книги / Радиолокационные измерители дальности и скорости. [Т.1]

В данной схеме присутствуют все описанные ранее процедуры: компенсации динамического возмущения ю^Д, обусловленно­

го вращением линии визирования цели; компенсации собственного ускорения носителя ан;

формирование единой оценки скорости V и её использование при вычислении оценки дальности.

бок как по дальности, так и по скорости, что определяет более полное извлечение информации из наблюдаемых процессов. Одна­ ко вклад каждого сигнала ошибки в формирование той или иной оценки различный, и прежде чем использовать на практике пол­ ную схему, приведенную на рис. 5.5.1, целесообразно провести ее анализ для заданных тактических ситуаций. Некоторые общие свойства комплексного измерителя заключаются в следующем.

1. Коэффициенты усиления (5.5.4) комплексного измерителя слабо зависят от угловой скорости вращения линии визирования цели ©дв, поэтому при расчете их значений можно положить в (5.5.5) ©лв^О. При этом в установившемся режиме коэффициенты усиления измерителя постоянны.

2. При G„ v -> оо комплексный измеритель трансформируется в

автономный измеритель дальности с астатизмом третьего порядка как по структуре, так и по оптимальным значениям коэффициен­ тов усиления.

3. В диапазоне реальных значений спектральных плотностей ад­ дитивных шумов наблюдения GHffl=2-200 м2с, G„ v=0,005-1 м2с*3, и параметра Ov=1 -40000 м2с 5, характеризующего интенсивность рывков цели, без заметной потери точности измерений можно по­ ложить Кз=0, К5=Ю, т.е. сигнал ошибки по дальности практически не влияет на характеристики оценки скорости и ускорения. Таким образом получаем, что, действительно, в комплексном измерителе можно выделить алгоритм оценивания скорости сближения, кото­ рый по своей структуре характерен для измерителя скорости с компенсацией динамических возмущений, обусловленных враще­ нием линии визирования цели и собственного ускорения носителя (см. (5.3)).

4.Для значений параметров тактической ситуации, указанных в

п.3, можно полагать к2=1, а к^О , 1-0,2 с 1. Таким образом, для получения оптимальной оценки дальности целесообразно исполь­ зовать сигналы ошибок по дальности и скорости с практически не зависящими от параметров тактической ситуации весовыми коэф­

фициентами, что удобно с точки зрения практической реализации. Физически данное свойство можно объяснить тем, что интенсив­ ность шума в эквивалентном наблюдении скорости (5.1.14) доста­ точно мала, так что оценка дальности становится нечувствитель­ ной (инвариантной) к интенсивности шума в дальномерных на­ блюдениях и к интенсивности рывка цели. В пределе при GHV -> 0 мы имели бы абсолютно точное измерение скорости

(Zv=V), простое интегрирование которой дало бы точную дальность (вне зависимости от интенсивности шума в дальномерных наблю­ дениях и интенсивности рывка цели). Этот тезис подчеркивает тот факт, что при оценке дальности необходимо использовать сигнал ошибки по скорости, т.е. сигнал с выхода частотного дискримина­ тора.

Учитывая приведенные свойства комплексного измерителя, и переходя от линеаризованной схемы рис. 5.5.1 к схемам реальной обработки радиосигнала (используя методику, описанную в §1.5), получаем следующую структуру комплексного измерителя (рис. 5.5.2).

Рис. 5.5.2.

Выше были рассмотрены аналоговые комплексные измерите­ ли, так как их анализ более нагляден и легче проводится матема­ тически. Все сформулированные положения для аналоговых изме­ рителей полностью переносятся на дискретные комплексные изме­

рители. Уравнения дискретного комплексного измерителя имеют вид

Дк+1 = Д8>к+1 + К1дидд к+1 + «2д»дV k+1. Д(°)=До;

vk+1= va>k+1+ к3дидд>к+1 + к4(Диду>к+1 У(0)=До; (5.5.6)

где идд к+1, иду>к+1 - дискретные отсчеты на выходах временного и частотного дискриминаторов. Коэффициенты усиления к^, i = 1,6

Во всех рассмотренных комплексных измерителях, в том чис­ ле и дискретном (5.5.6), есть два дискриминатора: временной и частотный, на вход которых поступает один и тот же радиосигнал. В принципе каждый из дискриминаторов может строится незави­ симо, как это описано в гл. 3. Однако при реализации цифровых дискриминаторов ряд проводимых операций являются общими для двух дискриминаторов, поэтому целесообразно рассматривать их совместно (как к о м б и н и р о в а н нчастотноы е -временные дискри­ минаторы, см. §3.5).

