Содержание к диссертации
Введение 5
1. Адаптация линейных дискретных следящих систем к
неизвестной дисперсии шума, формирующего динамическое
воздействие 12
Постановка задачи 12
Адаптация следящих систем методом прямой оценки дисперсии формирующего воздействие шума 14
Описание динамического воздействия 14
Метод адаптации и описание адаптивной системы 16
1.3. Адаптивная следящая система первого порядка 20
Описание системы 20
Оценка сходимости процесса адаптации 22
Показатели качества алгоритма адаптации и их сравнение с показателями других алгоритмов 26
1.4. Адаптивная следящая система второго порядка 30
Описание системы 30
Оценка сходимости и показатели качества процесса адаптации 33
1.5. Адаптивная следящая система третьего порядка 38
Описание системы 38
Оценка сходимости и показатели качества процесса адаптации 42
1.6. Выводы по первой главе 47
2. Адаптация линейных дискретных следящих систем к
неизвестной интенсивности процесса, формирующего
динамическое воздействие 49
2.1. Построение адаптивной системы , 49
Постановка задачи 49
Описание априорно неопределенного динамического воздействия 49
Базовая система 52
Метод адаптации и математическое описание адаптивной системы 54
2.2. Адаптивная следящая система первого порядка 56
Описание системы 56
Оценка сходимости процесса адаптации в среднем 61
Показатели качества процесса адаптации 66
Оценка эффективности модели динамического воздействия и метода адаптации 72
2.3. Адаптивная следящая система второго порядка 74
Описание системы 74
Оценка сходимости процесса адаптации в среднем 79
Показатели качества процесса адаптации 83
2.4. Адаптивная следящая система третьего порядка 87
Описание системы 87
Оценка сходимости процесса адаптации в среднем.... 92
Показатели качества процесса адаптации 96
2.5. Выводы по второй главе 99
3, Адаптивная цифровая система фазовой автоподстройки 102
Постановка задачи 102
Описание адаптивной системы 103
Базовая система ФАЛ 103
Функциональная схема и математическое описание адаптивной системы 110
3.3. Анализ процесса адаптации 111
3.3.1. Показатели качества процесса адаптации 111
Моделирование адаптивной системы ЦФАП 112
Зависимости показателей процесса адаптации от условий работы и параметров системы 114
Оценка выигрыша в точности слежения и измерений 124
Адаптивная система ФАП с ар - фильтром 129
Описание системы 129
Показатели процесса адаптации 130
Оценка выигрыша в точности слежения и измерений... 133
3.6. Выводы по третьей главе 138
4. Адаптация цифровой системы ФАП к априорной
неопределенности динамического воздействия и уровня шума
на выходе дискриминатора 142
Постановка задача , 142
Описание адаптивной системы 142
Измеритель отношения сигнал/шум в дискриминаторе и его характеристики 144
Показатели процесса адаптации 147
Оценка эффективности адаптации к величине отношения сигнал/шум 157
4.6. Выводы по четвертой главе 158
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161
Список использованной литературы 167
Приложение 1 173
Приложение 2 175
Приложение 3 177
Введение к работе
Актуальность темы: Радиотехнические следящие системы, входящие в состав радиолокационных и радионавигационных приемников, работают в условиях априорной неопределенности динамического воздействия, которым является отслеживаемый параметр сигнала (фаза, частота, временное положение). Эта неопределенность в следящих системах радиолокационных приемников вызвана неопределенностью вида и характеристик маневра лоцируемого объекта, а в системах радионавигационных приемников неопределенностью характера движения объекта, на котором установлен приемник.
Навигационные и радиолокационные приемники работают также в условиях, когда соотношение сигнал/шум на их входе неизвестно и изменяется во времени. Это создает априорную неопределенность уровня шума на выходе дискриминатора, входящего в состав радиотехнических следящих систем.
