Способ минимаксной фильтрации параметров движения беспилотного летательного аппарата с коррекцией от спутниковой навигационной системы

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения устройств и систем фильтрации параметров движения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), определяющих местоположение в пространстве с использованием корреляции данных от нескольких навигационных приборов и может быть использовано для фильтрации параметров движения БПЛА, поступающих с бортовой навигационной системы (БНС) для повышения точности определения параметров движения БПЛА. Технический результат – повышение точности. Для этого процесс фильтрации параметров движения БПЛА происходит в дискретные моменты времени на основе обработки информации о текущем положении БПЛА, поступающей от БНС и спутниковой навигационной системы (СНС). Фильтрация параметров движения БПЛА в текущей позиции состоит из минимаксной фильтрации параметров движения, поступающих с БНС, и периодической коррекции БНС от СНС. Минимаксная фильтрация параметров движения БПЛА основана на расчете информационных областей, учитывающих возможный диапазон ошибок измерительного устройства и областей достижимости (ОД). На основе анализа взаимного положения информационных областей и ОД определяется оценка вектора параметров движения БПЛА, на основе которой определяется управление БПЛА для перехода в новую позицию. При периодической коррекции БНС от СНС в дискретные моменты времени, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС до следующего момента коррекции. 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способам фильтрации параметров движения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), определяющих местоположение в пространстве с использованием корреляции данных от нескольких навигационных приборов.

Известен способ фильтрации параметров траектории объекта и устройство для него - патент RU №2307376 C1 (опубл. 2007 г.). Сущность этого способа в том, что уменьшение ошибки фильтрации параметров траектории сопровождаемых радиолокационных объектов происходит путем адаптации коэффициентов сглаживания фильтра к текущим условиям сопровождения объекта. Это позволяет сопровождать объекты в условиях, когда координаты объектов изменяются в общем случае по неизвестным нелинейным законам (например, при маневре объекта), а их измерения проводятся с постоянной или переменной дискретностью и разными неизвестными ошибками. Поскольку данный способ позволяет проводить фильтрацию параметров траектории сопровождаемого объекта только с радиолокационной станции, данный способ не пригоден для определения параметров движения БПЛА при размещении навигационной системы на борту.

Известен модифицированный фильтр Калмана, изложенный в патенте RU №2160496 C2 (опубл. 2000 г.), основанный на предварительном усреднении измерений путем использования блока вычисления оптимальных весовых коэффициентов.

Модификация фильтра Калмана усложняет алгоритмы оценивания параметров движения БПЛА, требует большого объема памяти и быстродействия бортовой вычислительной машины и не гарантирует возможность использования при произвольных неизвестных маневрах БПЛА.

Другим способом адаптивной фильтрации сигнала является способ, изложенный в патенте WO №2013036154 A1 (опубл. 2013 г.), основанный на фильтрации сигнала адаптивным фильтром Калмана, полоса пропускания которого подстраивается в соответствии с прямой оценкой параметра фильтруемого сигнала, характеризующего динамику изменения фильтруемого сигнала.

Сущность способа в том, что управление полосой пропускания фильтра Калмана осуществляется через значения весовых коэффициентов фильтра на основе прямой оценки интенсивности формирующего процесса при известной (измеренной) оценке спектральной плотности мощности аддитивного гауссовского белого шума наблюдения. При этом полоса пропускания адаптируемого фильтра Калмана в любой момент фильтрации оказывается близкой к оптимальной в широком диапазоне рабочих условий, что приводит к повышению точности фильтрации. Однако адаптивный фильтр Калмана работает только в тех случаях, когда возмущением наблюдаемых параметров полета является белый шум. Так же недостатком фильтра Калмана является то, что сходимость оценок зависит от того, насколько точно линейные уравнения описывают поведение реальной системы.

