Оптимизация систем радиоавтоматики. Комплексные системы радиоавтоматики, страница 8

Реализация комплексных систем может выполняться двумя основными способами, различающимися степенью интеграции систем. Первый способ предполагает наличие комплексного фильтра, на входы которого поступают сигналы от независимых устройств измерения координат, а выходной сигнал  используется в системе управления. Сигналы комплексного фильтра не используются в измерительных устройствах для повышения качества их работы. Например, можно взять радиотехническую аппаратуру глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и автономную инерциальную навигационную систему (ИНС), вырабатывающую координаты  объекта путем двукратного интегрирования ускорения.  Затем координаты с выходов ГНСС –   и ИНС –  поступают в комплексный фильтр КФ, не имеющий обратных связей с измерительными устройствами (рис. 6.1, а).  Поэтому такая комплексная система называется системой со слабой интеграцией. Достоинствами этой системы являются простота алгоритмов и низкие требования к быстродействию вычислительных средств, используемых для реализации комплексного фильтра.

Второй способ предполагает построение комплексной системы с глубокой интеграцией, в которой дискриминаторы радиосигналов и автономные измерительные элементы объединены в одном устройстве, а сглаживающие фильтры следящих измерителей входят в состав комплексного фильтра. Например, при глубокой интеграции ГНСС и ИНС обработка радиосигналов  выполняется с помощью дискриминаторов, сигналы ошибки которых затем передаются в комплексный фильтр КФ, играющий роль многоканального сглаживающего фильтра следящих систем и объединяющий оптимальным образом радиотехнические и автономные  данные (рис. 6.1, б). Оптимальные оценки используются для управления модуляторами измеряемых параметров. Автономные измерения выполняются с помощью акселерометров и гироскопов. Акселерометры определяют вектор ускорения , а гироскопы – вектор углового положения . В настоящее время разработаны миниатюрные кремниевые акселерометры и лазерные устройства измерения угловых скоростей, позволяющие реализовать комплексную систему в виде компактного устройства. Ошибки автономных измерителей корректируются оптимальным образом с помощью данных ГНСС. Проектирование подобных систем выполняется  методами теории нелинейной фильтрации. Преимущество глубокой интеграции заключается в достижении потенциальной точности измерений. Однако алгоритм комплексной обработки в этом случае получается сложным, и для реализации системы с глубокой интеграцией требуются вычислительные средства с высоким быстродействием, так как необходимо производить поиск и обработку широкополосных радиосигналов. 

6.2. Комплексирование на основе принципа инвариантности

Рассмотрим алгоритмы объединения данных различных измерителей,использующие принцип инвариантности. Для объяснения этого принципа используем частотные методы. При объединении двух измерительных устройств можно применить принцип компенсации.

Сигналы двух измерителей  и  содержат измеряемый параметр  и помехи  и , соответственно (рис. 6.2). С помощью вычитающего устройства формируется разность сигналов , которая не содержит измеряемого параметра . Разностный сигнал поступает на фильтр с ПФ , оптимальным образом выделяющий оценку помехи . Затем выполняется компенсация этой помехи в сигнале . Так как параметр  не поступает в фильтр, ошибка схемы компенсации не зависит от изменений полезного параметра.

ПФ фильтра определяется только свойствами помех. Ошибка в схеме компенсации  определяется разностью .

Выполнив преобразование Лапласа, получим значение ошибки:

.                              (6.1)

Из выражения (6.1) следует, что помеха  проходит через фильтр с ПФ , а помеха  – через фильтр с ПФ . Чтобы ошибка компенсации была малой, спектры помех  и  должны быть  различными. Рассмотрим задачу комплексирования автономного и радиотехнического измерителей. Если сигнал   формируется автономным измерителем, СПМ его ошибки  сосредоточен в области низких частот, и фильтр  является фильтром нижних частот. Этот спектр существенно ослабляется фильтром верхних частот с  ПФ  (рис.6.3, а). Сигнал  радиотехнического измерителя имеет широкополосный СПМ ошибки  (рис.6.3, б), малая часть которой проходит через фильтр нижних частот .