книги / Радиолокационные измерители дальности и скорости. [Т.1]

доплеровскому смещению частоты. В этом случае дискриминатор ДР будет комплексным, обеспечивающим выдачу сигналов рассо­ гласования не только по задержке, но и по доплеровскому смеще­ нию частоты. Под ГОС тогда следует понимать исполнительные элементы устройства расстановки стробов и опорного генератора.

Если оценивание дальности, скорости и её производных вы­ полняется независимо на основе информации, извлекаемой только из радиосигналов, то говорят об автономных измерителях. Среди автономных измерителей различают одно- и двухдиапазонные из­ мерители дальности и скорости. В последних первичными источ­ никами 'информации являются, два радиосигнала, спектры кото­ рых достаточно далеко разнесены друг от друга.

Измерители дальности и скорости, в которых кроме радиосиг­ налов используются сигналы от датчиков другой физической при­ роды, называются комплексными. В качестве таких датчиков, формирующих корректирующие сигналы, используют чаще всего акселерометры и датчики воздушной скорости.

Если параметры дальномеров и измерителей скорости не из­ меняются во времени, то говорят о стационарных измерителях. Нестационарные измерители, параметры которых изменяются во времени, могут быть трёх типов. В одном из них параметры изме­ няются произвольно, вызывая изменение показателей эффектив­ ности следящей системы. К таким параметрам относятся, напри­ мер, коэффициенты передачи дискриминаторов, величины кото­ рых изменяются в зависимости от дальности до цели. В другом типе - параметры изменяются программно. Такое изменение па­ раметров имеет место в измерителях, функционирующих по алго­ ритмам калмановской фильтрации. В измерителях третьего типа, при изменении условий функционирования, целенаправленно (ав­ томатически) изменяются параметры следящих систем, обеспечи­ вая их приспособление к указанным изменениям. Измерители та­ кого типа называются адаптивными.

При таком способе построения аналоговыми элементами яв­ ляются лишь датчики параметров движения самолёта (ДКС) и приёмный тракт, которые заканчиваются блоками АЦП. Все сле­ дующие операции выполняются на алгоритмическом уровне в ППС и ЦВМ.

Особенности построения и функционирования рассмотренных выше разновидностей измерителей дальности и скорости будут рассмотрены в последующих главах книги.

3.1.3.О п т и м а л ь н о е о ц е н и в а н и е д а л ь н о с т и и р а д и а л ь н о й

СКОРОСТИ ПРИ ПОЛНОСТЬЮ ИЗВЕСТНОМ СИГНАЛЕ

Вгл. 1 отмечалось, что для синтеза следящих измерителей различного назначения широко используется теория оптимальной фильтрации. Там же приведены общие соотношения теории и обобщенные структурные схемы. В данном разделе иллюстрирует­ ся применение общих соотношений теории фильтрации к решению конкретных задач оценивания дальности и скорости на основе ин­ формации, извлекаемой из радиолокационных сигналов.

Рассмотрим задачу автономного оценивания дальности. Пусть на вход измерителя поступает аддитивная смесь сигнала и шума

где £и - белый гауссовский шум с нулевым математическим ожи­ данием и спектральной плотностью G„; 8 - сигнальная функция; X - информативный параметр сигнала, в качестве которого в задаче измерения дальности выступает задержка т3 = 2Д / с 0 принятого сигнала относительно зондирующего; р - вектор неинформативных параметров, т.е. тех параметров, которые не подлежат оценке в рассматриваемой задаче. Как отмечалось выше, в радиолокацион­ ных дальномерах используют импульсный сигнал. Поэтому опре­ делим сигнальную функцию в форме (3.1.3). Полагая частоту сиг­ нала OQ известной, из (3.1.3) следует, что неинформативными па­ раметрами сигнала являются амплитуда U0 и начальная фаза <р радиоимпульса.

Рассмотрим сначала задачу синтеза для полностью известного сигнала, когда амплитуда и фаза сигнала известны.

Прежде всего необходимо задать модель изменения информа­ тивного параметра та. В простейшем случае движения РЛС и на­ блюдаемого объекта на встречном или догонном курсах изменение

- векторный коэффициент усиления фильтра.

На обобщённой структурной схеме следящего измерителя (рис. 3.1.1) блок ГОС определён как «исполнительный элемент - генера­ тор опорного сигнала». В оптимальных системах фильтрации в

качестве такого опорного сигнала удобно понимать производную

А

от сигнальной функции s(t, X) по оцениваемому параметру А. (для дальномера А,=^т3), взятую в точке оценки А,. Следуя такой трак­ товке, для измерения дальности можно записать

;(t) = 3s(T3 t)/dT3.

В полученной структурной схеме измерителя дальности отсут­ ствует датчик корректирующих сигналов, что обусловлено отсут­ ствием дополнительных датчиков информации в постановке зада­ чи. Введем для примера один из возможных датчиков - датчик собственного радиального ускорения РЛС a ^ . Тогда уравнение для производной радиальной скорости в (3.1.8) принимает вид

(3.1.17)

где ац - ускорение цели вдоль линии визирования, для которого примем модель (3.1.9).

