CC BY
7
УДК 621.396.96
DOI: 10.17277/vestnik.2019.02.pp.190-196
ПРИМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ДАННЫХ ВОЗДУШНОГО СУДНА В УГЛОМЕРНОМ КАНАЛЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В. Н. Глистин, Ю. Н. Панасюк
Кафедра «Радиотехника», ФГБОУВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия; glistinwadim@mail.ru
Ключевые слова: воздушные суда; информационно-измерительные системы; модель; оптимальная фильтрация; угломерный канал.
Аннотация: Представлены и обоснованы векторы состояния и наблюдения перемещения воздушного судна, а также разработанный алгоритм функционирования угломерного канала информационно-измерительной системы (ИИС), с учетом динамических характеристик воздушных судов. Проведено имитационное моделирование на ЭВМ разработанного алгоритма, и представлены результаты исследования алгоритма функционирования угломерного канала ИИС.
В настоящий момент одним из методов повышения точности определения угловых координат воздушного судна (ВС) в информационно-измерительной системе (ИИС) является применение различных алгоритмов обработки радиолокационной информации. Многие алгоритмы [1] используют дополнительную информацию от бортовых датчиков воздушного судна, описывающих его различные параметры и характеристики, поступающих в ИИС не только от радиолокационных измерителей.
Проблемой алгоритмов вторичной обработки информации в ИИС, в частности посадочных радиолокационных станций, является применение моделей состояния и наблюдения использующих, как правило, только кинематические характеристики движения ВС. Погрешности определения координат ВС ИИС [2], алгоритм функционирования фильтров вторичной обработки радиолокационной информации которых основан на кинематических моделях, особенно заметны при выполнении ВС маневра [3], когда силы воздействующие на него значительно изменяются.
Учесть изменение скорости ВС по величине и направлению и уменьшить величину ошибок определения угловых координат ВС позволят модели состояния, в основу которых положены векторы перегрузок.
Цель работы - синтез алгоритма функционирования угломерного канала ИИС с учетом динамики движения ВС.
Алгоритмы фильтрации, основанные на моделях, учитывающих динамические и кинематические характеристики перемещения ВС, позволят ИИС повысить точность определения угловых координат ВС, в частности при выполнении им маневра «посадка».
В целях определения динамических характеристик движения ВС выведено выражение с составляющими векторов перегрузок, определяющее приращение скорости изменения азимута ВС
таг = arctg
(((( ( g
VW V
v
(п(ф) sin(0) - cos(9) sin(0)) cos(Ya) - nza sin(y a))+
+nxa cos(0)(cos(9) - sin(9)) + ((ф) + COS^)) sin(y a) + nza cos(Ya)) I I -
-(алв cos(£b ))2
0,51
/((coseB)
(1)
где Б - дальность до воздушного судна по линии визирования, определяемое РЛС; 6, ф - углы наклона и поворота траектории ВС соответственно; ев - угол места; алв - ускорение воздушного судна по линии визирования, определяемое в дальномерном канале РЛС; g - ускорение свободного падения; пха, Пуа, пха -
продольная, нормальная и боковая перегрузки ВС соответственно; уа - скоростной угол крена.
