Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

Рис. 22.14

и автономной систем со спект­ ральными плотностями 5р(ю) и Sa(tO).

Предположим, что спектраль­ ные плотности Sp(co) и Sa(to) из­ вестны (рис. 22.15), причем энер­ гия помехи «р(0 распределена в широкой полосе частот, а энер­

гия помехи на(г) сосредоточена в низкочастотной области. Для измерителей, построенных на различных физических принципах, это предположение на практике обычно выпол­ няется. Как будет показано, оно является необходимым условием высокой эффективности комплексирования.

Пользуясь структурной схемой, приведенной на рис. 22.14, получим сигнал на выходе фильтра с передаточной функцией Н(р):

где p = d/dz — оператор, дифференцирования.

Очевидно, что для повышения точности комплексной системы необходимо передаточную функцию фильтра Н(р) выбрать таким образом, чтобы фильтр наилучшим образом воспроизводил на своем выходе низкочастотную помеху автономной системы ла(г), рассматриваемую в качестве полезного сигнала. При этом шумом измерения является широкополосная помеха радиоканала np(f). Для полной априорной определенности структуру рассматриваемого фильтра можно получить используя методы теории калмановской фильтрации.

Таким образом, сигнал на выходе комплексной систе­ мы можно записать следующим образом:

воспроизводил погрешность автономного измерителя иа(г)

471

и полностью подавлял помехи радиоканала np(t), то выходной сигнал комплексной системы идеально точно воспроизводил бы полезный навигационный параметр Х(?). Фактически же из-за того, что спектры помех перекры­ ваются и идеальную фильтрацию осуществить невозможно, в выходном сигнале помимо полезного навигационного параметра Х(?) содержится ошибка е(г), которая, согласно

2л - оо

Из соотношения (22.62) следует, что если спектральные плотности 5а(со) и Sp(co) сосредоточены в различных частотных областях, то дисперсия а2 существенно меньше дисперсий погрешностей каждого измерителя.

Отметим также, что при использовании способа ком­ пенсации в комплексной системе не возникает динамических ошибок, так как ошибка системы £(/), как это следует из выражения (22.61), не зависит от Х(/). Поэтому на выбор параметров системы не влияет модель процесса Х(?), что является большим достоинством этого способа при отсутствии априорной информации относительно Х(г). Конечно, отказ от априорных данных ухудшает точностные характеристики комплексной системы.

Системы, в которых ошибки не зависят от характе­ ристик полезного сообщения Х(?), называются инвариант­ ными по отношению к X(z). Таким образом, комплексная навигационная система, построенная по способу компенса­ ции, является инвариантной относительно измеряемого навигационного параметра Х(г). Необходимое' условие осу­ ществления инвариантной системы — наличие в ней по крайней мере двух измерителей.

Способ фильтрации. Другим возможным способом комплексирования навигационных измерителей является объединение их по схеме фильтрации (рис. 22.16). В этом

472

относительно навигационно­ го параметра Х(?). При его выполнении выходной сиг­ нал системы

=+ £Х(')Я,.(р).(22.65)

i= 1

При Я=2 и выполнении условия инвариантности (22.64) выражения (22.66) и (22.61) для ошибок измерения на выходе комплексных систем, организованных по спо­ собам фильтрации и компенсации, совпадают.

Способ комплексирования с введением дополнительной информации внутрь контура слежения радиотехнического измерителя. Введение информации о параметрах движения цели в контур слежения (рис. 22.17, а) позволяет улучшить характеристики точности и помехоустойчивости радиотех­ нических измерителей в режиме слежения; уменьшить вероятности ложных захватов и срыва слежения; обеспечить возможность сопровождения при пропадании радиосигна­ лов; сократить время поиска.

Найдем выходной сигнал z(t) комплексной системы, приведенной на рис. 22.17, а. Так как рассматриваемая система линейна, то, воспользовавшись принципом супер­ позиции, получим

473

с (22.63) и, следовательно, данная схема может быть представлена в виде двухканальной схемы фильтрации, приведенной на рис. 22.17, б. При этом условие инвари­ антности (22.64) выполняется в том случае, когда

где второе слагаемое в правой части представляет собой ошибки оценивания навигационного параметра X(z) за счет помех в радиотехническом измерителе, а третье—за счет помех в автономном. Таким образом, при выполнении условия инвариантности (22.69) эффективную ширину по­ лосы пропускания радиотехнического измерителя следует выбирать только исходя из условия минимума суммы дисперсий этих ошибок.

Синтез комплексных систем. Из изложенного следует,

что к задаче синтеза комплексных систем возможны два основных подхода. Сформулируем их, ограничиваясь рам­ ками теории линейной фильтрации.

Первый подход предполагает заданными модели из­ меряемого навигационного параметра k(r) и погрешностей автономных датчиков иа(Г) в виде уравнений состояний и измерений. Это позволяет использовать для синтеза оптимальной комплексной системы результаты теории калмановской фильтрации. Соответствующий многомерный фильтр полностью определяется уравнениями (4.88) — (4.90). Достоинством этого подхода является возможность получения прн указанных условиях оптимальной структуры и параметров комплексной системы. В то же время необходимо отметить, что предположение о точном знании модели навигационного параметра k(z) редко выполняется на практике. К тому же размерность оптимального фильтра совместной обработки данных оказывается до­ вольно высокой, что приводит к значительному росту объема вычислений при^реализации фильтра на ЭВМ.

