کاربرد فیلتر کالمن برای بهبود کیفیت هدایت موشک زمین به هوا
محورهای موضوعی : مهندسی کنترل
1 - گروه مهندسی برق و کامپیوتر، واحد تربت حیدریه، دانشگاه آزاد اسلامی، تربت حیدریه، ایران
کلید واژه: هدایت متناسب خالص, ردیابی زاویه‌ای, موشک آشیانه یاب, فیلترکالمن تعمیم‌یافته,
چکیده مقاله :
دسته‌ای از موشک‌های زمین به هوا، موشک‌های آشیانه یاب (ردیاب) هستند که جهت مقابله با اهداف هوایی نظیر هواپیما یا بالگرد مورداستفاده قرار می‌گیرند. با ایجاد اهداف مجازی توسط هدف، کارایی این موشک‌ها بشدت کم شده است. ابتدایی‌ترین سیستم طراحی‌شده برای مقابله با اهداف کاذب، خاموش کردن سیستم هدایت هنگام شناسایی و مواجهه با این اهداف است. خاموش کردن هدایت به این معنا است که آخرین دستور شتابِ قبل از مواجهه باهدف مجازی در طول مدت وجود هدف مجازی، برای هدایت موشک به کار گرفته شود. به علت وجود مانورهای هدف، هدایت خاموش در بعضی حالات مناسب عمل نمی‌کند. با فرض تشخیص ایجاد شدن هدف مجازی، در این مقاله از پیش‌بینی رفتار آینده موقعیت هدف برای مقابله با اهداف مجازی استفاده‌شده است. برای پیش‌بینی نیز از فیلتر کالمن تعمیم‌یافته استفاده‌شده است. نشان داده‌شده است که این روش در مقایسه با روش هدایت خاموش، مناسب‌تر عمل می‌کند. با توجه به در دسترس نبودن اطلاعات کافی از هدف، یکی از مشکلات روش پیش‌بینی، خطای موجود در مقدار اولیه حالت‌ها است. خطای زیاد در مقدار اولیه حالت‌ها باعث می‌شود که خطای پیش‌بینی در فیلتر کالمن تعمیم‌یافته و در نتیجه خطای برخورد زیاد شود. به‌این‌علت در این مقاله ایده استفاده از چند فیلتر کالمن تعمیم‌یافته به‌طور هم‌زمان، مطرح‌شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که این روش توانسته است تا حد زیادی وابستگی به مقدار اولیه را از بین ببرد و موشک را به سمت هدف هدایت نماید.
Homing missiles are classified as Surface-to-air missiles. These missiles are used for air targets like airplane or helicopter combat. To counteract these missiles, fighter aircrafts use pseudo targets to deviate the course of the missiles. These pseudo targets in the form of Flyer Decoys, Jamming or Clutter are effective means to disable such missiles. In early versions of guidance systems, missiles turn-off their guidance systems temporarily. This can help in limited situations. However, in this paper an advanced guidance system based on Extended Kalman Filters is proposed. It is shown that using the estimated values of the variables from Kalman Filter, can modify the course of missile fight leading to the target. Due to the bearing-only nature of the system, it shown that initial conditions are very important in the estimation process. To reduce the effect of initial conditions, a set of Extended Kalman Filter is introduced. Simulation results are provided to show the effectiveness of the proposed methodology.
[1] N. F. Palumbo, R. A. Blauwkamp and J. M. Lloyd, “Modern Homing Missile Guidance Theory and Techniques,” Johns Hopkins APL Technical Digest, vol. 29, no. 1, 2010.
[2] H. Shi, Z. Chen, J. Zhu and M. Kuang, “Model Predictive Guidance for Active Aircraft Protection from a Homing Missile,” IET Control Theory & Applications, vol. 16, no. 2, pp. 208-218, January 2022, doi: 10.1049/cth2.12218.
[3] C. F. Lin, Integrated, Adaptive, and Inteligent Navigation, Guidance, and Control Systems Design. Prentice-Hall, 1991.
[4] C. F. Lin, Modern Navigation, Guidance, and Control Processing, Prentice-Hall. Inc., 1991.