Известна нелинейная адаптивная система автоматического управления, изложенная в патенте RU №2267147 C1 (опубл. 2005 г.), решающая задачу автоматического управления (с погрешностью, асимптотически стремящейся к нулю) многомерного динамического объекта с неизвестным математическим описанием и произвольными возмущающими воздействиями при наличии нелинейных ограничений в виде совместимых равенств и неравенств на управляемые переменные, управляющие воздействия и траектории перехода объекта управления в требуемое состояние. Изобретение выполнено в виде адаптивной системы управления с самонастраивающимися ПИД-регуляторами и формирует оценки переменных состояния и управляющие воздействия с помощью модифицированных алгоритмов фильтра Калмана, в которых в качестве априорных моделей объекта управления и генератора управляющих воздействий используется авторегрессия скользящего среднего.

Модифицированные алгоритмы фильтра Калмана усложняют алгоритмы оценивания параметров движения БПЛА и работают только в тех случаях, когда возмущением наблюдаемых параметров полета является белый шум.

За наиболее близкий аналог заявляемого изобретения принят способ инерциально-спутниковой навигации летательных аппаратов (ЛА), описанный в патенте RU №2536768 С1 (опубл. 2013 г.), состоящий в том, что производится совместная обработка входных данных о положении ЛА, формируемых независимо инерциальными датчиками, вырабатывающими векторы угловой скорости и ускорения ЛА, барометрическим высотомером и спутниковым приемником глобальной навигационной спутниковой системы с известным альманахом спутников и определяемым в полете ЛА составом рабочего созвездия спутников. Во входной обработке формируют данные о положении ЛА инерциальным способом, вычисляя их на основе показаний инерциальных датчиков и баровысотомера, параллельно выделяют данные о положении ЛА, определяемые спутниковым способом в спутниковом приемнике. В выходной обработке на основе упомянутых оценок инерциального и спутникового способов выполняют оценку ошибок инерциального способа с помощью расширенного фильтра Калмана. Далее выполняют коррекцию ошибок инерциального способа во входной обработке и определяют уточненное положение ЛА в виде разности оценок положения ЛА, определенных инерциальным способом, и упомянутых оценок ошибок инерциального способа.

Основным недостатком данного способа является недостаточная точность определения параметров движения маневрирующего БПЛА, поскольку алгоритмы фильтра Калмана хорошо работают только в тех случаях, когда возмущением наблюдаемых параметров полета является белый шум и когда программа управления БПЛА заранее известна.

Перед заявляемым изобретением поставлена задача повышения точности определения параметров движения маневрирующего БПЛА, управление которого определяется в процессе полета при наличии погрешностей измерений параметров движения, статистические свойства которых не известны.

Решение поставленной задачи осуществляют путем фильтрации параметров движения БПЛА, поступающих с бортовой навигационной системы (БНС), с использованием метода минимаксной фильтрации, основанного на анализе информационных областей, и алгоритма минимаксной фильтрации, основанного на аппроксимации информационных областей параллелепипедами. Метод и алгоритм не требуют знания статистических характеристик ошибок измерений на выходе БНС и текущего управления БПЛА.

Так как при использовании навигационной системы на борту БПЛА ошибки измерений увеличиваются с увеличением времени измерений, то для увеличения точности фильтрации следует осуществлять периодическую коррекцию БНС с использованием спутниковой навигационной системы (СНС), при этом в дискретные моменты времени Ткорр, соответствующие периоду коррекции БНС от СНС, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС до следующего момента коррекции. Моменты времени коррекции БНС от СНС Ткорр выбираются минимальными для обеспечения необходимой точности определения параметров движения маневрирующего БПЛА.

Достигаемый технический результат от реализации предлагаемого способа заключается в повышении точности определения параметров движения маневрирующего БПЛА, управление которого определяется в процессе полета при наличии погрешностей измерений параметров движения, статистические свойства которых не известны, за счет использования минимаксной фильтрации параметров движения на выходе БНС, при этом в дискретные моменты времени, соответствующие периоду коррекции БНС от СНС Ткорр, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС БПЛА до следующего момента коррекции.

