CC BY
21
УДК 621.396.96
DOI: 10.17277/vestnik.2016.03.pp.381-386
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУШНОГО СУДНА В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ*
Ю. Н. Панасюк, А. П. Пудовкин, И. В. Князев, В. Н. Глистин
Кафедра «Радиотехника», ФГБОУВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия; pyunikol@rambler.ru
Ключевые слова: воздушные суда; дальномерный канал; информационно-измерительные системы; модель; оптимальная фильтрация.
Аннотация: Разработан алгоритм функционирования дальномерного канала информационно-измерительной системы с учетом динамических характеристик воздушных судов. Обоснован выбор моделей состояния и наблюдения. Проведено имитационное моделирование на ЭВМ. Представлены результаты исследования алгоритма функционирования информационно-измерительной системы.
Введение
Одним из эффективных методов повышения точности измерения координат воздушных судов (ВС) в информационно-измерительных системах (ИИС) является использование дополнительной информации от ВС, поступающей как от радиолокационных, так и нерадиолокационных измерителей. В качестве дополнительной информации могут быть использованы различные параметры и характеристики ВС [1].
В настоящее время разработаны различные методы вторичной обработки информации, применяющие кинематические характеристики полета ВС, например, информацию о пространственном положении ВС - путевой угол, угол наклона, азимут, угол места, а также линейную скорость ВС. Общим недостатком методов, основанных на использовании кинематических характеристик ВС, является увеличение динамических ошибок вследствие несоответствия моделей состояния, которые положены в их основу реальной динамике процессов ИИС.
Цель работы. Синтез алгоритма функционирования дальномерного канала информационно-измерительных систем с учетом динамики движения воздушных судов.
Для улучшения точностных характеристик ИИС целесообразно в качестве дополнительной информации использовать не только кинематические, но и динамические характеристики ВС, а именно, испытываемые им перегрузки [2, 3], которые (в сочетании с информацией о пространственном положении ВС) могут быть использованы для вычисления ускорения сближения следующим образом (рис. 1)
A = g (nx sin ев sin 8 + nx cos ев cos 8 cos (eA - ф) + ny sin er sin yv cos ев +
+ny sin ев cos y v cos 8 - ny sin 8 cos ег cos ev cos y v + (1)
+nz sin ев sin yv + nz sin (ег ^)cos ев cos yv),
* По материалам доклада на конференции «Актуальные проблемы энергосбережения и эффективности в технических системах», г. Тамбов, 25 - 27 апреля 2016 г.
Y. ев
Z
ЛВ
Рис. 1. Связь между системами координат, необходимыми для определения ускорения сближения
Хт n т "x
где А, g - ускорения сближения и свободного падения соответственно; пх, Пу, п2 - продольная, нормальная и боковая перегрузки соответственно; 6, ф - углы наклона и поворота траектории соответственно; уу - угол скоростного крена; ег - азимут; ев - угол места.
С учетом выражения (1) используются следующие векторы состояния х и наблюдения z
x =
[Д V A nx пу nz 0 ф юе юф ег юг бв ®в ] Т;
z = [Ди пхи пуи nzи 0и фи еви еги ] ,
(2) (3)
где Д, V - дальность и скорость ВС по линии визирования соответственно; oq , юф, юг, юв - скорости изменения углов наклона и поворота траектории,
азимута и угла места соответственно. В выражении (3) и далее переменные с индексом «и» - измеренные значения соответствующих величин.
Проведем декомпозицию векторов состояния и наблюдения, тогда модель основного фильтра (фильтра дальности) дальномерного канала будет иметь вид
Д(к +1) = До (к) + V (k )T + 0,5 Ao (к )T2; (4)
V (к +1) = Vо (к) + Ao(k )тТ (5)
A(k +1) = g (nx(k)sin sE (k)sin 0(k) + nx(k)cos sE (k)cos 0(k)cos (ег (к) -ф(к)) + +Пу (к) sin ег (к) sin уv (к) cos ев + Пу (к) sin ев (к) cos уv (к) cos 0(k) --Пу (к) sin 0(к) cos ег (к) cos ев (к) cos yv (к) + nz (к) sin ев (к) sin уv (к) +
+nz (к) sin ег (ег (к) - ф(к)) cos ев (к) cos у ((к)) + \ А; (6)
Ди (к +1) = Д(к + 1) , (7)
где к - номер дискреты времени; Т - период дискретизации; £ a , ^д - дискретные
белые шумы с нулевым математическим ожиданием и известной дисперсией; в выражениях (4), (5) и далее переменные с индексом «о» - оцененные значения соответствующих величин.
Модели остальных фильтров, входящих в декомпозированный по оценке дальности, имеют вид обыкновенных фильтров, построенных на основе модели Зингера [1].
