一种目的地约束下目标跟踪装置及方法制造方法及图纸

技术编号:18451492 阅读:236 留言:0更新日期:2018-07-14 13:13
本发明专利技术提供一种目的地约束下目标跟踪装置及方法,包括:中央处理模块;观测雷达模块,其用于在跟踪过程中获得目标位置量测信息;滤波模块,其用于对目标运动状态进行估计,本发明专利技术包括不同两种形式,即增广量测形式和序贯处理形式。采用本发明专利技术提供的目的地约束下目标跟踪装置及方法能够为约束先验信息不完整情况下的目标跟踪问题提供了新的解决途径,合理利用其运动轨迹中隐含的线性等式约束信息,避免了信息浪费,提高了估计精度。

Target tracking device and method under destination constraint

The invention provides a target tracking device and method, including the central processing module, the observation radar module, which is used to obtain the target location information during the tracking process, and the filter module is used to estimate the moving state of the target. The invention includes two different forms, that is the augmented measurement form. And sequential processing. The target tracking device and method provided by this invention can provide a new way to solve the target tracking problem under the incomplete information of restricted prior information, and use the implicit linear equality constraint information in its trajectory to avoid the waste of information and improve the estimation accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种目的地约束下目标跟踪装置及方法
本专利技术涉及目标跟踪领域,尤其涉及一种目的地约束下目标跟踪装置及方法。
技术介绍
约束状态估计是在目标状态服从等式或不等式约束条件的情况下,对其进行状态估计的方法。在很多实际目标跟踪场景中,目标运动轨迹不完全由目标本身的运动速度决定,而是受其所处物理环境或是其自身运动特点影响或限制,并不是无约束的自由运动。合理利用这些实际场景中蕴含的约束信息可以有效的提高估计性能和滤波精度。在实际应用中存在这样一种线性等式约束条件,其先验信息是不完整的,只有目标运动的目的地,即约束直线上的一个点是确定已知的,我们把这种约束称为目的地约束。这种约束常见于水平笛卡尔坐标平面上的反辐射导弹跟踪问题,由于其导引头的导引策略,在中途不改变打击目标的情况下,反辐射导弹在笛卡尔坐标系内的运动轨迹可以视作是指向静止打击目标的一条直线。而作为防守方,静止打击目标(例如雷达)的坐标我们是先验可知的。这种明显的运动特点可以作为先验约束信息引入跟踪系统用来提高估计精度。其他应用还包括贵重财产的反炮击保护等。这类约束状态估计问题中只包含具体约束条件的部分先验信息,而传统的约束状态估计方法,如D.Simon,“Kalmanfilteringwithstateconstraints:asurveyoflinearandnonlinearalgorithms,”IETControlTheory&Applications,2010,4(8),pp.1303-1318(状态约束下的卡尔曼滤波)中提到的方法,均是针对有完整先验信息的约束条件的,无法直接用于处理这种目的地约束下的目标跟踪问题。目前针对目的地约束目标跟踪方法的研究,如G.ZhouandK.Li,“Stateestimationwithdestinationconstraints,”Proceedingsof19thInternationalConferenceonInformationFusion,pp.292–297,2016(目的地约束下的状态估计)中利用量测点和目的地连线来构造近似的目的地约束,并用受测量噪声影响的伪量测来将其引入跟踪系统中,得到了较大的性能提升。然而这种方法需要获取伪量测噪声的统计特性,相对复杂,而且伪量测中包含的先验信息来源于真实约束的近似,约束效果不理想。因此,需要提供一种更加准确高效的目的地约束下目标跟踪方法。专利技术专利内容有鉴于此,本专利技术旨在提出一种目的地约束下目标跟踪方法,以进行更加准确高效的目标跟踪。