Đang tải... (xem toàn văn)
Tổng hợp hệ bám góc trong đài ra đa trên cơ sở ứng dụng các phương pháp xử lý tín hiệu hiện đại
Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng Học viện Kỹ thuật Quân sự ******* Đoàn Thế Tuấn Tổng hợp hệ bám góc trong đi ra đa trên cơ sở ứng dụng các phơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số : 62. 52. 60. 01 Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà nội 2009 Công trình đợc hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự Ngời hớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tăng Cờng TS. Đàm Hữu Nghị Phản biện 1: GS TSKH Thân Ngọc Hoàn Đại học Dân lập Hải phòng Phản biện 2: PGS TSKH Phạm Thợng Cát Viện CNTT Viện KHCN Việt Nam Phản biện 3: PGS TS Lê Hùng Lân Trờng Đại học Giao thông Vận tải Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội. vào hồi giờ ngày tháng năm 2009 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th viện quốc gia. - Th viện Học viện Kỹ thuật Quân sự các công trình đ công bố tác giả 1. Nguyễn Đức Thành, Đoàn Thế Tuấn, Trần Đức Trung, (2003), Tổng hợp hệ bám cự ly ứng dụng kỹ thuật số trong hệ toạ độ đài điều khiển tên lửa phòng không, Hội nghị khoa học, Trung tâm KHKT&CNQS, Tr 283-288. 2. Nguyễn Ngọc Quý, Đoàn Thế Tuấn (2005), Một số vấn đề khi tổng hợp bộ lọc số, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật Đo lờng toàn quốc lần thứ 4, 11-2005, Tr 683-688. 3. Nguyễn Văn Tiến, Đoàn Thế Tuấn, Nguyễn Đức Thành (2004), Nghiên cứu một số tham số ảnh hởng đến hệ thống điều khiển cự ly tên lửa đạn đạo, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, III-2004, Học viện KTQS, Tr 80-85. 4. Đoàn Thế Tuấn, Nguyễn Đức Thành (2006), Sử dụng thuật toán lọc Kalman thích nghi trong bài toán bám sát mục tiêu cơ động, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ quân sự, 6- 2006, Trung tâm KHKT&CNQS, Tr 51-55. 5. Đoàn Thế Tuấn (2006), ứng dụng thuật toán lọc Kalman với hiệu chỉnh dự báo tối u trong bám sát mục tiêu cơ động, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, II-2006, Học viện KTQS, Tr 51-57. 6. Nguyễn Tăng Cờng, Đoàn Thế Tuấn (2007), áp dụng logic mờ xây dựng thuật toán lọc thích nghi xác định tham số của mục tiêu cơ động, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, II-2007, Học viện KTQS, Tr 109-117. Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu: Hiện nay, các mục tiêu tập kích đờng không đợc thiết kế chế tạo với khả năng cơ động cao, đa dạng và phức tạp; điều này dẫn tới làm giảm hiệu quả chiến đấu của các hệ thống điều khiển hoả lực. Một trong những nguyên nhân của việc giảm hiệu quả chiến đấu khi bắn các mục tiêu cơ động chính là do sai số của các hệ bám XĐTĐ mục tiêu. Vì vậy, đề tài Tổng hợp hệ bám góc trong đài ra đa trên cơ sở ứng dụng các phơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại nhằm xây dựng hệ bám góc mục tiêu trên khoang thiết bị bay (TBB) với độ chính xác cao trong điều kiện mục tiêu cơ động là nhu cầu cấp bách mà thực tiễn đặt ra. Mục đích nghiên cứu của luận án: Về lý thuyết: - Thông qua việc tổng hợp và phân tích hệ xác định toạ độ (HXĐTĐ) góc mục tiêu sử dụng thuật toán lọc tối u chỉ ra đợc những nhợc điểm của nó và khả năng xây dựng thuật toán có độ chính xác cao trong điều kiện mục tiêu cơ động. - Xác định toạ độ (XĐTĐ) góc mục tiêu cơ động trên cơ sở ứng dụng các thuật toán lọc thích nghi. - XĐTĐ góc mục tiêu cơ động trên cơ sở kết hợp thuật toán lọc thích nghi và hệ logic mờ. Về thực nghiệm: Kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán xây dựng đợc thông qua mô phỏng riêng thuật toán và mô phỏng HXĐTĐ góc mục tiêu trong thành phần của vòng điều khiển TBB. