Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения



Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения
Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения

 


Владельцы патента RU 2616188:

Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" (RU)

Изобретение относится к радиоэлектронным системам сопровождения интенсивно маневрирующих целей, в частности к следящим дальномерам и угломерам бортовых РЛС. Достигаемый технический результат - обеспечение бессрывного сопровождения интенсивно маневрирующих целей с высокоточным оцениванием производных третьего и четвертого порядка при малом числе используемых измерителей. Указанный результат достигается за счет того, что сигнал наблюдений координат состояния подается на вход многоступенчатого фильтра, представляющего собой серию последовательно соединенных фильтров нарастающей размерности (n≥2), каждый из которых формирует оценки, используемые в следующем фильтре в качестве измерений, согласно соответствующему алгоритму. 6 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронным системам сопровождения интенсивно маневрирующих целей, в частности к следящим дальномерам и угломерам бортовых РЛС.

Расширение номенклатуры сверхманевренных (СМЛА) и гиперзвуковых (ГЗЛА) летательных аппаратов приводит к усложнению процесса наведения, что проявляется в значительном усложнении алгоритмов траекторного управления перехватчиков [1, 2], связанному с необходимостью учета в законе управления высоких производных координат относительного и абсолютного движения перехватчика и цели [3]. В связи с этим следящие системы бортовых РЛС должны формировать оценки производных координат состояния высоких (до четвертого) порядков.

Необходимо отметить, что в ряде радиолокационных систем, в частности - в угломерных системах, оценивание высоких производных затруднено в виду того, что непосредственно измеряются только углы (бортовые пеленги) [4]. Ниже предлагается способ многоступенчатой фильтрации, позволяющий оценивать высокие производные фазовых координат с высокой точностью, даже при малом числе непосредственно наблюдаемых координат.

Обычно для решения задач фильтрации используется фильтр Калмана, который в общем случае позволяет для системы

при наличии наблюдений

сформировать оптимальные по критерию минимума суммарной дисперсии ошибок оценки по правилу [5]

Здесь x(k) и - соответственно n-мерные векторы координат состояния оцениваемого процесса и их оценок; хэ - вектор экстраполяции оценок , Ф - переходная матрица состояния системы; z(k) - m-мерный (m≤n) вектор измерений; Н - матрица формирования наблюдений, Кф - матрица коэффициентов усиления невязки; D - ковариационная матрица ошибок фильтрации; Dи и Dx - соответственно ковариационные матрицы шумов измерений ξи (2) и возмущений ξх (1), k - номер шага, Dэ - матрица ошибок экстраполяции.

Из (3) следует, что в фильтре Калмана число обратных связей, формируемых в невязке (z(k)-H(k)хэ(k)), определяется числом используемых измерителей, что предопределяет его недостаток: склонность к потере устойчивости (появлению расходимости) либо ухудшение точности формирования оценок высоких производных процесса (1)-(7), при использовании малого числа измерителей.

Данный недостаток можно скомпенсировать, применив несколько последовательно соединенных фильтров с нарастающей размерностью.

Задачей изобретения является разработка способа формирования оценок координат состояния, обеспечивающего высокую точность оценивания высоких производных и устойчивость фильтрации при малом числе измеряемых координат.

Поставленная задача достигается тем, что сигнал наблюдений координат состояния подается на вход многоступенчатого фильтра, представляющего собой серию последовательного соединенных фильтров нарастающей размерности (n≥2), каждый из которых формирует оценки, используемые в следующем фильтре в качестве измерений, что определяет возрастание в них числа обратных связей и соответственно повышение устойчивости и точности оцениваемых производных.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении точности и устойчивости формирования оценок высоких производных при малом числе первичных измерителей в перспективных следящих системах.

Принципы функционирования предложенного способа поясняются на примере трехступенчатого фильтра четвертого порядка при условии, что используется один измеритель. Его функциональная схема приведена на фигуре 1, где:

Ф1 - первая ступень многоступенчатого фильтра, формирующая оценки и передающая их на вторую ступень в качестве измерений;

Ф2 - вторая ступень многоступенчатого фильтра, формирующая оценки и передающая их на вторую ступень в качестве измерений;

Ф3 - третья ступень многоступенчатого фильтра, формирующая оценки и передающая их потребителю.

