Nghiên cứu thuật toán theo dõi mục tiêu cơ động từ tên lửa không đối không

Bài viết trình bày thuật toán ước lượng tham số mục tiêu cơ động sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng khi theo dõi mục tiêu bằng đầu tự dẫn ra đa của tên lửa “không đối không”. Mô hình bộ lọc Kalman mở rộng được xây dựng với các biến trạng thái là các tham số tương đối giữa tên lửa và mục tiêu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thuật toán theo dõi mục tiêu cơ động từ tên lửa không đối không Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN THEO DÕI MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TỪ TÊN LỬA KHÔNG ĐỐI KHÔNG Nguyễn Sỹ Hiếu1*, Đoàn Thế Tuấn1, Nguyễn Đức Cương2, Đặng Võ Công3, Phạm Tuấn Hùng3, Phương Hữu Long4 Tóm tắt: Bài báo trình bày thuật toán ước lượng tham số mục tiêu cơ động sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng khi theo dõi mục tiêu bằng đầu tự dẫn ra đa của tên lửa “không đối không”. Mô hình bộ lọc Kalman mở rộng được xây dựng với các biến trạng thái là các tham số tương đối giữa tên lửa và mục tiêu. Nhóm tác giả đưa ra kết quả ước lượng tham số mục tiêu khi khảo sát trong hai trường hợp cụ thể: mục tiêu cơ động một phía và mục tiêu cơ động kiểu con rắn. Các tham số ước lượng đưa ra với sai số nhỏ, làm cơ sở nâng cao chất lượng luật dẫn tiếp cận tỉ lệ. Từ khóa: Bộ lọc Kalman mở rộng, Ước lượng tham số, Mục tiêu cơ động. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Luật dẫn tiếp cận tỷ lệ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế nhờ những ưu điểm nổi bật cũng như khả năng hiện thực hóa. Tuy nhiên, nó có những giới hạn nhất định, chỉ hiệu quả khi tấn công mục tiêu cơ động chậm, tốc độ nhỏ. Xu hướng nghiên cứu nâng cao chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ hiện nay tập trung vào việc bổ sung các tham số của tên lửa, mục tiêu; trong đó có thành phần gia tốc mục tiêu vào luật dẫn [3]. Các thiết bị đo hiện nay chỉ đo được khoảng cách và góc giữa tên lửa - mục tiêu. Do vậy, để xác định các tham số của mục tiêu như tọa độ, vận tốc, gia tốc phải sử dụng các thuật toán lọc ước lượng tham số. Bộ lọc Kalman với những ưu điểm nổi bật, được coi là bộ lọc tối ưu trong theo dõi và ước lượng tham số mục tiêu. Rất nhiều những nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman với những biến thể của nó đã được ứng dụng để giải quyết vấn đề theo dõi và ước lượng tham số mục tiêu. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trước đây các bộ lọc thường được sử dụng sử dụng để theo dõi các mục tiêu chuyển động thẳng đều, ít cơ động. Vị trí các đài đo tham số mục tiêu (ra đa) thường có vị trí cố định hoặc chuyển động theo các quy luật biết trước, có thể mô tả được bằng các phương trình giải tích[4-8]. Những nghiên cứu về theo dõi, ước lượng tham số của mục tiêu cơ động từ đài ra đa trên tên lửa ít được đề cập đến hoặc không được công bố. Trong thực tế tác chiến “không đối không”, các mục tiêu thường có độ cơ động rất cao, thay đổi hướng liên tục với một số dạng cơ động điển hình như: cơ động 1 phía, cơ động kiểu con rắn, cơ động kiểu ống không gian [3]… Để đảm bảo có thể tiêu diệt mục tiêu với hiệu quả cao nhất, ngày nay trên các tên lửa hiện đại ngoài việc ứng dụng phương pháp dẫn kết hợp (như từ xa - tự dẫn, quán tính - tự dẫn…) nhằm tích hợp những ưu điểm nổi bật của mỗi phương pháp, trên các tên lửa còn sử dụng các bộ lọc ước lượng các tham số của mục tiêu nhằm nâng cao độ chính xác cao dẫn. Trong bài báo, nhóm tác giả đưa ra phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) với các tham số trạng thái về vị trí tương đối, tốc độ tiếp cận, tốc độ góc quay đường ngắm giữa tên lửa và mục tiêu (các tham số này xác định được Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 13  Tên lửa & Thiết bị bay nhờ ra đa trên đầu tên lửa). Ước lượng các tham số của mục tiêu (đặc biệt là gia tốc mục tiêu) góp phần nâng cao độ chính xác dẫn tên lửa đến mục tiêu. Giới hạn phạm vi của bài báo: Tên lửa được khảo sát với giả thiết sử dụng dẫn đường kết hợp quán tính - tự dẫn, các tham số của tên lửa coi như đã biết (nhờ sử dụng các cảm biến GPS); Luật dẫn trên tên lửa là luật dẫn tiếp cận tỉ lệ; Tên lửa và mục tiêu chuyển động trong mặt phẳng ngang. 2. THUẬT TOÁN THEO DÕI MỤC TIÊU Các tham số ra đa đo được như: khoảng cách tương đối giữa tên lửa - mục tiêu, góc hướng giữa tên lửa - mục tiêu là phi tuyến. Quỹ đạo bay của tên lửa không mô tả được bằng phương trình giải tích. Do đó, ta sử dụng bộ lọc EKF với các biến trạng thái là các tham số tương đối giữa tên lửa - mục tiêu. Các tham số của phương trình trạng thái trong hệ tọa độ mặt đất trên mặt phẳng ngang được mô tả như sau: Trạng thái tên lửa trong mặt phẳng ngang: =[ ] (1) Trạng thái mục tiêu trong mặt phẳng ngang: =[ ] (2) Mô hình trạng thái tương đối giữa tên lửa, mục tiêu được mô tả như sau: =[ ] (3) Trong đó: = − ⎧ = − ⎪ = − (4) ⎨ = − ⎪ = − ⎩ = − Ta có phương trình trạng thái chuyển động tương đối giữa tên lửa và mục tiêu được mô tả trong hệ tọa độ mặt đất cố định theo phương ngang có dạng: ∆ ( ⎡) + ∆ + ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ + ∆ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ∆ ⎥ ( ) = ( , )+ =⎢ ⎥=⎢ + ∆ + ⎥+ (5) ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ + ∆ ⎥ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Phương trình đo khoảng cách và góc ngắm từ tên lửa đến mục tiêu (phương trình dạng phi tuyế ...