УСТРОЙСТВО ОТОЖДЕСТВЛЕНИЯ НАБОРОВ ДАННЫХ
DEVICE OF DATA SETS IDENTIFICATION

Изобретение относится к вычислительной технике и радиолокации и может быть использовано в многопозиционных угломерных системах.
Прототипом заявленного устройства выбрано устройство отождествления наборов данных [1]. Недостатком прототипа является ограничение его функциональных возможностей, так как известное устройство отождествления наборов данных не позволяет производить отождествление наборов данных с высокой степенью достоверности для случая, когда азимут α и угол места β близки к значению , l={1, 2, …}.
Задача заявляемого изобретения - создание устройства отождествления наборов данных с высокой степенью достоверности процедуры отождествления.
Задача достигается тем, что устройство отождествления наборов данных содержит генератор импульсов, синхронизатор, четыре сверхоперативных блока памяти, два формирователя инвариантов, два преобразователя кодов, два буферных блока памяти, блок сравнения кодов, блок сравнения с порогом, при этом выход генератора импульсов соединен со входом синхронизатора, первый выход синхронизатора соединен с входом первого, второго, третьего, четвертого сверхоперативных блоков памяти, второй выход синхронизатора соединен со входом первого, второго преобразователей кодов, третий выход синхронизатора соединен с третьим входом первого буферного блока памяти, четвертый выход синхронизатора соединен с третьим входом второго буферного блока памяти, пятый выход синхронизатора соединен с третьим входом блока сравнения кодов, шестой выход синхронизатора соединен со входом генератора импульсов, выход первого сверхоперативного блока памяти соединен с первым входом первого формирователя инвариантов, выход второго сверхоперативного блока памяти соединен со вторым входом первого формирователя инвариантов, выход третьего сверхоперативного блока памяти соединен с первым входом второго формирователя инвариантов, выход четвертого сверхоперативного блока памяти соединен со вторым входом второго формирователя инвариантов, выход первого формирователя инвариантов соединен с первым входом первого буферного блока памяти, выход второго формирователя инвариантов соединен с первым входом второго буферного блока памяти, выход первого преобразователя кодов соединен со вторым входом первого буферного блока памяти, выход второго преобразователя кодов соединен со вторым входом второго буферного блока памяти, выход первого буферного блока памяти соединен со вторым входом блока сравнения кодов, выход второго буферного блока памяти соединен с первым входом блока сравнения кодов, выход блока сравнения кодов соединен со входом блока сравнения с порогом, выход которого является выходом устройства отождествления наборов данных.
Новизна заявленного устройства состоит во введении первого и второго формирователя инвариантов и блока сравнения с порогом и исключении первого и второго функциональных преобразователей, что позволяет реализовать инвариантно-групповой алгоритм обработки данных, свободный от недостатков алгоритма обработки данных, реализованного в прототипе [1].
На фиг.1 представлена структурная схема устройства отождествления наборов данных, на фиг.2 - структурная схема формирователя инвариантов, на фиг.3 - структурная схема блока сравнения кодов, на фиг.4 - структурная схема устройства сравнения кодов.
Устройство отождествления наборов данных (фиг.1) содержит генератор импульсов 1, синхронизатор 2, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6 сверхоперативные блоки памяти, первый 7, второй 8 формирователи инвариантов, первый 9, второй 10 преобразователи кодов, первый 11, второй 12 буферные блоки памяти, блок сравнения кодов 13, блок сравнения с порогом 14.
Формирователь инвариантов (фиг.2) содержит первый 15, второй 16, третий 17, четвертый 18 преобразователи кодов, первое 19, второе 23 ПЗУ, первый 20, второй 21, третий 22, четвертый 24 вычислители коэффициентов, вычислитель коэффициента нормировки 25, первый 26, второй 27, третий 28, четвертый 29 вычислители инвариантов, блок формирования вектора инвариантов 30.
11
NN
Блок сравнения кодов (фиг.3) содержит устройства сравнения кодов 31, …, 31.
Устройство сравнения кодов (фиг.4) содержит первый 32, второй 35, третий 38 вычитатели, первый 33, второй 36, третий 39 перемножители, первый 34, второй 37, третий 40 делители, сумматор 41.
