一種基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的α-β濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和空間多目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是一種基 于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a-0目標(biāo)跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息時(shí)代的發(fā)展，航天技術(shù)不斷的創(chuàng)新提高，空間在各國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事 等領(lǐng)域內(nèi)的戰(zhàn)略地位日益提高。在現(xiàn)代化的軍事斗爭(zhēng)中，空間信息儼然已經(jīng)成為了最核心 的戰(zhàn)斗能力，對(duì)于空間信息的掌握至關(guān)重要。為了更好的掌握空間信息，同時(shí)隨著衛(wèi)星技術(shù) 和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，研宄出了新型的天基雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，為了更加精確 的識(shí)別、跟蹤空間目標(biāo)信息，在跟蹤雷達(dá)中必須引入目標(biāo)跟蹤方法，利用目標(biāo)的觀測(cè)信息來(lái) 更新目標(biāo)的狀態(tài)信息，提高天基雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)的跟蹤精度。
[0003] 目標(biāo)跟蹤方法是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，在雷達(dá)對(duì)航天器、空間碎片、衛(wèi)星、不 明星球等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)跟蹤時(shí)，目標(biāo)跟蹤方法扮演著越來(lái)越重要的角色，利用觀測(cè)到的數(shù) 據(jù)（距離，方位角，俯仰角等）對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的目標(biāo)的運(yùn) 動(dòng)位置，以完成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤。同時(shí)，目標(biāo)跟蹤技術(shù)在民用方面也應(yīng)用廣泛，如空中 交通管制，機(jī)器人技術(shù)等，目前它已成為非?；钴S的研宄領(lǐng)域之一。二十世紀(jì)中期，卡爾曼 濾波方法的出現(xiàn)，大力推動(dòng)了目標(biāo)跟蹤技術(shù)的發(fā)展。目前常用的目標(biāo)跟蹤方法有：線性濾波 方法主要有卡爾曼濾波方法以及由卡爾曼濾波為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的常增益濾波方法（如a-0 濾波方法與a-0-Y濾波方法）；為滿足更高的跟蹤精度需求，跟蹤濾波方法由線性濾波 方法發(fā)展到非線性濾波方法，常用的非線性的濾波方法有擴(kuò)展卡爾曼濾波方法、無(wú)跡卡爾 曼濾波方法與粒子濾波方法。
[0004] 在1993年D.Lerro等人提出另外一種區(qū)別于UT變換的線性化方法，即利用坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化，提出了二維空間中的去偏混合坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法，后來(lái) 有楊春玲等人提出了三維空間中的去偏混合坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法。但是去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換卡爾曼濾波方法復(fù)雜，計(jì)算量太大，進(jìn)行即時(shí)跟蹤效果不佳。本發(fā)明對(duì)三維空間的去偏混 合坐標(biāo)系卡爾曼濾波方法做了簡(jiǎn)化改進(jìn)，有效的提高了計(jì)算效率，減少了計(jì)算時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決了上述難題，提出一種基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a濾波方法，本 方法通過(guò)改進(jìn)三維空間的去偏混合坐標(biāo)系卡爾曼濾波方法，在直角坐標(biāo)系中采用a濾 波替換卡爾曼濾波，減少對(duì)濾波增益的計(jì)算。
[0006] 一種基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a 濾波方法，具體步驟如下：
[0007] 步驟1、建立系統(tǒng)模型，設(shè)定本方法的目標(biāo)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程；
[0008] 步驟2、對(duì)目標(biāo)初始狀態(tài)和誤差協(xié)方差進(jìn)行初始化；
[0009] 步驟3、在k-1時(shí)刻，通過(guò)系統(tǒng)模型對(duì)k時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)和誤差協(xié)方差進(jìn)行預(yù)測(cè)； [0010] 步驟4、通過(guò)新的觀測(cè)值對(duì)測(cè)量方程進(jìn)行更新；
[0011] 步驟5、對(duì)測(cè)量誤差的均方誤差進(jìn)行更新；
[0012] 步驟6、引入常數(shù)因子a和0，計(jì)算得到濾波增益；