Эффективность предложенного способа многоступенчатой фильтрации была проверена на примере формирования оценок угла и его производных вплоть до четвертого порядка при наличии одного измерителя (угла).

Для сравнения был использован в качестве прототипа классический фильтр Калмана четвертого порядка при использовании одного измерителя, полученный на основе (2)-(7).

В приложении к рассматриваемой задаче в прототипе была использована модель состояния

при использовании одного измерителя

Где х1, х2, х3, х4 - координаты состояния оцениваемого процесса, ΔT - дискрет времени.

На основе (8) и (9) по алгоритму (3)-(5) формируются оценки по правилу

Здесь и хэ1, хэ2, хэ3, хэ4 - соответственно оценки координат состояния оцениваемого процесса х1, х2, х3, х4 и их экстраполяции; κф1, κф2, κф3, κф4 - компоненты матрицы усиления невязки Кф, М - знак операции математического ожидания возможных значений координат состояния. Где вычисляются по правилу (6)-(7), при известной дисперсии DK ошибок измерений (9). Упрощенная структура такого фильтра, использованного в качестве прототипа, приведена на фигуре 2.

Анализ (10)-(12) показывает, что в данном фильтре имеется только одна отрицательная обратная связь, что будет приводить в ряде случаев к потере устойчивости и снижению точности формирования оценок координат состояния.

Необходимо, однако, отметить, что при сопровождении сверхманевренных (СМЛА) и гиперзвуковых (ГЗЛА) летательных целей, движущихся по сложным пространственным траекториям даже в первом фильтре, в котором оценивается только измеряемая координата и ее производная (фигура 1), как правило, происходит срыв сопровождения, обусловленный выходом невязки за пределы линейных участков пеленгационных (дискриминационных) характеристик (фигура 3).

Наиболее радикальным способом устранения этого недостатка является использование в качестве первой ступени адаптивного α, β - фильтра, алгоритм функционирования которого определяется соотношениями

В (13): - оценки координат х1, х2 на k-м шаге; хэ11(k) - экстраполяция координаты x11(k); Δх(k) - невязка измерений; α(k), β(k) - коэффициенты усиления невязки, ΔT - дискрет времени; D1 и D2 - дисперсии ошибок фильтрации x11(k) и х12(k); Δх0 - порог, определяющий начало адаптации х1; Δxmax - максимальное значение ошибки сопровождения, определяемое шириной линейного участка дискриминационной характеристики.

В качестве второй ступени предлагается использовать фильтр Калмана четвертого порядка (2)-(5), использующего измерения , сформированные в первой ступени:

Функциональная схема предлагаемого двухступенчатого фильтра, определяемого соотношениями (13)-(17), приведена на фигуре 4.

Анализ способа (13)-(17) формирования оценок позволяет сделать следующие заключения:

- полученный закон отличается от прототипа (10)-(12) тем, что в нем производится многоступенчатая фильтрация, когда в качестве первой ступени используется адаптивный α, β - фильтр, а качестве второй - четырехмерный фильтр Калмана, что позволяет повысить точность и устойчивость формирования оценок за счет увеличения количества обратных связей во второй ступени;

- для использования алгоритма не требуется дополнительных измерений по сравнению с прототипом;

- предложенный алгоритм формирования оценок не накладывает принципиальных ограничений на возможность его реализации.

Проверка эффективности предложенного способа многоступенчатой фильтрации осуществлялась по результатам имитационного моделирования системы углового сопровождения интенсивно маневрирующей цели, движущейся по закону

при условии, что используется моноимпульсный угломер [4], с линейным участком пеленгационной характеристики 2Δxmax=0.2рад (фигура 3), формирующий измерение

где ϕц - текущий пеленг цели; а - его первая, вторая, третья и четвертая производные, ξи - шум измерений с известной дисперсией Dи.

Достоинством модели (18) является ее адекватность реальным условиям перемещения цели в широком поле условий применения, поскольку манипулируя можно получить законы изменения ϕц практически любой сложности.

В качестве показателя точности формирования оценок использованы ошибки оценивания пеленга цели, ее первой, второй и третьей производных:

В процессе исследования моделировались: отслеживаемый процесс (18), измерения (19), шумы измерения, адаптивный α, β - фильтр (13) со вторым фильтром (14)-(17). Для сравнения для тех же условий моделировался одноступенчатый фильтр Калмана (10)-(12).