На фиг. 1 изображены информационные области и область достижимости (ОД) БПЛА.

На фиг. 2 изображена аппроксимация информационных областей и ОД БПЛА параллелепипедами.

На фиг. 3 изображена блок-схема, поясняющая алгоритм минимаксной фильтрации параметров движения БПЛА с коррекцией от спутниковой навигационной системы.

Способ осуществляют следующим образом. При решении задачи минимаксной фильтрации с коррекцией от СНС параметры движения БПЛА определяются в дискретные моменты времени t0, t1=t0+Δt и т.д. до момента окончания движения, где Δt - шаг дискретизации.

При реализации метода минимаксной фильтрации сигнал на выходе БНС БПЛА задается в виде

χ(t)=z(t)+ξ(t),

где z(t) - вектор параметров движения БПЛА;

ξ(t) - вектор погрешностей измерений БНС.

Статистические свойства погрешностей измерений неизвестны, но они ограничены:

|ξ(t)|≤ξ.

Предполагается, что без коррекции БНС погрешности измерений возрастают с течением времени. Скорость возрастания погрешностей измерений зависит от типа используемой БНС.

Движение БПЛА определяется векторным дифференциальным уравнением:

где α(t) - неизвестное управление БПЛА, удовлетворяющее ограничению:

Предполагается, что вектор χ(t) получается в результате обработки первичной информации с использованием методов стохастической линейной фильтрации.

Метод минимаксной фильтрации с коррекцией от СНС состоит из следующих шагов.

Для БПЛА в позиции {t, z(t)} получена оценка вектора параметров движения БПЛА z(t) (см. фиг. 3) 1. Строится информационная область W(t) (см. фиг. 1), совместимая с измеренным сигналом χ(t) (см. фиг. 3) 2.

Строится ОД для системы (1) G(t+Δt,W(t)) к моменту времени t+Δt из области W(t) при наличии ограничений (2) (см. фиг. 3) 3.

Происходит переход БПЛА в позицию {t+Δt,z(t+Δt)} с управлением, определенным по оценке вектора параметров движения БПЛА и ограниченным (2) (см. фиг. 3) 4.

При минимаксной фильтрации параметров движения БПЛА на выходе БНС с коррекцией от СНС в дискретные моменты времени, соответствующие периоду коррекции БНС от СНС Ткорр (см. фиг. 3) 5, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС БПЛА до следующего момента коррекции (см. фиг. 3) 6. Моменты времени коррекции БНС от СНС Ткорр выбираются минимальными для обеспечения необходимой точности определения параметров движения маневрирующего БПЛА.

Для момента времени t+Δt строится информационная область Wy(t+Δt), совместимая с измеренным сигналом χ(t+Δt) (см. фиг. 1), учитывающая возможный диапазон ошибок измерительного устройства (см. фиг. 3) 7.

Строится информационная область W(t+Δt) (см. фиг. 3) 8 как пересечение областей G(t+Δt,W(t)) и Wy(t+Δt) (см. фиг. 1).

Определяется оценка вектора как Чебышевский центр области W(t+Δt) (см. фиг. 3) 9 и переходят к следующему шагу фильтрации и т.д. до момента окончания движения БПЛА.

В общем случае построение ОД и информационных областей возможно только на основе их аппроксимации. Для аппроксимации информационные области и ОД помещаются в параллелепипеды ПW(t), ПG(t), размерности которых равны размерности фильтруемого вектора. На фиг. 2 представлен двухмерный случай.

В этом случае операция пересечения областей ПWy(t+Δt) и ПG(t+Δt) выполняется достаточно просто, в результате информационная область W(t+Δt) будет находиться в параллелепипеде ПW(t+Δt).

