двухдиапазонный следящий измеритель

Формула изобретения

Двухдиапазонный следящий измеритель, содержащий вычитающее устройство, на первый вход которого подается измеряемая величина, а выход соединен с входами первого и пятого усилителей, входом порогового устройства, с первыми входами первого и второго перемножителей и первым входом первого вычислителя, выход которого подключен к входу второго вычислителя и к второму входу первого перемножителя, выход которого подключен к входу второго коммутатора, выход которого соединен с четвертым входом первого сумматора, на первый вход которого подается начальное значение отслеживаемой координаты, а выход соединен с входом первого блока задержки, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход второго вычислителя соединен с вторым входом второго перемножителя, выход которого соединен с входом третьего коммутатора, выход порогового устройства соединен с коммутируемыми входами второго и третьего коммутаторов, выход третьего коммутатора соединен с четвертым входом третьего сумматора, на первый вход которого подается начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты, выход третьего сумматора подключен к входу второго блока задержки, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора и с входом четвертого усилителя, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом сумматора и вторым входом вычитающего устройства, отличающийся тем, что выход первого усилителя подключен к входу введенного первого коммутатора, на коммутируемый вход которого подается сигнал признака диапазона, первый и второй выходы первого коммутатора подключены соответственно к входам введенных второго и третьего усилителей, выходы которых подключены к третьему входу первого сумматора, выход пятого усилителя подключен к входу введенного четвертого коммутатора, на коммутируемый вход которого подается сигнал признака диапазона, первый и второй выходы четвертого коммутатора подключены соответственно к входам введенных шестого и седьмого усилителей, выходы которых подключены к третьему входу третьего сумматора, на второй вход первого вычислителя подается сигнал признака диапазона.

Описание изобретения к патенту

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).

Известны: 1) следящий измеритель дальности, содержащий --фильтр [1]; следящий измеритель, содержащий шесть фильтров Калмана [2]; линейное адаптивное устройство обработки данных, содержащее 12 фильтров Калмана [3], следящий измеритель с адаптивным --фильтром [4].

Недостатками этих следящих измерителей являются либо низкая точность фильтрации данных, вследствие расходимости оценок вектора состояния при нелинейном законе изменения отслеживаемых фазовых координат ([1]), либо высокие требования к вычислительной системе по объему памяти и быстродействию ([2, 3] ), либо низкая точность фильтрации при использовании следящего измерителя в широкодиапазонных радиотехнических системах (РТС) при разных величинах шумов измерений [4].

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является следящий измеритель с --корректируемым фильтром [5].

Недостатком этого устройства является низкая точность оценки отслеживаемых координат в случае использования следящего измерителя в широкодиапазонных РТС при разных величинах шумов измерений. Это связано с тем, что шумы измерений в различных частотных диапазонах имеют различные статистические характеристики, существенно отличающиеся друг от друга. Особенностью следящих измерителей, построенных на основе --фильтров, является то, что выбор постоянных коэффициентов, обеспечивающих заданные показатели точности и устойчивости сопровождения отслеживаемых координат, осуществляется для определенных условий функционирования. Если оптимизировать значения этих коэффициентов для работы в одном диапазоне частот, то в другом диапазоне точность оценивания отслеживаемых координат снижается в несколько раз (от 2 до 6, в зависимости от интенсивности шумов измерений).

Таким образом, задачей изобретения является повышение точности оценки отслеживаемых координат в широкодиапазонных следящих измерителях.

Поставленная задача достигается тем, что в следящий измеритель, содержащий канал оценки отслеживаемой координаты, канал оценки скорости изменения отслеживаемой координаты и блок коррекции отслеживаемых координат, дополнительно введены четыре усилителя (по два в каждый канал) и два коммутатора (по одному в каждый канал), на коммутируемые входы которых подают сигнал, величина которого пропорциональна текущему частотному диапазону работы следящего измерителя.