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài: Luận án nghiên cứu, xây dựng thuật toán tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu trên khoang TBB trong điều kiện mục tiêu cơ động. Tính thực tiễn, tính khoa học, tính mới của đề tài nghiên cứu: Tính thực tiễn: Các thuật toán tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu thực hiện đợc nhờ máy tính điện tử với công nghệ hiện đại. Việc xây dựng HXĐTĐ góc mục tiêu thuận tiện hơn so với kỹ thuật cũ do nhiệm vụ cơ bản của bài toán đợc thực hiện bằng phần mềm. Tính khoa học: Tính khoa học của luận án đợc thể hiện thông qua cách tiếp cận giải bài toán: - Xây dựng mô hình không gian trạng thái của từng đối tợng tham gia trong HXĐTĐ góc mục tiêu. - Thông qua mô hình không gian trạng thái đã xây dựng đợc, áp dụng các thuật toán lọc tối u, thuật toán điều khiển tối u xây dựng đợc hệ bám tối u XĐTĐ góc của mục tiêu. - áp dụng và xây dựng thuật toán lọc thích nghi nâng cao độ chính xác cho hệ bám trong điều kiện mục tiêu cơ động. - Khảo sát HXĐTĐ góc mục tiêu thông qua mô phỏng và so sánh chỉ tiêu chất lợng của nó với các thuật toán đã có. Tính mới của luận án: - Xây dựng đợc hệ xác định toạ độ góc mục tiêu cơ động trên cơ sở ứng dụng thuật toán lọc Kalman thích nghi nhận dạng tham số ma trận chuyển trạng thái. - Xây dựng đợc hệ xác định toạ độ góc mục tiêu cơ động trên cơ sở tổng hợp thuật toán lọc thích nghi bằng cách kết hợp bộ lọc Kalman với hệ logic mờ. Cấu trúc của luận án: Nội dung của luận án gồm 102 trang, 3 bảng, 50 hình vẽ và đồ thị, 56 tài liệu tham khảo và 2 phụ lục kèm theo, ngoài phần mở đầu, kết luận, luận án trình bày trong 4 chơng. 1 2 Chơng 1. Tổng quan Tổng hợp hệ bám góc trong đi ra đa trên các hệ tự dẫn vô tuyến 1.1. Đặt bài toán nghiên cứu Hình 1.1 chỉ ra tơng quan hình học giữa TBB và mục tiêu. Nhiệm vụ của bài toán XĐTĐ góc mục tiêu là tạo ra các đánh giá toạ độ góc n và tốc độ n của đờng ngắm. Trên các hệ tự dẫn hiện nay, n và n đợc xác định bởi HXĐTĐ một vòng bám. Sai số đánh giá n và n của phơng pháp này sẽ lớn, nhất là trong trờng hợp mục tiêu cơ động. Hình 1.1. Tơng quan giữa TBB và mục tiêu HXĐTĐ nhiều vòng bám tuy có sai số bám sát nhỏ hơn nhng mới chỉ tính đến tình huống mục tiêu cơ động với giá trị cụ thể về cờng độ và tần suất cơ động. Tức là, còn để ngỏ cha đợc giải quyết cho lớp bài toán có tính đến khả năng cơ động đa dạng có trong thực tế. Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra cho luận án là: trên cơ sở HXĐTĐ nhiều vòng bám, xây dựng thuật toán nâng cao độ chính xác XĐTĐ góc mục tiêu trong điều kiện mục tiêu cơ động. ứng dụng lý thuyết điều khiển tối u và lý thuyết lọc tối u, việc tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu đợc tách thành hai bài toán, đó là: - Bài toán điều khiển an ten sao cho đờng cân bằng tín hiệu ( aa XO ) trùng với phơng của đờng ngắm ( ma OO ). Bài toán này đã đợc giải quyết [8], [44]. - Bài toán đánh giá toạ độ pha của đờng ngắm n , n có tính tới sự tơng tác của các tham số khác ( , a , ) và sự cơ động của mục tiêu sẽ đợc luận án thực hiện bởi kỹ thuật lọc thích nghi. 1.2. Phân tích thực trạng hiện nay của một số hệ xác định toạ độ góc mục tiêu điển hình 1.2.1. Hệ xác định toạ độ góc mục tiêu một vòng bám Yêu cầu đặt ra là điều khiển an ten sao cho trục của thiết bị định hớng bám theo đờng ngắm. Toạ độ pha n và n đợc xác định bởi k và k & . Sơ đồ cấu trúc của hệ bám chỉ ra trên Hình 1.2. Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc HXĐTĐ góc một vòng bám. u điểm: Cấu trúc của HXĐTĐ đơn giản. Nhợc điểm: - Hệ truyền động không chỉ bám theo sự thay đổi góc n mà còn chịu sự thay đổi góc trục dọc . - Do việc sử dụng trực tiếp các tín hiệu đo để đánh giá toạ độ góc nên không loại trừ đợc nhiễu của thiết bị đo. - Độ chính xác xác định n , n phụ thuộc vào độ chính xác điều khiển an ten. Do hệ thống an ten có quán tính lớn nên độ chính xác điều khiển an ten không cao nhất là khi mục tiêu cơ động. - Việc đồng thời đảm bảo độ ổn định và độ chính xác cao rất khó thực hiện trong điều kiện mục tiêu cơ động. 1.2.2. Hệ xác định toạ độ góc mục tiêu tối u nhiều vòng bám ứng dụng thuật toán điều khiển tối u, các thuật toán lọc tối u, HXĐTĐ mục tiêu đợc xây dựng gồm nhiều vòng bám [8], [44]. u điểm: - Độ chính xác bám sát toạ độ góc mục tiêu đợc nâng cao bởi: k G(p) p m n a k & 0 X 0 Y m O a X oy X a n m a O k T BB Mục tiêu 3 4 + Sử dụng bộ lọc riêng để đánh giá toạ độ góc đờng ngắm nên đã loại trừ đợc sai số của hệ bám an ten khỏi sai số đánh giá toạ độ góc. + Mô hình sử dụng làm cơ sở để tổng hợp bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm chính xác hơn, trong đó đã tính đến sự biến thiên của cự ly, tốc độ cự ly và tham số chuyển động của mục tiêu kể cả yếu tố cơ động. + Tham số đờng ngắm n , n đợc đánh giá bởi bộ lọc Kalman, trong đó hệ số khuếch đại thích nghi theo thông tin thống kê tiền nghiệm. + Phép đo sai lệch góc chính xác hơn do an ten ổn định hơn bởi sử dụng kỹ thuật điều khiển tối u. - Tính tác động nhanh của hệ thống tăng lên do đã loại bỏ hệ truyền động an ten quán tính lớn ra khỏi các bộ lọc tạo tín hiệu đánh giá. - Độ ổn định bám sát an ten theo đờng ngắm đợc nâng cao do tín hiệu điều khiển an ten đợc tạo ra bởi kỹ thuật điều khiển tối u. - HXĐTĐ góc mục tiêu có khả năng loại bỏ nhiễu thông qua việc sử dụng các thuật toán lọc tối u. Nhợc điểm: - Phức tạp trong tính toán, thực hiện các thuật toán. - Mới chỉ tính đến tình huống mục tiêu cơ động với giá trị cụ thể về cờng độ và tần suất cơ động. 1.3. Một số hớng giải bài toán bám sát mục tiêu cơ động Do chuyển động của mục tiêu tác động đến bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm n , n , nên để giảm sai số bám sát trong điều kiện mục tiêu cơ động, bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm cần phải sử dụng các thuật toán tối u hoặc thuật toán thích nghi. 1.3.1. Sử dụng thuật toán lọc tối u bám sát mục tiêu cơ động u điểm: Liên tục xác định đợc giá trị gia tốc pháp tuyến và các thành phần đạo hàm bậc cao của chúng. Không đòi hỏi phải thay đổi tham số (cấu trúc) của các thuật toán đánh giá khi mục tiêu cơ động. Nhợc điểm: Phức tạp trong việc hiện thực hóa thuật toán. Khi mục tiêu không cơ động, việc sử dụng các đánh giá gia tốc và thành phần đạo hàm của chúng sẽ làm tăng sai số đánh giá theo vị trí và tốc độ. 1.3.2. Sử dụng các thuật toán lọc thích nghi bám sát mục tiêu cơ động * Lọc thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại u điểm: Thuật toán này tuy đơn giản. Nhợc điểm: Độ chính xác đánh giá không cao, đặc biệt đối với các thành phần đạo hàm. * Lọc thích nghi trên cơ sở nhận dạng tham số mô hình trạng thái u điểm: Độ chính xác đánh giá cao kể cả các thành phần đạo hàm. Nhợc điểm: Để thực hiện thuật toán, cần phải đo đợc các toạ độ pha hoặc phải sử dụng kết quả đánh giá các toạ độ pha sao cho phù hợp. * Lọc thích nghi trên cơ sở thay đổi kích thớc của véc tơ trạng thái u điểm: Sai số đánh giá đợc cải thiện trong cả trờng hợp mục tiêu cơ động và không cơ động. Nhợc điểm : Thuật toán đòi hỏi phải lu trữ các phép đo ở thời điểm quá khứ để khởi tạo lại bộ lọc khi phát hiện cơ động của mục tiêu; Thời điểm phát hiện cơ động bị giữ chậm. * Lọc thích nghi ghép tầng u điểm: Đánh giá trạng thái đợc cải thiện trong cả trờng hợp mục tiêu cơ động và không cơ động. Nhợc điểm: Thời gian phát hiện cơ động bị giữ chậm dẫn tới sai số lớn trong gian đoạn chuyển sang cơ động và ngợc lại. * Lọc thích nghi đa mô hình - Giả thiết động học của mục tiêu tuân theo một số hữu hạn các mô hình, mỗi mô hình phù hợp với một chuyển động cơ động của mục tiêu. - Thuật toán lọc bao gồm nhiều bộ lọc hoạt động song song; tại thời điểm bất kỳ, đánh giá trạng thái đợc tổ hợp từ trạng thái của các bộ lọc. u điểm: Độ chính xác đánh giá cao, thời gian thích nghi nhanh. 