Учитывая модели состояния (4) - (6) и наблюдения (7), содержащие информацию о динамических характеристиках ВС, и выражения линейной фильтрации [1, 4, 5], получим алгоритм фильтрации дальномерного канала:
До (k +1) = Дэ (k +1) + KR11 (k +1) ДД(к +1);
Vо (k +1) = Vэ (k +1) + K,21(k +1) ДД(k +1); Ло (k +1) = Лэ (k +1) + Ka31(k + 1)ДД(k +1); Дэ (k +1) = До (k) + Vo (k )T + 0,5Ao (k )T2;
Vэ (k +1) = Vо (k) + Ao(k )T;
Лэ (k +1) = g (nx(k) sin ев (k)sin 8(k) + nx(k)cos ев (k)cos 8(k)cos (ег (k) -ф^)) + +ny (k) sin ег (k) sin yv (k) cos ев + ny (k) sin ев (k) cos yv (k) cos 8(k) --ny (k) sin 8(k) cos eг (k) cos ев (k) cos yv (k) + nz (k) sin ев (k) sin yv (k) + +nz (k) sin ег (ег (k) - ф^)) cos ев (k) cos yv (k)); ДД^ +1) = Ди(k +1) - Дэ(k +1); 8о (k +1) = 8э (k +1) + K811(k + 1^8(k +1); ю8о (k +1) = Ю8э (k +1) + K821(k + 1)Д8^ +1);
8э (k +1) = 8о (k) + Ю8о (k )T;
®8э (k +1) = (1 -ат)ю8о (k); Д8(k +1) = 8и (k +1) -8э (k +1);
Фо (k +1) = фэ (k +1) + КфП (k +1) Дф(k +1);
Юфцо (k +1) = Юфэ (k +1) + K ф21 (k + 1)Дф(k +1); фэ(k+1) = фо(k)+®фо(k )T;
Юфэ(k+1) =(1 -aT )<v(k); Дф(k +1) = фи (k +1) - фц (k +1);
eBo (k +1) = еВэ (k +1) + Ke Hn(k + 1)Дев (k +1);
Юево (k +1) = Юевэ (k + 1) + ^ 21(k + 1)Дев (k +1); (k+1) = во (k)+юво(k )T;
®евэ (k +1) = (1 - aT )Юво (k);
Дев (k +1) = еви (k +1) - евэ (k +1);
ero (k +1) = егэ (k +1) + Ke г11(k +1) Дег (k +1); юго (k +1) = югэ (k +1) + Кег 21(k +1) Дег (k +1); (k+1) =
(k)+®го(k )T;
югэ (k +1) = (1 - aT)юго (k);
Дег (k +1) = еги (k +1) - егэ (k +1), где К - коэффициент усиления; переменные с индексом «э» - экстраполированные значения соответствующих величин; a - постоянная маневра.
стд, м
14 12 10 8 6 4 2
10 20 30 40 50
Рис. 2. Зависимость среднеквадратической ошибки измерения дальности СТд от времени
t, c
Методом имитационного моделирования на ЭВМ дальномерного устройства, следящего за ВС, выполняющего фрагмент маневра «малая коробочка» [1], проводилась оценка точностных характеристик предложенного алгоритма.
Результаты имитационного моделирования (значение среднеквадратической ошибки дальности как функции времени) представлены на рис. 2.
Заключение
Из результатов моделирования видно, что применение динамических характеристик в значительной степени повышает точность оценки дальности (по сравнению с дальномерными каналами, где данная информация отсутствует). Это объясняется более точной экстраполяцией ускорения воздушной цели по линии визирования. Повышение точности дальномерных каналов позволяет повысить пропускную способность ВС при заданном уровне безопасности.
Список литературы
1. Пудовкин, А. П. Перспективные методы обработки информации в радиотехнических системах : монография / А. П. Пудовкин, С. Н. Данилов, Ю. Н. Панасюк. -СПб. : Экспертные решения, 2014. - 256 с.
2. Чернышова, Т. И. Математическое моделирование при анализе метрологической надежности аналоговых блоков информационно-измерительных систем / Т. И. Чернышова, В. В. Третьяков / Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2014. - Т. 20, № 1. - С. 42 - 49.