Учитывая выражение (1), предложены следующие декомпозированные вектора моделей состояния х и наблюдения z:
- дальности, скорости и ускорения:
хб = [ К а ]т, (2)
z Б = Би; (3)
- тангенциальной перегрузки и скорости изменения вектора тангенциальной перегрузки:
х nx [nxa ® nx ]
1nx z nx = n
(4)
(5)
- нормальной перегрузки и скорость изменения вектора нормальной перегрузки:
*-ny [nya ®ny]
z ny nyau;
(6) (7)
- боковой перегрузки и скорость изменения вектора боковой перегрузки:
хпх = [п2а юпг] , (8)
z пх = пхаи; (9)
- скоростного угла крена и скорость изменения скоростного угла крена цели:
= [ Ya юуа]
лу I. 'а ^ уа\ z у = У аи ;
угла наклона и скорости изменения угла наклона цели:
т
х6=[6 ю6] , z 6 =6и;
путевого угла и угловой скорости путевого угла цели:
т
Хф = [Ф Юф] , z ф =Фи;
(10) (11)
(12)
(13)
(14)
(15)
- угла наклона линии визирования и его скорости изменения в вертикальной плоскости:
хв = [ев юв ]
(16) (17)
- угла наклона линии визирования, его скорости изменения и приращения скорости изменения в горизонтальной плоскости:
= [
(18) (19)
где гад , Юф - скорости изменения углов наклона и поворота траектории ВС соответственно; гав, гаг - скорости изменения угла места и азимута ВС соответственно; V, а - скорость и ускорение воздушного судна в траекторной системе координат соответственно; Би - измеренное значение дальности до воздушного судна по линии визирования, определяемое РЛС; га пх, гапу!, гапг - скорости изменения тангенциальной, нормальной и боковой перегрузок ВС соответственно; пхаи, Пуаи , п2аи - измеренные значения продольной, нормальной и боковой перегрузок ВС соответственно; гауа - скорость изменения скоростного угла крена ВС; Уаи - измеренный скоростной угол крена ВС; 6и, фи - измеренные значения углов наклона и поворота траектории ВС соответственно; еви - измеренное значение угла места; ег - азимут ВС; еги - измеренное значение азимута ВС.
Учитывая алгоритм не линейной фильтрации Калмана [1] и модели состояния и наблюдения, основанные на векторах состояния и наблюдения (2) - (19), получены независимые группы рекуррентных алгоритмов фильтрации для каждой из определяемых величин:
- алгоритм фильтрации для оценки азимута ВС, его скорости изменения и приращения скорости изменения имеет вид:
£го(к +1) = £гэ (к +1) + Кег11 (к +1) Дег (к +1); юго (к +1) = югэ (к +1) + Кег21 (к +1) Дег (к +1); таго (к +1) = тагэ (к +1) + Кег31(к + 1)Дег (к +1);
егэ (к +1) = его (к) + гаго (к)т + 0,5таго (к)т ;
югэ (к +1) = юго (к) + таго (к )т;
fiYr (
тагэ (к +1) = arctg
g
WW v
(sin ф0(к)sin 8o(k) - cos ф0(к)sin 8o(k)) x
X (dya (к) cos у ao (к) - nzao (к) sin у ao (к))+ nxao (к) cos 80 (к); < (cos ф„(к) - sin ф^к)) + (sin ф0 (к) + cos ф„ (к))x
X (ya (к) sin Yao(к) + nzao (к)cos Yao (к)) I
|0,5 W I
—(aлBo (k)cosе^к))2 I /((o(к)coseBo (к))
z в еви
х
1
Z г еги
Дег (к +1) = еги (к +1) - егэ (к +1);
- алгоритм фильтрации для оценки угла наклона линии визирования и скорости его изменения в вертикальной плоскости:
ево (к +1) = еВэ (к +1) + Кев 11(к +1) Дев (к +1);