При такой модели движения объектов уравнения фильтра (3.1.15) в контуре следящего измерителя преобразуются к

X = Fx + Варлс + D(t)CuAT(t); В=[0 1]т. (3.1.18)

Второе слагаемое в правой части этого уравнения отражает вЬод информации от датчика компенсирующих сигналов в систе­ му, что и соответствует структурной схеме рис. 3.1.1.

Рассмотрим задачу автономного опенивания радиальной ско­ рости. Пусть на вход измерителя по-прежнему поступает аддитив­ ная смесь сигнала и шума (3.1.7), а в качестве зондирующего сиг­ нала используется импульсный сигнал. В целях обеспечения одно­ значного измерения доплеровской частоты будем полагать в соот­ ветствии с (3.1.6), что частота повторения импульсов достаточно высокая. Выделим в сигнальной функции (3.1.3) в явном виде до­

плеровское смещение частоты юд, а вместо UQ для удобства будем писать А (т.е. U0=A)

где COQ - несущая частота сигнала. Полагая параметры А, т, ©о, <р известными, определим в качестве информативного параметра X доплеровское смещение частоты, динамику изменения которого, в соответствии с (3.1.8), (3.1.9) и (3.1.17), определим соотношения­ ми

(1.5.2), получаем алгоритм работы оптимального измерителя ра­ диальной скорости

Из уравнения (3.1.21) следует, что процесс на выходе дискри­ минатора оптимального измерителя описывается выражением

фильтр в контуре следящего измерителя описывается уравнением

а в качестве датчика корректирующих сигналов используется дат­ чик собственного ускорения РЛС.

Как следует из приведенных соотношений, структура авто­ номного оптимального измерителя радиальной скорости соответст­ вует обобщенной схеме рис. 3.1.1. Изменилась лишь структура дискриминатора, генератора опорного сигнала и фильтра в конту­

ВЧПИ с постоянной, но случайной начальной фазой, и известной амплитудой. Тогда, используя общие уравнения (1.6.17), (1.6.18), получаем

где X(t,<Sfl) определяется уравнениями (3.1.28), (3.1.29).

Положим теперь, что амплитуда принимаемого сигнала также случайна и постоянна для всех импульсов принимаемого сигнала. В этом случае из (1.6.20) следует, что измеритель радиальной ско­ рости описывается уравнением (3.1.32), а уравнение оптимального дискриминатора имеет вид

Таким образом, из приведенных результатов синтеза опти­ мальных измерителей дальности и радиальной скорости в различ­ ных условиях следует, что приведенная на рис. 3.1.1 структурная схема измерителя универсальна. Поэтому, оставаясь в рамках данной структурной схемы, в последующих разделах данной гла­ вы будут более подробно рассмотрены ее отдельные блоки.

3.1.5.О п т и м а л ь н о е н е п р е р ы в н о -д и с к р е т н о е о ц е н и в а н и е

да л ь н о с т и и р а д и а л ь н о й с к о ро с т и

Характерной особенностью радиотехнических приложений, в том числе и радиолокационных, является наличие аналогового ра­ диосигнала, т.е. сигнала, формирующегося и принимаемого ан­ тенной системой непрерывно во времени. Импульсный характер сигнала не меняет его аналоговой сущности, а говорит лишь о том, что сигнальная функция f„(t) на одних интервалах времени отлична от нуля, а на других равна нулю. Измеряемые координа­ ты объекта: дальность и скорость сближения также непрерывно меняются во времени. Поэтому, если при синтезе оптимальной системы не делать никаких допущений, то синтезированная опти­ мальная система также является аналоговой и описывается соот­

ветствующими дифференциальными уравнениями, например (3.1.18). Однако, если потребителя интересуют оценки информа­ тивных параметров сигнала не в любой момент времени, а лишь в некоторые фиксированные дискретные моменты времени, то воз­ никает задача построения системы, обрабатывающей оптимальным образом аналоговый сигнал, но формирующей на выходе оценки информативных параметров лишь в дискретные моменты времени. По существу, в такой системе не нарушается оптимальная обра­ ботка сигнала, имеющая место в полностью аналоговой системе, но выходная информация (оценки информативных параметров) формируется и выдается не непрерывно, а лишь в дискретные мо­ менты времени. Такие алгоритмы обработки мы будем называть непрерывно-дискретными. Общие уравнения оптимальной непре­ рывно-дискретной фильтрации имеют вид (1.5.22)-(1.5.25). Кон­ кретизируем их применительно к измерителю дальности при пол­ ностью известном импульсном сигнале. Пусть tk - тактовые мо­ менты времени, такие, что tk-tk.1=T, где Т - тактовый период вы­ дачи информации потребителю. Используя векторное обозначение (3.1.10), (3.1.11) и (1.5.22), запишем:

где тэ - экстраполированная на следующий шаг вычислений за­ держка.

Уравнение для матрицы дисперсий ошибок фильтрации имеет вид (3.1.13), а матрицы F, G, С определяются формулами (3.1.11).

Из уравнения (3.1.35) видно, что в подынтегральное выраже­ ние входит соотношение (3.1.14), определяющее процесс u^S) на выходе оптимального аналогового дискриминатора. Поэтому урав­ нение (3.1.35) можно записать в эквивалентной форме