ITRM970588A1 - Procedimento di guida d'arma mediante stima dello stato del bersaglio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

"PROCEDIMENTO DI GUIDA D'ARMA MEDIANTE STIMA D?LL? STATO DEL BERSAGLIO"

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di guida per armi e pi? specificamente ad un procedimento di guida di precisione per missili antiaereo con l'impiego delle misure dei parametri di assetto del bersaglio per stimare la manovra del bersaglio e di conseguenza controllare la traiettoria di volo del missile.

I sistemi di guida per missili convenzionalmente operano puntando il missile verso la regione dello spazio che si prevede sar? occupata dal bersaglio a seguito dell'intervallo richiesto per il volo del missile. E' ovviamente futile puntare il missile dove il bersaglio si trova in quel momento, poich? esso si sposter? verso un'altra posizione successivamente all'impegno. I sistemi correnti si basano su un modello semplificato di comportamento del bersaglio, vale a dire che esso si muove con velocit? costante oppure . possibilmente con accelerazione costante. In questi sistemi, quando il bersaglio esegue delle manovre, il missile conseguentemente dovr? manovrare in modo continuo durante l'impegno per seguire il punto di intercettazione previsto mobile, sprecando una quantit? utile di combustibile per contrastare la resistenza alla manovra e scaricandosi cos? nel corso del procedimento.

Nell'area dei sistemi di guida per missili, ? di importanza vitale che ad un missile sia disponibile una grande quantit? di informazioni relative al comportamento del bersaglio allo scopo di assicurare un centro accurato. Lo scopo principale dell'invenzione ? di guidare un missile in collisione con un bersaglio che pu? stare eseguendo manovre violente per evitare di essere colpito, in maniera accurata ed efficiente. Essa concerne la stima degli stati missile-bersaglio in una guida di precisione del missile, mentre si trova in ambiente ostile, contro un bersaglio che non coopera. I sistemi convenzionali non possono far fronte ad un tale scenario.

Lo scopo dell'invenzione ? di superare questi problemi e di consentire che le manovre del bersaglio vengano prese in considerazione nella guida del missile, utilizzando le informazioni sullo stato della manovra per controllare o guidare il missile in modo da intercettare il bersaglio.

L'invenzione comprende un'arma guidata comprendente mezzi per stimare i parametri di un bersaglio, incluso il suo assetto, e per utilizzare questi parametri in un sistema di controllo per guidare detta arma in modo da colpire detto bersaglio .

In una preferita forma di realizzazione, la velocit? di variazione dell'assetto del bersaglio viene anche determinata in modo da fornire informazioni pi? dettagliate sulla manovra del bersaglio, permettendo cos? di ottimizzare ancora ulteriormente le leggi di controllo. Ci? pu? essere eseguito determinando l'assetto ad intervalli di tempo regolari; ci? ha l'effetto anche di eliminare le ambiguit? nella determinazione dell'assetto.

Il preferito procedimento per determinare questi parametri consiste nell'impiego delle tecniche di formazione delle immagini/ in modo da svolgere il compito di accurato riconoscimento di un bersaglio e stima del suo assetto approssimato e del suo stato di manovra. Esso pu? fornire al missile la distanza del bersaglio/ la velocit? di variazione della distanza e la velocit? del bersaglio. In accordo con ci?r il missile dispone di mezzi per formare l'immagine del bersaglio e, mediante analisi dell'immagine a 2-d, si pu? modellare il comportamento a 3-d del bersaglio (vale a dire il suo assetto). Ci? viene effettuato in conformit? all'invenzione mediante il confronto dell'immagine del bersaglio a 2-d con immagini fornite da una libreria di immagini modello che presentano ad esse assegnati i dati di tipo del bersaglio e di assetto, e mediante, la selezione dell'immagine di massima somiglianza in modo tale che si possano identificare il tipo e l'assetto di massima probabilit? del bersaglio.

Questo procedimento di formazione delle immagini preferibilmente subisce un processo di scalatura o demoltiplicazione, per cui la libreria delle immagini modello o delle immagini del bersaglio sia riportata alla stessa area. Ci? non soltanto agevola lo stadio di confronto, ma permette anche di richiesto grado di demoltiplicazione o scalatura. L'assetto del bersaglio, come anche la distanza sono inoltre determinati per via passiva. La semplice possibilit? di rilevamento passivo della distanza ? un passo molto significativo sulla linea della tecnica di guida di precisione, perch? l'incertezza sulla distanza missile-bersaglio ? sempre stata un blocco di impedimento nel passato.

La modellazione dinamica del movimento in tre dimensioni (3D) di questi punti, ed il procedimento di formazione delle immagini da 3D a 2D, permette di stimare lo stato di manovra del bersaglio, per fornire una accurata previsione della mancata intercettazione a sforzo zero dipendente dalla manovra, vale a dire la mancata intercettazione che si verificher? se i comandi di guida del missile vengono impostati a zero e gli stati di manovra del bersaglio dovessero rimanere costanti dal tempo corrente in poi - la situazione ideale dal punto di vista del missile. Il missile pu? essere guidato nella maniera ottimale in modo da portare a zero questa previsione. Ci? si traduce in una elevatissima precisione dipendente dalla risoluzione di formazione delle immagini del dispositivo di ricerca passivo.