На чертеже представлена структурная схема двухдиапазонного следящего измерителя, где 1 - вычитающее устройство, 2 - первый усилитель, 3 - первый коммутатор, 4 - второй усилитель, 5 - третий усилитель, 6 - первый сумматор, 7 - первый блок задержки, 8 - второй сумматор, 9 - первый вычислитель, 10 - первый перемножитель, 11 - второй коммутатор, 12 - четвертый усилитель, 13 - пороговое устройство, 14 - второй вычислитель, 15 - второй перемножитель, 16 - третий коммутатор, 17 - пятый усилитель, 18 - четвертый коммутатор, 19 - шестой усилитель, 20 - седьмой усилитель, 21 - третий сумматор, 22 - второй блок задержки.

Функционально двухдиапазонный следящий измеритель состоит из канала оценки отслеживаемой координаты, в состав которого входят последовательно соединенные вычитающее устройство 1, первый усилитель 2, первый коммутатор 3, параллельно соединенные второй 4 и третий 5 усилители, первый сумматор 6, первый блок задержки 7 и второй сумматор 8, канала оценки скорости изменения отслеживаемой координаты, в состав которого входят последовательно соединенные пятый усилитель 17, четвертый коммутатор 18, параллельно соединенные шестой 19 и седьмой 20 усилители, третий сумматор 21, второй блок задержки 22 и четвертый усилитель 12, и блока адаптации к текущим ошибкам экстраполяции, в состав которого входят первый вычислитель 9, второй вычислитель 14, первый 10 и второй 15 перемножители, пороговое устройство 13, второй 11 и третий 16 коммутаторы.

Заявленное устройство обеспечивает выполнение следующего алгоритма:









X(k) = X_и(k)-X_э(k); (3)



X_и(k) = X(k)+_и(k), (5)

в котором:

X - текущее значение отслеживаемой координаты;

Х_э - экстраполированное на следующий интервал обработки значение отслеживаемой координаты;

Х_о - начальное значение отслеживаемой координаты;

Х_и - измеренное значение отслеживаемой координаты;

оцененное значение отслеживаемой координаты;

текущее значение скорости изменения отслеживаемой координаты;

начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты;

оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты;

и - постоянные коэффициенты усиления невязки X;

T - интервал обработки;

k - шаг дискретизации;

_и - шум измерений с известными математическим ожиданием и дисперсией;

u_д и u_v - корректирующие поправки в каналах оценки отслеживаемой координаты и ее производной, соответственно, вычисляемые в соответствии с выражениями

u_д = k_ру1X,

u_v = k_ру2X. (6)

Переменные коэффициенты усиления K_py1 и К_ру2, входящие в (6), равны





где:

- X₀ - допустимая величина ошибки сопровождения отслеживаемой координаты;

- X_макс - максимально допустимая величина ошибки сопровождения отслеживаемой координаты;

- К_д - коэффициент, учитывающий интенсивность шумов измерений, принимающий два различных значения



в зависимости от текущего частотного диапазона работы следящего измерителя. Текущий частотный диапазон работы задается величиной сигнала П_д признака диапазона, вводимого в следящий измеритель из радиотехнической системы и принимающего два значения: П_д=1 - для одного частотного диапазона и П_д=0 - для другого диапазона.

Рассмотрим, как происходит формирование значений оценок отслеживаемых координат. За один интервал T до начала работы следящего измерителя по результатам предварительных измерений в каналы оценки отслеживаемой координаты и скорости ее изменения через первый 6 и третий 21 сумматоры вводят начальные значения, соответственно, отслеживаемой координаты Х_о и скорости ее изменения Задержанное на один интервал обработки T в первом блоке задержки 7 начальное значение отслеживаемой координаты, в виде оцененного значения отслеживаемой координаты, подают на первый вход второго сумматора 8. Задержанное на один интервал обработки T во втором блоке задержки 22 начальное значение скорости изменения отслеживаемой координаты, в виде оцененного значения скорости изменения отслеживаемой координаты, подают на второй вход третьего сумматора 21 и на вход четвертого усилителя 12, где его усиливают в T раз и подают на второй вход второго сумматора 8. В результате на выходе второго сумматора 8 формируется экстраполированное значение отслеживаемой координаты Х_э (4), которое подают на вторые входы вычитающего устройства 1 и первого сумматора 6.