ГЛАВА 6. ОЦЕНИВАНИЕ ДАЛЬНОСТИ И ЕЁ ПРОИЗВОДНЫХ В МНОГОКОНТУРНЫХ ДАЛЬНОМЕРАХ

Недостатки рассмотренных выше измерителей дальности и ее производных обусловлены одноконтурным принципом их построе­ ния. В одноконтурных системах чувствительный элемент (дискри­ минатор), устройство формирования оценок (фильтр) и исполни­ тельный орган (генератор следящих стробов или управляемый ге­ теродин) включены последовательно. При таком их взаимодейст­ вии условия достижения высокой точности противоречат условиям хорошей устойчивости. Кроме того, достаточно часто оцениваемые значения дальности и скорости снимаются с исполнительных уст­ ройств, что неизбежно приводит к увеличению динамических ошибок и затягиванию переходных процессов, предопределяя вре­ мя отработки ошибок захвата интервалом 1,5-3 с. В то же время появление на вооружении ряда стран сверхманевренных самолетов [5] предъявляет существенно более жесткие требования к точно­ сти, быстродействию и устойчивости систем автосопровождения, которым не в состоянии удовлетворить одноконтурные следящие измерители. Интенсивное маневрирование приводит к появлению в отслеживаемой дальности производных, порядок которых пре­ вышает порядок астатизма существующих следящих систем. След­ ствием этого является нарастание динамических ошибок, и, в ко­ нечном счёте, срыв сопровождения.

Одним из способов, позволяющим разрешить противоречия между точностью и устойчивостью сопровождения, является ис­ пользование многоконтурных следящих систем, впервые предло­ женных Меркуловым В.И.. В них требования точности и устойчи­ вости обеспечиваются различными контурами, реализуя высокие показатели системы в целом. Одним из перспективных направле­ ний синтеза многоконтурных систем является использование ма­ тематического аппарата СТОУ, позволяющего получить алгоритмы функционирования следящих измерителей, совместно наилучших по точности и экономичности в условиях реальных ограничений на величину управляющих сигналов и быстродействие исполни­ тельных органов (см. §§ 1.10- 1.12).

Рассмотрим принцип построения многоконтурных следящих измерителей дальности и её производных на примере синтеза комплексного измерителя дальности и скорости сближения (ИДС).

Далее будут не только изложены особенности построения и работы многоконтурных квазиоптимальяых дальномеров, но и об­ ращено внимание на основные этапы синтеза алгоритмов их функционирования.

Будем полагать, что синтезируемый ИДС, функционирующий в составе бортовой РЛС самолёта, предназначен для информаци­ онного обеспечения существующих и перспективных методов на­ ведения летательных аппаратов с комбинированными системами управления на интенсивно маневрирующие цели. Он должен будет с высоким быстродействием устойчиво формировать высокоточные оценки дальности, скорости сближения и ускорений во всем воз­ можном диапазоне их изменения при сопровождении сверхманев­ ренных объектов.

Следящая система ИДС будет синтезироваться при следующих допущениях:

для подсвета цели используется квазинедрерывный сигнал, который накапливается в процессе первичной обработки;

частота повторения импульсов, обеспечивающая попадание отраженных сигналов в зону прозрачности, выбирается алгорит­ мическим способом (§4.2) и непосредственно не влияет на работу следящей системы;

селекция сигналов по времени запаздывания и доплеровской частоте осуществляется с помощью УРС и генератора опорной час­ тоты (ГОЧ);

время работы ИДС заранее не определено и является случай­ ной величиной;

к каналу оценивания дальности и скорости не предъявляется особых требований к точности в момент окончания функциониро­ вания.

Последние два допущения предопределяют использование в процедурах синтеза нетерминальных функционалов, среди кото­ рых наиболее известными являются локальный (1.11.9) и инте­ гральный (1.9.9), в котором не учитывается первое слагаемое. Ниже будет выполнен синтез дальномерных каналов, основанный на минимизации различных функционалов качества.

В общем случае алгоритмы СТОУ дают возможность получить многомерный дискриминатор в рамках синтеза следящего измери­ теля [34]. Однако такой подход, позволяя повысить точность оце­ нивания на единицы процентов, приводит к настолько существен­ ному усложнению алгоритмов функционирования, что становится весьма проблематичным вопрос их практической реализации. Ус­ ложнение обусловлено тем, что в таком случае приходится ис­

пользовать алгоритмы нелинейной оптимальной фильтрации. Эти алгоритмы требуют вычисления коэффициентов усиления невязок на каждом цикле, так как эти коэффициенты зависят от текущих оценок. В то же время раздельно синтезируя дискриминатор и це­ пи вторичной обработки, можно практически без потери точности использовать существенно более простые алгоритмы линейной фильтрации, которые более предпочтительны и с точки зрения обеспечения сходимости процесса оценивания (см. §1.5).