[0013] 步驟7、計(jì)算得到k時(shí)刻的濾波誤差協(xié)方差和目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)；
[0014] 下面具體闡述基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a-0濾波方法過(guò)程。目標(biāo)的觀測(cè)方程建立在 極坐標(biāo)系下，狀態(tài)方程建立在直角坐標(biāo)系下，觀測(cè)平臺(tái)先獲取目標(biāo)的觀測(cè)值，然后通過(guò)去偏 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，將觀測(cè)值無(wú)偏的轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中，再在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行a濾波， 得到目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)和誤差協(xié)方差，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)跟蹤。
[0015]x、y、z分別為X、Y、Z軸上的位置分量，在極坐標(biāo)下目標(biāo)的測(cè)量值為目標(biāo)到坐標(biāo)原 點(diǎn)的距離r、俯仰角0和方位角0。
[0016] 東北極坐標(biāo)系向雷達(dá)直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系表達(dá)式為：
[0017] x=rcos0cos0
[0018]y=rcos0sin0 (1)
[0019] z=rsin0
[0020] 觀測(cè)平臺(tái)在極坐標(biāo)系下得到的測(cè)量值分別為：rm、0m，設(shè)在極坐標(biāo)系下 真實(shí)值和測(cè)量值之間的誤差為：測(cè)量距離誤差為匕、俯仰角誤差為/)、方位角誤差為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a-e濾波方法，包括W下步驟： 步驟1、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，確定定本發(fā)明的目標(biāo)狀態(tài)方程和測(cè)量方程； 步驟2、對(duì)目標(biāo)初始狀態(tài)和誤差協(xié)方差進(jìn)行初始化； 步驟3、在k-1時(shí)刻，通過(guò)系統(tǒng)模型對(duì)k時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)和誤差協(xié)方差進(jìn)行預(yù)測(cè)； 步驟4、通過(guò)新的觀測(cè)值對(duì)測(cè)量方程進(jìn)行更新； 步驟5、對(duì)測(cè)量誤差的均方誤差進(jìn)行更新； 步驟6、引入常數(shù)因子a和P，計(jì)算得到濾波增益； 步驟7、計(jì)算得到k時(shí)刻的濾波誤差協(xié)方差和目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a-P濾波方法，其特征在于：步驟1中 建立的跟蹤系統(tǒng)模型中狀態(tài)方程和測(cè)量方程分別為： Xk=巫Xk-1+rVk-i化 > 1) Zk=版k+Wk 其中，Xk為目標(biāo)狀態(tài)向量，〇為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，r為過(guò)程噪聲分布矩陣，Vk為過(guò)程噪 聲。設(shè)在系統(tǒng)中的過(guò)程噪聲Vk為零均值、高斯白噪聲序列，其協(xié)方差為Qk，H為測(cè)量矩陣，Wk 為測(cè)量噪聲，Zk為系統(tǒng)測(cè)量向量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a-P濾波方法，其特征在于：步驟4對(duì) 觀測(cè)值Zk更新時(shí)，是通過(guò)去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，減去測(cè)量誤差均值，；
其中，Um為測(cè)量誤差均值，rm、0m、0。分別為觀測(cè)平臺(tái)在極坐標(biāo)系下得到的測(cè)量值（距 離、俯仰角和方位角）。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的a-p濾波方法，其特征在于：步驟6采 樣a-0濾波方法替代卡爾曼濾波方法，減少了對(duì)濾波增益的計(jì)算，簡(jiǎn)化了整個(gè)方法的計(jì) 算量，提高了計(jì)算效率。
【專利摘要】本發(fā)明是對(duì)去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的α-β濾波方法，本發(fā)明采用α-β濾波方法代替去偏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法中的卡爾曼濾波方法，減少了對(duì)濾波增益的計(jì)算，簡(jiǎn)化了整個(gè)濾波方法的復(fù)雜性，提高了對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤效率。本發(fā)明適用于對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。
【IPC分類】G01S13-66, G01S7-02
【公開號(hào)】CN104849697
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510248857
【發(fā)明人】廖勇, 何娟, 陳歡, 周昕, 李瑜峰
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月15日