Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu xây dựng thuật toán nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu kênh cao cho m...

Tài liệu Nghiên cứu xây dựng thuật toán nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu kênh cao cho một lớp tên lửa hành trình đối hải trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại

.PDF
150
191
105

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM ĐỨC THỎA NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XỬ LÝ TÍN HIỆU KÊNH CAO CHO MỘT LỚP TÊN LỬA HÀNH TRÌNH ĐỐI HẢI TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Nguyễn Quang Vịnh 2. TS Nguyễn Xuân Căn HÀ NỘI - NĂM 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày 8 tháng 8 năm 2019 Người cam đoan NCS Phạm Đức Thỏa ii LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc Phòng. Lời cảm ơn chân thành đầu tiên tôi xin gửi đến hai thầy giáo: TS Nguyễn Quang Vịnh và TS Nguyễn Xuân Căn đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Thủ trưởng Phòng Đào tạo, Thủ trưởng Viện Tên lửa đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ và đạt kết quả mong muốn. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cán bộ nghiên cứu trong Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa Kỹ thuật Quân sự đã có những đóng góp quý giá trong quá trình nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết hơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè đồng nghiệp đã luôn quan tâm, cổ vũ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận án này. NCS Phạm Đức Thỏa iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CAO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH CAO CỦA TÊN LỬA HÀNH TRÌNH ................... 5 1.1. Tổng quan về các phương pháp đo cao.................................................. 5 1.1.1. Hệ thống đo cao không sử dụng sóng điện từ ..................................... 5 1.1.2. Hệ thống đo cao sử dụng sóng điện từ ................................................ 6 1.2. Tình hình nghiên cứu về xử lý kết hợp tín hiệu đo cao trên thiết bị bay8 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới...................................................... 8 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước........................................................ 9 1.3. Bài toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao trên tên lửa hành trình ............ 12 1.3.1. Các phương pháp xử lý kết hợp tín hiệu ........................................... 12 1.3.2. Các phương án kết hợp các bộ đo cao .............................................. 15 1.4. Ứng dụng thuật toán lọc Kalman và vấn đề lựa chọn cấu trúc trong tổ hợp đo cao ................................................................................................... 17 1.4.1. Thuật toán lọc Kalman xử lý kết hợp tín hiệu đo cao ....................... 17 1.4.2. Lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được ......................................................................................... 20 1.5. Tính không ổn định của thuật toán lọc Kalman và ứng dụng thuật toán tự tổ chức nâng cao chất lượng xử lý kết hợp tín hiệu đo cao .................... 21 1.5.1. Tính không ổn định của thuật toán lọc Kalman và phương pháp xây dựng mô hình ngoại suy .............................................................................. 21 1.5.2. Thuật toán tự tổ chức trong xử lý kết hợp tín hiệu đo cao ................ 23 1.6. Kết luận chương 1 ................................................................................ 30 iv CHƯƠNG 2. THUẬT TOÁN XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ ĐO CAO KẾT HỢP ..................................................................... 31 2.1. Sơ đồ cấu trúc hiệu chỉnh tham số trạng thái của kênh cao ................. 31 2.2. Xây dựng mô hình sai số tín hiệu đo cao của các bộ đo cao ............... 33 2.2.1. Mô hình động học sai số trên kênh cao của hệ thống dẫn đường quán tính ............................................................................................................... 