一種異步傳感器空間配準(zhǔn)算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息融合技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種異步傳感器空間配準(zhǔn)算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，采用單一傳感器信息對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行制 導(dǎo)必然面臨探測(cè)不精確、易受敵欺騙干擾、目標(biāo)信息易中斷等問(wèn)題，因此采用網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)，將 多源信息進(jìn)行融合為導(dǎo)彈提供制導(dǎo)信息，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制導(dǎo)成為未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的必然 選擇。
[0003] 在對(duì)多源信息進(jìn)行融合的過(guò)程中，由于傳感器探測(cè)存在系統(tǒng)誤差、傳感器平臺(tái)自 身定位誤差以及定姿誤差等因素，需要進(jìn)行空間配準(zhǔn)處理，以提高數(shù)據(jù)融合精度。若直接將 未經(jīng)空間配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)用于信息融合處理，則融合的精度將受到極大影響，甚至有可能低于 單傳感器的探測(cè)精度。因此，在對(duì)多傳感器的探測(cè)信息進(jìn)行融合之前對(duì)其進(jìn)行空間配準(zhǔn)處 理是十分必要的。
[0004] 現(xiàn)有空間配準(zhǔn)算法可以簡(jiǎn)單的分為兩類(lèi)，即離線空間配準(zhǔn)與在線空間配準(zhǔn)。離線 空間配準(zhǔn)算法主要基于最小二乘算法和最大似然算法；在線的空間配準(zhǔn)算法主要基于濾波 算法。導(dǎo)彈的制導(dǎo)過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，因此網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)環(huán)境下的空間配準(zhǔn)算法應(yīng)采用在 線的空間配準(zhǔn)算法。在線空間配準(zhǔn)算法分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman，F(xiàn)ilter-EKF)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量空間配準(zhǔn)算法，將目標(biāo)的狀態(tài)與傳感器的誤差合成一 個(gè)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量進(jìn)行估計(jì)；但此算法由于狀態(tài)向量維數(shù)較大，因此存在計(jì)算量較大的問(wèn)題。 另一類(lèi)是基于ECEF坐標(biāo)系的偽量測(cè)算法，此類(lèi)算法相對(duì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量法具有運(yùn)算量小的 優(yōu)點(diǎn)。但是無(wú)論以上那種算法，均以傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步為前提，異步傳感器的空間 配準(zhǔn)算法研宄較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種僅使用目標(biāo)位置信息的異步傳感器空間配準(zhǔn) 的方法，旨在解決解決異步傳感器的空間配準(zhǔn)的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種僅使用目標(biāo)位置信息的異步傳感器空間配準(zhǔn)的 方法，該異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法包括時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程和傳感器系統(tǒng)誤差估計(jì)過(guò)程：
[0007] 時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程完成傳感器數(shù)據(jù)之間在時(shí)間上的對(duì)準(zhǔn)，傳感器A、傳感器B在本地直 角坐標(biāo)系下的量測(cè)數(shù)據(jù)分別為YA(ti)和YB (tj，且傳感器A的采樣頻率大于傳感器B的采 樣頻率，則由傳感器A向傳感器B的采樣時(shí)刻進(jìn)行配準(zhǔn)，具體為：