为达到上述目的,本专利技术的技术方案是这样实现的:一种目的地约束下目标跟踪装置,包括:中央处理模块;观测雷达模块,其用于在跟踪过程中获得目标位置量测信息;滤波模块,其用于对目标运动状态进行估计;所述中央处理模块还包括:目的地记录单元,其用于记录目的地坐标(xn,yn),其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;转换单元,其用于将极坐标下的目标位置量测信息,转换到笛卡尔坐标系下,目标运动状态方程为:xk+1=Φkxk+Γkvk其中xk是k时刻状态向量;xk+1是k+1时刻状态向量,下标为对应时刻;Φk是状态转移矩阵;vk是过程噪声向量,假设过程噪声是零均值方差已知的高斯白噪声,其协方差矩阵为cov(vk)=Qk≥0;Γk是噪声分布矩阵;伪量测单元,其用于根据目的地坐标(xn,yn),和状态分量间确定的约束关系来构造伪量测:其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;和为目标运动状态中沿x,y方向速度分量;λk为伪量测;量测单元,其用于构建量测和目标状态之间的关系的量测方程;运动模型单元,其用于构建沿直线运动目标跟踪的运动模型的量测矩阵,所述运动模型的量测矩阵包括:近匀速模型(NCV)的量测矩阵和近匀加速模型(NCA)的量测矩阵。进一步的,所述目的地约束下目标跟踪方法包括如下步骤:步骤1:在所述中央处理模块的目的地记录单元中记录目的地坐标(xn,yn),其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;步骤2:在目标跟踪过程中,通过所述观测雷达模块获得目标位置量测信息,所述目标位置量测信息包括:目标相对雷达坐标系原点的距离量测和方位角量测将所述观测雷达模块获得的所述目标位置量测信息反馈至所述中央处理模块;步骤3:在所述中央处理模块的转换单元中将极坐标下的目标位置量测信息,转换到笛卡尔坐标系下,在笛卡尔坐标系下,目标运动状态方程为:xk+1=Φkxk+Γkvk其中xk是k时刻状态向量;xk+1是k+1时刻状态向量,下标为对应时刻;Φk是状态转移矩阵;vk是过程噪声向量,假设过程噪声是零均值方差已知的高斯白噪声,其协方差矩阵为cov(vk)=Qk≥0;Γk是噪声分布矩阵;步骤4:在所述中央处理模块的伪量测单元中,根据目的地坐标(xn,yn),和状态分量间确定的约束关系来构造伪量测:其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;和为目标运动状态中沿x,y方向速度分量;λk为伪量测;步骤5:得到笛卡尔坐标系下的伪量测后,在所述中央处理模块的量测单元中,构建量测和目标状态之间的关系的量测方程;步骤6:在所述中央处理模块的运动模型单元中,构建沿直线运动目标的运动模型的量测矩阵,所述运动模型的量测矩阵包括:近匀速模型(NCV)的量测矩阵和近匀加速模型(NCA)的量测矩阵;步骤7:通过所述滤波模块进行滤波初始化:采用两点差分法,即利用最初两个时刻k=1、k=2时刻的笛卡尔坐标系下位置量测值得到k=2时刻的状态估计:其对应的初始状态协方差矩阵为其中和是笛卡尔坐标下的目标沿x,y方向的位置量测信息,是通过无偏量测转换方法将雷达位置量测转换到笛卡尔坐标系下得到的转换量测;转换公式为:其中是从雷达获取的距离,方位角量测;是转换后得到的沿x,y方向的笛卡尔坐标量测,是转换后的量测向量;μθ是去偏系数,可通过方位角测量噪声方差求得:对应的协方差矩阵为其中Rk,xx,Rk,yy分别为x,y方向笛卡尔坐标量测对应的量测噪声方差,Rk,xy为x,y方向笛卡尔坐标量测对应的量测噪声之间的互协方差:上标“c”代表与转换量测相关的向量、矩阵和函数;步骤8:通过所述滤波模块从k=3时刻开始滤波,进而得到k时刻的约束状态估计结果。进一步的,所述步骤5中,得到笛卡尔坐标系下的伪量测后,在所述中央处理模块的量测单元中,构建量测和目标状态之间的关系的量测方程,具体为:步骤5(1):将伪量测增广到量测向量中,得到量测方程为:对应的量测噪声协方差矩阵为:其中是k时刻量测向量;和分别是雷达获取的距离量测和方位角量测;是表征量测向量与状态向量间关系的函数;是测量噪声向量;和分别是距离和方位角量测对应的量测噪声;σr和σθ分别是距离和方位角量测对应的量测噪声标准差;Rk,rr和Rk,θθ分别是距离和方位角量测对应的量测噪声方差,Rk,rθ是距离和方位角量测之间的互协方差;Rk,λλ是伪量测对应的量测噪声方差,由于伪量测是一个常数,因此Rk,λλ=0;Rk,rλRk,θλ是伪量测与位置量测之间的互协方差,均为零;上标“a”代表增广的向量、矩阵和函数。进一步的,所述步骤6中所述的近匀速模型(NCV)的量测矩阵和近匀加速模型(NCA)的量测矩阵,具体为:步骤6(1):此时对应的状态向量分别为和xk、yk分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种目的地约束下目标跟踪装置,其特征在于,包括:中央处理模块;观测雷达模块,其用于在跟踪过程中获得目标位置量测信息;滤波模块,其用于对目标运动状态进行估计;所述中央处理模块还包括:目的地记录单元,其用于记录目的地坐标(xn,yn),其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;转换单元,其用于将极坐标下的目标位置量测信息,转换到笛卡尔坐标系下,目标运动状态方程为:xk+1=Φkxk+Γkvk其中xk是k时刻状态向量;xk+1是k+1时刻状态向量,下标为对应时刻;Φk是状态转移矩阵;vk是过程噪声向量,假设过程噪声是零均值方差已知的高斯白噪声,其协方差矩阵为cov(vk)=Qk≥0;Γk是噪声分布矩阵;伪量测单元,其用于根据目的地坐标(xn,yn),和状态分量间确定的约束关系来构造伪量测:

