一种动平台传感器系统偏差的估计方法技术方案

一种动平台传感器系统偏差的估计方法，包括以下步骤：第一步、基于合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；第二步、基于非合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；第三步、实现基于合作目标和非合作目标的交替配准。本发明专利技术解决了动平台传感器系统中，传感器量测无偏差而平台姿态角存在偏差的空间配准问题，考虑到地球曲率的影响，基于公共坐标系为地心地固坐标系的三维场景，分析传感器不存在量测偏差的前提下，平台姿态角偏差的估计问题，根据目标类型的不同，设计了基于合作目标为单个或多个的姿态角配准，基于非合作目标为单个或多个的姿态角配准，以及两类目标共存时的姿态角配准，能够精确估计姿态角偏差，实现目标的精确跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种动平台传感器系统偏差的估计方法
本专利技术涉及多平台多传感器数据融合领域，具体涉及一种动平台传感器系统偏差的估计方法，从而协调好基于合作目标的信息和基于非合作目标的信息。
技术介绍
目前已公开的空间配准文献所研究的问题是针对探测传感器(如雷达)的系统偏差估计，很少提到平台姿态角的系统偏差估计。在超视距作战过程中，由于目标距离很远，很小的姿态偏差都可能导致极大的多源数据探测误差。因此亟需研究平台的姿态配准算法。在多平台多传感器目标跟踪系统中，由于平台自身的姿态角系统偏差在坐标转换过程中会严重的污染量测数据，使得后续的关联、滤波、融合等运算异常，甚至产生虚假目标，很难发挥出多传感器的优势[1]。目前，对系统偏差估计的算法主要包括：实时质量控制法[2]、最小二乘类估计算法[3]、精确极大似然类法[4]，以及基于kalman滤波的方法[5]、不敏滤波[6]、EM算法[7]等，这些算法均适用于平台姿态角偏差是固定值时的系统偏差估计。而在空间配准技术中，根据目标类型的不同，主要分为基于合作目标的空间配准和基于非合作目标的空间配准两类[8]。合作目标是指目标的真实位置是已知的，所以只需要一个传感器就能获取其位置。而非合作是指目标的真实位置是未知的，所以往往需要两个或两个以上的传感器对其进行探测。文献[9]研究了当同时出现合作目标与非合作目标时怎样协调好基于合作目标的空间配准结果与非合作目标信息，但其只适用于仅有一个传感器对合作目标有量测的场景，并且是针对仅传感器有系统偏差的情况，而非平台姿态角有偏差。因此，需要设计一种当合作目标与非合作目标同时存在，仅平台的姿态角存在系统偏差场景下的空间配准方法，从而使得配准精度既优于单基于合作目标的空间配准，同时也优于单基于非合作目标的空间配准，进而实现对目标更加精确的跟踪。以上内容所提及的参考文献如下：[1]保铮.传感器信号的长时间积累[J].第七届全国传感器学术年会,南京,1999:9-15；[2]BurkeJ.TheSAGErealqualitycontrolfractionanditsinterfacewithBUICII/BUICIII[R].[s.l.]：MITRECorporation，1966；[3]SudanoJJ.Aleastsquarealgorithmwithcovarianceweightingforcomputingthetranslationalandrotationalerrorsbetweentworadarsites[J].IEEEAES，1993，29(1)：383-387；[4]ZhouYifeng，HenryL.Anexactmaximumlikelihoodregistrationalgorithmfordatafusion[J].IEEETransSignalProcessing，1997，45(6)：1560-1572；[5]KousugeY，OkadaT.BiasEstimationofTwo3-DimensonalRadarsUsingKalmanFilter[J].4thInt.WorkshoponAdvancedMotionControl，1996，1(1)：377-382；[6]W.Li,H.LeungandY.Zhou.Space-timeregistrationofradarandESMusingunscentedKalmanfilter.IEEETrans.OnAES.Vol.40(3),2004,824-836；[7]ZhenhuaLiandHenryLeung.AnExpectationMaximizationBasedSimultaneousRegistrationandFusionAlgorithmforRadarNetworks.IEEECCECE/CCGEI,Ottawa,May2006；[8]宋文彬.传感器数据空间配准算法研究进展[J].传感器与微系统,2012,31(8):5-8；[9]宋文彬.基于合作目标与非合作目标的一体化空间配准新算法[J].电讯技术,2013,53(11):1422-1427。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种动平台传感器系统偏差的估计方法，协调好基于合作目标的信息和基于非合作目标的信息，实现对目标的精确跟踪。