Алгоритм минимаксной фильтрации с коррекцией от СНС на основе аппроксимации информационных областей и ОД параллелепипедами состоит из следующих этапов:

- информационная область W(t) помещается в n-мерный параллелепипед ПW(t)=[z(t):βi(t)≤zi(t)≤γi(t), i=1, …n], где n - размерность вектора параметров движения БПЛА;

- вычисляется параллелепипед, который мажорирует ОД G(t+Δt, W(t)):

ПG(t+Δt)=[z(t+Δt):βiG(t+Δt)≤zi(t+Δt)≤γiG(t+Δt), i=1, …n];

- для определения границ параллелепипеда ОД рассчитываются βiG(t+Δt) и γiG(t+Δt) (Толпегин O.A., Теляков Р.Ф. Минимаксная фильтрация параметров движения спускаемого летательного аппарата. Сборник «Актуальные проблемы защиты и безопасности», том 1. Труды XVI Всероссийской научно-практической конференции - СПб: НПО «Специальных материалов», 2013, с. 437-442);

- по результатам измерения χ(t+Δt) определяется параллелепипед:

ПWy(t+Δt)=[z(t+Δt):β(t+Δt)≤zi(t+Δt)≤γ(t+Δt), i=1, …n],

где γ(t+Δt), β(t+Δt) задаются априорно, а в качестве центра используется вектор χi(t+Δt);

- если текущий момент времени t+Δt соответствует моменту коррекции БНС от СНС Tкорр, измеренные информационные области ПWy(t) скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС;

- определяется параллелепипед:

ПW(t+Δt)=[z(t+Δt):βi(t+Δt)≤zi(t+Δt)≤γi(t+Δt), i=1, …n],

где γi(t+Δt)=min[γiG(t+Δt), γ(t+Δt)];

βi(t+Δt)=max[βiG(t+Δt), β(t+Δt)].

- по формулам находятся составляющие вектора и переходят к следующему шагу фильтрации.

Заявленный способ работает следующим образом. Определяют оценку вектора параметров движения БПЛА в текущей позиции, строится информационная область, совместимая с измеренным сигналом БНС в текущей позиции. Строится ОД параметров движения БПЛА для следующей позиции из текущей информационной области при наличии ограничений на управление.

БПЛА совершает реальное движение из текущей позиции в новую позицию с управлением, определенным по оценке вектора параметров движения БПЛА. В новой позиции строится информационная область, совместимая с измеренным сигналом, учитывающая возможный диапазон ошибок измерительного устройства. Если новый момент времени соответствует моменту коррекции БНС от СНС, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС.

Строится информационная область как пересечение области достижимости и информационной области, учитывающей возможный диапазон ошибок измерительного устройства.

Определяется оценка вектора параметров движения БПЛА в новой позиции как Чебышевский центр информационной области. Происходит переход к следующему шагу фильтрации.

Таким образом, изобретение позволяет получить технический результат, а именно повысить точность определения параметров движения маневрирующего БПЛА, управление которого определяется в процессе полета при наличии погрешностей измерений параметров движения, статистические свойства которых не известны за счет использования минимаксной фильтрации параметров движения на выходе БНС, при этом в дискретные моменты времени, соответствующие периоду коррекции БНС от СНС Ткорр, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС БПЛА до следующего момента коррекции.

Способ минимаксной фильтрации параметров движения беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с коррекцией от спутниковой навигационной системы (СНС), состоящий из совместной обработки входных данных о положении БПЛА, формируемых независимо бортовой навигационной системой (БНС) и СНС, отличающийся тем, что для фильтрации параметров движения БПЛА, поступающих с БНС, используется метод минимаксной фильтрации и алгоритм минимаксной фильтрации, при этом в дискретные моменты времени, соответствующие периоду коррекции БНС от СНС Ткорр, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС БПЛА до следующего момента коррекции.



 

Похожие патенты:

Способ для управления первой линейной акустической антенной из множества линейных акустических антенн, буксируемых судном. Множество навигационных управляющих устройств размещено вдоль множества линейных антенн и управляет, по меньшей мере, в поперечном направлении положением линейных антенн.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть применена в радиолокационных системах, работающих в миллиметровых диапазонах. Технический результат заключается в повышении надежности работы системы.