【技术特征摘要】
1.一种目的地约束下目标跟踪装置,其特征在于,包括:中央处理模块;观测雷达模块,其用于在跟踪过程中获得目标位置量测信息;滤波模块,其用于对目标运动状态进行估计;所述中央处理模块还包括:目的地记录单元,其用于记录目的地坐标(xn,yn),其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;转换单元,其用于将极坐标下的目标位置量测信息,转换到笛卡尔坐标系下,目标运动状态方程为:xk+1=Φkxk+Γkvk其中xk是k时刻状态向量;xk+1是k+1时刻状态向量,下标为对应时刻;Φk是状态转移矩阵;vk是过程噪声向量,假设过程噪声是零均值方差已知的高斯白噪声,其协方差矩阵为cov(vk)=Qk≥0;Γk是噪声分布矩阵;伪量测单元,其用于根据目的地坐标(xn,yn),和状态分量间确定的约束关系来构造伪量测:其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;和为目标运动状态中沿x,y方向速度分量;λk为伪量测;量测单元,其用于构建量测和目标状态之间的关系的量测方程;运动模型单元,其用于构建沿直线运动目标跟踪的运动模型的量测矩阵,所述运动模型的量测矩阵包括:近匀速模型(NCV)的量测矩阵和近匀加速模型(NCA)的量测矩阵。2.一种基于权利要求1所述目标追踪装置实现的目的地约束下目标跟踪方法,其特征在于,所述目的地约束下目标跟踪方法包括如下步骤:步骤1:在所述中央处理模块的目的地记录单元中记录目的地坐标(xn,yn),其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;步骤2:在目标跟踪过程中,通过所述观测雷达模块获得目标位置量测信息,所述目标位置量测信息包括:目标相对雷达坐标系原点的距离量测和方位角量测将所述观测雷达模块获得的所述目标位置量测信息反馈至所述中央处理模块;步骤3:在所述中央处理模块的转换单元中将极坐标下的目标位置量测信息,转换到笛卡尔坐标系下,在笛卡尔坐标系下,目标运动状态方程为:xk+1=Φkxk+Γkvk其中xk是k时刻状态向量;xk+1是k+1时刻状态向量,下标为对应时刻;Φk是状态转移矩阵;vk是过程噪声向量,假设过程噪声是零均值方差已知的高斯白噪声,其协方差矩阵为cov(vk)=Qk≥0;Γk是噪声分布矩阵;步骤4:在所述中央处理模块的伪量测单元中,根据目的地坐标(xn,yn),和状态分量间确定的约束关系来构造伪量测:其中xn和yn为目的地x,y方向坐标;和为目标运动状态中沿x,y方向速度分量;λk为伪量测;步骤5:得到笛卡尔坐标系下的伪量测后,在所述中央处理模块的量测单元中,构建量测和目标状态之间的关系的量测方程;步骤6:在所述中央处理模块的运动模型单元中,构建沿直线运动目标的运动模型的量测矩阵,所述运动模型的量测矩阵包括:近匀速模型(NCV)的量测矩阵和近匀加速模型(NCA)的量测矩阵;步骤7:通过所述滤波模块进行滤波初始化:采用两点差分法,即利用最初两个时刻k=1、k=2时刻的笛卡尔坐标系下位置量测值得到k=2时刻的状态估计:其对应的初始状态协方差矩阵为其中和是笛卡尔坐标下的目标沿x,y方向的位置量测信息,是通过无偏量测转换方法将雷达位置量测转换到笛卡尔坐标系下得到的转换量测;转换公式为:其中是从雷达获取的距离,方位角量测;是转换后得到的沿x,y方向的笛卡尔坐标量测,是转换后的量测向量;μθ是去偏系数,可通过方位角测量噪声方差求得:对应的协方差矩阵为其中Rk,xx,Rk,yy分别为x,y方向笛卡尔坐标量测对应的量测噪声方差,Rk,xy为x,y方向笛卡尔坐标量测对应的量测噪声之间的互协方差:上标“c”代表与转换量测相关的向量、矩阵和函数;步骤8:通过所述滤波模块从k=3时刻开始滤波,进而得到k时刻的约束状态估计结果。3.根据权利要求2所述的目的地约束下目标跟踪方法,其特征在于,所述步骤5中,得到笛卡尔坐标系下的伪量测后,在所述中央处理模块的量测单元中,构建量测和目标状态之间的关系的量测方程,具体为:步骤5(1):将伪量测增广到量测向量中,得到量测方程为:对应的量测噪声协方差矩阵为:其中是k时刻量测向量;和分别是雷达获取的距离量测和方位角量测;是表征量测向量与状态向量间关系的函数;是量测噪声向量;和分别是距离和方位角量测对应的量测噪声;σr和σθ分别是距离和方位角量测对应...

【专利技术属性】
技术研发人员:周共健李可毅
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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