На фиг.1 выход генератора импульсов 1 соединен со входом синхронизатора 2, первый выход синхронизатора 2 соединен со входами первого 3, второго 4, третьего 5, четвертого 6 сверхоперативных блоков памяти, второй выход синхронизатора 2 соединен со входами первого 9, второго 10 преобразователей кодов, третий выход синхронизатора 2 соединен с третьим входом буферного блока памяти 11, четвертый выход синхронизатора 2 соединен с третьим входом буферного блока памяти 12, пятый выход синхронизатора 2 соединен с третьим входом блока сравнения кодов 13, шестой выход синхронизатора 2 соединен со входом генератора импульсов 1. Выход сверхоперативного блока памяти 3 соединен с первым входом формирователя инвариантов 7, выход сверхоперативного блока памяти 4 соединен со вторым входом формирователя инвариантов 7, выход сверхоперативного блока памяти 5 соединен с первым входом формирователя инвариантов 8, выход сверхоперативного блока памяти 6 соединен со вторым входом формирователя инвариантов 8. Выход формирователя инвариантов 7 соединен с первым входом буферного блока памяти 11, выход формирователя инвариантов 8 соединен с первым входом буферного блока памяти 12, выход преобразователя кодов 9 соединен со вторым входом буферного блока памяти 11, выход преобразователя кодов 10 соединен со вторым входом буферного блока памяти 12, выход буферного блока памяти 11 соединен со вторым входом блока сравнения кодов 13, выход буферного блока памяти 12 соединен с первым входом блока сравнения кодов 13, выход блока сравнения кодов 13 соединен со входом блока сравнения с порогом 14, выход которого является выходом устройства отождествления наборов данных.
На фиг.2 входы первого 15 и третьего 17 преобразователей кодов соединены с первым входом формирователя инвариантов 7 (формирователя инвариантов 8), входы второго 16 и четвертого 18 преобразователей кодов соединены со вторым входом формирователя инвариантов 7 (формирователя инвариантов 8). Выход преобразователя кодов 15 соединен с третьим входом вычислителя коэффициентов 20, с третьим входом вычислителя коэффициентов 22, выход преобразователя кодов 16 соединен с четвертым входом вычислителя коэффициентов 20, с третьим входом вычислителя коэффициентов 21, выход преобразователя кодов 17 соединен с четвертым входом вычислителя коэффициентов 21, с четвертым входом вычислителя коэффициентов 22, выход преобразователя кодов 18 соединен с пятым входом вычислителя коэффициентов 20, с пятым входом вычислителя коэффициентов 21, с пятым входом вычислителя коэффициентов 22. Первый выход ПЗУ 19 соединен с первым входом вычислителя коэффициентов 21, с первым входом вычислителя коэффициентов 22. Второй выход ПЗУ 19 соединен со вторым входом вычислителя коэффициентов 20, со вторым входом вычислителя коэффициентов 22. Третий выход ПЗУ 19 соединен с первым входом вычислителя коэффициентов 20, со вторым входом вычислителя коэффициентов 21. Выход вычислителя коэффициентов 20 соединен с первым входом вычислителя коэффициентов 24, с третьим входом вычислителя коэффициента нормировки 25, с первым входом вычислителя инвариантов 26. Выход вычислителя коэффициентов 21 соединен со вторым входом вычислителя коэффициентов 24, со вторым входом вычислителя коэффициента нормировки 25, с первым входом вычислителя инвариантов 27. Выход вычислителя коэффициентов 22 соединен с третьим входом вычислителя коэффициентов 24, с первым входом вычислителя коэффициента нормировки 25, с первым входом вычислителя инвариантов 28. Выход ПЗУ 23 соединен с четвертым входом вычислителя коэффициентов 24. Выход вычислителя коэффициентов 24 соединен со вторым входом вычислителя инвариантов 29. Выход вычислителя коэффициента нормировки 25 соединен со вторым входом вычислителя инвариантов 26, со вторым входом вычислителя инвариантов 27, со вторым входом вычислителя инвариантов 28, с первым входом вычислителя инвариантов 29. Выход первого 26, второго 27, третьего 28, четвертого 29 вычислителей инвариантов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока формирования вектора инвариантов 30, выход которого является выходом формирователя инвариантов.
