專利名稱：一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域中一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法。本發(fā)明可用于實現(xiàn)高機(jī)動目標(biāo)的跟蹤，提高對目標(biāo)突發(fā)機(jī)動時的跟蹤性能。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，各種飛行器的機(jī)動性能大幅提高，機(jī)動形式不再局限于加速度階躍、蛇行機(jī)動等形式，也可能會出現(xiàn)加速度變化率的階躍機(jī)動等更復(fù)雜的機(jī)動。在此背景下，如何提高高機(jī)動目標(biāo)的跟蹤性能成為一個越來越重要的問題。目標(biāo)跟蹤的問題實際上就是目標(biāo)狀態(tài)的跟蹤濾波問題，即根據(jù)雷達(dá)已獲得的目標(biāo)量測數(shù)據(jù)對目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行精確的估計。建立目標(biāo)的運(yùn)動模型和自適應(yīng)濾波是機(jī)動目標(biāo)跟蹤的兩個關(guān)鍵部分，高機(jī)動目標(biāo)的精確跟蹤在過去和現(xiàn)在都是一個難題，最根本的原因在于目標(biāo)的高機(jī)動使得目標(biāo)的運(yùn)動模型與目標(biāo)實際動力學(xué)模型不匹配，導(dǎo)致跟蹤濾波器發(fā)散，跟蹤性能嚴(yán)重下降。因此，改善目標(biāo)模型與目標(biāo)實際運(yùn)動模型的匹配度和跟蹤濾波器的性能是提聞聞機(jī)動目標(biāo)的跟蹤性能的主要解決辦法。喬向東和王寶樹在論文“高度機(jī)動目標(biāo)的‘當(dāng)前’統(tǒng)計jerk模型”(系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002年第24卷第6期)中提出了一種新的“當(dāng)前”統(tǒng)計jerk模型及其跟蹤濾波方法。該方法首先分析了 jerk模型的局限性，提出了“當(dāng)前”統(tǒng)計jerk模型，最后基于“當(dāng)前”統(tǒng)計jerk模型應(yīng)用卡爾曼濾波，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。該方法存在的不足是，僅適用于實現(xiàn)對一般機(jī)動目標(biāo)的跟蹤，由于卡爾曼跟蹤濾波對高機(jī)動目標(biāo)存在自身魯棒性和跟蹤精度低的問題，對于高機(jī)動目標(biāo)，此方法受到限制。宋強(qiáng)、何友和楊儉在論文“基于強(qiáng)跟蹤濾波器的jerk模型目標(biāo)跟蹤算法”(海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2007年第22卷第3期)中提出了一種強(qiáng)跟蹤濾波算法。該方法首先分析了 jerk模型自適應(yīng)跟蹤算法的不足，提出了強(qiáng)跟蹤濾波的思想。該方法存在的不足也是僅適用于實現(xiàn)對一般機(jī)動目標(biāo)的跟蹤，對于高機(jī)動目標(biāo)，由于jerk模型中關(guān)于目標(biāo)加速度變化率為零均值的假設(shè)是不符合實際的，這一缺點(diǎn)將使得目標(biāo)的運(yùn)動模型與目標(biāo)實際動力學(xué)模型不匹配，導(dǎo)致跟蹤濾波器發(fā)散，跟蹤性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于改進(jìn)jerk模型的強(qiáng)跟蹤濾波器的高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法。實現(xiàn)本發(fā)明的目的的基本思路是首先，基于目標(biāo)實際運(yùn)動中的加速度變化率是非零均值的時間相關(guān)隨機(jī)過程，建立改進(jìn)jerk模型；其次，根據(jù)建立的運(yùn)動模型，對目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測；再次，根據(jù)雷達(dá)接收數(shù)據(jù)的觀測值，確定觀測值的預(yù)測誤差；然后，由觀測值的預(yù)測誤差確定漸消因子，并由漸消因子自適應(yīng)調(diào)整跟蹤濾波器增益；最后，對目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行更新，完成對機(jī)動目標(biāo)的跟蹤。實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體步驟如下
(I)運(yùn)動狀態(tài)和模型參數(shù)的初始化Ia)利用雷達(dá)觀測的前三個觀測值確定初始狀態(tài)和初始協(xié)方差；Ib)漸消因子的初始值設(shè)為I ;Ic)確定機(jī)動頻率和目標(biāo)加速度變化率的方差；(2)建立改進(jìn)jerk模型2a)用下式對目標(biāo)的運(yùn)動特性建立運(yùn)動狀態(tài)方程X(k + l)^ F(k)X{k) + G{k)J + W(k)
其中，X(k+1)為k+1時刻狀態(tài)向量，k為采樣時刻；F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；X(k)為
—· ]Γk時刻狀態(tài)向量，z⑷=X(A) X(k) x(k) x{k) ，口τ為向量轉(zhuǎn)置操作，x(k)表示目標(biāo)k
