Введение к работе
Актуальность проблемы. Перспективы внедрения новых высокоточных радионавигационных систем с учетом их эксплуатации в условиях действия помех и возможных отказов аппаратуры, а также расширения возможностей существующих радиосистем, имеющих невысокую измерительную точность, связаны с применением интегрированных и комплексных систем, объединяющих данные различных навигационных датчиков. Ни один из существующих навигационных измерителей в отдельности не может полностью решить задачи обеспечения необходимой точности, помехозащищенности, отказоустойчивости и целостности (достоверности) измеряемых параметров. Под целостностью комплекса понимают малую вероятность обработки ложных сигналов, способность обнаружения скрытых отказов систем управления и аппаратных нарушений.
Все датчики, входящие в интегрированную систему, работают независимо друг от друга и могут быть описаны своими математическими моделями нарушений и отказов. При этом под отказом понимаются такие состояния навигационного датчика, при которых использование параметров, измеренных этим датчиком, ухудшает точность определения вектора состояния до значения, превышающего заданный предельный уровень. В этих условиях модели динамики и измерений могут быть заданы случайными процессами с изменяющимися параметрами.
Применение классических алгоритмов многоканальной фильтрации, например, калмановского, в этих ситуациях оказывается неэффективным, поскольку изменения динамики или условий наблюдений (аномальные измерения, маневрирование, сигналоподобные помехи и т.п.) приводят к расходимости оценок параметров траектории вектора состояния и их истинных значений. В связи с этим задача разработки алгоритмов комплексной обра-
ботки данных с учетом возможных отказов является актуальной на современном этапе развития радиолокационных и навигационных систем, который характеризуется ужесточением требований к точности и надежности определения радионавигационных параметров.
Существующие комплексные и интегрированные системы учитывают только аппаратурные отказы, выявляемые системами встроенного и выносного контроля. При обнаружении такого типа отказа отдельный измеритель отключается от комплексного фильтра. Поэтому при разработке алгоритмов отказоустойчивой обработки навигационных данных для реальных условий работы комплексных систем особое внимание должно быть уделено учету и компенсации различных нарушений и отказов в каналах измерения и передачи данных, не регистрируемых штатными системами встроенного и выносного контроля.
Цель работы - разработка математических моделей изменения динамики и условий наблюдений динамических систем; синтез на их основе экономичных в вычислительном отношении рекуррентых алгоритмов вторичной обработки измерений в многоканальных и комплексных системах, обеспечивающих эффективное оценивание параметров динамической системы; выработка рекомендаций по пракгаческому использованию комплексных алгоритмов отказоустойчивой обработки данных в прикладных задачах.
Основные задачи исследования:
-
Разработка моделей изменения динамики и условий наблюдения динамических систем в виде аддитивных коррелированных добавок в уравнениях состояния и наблюдений.
-
Разработка и исследование многоканальных фильтров, устойчивых к информационным отказам, вызванным несоответствием математической модели изменениям динамики и условиям наблюдений.
-
Оценка точностных характеристик разработанных алгоритмов с учетом вычислительных затрат на их реализацию.
-
Разработка рекуррентых алгоритмов совместного обнаружения и оценивания изменений в системах с комплексированием на основе статистических характеристик "обновляющего процесса" калмановского фильтра.
Методы исследования основываются на результатах теории фильтрации, теории марковских процессов, методах статистического моделирования.
Новые научные результаты.
-
Предложены аддитивно-марковские модели отказов, в которых изменения динамики и условий наблюдения представляются в виде аддитивных коррелированных добавок в уравнениях состояния и наблюдений динамической системы. Показано, что предложенные аддитивные гауссовско-марковские модели позволяют описать разладку всех основных параметров динамической системы (вектора состояния, вектора наблюдений, матрицы перехода, матрицы наблюдений), что придает разработанным моделям обобщенный характер.
-
Для решения задачи обнаружения-оценивания отказов проведен анализ статистических характеристик "обновляющего процесса" калмановского фильтра для нелинейных систем с гауссовско-марковской моделью разладки, получены явные аналитические выражения для "обновляющего процесса" после разладки.
-
Разработан адаптивный алгоритм обнаружения-оценивания для комплексных систем с компенсацией случайных ошибок смещения, вызванных изменением параметров входных воздействий.
-
Разработаны многоканальные отказоустойчивые алгоритмы оценивания изменений параметров случайных процессов, описывающих динами-
ческую систему, при условии, что после возникновения разладки параметр, претерпевающий изменения, не остается постоянным, а является случайной функцией времени, задаваемой гауссовской марковской последовательностью.
Практическая ценность. Проведенное исследование может быть положено в основу опытно-конструкторских разработок алгоритмов вторичной обработки данных систем определения взаимных координат, использовано при создании систем диагностики поверхностей движущимися объектами, при разработке алгоритмов обработки сигналов биомедицинского происхождения и в ряде других областей техники, использующих интегрированные и многодагчиковые системы.
Основные научные положення, выносимые на защиту:
-
Обобщенная аддитивная модель разладки наблюдаемого случайного процесса позволяет описать скачкообразные и медленноменяющиеся нарушения и отказы в динамических системах.
-
Компенсационный алгоритм адаптивной фильтрации в системах с ком-плексированием инвариантен к изменениям параметров входных воздействий. Алгоритм разработан на основе применения метода обобщенного отношения правдоподобия к "обновляющему процессу" калмановского фильтра для марковской модели разладки.
-
Прикладные алгоритмы многоканальной обработки информации в радионавигационной системе определения взаимных координат, путеизмери-
. тельной интегрированной системе, комплексной системе бортового навигационного оборудования обеспечивают требуемую для эксплуатации точность местоопределения и ориентации, а также устойчивость к отказам в каналах измерений.
Практическая реализация результатов. Результаты работы были реализованы при разработке алгоритмов вторичной фильтрации данных для модификаций аппаратуры A-3I2 и А-315 во Всероссийском НИИ радиоаппаратуры (ВНИИРА) по заказу АНПК "ОКБ им. П.О.Сухого".
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 50 НТК НТО им.А.С.Попова С-Петербург, 1995; П НТК "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии", С-Петербург, 1995; IV МНТК "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах", Вологда, 1994; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ 1992-1998 г.г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных трудов; из них: 6 статей и тезисы 3 докладов на НТК.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 169 страницах машинописного текста Работа содержит 42 рисунка, 3 таблицы.