Повысить в условиях априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора точность слежения, а также точность измерения с помощью указанных систем скорости, дальности, угловых координат, можно путем построения адаптивных следящих систем, приспосабливающихся к указанной априорной неопределенности. При построении адаптивных следящих систем часто полагают, что неопределенность динамического воздействия и шума на выходе дискриминатора носит параметрический характер и сводится к неопределенности некоторых параметров, описывающих их характеристики: дисперсии, ширины спектра, спектральной плотности на нулевой частоте и других. При этом адаптация следящих систем к неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора осуществляется путем оценивания тем или иным способом указанных параметров с последующим использованием полученной оценки для подстройки коэффициентов передачи следящей системы.
При построении радиотехнических следящих систем дискриминатор часто считается заданным и адаптации подлежит фильтровая часть. При работе на линейном участке характеристики дискриминатора задача построения фильтра следящих систем, адаптирующегося к априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора, может быть сведена к общей задаче адаптивной линейной фильтрации сообщений с неизвестными статистическими характеристиками при априорной неопределенности шума наблюдения. Она может решаться с использованием теории оптимальной фильтрации, входящей в статистическую теорию радиотехнических систем. В разработку этой теории и её применение к радиолокационным и радиолокационным системам большой вклад внесли Бакулева П.А., Казаринов Ю.М., Меркулов В.И., Сосулин Ю.Г., Тартаковский Г.Г., Тихонов В.И., Шинаков Ю.С, Ярлыков М.С. и другие [1, 2, 13, 44, 38, 49, 57, 42].
Задаче адаптивной фильтрации сообщений и построению адаптивных фильтров следящих систем посвящены многочисленные публикации. Среди них работы Статановича Р.Л., Кузьмина С.З., Первачева СВ., Перова А.И., Лайниотиса Д.Г., Ли Т.Т., Хайкина С. [45, 18, 26, 70, 71] и другие. Однако, в связи с повышением требований к точности адаптации, сокращению времени адаптации, сокращению объема вычислительных затрат и другим показателям адаптивных систем, задача разработки новых методов адаптации и более совершенных алгоритмов адаптации является актуальной.
Цель работы состоит в повышении точности работы радиотехнических следящих систем, входящих в состав радиолокационных и радионавигационных приемников, адаптирующихся к априорной неопределенности динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора.
Основными научными и практическими задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются;
1. Разработка новых методов и алгоритмов адаптации цифровых
радиотехнических следящих систем к априорной неопределенности
динамического воздействия и уровня шума на выходе дискриминатора;
2. Определение показателей качества разработанных алгоритмов
адаптации и их зависимости от условий работы и параметров адаптивных
систем.
Структура и краткое содержание работы. Диссертационная работа содержит введение» четыре главы, заключение, 3 приложения, список использованной литературы. Содержание работы распределено по отдельным разделам следующим образом.
В первой главе разрабатывается новый метод адаптации цифровых радиотехнических следящих систем, основанный на использовании известной и часто применяемой [1, 2 , 7, 8, 14, 18, 26, 29, 30, 31, 36] диффузионной математической модели априорно неопределенного динамического воздействия. Воздействие при этом рассматривается как процесс на выходе линейного формирующего фильтра при действии на его входе формирующего белого шума с неизвестной дисперсией. Параметром, описывающим априорную неопределенность динамического воздействия, является дисперсия формирующего шума. Разрабатываемый метод назван методом адаптации с прямым оцениванием дисперсии формирующего шума (ПОДФШ). Метод разрабатывается с использованием представления цифровых радиотехнических следящих систем в виде линейных дискретных следящих систем с одним периодом дискретизации. Такое представление правомерно при условии работы следящих систем на линейном участке характеристики дискриминатора, малой инерционности дискриминатора и малых ошибках квантования.
С использованием предложенного метода адаптации (метода ПОДФШ) разрабатывают алгоритмы адаптации дискретных следящих систем первого, второго и третьего порядков. Исследуются свойства указанных алгоритмов и их показатели качества. В качестве показателей качества рассматриваются
точность и время адаптации. Определяется зависимость этих показателей качества от условий работы и параметров рассматриваемых систем. Проводится сравнение показателей качества процесса адаптации при использовании предложенного метода ПОДФШ и других методов адаптации, известных из литературы.
