Ймовірнісний фільтр

Реферат: Ймовірнісний фільтр містить вузол фільтра Калмана у складі послідовно з'єднаних блока віднімання, блока підсилювача, блока суматора, блока екстраполяції і послідовно з'єднаних блока розрахунку кореляційної матриці помилок (КМП), блока обчислення коефіцієнта підсилення. Додатково введено вузол аналізу та корекції у складі послідовно з'єднаних блока усереднення, блока аналізу стійкості супроводження, блока виявлення та оцінки прискорення маневру і блока корекції екстрапольованих значень, та блок корекції КМП і блок корекції циклу супроводження. UA 71892 U (12) UA 71892 U UA 71892 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до галузі радіолокації і може бути використана для оцінки параметрів траєкторії цілі з забезпеченням заданої ймовірності її стійкого супроводження в умовах невідповідності прийнятої моделі руху цілі реальної траєкторії, зокрема, при її маневрі. Відомий пристрій фільтрації параметрів траєкторії цілі - розширений фільтр Калмана [1], який містить блок фільтрації, блок обчислювання коефіцієнта підсилення фільтра та блок екстраполяції, в якому у порівнянні з лінійним фільтром Калмана забезпечується підвищення стійкості супроводження цілі за рахунок введення корекції значення оцінки параметра траєкторії в ланцюзі зворотного зв'язку. Недоліком даного пристрою є недостатня стійкість супроводження цілі, коли прийнята модель траєкторії цілі значно відрізняється від її реальної траєкторії, зокрема при інтенсивному маневрі цілі. Найбільш близьким до запропонованого технічним рішенням, вибраним як прототип, є ймовірнісний фільтр [2], який в дискретному варіанті виконання містить вузол лінійного фільтра Калмана у складі послідовно з'єднаних блока віднімання, блока підсилювача, блока суматора, блока екстраполяції і послідовно з'єднаних блока розрахунку кореляційної матриці помилок (КМП), блока обчислення коефіцієнта підсилення та вузол усереднення помилок фільтрації у складі блоків віднімання, накопичення та усереднення. Недоліком фільтра-прототипу є те, що він не враховує поточні статистичні характеристики динамічних помилок фільтрації та не корегуює значення елементів КМП екстраполяції та КМП вимірювань. Це підвищує ймовірність зриву цілі з супроводження та помилки оцінок параметрів траєкторії. В основу корисної моделі поставлена задача створити ймовірнісний фільтр, як пристрій фільтрації та супроводження цілей, в якому введення нових блоків у складі вузла аналізу та корекції дозволить визначити регулярні складові значень помилок фільтрації, зокрема, за рахунок маневру цілі, оцінити ймовірність зриву цілі з супроводження та інтенсивність маневру і здійснити відповідну корекцію параметрів фільтра - коефіцієнту підсилення, елементів КМП екстраполяції, та уточнення поточних оцінок параметрів траєкторії цілі. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в ймовірнісний фільтр, який містить вузол фільтра Калмана у складі послідовно з'єднаних блока віднімання, блока підсилювача, блока суматора, блока екстраполяції і послідовно з'єднаних блока розрахунку КМП, блока обчислення коефіцієнту підсилення, замість вузла усереднення помилок фільтрації введено вузол аналізу і корекції у складі послідовно з'єднаних блока усереднення, блока аналізу стійкості супроводження, блока виявлення та оцінки прискорення маневру, блока корекції екстрапольованих значень, блока корекції КМП і блока корекції циклу супроводження. Вихід блока екстраполяції з'єднаний з другими входами блока віднімання і блока суматора. Вихід блока обчислення коефіцієнту підсилення - з другим входом блока підсилювача, вихід блока віднімання додатково з'єднаний з входом блока усереднення. Перший вихід блока аналізу стійкості супроводження додатково з'єднаний з входом блока корекції циклу супроводження, а другий вихід - із входом блока корекції КПМ, вихід якого з'єднаний з входом блока розрахунку КМП. Вихід блока корекції екстрапольованих значень з'єднаний з другим входом блока екстраполяції. Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні корисної моделі, полягає у підвищенні точності оцінок параметрів траєкторії цілі з забезпеченням заданої ймовірності попадання поточних позначок в строб супроводження, тобто забезпеченні необхідної стійкості супроводження, якщо прийнята модель руху цілі не відповідає її реальній траєкторії, зокрема, при маневрі цілі. На фіг. 1 приведена структурна схема запропонованого пристрою. На фіг. 2 показані результати моделювання, які демонструють зменшення помилок оцінок параметрів траєкторії цілі, якщо компенсуються регулярні складові динамічних помилок фільтрації при маневрі цілі. Запропонований ймовірнісний фільтр містить вузол фільтра Калмана 1 у складі послідовно з'єднаних блока віднімання 2, блока підсилювача 3, блока суматора 4, блока екстраполяції 5, а також послідовно з'єднаних блока розрахунку КМП 7 і блока обчислення коефіцієнта підсилення 6, а також вузол аналізу та корекції 8 у складі послідовно з'єднаних блока усереднення 9, блока аналізу стійкості супроводження 10, блока виявлення та оцінки прискорення маневру 13, блока корекції екстрапольованих значень 14, а також блока корекції КМП 11 і блока корекції циклу супроводження 12. Вихід блока екстраполяції з'єднаний із другими входами блока віднімання та блока суматора. Вихід блока обчислення коефіцієнту підсилення - з другим входом блока 1 UA 71892 U 5 10 15 20 підсилювача. Вихід блока віднімання додатково з'єднаний зі входом блока усереднення. Перший вихід блока аналізу стійкості супроводження додатково з'єднаний зі входом блока корекції циклу супроводження, а другий вихід - із входом блока корекції КМП, вихід якого з'єднано з входом блока розрахунку КМП. Вихід блока корекції екстрапольованих значень з'єднано з другим входом блока екстраполяції. Входом фільтра є вхід блока віднімання, а виходами - виходи блока суматора та блока корекції циклу супроводження. Робота запропонованого фільтра полягає у наступному. На вхід блока віднімання надходять позначки від цілей (виміри координат) xi в кожному і-му циклі супроводження, де i  12,n . , На другий вхід блока надходять екстрапольовані (очікувані) значення координат x ei , які визначаються в блоці екстраполяції за даними попередніх циклів супроводження. В одномірному випадку (по координаті x ) отримуємо: ˆ  ˆ x ei  xi1  xi1ti  ti1 , (1) ˆ ˆ  де: xi1, xi1 - оцінки параметрів траєкторії цілі (координати та швидкості) в попередньому (і1)-ому циклі супроводження; t i - момент часу, який відповідає і-му циклу супроводження. В блоці віднімання обчислюються розходження між вимірюваним та екстрапольованим значенням параметру - значення нев'язок Zi : Zi  xi  xei . (2) Значення нев'язок визначаються поточними помилками вимірювань координат (дисперсією 2 за рахунок невідповідності прийнятої моделі руху цілі ex (зокрема, лінійною) її реальній траєкторії. При маневрі цілі з'являється квадратична складова, яка визначається інтенсивністю (прискоренням) маневру gм :  2 ) та помилками екстраполяції x 25 xi  30   1 gм ti  tм 2 , (3) 2 де tм - момент початку маневру. Складова xi визначає регулярну складову помилки обчислення екстрапольованого значення параметру руху цілі. В блоках 3 і 4 здійснюється фільтрація позначок з визначенням поточних оцінок параметрів ˆ траєкторії xi : ˆ xi  xei  Ki xi  xei  . (4) Значення коефіцієнту підсилення фільтра Ki розраховуються в блоці 6 з використанням 35 значень елементів кореляційної матриці помилок (КМП) фільтрації  i та КМП вимірювань Ri [3]. В матричному вигляді: Ki  iHTRi1 , (5) де: H - відома матриця перерахунку. В одномірному випадку: Ki  40 де: 2 e , (6) 2 e  2 e 2 ,2 - відповідно x xe дисперсії вимірювань і екстраполяції. Значення елементів КМП вимірювань Ri визначаються в блоці 7 [3], зокрема: i  ei  KiHei . При маневрі цілі з'являються регулярні складові помилок екстраполяції x ei , пропорційні xi 45 ˆ (3), відповідна складова значення нев'язки Zi (2) та динамічна помилка фільтрації xi (4). Для урахування та компенсації цих помилок використовується вузол аналізу і корекції 8. В блоці 9 визначається регулярна складова нев'язки Zi , як результат усереднення в експоненціальному фільтрі з коефіцієнтом згладжування A поточних значень нев'язок Zi [4]: Zi  1 A Zi1  AZi . (7) Залежність величини Zi від прискорення маневру цілі gм відповідає співвідношенню [4]: 2 UA 71892 U Zi    gм  Ti2 , (8) 12   i, A   A 2 A  i  12  1  21  A i  i2 . 