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 tt

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 cứ

VI N KHOA H!C VÀ CÔNG NGH QUÂN S"

PH#M $%C TH&A

NGHIÊN C%U XÂY D"NG THU'T TOÁN NÂNG CAO CH(T)L*+NG X, LÝ TÍN HI U KÊNH CAO CHO M-T L.P TÊN L,A)HÀNH)TRÌNH)$/I H0I TRÊN)C1 S2

LÝ THUY3T)$I4U KHI5N HI N $#I

Chuyên ngành: K& thu't"(i)u khi*n và T+ (,ng hóa

Mã s-: 9 52 02 16

TÓM T6T LU'N ÁN TI3N)S7)K8 THU'T

HÀ N-I – 2019

1 PhEm)$Mc ThOa, Nguy>n Quang V?nh, Nguy>n)Xuân)C@n, (2016),

”Xây d!ng thu"t toán x# lý thông tin trong b$ %o cao ph&c h'p cho

%i(u khi)n thi*t b+ bay”B"T0p chí nghiên c7u khoa h2c và công ngh/

quân s+, S- (Ec san Tên lFa, Vi/n KH&CNQS, (9/2016) tr.116-122

2 PhEm) $Mc ThOa, Nguy>n Quang V?nh, Nguy>n) Xuân) C@nP) TrQn

Ng=c)H9UngB"G?@AHIB"“,ng d-ng thu"t toán t! t ch&c nâng cao ch/t

l0'ng x# lý tín hi1u c2a b$ %o cao liên k*t”B"J,i th.o qu-c"giaK"“Lng

dMng công ngh/ cao vào th+c ti3n”B"T0p chí nghiên c7u khoa h2c và công ngh/ quân s+, S- (Ec san, Vi/n KH&CNQS, tr.382-390

3 Nguyen Quang Vinh, Pham Duc Thoa, G?@AHIB" “Improving high

quality in combination processing the high measurement signals”B"The"

7 th International Conference on Frontiers of Intelligent Computing: Theory and Applications (FICTA2018); 29-30 November

4 PhEm) $Mc ThOa, Tô Bá Thành, Nguy>n Quang V?nh, Bùi Minh

TuVn, (2019IB"“Xây d!ng thu"t toán t! t ch&c l!a ch3n mô hình trong

x# lý k*t h'p tín hi1u %o cao”, T0p chí nghiên c7u khoa h2c và công

ngh/ quân s+, S- (Ec san (3/2019), Vi/n KH&CNQS, tr269-278

5 PhEm)$Mc ThOa, Nguy>n Quang V?nh, TrQn Ng=c)H9Ung, (2019),

“4ánh giá 5nh h06ng c2a m&c %$ quan sát %0'c %*n %$ chính xác x#

lý tín hi1u trong b$ %o cao k*t h'p quán tính-vô tuy*n”B"T0p chí nghiên

c7u khoa h2c và công ngh/ quân s+, s- 60 (4/2019), Vi/n KH&CNQS, tr73-80

CÔNG)TRÌNH)$*+C HOÀN THÀNH T#I

VI N KHOA H!C VÀ CÔNG NGH QUÂN S"

Vi/n Khoa h2c và Công ngh/ Qu'n s+

Lu'n án (48c b.o v/ t0i H,i"(9ng"(ánh"giá"lu'n án ti:n"s; c<p Vi/n, h2p t0i Vi/n

Khoa h2c và Công ngh/ Quân s+ vào h9i gi= ngày"""tháng"""n>m"?@A9

Có thB tìm hiBu luDn án tEi:

- Th4"vi/n Vi/n khoa h2c và Công ngh/ Quân s+

- Th4"vi/n Qu-c gia Vi/t Nam

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 Trên đầu tự dẫn của nhiều loại tên lửa hành trình hiện đại 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

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 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 trên cơ sở ứng dụng thuật toán

tự tổ chức và tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được của các biến trong không gian trạng thái để xây dựng 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, hai bộ 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

Tổ hợp đo cao hiện đại trong hệ thống điều khiển kênh cao của một lớp tên lửa hành trình hiện có

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết và sử dụng kỹ thuật mô phỏng để kiểm nghiệm, đánh giá thuật toán

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

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

Kết quả của luận án có thể sử dụng cho việc thiết kế cải tiến hoàn thiện

hệ thống điều khiển - ổn định độ cao cho một lớp tên lửa hành trình, 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 cùng các 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 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)