34 2.2.2. Mô hình động học sai số đầu ra của bộ đo cao vô tuyến .................. 35 2.2.3. Mô hình động học sai số của bộ đo cao vi khí áp kế ........................ 37 2.3. Lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp trong tổ hợp đo cao ................... 40 2.4. Tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được cho các bộ đo cao kết hợp ..................................................................................................................... 42 2.4.1. Tính quan sát được và điều khiển được theo tiêu chuẩn Kalman ..... 42 2.4.2. Xây dựng tiêu chuẩn ĐMQSĐ trong bộ đo cao kết hợp quán tính-vô tuyến (QT-VT) ............................................................................................ 45 2.4.3. Xây dựng tiêu chuẩn ĐMQSĐ trong bộ đo cao kết hợp quán tính-khí áp ................................................................................................................. 51 2.4.4. Xây dựng tiêu chuẩn ĐMQSĐ trong bộ đo cao kết hợp quán tính-vô tuyến-khí áp (QT-VT-KA) .......................................................................... 53 2.5. Thuật toán lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp sử dụng tiêu chuẩn... 55 2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................ 58 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGOẠI SUY TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO CAO ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỰ TỔ CHỨC .................... 59 3.1. Các nguyên lý cơ bản khi thực thi thuật toán tự tổ chức ..................... 59 3.2. Cấu trúc của thuật toán tự tổ chức ....................................................... 62 3.2.1. Nhập dữ liệu cơ sở đầu vào ............................................................... 62 3.2.2. Tổ chức nâng cao chất lượng của mô hình ....................................... 64 3.2.3. Đánh giá lựa chọn các mô hình ......................................................... 67 3.2.4. Điều kiện kết thúc của thuật toán ...................................................... 70 3.3. Tổ hợp đo cao ứng dụng thuật toán tự tổ chức .................................... 72 v 3.4. Xây dựng mô hình ngoại suy sai số độ cao ứng dụng thuật toán TTC 74 3.4.1. Thu thập và xây dựng dữ liệu cơ sở đầu vào cho thuật toán TTC .... 74 3.4.2. Nâng cao chất lượng của mô hình bằng phương pháp tổ chức tổ hợp chọn lọc ....................................................................................................... 75 3.4.3. Kiểm tra điều kiện dừng của thuật toán ............................................ 87 3.5. Xây dựng mô hình ngoại suy sai số vận tốc và gia tốc ứng dụng thuật toán TTC ..................................................................................................... 88 3.5.1. Thu thập và xây dựng dữ liệu cơ sở đầu vào cho thuật toán TTC .... 88 3.5.2. Tổ chức nâng cao chất lượng của mô hình ....................................... 90 3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................ 94 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG XỬ LÝ TÍN HIỆU KÊNH CAO .................................................................................. 96 4.1. Thiết lập mô phỏng với các giả thiết, dữ liệu đầu vào của bài toán .... 96 4.1.1. Xây dựng chương trình mô phỏng .................................................... 96 4.1.2. Các giả định, dữ liệu cho mô phỏng ............................................... 100 4.2. Kết quả khảo sát thuật toán lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp...... 101 4.3. Ứng dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được nâng cao chất lượng xử lý kết hợp cho bộ đo cao QT-VT ......................................................... 105 4.4. Đánh giá chất lượng xử lý kết hợp tín hiệu đo cao ứng dụng thuật toán tự tổ chức ................................................................................................... 111 4.5. Kết quả khảo sát thuật toán tự tổ chức xây dựng và lựa chọn mô hình ngoại suy ................................................................................................... 