Следящий измеритель

/ 9 4и В8) тр ииной74 Основы теадиолокаци радио",2.чаюви рую держкичетверно вклювый, в перв ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОЬРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АНИЕ ИЗОБР Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) 1. Кузьмин С,Зцифровой обработкиинформации.,М., фСос. 348. 2. Авторское свидетельство СС 878041, кл, С 01 Б 13/бб,риор. 21.05.80 (прототип)(54)(57) 1. СЛЕДЯЩИЙ 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 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.1сложения, 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 вторымивходами блока вычитания и первогоблока сложения, и последовательновключенные шестой усилитель и пятыйблок сложения,. выход которого соединен с вторым входом третьего блокасложения, выход второго блока задержки соединен с вторым входом пятого блока сложения, а выход третье.го блока задержки соединен с входомшестого усилителя и вторым входом .четвертого блока сложения, причемвыход блока вычитания соединен свходами второго и четвертого усилителей и является первым выходом первого и второго фильтров Калмана,входом которых является вход блокавычитания, а вторым выходом - выходпервого блока сложения, при этомпервый и второй интеграторы содержатпоследовательно включенные блок сложения и блок задержки, выход которого соединен с первым входом блокасложения, а входом и выходом первогои второго интеграторов являются соответственно второй вход блока сложения и выход блока сложения, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения точности и устойчивостиизмерений на участках наблюдения малой длительности.при сложной динамике движения объекта измерений,введены стабилиэйрующий фильтр, первый и второй входы и выходы которогосоединены соответственно с входомпервого фильтра Калмана, с выходомпервого сумматора и с входом второго фильтра Калмана. змеритель по п. 1, о т л и и й с я тем, что .стьбилий фильтр содержит блок запервый, второй, третий и ый усилители и пОследователь ченные пятый усилитель, перорой и третий блоки сложения й и второй блоки вычитания,1061082 при этом первый, второй, третий,.четвертый и пятый выходы блока задержки соединены с вторыми входамисоответственно первого блока сложения - через первый усилитель,. второго блока сложения - через второйусилитель, третьего блока сложениячерез третий усилитель, первого1 Изобретение относится к радиотехнике и,может использоваться в радиотехнических системах навигациии измерения параметров траекторийлетательных аппаратов. ,5Известен следящий измеритель,содержащий фильтр Калмана 11, .Однако известный следящий измеритель имеет низкую точность и устойчивость измерения в условиях, когда Ядинамика движения объекта, параметры траектории которого подлежат.измерению, не согласованы с порядком фильтра Калмана.Наиболее бпизким техническим ре" 15шением к изобретению является следящий измеритель, содержащий блоквычитания, последовательно включенные первый фильтр Калмана, первыйусилитель, первый интегратор, вто- , ррой усилитель и первый сумматор, второй вход которого соединен с вторымвыходом первого фильтра Калмана,и последовательно включенные второйфильтр Калмана, третий усилитель, 5второй интегратор и второй сумматор,выход которого соединен с вторымвходом второго усилителя, при этомвыход первого сумматора соединен свторыми входами второго сумматораи первого и третьего усилителей через блок вычитания, второй вход которого соединен с вторым выходом второго фильтра Калмана, при этом первыйи второй фильтры Калмана содержатпоследовательно включенные блок вычитания, первый усилитель, первыйблок сложения и первый блок задерж"ки, последовательно включенные второй усилитель, второй блок сложения,второй блок задержки и третий усилитель, последовательно включенныечетвертый усилитель, третий блоксложения, 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 усилителяи вторыми входами блока вычитанияи первого блока сложения, и послеблока вычитания - непосредственно,второго блока вычитания - через четвертый усилитель, при этом первыми вторым входом и выходом стабилизирующего фильтра соответственноявляются вход пятого усилителя, входблока задержки и выход второго блокавычитания. довательно включенные шестой усили-.тель и пятый блок сложения, выходкоторого соединен с вторым входомтретьего блока сложения, выходвторого блока задержки соединен свторым входом пятого блока сложения, а выход третьего блока задержки соединен с входом шестого усилителя.и вторым входом четвертогоблока сложения; причем выход блокавычитания 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 первыйи второй интеграторы содержат последовательно включенные блок сложенияи:блок задержки, выход которого соединен с первым входом блока сложения,а входом и выходом первого и второго интеграторов являются соответственно второй вход блока сложения ивыход блока сложения 2 .Однако известный следящий измеритель имеет низкую точность иустойчивость измерений на участкахнаблюдения малой длительности присложной динамике движения объекта,Цель изобретения - повышение точности и устойчивости измерений научастках наблюдения малой длительности при сложной динамике движения.,объекта измЕрений,Цель достигается тем, что в следящий измеритель, содержащий блоквычитания, последовательно включенные первый фильтр Калмана, первыйусилитель, первый интегратор, второй усилитель и первый сумматор,второй вход которого соединен свторым выходом первого фильтра Калмана, и последовательно включенныевторой фильтр Калмана, третий усилитель, второй интегратор и второйсумматор, выход которого соединен свторым входом второго усилителя, приэтом выход первого сумматора соединен с вторыми входами второго сумматора и первого и третьего усилителейр,(к): р(Осл)+ В,Мт(О-А,Я (У)у=0 ж-,Юр."