1.2 Tình hình nghiên cứu về xử lý kết hợp tín hiệu đo cao

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

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 [48], [53], [54] 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 công trình nghiên cứu đã được công bố trong nước về xây dựng thuật toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao thực hiện bằng thuật toán lọc Kalman và cho kết quả nhất định về nâng cao chất lượng xử lý kết hợp tín hiệu đo cao Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này chưa giải quyết triệt

để những hạn chế và biện pháp khắc phục gây sai số phép đo cao kết hợp khi sử dụng bộ lọc Kalman

Từ những phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án đưa ra vấn đề cần giải quyết

- Đối với tổ hợp đo cao có nhiều bộ đo cao kết hợp làm việc trong các điều kiện bay khác nhau thì việc tối ưu về cấu trúc bằng thuật toán lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp trong tổ hợp đo cao ở một điều kiện bay

cụ thể là cần thiết

- Trong trường hợp mức độ quan sát các biến trạng thái không phù hợp,

bộ lọc Kalman làm việc không hiệu quả trong khoảng thời gian đó, sử dụng thuật toán xây dựng mô hình ngoại suy sai số trạng thái thay thế, đưa đến hiệu chỉnh sai số trạng thái của kênh cao hệ thống dẫn đường quán tính

1.3 Bài toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao trên tên lửa hành trình 1.4 Ứng dụng thuật toán lọc Kalman và vấn đề lựa chọn cấu trúc trong

tổ hợp đo cao

1.4.1 Thuật toán lọc Kalman xử lý kết hợp tín hiệu đo cao

1.4.2 Lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được

Trong THĐC các bộ đo cao kết hợp đều đo một tham số chung là độ cao, cần xem xét các thành phần còn lại của véc tơ trạng thái để đánh giá xem có tính được (tính quan sát được) và tính được chính xác như thế nào (mức độ quan sát được) thông qua thành phần được đo trực tiếp là độ cao Lựa chọn, tìm ra cấu trúc bộ đo cao kết hợp phù hợp với điều kiện bay

cụ thể nhằm nâng cao chất lượng xử lý kết hợp tín hiệu đo cao khi THĐC

có nhiều bộ đo cao kết hợp, sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được các biến trạng thái Trong điều kiện bay cụ thể, chất lượng xử lý kết hợp tín hiệu đo cao sẽ được tăng lên rõ rệt, khi bộ đo cao kết hợp có mức

độ quan sát được của các biến trạng thái tương ứng lớn hơn, sẽ lựa chọn vào xử lý kết hợp tín hiệu đo cao

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

1.5.1 Tính không ổn định của thuật toán lọc Kalman và phương pháp xây dựng mô hình ngoại suy

Để khắc phục hiện tượng phân kỳ của bộ lọc Kalman, nhiều phương pháp được đưa ra như phương pháp bù sai số, phương pháp tối ưu cấu trúc

bộ lọc Kalman, phương án xây dựng cấu trúc bộ lọc Kalman thích nghi v.v Tuy nhiên, khi thông tin tiên nghiệm ban đầu không chính xác (mô hình toán học, nhiễu đầu vào, nhiễu đo v.v.), việc sử dụng các phương pháp trên không mang lại hiệu quả cao Khi đó, có thể sử dụng các phương pháp khác để thay thế như: Mạng Nơ ron, thuật toán tự tổ chức, thuật toán

di truyền [54], [63], [64]…

Trong khoảng thời gian (tA tB) nào đó phải sử dụng thuật toán xây dựng mô hình ngoại suy (Hình 1.8) thì các ước lượng nhận được trước thời điểm tA tập giá trị mẫu zi = z1, z2, z3, …, zN cập nhật kết quả xử lý kết hợp tín hiệu đo cao, thuật toán sẽ sử dụng dữ liệu này để đánh giá các mô hình ngoại suy xây dựng mới từ các mô hình cơ sở

1.5.2 Thuật toán tự tổ chức trong xử lý kết hợp tín hiệu đo cao

Khi các bộ đo cao kết hợp xử lý tín hiệu sử dụng bộ lọc Kalman không cho phép đánh giá trạng thái hệ thống đủ chính xác với cường độ tạp đo lớn Khi đó, tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được các biến trạng thái cho giá trị đánh giá không vượt ngưỡng quan sát, kết quả xử lý tín hiệu với sai số lớn cho phép đo Lúc này, việc hiệu chỉnh các sai số đo cao của hệ