5 Значення Zi надходять до блоку 10, де здійснюється аналіз стійкості супроводження цілі на основі отриманих динамічних помилок супроводження. При цьому порівнюється поточне значення Z з можливим відхиленням параметра Z за рахунок помилок вимірювань та екстраполяції: Zi  S  Z , (9) де:  2 - дисперсія усередненої нев'язки; Z  Z  0,3x ; 10 15 20 S - коефіцієнт, який визначає імовірність попадання позначки в строб супроводження S  23. При виконанні умови (9) поточне значення Zi використовується для уточнення елементів КМП вимірювань, КМП екстраполяції та КМП фільтрації (блоки 7, 11). Розмір строба супроводження цілі визначається можливими помилками вимірювань координат (позначок), помилками екстраполяції та необхідною імовірністю потрапляння позначок у строб. В той же час розмір строба обмежується вимогами до селективних властивостей алгоритму супроводження, зокрема, за наявності групової цілі [3]. Для необхідної реакції фільтра на випадковий розкид прискорення цілі  g коефіцієнт підсилення фільтра Ki протягом часу супроводження T0 обмежується значенням K 0 [4], зокрема T0  5 144Tc22 . x g Відповідно помилка (дисперсія) екстраполяції за рахунок помилок вимірювань в усталеному режимі супроводження (при ti  T0 ) визначається 2 e  x 25 K0 2 . x 1 K0 При невиконанні умови (9), зокрема при маневрі цілі, поточне значення Z використовується ˆ для виявлення та оцінки прискорення маневру gм в блоці 13, відповідно з (8). ˆ Отримані оцінки Z та gм використовуються в блоці 14 для корекції поточних екстрапольованих значень координати та швидкості цілі: ˆ xe  xei  Z ; (10) 30 1 2 ˆ   1 x e  x ei  gмTi . Відповідно корегуються оцінки параметрів траєкторії цілі. Якщо задана імовірність попадання позначки в строб супроводження не забезпечується, в блоці 19 розраховується менше значення циклу супроводження Tc , при якому ця умова виконується [3]: 35 Tci  Tc i1 Z / x . (11) Зміна циклу супроводження цілі можлива для радіолокаційних систем з електронним керуванням параметрами діаграми спрямованості. ˆ На вихід фільтра видаються вектор уточнених оцінок параметрів траєкторії xi та необхідне 40 45 значення циклу (періоду) супроводження Tc , які забезпечують задану імовірність стійкого супроводження цілі. Послідовність включення в роботу окремих блоків фільтра та їх взаємодія визначається сіткою керуючих і синхронізуючих імпульсів, "прив'язаних" до сітки частот синхронізатора PJIC (вузол синхронізації і керування на схемі пристрою не показаний). При технічній реалізації запропонованого фільтра можна використовувати типові вузли і блоки радіоелектронної апаратури, інтегральні схеми і мікропроцесори з відповідним програмним забезпеченням [3]. 3 UA 71892 U 5 Джерела інформації: 1. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиоэлектронной информации. Сопровождение целей. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1993. - с. 119. 2. Корестелев А. А. Пространственно-временная теория радиосистем. - М.: Радио и связь, 1987. - с. 251. 3. Кузьмин С. З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. - К.: КВІЦ, 2000. - 428 с. 4. Саврасов Ю. С. Алгоритмы и программы в радиолокации. - М.: Радио и связь, 1985.-216 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 Ймовірнісний фільтр, який містить вузол фільтра Калмана у складі послідовно з'єднаних блока віднімання, блока підсилювача, блока суматора, блока екстраполяції і послідовно з'єднаних блока розрахунку кореляційної матриці помилок (КМП), блока обчислення коефіцієнта підсилення, який відрізняється тим, що додатково введено вузол аналізу та корекції у складі послідовно з'єднаних блока усереднення, блока аналізу стійкості супроводження, блока виявлення та оцінки прискорення маневру і блока корекції екстрапольованих значень, та блок корекції КМП і блок корекції циклу супроводження, причому вихід блока екстраполяції з'єднаний з другими входами блока віднімання і блока суматора, вихід блока обчислення коефіцієнта підсилення - з другим входом блока підсилювача, вихід блока віднімання додатково з'єднаний з входом блока усереднення, перший вихід блока аналізу стійкості супроводження додатково з'єднаний зі входом блока корекції циклу супроводження, а другий вихід - із входом блока корекції КМП, вихід якого з'єднано з входом блока розрахунку КМП, вихід блока корекції екстрапольованих значень з'єднано з другим входом блока екстраполяції, при цьому входом пристрою є вхід блока віднімання, а виходами - виходи блока суматора та блока корекції циклу супроводження. 4 UA 71892 U Комп’ютерна верстка M. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5