Антенная система на монтажной плате с по меньшей мере двумя магнитными кольцами и прямоугольным поперечным сечением и образованными за счет этого боковыми поверхностями магнитных колец с противоположной полярностью, установленными на монтажной плате с помощью поставки, причем поверхности магнитных колец с противоположной полярностью обращены друг к другу, а центральные отверстия магнитных колец расположены соосно с отверстием проставки и образуют с ним сквозное отверстие.

Изобретение относится к области радиоподавления радиолокационных станций (РЛС). Достигаемый технический результат - снижение погрешности воспроизведения линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов путем учета доплеровского смещения частоты принимаемого ЛЧМ сигнала, обусловленного взаимным перемещением носителя РЛС и (или) носителя устройства искажения радиолокационного изображения (РЛИз).

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики, а именно к разработке конструкций донных гидроакустических антенн. Техническим результатом предлагаемого изобретения является отсутствие «зеркальных» лепестков в характеристиках направленности донной гибкой кабельной антенны при более простой технологии постановки антенны на дно.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для определения местоположения. Технический результат состоит в повышении точности отслеживания фазы носителя.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фазы пассивных помех; может быть использовано в адаптивных устройствах режектирования пассивных помех для измерения тригонометрических функций (косинуса и синуса) текущих значений доплеровской фазы многочастотных пассивных помех.

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий, а именно к оборудованию, обеспечивающему безопасность мореплавания на основе интенсивно развивающегося общего морского информационного пространства.

Изобретение относится к радиолокационной технике. Технический результат изобретения заключается в повышении избирательности и помехоустойчивости приемника сканирующего устройства путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в системе поиска объектов. Технический результат заключается в обеспечении выдачи когерентного сигнала.

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.

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.

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в обзорных радиолокационных станциях при сопровождении траекторий маневрирующих радиолокационных целей. Достигаемый технический результат - уменьшение размеров стробов сопровождения при фильтрации параметров маневрирующих целей и повышение за счет этого достоверности выдаваемой потребителю радиолокационной информации. Указанный результат достигается за счет увеличения точности установки строба по данным, получаемым в процессе фильтрации параметров траектории сопровождаемой цели. При определении координат центра строба в качестве поправок к экстраполированным на следующее обращение к цели координатам цели используются отклонения оценок координат цели от их экстраполированных на текущее обращение к цели значений, полученных в процессе фильтрации параметров траектории цели. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения устройств и систем фильтрации параметров движения беспилотных летательных аппаратов, определяющих местоположение в пространстве с использованием корреляции данных от нескольких навигационных приборов и может быть использовано для фильтрации параметров движения БПЛА, поступающих с бортовой навигационной системы для повышения точности определения параметров движения БПЛА. Технический результат – повышение точности. Для этого процесс фильтрации параметров движения БПЛА происходит в дискретные моменты времени на основе обработки информации о текущем положении БПЛА, поступающей от БНС и спутниковой навигационной системы. Фильтрация параметров движения БПЛА в текущей позиции состоит из минимаксной фильтрации параметров движения, поступающих с БНС, и периодической коррекции БНС от СНС. Минимаксная фильтрация параметров движения БПЛА основана на расчете информационных областей, учитывающих возможный диапазон ошибок измерительного устройства и областей достижимости. На основе анализа взаимного положения информационных областей и ОД определяется оценка вектора параметров движения БПЛА, на основе которой определяется управление БПЛА для перехода в новую позицию. При периодической коррекции БНС от СНС в дискретные моменты времени, измеренные информационные области скачком уменьшаются до минимальных размеров, определяемых точностью определения параметров движения СНС, а затем изменяются в соответствии с особенностями работы БНС до следующего момента коррекции. 3 ил.

Наверх