[0008] 采用內(nèi)插外推的時(shí)間配準(zhǔn)算法將傳感器A的采樣數(shù)據(jù)向傳感器B的數(shù)據(jù)進(jìn)行配 準(zhǔn)，使得兩個(gè)傳感器在空間配準(zhǔn)時(shí)刻對(duì)同一個(gè)目標(biāo)有同步的量測(cè)數(shù)據(jù)，內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn) 算法如下：
[0009] 在同一時(shí)間片內(nèi)將各傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)按測(cè)量精度進(jìn)行增量排序，然后將傳感器A 的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別向傳感器B的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)插、外推，以形成一系列等間隔的目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采 用常用的三點(diǎn)拋物線插值法的進(jìn)行內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn)算法得傳感器A在tBk時(shí)刻在本地直 角坐標(biāo)系下的量測(cè)值兄(&)為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種僅使用目標(biāo)位置信息的異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法，其特征在于，該異步傳感 器空間配準(zhǔn)的方法包括時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程和傳感器系統(tǒng)誤差估計(jì)過(guò)程，且偽量測(cè)方程的建立過(guò) 程僅與目標(biāo)的位置相關(guān)，而與目標(biāo)的速度等狀態(tài)無(wú)關(guān)； 時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程完成傳感器數(shù)據(jù)之間在時(shí)間上的對(duì)準(zhǔn)，傳感器A、傳感器B在本地直角坐 標(biāo)系下的量測(cè)數(shù)據(jù)分別為YA(ti)和YB(ti)，且傳感器A的采樣頻率大于傳感器B的采樣頻 率，則由傳感器A向傳感器B的采樣時(shí)刻進(jìn)行配準(zhǔn)，具體為： 采用內(nèi)插外推的時(shí)間配準(zhǔn)算法將傳感器A的采樣數(shù)據(jù)向傳感器B的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，使 得兩個(gè)傳感器在空間配準(zhǔn)時(shí)刻對(duì)同一個(gè)目標(biāo)有同步的量測(cè)數(shù)據(jù)，內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn)算法如 下： 在同一時(shí)間片內(nèi)將各傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)按測(cè)量精度進(jìn)行增量排序，然后將傳感器A的觀 測(cè)數(shù)據(jù)分別向傳感器B的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)插、外推，以形成一系列等間隔的目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用常 用的三點(diǎn)拋物線插值法的進(jìn)行內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn)算法得傳感器A在tBk時(shí)刻在本地直角坐 標(biāo)系下的量測(cè)值義（tRk)為：
其中，tBk為配準(zhǔn)時(shí)刻，丨^'為傳感器A距離配準(zhǔn)時(shí)刻最近的三個(gè)采樣時(shí)刻YA(tk)，YA(tk+1)分別為其對(duì)應(yīng)的對(duì)目標(biāo)的探測(cè)數(shù)據(jù)； 完成時(shí)間配準(zhǔn)后，根據(jù)傳感器A的配準(zhǔn)數(shù)據(jù)與傳感器B的采樣數(shù)據(jù)，采用基于地心地固(EarthCenterEarthFixed，ECEF)坐標(biāo)系下的偽量測(cè)法實(shí)現(xiàn)傳感器A和傳感器B的系統(tǒng) 誤差的估計(jì)；基于ECEF的系統(tǒng)誤差估計(jì)算法具體為： 假設(shè)k時(shí)刻目標(biāo)在本地直角坐標(biāo)系下真實(shí)位置為X'iGOik'Jkhy'Jk)， z，Jk)]1，極坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的量測(cè)值為[r(A〇,沒(méi)(幻，識(shí)(A:)]，分別為距離、方位角、俯仰 角；轉(zhuǎn)換至本地直角坐標(biāo)系下為Xjk) = [Xl(k)，yi(k)，Zl(k)]T;傳感器系統(tǒng)偏差為 _