3. Чернышова, Т. И. Применение математического моделирования при реализации методов оценки и повышения метрологического ресурса аналоговых блоков информационно-измерительных систем / Т. И. Чернышова, В. В. Третьяков // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2015. - Т. 21. - № 3. - С. 381 - 387. ао1: 10.17277/уе81тк.2015.03.рр.381-387
4. Данилов, С. Н. Алгоритм сопровождения с реконфигурацией модели / С. Н. Данилов, Р. А. Ефремов, Н. А. Кольтюков // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. -2015. - Т. 21, № 3. - С. 418 - 423. ао1: 10.17277/уез1тк.2015.03.рр.418-423
5. Точностные характеристики навигационных комплексов, использующих контроль целостности спутниковых радионавигационных систем для реконфигурации / А. В. Иванов [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2015. - № 4. -С. 572 - 577. ао1: 10.17277/уе8Ш1к.2015.04.рр.572-577
Synthesis of Electronic Tracking Systems Considering Aircraft Movement Dynamics
Yu. N. Panasyuk, A. P. Pudovkin, I. V. Knyazev, V. N. Glistin
Department "Radiotekhnika", TSTU, Tambov, Russia; pyunikol@rambler.ru
Keywords: aircraft; information-measuring systems; model; optimal filtration; rangefinder channel.
Abstract: The paper describes the ranging channel algorithm of information measurement system, using the dynamic characteristics of the aircraft. The authors justify the choice of state models based on kinematic and dynamic characteristics of the flying aircraft (AC), and observation models given the radiolocation information from ground radar stations and non-radar information from the on-board measuring instruments. A distance-measuring device is modelled on a computer, tracking the AC performing a fragment of a "small box" maneuver. The results of the study of the algorithm of information-measuring system are given.
References
1. Pudovkin A.P., Danilov S.N., Panasyuk Yu.N. Perspektivnye metody obrabotki informatsii v radiotekhnicheskikh sistemakh [Perspective methods of information processing in radio engineering systems], St. Petersburg: Ekspertnye resheniya, 2014, 256 p. (In Russ.)
2. Chernyshova T.I., Tretyakov V. V. [Mathematical Modeling in the Analysis of Metrological Reliability of Analog Parts of Information-Measuring Systems], Transactions of Tambov State Technical University, 2014, vol. 20, no. 1, pp. 42-49. (In Russ., Abstract in Eng.)
3. Chernyshova T.I., Tretyakov V.V. [Application of Mathematical Modeling for Evaluation Methods and Improvement of Metrological Resource of Analog Units of Data-Measuring Systems], Transactions of Tambov State Technical University, 2015, vol. 21, no. 3, pp. 381-387. doi: 10.17277/vestnik.2015.03.pp.381-387 (In Russ., Abstract in Eng.)
4. Danilov S.N., Efremov R.A., Koltyukov N.A. [Model Reconfiguration Tracking Algorithm], Transactions of Tambov State Technical University, 2015, vol. 21, no. 3, pp. 418-423. doi: 10.17277/vestnik.2015.03.pp.418-423 (In Russ., Abstract in Eng.)
5. Ivanov A. V., Komrakov D.V., Moskvitin S.P., Chernyshov V.N. [Accuracy Characteristics of Navigation Systems Using Continuity Testing of Satellite Navigation Systems for Solving Problems of Reconfiguration], Transactions of Tambov State Technical University, 2015, vol. 21, no. 4, pp. 572-577. doi: 10.17277/vestnik.2015.04. pp.572-577 (In Russ., Abstract in Eng.)
Benutzung der dynamischen Charakteristiken des Luftfahrzeuges in den Informationsmesssystemen
Zusammenfassung: Es ist der Algorithmus des Funktionierens des Distanzkanals des Informationsmesssystems unter Berücksichtigung der dynamischen Charakteristiken der Luftfahrzeuge entwickelt. Es ist die Auswahl der Modelle des Zustandes und
der Beobachtung rechtfertigt, es ist die Imitationsmodellierung auf dem Computer durchgeführt und es sind die Ergebnisse der Forschung des Algorithmus des Funktionierens des Informationsmesssystems dargelegt.
Utilisation des caractéristiques dynamiques de l'aéronef dans les systèmes informatiques de mesure
Résumé: Est conçu l'algorithme du fonctionnement du canal de longue distance du système informatique de mesure compte tenu des caractéristiques dynamiques de l'aéronef. Est justifié le choix des modèles de l'état compte tenu des caractéristiques cinématiques et dynamiques du vol des aéronefs et des modèles de la surveillance tenant compte de l'information radar à partir des stations terrestres et l'information non radar à partir des organes de mesure embarqués. Est faite la simulation sur ordinateur de l'appareil de longue distance surveillant l'aéronef et sont présentés les résultats de la recherche de l'algorithme du fonctionnement du système informatique de mesure.
Авторы: Панасюк Юрий Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника»; Пудовкин Анатолий Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника»; Князев Иван Владимирович - аспирант кафедры «Радиотехника»; Глистин Вадим Николаевич - аспирант кафедры «Радиотехника», ФГБОУ ВО «ТГТУ» , г. Тамбов, Россия.
Рецензент: Данилов Станислав Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