時刻位置為位置的一階求導(dǎo)，表不目標(biāo)k時刻速度；λ(Α:)為位置的二階求導(dǎo)，表不目標(biāo)k時刻加速度為位置的三階求導(dǎo)，表示目標(biāo)k時刻加速度變化率；G(k)為控制矩陣{]為目標(biāo)加速度變化率的均值;W(k)為過程噪聲，其均值和協(xié)方差分別為O和Q(k)的高斯白噪聲系列；2b)用下式建立目標(biāo)的觀測方程Z (k+Ι) = H (k+1) X (k+1) +V (k+1)其中，Z(k+1)為目標(biāo)在k+1時刻的雷達(dá)觀測值，k為采樣時刻；H(k+l)為觀測矩陣；X(k+l)為k+Ι時刻狀態(tài)向量；V(k+l)為觀測噪聲，其均值和協(xié)方差分別為O和R(k)的高斯白噪聲系列，且與過程噪聲W (k)相互獨(dú)立；(3)目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測3a)由建立的模型和初始值完成目標(biāo)狀態(tài)的一步預(yù)測X{k + \\k) = F{k)X{k\k) + G(k)J其中，X(A: + l|A:)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)，k為采樣時刻，I表示條件操作符；F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣(Ak)表示目標(biāo)k時刻狀態(tài)更新值；G(k)為控制矩陣-J為目標(biāo)加速度變化率的均值；3b)按照下式完成目標(biāo)狀態(tài)協(xié)方差的一步預(yù)測P (k+1 |k) = λ (k+l)F(k)P(k|k)FT(k)+Q(k)其中，P (k+1 I k)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)協(xié)方差，k為采樣時刻；λ (k+1)為k+1時刻的漸消因子；F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；P(k|k)表示目標(biāo)k時刻狀態(tài)協(xié)方差更新值；FT(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置；Q(k)為過程噪聲的協(xié)方差；(4)根據(jù)雷達(dá)的接收數(shù)據(jù)和狀態(tài)預(yù)測值，求觀測值的預(yù)測誤差4a)由狀態(tài)預(yù)測值按照下式確定目標(biāo)在k時刻的觀測值的預(yù)測Z{k + l|yt) = H(k + \)X{k + l|yt)其中，i(A: + lfc)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的觀測值，k為采樣時刻；H(k+l)為觀測矩陣；X(A: + lk)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)；4b)由雷達(dá)接收數(shù)據(jù)按照下式確定目標(biāo)在k時刻的觀測值的預(yù)測誤差Z{k + \) = Z{k + \)-Z{k + \\k)
其中，之R + 1)表示目標(biāo)觀測值的預(yù)測誤差，k為采樣時刻；Z(k+l)為雷達(dá)接收數(shù)據(jù)在k+Ι時刻的目標(biāo)觀測值；i(A: + lko表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的觀測值；(5)確定漸消因子用預(yù)測誤差確定漸消因子，其計算公式如下
權(quán)利要求
1.一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法，包括如下步驟 (1)運(yùn)動狀態(tài)和模型參數(shù)的初始化 Ia)利用雷達(dá)觀測的前三個觀測值確定初始狀態(tài)和初始協(xié)方差； Ib)漸消因子的初始值設(shè)為I ; Ic)確定機(jī)動頻率和目標(biāo)加速度變化率的方差； (2)建立改進(jìn)jerk模型 2a)用下式對目標(biāo)的運(yùn)動特性建立運(yùn)動狀態(tài)方程X(k + 1) = F(k)X(k) + G(k)J + W{k) 其中，X(k+1)為k+1時刻狀態(tài)向量，k為采樣時刻；F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；X(k)為k時-· ·· ”亥1J狀態(tài)向量，Z(A)= x{k) x(k) x(k) x(k) ，口T為向量轉(zhuǎn)置操作，x(k)表示目標(biāo)k時刻位置為位置的一階求導(dǎo)，表不目標(biāo)k時刻速度為位置的二階求導(dǎo)，表不目標(biāo)k時刻加速度為位置的三階求導(dǎo)，表示目標(biāo)k時刻加速度變化率；G(k)為控制矩陣J為目標(biāo)加速度變化率的均值;W(k)為過程噪聲，其均值和協(xié)方差分別為O和Q(k)的高斯白噪聲系列； 2b)用下式建立目標(biāo)的觀測方程Z(k+1) = H(k+1)X(k+1)+V (k+1) 其中，Z(k+1)為目標(biāo)在k+1時刻的雷達(dá)觀測值，k為采樣時刻；H(k+l)為觀測矩陣；X(k+1)為k+1時刻狀態(tài)向量；V(k+l)為觀測噪聲，其均值和協(xié)方差分別為O和R(k)的高斯白噪聲系列，且與過程噪聲W (k)相互獨(dú)立； (3)目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測 3a)由建立的模型和初始值完成目標(biāo)狀態(tài)的一步預(yù)測X{k + lk) = F(k)X(k\k) + G(k)J 其中，f (A + lk)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)，k為采樣時刻，I表示條件操作符；F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示目標(biāo)k時刻狀態(tài)更新值；G(k)為控制矩陣；/為目標(biāo)加速度變化率的均值； 3b)按照下式完成目標(biāo)狀態(tài)協(xié)方差的一步預(yù)測P (k+1 |k) = λ (k+l)F(k)P(k|k) Ft (k) +Q (k) 其中，P (k+11 k)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+1時刻的狀態(tài)協(xié)方差，k為采樣時刻；λ (k+1)為k+1時刻的漸消因子；F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；P(k|k)表示目標(biāo)k時刻狀態(tài)協(xié)方差更新值；Ft(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置；Q(k)為過程噪聲的協(xié)方差； (4)根據(jù)雷達(dá)的接收數(shù)據(jù)和狀態(tài)預(yù)測值，求觀測值的預(yù)測誤差 