11
NN
1m
Nm
11
NN
n1
nN
11
NN
На фиг.3 на первые входы устройств сравнения кодов 31, …, 31 поступают инварианты, вычисленные формирователем инвариантов 8, причем вектор инвариантов, соответствующий m-му пеленгу, поступает на первый вход устройств сравнения кодов 31, …, 31, . На вторые входы устройств сравнения кодов 31, …, 31 поступают инварианты, вычисленные формирователем инвариантов 7, причем вектор инвариантов, соответствующий n-му пеленгу, поступает на второй вход устройств сравнения кодов 31, …, 31, . Совокупность выходов устройств сравнения кодов 31, …, 31 образует выход блока сравнения кодов.
На фиг.4 выход вычитателя 32 соединен с первым и вторым входами перемножителя 33. Выход перемножителя 33 соединен со входом делителя 34, выход которого соединен с первым входом сумматора 41. Выход вычитателя 35 соединен с первым и вторым входами перемножителя 36. Выход перемножителя 36 соединен со входом делителя 37, выход которого соединен со вторым входом сумматора 41. Выход вычитателя 38 соединен с первым и вторым входами перемножителя 39. Выход перемножителя 39 соединен со входом делителя 40, выход которого соединен с третьим входом сумматора 41. Выход сумматора 41 является выходом устройства сравнения кодов.
Заявленное устройство на базе совокупности инвариантов реализует инвариантно-групповой алгоритм отождествления наборов данных, обеспечивающий вычислительную корректность и высокую достоверность процедуры отождествления.
1
2
n
1
2
i
i
i
i
n
in
in
Пусть имеется два пеленгатора (П и П) и одна цель (Ц),  (N - число целей в секторе обзора многопозиционной угломерной системы (МУС)). В декартовой системе координат XYZ положение П и П задается векторами  и  соответственно. С каждым П (i∈{1, 2}) связана местная система координат XYZ, по отношению к которой пеленги Ц задаются азимутом α и углом места β. Соответствующие оси базовой и местных систем координат будем считать коллинеарными. Геометрия задачи представлена на фиг.5.
1
2
n
i
i
i
Введем в рассмотрение вектор , характеризующий взаимную пространственную привязку П и П, а также единичный вектор  указывающий направление на Ц по отношению к местной системе координат XYZ (см. фиг.6), где , .
Зная ,  и  можно записать уравнение плоскости
где
Перейдем к нормальному уравнению плоскости
где
n
1
2
По аналогии с [6] величины , ,  и  можно рассматривать в качестве инвариантов, то есть функций, значения которых остаются неизменными при подстановке в них пеленгов Ц, полученных с различных точек визирования, лежащих на одной прямой ПП. Однако следует помнить, что среди элементов ,  и  уравнения (3), (4) независимыми являются только два элемента (в силу условия нормировки ), поэтому максимальное число независимых инвариантов, порождаемых нормальным уравнением плоскости, не превышает трех.
В дальнейшем для решения задачи отождествления пеленгов в МУС будем использовать вектор инвариантов , компонентами которого могут быть любые элементы множества {, , , }, при этом L=3.
Решение о принадлежности пеленгов к одной и той же Ц принимается на основе следующего решающего правила (без учета ошибок пеленгования):
где  - некоторая норма (например, евклидова).
Основные трудности отождествления пеленгов возникают при наличии ошибок измерений и достаточно плотном расположении Ц в секторе обзора МУС. Учитывая случайный характер ошибок измерений, алгоритм отождествления пеленгов сводится к следующему правилу:
где , ε - порог отождествления (ε>0).
1
2
Для евклидовой нормы средневзвешенный квадрат расстояния, характеризующего меру отождествления пеленгов, измеренных пунктами П и П, равен
где  - корреляционная матрица ошибок вычисления вектора инвариантов , которую для простоты примем диагональной. Конкретизируя выражение (7) для вектора инвариантов, состоящего, например, из компонент , , , получаем следующее выражение для евклидовой нормы
in
in
Сравнительный анализ развитого метода с известным подходом к отождествлению наборов данных [6], основанным на использовании инварианта - тангенса угла наклона плоскости, проходящей через Ц и базу МУС, показывает, что при углах α и β, близких  (где l={1, 2, …}), существенно ухудшается качество отождествления, и метод, развитый в [6], становится некорректным с вычислительной точки зрения для данных условий наблюдения.