/，?分別為距離、方位角和俯仰角的系統(tǒng)誤差；于是有
其4
i示觀測(cè)噪聲，均值為零、方差為(o;2，crK 式（1)可以用一階近似展開(kāi)并寫(xiě)成矩陣形式為： V! (k) =X: (k)+C(k) [C(k)+n(k) ]\*MERGEFORMAT(3)
設(shè)兩部傳感器A和B，則對(duì)于同一個(gè)公共目標(biāo)（設(shè)地心地固坐標(biāo)系下為X' 6=[x' 6， y'e，z'JT)，可得 Ve =XAs+BAX，A1(k) =XBs+BbX,B1 (k)\*MERGEFORMAT(4) BA，Bb分別為目標(biāo)在傳感器A與傳感器B本地坐標(biāo)下的位置轉(zhuǎn)換到ECEF坐標(biāo)系下的位 置時(shí)的轉(zhuǎn)換矩陣； 定義偽量測(cè)為： Z(k) =XAe (k) -XBe (k)\*MERGEFORMAT(5) 其中，XAe(k) =XAs+BAXA1(k) ;XBe(k) =XBs+BBXB1(k) 將式（2)、式（3)代入式（4)可以得到關(guān)于傳感器偏差的偽測(cè)量方程 Z(k) =H(k) 0 (k)+ff(k)\*MERGEFORMAT(6) 其中，H(k) = [_BACA(k)BBCB(k)]，Z(k)為偽測(cè)量向量；H(k)為測(cè)量矩陣；為傳感器 偏差向量；W(k)為測(cè)量噪聲向量；由于nA(k)，nB(k)為零均值、相互獨(dú)立的高斯型隨機(jī)變量， 因此W(k)同樣是零均值高斯型隨機(jī)變量，其協(xié)方差矩陣為R(k)。
2. 如權(quán)利要求1所述的異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法，其特征在于，該異步傳感器的空 間配準(zhǔn)方法包括的步驟如下： 步驟一、確定低采樣率傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)刻； 步驟二、采用內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn)算法，根據(jù)權(quán)利1中所述的傳感器A向傳感器B進(jìn)行配 準(zhǔn)的計(jì)算方法，計(jì)算高采樣率傳感器的時(shí)間配準(zhǔn)結(jié)果； 步驟三、根據(jù)偽量測(cè)構(gòu)建過(guò)程計(jì)算偽量測(cè)方程； 步驟四、根據(jù)所構(gòu)建的狀態(tài)方程與偽量測(cè)方程，采用卡爾曼濾波，估計(jì)傳感器的系統(tǒng)誤 差。
3. 如權(quán)利要求1所述的異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法，其特征在于，傳感器A的量測(cè)模型 如下： YjtH)、YA(tk)、YA(tk+1)分別為傳感器A對(duì)目標(biāo)在tH，tk+1時(shí)刻的本地笛卡爾坐標(biāo)系 下的量測(cè)值，分別為：
其中，Y' A(tk)、Y'A(tk+1)分別為傳感器A在時(shí)刻的本地笛卡爾 坐標(biāo)系下的真實(shí)位置；CA(t)為誤差的變換矩陣；|A(t)為傳感器的系統(tǒng)誤差；為系 統(tǒng)噪聲，假設(shè)氣D，氣⑴，氣為零均值、相互獨(dú)立的高斯型隨機(jī)變量，噪聲協(xié)方差矩陣 分別為RA(k_l)、RA(k)、RA(k+l)。
4. 如權(quán)利要求2和3所述的異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法，其特征在于，傳感器A向傳感 器B進(jìn)行配準(zhǔn)的具體過(guò)程如下： 將式（7)、式（8)、式（9)帶入式（1)，可得：
其中
為傳感器A的本地直角坐標(biāo)系下目標(biāo)的真實(shí) 位置在tBk時(shí)刻的時(shí)間配準(zhǔn)值；
為系統(tǒng)誤差造成的誤差項(xiàng)；氣"氣D+6氣⑴'為隨機(jī)噪聲，假定tk_i、tk、4+1時(shí)刻的噪聲互不相關(guān)的零均值白噪聲，則気為均值為零，協(xié)方差矩陣為 RA=a2RA(k-1) +b2RA (k) +c2RA (k+1)的白噪聲，而a、b、。、分別為
丨
，且a+b+c= 1 〇