«во (к +1) = «вэ (к +1)+Кв 21(к +1) Д£в (к +1);
£вэ (к +1) = £во (к) + Юво (к )т;
«вэ (к +1) = (1 - афвТКо (к);
Д£в (к +1) = £ви (к +1) - £вэ (к +1);
- алгоритм фильтрации для оценки угла наклона и скорости изменения угла наклона цели:
ео (к +1) = еэ (к +1) + К011(к + 1)Д0(к +1);
«0о (к +1) = «еэ (к +1) + К 021 (к + 1)Д0(к +1);
0Э(к +1) = 0о (к) + «ео (к)т ;
«еэ (к +1) =(1 - аф0т)«0цо (к); Д0(к +1) = 0и (к +1) - 0Э (к +1);
- алгоритм фильтрации для оценки путевого угла и скорости изменения путевого угла цели:
Фо (к +1) = фэ (к +1) + КфП(к + 1)Дф(к +1); «Фо (к +1) = «фэ (к +1) + Кф21(к + 1)Дф(к +1); Фэ (к +1) = фо (к) + «фо (к)т; «фэ (к+1) =(1 - аффт)«фо (к);
Дф(к +1) = фи (к +1) - фэ (к +1);
- алгоритм фильтрации для оценки скоростного угла крена и скорости изменения скоростного угла крена цели:
У а о (к + 1) = У а э (к + 1) + К у11( к + 1) А у в (к + 1);
«у ао (к +1) = «у аэ (к +1) + К у21 (к +1) Ду а (к +1);
У аэ (к +1) = У а о (к) + «уа о (кК «уаэ (к +1) = (1 - аух)«Уао (к);
- алгоритм фильтрации для оценки вектора тангенциальной перегрузки и скорости изменения вектора тангенциальной перегрузки:
Пхао (к +1) = пХаэ (к +1) + КПха п(к +1) Дпш (к +1); «пхо (к +1) = «пхэ (к +1) + Кпха 21(к +1) ДПха (к +1); пха э (к +1) = Пха о (к) + « пх о (к )т; «пхэ (к +1) = (1 - афпхт)«пхо (к); ДПха (к + 1) = Пхаи (к + 1) - Пхаэ (к + 1);
- алгоритм фильтрации для оценки вектора нормальной перегрузки и скорости изменения вектора нормальной перегрузки:
Пуао (к +1) = Пуаэ (к +1) + Кпуа11(к + 1)АПуа (к +1);
«пуо (к +1) = «пуэ (к +1) + Кпул21(к +1) Д Пуа (к +1);
nya э (к +1) (к) + тпу (к)т;
®пуэ (к +1) = (1 - афпут)®пуо (к);
Апуа (к +1) (к+1) (к +1);
- алгоритм фильтрации для оценки вектора боковой перегрузки и скорости изменения вектора боковой перегрузки:
^ао (к +1) = пгаэ (к +1) + КЩа11 (к +1) А Па (к +1); ®пго (к+1) = э (к+1)+Кпа 21(к +1) А Па (к+1);
П2аэ (к +1) = П2ао (к) + о (к)т; юпг э (к +1) = (1 - афпг т)юпг о (к); Ап2а (к +1) = п2аи (к +1) - п2аэ (к +1);
- алгоритм фильтрации для оценки дальности, скорости и ускорения цели:
Бо (к +1) = Бэ (к +1) + Кт1(к + 1)АБ(к +1); Уо (к +1) = V (к +1) + Кп 21(к + 1)АБ(к +1); ао (к +1) = аэ (к +1) + КОЪ1(к + 1)АО(к +1); Бэ (к +1) = £>о (к) + V, (к )т + 0,5ао (к )т2; ¥э (к +1) = ¥о (к) + а, (к )т; аэ (к +1) = (1 -афДт)ао (к); АО(к +1) = Би (к +1) - Бэ (к +1),
где к - номер дискреты времени; т - период дискретизации; аф - постоянная маневра
соответствующей величины; А - символ, обозначающий невязку измерений соответствующей величины; символы с индексами «э», «о»- экстраполированные и оцененные значения соответствующих величин.
В целях оценки точностных характеристик синтезированного алгоритма выполнено имитационное моделирование на ЭВМ угломерного информационно-измерительного устройства, следящего за выполнением
сег, град. 0.01
0,006 0,003
t—
гад« ШШ
моделирования в виде зависимости 0 200 400 600 800 к среднеквадратического отклонения
Рис. 1. Зависимость СКО измерения (СКО) азимута ВС от номера дискрета азимута ВС от дискрета времени времени приведены на рис. 1.