đo cao cơ sở cần sử dụng một thuật toán mới xây dựng mô hình ngoại suy các sai số trạng thái của chúng để thay thế Luận án đề xuất sử dụng thuật toán tự tổ chức để giải quyết bài toán này

1.6 Kết luận chương 1

Trên cơ sở phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến bài toán xử lý kết hợp tín hiệu đo cao, đưa ra những hạn chế trong thuật toán lọc Kalman gắn với cấu trúc bộ đo cao kết hợp, cho thấy cần giải quyết bài toán sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được để tối ưu cấu trúc trong tổ hợp đo cao (lựa chọn phương án kết hợp phù hợp - chương 2) Ứng dụng thuật toán tự tổ chức xây dựng

mô hình ngoại suy sai số trạng thái khi thuật toán lọc Kalman không

ổn định (chương 3)

Hình 1.8 Tổng quan về xây dựng mô hình ngoại suy : BĐCCS- Bộ

đo cao cơ sở; TT XDMH- Thuật toán xây dựng mô hình;

TTDĐ- Thuật toán dự đoán

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ LỰA CHỌN CẤU

TRÚC BỘ ĐO CAO KẾT HỢP 2.1 Sơ đồ cấu trúc hiệu chỉnh tham số trạng thái của kênh cao

Khi nối các mạch phản hồi tới các điểm tương ứng trong cấu trúc bộ ĐCQT, phương trình trạng thái KM dạng rời rạc như sau [56]:

xk k,k 1xk 1 uk 1  k 1wk 1 (2.1) trong đó: k,k-1 là ma trận hệ thống; k,k-1 là ma trận nhiễu đầu vào; các phần tử trong ma trận k,k-1, k,k-1 nhận được từ mô hình toán của sai số tín

hiệu đầu vào bộ đo cao kết hợp; wk-1 là véc tơ nhiễu đầu vào; uk-1 là véc tơ các tín hiệu hiệu chỉnh, được xây dựng từ các ước lượng tối ưu của bộ lọc [56]

2.2 Xây dựng mô hình động học sai số tín hiệu đo cao

2.2.1 Mô hình động học sai số trên kênh cao của hệ thống dẫn đường quán tính

Mô hình các sai số bộ ĐCQT sẽ được mô tả bằng phương trình vi phân đơn giản hơn [69]:

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ ĐCQT sử dụng các hồi tiếp

để hiệu chỉnh sai số tích lũy

Trong công thức (2.6) sai số độ cao H(t) bao gồm: sai số gia tốc kế theo kênh đứng δa(t) = δay(t) và sai số do tính bất định hấp dẫn g(t)

2.2.2 Mô hình động học sai số đầu ra của bộ đo cao vô tuyến

Quá trình sai số Hvt(t)được biểu diễn dưới dạng quá trình Mackốp chuẩn thoả mãn phương trình vi phân bậc một [56]:

    vt 

H t t u t

     (2.8) trong đó: vt = 1/vt ; vt - hằng số tương quan độ dịch chuyển uHvt - tạp trắng Gauss với kỳ vọng toán học bằng không và hàm tương quan:

2.2.3 Mô hình động học sai số của bộ đo cao vi khí áp kế

Nguyên nhân gây sai số chủ yếu là tác động của các nguồn nhiễu do sự thăng giáng của tốc độ chuyển động TLHT, thỏa mãn phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất [56]

  ka

2

B    e  (2.13)

2.4 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được các bộ đo cao kết hợp

2.4.1 Tính quan sát được và điều khiển được theo tiêu chuẩn Kalman

Về mức độ quan sát được do В.Н Афанасьев и К.А Неусыпин đưa

ra khái niệm cụ thể, khi xem xét cả về độ chính xác ước lượng các véc tơ trạng thái và phân tích tạp đo, phát biểu như sau: mức độ quan sát được xác định bằng tỷ số giữa phương sai của phần tử bất kỳ của véc tơ trạng thái và phương sai của véc tơ trạng thái được đo trực tiếp có tính tới phương sai của tạp đo