5.如權(quán)利要求2所述的異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法，其特征在于，偽量測(cè)構(gòu)建過(guò)程僅 與目標(biāo)的位置相關(guān)，而與目標(biāo)的速度等狀態(tài)無(wú)關(guān)，具體過(guò)程如下： tBk時(shí)刻，傳感器A的配準(zhǔn)量測(cè)為，傳感器B的量測(cè)為：
Y'B(tBk)為傳感器B的本地直角坐標(biāo)系下目標(biāo)的真實(shí)位置，"(tBk)為傳感器B的系 統(tǒng)誤差，)為傳感器B的隨機(jī)誤差； 根據(jù)權(quán)利1中所述的基于ECEF的空間配準(zhǔn)算法，定義偽量測(cè)為：
對(duì)于同一公共目標(biāo)，在ECEF坐標(biāo)系下的位置為XJW有：
XAS (t)、XBS⑴分別為傳感器A和傳感器B在ECEF坐標(biāo)系下的位置，將式：
\
(11)、（13)帶入式（12)，則有： Z(k) =G(k) 0 (k)+ff(k)\*MERGEF0RMAT(15) 其中G(k) = [-aJJtkJ-bJJtk+D-cJJtk+DJBU)] = 為量測(cè)矩陣，其中，X=[-a -b-c1]，J= [H)JA(tk)JA(tk+1)JB(t)]T，H) =BaDCaD，JA(tk)=BA(tk)CA(tk) ；JA(tk+1) =BA(tk+1)CA(tk+1),JB(tk+1) =BB(t)CB(t) ；0 (k) = [CA(tk-!)Mtk)
Mtk+1)Mt) ]T，為系統(tǒng)誤差： 為均值為零，協(xié) 方差矩陣為： Rff(k) =a2RA(k-l)+b2RA(k)+c2RA(k+l)-RB(k)\*MERGEF0RMAT(16) 符號(hào)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
6.如權(quán)利要求2所述的異步傳感器空間配準(zhǔn)的方法，其特征在于，所構(gòu)建的狀態(tài)方程 與偽量測(cè)方程如下： 0 (k+1) =F(k|k-l) 0 (k)+Q(k)\*MERGEF0RMAT(17) Z(k) =G(k) 0 (k)+ff(k) 其中F(k+l|k)為狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)移矩陣，取值與傳感器的系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律相關(guān)，若 傳感器的系統(tǒng)誤差是緩變的，則F(k+l|k)近似為單位矩陣，取為F(k+l|k) =0.991，I為 單位陣。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種異步傳感器空間配準(zhǔn)算法，首先采用內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)兩傳感器的數(shù)據(jù)同步，隨后根據(jù)時(shí)間配準(zhǔn)結(jié)果構(gòu)建偽量測(cè)方程；針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)條件下的空間配準(zhǔn)問(wèn)題提出基于內(nèi)插外推時(shí)間配準(zhǔn)算法和基于地心地固坐標(biāo)系的空間配準(zhǔn)算法的異步傳感器空間配準(zhǔn)算法。本發(fā)明的偽量測(cè)方程構(gòu)建過(guò)程與目標(biāo)狀態(tài)向量無(wú)關(guān)，且可以證明由時(shí)間配準(zhǔn)結(jié)果構(gòu)造的偽量測(cè)也與目標(biāo)狀態(tài)無(wú)關(guān)。因此所提的算法可有效解決目標(biāo)機(jī)動(dòng)條件下的異步傳感器空間配準(zhǔn)問(wèn)題。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本發(fā)明的算法在目標(biāo)作蛇形機(jī)動(dòng)的條件下仍然可準(zhǔn)確的對(duì)傳感器的系統(tǒng)誤差進(jìn)行估計(jì)；同時(shí)通過(guò)仿真分析了傳感器的采樣周期比以及自身的隨機(jī)誤差對(duì)系統(tǒng)誤差估計(jì)精度的影響。
【IPC分類(lèi)】G01C25-00, G06F19-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104809326
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410280723
【發(fā)明人】方洋旺, 雍霄駒, 伍友利
【申請(qǐng)人】方洋旺, 雍霄駒
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2014年6月23日