Il confronto delle immagini ? preferibilmente un procedimento basato sui punti in cui l'immagine bersaglio e nelle immagini dei modelli di libreria sono confrontate mediante la loro codificazione come una serie di raggi radiali da un punto di centroide delle immagini. Questo procedimento converte le immagini in una serie di raggi radiali che si estendono da detto centroide fino a punti sulla periferia dell'immagine. La serie dei raggi (immagini codificate tramite i raggi) viene impostata (visualizzata) come istogrammi. Ci? fornisce vantaggiosamente un semplificato procedimento di confronto matematico che ? accurato, rapido ed efficace. In aggiunta, i problemi di rotazione e di posizione dell'immagine nel campo di vista vengono pi? facilmente affrontati.

Ancora in una ulteriore preferita forma di realizzazione, una volta che il 'sistema abbia selezionato una (o pi?) immagine probabile dalla libreria delle immagini modello (e cos? un assetto probabile del bersaglio), pu? essere incorporata una ulteriore operazione di sintonizzazione di precisione con la quale le differenze fra l'immagine modello selezionata e l'immagine del bersaglio pu? essere usata per migliorare ulteriormente la qualit? della stima dell'assetto del bersaglio. Il confronto delle differenze, in base ad un aspetto dell'invenzione, viene eseguito dallo stesso tipo di procedimento di codificazione a raggi che era stato eseguito nel primo stadio. Se ci? si verifica in pratica, il procedimento di codificazione per raggi usato nella seconda "sintonizzazione di precisione" preferibilmente codifica un minor numero di raggi e soltanto fino ai vertici delle immagini. Ci? si traduce in un funzionamento pi? rapido, poich? la codificazione dei vertici dell'immagine fornisce dati maggiormente variati per alcuni raggi; essi identificano le caratteristiche del bersaglio, per esempio l'ogiva di coda.

I residui di misura che sono ottenuti da questo confronto vengono quindi usati per determinare pi? accuratamente l'assetto del bersaglio. Quest'ultima operazione pu? essere eseguita con appropriati procedimenti numerici, per esempio utilizzando i residui per pilotare un filtro di Kalman esteso.

Queste stime, unite a quelle della velocit? di variazione inerziale della linea - di - vista (LOS) missile-bersaglio, generata dal filtro, e la appropriata conoscenza della risposta cinematica del bersaglio permettono di prevedere accuratamente la mancata intercettazione a sforzo zero dipendente dalla manovra. Utilizzando questa previsione in una legge di controllo ottimale/ si ottiene una distanza di mancata intercettazione molto piccola che pu? essere mantenuta anche in estreme circostanze.

L'invenzione verr? ora descritta in ulteriore dettaglio e soltanto a titolo di esempio e con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 illustra la tecnica di riconoscimento dei bersagli mediante codificazione a raggi e confronto,

la figura 2 mostra il procedimento di codificazione a raggi,

la figura 3 illustra un istogramma della lunghezza normalizzata dei raggi,

la figura 4 mostra l'immagine binaria del bersaglio di modello con le caratteristiche prominenti marcate per la regione di codificazione, la figura 5 rappresenta la codificazione normalizzata a raggi dell'immagine, con le caratteristiche prominenti marcate,

la figura 6 rappresenta le immagini del modello e del bersaglio reale,

la figura 7 rappresenta le codificazioni a raggi normalizzate del bersaglio reale e del modello.

Nei sistemi di guida per missili, lo scopo fondamentale ? di portare il missile in collisione con il bersaglio, che pu? effettuare delle manovre violente per evitare di essere colpito. E' naturalmente futile puntare il missile dove il bersaglio si trova "in quel momento", poich? esso si sposter? successivamente a seguito dell'impegno, ed il missile di conseguenza dovr? manovrare continuamente durante l'impegno per inseguire il punto di bersaglio mobile, sprecando il combustibile per effetto della resistenza incontrata nella manovra di contrasto e scaricandosi definitivamente. Piuttosto, la guida dovrebbe portare il missile in avanti nella regione dello spazio che il bersaglio occuper? a seguito dell'intervallo di tempo richiesto per il volo del missile. Nel caso in cui il missile non si muova a velocit? costante, il calcolo del punto di puntamento non ? diretto e si presenta altamente difficile; anche in tal caso esso pu? non essere affidabile. L'invenzione determina l'assetto del bersaglio ed utilizza questa informazione per guidare il missile in modo da intercettare accuratamente la regione che il bersaglio occuper? assicurando un pi? affidabile colpo a centro. L'assetto dell'aeromobile senza una capacit? di spinta direzionale variabile indica la direzione di movimento dell'aeromobile. L'invenzione comprende mezzi per determinare l'assetto di un bersaglio e per utilizzare questa informazione per il controllo di guida del missile nella maniera ottimale contro il bersaglio. In aggiunta, se i dati di assetto vengono prelevati ad intervalli, allora la variazione di assetto pu? comportare un miglioramento dei dati di manovra in modo da fornire un sistema di guida passivo ancora pi? accurato, in grado di guidare un missile di intercettazione su un percorso di collisione diretta che tiene conto della manovra corrente del bersaglio. Pertanto, migliorate forme di realizzazione dell'invenzione consentono di stimare, in aggiunta alla posizione, anche la velocit? di variazione dell'assetto e la accelerazione inerziale di un bersaglio di manovra aerotrasportato, dalle successive misure dell'assetto del bersaglio. Insieme con le stime della rotazione inerziale della linea di puntamento che collega il missile ed il bersaglio, queste stime consentono una guida di elevatissima precisione del missile di intercettazione anche in condizioni di severa manovra del bersaglio.

In una pratica manifestazione di questa forma di realizzazione dell'invenzione, i seguenti parametri, in aggiunta all'assetto del bersaglio, vengono determinati e usati per controllare il missile per colpire il bersaglio nella maniera ottimale: la distanza dal missile al bersaglio, la velocit? di variazione della distanza dal missile al bersaglio, la velocit? del bersaglio, la velocit? di variazione angolare del bersaglio e la accelerazione del bersaglio.

