Метод многоальтернативной фильтрации эхосигнала при оценивании скорости в доплеровском лаге

Актуальность темы

диссертации. На сегодняшний день возрастают требования к технико-эксплуатационным характеристикам доплеровских измерителей скорости морских объектов, информация от которых совместно с данными от приборов курсоуказания позволяет вести непрерывное автономное счисление, а также используется для коррекции других технических средств навигации (например, демпфирование ИНС) и для автоматического управления движением. Основными из этих требований являются точность оценивания скорости и быстродействие при выработке оценок. При этом оценка должна вычисляться с учетом изменения скорости объекта, вызванного внешними возмущениями и возможным маневрированием объекта.

В настоящее время в доплеровских измерителях скорости движения объекта применяются алгоритмы, основанные на преобразовании Фурье реализации эхосигнала, с достаточной адекватностью аппроксимируемого узкополосным случайным процессом, свойства которого определяются неоднородностью отражающей поверхности, конечной шириной диаграммы направленности, условиями распространения, шумом приемника и т. п. Фундаментальные исследования, касающиеся механизма возникновения, структуры и свойств эхосигнала в доплеровском лаге, изложены в работах Б.А. Осюхи-на, А. А. Хребтова, К. А. Виноградова, В. Н. Кошкарёва, В. И. Бородина, В. В. Ольшевского, Г. В. Яковлева, Г. Е. Смирнова, Н. А. Толстяковой [1,3, 14]. Важно отметить, что использование эмпирического спектра случайного отраженного сигнала требует осреднения и взвешивания периодограмм. Выполнение этих операций требует значительного времени, что приводит к задержке в определении скорости движения объекта.

Оказывается возможным при аппроксимации спектральной плотности эхосигнала использовать ее дробно-рациональное представление, открывающее возможность описания эхосигнала в форме пространства состояний, а, следовательно, удается привлечь аппарат оптимального оценивания параметров аппроксимирующей модели для оценивания информативного параметра — доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала.

Настоящая работа направлена на оптимизацию алгоритма оценивания доплеровского сдвига частоты эхосигнала путем решения задачи идентификации параметра отраженного сигнала, отвечающего за центральную частоту спектра. В качестве метода предложено многоальтернативное решение на основе банка фильтров Калмана. Такое решение направлено на минимизацию дисперсии ошибки оценки параметра модели. Подробно многоальтернативный подход применительно к ряду нелинейных навигационных задач изложен в работах С. П. Дмитриева, О. А. Степанова, А. Е. Пелевина, А. К. Розова [39, 41 — 47]. За счет использования предлагаемого метода время решения задачи выработки скорости движения морского подвижного объекта сокращается до 2н-5 с (вместо обычно используемых 30 + 60 с), что особенно актуально для маневренных объектов, например, для глубоководных подводных аппаратов. Следует отметить, что задача оценивания скорости решается в условиях наличия на входе приемника эхосигнала, принимаемого на фоне шума приемника в общем случае с неизвестным, но большим или равным 1 соотношением сигнал/шум, т. е. предполагается выявление отражающего слоя, найденного в результате решения не рассматриваемой в данной работе задачи обнаружения сигнала.

Все вышесказанное определяет актуальность и важность разработки на основе аппарата оптимальной нелинейной фильтрации более совершенного алгоритма решения задачи оценивания доплеровского сдвига частоты эхо-сигнала и обоснования его применимости путем исследования чувствительности алгоритма к неопределенности знания модели эхосигнала.

Цель работы — на основе методов теории нелинейной фильтрации разработать для доплеровского лага морского объекта алгоритм, обладающий повышенными показателями по точности и быстродействию выработки скорости.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

— приведено обоснование возможности использования стохастического описания эхосигнала в виде узкополосного случайного процесса.

— проанализированы существующие методы оценивания скорости объекта.

— постановлена задача оценивания параметра модели эхосигнала, отвечающего за центральную частоту спектра случайного процесса.

— выполнен сравнительный анализ результата решения задачи банком стационарных фильтров Винера и банком нестационарных фильтров Калмана.

— исследована точность многоальтернативного алгоритма, основанного на банке фильтров Калмана и известных методов оценивания скорости.

— исследована чувствительность многоальтернативного алгоритма к неопределенности параметров и структуры аппроксимирующей модели.

— метод многоальтернативной фильтрации эхосигнала апробирован в опытном образце гидроакустического доплеровского лага.

— подтверждена эффективность предложенного алгоритма оптимального оценивания скорости движения объекта путем моделирования и в условиях натурных испытаний гидроакустического лага.

Методы исследований. В работе использовался аппарат теории вероятности и математической статистики, теории линейной и нелинейной оптимальной фильтрации, матричной алгебры, а также методы математического моделирования и обработки экспериментальных данных, проведение натурного эксперимента.