474

(22.73)

В этом уравнении состояния выходной сигнал датчика автономной скорости уа(г) выступает как известное управ­ ляющее воздействие (вектор управления). Поэтому уравне­ ние измерений описывает только процесс формирования

Структурная схема рассматриваемой модели процесса и измерений приведена на рнс. 22.18.

Приступим непосредственно к синтезу дискретного алгоритма комплексирования, реализуемого на ЭВМ. Для этого, используя соотношения (22.45)— (22.47), осуществим переход от дифференциального уравнения (22.73) к уравне­ нию в конечных разностях. Вычислим переходную матрицу дискретной системы. По определению [13],

Рис. 22.18

476

где £-1{-} — оператор обратного преобразования Лапласа.

особенностью которого является использование в нем для вычисления оценок экстраполяции вектор управления II ^аО-^О Г.

Таким образом, искомый алгоритм фильтрации для рассматриваемой инвариантной комплексной системы мо­ жет быть записан следующим образом:

477

Рис. 22.19

Структурная схема фильтра, реализующего этот алго­ ритм, приведена на рис. 22.19. На вход фильтра поступают отсчеты дальности ypj и автономной скорости уа;. Погреш­ ности измерения последней корректируются путем вычита­ ния из них оценок погрешностей йа1 с соответствующими масштабными коэффициентами. Эта схема наряду с опти­ мальной фильтрацией обеспечивает надежное формирова­ ние оценок при кратковременных пропаданиях радиосигна­ лов, поскольку при нулевых значениях коэффициентов Glf и G2i происходит интегрирование автономных данных о скорости yai с помощью дискретного интегратора, вырабатывающего оценку дальности Dt. На практике алгоритм (22.81) реализуется программным путем.

§ 22.4. НАВИГАЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ САМОЛЕТОВ И СУДОВ

Под навигационным комплексом понимают совокупность бортовых измерительных средств и вычислителей, позво­ ляющих определять местоположение и скорость самолета (судна) относительно Земли. Ни один из существующих навигационных измерителей не может полностью решить эти задачи, так как каждый из них в отдельности не обеспечивает необходимой точности, помехозащищенности или надежности.

Задачи, решаемые навигационным комплексом, много­ образны. Среди них одной из важнейших является счисле­ ние пути, обеспечивающее непрерывное измерение коорди­ наты объекта. Основным недостатком систем счисления является ухудшение точности определения координат с уве­ личением времени работы. Поэтому для получения требу-

478

Рис. 22.20

емой точности счислимые координаты необходимо непре­ рывно или периодически корректировать на основании информации, поступающей от радиотехнических измерите­ лей, т. е. осуществлять комплексную обработку данных.

Структурная схема типового навигационного комплек­ са самолета приведена на рис. 22.20 [13]. Основу этого комплекса составляет инерциальная навигационная система (ИНС) на гиростабилизированной платформе. Она измеря­ ет как угловое положение самолета (углы крена, тангажа, рыскания и их производные), так и составляющие ускоре­ ния и скорости. Скорость самолета измеряется также с помощью ДИСС и датчика воздушной скорости, вхо­ дящего в состав системы воздушных сигналов (СВС). В качестве вспомогательного измерителя курса использу­ ется система курсовертикали (СКВ). Высота и скорость ее изменения измеряются с помощью радиовысотомеров (РВ). Сигналы этих устройств обрабатываются в вычис­ лительном устройстве, являющемся частью распределенной бортовой вычислительной системы. В качестве систем коррекции координат местоположения самолета использу­ ются данные радиотехнических систем ближней (РСБН) и дальней (РСДН) навигации (таких, как «Омега», «Лоран- С» или системы с использованием ИСЗ), бортовых' РЛС,

479

корреляционно-экстремальных систем, а также данные, получаемые с выхода других измерителей, например аст­ рономических ориентиров, оптических или электронно­ оптических визиров.

В навигационных комплексах с более высокой степенью интеграции оборудования используются обратные связи (показаны на рис. 22.20 пунктирными линиями). За счет этих связей обеспечиваются коррекция положения гироплат­ формы ИНС, предварительная настройка ДИСС по данным датчика воздушной скорости или ИНС, установка визиров в предполагаемое местоположение ориентиров и т. п. Так как системы, входящие в навигационный комплекс, опре­ деляют навигационные параметры в собственной системе координат, в алгоритмах навигационного вычислительного устройства предусмотрена процедура пересчета данных этих систем в основную систему координат, в которой осуществляется счисление пути.

Навигационный комплекс является составной частью пилотажно-навигационного комплекса (ПНК), который вк­ лючает в себя также систему автоматического управления самолетом и систему индикации и отображения пилотаж­ но-навигационной информации. ПНК предназначен для навигации и пилотирования самолета на всех этапах полета. В круг задач, решаемых ПНК, помимо непрерыв­ ного определения координат местоположения самолета, счисления пути и его коррекции входят программирование маршрута полета, вычисление и передача в САУ управ­ ляющих сигналов, выдача информации системам отобра­ жения и индикации, автоматический контроль исправности бортовых устройств и систем ПНК, а также автоматическая стабилизация и управление самолетом во всех режимах полета.

Навигационные комплексы морских судов имеют схо­ жую структуру. На рис. 22.21 приведена структурная схема интегрированного навигационного комплекса «Data Bridge» норвежской фирмы «Norcontrol» *, предназначенного для автоматизации судовождения и предотвращения столкно­ вений. Счисление пути в этом комплексе осуществляется по данным лага и гирокомпаса. В качестве систем коррекции координат местоположения используются на­

480