Nell'esempio specifico riportato al termine della descrizione, i sei parametri di cui sopra possono essere ampliati a dodici parametri non indipendenti (o variabili di stato) che vengono prima determinati e quindi usati nel controllo di guida del missile. Queste dodici variabili quantificano la manovra e gli stati di distanza del bersaglio in relazione al missile ed in questo caso possono essere riferiti come il vettore di stato. Ad esse viene fatto riferimento in maggiore dettaglio nel seguito della presente descrizione, insieme con la loro mutua relazione ed applicazione nella guida di controllo dei missili. Questo vettore di stato ? dato da:

x = [? ? (Dsy CDSZ y ? a ffltx Oty <Dtz p ?]?

La determinazione dell'assetto del bersaglio, come anche di altri parametri, viene realizzata in conformit? ad una preferita forma di realizzazione dell'invenzione attraverso l'impiego delle tecniche di formazione delle immagini. La modellazione delle immagini a 2D nel movimento a 3D del bersaglio permette di stimare lo stato di manovra del bersaglio. Allo scopo di far ci?, il missile contiene mezzi per formare l'immagine del bersaglio, la quale immagine ? una raccolta a 2D di pixel attivi, ovvero un "blob" sul piano focale. Il missile ha facilit? di analisi dell'immagine che permette di "comprendere" l'assetto a 3D del bersaglio dall'immagine a 2-d, mediante un conveniente procedimento di modellazione, in cui l'immagine a 2-d del bersaglio viene confrontata con una serie di immagini modello memorizzate (la libreria) che rappresenta i diversi tipi di bersaglio con diversi assetti. Il confronto viene quantificato e cos? permette di determinare uno o pi? probabili assetti del bersaglio. Le tecniche preferite in questo caso sono descritte nel seguito e mostrano il modo in cui le immagini del bersaglio e del modello possono essere confrontate utilizzando una "codificazione a raggi" ed una metodologia di confronto, in modo che si possa stabilire l'assetto del bersaglio.

Procedimento di confronto delle immagini mediante codificazione a raggi ad intervalli angolari

In conformit? ad un procedimento di confronto delle immagini del bersaglio e delle immagini della libreria o biblioteca dei modelli per determinare il loro assetto e la loro variazione, vengono eseguite le seguenti operazioni:

a) generare una immagine a 2-d del bersaglio, b) da un punto di detta immagine (per esempio il centroide) codificare segmenti di raggi radiali con un certo numero di angolazioni a partire da detto centroide fino alla periferia di detta immagine, c) scalare dette lunghezze dei raggi, in modo tale che l'immagine del bersaglio da esse derivata sia di area equivalente a quella derivata dalle codificazioni del modello,

d) confrontare dette codificazioni dei raggi con una serie di codificazioni di raggi del modello, dette codificazioni del modello essendo modellate dalle immagini di diversi tipi di bersagli con diversi assetti, e

e) formulare da detta operazione d) uno o pi? probabili assetti del bersaglio.

Questo procedimento verr? nel seguito riferito in maggiore dettaglio con riferimento alle figure 1, 2 e 3.

Con riferimento alla figura 1, una immagine di un bersaglio viene generata per mezzo di un dispositivo di ricerca formatore di immagini 1 e viene alimentata ad un codificatore a raggi 2 il quale codifica l'immagine del bersaglio come una serie di raggi. Un tipico numero di raggi generati ? 64 ovvero 2% in cui n ? un qualsiasi numero intero. Un comparatore 4 confronta le codificazioni dei raggi con una serie di codificazioni delle immagini di modelli da una biblioteca o libreria 3 di codificazioni di raggi per vari tipi di bersaglio e con diversi assetti (ci? verr? ulteriormente spiegato nel seguito).

Nella figura 2 rappresenta il modo in cui questa operazione viene eseguita: il codificatore a raggi codifica il centroide dell'area dell'immagine 5 del bersaglio e quindi estende i raggi 6, ad intervalli angolari regolari, fino al confine 7 dell'immagine. Le lunghezze dei singoli raggi sono normalizzate tramite la radice quadrata della somma delle lunghezze dei raggi al quadrato. Il procedimento di normalizzazione (operazione c) assicura che l'immagine del bersaglio abbia un'area identica a quella delle immagini di modello codificate nella biblioteca.

Ci? ? visualizzato dalla figura 3, in cui le codificazioni dei raggi normalizzate sono riportate in un grafico sotto forma di istogramma. Il fattore di normalizzazione ? una misura della dimensione dell'immagine ed ? in relazione inversa alla distanza del bersaglio. Quindi, pu? cos? essere determinata la distanza del bersaglio, inoltre ci? pu? essere effettuato in maniera passiva. L'istogramma codificato a raggi ? una firma o "impronta" del bersaglio. Esso rimane invariante rispetto alla posizione del bersaglio (posizione nel campo di vista) ed anche rispetto alla grandezza (quindi alla distanza del bersaglio) ed a condizione che l'originale di numerazione dei raggi sia appropriatamente scelta in confronto alla rotazione del dispositivo di ricerca formatore di immagini nel piano focale.