5 6 Nhợc điểm: Thuật toán đòi hỏi khối lợng tính toán lớn. * Lọc thích nghi sử dụng hệ mờ và mạng nơ ron Một hớng tiếp cận mới nhằm cải thiện các thuật toán lọc thích nghi là ứng dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh. Trong đó, các hệ lôgic mờ và mạng nơ ron đợc sử dụng bởi khả năng tự học, khả năng xấp xỉ hàm và khả năng thích nghi tham số hoặc cấu trúc. Cấu trúc của một số bộ lọc điển hình sử dụng hệ mờ và mạng nơ ron nh sau: - Lọc thích nghi sử dụng hệ mờ để hiệu chỉnh hệ số khuếch đại; - Lọc thích nghi nơ ron các quá trình với mô hình không biết trớc; - Lọc thích nghi cải thiện thuật toán IMM bởi hệ mờ nơ ron. Kết luận chơng 1 1. HXĐTĐ góc mục tiêu nhiều vòng bám có những u điểm vợt trội so với hệ một vòng bám; tuy nhiên, HXĐTĐ này cha tính tới sự cơ động đa dạng có trong thực tế của mục tiêu. 2. Nhiệm vụ đặt ra cho luận án là, trên cơ sở HXĐTĐ góc mục tiêu nhiều vòng bám, xây dựng thuật toán tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu có tính tới yếu tố cơ động đa dạng của mục tiêu nhằm nâng cao độ chính xác XĐTĐ góc mục tiêu trong điều kiện mục tiêu cơ động. 3. Để nâng cao độ chính xác của HXĐTĐ góc mục tiêu nhiều vòng bám trong điều kiện mục tiêu cơ động cần thực hiện thuật toán lọc thích nghi trong vòng bám đánh giá toạ độ góc đờng ngắm. 4. Kỹ thuật lọc đa mô hình và lọc đa mô hình kết hợp với hệ mờ, mạng nơ ron cho phép tính tới các yêu tố cơ động đa dạng của mục tiêu; tuy nhiên do khối lợng tính toán rất lớn nên cần thiết phải xây dựng thuật toán đơn giản hơn đảm bảo dễ dàng hiện thực hoá thuật toán. Chơng 2. Tổng hợp hệ bám tối u tự động xác định toạ độ góc mục tiêu cơ động Chơng 1 đã chỉ ra HXĐTĐ góc mục tiêu tối u tuy có nhiều u điểm, nhng cũng tồn tại nhợc điểm đó là sai số bám sát lớn khi mục tiêu cơ động. Để cải thiện HXĐTĐ này nhằm nâng cao độ chính xác bám sát trong trờng hợp mục tiêu cơ động, trong chơng 2 sẽ tiến hành xây dựng và phân tích kỹ hơn HXĐTĐ góc mục tiêu tối u. Ngoài việc xây dựng đợc thuật toán bám sát còn chỉ ra nguyên nhân tồn tại nhợc điểm của thuật toán này làm cơ sở cho việc tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu cơ động trong chơng 3. 2.1. Các giả thiết - HXĐTĐ góc mục tiêu thuộc thành phần của đầu tự dẫn vô tuyến tích cực đặt trên khoang TBB; - HXĐTĐ cự ly đã đợc tổng hợp và nó tạo ra đợc các tín hiệu đánh giá cự ly m D và tốc độ tiếp cận m D & ; - HXĐTĐ góc mục tiêu trong các mặt phẳng điều khiển không ảnh hởng lẫn nhau và hoàn toàn tơng tự nh nhau; - Phần tử nhạy xác định góc sử dụng thiết bị định hớng đơn xung với xử lý cộng - trừ tín hiệu [8], [44]; - Hàm truyền của hệ truyền động an ten và luật điều khiển đã biết; - Các bộ cảm biến gồm con quay đo góc và gia tốc kế đo gia tốc pháp tuyến của TBB T j . 2.2. Xây dựng mô hình không gian trạng thái cho hệ xác định toạ độ góc mục tiêu Mô hình không gian trạng thái của toạ độ góc đờng ngắm: )()( tt nn = & , 0 )0( nn = ; (2.16) )]()([ 1 )( 2 )( tjtj D t D D t Tm m n m m n += & & , 0 )0( nn = ; (2.17) )()()( ttjtj mm jmjm += & , 0 )0( mm jj = ; (2.18) Mô hình không gian trạng thái của gia tốc pháp tuyến TBB: )()( ttj T jT = & , 0 )0( TT jj = ; (2.19) Mô hình không gian trạng thái của toạ độ góc trục dọc TBB: )()( tt = & , 0 )0( = ; (2.26) 7 8 )()()( ttt += & , 0 )0( = ; (2.27) Mô hình không gian trạng thái của hệ truyền động an ten: )()( tt aa = & , 0 )0( aa = ; (2.29) )()()( 1 )( ttu T b t T t a aa ++= & , 0 )0( aa = ; (2.30) Các phơng trình đo: )()]()()([)( 1 ttttKtz zan += ; (2.32) )()()( 2 ttjKtz T jT zTj += ; (2.33) )()()( 3 ttKtz z += ; (2.34) )()()( 4 ttKtz a a za += ; (2.35) trong đó, 1 z , 2 z , 3 z , 4 z - Tín hiệu đầu ra của thiết bị định hớng đơn xung, gia tốc kế, con quay vị trí và bộ cảm biến góc của an ten; 2.3. Tổng hợp bộ lọc tối u bám sát mục tiêu cơ động 2.3.1. Thuật toán lọc Kalman * Đối với quá trình liên tục theo thời gian )()()()()()( ttutBtxtFtx x ++= & (2.36) )()()()( ttxtHtz z += (2.37) Thuật toán lọc Kalman nh sau [47]: ) ( xHzKBuxFx ++= & , 0 )0( xx = ; (2.38) 1 = z T GDHK ; (2.39) xz TT GHDGDHDFFDD ++= 1 & , 0 )0( DD = (2.40) Số lợng phơng trình vi phân cần giải trong thuật toán là: )1(5.0 ++= nnnn y ; (2.43) * Đối với các quá trình gián đoạn )1()1()1()1()1()( ++= kkukkxkkx x ; (2.46) )()()()( kkxkHkz z += ; (2.47) Thuật toán lọc Kalman [22], [43]: [] )( )()()()( )( kxkHkzkKkxkx += ; (2.48) )1()1()1( )1()( += kukkxkkx , 0 )0( xx = ; (2.49) )()()()( 1 kQkHkDkK z T = [ ] 1 )()()()()()( +ì= kQkHkDkHkHkD z TT ; (2.50) [ ] )()()()( kDkHkKEkD = ; (2.51) )1()1()1()1()( += kQkkDkkD x T , 0 )0( DD = ; (2.52) 2.3.2. Phân chia các bộ lọc Nếu HXĐTĐ góc mục tiêu đợc tổng hợp trên cơ sở các phơng trình trạng thái (2.16) - (2.18), (2.19), (2.26) - (2.27), (2.29) - (2.30) và các phơng trình quan sát (2.32) - (2.35) thì số phơng trình vi phân cần phải giải là 44 = y n ; Tách véc tơ trạng thái thành các nhóm véc tơ thành phần, nhận đợc: Các phơng trình sử dụng để tạo các đánh giá n , n , và m j : 0 0 0 )0()()()( )0()]( )([ 1 )( 2 )( )0()()( mdmdjmjm nnTm m n m m n nnnn jjttjtj tjtj D t D D t tt mm =+= =+= == & & & & ; (2.57) )()( )()( 1 11 ttKKKtztz zna +=++= ; (2.58) Các phơng trình sử dụng để tạo đánh giá T j : )()( ttj T jT = & , 0 )0( TT jj = ; (2.60) )()()( 2 ttjKtz T jT zTj += ; (2.61) Các phơng trình sử dụng để tạo các đánh giá và : 0 0 )0(),()()( )0(),()( =+= == ttt tt & & ; (2.62) )()()( 3 ttKtz z += ; (2.63) Các phơng trình sử dụng để tạo các đánh giá a và a : 0 0 )0(),()()( 1 )( )0(),()( aaaa aaaa ttu T b t T t tt a =++= = = & & ; (2.64) )()()( 4 ttKtz a a za += ; (2.65) Sau khi phân tách véc tơ, thì: 21= y n ; 9 10 2.3.3. Các thuật toán lọc. Bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm: áp dụng thuật toán lọc Kalman cho mô hình (2.57), (2.58) nhận đợc: zK nn += 1 & , 0 )0( nn = ; (2.76) zKjj DD D Tm m n m m n ++= 2 ) ( 1 2 & & , 0 )0( nn = ; (2.77) zKjj mjm m += 3 & , 0)0( = m j ; (2.78) ) ( 11 ann KzKzz == ; (2.79) z GKDK / 111 = ; z GKDK / 212 = ; z GKDK / 313 = ; (2.80) z GKDDD /2 22 112111 = & , 0.1111 )0( DD = ; z mm m G KDD D D D D D DD 2 1121 31212221 1 2 += & & , 0)0( 21 = D ; z m m m G KD D D D D D D 22 21 223222 4 2 = & & , 0.2222 )0( DD = ; z j G KDD DDD m 2 1131 313231 = & , 0)0( 31 =D ; (2.81) z j m m m G KDD D D D D D D m 2 2131 323332 2 1 += & & , 0)0( 32 = D ; m jm G G KD DD z j += 22 31 3333 2 & , 0.3333 )0( DD = . Tơng tự, thuật toán lọc Kalman đợc áp dụng cho các bộ lọc còn lại. 2.3.4. Các thuật toán lọc dạng rời rạc Để thuận tiện cho việc thực hiện thuật toán lọc bởi máy tính số trên khoang, cần biến đối mô hình không gian trạng thái về dạng rời rạc và sau đó thực hiện thuật toán lọc rời rạc. Các phơng pháp chuyển từ niềm thời gian liên tục sang rời rạc đợc chỉ ra trong [1], [14], [15]. 