При поступлении измеренного значения отслеживаемой координаты Х_и (5) на первый вход вычитающего устройства 1 на его выходе формируется невязка измерений X (3), которая поступает на первый 2 и пятый 17 усилители, на вторые входы первого 10 и второго 15 перемножителей, на первый вход первого вычислителя 9 и на пороговое устройство 13. Если величина невязки X (3) не превышает допустимой величины ошибки сопровождения X₀, то с выхода порогового устройства 13 управляющие сигналы на второй 11 и третий 16 коммутаторы не поступают. В этом случае невязку измерений X усиливают в раз в первом усилителе 2 и, либо в 1/К_д1 раз во втором усилителе 4, либо в 1/К_д2 раз в третьем усилителе 5, в зависимости от значения П_д признака диапазона. Если П_д=1, то срабатывает первый коммутатор 3, подключая выход первого усилителя 2 ко входу второго усилителя 4, а на входе третьего усилителя 5 формируют нулевое значение сигнала. Если П_д=0, то первый коммутатор 3 подключает выход первого усилителя 2 ко входу третьего усилителя 5, а на входе второго усилителя 4 формируют нулевое значение сигнала. Таким образом осуществляется адаптация к ошибкам измерителя коэффициента усиления невязки в канале оценки отслеживаемой координаты. В канале оценки скорости изменения отслеживаемой координаты производится аналогичная процедура: в зависимости от значения П_д признака диапазона посредством пятого усилителя 17, четвертого коммутатора 18, шестого 19 и седьмого 20 усилителей невязка X усиливается либо в /K_д1, либо в /K_д2 раз. Усиленную таким образом в разных каналах невязку далее соответственно подают на третьи входы первого 6 и третьего 21 сумматоров. На выходе первого сумматора 6 формируется оцененное значение отслеживаемой координаты (1). В канале оценки скорости изменения отслеживаемой координаты на выходе третьего сумматора 21 формируется оцененное значение скорости изменения отслеживаемой координаты (2). Оцененные значения отслеживаемой координаты и скорости ее изменения далее используются потребителями и при формировании экстраполированного значения отслеживаемой координаты Х_э (4) на следующий интервал обработки по вышеописанному алгоритму.

Если величина невязки X (3) в пороговом устройстве 13 превысит допустимую величину ошибки сопровождения X₀, то с выхода порогового устройства 13 на второй 11 и третий 16 коммутаторы поступают коммутирующие сигналы. В результате этого на четвертые входы первого 6 и третьего 21 сумматоров поступают соответствующие корректирующие поправки u_д и u_v (6). Корректирующую поправку u_д, для канала оценки отслеживаемой координаты формируют на выходе первого перемножителя посредством умножения невязки X (3) на коэффициент усиления к_py1 (7), вычисленный в первом вычислителе 9. Корректирующую поправку u_v для канала оценки скорости изменения отслеживаемой координаты формируют на выходе второго перемножителя 15 посредством умножения невязки X (3) на коэффициент усиления к_ру2 (8), вычисленный во втором вычислителе 14. Значения коэффициентов к_py1 и к_ру2 зависят от П_д признака диапазона, поступающего на второй вход первого вычислителя 9. В результате такой коммутации коррекция оцененных значений отслеживаемой координаты (1) и скорости ее изменения (2) будет более интенсивная, адаптируемая как к текущим ошибкам прогноза, так и к текущему частотному диапазону работы следящего измерителя.

Для выполнения заявленного устройства может быть использована элементная база, выпускаемая в настоящее время отечественной промышленностью.

Использование изобретения, по сравнению с прототипом за счет учета ошибок измерителей, позволяет использовать следящий измеритель в широкодиапазонных РТС. Если РТС работает в нескольких диапазонах, то достаточно изменить количество коммутируемых первым 3 и четвертым 18 коммутаторами усилителей, и система будет работать в любом частотном диапазоне при различных шумах измерителей. Проведенное моделирование алгоритмов двухдиапазонного следящего измерителя показало, что точность оценки сопровождаемой координаты в нем практически не зависит от диапазона частоты РТС, тогда как прототип ухудшал свои показатели точности оценивания измеряемых параметров в 2-6 раз в зависимости от интенсивности шумов измерений.

Кроме того, предложенный алгоритм практически не требует ни повышения быстродействия вычислителей, ни увеличения объема памяти.