114 4.6. Kết luận chương 4 .............................................................................. 117 KẾT LUẬN ................................................................................................... 119 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................................... 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 122 PHỤ LỤC ………………………………………………………………... P-1- vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT  ka  βvt   -  a g ka vt a g ka vt  c g g0 T T0 P P0 R Ra t3 VB DĐQT DGPS ĐCVT ĐCKA Hằng số tương quan sai số gia tốc kế, [1/s] Hằng số tương quan sai số áp suất, [1/s] Hằng số tương quan sai số hấp dẫn, [1/s] Hằng số tương quan độ dịch chuyển, [1/s] Góc xoắn hay còn gọi là góc cren, [rad] Gradient nhiệt độ, [0K/km] Góc chúc ngóc so với hệ tọa độ mặt đất, [rad] Khoảng tương quan sai số gia tốc kế, [s] Khoảng tương quan sai số hấp dẫn, [s] Khoảng tương quan sai số áp suất, [s] Khoảng tương quan độ dịch chuyển, [s] Sai lệch chuẩn sai số gia tốc kế, [m/s2] Sai lệch chuẩn sai số hấp dẫn, [m/s2] Sai lệch chuẩn sai số đo cao khí áp, [m] Sai lệch chuẩn độ dịch chuyển, [m] Góc hướng, [rad] Vận tốc lan truyền của sóng điện từ, [m/s] Gia tốc trọng trường theo độ cao, [m/s2] Gia tốc trọng trường tại mực nước biển trung bình, [m/s2] Chu kỳ rời rạc, [s] Nhiệt độ không khí tại mực nước biển trung bình, [0K] Áp suất tương ứng với độ cao của tên lửa, [Pa] Áp suất không khí tại mực nước biển trung bình, [Pa] Bán kính trái đất, [m] Hằng số khí, [J/kg.0K] Thời gian lan truyền của sóng điện từ, [s] Tốc độ thay đổi độ cao tên lửa, [m/s] - Dẫn đường quán tính - Phép đo GPS vi sai - Đo cao vô tuyến - Đo cao khí áp vii ĐCQT - ĐMQSĐ - ĐTTT - HC - HTDĐQT - KM - MTCD - MHNS - QT-KA - QT-VT - QT-VT-KA XLSB - THĐC - TL - TLHT - TTG - TTC - Đo cao quán tính Đánh giá mức độ quan sát được Điều tần tuyến tính Hệ thống dẫn đường Hệ thống dẫn đường quán tính Bộ lọc Kalman Máy tính chuyên dụng Mô hình ngoại suy Bộ đo cao kết hợp quán tính- khí áp Bộ đo cao kết hợp quán tính- vô tuyến Bộ đo cao kết hợp quán tính- vô tuyến- khí áp Xử lý sơ bộ Tổ hợp đo cao Tên lửa Tên lửa hành trình Thuật toán gen Tự tổ chức viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Kết quả xây dựng mô hình cho cấp độ tổ chức thứ nhất ............ 77 Bảng 3.2. Đánh giá các mô hình của cấp độ tổ chức thứ nhất .................... 80 Bảng 3.3. Kết quả xây dựng mô hình cho cấp độ tổ chức thứ hai .............. 83 Bảng 3.4. Kết quả đánh giá các mô hình của cấp độ tổ chức thứ hai ......... 85 Bảng 4.1. Đánh giá sai số độ cao của các bộ đo cao kết hợp ................... 104 Bảng 4.2. Đánh giá sai lệch vận tốc với T khác nhau ở trạng thái xác lập ................................................................................................................... 107 Bảng 4.3. Đánh giá sai lệch vận tốc, sai lệch gia tốc với vt khác nhau.... 110 Bảng 4.4. Bảng giá trị đánh giá sai số vận tốc .......................................... 112 Bảng 4.5. Bảng giá trị đánh giá sai số gia tốc ........................................... 113 Bảng 4.6. Bảng giá trị đánh giá sai số độ cao ........................................... 113 Bảng 4.7. Đánh giá sai số độ cao của các bộ đo cao kết hợp ................... 116 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ mô tả xử lý kết hợp tín hiệu bằng phương pháp bù .......... 12 Hình 1.2. Biểu diễn phương sai của từng thành phần sai số ....................... 14 Hình 1.3. Sơ đồ xử lý tín hiệu bằng phương pháp hiệu chỉnh .................... 15 Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc hở của bộ đo cao kết hợp .................................... 16 Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc kín của bộ đo cao kết hợp ................................... 17 Hình 1.6. Lưu đồ thuật toán của bộ lọc Kalman rời rạc ............................. 19 Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc Kalman rời rạc ................................... 20 Hình 1.8. Tổng quan về xây dựng mô hình ngoại suy ................................ 