2.4. Sơ đồ cấu trúc của hệ xác định toạ độ góc mục tiêu tối u Từ thuật toán nhận đợc, có thể xây dựng đợc sơ đồ cấu trúc của HXĐTĐ góc mục tiêu. HXĐTĐ này bao gồm các bộ lọc đánh giá trạng thái, vòng điều khiển an ten. Kết luận chơng 2 1. Hệ bám tối u XĐTĐ góc mục tiêu cơ động đợc xây dựng từ các bộ lọc riêng rẽ và kết hợp với hệ thống điều khiển an ten tạo thành HXĐTĐ nhiều vòng bám. 2. Sự cơ động của mục tiêu ảnh hởng trực tiếp tới bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm. 3. Yếu tố cơ động của mục tiêu đợc tính tới trong HXĐTĐ nhờ mô hình gia tốc pháp tuyến của mục tiêu m j . Mô hình này đợc đặc trng bởi tần suất cơ động m j và cờng độ cơ động 2 m j . Với việc ứng dụng kỹ thuật lọc tối u, tham số m j và 2 m j chỉ đợc lựa chọn bằng hằng số, nên nó không đại diện cho mọi chuyển động cơ động của mục tiêu. Sai số bám sát sẽ tăng khi chuyển động thực tế của mục tiêu không phù hợp với mô hình giả thiết. 4. Để tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu với độ chính xác cao trong điều kiện mục tiêu cơ động chỉ cần cải thiện bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm, các bộ lọc khác đợc giữ nguyên. Chơng 3. Tổng hợp hệ bám thích nghi tự động xác định toạ độ góc mục tiêu cơ động Nhợc điểm của HXĐTĐ góc mục tiêu tối u là mô hình gia tốc pháp tuyến không đại diện cho mọi chuyển động cơ động của mục tiêu. Vì vậy, sai số đánh giá toạ độ góc mục tiêu sẽ tăng khi chuyển động thực tế của mục tiêu không phù hợp với mô hình gia tốc pháp tuyến giả định. Để khắc phục nhợc điểm này, trong chơng 3 sẽ ứng dụng và phát triển các thuật toán lọc thích nghi nhằm đáp ứng với sự cơ động của mục tiêu. Khi mục tiêu cơ động, động học của nó tác động trực tiếp tới bộ lọc đánh giá 11 12 toạ độ góc đờng ngắm, do đó vấn đề nâng cao độ chính xác đợc thực hiện khi sử dụng thuật toán thích nghi trong bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm. 3.1. Mô hình không gian trạng thái của toạ độ góc mục tiêu - a , a đợc đánh giá bởi bộ lọc riêng đã đợc tổng hợp; - , đánh giá bởi bộ lọc riêng đã đợc tổng hợp; - n , n không đợc đánh giá mà tiến hành đánh giá m và m . - Mô hình không gian trạng thái ban đầu m và m : )1()1()( += kkk mmm , 0 )0( mm = , )1()1()1()( += kkk m mmm , 0 )0( mm = , (3.1) )()]()([)( 1 kkkKkz zam += , (3.2) 3.2. Hệ xác định toạ độ góc mục tiêu có phát hiện cơ động trên cơ sở hiệu chỉnh hệ số khuếch đại theo tín hiệu sai lệch bám Biến đổi (3.2) để áp dụng đợc thuật toán lọc Kalman: )()()( )()( 11 kkKkKkzkz ma +=+= ; (3.7) áp dụng thuật toán lọc Kalman biến thể kiểu S [44], nhận đợc: [] > ++ = ,1,1 1, )1()1(2)1( )()( )( 22 2 2111 2 2 1 Skhi Skhi kDkDkDK kQkz kS (3.9) [] )( )( )()( 1 kkKkzkz am = (3.10) 1101122 2 2111 11 )0()],1()1(2)1([ )1()( DDkDkDkD kSkD =++ì ì= { } 0)0(,)]1()1([ )21()1()()( 212221 1221 =+ì ì== DkDkD kSkDkD m (3.11) {} 2202222 2 22 )0(,)]1()1([)1( )1()1,( DDkQkD kSkkD m m =+ì ì= )()1()( 11111 kDKKkD = ; )()()()( 112211221 kDKKkDkDkD == ; (3.12) )()()( 2122222 kDKKkDkD = ; 1 /)( 111 = QKkDK , 1 /)( 212 = QKkDK ; (3.13) )()( )( 1 kzKkk mm += ; 0 )0( mm = ; (3.14) )()( )( 2 kzKkk mm += ; 0 )0( mm = )1( )1( )( += kkk mmm ; )1( )1()( = kk mmm ; (3.15) 3.3. Hệ xác định toạ độ góc mục tiêu có phát hiện cơ động trên cơ sở nhận dạng tham số mô hình trạng thái Quá trình nhận dạng là tạo ra đánh giá ij của ij . Khi mục tiêu không cơ động, ij trùng với giá trị tiền nghiệm ij , bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm là bộ lọc Kalman thông thờng. Khi mục tiêu cơ động, ij khác ij , ij sẽ thay thế cho ij trong thuật toán lọc. 3.3.1. Quy tắc phát hiện thời điểm cơ động ijijij > , ij - Ngỡng (3.16) = = >= NN j i nijijij QI , 1 1 2 ) ( ij Q - Trọng số; n - Ngỡng. (3.17) 3.3.2. Thuật toán nhận dạng tham số mô hình trạng thái Quá trình: )1()1()1()( + = kkxkkx pppp (3.18) Véc tơ đánh giá: [ ] T pnpp kkkka )1(), ,1(),1()( 21 = (3.19) Quan sát: )()()()( kkakMkz pp += (3.21) Phơng trình trạng thái của a : )1()1()( += kkaka a (3.23) áp dụng thuật toán lọc Kalman cho quá trình (2.23) và quan sát (3.21) sẽ nhận đợc thuật toán nhận dạng ma trận . 