Una o pi? immagini simili a quella del bersaglio vengono selezionate da una biblioteca o libreria 3 di codificazioni a raggi. Ci? viene effettuato confrontando la codificazione a raggio con una libreria o raccolta di codificazioni a raggi in un comparatore 4 per vari bersagli con vari assetti e selezionando gli inserimenti nella raccolta che presentano il migliore possibile adattamento entro certi limiti di tolleranza, ipotesi sul tipo di bersaglio e suo assetto. Dovrebbe essere compreso dalle persone esperte nel ramo che tali confronti possono essere eseguiti con un qualsiasi conveniente procedimento numerico mediante la implementazione di calcolatori. La propriet? di invarianza della codificazione a raggi rimuove la necessit? che la libreria o raccolta contenga codificazioni di immagini con diversi posizioni, scale e rotazioni all'interno del campo di vista e riduce notevolmente il volume dello spazio di ricerca di identificazione rispetto al caso non codificato.

In aggiunta, dopo aver ottenuto le immagini della biblioteca che presentano la massima somiglianza con l'immagine del bersaglio, le differenze fra le immagini (di modello) della libreria selezionate e l'immagine del bersaglio possono anche essere usate per ricavare una stima pi? accurata dell'assetto. Questo secondo confronto pu? ancora essere eseguito con un qualsiasi conveniente procedimento numerico. In pratica, le immagini di bersaglio selezionate e reali possono essere confrontate prendendo in considerazione le differenze delle codificazioni a raggi, cos? come codificate oppure mediante ricodificazione delle immagini con l'impiego di un diverso regime di codificazione a raggi. Ci? verr? spiegato nel seguito. Le differenze dal confronto fra le immagini scelte e le immagini del bersaglio possono essere usate come un resto di misura per un filtro Kalman a 12 stati che stima il vettore di stato di guida del missile.

Se la procedura di cui sopra viene eseguita ad intervalli regolari {per esempio ogni 0,01 secondi), quindi, le informazioni passate possono essere usate per determinare la velocit? di variazione dell'assetto. Le ultime N (un qualsiasi numero intero) stime {letture del vettore di stato) possono essere usate e si pu? applicare una conveniente analisi basata sull'adattamento ottimale per effettuare questa operazione. In aggiunta, la precedente determinazione dell'assetto e della sua velocit? di variazione pu? essere usata per eliminare gli assetti falsamente identificati del bersaglio. Per esempio, la silouette di un aeroplano con diversi assetti ma ruotata di 180? pu? essere identica in certe circostanze, comportando una ambiguit?. I parametri o piuttosto le variabili di stato delle precedenti determinazioni possono pertanto essere usati in aggiunta per ottenere il valore pi? probabile accurato e suscettibile che ha risolto questa ambiguit?.

La distanza e la velocit? di variazione della distanza del bersaglio sono osservabili attraverso le misurazioni di posizione delle caratteristiche dell'immagine, che sono in relazione con la distanza del bersaglio attraverso la grandezza dell'immagine. Procedimento di confronto di immagini mediante codificazione a raggi sui vertici

Questo procedimento ? simile a quello precedentemente descritto, per? utilizza un procedimento di identificazione basato su un modello per identificare le posizioni di immagini a due dimensioni (2D) dei punti che rappresentano le caratteristiche estreme del bersaglio, per esempio le punte delle ali, la punta di testa e le punte dei piani stabilizzatori. L'immagine pu? essere considerata come avente una serie di punti di vertice; il procedimento associa tali punti di vertice con questi punti caratteristici. La figura 4 rappresenta le caratteristiche prominenti di un modello di bersaglio 8 marcato dalla regione a raggi. Invece di prendere le lunghezze dei raggi ad intervalli angolari regolari, questo procedimento di codificazione a raggi codifica i raggi fino ai vertici dell'immagine, che in pratica saranno i punti caratteristici, come le punte 9, 19 delle ali, coda e piani stabilizzatori 12 e punta di .testa 11. La figura 4 mostra la codificazione a raggi normalizzata dell'immagine con caratteristiche prominenti, per esempio le ali di destra e di sinistra 9 e 10, la punta 11 e i piani stabilizzatori 12. Il procedimento di associazione, in cui un gruppo di "corrispondenti" pixel attivi nell'immagine del bersaglio e nell'immagine del modello sono sottoposti a ricerca ed a confronto, in linea essenziale identifica una caratteristica dell'immagine del bersaglio che giace sul confine dell'immagine e quindi tenta di trovare una simile caratteristica di confine nell'immagine di modello. In linea essenziale, questa operazione viene eseguita attraverso lo stesso procedimento di codificazione a raggi come prima, eccetto per il fatto che i raggi vengono presi soltanto fino ai vertici dell'immagine piuttosto che ad intervalli regolari .

L'origine per misurare la posizione di ciascun vertice caratteristico pu? essere il centroide oppure un punto del sedile dei piloti, quest'ultimo essendo il punto sul quale il missile pu? essere fatto rientrare al punto di partenza.

Ancora, in aggiunta, una volta che sono state ottenute le immagini selezionate del modello, che presentano la massima somiglianza con l'immagine del bersaglio, le differenze fra le immagini di libreria selezionate (modello) e le immagini di bersaglio possono anche essere usate per ottenere una stima pi? accurata dell'assetto del bersaglio. Questo secondo confronto pu? ancora essere eseguito con un qualsiasi conveniente procedimento numerico; per esempio, una qualsiasi lieve differenza fra di essi pu? anche essere usata come un residuo di misura per un filtro Kalman a 12 stati che stima il vettore di stato di guida del missile.