22 Hình 1.9. Sơ đồ xây dựng mô hình ngoại suy sai số sử dụng thuật toán TTC ..................................................................................................................... 24 Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc bộ ĐCQT sử dụng các hồi tiếp để hiệu chỉnh sai số tích lũy ......................................................................................................... 32 Hình 2.2. Sự phụ thuộc áp suất vào độ cao ................................................. 38 Hình 2.3. Chênh lệch độ cao giữa áp suất bề mặt và áp suất mực nước biển trung bình .................................................................................................... 38 Hình 2.4. Sơ đồ tổ hợp đo cao lựa chọn cấu trúc sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được các biến trạng thái . ................................................. 41 Hình 3.1. Dạng đồ thị giả định xu hướng thay đổi của tập dữ liệu............. 63 Hình 3.2. Phân chia dữ liệu mẫu để xây dựng và đánh giá mô hình .......... 64 Hình 3.3. Phương pháp đánh giá mô hình theo tiêu chuẩn cực tiểu độ chệch ..................................................................................................................... 68 Hình 3.4. Mô tả đánh giá mô hình khi chỉ sử dụng tiêu chuẩn cực tiểu độ chệch thuật toán TTC .................................................................................. 68 Hình 3.5. Phương pháp đánh giá mô hình theo tiêu chuẩn đồng đều ......... 69 Hình 3.6. Mô tả đánh giá mô hình khi chỉ sử dụng tiêu chuẩn đồng đều thuật toán TTC ..................................................................................................... 69 Hình 3.7. Phương pháp đánh giá lựa chọn mô hình theo cấp độ tổ chức ... 71 x Hình 3.8. Lưu đồ thuật toán TTC xử lý tín hiệu ......................................... 72 Hình 3.10. Cấp độ tổ chức của mô hình theo phương pháp ....................... 87 tổ chức tổ hợp chọn lọc ............................................................................... 87 Hình 3.11. Cấp độ tổ chức của mô hình theo.............................................. 94 phương pháp tổ chức lặp đa dãy ................................................................. 94 Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán nâng cao chất lượng xử lý kết hợp tín hiệu đo cao ứng dụng tiêu chuẩn MQSĐ và thuật toán TTC .................................. 99 Hình 4.2. Mức độ quan sát sai số vận tốc của các bộ đo cao kết hợp....... 102 Hình 4.3. Sai số độ cao sử dụng bộ lọc Kalman của các bộ đo cao kết hợp ................................................................................................................... 102 Hình 4.4. Mức độ quan sát sai số vận tốc của các bộ đo cao kết hợp. ..... 103 Hình 4.5. Sai số độ cao sử dụng bộ lọc Kalman của các bộ đo cao kết hợp. ................................................................................................................... 103 Hình 4.6. Mức độ quan sát sai số vận tốc tại chu kỳ ................................ 106 Hình 4.7. Sai số vận tốc sử dụng bộ lọc Kalman tại các T khác nhau ..... 107 Hình 4.8. Mức độ quan sát sai số vận tốc khi  vt thay đổi ....................... 108 Hình 4.9. Sai số vận tốc khi xử lý kết hợp tín hiệu đo cao sử dụng bộ lọc Kalman ...................................................................................................... 109 Hình 4.10. Mức độ quan sát sai số gia tốc sử dụng bộ lọc Kalman.......... 109 Hình 4.11. Sai số gia tốc khi xử lý kết hợp tín hiệu đo cao sử dụng bộ lọc Kalman ...................................................................................................... 110 Hình 4.13. Sai số độ cao xử lý kết hợp tín hiệu đo cao, khi sử dụng bộ lọc Kalman và khi sử dụng thuật toán TTC: ................................................... 112 Hình 4.12. Sai số vận tốc xử lý kết hợp tín hiệu đo cao, khi sử dụng bộ lọc Kalman và khi sử dụng thuật toán TTC .................................................... 112 Hình 4.14. Sai số độ cao của các bộ đo cao kết hợp tại H = 15m ............ 