м, Ф) где(М) - коэффициент усиления;х- параметры траектории; 56 - дисперсия шума измерений; ОО 49 - постоянные коэффициенты, являющихся дискретным вариантом соотношений, описывающих линейный сглаживающий фильтр, оптимальный по критерию максимума вероятности попадания н заданную область. Следяиий измеритель работает следующим образом, 15Входное 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 держки, т.е. вычисляется оценка(х) в соответствии с выражением .,(1). Эта оценка усиливается с вторым усилителем 4, т.е. формируется оцен-, ка х(М) н соответстнии с (2). 30 Оценка х (М) поступает на первый сумматор 5, где складывается с оценкой первого фильтра 1 Калмана хз(1) в соответствии с (3). Результирующая оценка х х поступает на выход 35 следящего измерителя и одновременно в цепь обратной связи. В цеии обратной всвязи оценка х(1) поступает через стабилизирующий фильтр 28 на вход второго фильтра 7 Калмана, который на выходе Формирует экстраполированную оценку в (МфЧ н соответствии с (5). Эта оценка поступает на вход блока 6 вычитания, где вычйтается иэ одновременно поступив; . 45 шей на второй вход оценки х Щ . Разностный сигнал поступает на управляющие входы первого и третьего усилителей 2 и 8, в которых под действием этого управляющего сигнала коэффициенты усиления Ь(х) 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(м в со отнетстии,с (7). Суммарный сигнал (Ц поступает на нторой (управляюк;1 вход 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).Стабилизирующий Фильтр 28 работает следующим образом.Входное,воздействие 1 х поступает на,пятый усилитель 38, на выходе которого образуется. произведение а,1(Ц , которое складывается с произведением задержанной на один такт оценки х (1-4) , имеющий место на первом выходе блока 39 задержки, на коэффициент а 2, полученного на выходе первого усилителя 34. Сумма а (М) + аХ(М) складывается, в свою очередь, с произведением а х (1-2),полученным на выходе второго усилителя 35 в результате поступившей на его вход и задержанлной на2 шага оценки х(М) со второго выхода блока 39 задержки. Полученное значение а 1(М) + а х (М)+ 1+ а% (М) на ныхоле второго блока 30 сложения опять складчнается с помощью третьего блока 31 сложения с произведением ал х( К-Э) получаемым на выходе третьего усилителя 36 после поступления на его вход задержанной на 3 шага оценки Х(М-Ъ) 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 х ( М), поступающая с четнертого выхода блока 39 задерж. ки. После вторичного вычитания из величиныа,ЦЦ+о х(м 4 ФО х(Ко 4 х(х)-х(3 с-Ч произведения а х(М) л полученного 15из задержанной на 5 шагов оценки к(М.ь) с пятого выхода блока 39 задержки через четвертый усилитель 37, на выходе второго блока 33 вычитания образуется величина всогласно уравнению (4). Эта величина поступает на вход блока 25 вычитания второго фильтра 7 Калмана, где используется в качестве детерминированной составляющей для получения оценки х (Ц Полученная на выходе первого сумматора 5 оценка х 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 )( (М)в качестве новой величины х.(М. 5),Таким образом, после получения оценки х Ц и обновления содержимого блока 39 задержки, производимо го эа время между двумя измерениями Т, следящий измеритель готов кобработке входного воздействия на следующем шаге.Для оценки эффективности предлагаемого утройства проведено моделирование на ЭВМ.В качестве реализации высокодинамического входного воздействия используют массив дискретных изме- рений, рассчитываемых на основе вычисления текущих значений с шагом Т = 0,05 с полинома шестой степени следующего вилаОй10-Ь 0 т,-о Кт,2-гсэто МОМ То 1( " о 5) " Го 6)ф И гдеР)- случайная ошибка измерений, распределенная по нормальному закону с нулевым средним и единич" ной дисперсиейЧисло шагов К; определяющее длительность участка наблюдения, принято равным 60. Величина средней квадратическьй 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 р а 3 4 0,238 р а 4 = 0,0954 у а = 0,191. Для определения потейциальной точности моделируют измеритель на основе фильтра Калмана в виде решения следующей системы дискретных уравнений:эО-ЦМ-хэх Ву 1 х 9,Й Х Ь -111 Ц хээй 1 8 э, Ю+х ЖФэ )1 867( ) хэлХ Од=хе(,14-1) х,Цс-й)Тх 1-б Рр 2+,+"И лМх х (1 с-)х = хэ 1).Вкачестве начальных значенийоценок предлагаемого измерителяпринимают первые пять измерений,т.е. х (,к) = (к), Х (к) = 1(к),х 1 к) =1 к), а для известного устройства, соответственнохЬ-Ч =-).,Начальные условия для измерителяс Фильтром Калмана определяют на25 основе фиксированной выборки изсеми измерений и аппроксимациивходного воздействия полиномом шестой степени,ГраФики полученных в ходе модуЗо лирования средних квадратическихошибок оценок приведены на Фиг. 2(для следяцего.измерителя прототипа кривая а , предлагаемого следящего измерителя кривая Ь и измерителя с фильтром Калмана, определяющего потенциальную точность, кривая б). Вследствие недостаточнойустойчивости структуры, оценки,полученные с помощью известного4 устройства (фиг. 2 О), расходятся,а для предлагаемого .устройстваФиг, 2 ) практически соответствуют потенциально достижимой точности сглаживания (Фиг. 2 о) , что свидетельствует о более высокой точ 45 ности и устойчивости измеренийна участках наблюдения малой дли-,тельности при сложной динамикеобъекта при использовании предложенного устройства.к и илиал ППП фПатентф, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 10034/48 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РаушПодписноемитета СССРоткрытийская наб д. 4/5