).

В качестве начальных значений оценок предлагаемого измерителя принимают первые пять измерений, т.е. X (к-1) = j(ic-1), j (к-2) = 1(к-2), gp ° ° ° ° x (к-5) = 1(к-5), а для известного устройства, соответственно

4ь-ч = <(<- ). . Начальные условия для измерителя с фильтром Калмана определяют на

25 основе фиксированной выборки из семи измерений и аппроксимации входного воздействия полиномом шестой степени.

ГраФики полученных в ходе модуgp лирования средних квадратических ошибок оценок приведены на Фиг. 2 (для следяцего.измерителя прототипа кривая а, предлагаемого следящего измерителя кривая Ь и измери35 тюлЯ с фильтром Калмана определяющего потенциальную точность, кривая б). Вследствие недостаточной устойчивости структуры, оценки, полученные с помощью известного

4 устройства (Фиг. 2 а) расходятся) а.для предлагаемого .устройства (фиг. 2 о) практически соответству° ют потенциально достижимой точности сглаживания (фиг. 2 о), что свидетельствует о более высокой точ45 ности и устойчивости измерений на участках наблюдения малой дли-, тельности при сложной динамике объекта при использовании предложенного устройства. о хозл (к

Arif

1061082

Е

9 о

7 б

5 ф

Ю

06

Фиг,2

Составитель В.Иванов

Редактор О.Колесникова Техред A.йч Корректор Г.Решетник

Заказ 10034/48 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4