115 Hình 4.15. Sai số độ cao của các bộ đo cao kết hợp tại H =14km ........... 116 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong điều kiện tác chiến hiện nay, các hệ thống tác chiến điện tử đều có các tính năng vượt trội như khả năng tác chiến cao cả về tính cơ động, khả năng chế áp hoạt động của hệ thống tự dẫn đối phương dưới dạng các loại nhiễu khác nhau. Vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu, cải tiến hệ thống điều khiển tên lửa theo hướng tăng khả năng động học, có đầu tự dẫn thông minh và khả năng tác chiến linh hoạt. Để đáp ứng yêu cầu thực tiễn mới, trên đầu tự dẫn của nhiều loại tên lửa hành trình hiện đại như tên lửa Yakhont, tên lửa Kh-35E .... có trang bị hệ thống dẫn đường quán tính (HTDĐQT), song do hạn chế cố hữu của thiết bị đo cao quán tính tồn tại sai số tích lũy lớn, từ đó sai số này sẽ gây sai số lớn trong điều khiển. Để nâng cao chất lượng dẫn đường và điều khiển cho tên lửa hành trình, đặc biệt là tham số độ cao, thông thường sẽ kết hợp bộ đo cao quán tính với một số chủng loại đo cao khác tạo ra độ dư về cấu trúc và độ dư thông tin để tăng độ chính xác, độ tin cậy và khả năng chống nhiễu của các phép đo. Đồng thời đảm bảo việc nhận thông tin đồng nhất từ một số cảm biến dẫn đường có nguyên tắc vật lý khác nhau và xử lý thông tin bằng thuật toán tổng hợp các tín hiệu trong hệ thống tính toán chuyên dụng. Do đặc trưng của tên lửa hành trình với điều kiện quỹ đạo bay thấp ở nhiều dải độ cao, thời gian bay dài, dưới tác động của các loại nhiễu có cường độ khác nhau, làm thay đổi một số tham số đặc trưng tương ứng với từng bộ đo cao kết hợp. Dẫn đến chất lượng xử lý tín hiệu đo cao khi kết hợp bộ đo cao quán tính với các bộ đo cao khác tại mỗi điều kiện bay là khác nhau. Luận án “Nghiên cứu xây dựng thuật toán nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu kênh cao cho một lớp tên lửa hành trình đối hải trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại” tập trung nghiên cứu thuật toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao và lựa chọn cấu 2 trúc bộ đo cao kết hợp, đảm bảo cho thông tin độ cao của tên lửa hành trình được liên tục và chính xác; Xây dựng mô hình ngoại suy trong xử lý kết hợp tín hiệu đo cao ứng dụng thuật toán tự tổ chức. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại, xây dựng thuật toán tự tổ chức và tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được của các biến trong không gian trạng thái để tổng hợp tổ hợp đo cao thông minh, nâng cao chất lượng trong xử lý kết hợp tín hiệu đo cao. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án - Xây dựng thuật toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao và lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp trong tổ hợp đo cao sử dụng tiêu chuẩn đánh giá về lượng mức độ quan sát được. Trong đó, lấy bộ đo cao quán tính làm bộ đo cơ sở, đo cao vô tuyến và đo cao khí áp làm bộ đo cao bổ trợ. - Xây dựng mô hình ngoại suy sai số cho các biến trạng thái trong điều kiện mức độ quan sát được của các biến trạng thái thấp trong quá trình xử lý kết hợp tín hiệu đo cao sử dụng thuật toán tự tổ chức; Lựa chọn ra mô hình tốt nhất khi tổ hợp đo cao có nhiều bộ đo cao kết hợp. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: là tổ hợp đo cao hiện đại trong hệ thống điều khiển kênh cao của một lớp tên lửa hành trình hiện có. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô hình động học của bộ đo cao kết hợp trong tổ hợp đo cao và giải pháp nâng cao chất lượng phép đo cao. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích, đánh giá trên cơ sở thống kê và tổng hợp hệ thống điều khiển hiện đại; - Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại xây dựng thuật toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao. 3 - Sử dụng công cụ mô phỏng Matlab-Simulink để kiểm nghiệm, đánh giá thuật toán. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 6.1. Ý nghĩa về khoa học Ứng dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được và thuật toán tự tổ chức xây dựng mô hình ngoại suy để tối ưu xử lý tín hiệu trong tổ hợp đo cao. Khắc phục được những hạn chế mà bộ lọc Kalman không giải quyết được trong quá trình xử lý kết hợp tín hiệu đo cao. 6.2. Ý nghĩa về thực tiễn - Kết quả của luận án có thể sử dụng cho việc thiết kế cải tiến, cải hoán, hoàn thiện hệ thống điều khiển - ổn định độ cao cho một lớp tên lửa hành trình. - Luận án làm sáng tỏ một số vấn đề về tổ hợp đo cao thông minh, bổ sung phương pháp luận và kiến thức phục vụ công tác đào tạo, giảng dạy và nghiên cứu trong các Viện nghiên cứu, Học viện, nhà trường trong Quân đội. 7. Bố cục của luận án Toàn bộ luận án gồm 128 trang trình bày trong 4 chương với phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục các công trình khoa học đã công bố, Tài liệu tham khảo và Phụ lục. Chương 1. Tổng quan về các phương pháp đo cao và xử lý tín hiệu trên kênh cao của tên lửa hành trình Phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến bài toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao, trình bày lý thuyết cơ sở liên quan đến thuật toán xử lý thông tin kết hợp sử dụng bộ lọc Kalman. Đưa ra những hạn chế trong thuật toán lọc Kalman gắn với cấu trúc bộ đo cao kết hợp và đề xuất hướng giải quyết đảm bảo nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu độ cao trong tổ hợp đo cao. 4 Chương 2. Thuật toán xử lý thông tin và lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp Trình bày phương pháp xây dựng thuật toán tối ưu lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được của các biến trạng thái, nhằm tối ưu cấu trúc trong tổ hợp đo cao. Trình bày hạn chế của thuật toán lọc Kalman trong trường hợp khả năng quan sát các biến trạng thái không vượt ngưỡng quan sát. Đề xuất thuật toán xây dựng mô hình ngoại suy giải quyết các hạn chế trên. Chương 3. Xây dựng mô hình ngoại suy trong xử lý tín hiệu đo cao ứng dụng thuật toán tự tổ chức Trong chương này trình bày về cấu trúc của thuật toán tự tổ chức và ứng dụng chúng trong xử lý kết hợp tín hiệu đo cao; Thực thi thuật toán tự tổ chức xây dựng mô hình ngoại suy sai số trạng thái đo cao trong xử lý kết hợp tín hiệu với điều kiện giả định về quy luật thay đổi của sai số trạng thái; Đề xuất các phương pháp tổ chức khác nhau khi thực thi thuật toán. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính linh hoạt khi ứng dụng thuật toán tự tổ chức vào xử lý kết hợp tín hiệu đo cao. Chương 4. Mô phỏng khảo sát, đánh giá chất lượng xử lý tín hiệu kênh cao Sử dụng công cụ Matlab-Simulink để mô phỏng, kiểm nghiệm, khảo sát đánh giá các thuật toán đã xây dựng ở chương 2 và chương 3 trên cơ sở dữ liệu giả định của các bộ đo cao kết hợp trên một chủng loại tên lửa hành trình. Nội dung chính của luận án công bố trong 05 bài báo trong đó có 04 bài trên Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự và 01 bài tại Hội nghị quốc tế đăng trên tạp chí Springer. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CAO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH CAO CỦA TÊN LỬA HÀNH TRÌNH 1.1. Tổng quan về các phương pháp đo cao Trên các phương tiện bay nói chung, để đo độ cao của thiết bị bay (TBB) thường sử dụng hai hệ thống đo: Hệ thống đo cao không sử dụng sóng điện từ (không vô tuyến) và hệ thống đo cao sử dụng sóng điện từ (vô tuyến). 1.1.1. Hệ thống đo cao không sử dụng sóng điện từ a) Đo độ cao bằng quán tính (đo cao quán tính – ĐCQT): Đo độ cao bằng quán tính là kênh cao của hệ thống dẫn đường quán tính, hệ thống dẫn đường quán tính bao gồm các chức năng nhiệm vụ sau [2]: - Xác định vị trí và véc tơ vận tốc của TBB so với bề mặt của trái đất đang quay ngày đêm; - Xác định quan hệ định hướng giữa hệ tọa độ đo và hệ tọa độ dẫn đường, cụ thể là xác định ma trận cosin định hướng để chuyển đổi chỉ số gia tốc kế từ hệ tọa đo sang hệ tọa độ dẫn đường. - Xác định quan hệ định hướng giữa hệ tọa độ liên kết và hệ tọa độ dẫn đường, cụ thể là xác định 3 góc Ơle (góc cren , góc chúc ngóc  và góc hướng ) phục vụ cho việc tổng hợp lệnh điều khiển. Để xác định tham số độ cao có thể sử dụng một trong các phương pháp: đo trực tiếp các góc Ơle (cũng gọi là phương pháp góc Ơle), giải trực tiếp hệ phương trình phi tuyến, ma trận