Ottenimento di una stima migliorata mediante ulteriore confronto delle immagini di bersaglio e di modello scelte

Il primo dei sopra descritti procedimenti ? molto robusto, in altre parole ? molto elevata la probabilit? che l'assetto calcolato sia corretto. Il secondo procedimento non ? altrettanto robusto, ma ? pi? rapido. In ambedue i procedimenti summenzionati, ? stato brevemente ricordato che, una volta che una immagine di modello sia stata selezionata dalla libreria (stadio di "booting-up"), le differenze fra questa e l'immagine di bersaglio possono essere analizzate per migliorare ulteriormente la precisione dei dati di assetto (sintonizzazione fine). Quanto segue descrive una preferita forma di realizzazione per mezzo della quale l'assetto del bersaglio viene accuratamente determinato . per mezzo di un procedimento a due stadi che comprende l'uso di un procedimento di codificazione a raggi della classe del bersaglio e l'assetto approssimato oppure l'assetto pi? probabile del bersaglio (uno stadio di "booting-up") ed impiegando il secondo procedimento di formazione dell'immagine come uno stadio di sintonizzazione di precisione che calcola pi? precisamente l'assetto di un aeroplano. In altre parole, il primo procedimento pu? essere usato per selezionare un tipo di modello di bersaglio ed una immagine del modello simile per assetto all'immagine del bersaglio. Si ottiene cos? una stima dell'assetto. Il secondo procedimento viene quindi usato per ottenere una stima pi? accurata del suo assetto. Misurando le posizioni dei pixel nell'immagine associata a queste caratteristiche e mettendo le misurazioni in relazione con l'assetto del bersaglio, si possono stimare in maniera pi? accurata i dati relativi all'asse del bersaglio. L'algoritmo di associazione delle caratteristiche semplicemente associa i picchi adiacenti nel modello e nelle codificazioni a raggi del bersaglio reale. Supponendo che la procedura di booting abbia fornito una corretta identit? del tipo di bersaglio ed una stima approssimata del suo assetto e della sua distanza, l'ipotesi pu? essere usata per sintetizzare una immagine, in altre parole generare una immagine di modello che pu? essere codificata a raggi nella stessa maniera di una immagine reale.

La figura 6 rappresenta una immagine di bersaglio reale 13 ad una distanza maggiore a quella alla quale si ottiene l'immagine 14 del modello tramite il primo dei procedimenti gi? sopra descritti. Essa ? anche una immagine di bersaglio lateralmente spostata e leggermente fatta ruotare, ottenuta dalla prima operazione. La figura 7 rappresenta gli istogrammi normalizzati della codificazione dei raggi dell'immagine del bersaglio e dell'immagine del modello, che sono confrontate per fornire una stima pi? accurata dell'assetto. Questa ? una operazione di sintonizzazione di precisione ed utilizza caratteristiche di associazione come descritte nel secondo dei procedimenti precedentemente descritti per determinare piccole differenze fra l'immagine di modello scelta e l'immagine reale. In questo esempio, ? stata simulata una ricerca per la caratteristica dell'ala di sinistra dell'aeroplano bersaglio. Ci? comporta un centro di ricerca e una portata di ricerca che viene impostata. Il centro di ricerca viene regolata dal picco di codificazione a raggi della caratteristica dell'immagine di bersaglio modello. Il raggio del centro di ricerca ? rappresentato sulla figura 6 come una freccia "A". Trovando un picco adiacente e corrispondente nella codificazione a raggi dell'immagine reale del bersaglio, si trova un corrispondente raggio "B" per l'estremit? dell'ala di sinistra nell'immagine del bersaglio reale. Sar? chiaro alle persone esperte nel ramo che procedimenti numerici, per esempio la correlazione, possono essere usati per confrontare la differenza nella codificazione a raggi, queste differenze di fase e di grandezza consentendo una migliore accuratezza di determinazione della portata del bersaglio e del suo assetto e del suo spostamento. Questa differenza pu? essere usata dalla persona esperta per ottenere pi? accuratamente il vettore di stato. Per esempio, le coordinate delle due estremit? dei raggi marcano le posizioni nel piano focale delle estremit? delle caratteristiche in ciascuna immagine. Differenziando le coordinate, un residuo di misura a 2-vettori pu? essere determinato, e pu? essere usato per ottenere una stima pi? accurata dell'assetto del bersaglio utilizzando convenienti procedimenti numerici, per esempio in un filtro di Kalman esteso. La macchina cos? correla una particolare parte dell'immagine del bersaglio con l'ala di sinistra e questo procedimento viene ripetuto per ciascuna caratteristica prominente .

La scelta della portata o distanza di ricerca per ciascuna caratteristica prominente ? molto importante; una distanza di ricerca che ? troppo estesa pu? comportare una confusione delle caratteristiche, mentre una ricerca che ? troppo stretta pu? saltare le estremit? di certe caratteristiche. La questione del fatto se una caratteristica sia "prominente" dipende dall'assetto del bersaglio. La scelta delle caratteristiche che pilotano la routine viene predisposta dall'assetto del modello.

Le differenze dei confronti di posizione delle caratteristiche ovvero i residui o resti delle misure possono essere usate in un filtro di Kalman per stimare l'assetta del bersaglio e la velocit? di variazione dell'assetto, nonch? altri parametri di controllo precedentemente menzionati, a condizione che la differenza sia sensibile alle variazioni dell'assetto del bersaglio e la relazione di sensibilit? ? approssimativamente lineare ed ? precedentemente nota.

Le simulazioni hanno dimostrato che il procedimento del confronto dei punti caratteristici opera in maniera affidabile su immagini di bersagli generate su calcolatori, fintanto che ? stato realizzato un soddisfacente booting dell'immagine, vale a dire che il bersaglio di modello ? dello stesso tipo del bersaglio reale e la distanza e l'assetto del modello sono approssimativamente costanti. La caratteristica di codificazione dei raggi cos? associata ? ancora in grado di trovare le caratteristiche del bersaglio che sono necessarie per l'inseguimento, a prescindere dalla presenza di un castello di motore.