Научная новизна Для решения задачи оценивания скорости в доплеровском лаге в диссертации предложено использование метода многоальтернативной фильтрации эхосигнала, основанного на дробно-рациональной аппроксимации спектральной плотности узкополосного эхо сигнала, с оценкой параметра модели, отвечающего за центральную частоту спектра.

Выполнено сопоставление многоальтернативных фильтров Винера и Калмана при оценке параметров модели сигнала. Выявлена нецелесообразность использования банка стационарных фильтров Винера из-за его неработоспособности в условиях работы доплеровского лага при малых глубинах под килем, т. е. при приеме коротких реализаций эхосигнала.

Детально проанализирован традиционно используемый в современных доплеровских измерителях скорости «частотный» поход, основанный на определении эмпирической оценки спектральной плотности эхосигнала. Выявлены значительные ошибки оценивания скорости связанные с несостоятельностью эмпирической оценки спектральной плотности' эхосигнала.

Путем математического моделирования с использованием метода Монте-Карло получены’значения погрешностей при оценивании скорости методами' максимума функции правдоподобия и многоальтернативной, фильтрации: Сделан вывод о более высокой точности и быстродействии метода многоальтернативной фильтрации.

Проведен анализ чувствительности предложенного подхода к неопределенности типа и параметров принятой модели. Подтверждена малая чувствительность алгоритма многоальтернативной фильтрации.

Практическая ценность.

В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие практическую ценность:

Разработанный алгоритм оценки параметра модели эхосигнала, отвечающего за скорость объекта, позволяет решать задачу оценивания в реальном времени.

Метод много альтернативной фильтрации эхосигнала использован в опытном образце доплеровского лага. Эффективность метода подтверждена при проведении натурных испытаний в акватории Ладожского озеpa, а также в период опытной эксплуатации на глубоководном аппарате в Баренцевом море. Среднее значение ошибки продольной составляющей скорости объекта за 512 с не превысило 0.025 узла на пяти пробегах.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на XIV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, 2007 г.- на IX, X и XI конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», 2007, 2008, 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации имеется 8 опубликованных работ, из них, 1 статья и 3 реферата докладов в научно-техническом журнале, рекомендуемом ВАК, 3 доклада в сборниках материалов докладов, проводимых в-Санкт-Петербурге конференций молодых ученых «Навигация и управление движением» и 1 реферат доклада в сборнике трудов XVI международного научно-технического семинара 2007 в г. Алушта.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка-использованных источников, содержащего 64 наименования. Объем работы составляет 107 страниц, включая 47 рисунков, 4 таблицы и 2 приложения.

Основные результаты четвертой главы.

1. Рассмотрена особенность режима запуска алгоритма МАФ в условиях априорно неизвестной начальной скорости объекта.

2. Проанализирована работоспособность алгоритма в случае ступенчатого изменения «истинной» скорости за время решения задачи.

3. Приведены результаты натурных испытаний опытного образца ГАЛ с МАФ в акваториях Ладожского озера и Баренцевого моря, подтверждающие непревышение СКП (0.03уз) выработки осредненных значений скорости и невысокий уровень флюктуаций оценки скорости ГАЛ по отношению к осредненному значению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате диссертационных исследований:

1. Проведен детальный анализ существующих подходов оценивания скорости объекта в гидроакустических и радиолокационных доплеровских лагах, приведены основные особенности и недостатки известных методов.

2. Предложено описание модели эхосигнала в виде дробно-рациональной спектральной плотности, параметры которой зависят от скорости объекта.

3. На основе теории нелинейной фильтрации сформулирована задача оценивания параметра модели, «отвечающего» за значение скорости объекта.

4. Предложен вариант решения задачи многоальтернативной фильтрации в виде банка фильтров Калмана. Показаны преимущества использования банка фильтров Калмана по сравнению с банком фильтров Винера, не учитывающего нестационарный характер режима работы при перезапуске на коротких интервалах приема эхосигнала.

5. Путем моделирования выявлена достаточно низкая чувствительность алгоритма многоальтернативной фильтрации к неточности знания структуры и неинформативных параметров модели эхосигнала.

6. С помощью метода Монте-Карло проведено сопоставление точности оценивания скорости при использовании многоальтернативного фильтра, метода максимального правдоподобия и метода поиска положения максимума спектральной плотности. Точность оценки при использовании многоальтернативного фильтра в 2 — 3 раза превышает точность оценок, полученных другими рассмотренными методами. При этом оценки скорости вырабатывались путем обработки эхосигнала длительностью 1 с.

7. Решены задачи практической реализации предлагаемого алгоритма. При этом результаты натурных испытаний опытного образца прибора, подтвердили высокую точность и быстродействие оценивания скорости методом многоальтернативной фильтрации.