На фигурах 5 и 6 отображены полученные в ходе моделирования зависимости относительных ошибок оценивания по углу (фигура 5а), его первой производной (фигура 5б), второй производной (фигура 6а), третьей производной (фигура 6б) от времени, где различным линиям соответствуют различные фильтры: 1 - классический фильтр Калмана (10)-(12); 2 - адаптивный α, β - фильтр (13); 3 - двухступенчатый фильтр (13)-(17).

Поскольку при использованных условиях в классическом фильтре Калмана происходит срыв сопровождения (Δx>Δxmax, фигура 5а), для него показаны условные переходные процессы, которые имели бы место при отсутствии срыва.

Проведенное моделирование позволяет сделать следующие заключения:

- фильтр Калмана четвертого порядка, рассмотренный в качестве прототипа, не обеспечивает бессрывного сопровождения интенсивно маневрирующих целей, в законе изменения пространственного положения которых содержатся производные высокого порядка, а соответственно не может быть использован для их оценивания;

- предложенный способ многоступенчатой фильтрации позволяет обеспечить бессрывное сопровождение интенсивно маневрирующих целей с высокоточным оцениванием производных третьего и четвертого порядка при малом числе используемых измерителей.

Литература

1. Меркулов В.И. Динамичность авиационных комплексов и бортовые радиоэлектронные системы. - М.: Радиотехника. - 2010, №1. - С. 88-96.

2. Ильчук А.Р., Меркулов В.И., Самарин О.А., Юрчик И.А. Влияние интенсивного маневрирования целей на показатели эффективности системы первичной обработки сигналов в бортовых РЛС. Радиотехника. - 2003, №6.

3. Верба B.C., Меркулов В.И., Соколов Д.А. Сопровождение интенсивно маневрирующих целей инерционным угломером в системах одноразового применения. Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2014, №3. - С. 13-18.

4. Меркулов В.И. [и др]. Авиационные системы радиоуправления. Т.2. Радиоэлектронные системы самонаведения. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2003. - 390 с.

5. Меркулов В.И., Дрогалин В.В., Канащенков А.И. и др. Авиационные системы радиоуправления. Т. 1. Принципы построения систем радиоуправления. Основы синтеза и анализа. / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2003. - 390 с.

Способ многоступенчатой фильтрации для систем автосопровождения, обеспечивающий бессрывное сопровождение интенсивно маневрирующих целей с высокоточным оцениванием производных третьего и четвертого порядка при малом числе используемых измерителей, заключающийся в том, что сигнал наблюдений координат состояния подается на вход многоступенчатого фильтра, представляющего собой серию последовательно соединенных фильтров нарастающей размерности (n≥2), каждый из которых формирует оценки, используемые в следующем фильтре в качестве измерений, согласно алгоритму:

Здесь: x1(k), x2(k), x3(k), x4(k) - координаты состояния оцениваемого процесса; , - оценки координат х1(k), х2(k) на k-м шаге, формируемые в первой ступени фильтра; , , , - оценки координат х1(k), х2(k), х3(k), х4(k) на k-м шаге, формируемые во второй ступени фильтра; хэ11(k) - экстраполяция координаты x11(k) в первой ступени фильтра; хэ21(k), хэ22(k), хэ23(k), хэ24(k) - экстраполяция координат х1(k), х2(k), х3(k), х4(k) во второй ступени фильтра; α(k), β(k) - коэффициенты усиления невязки в первой ступени фильтра; D1 и D2 - дисперсии ошибок фильтрации x11(k) и x12(k); D11, D21, D3l, D41, D12, D22, D32, D42 - дисперсии ошибок фильтрации х21(k), х22(k), х23(k), х24(k); Δх0 - порог, определяющий начало адаптации х1; Δxmax - максимальное значение ошибки сопровождения, определяемое шириной линейного участка дискриминационной характеристики; ΔT - дискрет времени.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к локационной технике и предназначено для использования в системах сопровождения подвижных объектов и системах наведения ракет. Достигаемый технический результат - повышение точности оценки параметров траектории сопровождаемого объекта в условиях неопределенности динамики его движения.