4a)由狀態(tài)預(yù)測值按照下式確定目標(biāo)在k時刻的觀測值的預(yù)測 Z(k + \\k) = H(k + l)X(k + l\k) 其中，f(A: + lk)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的觀測值，k為采樣時刻；H(k+l)為觀測矩陣；Z(A: + to表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)； 4b)由雷達(dá)接收數(shù)據(jù)按照下式確定目標(biāo)在k時刻的觀測值的預(yù)測誤差Z(k + \) = Z(k + l)-Z(k + \\k) 其中，之0 + 1)表示目標(biāo)觀測值的預(yù)測誤差，k為采樣時刻；Z(k+1)為雷達(dá)接收數(shù)據(jù)在k+Ι時刻的目標(biāo)觀測值；i(yt + l|AO表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的觀測值； (5)確定漸消因子 用預(yù)測誤差確定漸消因子，其計算公式如下 ^+1) = H+1) ^+1)>1[I+ 其中，λ (k+1)為漸消因子，k為采樣時刻；Il (k+Ι)為可由預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣求得的漸消因子實時變化值； (6)確定濾波器增益 6a)按照下式確定預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣 S (k+Ι) = H (k+1) P (k+11 k) Ht (k+1) +R (k+1) 其中，S(k+1)為預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣，k為采樣時刻；H(k+l)為觀測矩陣；P(k+l |k)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+1時刻的狀態(tài)協(xié)方差；HT(k+l)為觀測矩陣的轉(zhuǎn)置；R(k+l)為觀測噪聲的協(xié)方差矩陣； 6b)由預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣按照下式確定濾波器增益 K (k+Ι) = P (k+11 k) Ht (k+1) S-1 (k+1) 其中，K (k+1)為濾波器增益，k為采樣時刻；P(k+l |k)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)協(xié)方差；HT(k+l)為觀測矩陣的轉(zhuǎn)置j—Hk+l)為預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣的逆； (7)對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行更新 7a)按照下式完成目標(biāo)狀態(tài)的更新 X(k + l\k + 1) = X(k + \\k) + K(k + \)Z(k +1) 其中，為yt+ 1^: + 1)表示目標(biāo)k+1時刻狀態(tài)更新值，k為采樣時刻;f(yt + lk)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)；K(k+l)為濾波器增益夕認(rèn)+1)表示目標(biāo)觀測值的預(yù)測誤差； 7b)按照下式完成目標(biāo)狀態(tài)協(xié)方差的更新 P (k+11 k+1) = P (k+11 k) -K (k+1) S (k+1) Kt (k+1) 其中，p(k+i I k+i)表示目標(biāo)k+i時刻狀態(tài)協(xié)方差更新值，k為采樣時刻；p(k+i|k)表示k時刻預(yù)測目標(biāo)在k+Ι時刻的狀態(tài)協(xié)方差；K(k+l)為濾波器增益；S(k+l)為預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣；KT(k+l)為濾波器增益矩陣的轉(zhuǎn)置； (8)判斷狀態(tài)更新是否完成，若更新沒有完成，則執(zhí)行步驟(3);若更新完成，則結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，步驟Ia)中所述初始狀態(tài)是利用雷達(dá)的前三個量測值運(yùn)用差分法確定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，步驟Ia)中所述初始協(xié)方差的計算方法如下Ρ(3|3) = ￡[1(3|3)1Γ(3|3)] 其中，Ρ(3|3)表示初始協(xié)方差；Χ(3|3)表示初始狀態(tài)J7'(31 3)表示初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，步驟Ic)中所述機(jī)動頻率的取值為O I之間的任意值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中目標(biāo)高機(jī)動帶來的模型不匹配和跟蹤精度低的問題。其實現(xiàn)過程是(1)運(yùn)動狀態(tài)和模型參數(shù)的初始化；(2)建立改進(jìn)jerk模型；(3)目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測；(4)根據(jù)雷達(dá)的接收數(shù)據(jù)和狀態(tài)預(yù)測值，求觀測值的預(yù)測誤差；(5)確定漸消因子；(6)確定濾波器增益；(7)對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行更新，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。本發(fā)明在保持一般機(jī)動目標(biāo)跟蹤精度的同時，提高了對目標(biāo)狀態(tài)突變時的跟蹤性能，可用于高機(jī)動目標(biāo)的跟蹤。
文檔編號G01S7/41GK102721951SQ20121013839
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者劉宏偉, 劉崢, 張倫, 曹運(yùn)合, 樊友友, 靳松陽 申請人:西安電子科技大學(xué)