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：第一步、基于合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；将传感器载于平台上，使二者的笛卡尔坐标系重合，取ECEF坐标系为配准的坐标系，得到：Xtrue＝Xs+RtRl(α-Δα,β-Δβ,γ-Δγ)X1；式中，Xtrue为目标在ECEF坐标系下的真实位置，Xs为平台在ECEF坐标系下的真实坐标，Rt为东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵，Rl为机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，X1为机载平台笛卡尔坐标系下平台对目标的量测，β,γ,α分别是平台俯仰角、偏航角、滚动角的量测值，Δβ,Δγ,Δα分别是平台俯仰角、偏航角、滚动角的系统偏差；第二步、基于非合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；将传感器载于平台上，使二者的笛卡尔坐标系重合，取ECEF坐标系为配准的坐标系，对运动的非合作目标，在不考虑传感器的系统偏差及平台的姿态角量测噪声的情况下，两平台A,B在同一时刻，对目标的不含偏差量测相同，得到：XsA+RtARlA(αA-ΔαA,βA-ΔβA,γA-ΔγA)XpA＝XsB+RtBRlB(αB-ΔαB,βB-ΔβB,γB-ΔγB)XpB式中，XsA,XsB分别为平台A,B在ECEF坐标系下的坐标，RtA,RtB分别为平台A,B东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵，RlA,RlB分别为平台A,B机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，XpA,XpB分别为平台A,B在机载平台笛卡尔坐标系下传感器对目标的量测，(αA,βA,γA)和(αB,βB,γB)分别是平台A,B的滚动角、俯仰角、偏航角的量测值，(ΔαA,ΔβA,ΔγA)和(ΔαB,ΔβB,ΔγB)分别是平台A,B相应姿态角的系统偏差；第三步、实现基于合作目标和非合作目标的交替配准。所述的第一步中：1.1)得到东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵Rt为：得到：其中：此处(xs,ys,zs)表示机载平台中心在ECEF坐标系中的位置，而(λs,ls,hs)则表示机载平台中心在大地坐标系的位置，分别表示经度，纬度和高度；1.2)得到机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵Rl(α,β,γ)为：其中，γ,α,β分别为平台的偏航角，滚动角和俯仰角；1.3)得到机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的真实转换矩阵Rtl为：其中，Δγ,Δα,Δβ分别为平台的偏航角系统偏差，滚动角系统偏差和俯仰角系统偏差。将步骤1.3)得到的矩阵在Δγ＝Δβ＝Δα＝0处进行一阶泰勒展开，得到：使得：其中，Δε＝(Δα,Δβ,Δγ)T是平台在机体坐标系的定姿误差，而Γ1是把机体坐标系的定姿误差转换到东北天坐标系的误差转换矩阵；a.对ΔRl的各元素展开，得到：b.根据机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的真实转换矩阵Rtl及其一阶泰勒展开式，计算得到各元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动平台传感器系统偏差的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、基于合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；将传感器载于平台上，使二者的笛卡尔坐标系重合，取ECEF坐标系为配准的坐标系，得到：Xtrue＝Xs+RtRl(α‑Δα,β‑Δβ,γ‑Δγ)X1；式中，Xtrue为目标在ECEF坐标系下的真实位置，Xs为平台在ECEF坐标系下的真实坐标，Rt为东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵，Rl为机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，X1为机载平台笛卡尔坐标系下平台对目标的量测，β,γ,α分别是平台俯仰角、偏航角、滚动角的量测值，Δβ,Δγ,Δα分别是平台俯仰角、偏航角、滚动角的系统偏差；第二步、基于非合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；将传感器载于平台上，使二者的笛卡尔坐标系重合，取ECEF坐标系为配准的坐标系，对运动的非合作目标，在不考虑传感器的系统偏差及平台的姿态角量测噪声的情况下，两平台A,B在同一时刻，对目标的不含偏差量测相同，得到：XsA+RtARlA(αA‑ΔαA,βA‑ΔβA,γA‑ΔγA)XpA＝XsB+RtBRlB(αB‑ΔαB,βB‑ΔβB,γB‑ΔγB)XpB式中，XsA,XsB分别为平台A,B在ECEF坐标系下的坐标，RtA,RtB分别为平台A,B东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵，RlA,RlB分别为平台A,B机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，XpA,XpB分别为平台A,B在机载平台笛卡尔坐标系下传感器对目标的量测，(αA,βA,γA)和(αB,βB,γB)分别是平台A,B的滚动角、俯仰角、偏航角的量测值，(ΔαA,ΔβA,ΔγA)和(ΔαB,ΔβB,ΔγB)分别是平台A,B相应姿态角的系统偏差；第三步、实现基于合作目标和非合作目标的交替配准。...

