Rocket tracking impact point prediction using α-β, standard Kalman, extended, Kalman, and unscented Kalman filters: a comparative analysis
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Abreu, José Alano Peres de [1] ; Oliveira, Roberto Célio Limão de [1] ; Neto, João Viana da Fonseca [2]
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[1] Universidad Federal de Pará
Universidad Federal de Pará
Brasil
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[2] Universidade Federal do Maranhão
Universidade Federal do Maranhão
Brasil
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- Localización: Research, Society and Development, ISSN-e 2525-3409, Vol. 9, Nº. 3, 2020
- Idioma: inglés
- Títulos paralelos:
- Predição do ponto de impacto para rastreamento de foguetes usando os filtros α-β, Kalman padrão, Kalman estendido e Kalman sem cheiro: uma análise comparativa
- Predicción del punto de impacto del seguimiento de cohetes utilizando filtros α-β, Kalman estándar, Kalman extendido y Kalman sin perfume: un análisis comparativo
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Resumen
- español
La información precisa sobre el punto de impacto (PI) de un cohete suborbital en la superficie de la Tierra durante un lanzamiento es un requisito importante para las operaciones de seguridad del sitio de lanzamiento. Se consideran cuatro estimadores diferentes, como el filtro α-β, el filtro Kalman estándar (FKP), el filtro Kalman extendido (FKE) y el filtro Kalman inodoro (FKU) para el problema de seguimiento de cohetes suborbitales, cuyos datos se utilizan específicamente para mejorar la precisión de predicción de PI (PPI) de estos vehículos. Este artículo presenta un análisis comparativo entre los resultados de los estimadores. Los datos del vuelo del cohete se analizan para demostrar las ventajas y desventajas de los estimadores y para determinar las limitaciones inherentes a la predicción de los efectos aerodinámicos encontrados en ciertas situaciones de vuelo. Discutimos el modelo matemático apropiado de un filtro capaz de ejecutar el algoritmo en tiempo real para estimar la posición y la velocidad del objetivo. Este trabajo utiliza datos reales de un sensor de radar para evaluar los algoritmos de seguimiento. Insertamos el resultado del filtro en el modelo matemático desarrollado para predecir el PI del cohete en la superficie de la Tierra. El objetivo principal de este estudio es evaluar el rendimiento de cuatro estimadores diferentes, cuando se aplica específicamente para mejorar el PPI del cohete suborbital. Se muestra que FKU supera a todos los demás algoritmos de seguimiento en términos de precisión y solidez de la estimación de PI.
- English
Accurate information about the impact point (IP) of a suborbital rocket on Earth’s surface during a launch is an important requirement for range safety operations. Four different estimators, i.e., the α-β filter, standard Kalman filter (SKF), extended Kalman filter (EKF), and unscented Kalman filter (UKF), are considered for the suborbital rocket tracking problem, whose data are used specifically for improving the accuracy of the IP prediction (IPP) of these vehicles. This paper presents a comparative analysis between the results of the estimators. Rocket flight data are discussed to demonstrate the advantages and disadvantages of the estimators and to determine the inherent limitations in predicting the aerodynamic effects found in certain flight situations. We discuss the appropriate mathematical model of a filter capable of running the real-time algorithm for the estimation of target position and velocity. This work uses actual data from a radar sensor to evaluate the tracking algorithms. We insert the filter result into the mathematical model developed to predict the rocket IP on Earth's surface. The main goal of this study is to evaluate the performance of four different estimators when specifically applied for the improvement of the IPP of suborbital rockets. It is demonstrated that the UKF outperforms all other tracking algorithms in terms of the accuracy and robustness of IP estimation.
- português
Informações precisas sobre o ponto de impacto (PI) de um foguete suborbital na superfície da Terra durante um lançamento são requisitos importantes para operações de segurança dos sítos de lançamento. Quatro estimadores diferentes, como filtro α-β, filtro Kalman padrão (FKP), filtro Kalman estendido (FKE) e filtro Kalman sem cheiro (FKU), são considerados para o problema de rastreamento suborbital de foguetes, cujos dados são usados especificamente para melhorar a precisão da predição do PI (PPI) desses veículos. Este artigo apresenta uma análise comparativa entre os resultados dos estimadores. Os dados de voo de foguetes são analisados no sentido de demonstrar as vantagens e desvantagens dos estimadores e determinar as limitações inerentes à previsão dos efeitos aerodinâmicos encontrados em determinadas situações de voo. Discutimos o modelo matemático apropriado de um filtro capaz de executar o algoritmo em tempo real para as estimativas da posição e velocidade do alvo. Este trabalho utiliza dados reais de um sensor de radar para avaliar os algoritmos de rastreamento. Inserimos o resultado do filtro no modelo matemático desenvolvido para prever o PI do foguete na superfície da Terra. O principal objetivo deste estudo é avaliar o desempenho de quatro estimadores diferentes, quando aplicados especificamente na melhoria da PPI de foguetes suborbitais. É demonstrado que o FKU supera todos os outros algoritmos de rastreamento em termos de precisão e robustez da estimativa do PI.
- español