Durante lo stadio finale della intercettazione, l'immagine del bersaglio diventa pi? grande del campo di vista del dispositivo di ricerca formatore di immagini. Una delle conseguenze di ci? ? che i punti delle caratteristiche del bersaglio cominciano a scomparire sequenzialmente. Ci? pu? essere tenuto in conto e pu? essere modellato nell'algoritmo di associazione delle immagini.

Quanto sopra ha descritto delle forme di realizzazione non limitative dell'invenzione per determinare l'assetto del bersaglio ed altri parametri che sono utili nel controllo di un'arma guidata. Dovrebbe essere chiaro alle persone esperte nel ramo che varie modificazioni e permutazioni dei procedimenti finora descritti sarebbero anche compresi nell'invenzione. Sebbene le tecniche matematiche che possono essere usate nell'invenzione non siano descritte in dettaglio, una persona esperta nel ramo sarebbe prontamente a conoscenza che pu? essere richiesto un matematico per il compito della implementazione matematica dell'invenzione. La matematica pu? essere molto profonda dato che molti dei parametri di controllo dell'arma sono covariabili e quindi pu? essere necessario adottare delle procedure iterative, filtri Kalman ed altre procedure matematiche progredite ma normalizzate.

Relazione fra i parametri nel sistema di guida

Come risultato delle precedenti tecniche di formazione delle immagini, l'assetto del bersaglio viene determinato insieme con la distanza. La velocit? di variazione dell'assetto del bersaglio pu? anche essere determinata dai dati precedenti, come anche dalla velocit? di variazione della distanza. Dal precedente procedimento viene determinato anche il calcolo dello spostamento (X, Y) del centroide dell'immagine del bersaglio verso il centro del campo ottico. Le informazioni relative all'asse del bersaglio sono fornite da tre variabili che caratterizzano le componenti di rolli di beccheggio, rollio ed imbardata. Il vettore di stato comprende queste variabili ed ulteriori loro derivazioni.

Quanto segue descrive il problema della guida di indirizzamento di precisione che serve per portare il missile in collisione con il bersaglio che pu? effettuare delle manovre violente per evitare di essere colpito. Ovviamente, la guida dovrebbe puntare il missile verso la regione dello spazio che il bersaglio occuper? a seguito dell'intervallo di tempo richiesto per il volo del missile. Per calcolare la posizione di questa regione si richiede la conoscenza del tempo di volo del missile e del comportamento di manovra del bersaglio nell'intervallo. Il tempo di volo dipende dalla traiettoria che il missile segue e che dipende dal tempo di volo, per fornire cos? un problema ricorsivo in cui il calcolo del punto di mira non ? spedito.

Il procedimento usato per risolvere il problema ? relativo alla guida in modo da "prevedere" la "entit? di mancamento con sforzo zero", vale a dire la entit? di cui il missile viene mancato se i comandi di guida del missile dovessero essere regolati a zero e gli stati di manovra del bersaglio dovessero rimanere costanti da quel momento in poi. L'elaboratore a bordo del missile pu? costruire un controllo ottimale che piloter? la previsione in modo uniforme e monotono fino a zero. Una volta che essa sia zero e supposto che il bersaglio si comporti come previsto, il missile "scorre" in "collisione" con il bersaglio, non essendo richiesto alcuno sforzo di controllo ulteriore. Si supponga che ne il bersaglio ne il missile accelerino mai durante l'impegno. Quindi, per un singolo impegno piano, la entit? di mancamento con sforzo zero ? fornita da:

?er2/V,

in cui ws rappresenta la velocit? inerziale di curvatura della linea di vista missile-bersaglio (indice LOS), V rappresenta la velocit? relativa missile-bersaglio e r rappresenta la distanza. La linea di vista (LOS) fra il missile ed il bersaglio ? definita come la linea che collega il centro ottico del dispositivo di ricerca di formazione dell'immagine del missile con l'origine del bersaglio.

Un controllo ottimale lineare minimizza la entit? del mancamento per sforzo zero (ZEM). Le richieste di guida sono determinate d?lia seguente legge di guida di navigazione proporzionale:

3d M K?V?j/

Se il missile, il bersaglio o ambedue stanno accelerando, la entit? di mancamento per sforzo zero ? anche una funzione della storia della accelerazione. Le variabili di stato di guida sono gli stati che sono necessari per costruire il mancamento per sforzo zero ovvero quelli necessari per costruire il controllo ottimale che piloter? il valore ZEM a zero.

In un ambiente perfetto, tutti gli stati missile-bersaglio (posizione relativa, velocit? relativa, assetto del bersaglio, velocit? di variazione angolare del bersaglio, ecc..) sono noti. Si potrebbe anche conoscere accuratamente il comportamento futuro del bersaglio, vale a dire come le equazioni differenziali deterministiche per la evoluzione dello stato del bersaglio e come il missile si comporter? nel futuro con una certa sequenza di domanda di controllo.

Tuttavia, in pratica, questa informazione ? incognita e dei sensori vengono impiegati per stimarla. Al momento del lancio del missile, lo stato del bersaglio non ? noto con precisione e la stima pu? essere modificata durante il volo.

In un sistema gaussiano lineare, la stima di stato pu? essere eseguita per mezzo di un filtro Kalman che stima il sistema corrente attraverso un algoritmo ricorsivo che utilizza il modello del sistema e le misurazioni dei sensori.