cosin định hướng hoặc sử dụng tham số rodrighamilton. b) Đo độ cao theo sự thay đổi khí áp (đo cao khí áp – ĐCKA): Phương pháp đo cao khí áp là đo độ cao theo sự thay đổi của khí áp. Sử dụng cảm biến để đo áp suất khí quyển của môi trường xung quanh điểm làm việc của chúng và được chuyển đổi sang độ cao. Nguyên lý làm việc của phương pháp đo cao khí áp được dựa trên việc ứng dụng sự phụ thuộc áp suất P vào độ cao H so với mặt biển. Sự phụ thuộc này được mô tả bởi các công thức đo cao theo điểm sôi. 6 Thực tế, cảm biến áp suất là hệ thống vi-điện-cơ được chế tạo theo công nghệ vi-cơ. Cảm biến áp suất vi-cơ bao gồm màng silic, trên đó có cầu trở bán dẫn. Một trong các vai của cầu nằm trong vùng biến dạng lớn nhất của màng. Tín hiệu lệch cân bằng của cầu (tỷ lệ thuận với áp suất) được đưa đến các đầu ra bên ngoài hay đến mạch xử lý. Cấu trúc của cảm biến phụ thuộc vào môi trường làm việc. 1.1.2. Hệ thống đo cao sử dụng sóng điện từ a) Đo cự ly bằng xung ra đa: Nguyên lý của phương pháp này là đo thời gian lan truyền của xung điều chế cao tần từ máy phát đến mục tiêu và ngược lại. Theo [12] thời gian lan truyền này được xác định bằng công thức: D c 8 trong đó: c = 3.10 m/s – vận tốc lan truyền của sóng điện từ; t3  2 D – cự ly từ đài ra đa đến mục tiêu: D = 1,5.108.tз (m) Để có phép đo cự ly đơn trị phải đảm bảo: t3 < Tп, với Tп - chu kỳ của xung dò được điều chế bằng dao động cao tần. Các hệ thống trên có cấu trúc phức tạp và cần có chuyển mạch anten để chuyển từ chế độ phát sang chế độ thu, vì hệ thống thu - phát làm việc chỉ với một anten. Khi cự ly quá gần thì việc xử lý và đo thời gian t 3 nhỏ là một việc hết sức khó khăn. Vì vậy, để đo được các cự ly gần người ta sử dụng hệ thống đo cự ly bằng thu phát tín hiệu liên tục. b) Đo cao theo hiệu ứng Đốp le: Nguyên lý phép đo này dựa trên hiệu ứng thay đổi tần số của tín hiệu dò của hệ thống rađa phát ra và thu về sau khi phản xạ từ mục tiêu, trong điều kiện rađa và mục tiêu chuyển động tương đối so với nhau. Phương pháp đo này chỉ có ý nghĩa khi sử dụng hệ thống làm việc ở dải sóng tần số thấp, còn đối với các hệ rađa làm việc ở dải sóng decimet và 7 centimet phương pháp này không có ý nghĩa vì cự ly đo được quá nhỏ. Để khắc phục nhược điểm trên, trong các hệ thống rađa đo cao dùng hiệu ứng Đốp le người ta sử dụng hệ có hai hay nhiều tần số. c) Đo cao vô tuyến bằng phương pháp tần số: Phương pháp này dựa trên cơ sở xác định độ thay đổi tần số phát của tín hiệu điều tần truyền đến bề mặt và tín hiệu phản xạ mà máy thu thu được. Giả sử tín hiệu từ máy phát có tần số fp(t) (được điều chế theo luật điều tần tuyến tính – ĐTTT, thường ở dạng răng cưa đối xứng hoặc không đối xứng) và tín hiệu sau khi phản xạ từ bề mặt mà máy thu thu được tín hiệu có tần số là fc(t) và bị giữ chậm một thời gian t3, ta có: H c trong đó: H- độ cao cần đo; c - vận tốc lan truyền của sóng điện từ. Khi trộn sóng fp(t) và fc(t) theo nguyên lý trộn tần chúng ta thu được tín hiệu điều hòa với tần số phách f, lúc này phổ tín hiệu chỉ có một vạch tại f. Độ thay đổi tần số phách được xác định theo công thức sau: tз  2 f  t 3 .tg  t 3 df p 2 df p dt H; dt c nghĩa là tần số phách tỷ lệ với cự ly H cần đo và độ biến thiên của tần số fp. Đối với các thiết bị đo cao của các tên lửa hành trình, độ cao cần đo là độ cao của tên lửa so với mặt đất hoặc biển nên trong trường hợp bố trí các anten thu-phát theo nguyên tắc phản xạ gương, có thể xem mặt phản xạ là mục tiêu điểm, do đó để xác định độ cao một cách chính xác không nên sử dụng phương pháp phân tích phổ mà thường dùng phương pháp đếm xung của tín hiệu sau khi trộn tần. d) Đo độ cao bằng hệ thống GPS: Hệ thống GPS là hệ thống dẫn đường vô tuyến không gian trong mọi điều kiện thời tiết, nó cung cấp tọa độ của TBB, trong đó có tham số độ cao. Có ba phiên bản GPS tương đương nhau là: Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) của Mỹ, hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu của Nga (GLONASS) và hệ thống định vị dẫn đường (GALILEO) của châu Âu. Sự khác biệt chính của ba hệ thống vệ 8 tinh này là các mặt phẳng quỹ đạo, số vệ tinh hoạt động, các tham số quỹ đạo của vệ tinh, phương pháp điều chế dữ liệu, cấu trúc tín hiệu và dải thông. Có hai phương pháp đo GPS, bao gồm: đo GPS đơn và đo GPS vi sai – DGPS. Như vậy, có rất nhiều phương pháp đo cao khác nhau. Trong khuôn khổ luận án sẽ nghiên cứu tổ hợp đo cao với ba hệ thống đo cao: quán tính, khí áp và vô tuyến. Ba hệ thống này có nguyên lý đo cao theo bản chất vật lý khác nhau, nên xét về phổ nhiễu của ba hệ thống là khác nhau trên trục tần số. Trên TBB thường có các hệ thống đo cao này, trước đây thường sử dụng phương pháp hiệu chỉnh tham số, hiện nay kỹ thuật số phát triển nên trên các TBB hiện đại sử dụng phương pháp tổng hợp các tín hiệu đo cao từ các hệ thống đo độ cao độc lập và khác nhau về nguyên lý đo. Vì vậy, bài toán tối ưu xử lý kết hợp tín hiệu tín hiệu đo cao sử dụng các thuật toán tổng hợp tín hiệu đang được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm và phát triển. 1.2. Tình hình nghiên cứu về xử lý kết hợp tín hiệu đo cao trên thiết bị bay 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới, các công trình nghiên cứu xử lý thông tin dẫn đường kết hợp như [22], [24], [28], [36], [39], trong hầu hết các công bố này phát triển lý thuyết chung về xử lý tín hiệu đo kết hợp sử dụng bộ lọc Kalman, các kết quả nghiên cứu nhận được là đánh giá nâng cao chất lượng của thiết bị dẫn đường. Các công bố về thuật toán xử lý tín hiệu cho hệ thống ổn định độ cao như [17], [56], [59], [60] đề cập đến các vấn đề chung về cấu trúc hệ thống và tín hiệu, kỹ thuật thực hiện và phương pháp xử lý tín hiệu đối với hệ thống ổn định độ cao bay, trình bày dưới dạng cấu trúc sơ đồ khối, các thuật toán được xây dựng từ lý thuyết chung xử lý kết hợp. Tuy nhiên, vấn đề lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp trong mỗi điều kiện bay cụ thể, khi tổ hợp đo cao có nhiều cấu trúc đo cao kết hợp thì chưa có công trình nào đề cập đến. Các công trình nghiên cứu gần đây về thuật toán xây dựng mô hình ngoại suy sai số đang được nghiên cứu phát triển. Có thể tham khảo trên các thư viện và báo chí nước ngoài về thuật toán tự tổ chức [66], [67], đây là các công trình 9 trình bày lý thuyết cơ sở và cấu trúc thuật toán xây dựng mô hình ngoại suy, trong đó có đề cập đến biện pháp thực thi và khả năng ứng dụng thuật toán tự tổ chức (TTC) vào lĩnh vực nghiên cứu xử lý tín hiệu nói chung. Tuy nhiên, có thể coi đây là cẩm nang để nghiên cứu ứng dụng thuật toán TTC vào mục đích xử lý kết hợp tín hiệu trên đối tượng nghiên cứu cụ thể. Việc ứng dụng thuật toán TTC để xây dựng mô hình ngoại suy sai số nhằm hiệu chỉnh sai số theo kênh ngang HTDĐQT đã có một số công trình được công bố gần đây [40  43]. Cũng giải quyết vấn đề này, một số công trình [48], [53], [54] sử dụng phương pháp khác là thuật toán gen di truyền để xây dựng mô hình, kết quả đạt được so với phương pháp lọc Kalman truyền thống của hai phương pháp xây dựng là tương đương nhau. Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng xử lý không cụ thể, phương pháp xử lý tín hiệu sử dụng thuật toán gen di truyền lại phức tạp hơn rất nhiều, kết quả nghiên cứu không có thuật toán tường minh. Như vậy, các nghiên cứu ứng dụng thuật toán TTC để xây dựng mô hình ngoại suy sử dụng để bù sai số theo kênh ngang HTDĐQT chưa đề cập rõ ràng thuật toán dưới dạng tường minh, kết quả đánh giá nâng cao chất lượng còn mang tính định tính, đặc biệt chưa đề xuất được thời điểm ứng dụng thuật toán. Việc ứng dụng thuật toán TTC cho bài toán xử lý kết hợp trong tổ hợp đo cao khi điều kiện bay thay đổi chưa được giải quyết. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Các cơ quan trong và ngoài quân đội đang triển khai nghiên cứu hệ thống dẫn đường kết hợp, đặc biệt là xử lý kết hợp tín hiệu đo cao. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trong nước về xử lý kết hợp sử dụng bộ lọc Kalman đã khẳng định nâng cao độ chính xác. Tiêu biểu là công trình [5] nghiên cứu chính về ổn định độ cao của tên lửa đối hải (TLĐH) có đề cập đến mô hình toán học của sóng biển, thuật toán xử
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan