Следящий измеритель с обнаружителем маневра и адаптивной коррекцией прогноза

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 ξ_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)=τ; ф₂₁(0)=0; ф₂₂(0)=1; τ - 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_Δz 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_Δz в процессе анализа невязки Δz(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 τ; 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_Δz - в УОМ 6;

- начальное значение длительности τ 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 τ, 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 τ, 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 τ 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 Δz(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 Δz(k)=z_и(k)-x_э(k) с переменным сигналом порога срабатывания h_Δz, 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 |Δz|≤h_Δz, 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 |Δz|≤h_Δz 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 Δz(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 τ. С выхода первого блока задержки 4 оцененное значение отслеживаемой координаты поступает на первый вход второго сумматора 5.

6. Третий усилитель 13 усиливает невязку измерений Δz(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 τ. 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 τ 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.

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.