Во второй главе рассматривается новая математическая модель априорно неопределенного динамического воздействия на радиотехнические следящие системы, отличная от описанной в главе 1. В соответствии с ней динамическое воздействие рассматривается как процесс на выходе линейного формирующего фильтра, состоящего из п интеграторов, на вход которого поступает кусочно-постоянный во времени формирующий процесс с неизвестными уровнями ступенек. Устанавливается связь структуры указанного фильтра, а также физического содержания и параметров формирующего процесса с используемой моделью изменения второй производной расстояния (ускорения) между источником сигнала и приемником, а также с видом следящей системы.
На основе предложенной модели априорно неопределенного динамического воздействия разрабатывается метод адаптации, названный методом адаптации с прямым оцениванием интенсивности формирующего процесса (ПОИФП). С использованием этого метода разрабатываются алгоритмы адаптации дискретных следящих систем первого, второго и третьего порядков. Исследуются свойства и показатели качества указанных алгоритмов.
В третьей главе с использованием материалов, изложенных в главе 2, разрабатываются алгоритмы адаптации цифровых систем фазовой автоподстройки к априорной неопределенности динамики фазы входного сигнала. В качестве базовой системы рассматривается система ФАП [4, 5, 28] с цифровым синтезатором отчетов и накопителями в составе цифрового дискриминатора. Адаптация осуществляется методом ПОИФП. В соответствии с рассматриваемыми моделями ускорения разрабатываются
10 адаптивные цифровые системы ФАП второго и третьего порядков (системы с ар - фильтром и ару - фильтром соответственно).
При разработке алгоритмов адаптации системы ЦФАП к априорной неопределенности динамики фазы входного сигнала учитывается недостаточно изученное в литературе влияние ограниченности апертуры дискриминационной характеристики дискриминатора на процесс адаптации.
Исследуются свойства и показатели качества процесса адаптации. Даются количественные оценки точности и времени адаптации, диапазона изменения регулируемых коэффициентов передачи, вероятности срыва слежения в процессе адаптации в рассматриваемых системах. Проводится сравнение показателей процесса адаптации в системах с офу и ар - фильтрами при трапециедальной форме ускорения.
Оценивается выигрыш в точности оценивания фазы и доплеровской частоты в адаптивных системах ФАП по сравнению с неадаптивными системами.
В четвертой главе рассматривается построение адаптивных цифровых систем ФАП, адаптирующихся к априорной неопределенности динамики фазы входного сигнала и уровня шума на выходе дискриминатора.
Разрабатывается метод и алгоритмы адаптации цифровых систем ФАП, адаптирующихся как к априорной неопределенности изменения фазы входного сигнала, так и к неопределенности уровня шума на выходе дискриминатора.
Разрабатываемая система строится на основе рассмотренной в главе 3 цифровой системы ФАП, адаптирующейся к неопределенности поведения фазы входного сигнала, путем дополнения её каналом оценивания дисперсии шума на выходе дискриминатора с последующим использованием полученной оценки для изменения коэффициентов передачи системы. Оценка дисперсии шума на выходе дискриминатора получается преобразованием оценки отношения сигнал/шум в полосе УПЧ, которая формируется в разработанном измерителе этого отношения.
Исследуют характеристики измерителя отношения сигнал/шум и их влияние на точность оценивания интенсивности процесса, формирующего фазу входного сигнала.
Путем моделирования изучается поведение системы ЦФАП, адаптирующейся как к априорной неопределенности изменения фазы входного сигнала, так и к неопределенности уровня шума на выходе дискриминатора.
В заключении приведены основные научные и практические результаты работы.
В приложении 1 приведены описания моделей адаптивных дискретных радиотехнических следящих систем, адаптивных систем ЦФАП, адаптирующихся к априорной неопределенности изменения фазы входного сигнала и адаптивных систем ЦФАП, адаптирующихся как к априорной неопределенности изменения фазы входного сигнала, так и к неопределенности уровня шума на выходе дискриминатора.
В приложениях 2 и 3 приведены выводы соотношений для дисперсий некоторых случайных процессов, анализируемых в главах 1 и 2.