【技术特征摘要】
1.一种动平台传感器系统偏差的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、基于合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；将传感器载于平台上，使二者的笛卡尔坐标系重合，取ECEF坐标系为配准的坐标系，得到：Xtrue＝Xs+RtRl(α-Δα,β-Δβ,γ-Δγ)X1；式中，Xtrue为目标在ECEF坐标系下的真实位置，Xs为平台在ECEF坐标系下的真实坐标，Rt为东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵，Rl为机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，X1为机载平台笛卡尔坐标系下平台对目标的量测，β,γ,α分别是平台俯仰角、偏航角、滚动角的量测值，Δβ,Δγ,Δα分别是平台俯仰角、偏航角、滚动角的系统偏差；第二步、基于非合作目标建立估计姿态系统偏差的状态空间；将传感器载于平台上，使二者的笛卡尔坐标系重合，取ECEF坐标系为配准的坐标系，对运动的非合作目标，在不考虑传感器的系统偏差及平台的姿态角量测噪声的情况下，两平台A,B在同一时刻，对目标的不含偏差量测相同，得到：XsA+RtARlA(αA-ΔαA,βA-ΔβA,γA-ΔγA)XpA＝XsB+RtBRlB(αB-ΔαB,βB-ΔβB,γB-ΔγB)XpB式中，XsA,XsB分别为平台A,B在ECEF坐标系下的坐标，RtA,RtB分别为平台A,B东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵，RlA,RlB分别为平台A,B机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，XpA,XpB分别为平台A,B在机载平台笛卡尔坐标系下传感器对目标的量测，(αA,βA,γA)和(αB,βB,γB)分别是平台A,B的滚动角、俯仰角、偏航角的量测值，(ΔαA,ΔβA,ΔγA)和(ΔαB,ΔβB,ΔγB)分别是平台A,B相应姿态角的系统偏差；第三步、实现基于合作目标和非合作目标的交替配准。2.根据权利要求1所述动平台传感器系统偏差的估计方法，其特征在于，所述的第一步：1.1)得到东北天坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵Rt为：得到：其中：此处(xs,ys,zs)表示机载平台中心在ECEF坐标系中的位置，而(λs,ls,hs)则表示机载平台中心在大地坐标系的位置，分别表示经度，纬度和高度；1.2)得到机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的转换矩阵Rl(α,β,γ)为：其中，γ,α,β分别为平台的偏航角，滚动角和俯仰角；1.3)得到机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的真实转换矩阵Rtl为：其中，Δγ,Δα,Δβ分别为平台的偏航角系统偏差，滚动角系统偏差和俯仰角系统偏差。3.根据权利要求2所述动平台传感器系统偏差的估计方法，其特征在于，将步骤1.3)得到的矩阵在Δγ＝Δβ＝Δα＝0处进行一阶泰勒展开，得到：使得：其中，Δε＝(Δα,Δβ,Δγ)T是平台在机体坐标系的定姿误差，而Γ1是把机体坐标系的定姿误差转换到东北天坐标系的误差转换矩阵；a.对ΔRl的各元素展开，得到：b.根据机载平台笛卡尔坐标系到东北天坐标系的真实转换矩阵Rtl及其一阶泰勒展开式，计算得到各元素：4.根据权利要求3所述动平台传感器系统偏差的估计方法，其特征在于，根据东北天坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：元向辉，陈豆豆，高霄，李沛然，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61