Для синтеза оптимального измерителя на основе алгоритмов СТОУ необходимо иметь модели отслеживаемого и управляемого процессов, модель наблюдений (измерений) и выбрать функционал качества [34]. Следует отметить, что в зависимости от выбранных моделей и функционала качества могут быть получены различные алгоритмы функционирования.

6.1. СИНТЕЗ МНОГОКОНТУРНОГО КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ДАЛЬНОСТИ И СКОРОСТИ, ОПТИМАЛЬНОГО

ВПОСТАНОВКЕ ЛЁТОВА-КАЛМАНА

6.1.1.В ы б о р ио б о с н о в а н и е и с х о д н ы х м о д е л е й с о с то я н и я

Рассмотрим синтез одного из возможных вариантов ИДС на основе СТОУ при использовании нетерминального квадратичного функционала Лётова-Калмана.

Выбор моделей состояния (1.9.1), (1.9.2) осуществляется с учётом задач, решаемых дальномером, реализуемой на практике вычислительной производительностью ЦВМ, и возможностями це­ ленаправленного изменения всех фазовых координат и инструмен­ тального контроля хотя бы их части. В общем случае при выборе моделей состояния необходимо учитывать следующие обстоятель­ ства.

Для повышения точности системы необходимо наиболее полно описывать отслеживаемые и управляемые процессы. Однако, с другой стороны, детальное описание отслеживаемого процесса и заданной части, с учетом всех малозначительных компонент, при­ ведет к существенному возрастанию требуемого быстродействия и объёма памяти вычислителей, усложнению системы и увеличению времени, затрачиваемого на формирование оценок дальности и её производных. Обусловлено это прежде всего «проклятием размер­ ности» (§1.4). Возможность целенаправленного изменения всех фазовых координат с помощью определённого набора управляю­

Наблюдение перечисленных выше координат можно обеспе­ чить с помощью следующих устройств:

информацию о дальности до цели Д и скорости сближения с ней V можно извлечь из принятого антенной системой отраженно­ го от цели радиосигнала;

дальность управляемую Ду можно наблюдать на выходе за­ данной части (устройства расстановки стробов);

ускорение носителя ан можно измерить акселерометром. Если в БРЛС используется зондирующий сигнал с ВЧПИ:

где UH, ти, Тп - амплитуда, длительность и период повторения им­ пульсов; ©о и Фо - частота и начальная фаза ВЧ колебаний; к=0,1,2... - номер излученного импульса, то он позволит обеспе­ чить наблюдение дальности до цели Д (времени запаздывания) и скорости V (частоты Доплера).

После отраженния от цели сигнал на входе приёмника имеет вид [17]:

где Unp - его амплитуда; N - количество интервалов неоднознач­ ности; Дн - наблюдаемая (неоднозначная) дальность до цели, X - длина волны; фщ, - случайная фаза принимаемого сигнала, 4пр - центрированный белый шум со спектральной плотностью G^; ©д - сдвиг частоты за счёт эффекта Доплера. Фаза фщ, представляет случайный параметр, равномерно распределенный на интервале от

-71 ДО 7С.

С учетом того, что функционирование ИДС предполагается по­ сле захвата цели на автосопровождение, когда неоднозначность отсчета дальности уже устранена одним из известных способов (см. §4.2), то сигнальную функцию для выражения (6.1.7) можно получить в виде

где Д и V - оценки дальности и скорости, формируемые в фильт­ ре.

Синтез дискриминатора и сглаживающих цепей целесообразно проводить независимо. Возможность выполнения такой процедуры обоснована в §1.5.

В дискриминаторе осуществляется «извлечение» оцениваемого процесса x(t) из сигнала Uc(t,x(t)), а фильтрация этого процесса от шумов производится в линейных сглаживающих цепях. Ввиду широкополосности дискриминатора время обработки в нем на­ пряжения uc(t) существенно меньше времени корреляции траекторных фазовых координат Xj(t) (i = 1,6). Поэтому на интервале обработки можно считать x^const и использовать для синтеза дискриминатора теорию оценки параметров.

В соответствии с (1.5.6) оптимальный дискриминатор для сиг­ налов вида (6.1.8) представляет совокупность временного и час­ тотного различителей. Напряжения на выходах данных различителей имеют вид:

(6.1.9)

(6.1.10)

где йс - сигнальная функция (6.1.8), а вместо Д и V используют­ ся Ду и Vy соответственно.

Учитывая, что в (6.1.8) все фильтруемые параметры неэнерге­ тические и представляя производные в виде конечных разностей (3.2.2), можно записать

►unp(t). (6.1.11)

Здесь i—1,2; 5х1=8Д=Д-Ду, 8x2=8V=V-Vy - малые приращения дальности и скорости соответственно. Тогда выражения (6.1.9) и (6.1.10) могут быть преобразованы к виду