Se si dispone di una stima dell'indice di variazione di LOS missile-bersaglio w3 (t) al tempo corrente t, la teoria della stima afferma che si dovrebbe far propagare la stima fra le misurazioni del dispositivo di ricerca in conformit? alla effettiva dinamica di w3 data da:

? X ( t)

dt

Si richiedono delle stime della distanza r e della velocit? di variazione della distanza.

Quando vi ? una accelerazione nel sistema, la dinamica diventa:

dt?s { t)

dt as(t) an< t ) /r ( t)

r ( t)

in cui an ? la accelerazione missile-bersaglio in senso normale alla linea di vista LOS.

Allo scopo di far propagare accuratamente la stima della velocit? di variazione della linea di vista, ? chiaro che si richiedono delle stime della velocit? di variazione della linea di vista inerziale, della distanza, della velocit? di variazione della distanza e della accelerazione relativa missile-bersaglio in senso normale alla linea di vista. Questi stati debbono essere inclusi nel vettore di stato stimato. Nella decisione della scelta del vettore di stato, essa deve includere le velocit? di variazione della linea di vista, come gi? discusso. Inoltre, ? stato osservato che si richiedono le massime informazioni possibile dal dispositivo di ricerca di formazione della immagine del missile in relazione al movimento accelerativo, alla distanza ed alla velocit? di variazione della distanza del bersaglio.

La linea di vista (LOS) fra il missile ed il bersaglio ? definita come la linea che collega il centro ottico del dispositivo di ricerca formatore dell'immagine del bersaglio con l'origine del bersaglio.

Un sistema ortogonale destrorso di una serie inerzialmente stazionaria artificiale di assi "e" ? definito con la sua origine nel centro ottico del dispositivo di ricerca. L'asse "x" di questo sistema viene inizializzato dalla prima misurazione effettuata dal dispositivo di ricerca degli angoli formati dal centroide dell'immagine del bersaglio con l'asse di puntamento del dispositivo di ricerca, che giace in prossimit? della linea di vista. La successiva direzione della linea di vista negli assi "e" ? definita da due piccoli angoli di eulero, vale a dire ? in imbardata (intorno all'asse "z") e ? in beccheggio (intorno all'asse "y"). I termini ? e ? rappresentano i primi due stati del vettore di stato in tale ordine. La convenzione di sequenza del vettore di stato ? rollio, beccheggio, imbardata che ? opposta alla convenzione della sequenza di eulero.

Le componenti di beccheggio e di imbardata della velocit? di variazione della linea di vista, vale a dire a>sy, G>SZ formano il terzo ed il quarto stato del vettore di stato. L'assetto del bersaglio, rispetto ad un modello, ? definito da tre piccoli angoli di eulero in rollio y, in beccheggio ? e in imbardata a. Questi costituiscono il quinto, il sesto ed il settimo stato. Le velocit? angolari del bersaglio, negli assi del bersaglio, sono definite da un triplo vettore con componenti a>t?, ?ty e ?tz che formano l'ottavo, il nono ed il decimo stato. L'undicesimo stato ? l'inverso della distanza missile-bersaglio p

P = 1/r

Il dodicesimo stato ? la velocit? di variazione della distanza normalizzata in rapporto alla distanza ? = r/r

Il vettore di stato ? cos? fornito da:

[? ? ? ? ? a ?tx <f>ty a>tz P Pi A condizione che (i) gli assi VXe" siano inerzialmente stazionari, (ii) gli angoli ? e ? siano piccoli e (iii) la velocit? di rotazione del bersaglio o di virata sia approssimativamente costante nell'ultimo secondo o quasi, prima della intercettazione, la dinamica degli stati ? fornita dalle seguenti equazioni da (8) e (19):

?? _

de ~

XJ,L'

eft|r ?

de SZ

^?sy -2??? P (Sj cez )

de

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-2 ? ??? * p (&cay ~ ^?y ^

de

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d? ex 0

de

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0

de

Le precedenti equazioni semplicemente mettono in relazione i parametri del vettore di stato in un regime di guida per mancamento zero. Dovrebbe essere chiaro alle persone esperte nel ramo che vi possono essere delle maniere alternative per utilizzare i dati di assetto del bersaglio in un sistema di controllo per missili e quanto sopra viene riferito soltanto a titolo di esempio. Vari procedimenti matematici possono essere usati nella implementazione di queste equazioni e la persona esperta nel ramo che ha questo compito potrebbe facilmente mettere a punto, con 1'impiego dell'esperienza di un matematico, la implementazione del sistema di controllo che utilizzi i dati di assetto.

Sebbene l'invenzione sia stata finora descritta in termini di uso di immagini visive del bersaglio allo scopo di determinare l'assetto dell'aeroplano, essa non ? limitata all'impiego di immagini visive, ma pu? utilizzare immagini infrarosse (IR), immagini radar ed altre convenienti immagini.