2.4.2 Xây dựng tiêu chuẩn ĐMQSĐ trong bộ đo cao QT-VT

Khi xét đặc tính chính xác của bộ đo cao QT-VT cần phải chuyển thuật toán lọc KM liên tục sang rời rạc, ta có phương trình trạng thái và phương trình đo dạng rời rạc đối với bộ đo cao kết hợp QT-VT (2.19), (2.20)

k  k,k 1 k 1    k,k 1  k 1 

x  x  w (2.19)

k  k k  k

z H x v (2.20) trong đó:

k

vt

H V a g H

Các hệ số  ij,kj  1, 2, , 5là hàng thứ i của ma trận O* tại thời điểm tk

(O* là nghịch đảo của ma trận quan sát O) Tính phương sai sai số ước

lượng của các biến trạng thái tại thời điểm k theo công thức (2.26)

n 2 i,k 2

k 1 i,k

Đối với các phần tử tùy ý của véc tơ trạng thái, véc tơ của tạp đo dẫn xuất * * *

R là phương sai ban đầu của tạp đo vk

Biểu thức về tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được các phần tử trạng thái:

   

2 i,k

2 ij,k

  là phương sai véc tơ trạng thái đo trực tiếp

Từ (2.30) lần lượt xác định mức độ quan sát được của các biến trạng thái của bộ ĐCQT Biểu thức đánh giá mức độ quan sát được của thành phần véc tơ trạng thái vận tốc (2.31), của gia tốc (2.32) và của gia tốc trọng trường (2.33)

- Xây dựng tiêu chuẩn ĐMQSĐ trong bộ đo cao QT-KA theo phương trình phép đo (2.35)

- Xây dựng tiêu chuẩn ĐMQSĐ trong bộ đo cao QT-VT-KA theo phương trình phép đo (2.37)

2.5 Thuật toán lựa chọn cấu trúc bộ đo cao kết hợp sử dụng tiêu chuẩn đánh giá mức độ quan sát được

Các bước cơ bản của thuật toán lựa chọn cấu trúc sử dụng tiêu chuẩn ĐMQSĐ:

- Hình thành phép đo từ các bộ đo cao kết hợp theo (2.25),(2.35),(2.37)

- Phương sai sai số ước lượng các phần tử véc tơ trạng thái trong các bộ

đo cao kết hợp:

n 2 i,k

H,V,a,g; j = 1, 2, 3 là chỉ số tương ứng với các bộ đo kết hợp QT-VT, QT-KA, QT-VT-KA

- Phương sai tạp đo tương ứng với từng phần tử véc tơ trạng thái trong các

trong đó: i = 2,3,4 tương ứng với các phần tử véc tơ trạng thái V,a,g

m = 5,6,7 là kích cỡ ma trận hệ thống tương ứng với các bộ đo kết hợp QT-VT, QT-KA, QT-VT-KA;

k thời gian tính tại thời điểm tk

- Mức độ quan sát được của các biến trạng thái trong các bộ đo cao kết hợp Lựa chọn cấu trúc bộ đo cao phù hợp trên cơ sở đánh giá mức độ quan sát các biến trạng thái

trong đó: i = 2,3,4 tương ứng với các phần tử véc tơ trạng thái V,a,g

m = 5,6,7 là kích cỡ ma trận hệ thống tương ứng với các bộ đo kết

Đề xuất biện pháp khắc phục những hạn chế của thuật toán trong trường hợp khả năng quan sát các biến trạng thái không vượt ngưỡng quan sát, thông tin tiên nghiệm ban đầu không đầy đủ cho thuật toán lọc Kalman Kết quả nghiên cứu chương 2 sẽ được kiểm nghiệm bằng mô phỏng trong chương 4 và được thể hiện trên công trình [3], [5] của tác giả

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGOẠI SUY TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO CAO ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỰ TỔ CHỨC

3.1 Các nguyên lý cơ bản khi thực thi thuật toán tự tổ chức

3.2 Cấu trúc của thuật toán tự tổ chức

Việc xây dựng thuật toán TTC bao gồm các bước cơ bản sau:

3.2.1 Nhập dữ liệu cơ sở đầu vào

Thực tế căn cứ vào quá trình thực nghiệm về đối tượng nghiên cứu, các

dữ liệu về đặc tính kỹ thuật của tổ hợp đo cao trên một lớp tên lửa hành trình cụ thể và trình độ, năng lực của người thiết kế nhận định về xu hướng biến thiên sai số trạng thái sẽ lựa chọn các hàm cơ sở và giới hạn số lượng hàm cơ sở một cách hợp lý và coi đây là các mô hình sai số cơ sở đơn giản