Результаты имитационного моделирования позволяют заметить, что алгоритмы, использующие данные о динамических характеристиках перемещения ВС, позволяют уменьшить значение СКО, в сравнении с алгоритмами, не использующими дополнительную динамическую информацию о ВС [4]. Данный факт особенно заметен при выполнении ВС динамичного маневра, что объясняется более точной экстраполяцией скорости изменении азимута ВС. Повышение точности угломерных каналов ИИС позволяет повысить пропускную способность ВС при заданном уровне безопасности.
Список литературы
1. Пудовкин, А. П. Перспективные методы обработки информации в радиотехнических системах / А. П. Пудовкин, С. Н. Данилов, Ю. Н. Панасюк. - СПб. : Экспертные решения, 2014. - 256 с.
2. 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/уеБ1тк.2015.03 .рр.381 -387
3. 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^^.2015.03.рр.418-423
4. Точностные характеристики навигационных комплексов, использующих контроль целостности спутниковых радионавигационных систем для реконфигурации / А. В. Иванов [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2015. - Т. 21, № 4. -С. 572 - 577. ао1: 10.17277/уез1тк.2015.04.рр.572-577
Application of Dynamic Aircraft Data in the Goniometrie Channel of Information-Measuring Systems
V. N. Glistin, Yu. N. Panasyuk
Department of Radio Engineering, TSTU, Tambov, Russia; glistinwadim@mail.ru
Keywords: aircraft; information and measuring systems; model; optimal filtering; goniometer channel.
Abstract: Vectors of state and observation of the aircraft movement are presented and substantiated; the algorithm for the operation of the goniometric channel of the information-measuring system (IMS), taking into account the dynamic characteristics of aircraft is developed. Computer simulation of the developed algorithm was carried out, and the results of the research into the algorithm of the IMS angular reference channel are presented.
References
1. Pudovkin A.P., Danilov S.N., Panasyuk Yu.N. Perspektivnyye metody obrabotki informatsii v radio-tekhnicheskikh sistemakh [Perspective methods of information processing in radio-technical systems], St. Petersburg: Ekspertnyye resheniya, 2014, 256 p. (In Russ.)
2. Chernyshova T.I., Tret'yakov V.V. [Application of mathematical modeling in the implementation of methods for assessing and improving the metrological resource of analog blocks of information-measuring systems], Transactions of the 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.)
3. Danilov S.N., Yefremov R.A., Kol'tyukov N.A. [The tracking algorithm with model reconfiguration], Transactions of the 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.)
4. Ivanov A. V., Komrakov D.V., Moskvitin S.P., Chernyshov V.N. [Accuracy characteristics of navigation systems using the integrity control of satellite radio navigation systems for reconfiguration], Transactions of the 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.)
Die Verwendung der dynamischen Daten des Luftfahrzeugs im Winkelmesskanal von Informations-und Messsystemen
Zusammenfassung: Es sind die Vektoren des Zustandes und der Beobachtung der Bewegung des Luftfahrzeugs, sowie auch der entwickelte Algorithmus für das Funktionieren des Winkelmesskanals des Informations-und Messsystems (IMS) unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften der Luftfahrzeuge präsentiert und begründet. Es ist das Simulationsmodellieren des entwickelten Algorithmus auf dem Computer durchgeführt und die Ergebnisse der Untersuchung des Funktionierens des Algorithmus des Winkelkanals IIS sind vorgestellt worden.
Application des données dynamiques de l'aéronef dans le canal angulaire des systèmes d'information et de mesure
Résumé: Sont présentés et justifiés des vecteurs d'état et d'observation de la marche de l'aéronef ainsi que l'algorithme du fonctionnement du canal angulaire du système d'information et de mesure (SIM) en tenant compte des caractéristiques dynamiques des aéronefs. Est effectuée la simulation sur l'ordinateur de l'algorithme élaboré et sont présentés les résultats de l'étude de l'algorithme du fonctionnement du contrôleur angulaire IIS.
Авторы: Глистин Вадим Николаевич - аспирант кафедры «Радиотехника»; Панасюк Юрий Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
Рецензент: Данилов Станислав Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