In aggiunta, una mappa di distanza-velocit? del bersaglio pu? alternativamente essere usata e pu? essere considerata come una immagine a 2-d e verrebbe elaborata- in maniera identica all'immagine visiva oppure all'immagine IR. La figura 8 rappresenta una tale mappa di distanza-velocit? che ? una mappa bidimensionale della distanza e della velocit? del punto (15) che si diffonde in un bersaglio. Se, per esempio, un bersaglio viene illuminato con un radar, si ottiene una immagine radar unidimensionale; se il bersaglio si muove, quindi, una dimensione supplementare della velocit? permette di costruire la mappa di distanza-velocit?. E' proprio la velocit? relativa di diversi punti dell'aeroplano che permette di determinare i dati di assetto, per esempio se l'aeroplano sta effettuando una imbardata quando le punte dell'ala si muoveranno con diverse velocit?. In pratica, la mappa velocit?-distanza pu? essere costruita in modo da essere simile all'immagine visiva che verrebbe vista e mostra il profilo del bersaglio. La mappa di distanza-velocit? pu? essere fornita impiegando le tecniche radar, particolarmente le tecniche doppler.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per guidare un missile su un bersaglio comprendente la stima dei parametri del bersaglio, con inclusione del suo assetto, e per impiegare questi parametri in un sistema di controllo per guidare detto missile in modo da colpire detto bersaglio, in cui i mezzi di determinazione dell'assetto del bersaglio comprendono le seguenti operazioni : a) generare una immagine 2-d del bersaglio; b) confrontare l'immagine del bersaglio con una biblioteca di immagini di modelli memorizzate relative a diversi tipi di bersaglio con diversi assetti; c) selezionare una o pi? immagini di biblioteca probabili, e d) determinare cos? uno o pi? assetti probabili del bersaglio dai dati relativi agli assetti associati a dette scelte.
2. 2. Procedimento per guidare un missile secondo la rivendicazione 1, comprendente l'operazione di determinare la distanza del bersaglio come un parametro di controllo del missile.
3. 3. Procedimento per guidare un missile secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui uno o pi? di detti parametri sono determinati a regolari intervalli di tempo ed in cui i parametri addizionali di velocit? di variazione dell'assetto e/o velocit? di variazione della distanza del bersaglio e/o velocit? del bersaglio e/o velocit? angolare del bersaglio e/o accelerazione del bersaglio sono determinati ed usati per controllare detto missile.
4. 4. Procedimento per guidare un missile secondo le rivendicazioni da 1 a 3, inclusa, in cui i dati passati relativi a precedenti determinazioni sono usati in combinazione con i dati correnti del bersaglio per migliorare la precisione o la affidabilit? dei dati indicativi dell'assetto.
5. 5. Procedimento per guidare un missile secondo le rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta operazione di confronto b) comprende le seguenti fasi: i) codificare detta immagine a 2-d del bersaglio come una serie di raggi radiali, detti raggi essendo presi ad una pluralit? di intervalli angolari a partire dal centroide di detta immagine a 2-d del bersaglio fino alla periferia di detta immagine; ii) normalizzare e scalare le lunghezze di detti raggi su uno standard in termini di area dell'immagine; iii) confrontare dette codificazioni dei raggi da b) con una libreria o biblioteca di equivalenti codificazioni di modelli di raggi per diversi tipi di bersagli e per diversi assetti dei bersagli, e l'operazione c) comprende specificamente la scelta di una o pi? probabili codificazioni dei modelli di raggi .
6. 6. Procedimento per guidare un missile secondo la rivendicazione 5, in cui la distanza del bersaglio viene calcolata come risultato dell'operazione (ii).
7. 7. Procedimento per guidare un missile secondo le rivendicazioni 5 o 6, in cui le lunghezze radiali di detti raggi sono scelte da un punto arbitrario in detta immagine del bersaglio fino ai vertici di detta immagine .
8. 8. Procedimento per guidare un missile secondo le rivendicazioni 5 o 6, in cui le lunghezze di detti raggi radiali sono scelte da un punto di detta immagine del bersaglio e si estendono ad intervalli angolari sostanzialmente regolari fino alla periferia di detta immagine.
9. 9. Procedimento per guidare un missile secondo le rivendicazioni da 1 a 8, in cui detta immagine del bersaglio viene confrontata con immagini di modelli scelti allo scopo di migliorare ulteriormente la precisione dell'assetto stimato del bersaglio e di altri parametri del bersaglio.
10. 10. Procedimento per guidare un missile secondo la rivendicazione 9, in cui detto confronto comprende le seguenti ulteriori operazioni: a) codificare detta immagine a 2-d del bersaglio come una serie di raggi radiali dal centroide fino alla periferia di detta immagine; b) codificare similmente detta immagine di modello selezionata; c) scalare dette lunghezze dei raggi ad uno standard in termini di area delle immagini, e d) confrontare dette codificazioni dei raggi e dai risultati migliorare la precisione delle stime dell'assetto del bersaglio e di altri parametri del bersaglio .
11. 11. Procedimento per guidare un missile su un bersaglio secondo le rivendicazioni da 1 a 10, in cui detta immagine a 2-d ? una mappa di distanza-velocit? ottenuta per mezzo di tecniche radar doppler.
12. 12. Procedimento per ricavare passivamente la distanza di un bersaglio, comprendente le seguenti operazioni : a) ottenere una immagine a 2-d del bersaglio; b) confrontare l'immagine a 2-d del bersaglio con una libreria o raccolta di immagini di modelli a 2-d di diversi tipi di bersagli e con diversi assetti; c) selezionare l'immagine di bersaglio pi? probabile dalla raccolta, e d) confrontare le dimensioni relative dell'immagine del bersaglio e dell'immagine di modello selezionata e da ci? determinare la distanza del bersaglio.
13. 13. Missile guidato comprendente mezzi per generare una immagine a 2-d di un bersaglio, una biblioteca o raccolta di immagini di modello memorizzate relative a diversi tipi di bersagli con diversi assetti, mezzi per confrontare detta immagine del bersaglio con dette immagini di modello memorizzate e mezzi per selezionare una o pi? immagini di tale ' raccolta pi? probabili per permettere di determinare uno o pi? assetti probabili del bersaglio, nonch? mezzi per controllare detto missile in modo da colpire detto bersaglio in dipendenza da questi dati di assetto del bersaglio.