Если ограничиться рассмотренным случаем и первым инвариантом множества {, , , }, то получим
2
2
in
in
Из анализа выражения (9) следует, что развитый метод неработоспособен лишь в случае, когда 1-sinαcosβ=0, i=1, 2, что возможно только при одновременном выполнении двух условий:  и  где l∈{1, 2, …}. Данный случай возможен, когда вектора  и  коллинеарны, при этом уравнение плоскости (3), (4) становится некорректным. Поскольку для практики такой случай является скорей исключением, чем правилом, то можно утверждать, что развитый метод является корректным для всех возможных случаев функционирования МУС.
Применение новых инвариантов приводит к повышению достоверности отождествления. Кроме того, применение векторного инварианта
где L=3, также позволяет повысить данную характеристику МУС.
Устройство отождествления наборов данных работает следующим образом.
1n
1n
2n
2n
1n
1n
2n
2n
В исходном состоянии в блоки памяти 3 и 4 записаны коды, значения которых соответствуют измеренным на первом приемном пункте значениям азимута α и угла места β соответственно, а в блоки памяти 5 и 6 - коды, значения которых соответствуют измеренным на втором приемном пункте значениям азимута α и угла места β соответственно. Число пар (α, β), (α, β) равно числу объектов N в секторе обзора. Очередность занесения этих кодов в блоки соответствует очередности их получения на приемных пунктах (цепи загрузки кодов в блоки не показаны).
Цикл обработки информации выполняется по сигналам из синхронизатора 2 в следующем порядке.
По сигналу, поступающему с первого выхода синхронизатора 2 на входы блоков 3-6, производится из блоков 3-6 вызов кодов, соответствующих значениям азимута и угла места, в формирователи инвариантов 7 и 8, в которых вычисляется значение инварианта соответственно для первого и второго пунктов.
Формирователь инвариантов 7 (8) работает следующим образом.
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
in
Поступившие на первый вход формирователя инвариантов с выхода сверхоперативного блока памяти коды, пропорциональные значениям азимута α, подаются на входы преобразователей кодов 15, 17, а поступившие на второй вход формирователя инвариантов с выхода сверхоперативного блока памяти коды, пропорциональные значениям угла места β, подаются на входы преобразователей кодов 16, 18. Преобразователи кодов 15, 17 реализуют математическую операцию sinα и cosα соответственно, а преобразователи кодов 16, 18 - математическую операцию sinβ и cosβ соответственно. Коды, полученные на выходах блоков 15-18, а также записанные в ПЗУ 19 коды, пропорциональные значениям вектора , поступают на входы вычислителей коэффициентов 20-22 таким образом, чтобы обеспечить формирование коэффициентов A, B, C по правилу (2). С выходов блоков 20, 21, 22 коды, пропорциональные соответственно значениям коэффициентов A, B, C, поступают на первый, второй, третий входы блока 24 соответственно. Коды, пропорциональные значениям вектора , подаются из ПЗУ 23 на четвертый вход блока 24. В блоке 24 по правилу (2) происходит формирование коэффициента D. Сформированные в блоках 20-22 коэффициенты A, B, C поступают также на третий, второй и первый входы блока 25 соответственно, где происходит вычисление коэффициента нормировки . Коды, пропорциональные значениям коэффициентов A, B, C, D, поступают также на первые входы блоков 26, 27, 28 и четвертый вход блока 29 соответственно. Код, пропорциональный значению коэффициента нормировки, с выхода блока 25 поступает на вторые входы блоков 26, 27, 28 и на первый вход блока 29. В блоках 26-29 происходит вычисление инвариантов по правилу (4). С выходов блоков 26, 27, 28, 29 сформированные инварианты поступают соответственно на первый, второй, третий и четвертый входы блока формирования вектора инвариантов 30. В блоке 30 формирователя инвариантов 7 и в блоке 30 формирователя инвариантов 8 из четырех инвариантов , , ,  происходит формирование трехкомпонентного вектора инвариантов  Правило формирования трехкомпонентного вектора инвариантов может быть любым из трех возможных:  но обязательно одновременно одинаковым в обоих блоках 30 формирователя инвариантов 7 и формирователя инвариантов 8. Выход блока 30 образует выходную шину формирователя инвариантов, по которой передается код, пропорциональный значению вектора инвариантов .
Вычисленные значения вектора инвариантов  из формирователей инвариантов 7 и 8 записываются соответственно в блоки 11 и 12 по адресам, поступающим по второму входу каждого из них от блоков 9, 10 соответственно. Запись в блоки 11, 12 происходит по тактовому импульсу, поступающему с третьего и четвертого выходов синхронизатора на третьи входы блоков 11 и 12 соответственно.
Внутренняя структура и порядок функционирования блоков 9, 10, а равно и блоков 11, 12 заявляемого устройства отождествления наборов данных аналогичны прототипу. Запись информации в блоки производится последовательно, а считывание - параллельно. Этот циклический процесс повторяется до тех пор, пока не будут обработаны массивы данных, записанные в блоках 3-6 для всех N объектов.
11
NN
Каждое значение каждого вектора инвариантов , соответствующего пеленгам на первом приемном пункте, записанное в блоке 11, сравнивается с каждым значением каждого вектора инвариантов , соответствующего пеленгам на втором приемном пункте, записанным в блоке 12, в соответствующих устройствах сравнения кодов 31, …, 31.
Устройство сравнения кодов, реализующее оценку по евклидовой норме (для вектора инвариантов, состоящего, например, из компонент , , ), работает следующим образом.
На первые входы первого 32, второго 35, третьего 38 вычитателей поступает код, пропорциональный трехкомпонентному вектору инвариантов , сформированному в блоке 8, причем первая, вторая и третья компонента вектора инвариантов поступает на первые входы блоков 32, 35, 38 соответственно. На вторые входы первого 32, второго 35, третьего 38 вычитателей поступает код, пропорциональный трехкомпонентному вектору инвариантов , сформированному в блоке 7, причем первая, вторая и третья компонента вектора инвариантов поступает на вторые входы блоков 32, 35, 38 соответственно. Таким образом, на выходе вычитателей 32, 35, 38 имеем коды, пропорциональные соответственно , , . В блоках 33, 36, 39 происходит возведение в квадрат величин , , соответственно. Коды, пропорциональные , , , с выходов перемножителей 33, 36, 39 поступают на входы делителей 34, 37, 40 соответственно. В блоках 33, 36, 39 происходит деление соответственно на величины , , , характеризующие ошибки вычисления вектора Δ. Коды, пропорциональные величинам , , , поступают с выходов блоков 34, 37, 40 на первый, второй, третий входы сумматора 41 соответственно, на выходе которого формируется код, пропорциональный величине меры отождествления пеленгов в соответствии с (8). С выхода сумматора 41, который является выходом блока сравнения кодов 13, сформированный код поступает на вход блока сравнения с порогом 14.
В блоке 14 для каждой пары пеленгов в соответствии с решающим правилом (6) формируются признаки отождествления (логическая «1» при  или логический «0» при ), которые поступают на выход блока сравнения с порогом 14. Выход блока сравнения с порогом 14 является выходом устройства отождествления наборов данных.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР №1654810, G06F, 7/06, 1991.
2. Черняк B.C., Заславский Л.П., Осипов Л.В. Многопозиционные радиолокационные станции и системы // Зарубежная радиоэлектроника. 1987. №1. С.9.
3. Усачев В.А., Федоров И.Б. Отождествление потока объектов в системе измерителей // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1980. №11. С.32.
4. Усачев В.А., Федоров И.Б. Отождествление объектов в независимой совмещенной системе измерителей // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1982. №1. С.89.
5. Булычев Ю.Г., Манин А.П. Математические аспекты определения движения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 2000.
6. Булычев Ю.Г., Таран В.Н. Инвариантно-групповой метод отождествления пеленгов целей в триангуляционных многопозиционных системах пассивной локации // РЭ. 1987. Т.32. №4. С.755.
7. Гильбо Е.П., Челпанов И.Б. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. М.: Сов. радио, 1975.