[5] J. H. Oh and I. J. Ha, “Capturability of the 3-Dimensional Pure PNG Law,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 35, no. 2, April 1999, doi: 10.1109/7.766931.
[6] S. H. Song and I. J. Ha, “A Lyapunov-Like Approach to Performance Analysis of 3-Dimensional Pure PNG Laws,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 30, no. 1, January 1994, doi: 10.1109/7.250424.
[7] R. G. Brown and P. Y. C. Hwang, Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filter, John Wiley & Sons, Inc., 1997 (Third Edition).
[8] Y. Kim and J. H. Seo, "The realization of the three dimensional guidance law using modified augmented proportional navigation," Proceedings of 35th IEEE Conference on Decision and Control, December 1996, pp. 2707-2712, vol. 3, doi: 10.1109/CDC.1996.573514.
[9] P. L. Vergez, “Tactical Missile Guidance with Passive Seekers Under High Off-Boresight Launch Conditions,” AIAA Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 21, no. 3, May-June 1998, doi: 10.2514/2.4259.
[10] P. L. Vergez and R. K. Liefer, “Target Acceleration Modeling for Tactical Missile Guidance,” AIAA Journal of Guidance, Vol. 7, No. 3, May-June 1984, doi: 10.2514/3.19861.
[11] C. K. Chui and G. Chen, Kalman Filtering, Springer-Verlag, 1987.
[12] H. W. Sorenson, Kalman Filtering : Theory and Application, IEEE Press, 1985.
[13] N. Peach, “Bearings-Only Tracking Using a Set of Range-Parameterised Extended Kalman Filters,” IEE Proc. Control Theory Application, vol. 142, no. 1, January 1995, doi: 10.1049/ip-cta:19951614.
_||_[1] N. F. Palumbo, R. A. Blauwkamp and J. M. Lloyd, “Modern Homing Missile Guidance Theory and Techniques,” Johns Hopkins APL Technical Digest, vol. 29, no. 1, 2010.
[2] H. Shi, Z. Chen, J. Zhu and M. Kuang, “Model Predictive Guidance for Active Aircraft Protection from a Homing Missile,” IET Control Theory & Applications, vol. 16, no. 2, pp. 208-218, January 2022, doi: 10.1049/cth2.12218.
[3] C. F. Lin, Integrated, Adaptive, and Inteligent Navigation, Guidance, and Control Systems Design. Prentice-Hall, 1991.
[4] C. F. Lin, Modern Navigation, Guidance, and Control Processing, Prentice-Hall. Inc., 1991.
[5] J. H. Oh and I. J. Ha, “Capturability of the 3-Dimensional Pure PNG Law,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 35, no. 2, April 1999, doi: 10.1109/7.766931.
[6] S. H. Song and I. J. Ha, “A Lyapunov-Like Approach to Performance Analysis of 3-Dimensional Pure PNG Laws,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 30, no. 1, January 1994, doi: 10.1109/7.250424.
[7] R. G. Brown and P. Y. C. Hwang, Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filter, John Wiley & Sons, Inc., 1997 (Third Edition).
[8] Y. Kim and J. H. Seo, "The realization of the three dimensional guidance law using modified augmented proportional navigation," Proceedings of 35th IEEE Conference on Decision and Control, December 1996, pp. 2707-2712, vol. 3, doi: 10.1109/CDC.1996.573514.
[9] P. L. Vergez, “Tactical Missile Guidance with Passive Seekers Under High Off-Boresight Launch Conditions,” AIAA Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 21, no. 3, May-June 1998, doi: 10.2514/2.4259.
[10] P. L. Vergez and R. K. Liefer, “Target Acceleration Modeling for Tactical Missile Guidance,” AIAA Journal of Guidance, Vol. 7, No. 3, May-June 1984, doi: 10.2514/3.19861.
[11] C. K. Chui and G. Chen, Kalman Filtering, Springer-Verlag, 1987.
[12] H. W. Sorenson, Kalman Filtering : Theory and Application, IEEE Press, 1985.
[13] N. Peach, “Bearings-Only Tracking Using a Set of Range-Parameterised Extended Kalman Filters,” IEE Proc. Control Theory Application, vol. 142, no. 1, January 1995, doi: 10.1049/ip-cta:19951614.