3.3.3. Thuật toán đánh giá toạ độ góc đờng ngắm Thuật toán đánh giá m , m nh mục 3.2 với S =1; Vấn đề còn lại là tìm thuật toán nhận dạng . Véc tơ tham số của mô hình: [ ] )1()1()1()1()( 22211211 = kkkkka T ; (3.28) - Khi mục tiêu cơ động, quy luật thay đổi của )(ka có dạng: )1()1()( += kkaka a ; (3.29) 13 14 Phơng trình quan sát có dạng: [] )()()()( )( )( kkakMkkkx x T mm +== , (3.30) = )1( )1( 00 00)1( )1( )( kk kk kM mm mm , (3.31) [] T x kkk )1()1()( = ; áp dụng thuật toán nhận dạng tham số mô hình trạng thái, nhận đợc: 2121111111 )1( )( zKzKkk aa ++= , 1)0( 1111 == ; 2221211212 )1( )( zKzKkk aa ++= , == 1212 )0( ; 2321312121 )1( )( zKzKkk aa ++= , 0)0( 2121 == ; (3.35) 2421412222 )1( )( zKzKkk aa ++= , )1()0( 2222 cd == . )1( )1( )1( )1( )( 12111 = kkkkkz mmm ; (3.36) )1( )1( )1( )1( )( 22212 = kkkkkz mmm 3.4. Hệ xác định toạ độ góc mục tiêu có phát hiện cơ động trên cơ sở sử dụng hệ thích nghi mờ Phơng pháp nhận dạng (mục 3.3) gặp phải một số nhợc điểm: - Sự thay đổi của ma trận phụ thuộc vào việc áp đặt ma trận a D và a Q . Nói cách khác, ma trận khuếch đại a K trong thuật toán nhận dạng ma trận không tính tới sự cơ động nhanh hay chậm của mục tiêu. - Quá trình thích nghi ma trận không sử dụng thông tin tiền nghiệm về sự cơ động nhanh hay chậm của mục tiêu. Luận án đề xuất một thuật toán nhận dạng ma trận trên cơ sở N ma trận n ( Nn , ,2,1= ) biết trớc và đợc tạo ra từ hai lớp mô hình mục tiêu, mỗi n phù hợp với mức độ cơ động nào đó. Việc xác định mức độ ảnh hởng của từng mô hình ( n ) tới kết quả nhận dạng đợc thực hiện bởi bộ điều khiển lôgic mờ. Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm đợc chỉ ra trên Hình 3.4. Lớp 1 gồm 1 N mô hình với kích thớc bằng 2, các mô hình chỉ khác nhau bởi tham số cơ động n m . Lớp 2 gồm 12 NNN = mô hình với kích thớc bằng 3, các mô hình chỉ khác nhau bởi tham số cơ động n m . Bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm gồm hai khối: - Khối đánh giá toạ độ pha của đờng ngắm: Sử dụng bộ lọc Kalman. - Khối nhận dạng ma trận : Sử dụng bộ điều khiển logic mờ. Ma trận đợc xác định sao cho dự báo trạng thái do nó tạo ra bằng tổng trọng số các dự báo trạng thái đợc tạo ra bởi các mô hình giả thiết. = += +== += N Nn n m n N Nn n N n n m n N Nn n 1 11 1 2 2 1 1 1 1 1 )1(00 10 1 ; (3.48) Mô hình biểu diễn sự thay đổi của trọng số )(k n đợc lựa chọn: () = + + = N i ii nn n k k k 1 )1( )1( )( (3.49) Với nn K ì= , constK = , thì: K Kk k nn n + + = 1 )1( )( (3.50) Giữ chậm Tính Hệ mờ K K 1 n N Nhận dạng tham số )(kz )( kx )( kx H ình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm sử dụng hệ mờ 15 16 [...]... hơn Các đóng góp mới của luận án: Xuất phát từ mục đích nghiên cứu Tổng hợp hệ bám góc trong đài ra - Xây dựng đợc hệ xác định toạ độ góc mục tiêu cơ động trên cơ sở đa trên cơ sở ứng dụng các phơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại, luận án ứng dụng thuật toán lọc Kalman thích nghi nhận dạng tham số ma trận đã tập trung nghiên cứu xây dựng HXĐTĐ góc mục tiêu trong điều kiện chuyển trạng thái mục tiêu cơ. .. sử dụng hệ mờ ma trận chuyển trạng thái đợc thích nghi trên cơ sở các mô hình giả thiết, nhờ đó nó có khả năng nâng cao độ chính xác nhận dạng 4 Từ kết quả mô phỏng thấy rằng, độ chính xác XĐTĐ góc và tốc độ góc của HXĐTĐ góc mục tiêu trên cơ sở nhận dạng mô hình trạng thái và HXĐTĐ góc mục tiêu trên cơ sở hệ thích nghi mờ tơng đơng nhau, tuy nhiên trong giai đoạn đầu cơ động HXĐTĐ góc sử dụng hệ mờ... mục tiêu không phù hợp với mô hình giả thiết 3 HXĐTĐ góc mục tiêu trên cơ sở nhận dạng mô hình trạng thái và HXĐTĐ góc mục tiêu trên cơ sở hệ thích nghi mờ đã khắc phục đợc 3 HXĐTĐ góc mục tiêu có phát hiện cơ động trên cơ sở nhận dạng mô các nhợc điểm của HXĐTĐ góc mục tiêu tối u, đáp ứng đợc với sự hình trạng thái có độ chính xác đánh giá toạ độ cao hơn so với HXĐTĐ góc cơ động đa dạng của mục tiêu... thực tiễn đặt ra 2 Trong HXĐTĐ góc mục tiêu tối u nhiều vòng bám, yếu tố cơ động của mục tiêu đợc tính tới nhờ mô hình gia tốc pháp tuyến của mục tiêu j m Mô hình này đợc đặc trng bởi tần suất cơ động jm và cờng - Xây dựng đợc hệ xác định toạ độ góc mục tiêu cơ động trên cơ sở tổng hợp thuật toán lọc thích nghi bằng cách kết hợp bộ lọc Kalman với hệ logic mờ Kiến nghị Để có thể ứng dụng các kết quả... độ hợp lý của mỗi mô hình nhiên, nên để so sánh chỉ tiêu chất lợng của các thuật toán cần phải thực Kết luận chơng 3 hiện theo phơng pháp thử nghiệm Monte - Carlo Quá trình mô phỏng 1 Thuật toán lọc thích nghi có phát hiện cơ động trên cơ sở hiệu đợc thực hiện theo hai phơng án, đó là: chỉnh hệ số khuếch đại theo tín hiệu sai lệch bám do hệ số khuếch đại * Mô phỏng riêng bộ lọc đánh giá toạ độ góc. .. tiêu cơ động cho một hệ thống điển hình đó là HXĐTĐ góc mục tiêu trên TBB Từ kết quả nghiên cứu có thể rút ra kết luận sau: 1 HXĐTĐ góc mục tiêu một vòng bám đang sử dụng trong các TBB hiện nay mặc dù có cấu trúc đơn giản nhng độ chính xác không cao đặc biệt trong trờng hợp mục tiêu cơ động; Vì vậy vấn đề tổng hợp HXĐTĐ góc mục tiêu có độ chính xác cao trong điều kiện mục tiêu cơ động là nhu cầu cần... 0.9 0.002 Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, sai số đánh giá khi sử dụng hệ mờ thích nghi nhỏ ngay cả khi mục tiêu chuyển động với tốc độ góc thay đổi định phù hợp với tất cả các chuyển động thực tế của mục tiêu 4.1.3 Bộ lọc đánh giá toạ độ góc đờng ngắm có phát hiện cơ động trên cơ sở hiệu chỉnh hệ số khuếch đại theo tín hiệu sai lệch bám * m = 0,5 [1 / s ] , = 0,001 [rad / s ] m Hình 4.13.b Sai số... quả của luận án, các hệ thống đo lờng và điều khiển trên khoang thiết bị bay cần phải đợc thiết kế trên nền công nghệ số Các thuật toán thích nghi bám sát mục tiêu cơ động cũng có thể mở rộng cho các hệ thống bám sát sử dụng cho các đài ra điều khiển hoả lực đặt dới mặt đất độ cơ động 2m Tham số jm và 2m chỉ đợc lựa chọn bằng hằng số, j j nên nó không đại diện cho mọi chuyển động cơ động của mục... 0,0008 2 [(rad / s ) 2 ] thái cha sử dụng thông tin tiền nghiệm về mức độ cơ động khác nhau của mục tiêu nên độ chính xác nhận dạng đối với các trờng hợp cơ động khác nhau là khác nhau 3 Thuật toán lọc thích nghi có phát hiện cơ động trên cơ sở sử dụng hệ thích nghi mờ nhờ việc kiểm soát độ hợp lý của từng mô hình thành phần và tăng trọng số của mô hình hợp lý nhất trong mô hình nhận dạng 17 Hình 4.4... tối u xuất hiện sai số lớn cả theo góc lẫn tốc độ góc Sai số cực đại MSE ( m ) 8 ì 10 3 [(o / s ) 2 ] , MSE ( m ) 0,02[(o / s 2 ) 2 ] - HXĐTĐ góc mục tiêu trên cơ sở nhận dạng tham số mô hình trạng thái có sai số đánh giá nhỏ cả theo góc và tốc độ góc MSE ( m ) 0,5 ì 103[(o / s ) 2 ] , MSE (m ) 0,01[(o / s 2 ) 2 ] - HXĐTĐ góc mục tiêu trên cơ sở hệ thích nghi mờ độ chính xác đợc cải thiện theo . cơ động chính là do sai số của các hệ bám XĐTĐ mục tiêu. Vì vậy, đề tài Tổng hợp hệ bám góc trong đài ra đa trên cơ sở ứng dụng các phơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại nhằm xây dựng hệ bám góc. thuật Quân sự ******* Đoàn Thế Tuấn Tổng hợp hệ bám góc trong đi ra đa trên cơ sở ứng dụng các phơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số : 62 trong đài ra đa trên cơ sở ứng dụng các phơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại, luận án đã tập trung nghiên cứu xây dựng HXĐTĐ góc mục tiêu trong điều kiện mục tiêu cơ động cho một hệ thống điển