Изобретение относится к области радиолокационных измерений. Особенностью заявленного способа адаптивного измерения угловых координат объекта наблюдения является то, что от системы встроенного контроля на вычислительное устройство поступают также данные о коэффициентах передачи малошумящих усилителей приемных каналов приемо-передающих модулей, многоступенчатых управляемых аттенюаторов приемо-передающих модулей, суммарного и разностного приемных каналов углового дискриминатора и о вносимых суммарным и разностным приемными каналами углового дискриминатора фазовых сдвигах, о допустимых значениях изменений коэффициентов передачи малошумящих усилителей приемных каналов приемо-передающих модулей, многоступенчатых управляемых аттенюаторов приемо-передающих модулей, суммарного и разностного приемных каналов углового дискриминатора и данные о допустимых значениях изменений, вносимых суммарным и разностным приемными каналами углового дискриминатора фазовых сдвигов, а также о допустимых значениях угловых смещений полотна активной фазированной антенной решетки, которые хранятся в блоке памяти системы встроенного контроля, а поступающие от блока навигации данные об угловых смещениях полотна активной фазированной антенной решетки во входящем в состав системы встроенного контроля преобразователе оцифровываются и поступают в вычислительное устройство.

Способ наведения на удаленный объект электромагнитного излучения, основанный на формировании в материальной среде излучения с заданной в направлении объекта диаграммой направленности с длиной волны λ0 длительностью импульса τ0 и одновременным пропусканием в пределах сформированной диаграммы направленности в направлении объекта когерентного излучения с длиной волны λ1 и длительностью τ1<τ0.

Изобретение относится к радиоэлектронным системам сопровождения, в частности к следящим системам по направлению (измерителям углов и угловых скоростей линии визирования), в которых используется инерционный привод антенны, и может быть использовано для эффективного управления инерционными следящими системами по направлению в режиме сопровождения различных воздушных объектов, включая интенсивно маневрирующие.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения траекторий скоростных и интенсивно маневрирующих целей с помощью мобильных радиолокационных станций (РЛС) кругового обзора.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным станциям (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой, работающим в режиме узкополосной доплеровской фильтрации.

Изобретение относится к технике пространственного наведения и сопровождения подвижных точечных объектов. Технический результат - повышение надежности захвата цели в случае редких посылок зондирующих импульсов и точности слежения за быстро летящей точечной целью.

Изобретение относится к космическим радиотелескопам и может быть использовано для адаптации отражающих поверхностей антенны. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования поверхности многодиапазонных двухзеркальных антенн.

Изобретение предназначено для систем автоматического наблюдения и сопровождения за подвижными объектами в пространстве преимущественно с качающегося основания и может быть использовано для управления воздушным движением и уничтожения маневрирующих подвижных целей.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в телевизионных, радиотехнических и радиолокационных системах измерения параметров траекторий летательных аппаратов и других системах аналогичного назначения, в которых информация о непосредственно измеряемых координатах объекта сопровождения (дальности, угловых положениях) формируется с помощью соответствующих дискриминаторов.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при создании средств комплексной разведки объектов. Достигаемый технический результат - повышение достоверности идентификации объектов за счет уточнения экстраполированных оценок координат в обоих каналах и параметра идентификации с использованием дополнительно определяемых вероятностей появления полезных и ложных оценок координат, а также дисперсий отклонения ложных оценок от экстраполированных оценок координат в первом информационном канале.
Заявляемые технические решения относятся к области радиолокации. Достигаемый технический результат в первом варианте - исключение перегрузки устройств при распознавании трасс целей и ложных трасс.

Предлагаемое устройство относится к области радиолокации, в частности к системам, предназначенным для распознавания различия между неподвижными и подвижными объектами, а также для определения величины и знака доплеровской частоты.

Изобретение относится к области наблюдения движущихся судов радиолокационными станциями и предназначено для сопровождения траектории судна путем оценки его координат и вектора скорости движения.

Изобретение относится к системам для обнаружения объектов путем отражения от его поверхности радиоволн и может быть использовано в радиолокации для распознавания класса цели.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации. .

Изобретение относится к системам и способам для ослабления влияния ветровых турбин на расположенную вблизи радарную систему. .

Изобретение относится к системам распознавания протяженных целей и может быть использовано для определения класса цели. .

Изобретение относится к системам для обнаружения объекта путем отражения от его поверхности радиоволн. .
Наверх