一种基于拟牛顿法的点迹关联分配方法组成比例

本发明专利技术提出了一种基于拟牛顿法的点迹关联分配方法，首先在匀加速模型的基础上给出航迹在切向和法向加速度影响下的位移计算公式；其次分解位移变化公式降低计算复杂度，进而基于拟牛顿法建立求解切向加速度和法向加速度的迭代模型；再次构建能量公式评估不同点迹分配方案决定的影响度；最后给出航线交叉避让规则和最小能量规则，优化点迹分配方案，防范点迹分配错误。

A distribution method of point trace correlation based on Quasi Newton method

【技术实现步骤摘要】
一种基于拟牛顿法的点迹关联分配方法
本专利技术属于雷达数据处理

技术介绍
点迹与航迹关联是多传感器跟踪的关键问题，很大程度决定航迹目标的稳定性与正确性、航迹滤波状态的精确度与可靠性，进而影响航迹目标数据的应用保障能力。目前主要的数据关联方法有最近邻方法、全局最优方法、概率数据关联(PDA)、交互多模型、联合概率(JPDA)、神经网络等方法，基于概率论、神经网络的关联方法忽略航迹目标航行动力学特征，基于概率模型的关联方法需要计算点迹隶属度，存在复杂度高、适应性差的情况，交互多模型、神经网络等方法难以平衡模型复杂度与计算量之间矛盾。为充分利用点迹分配决定的航迹目标动力学特征，本专利技术借助匀加速模型给出由切向和法向加速度决定的目标位移变化公式，并拆分航迹目标位移变化公式降低计算难度，从而构建基于Jacobian矩阵的拟牛顿迭代计算模型；目标切向和法向加速过程决定了航迹目标在运动过程中的能量变化，本专利技术提出能量公式评估不同点迹分配方案的合理程度，考虑到邻近区域内可能存在航迹交叉情况，本专利技术提出航迹交叉避让和最小能量规则，避免航迹在没有采取非降速避让措施的情况下发生会遇甚至碰撞，优化点迹分配方案，纠正点迹分配错误。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种可评估点迹分配影响、判断航迹交叉会遇的航迹目标点迹关联分配和方案调整方法。本专利技术的解决方案是：本专利技术在分析航迹目标数据关联处理流程的基础上，提出利用上个周期的加速度评估值，动态修正波门大小，初步筛选出存在潜在关联关系的点迹数据，从而得到点迹与航迹当前位置的位移差，进而利用拟牛顿法迭代计算出目标在法向与切向的加速度值，并基于本专利技术提出的能量公式计算评估关联点迹决定的航迹关联影响度，初步挑选出关联度最小的点迹作为备选关联点迹。其次通过多次遍历，找出并标注存在临近关系的航迹目标；对临近的航迹对进行跨立判断，如果判定当前分配方案存在航迹交叉的情况，且临近航迹对到会遇点的时间差小于1s，则交换点迹分配，避免船舶碰撞或者航迹换批。当对全部相邻的航迹对进行调整后，将得到的点迹分配、调整结果作为航迹关联关联结果，最终完成航迹的更新、滤波和输出。附图说明图1基于拟牛顿法的点迹分配处理流程，其中虚线为本专利技术提出核心处理步骤。图2为跨立实验判断原理图图3为跨立实验判定相交，且相交的航迹目标到达交叉点时间差小于1s，调整后的点迹分配示意图。具体实施方式本专利技术主要的重要内容包括确立目标位移计算公式、构建拟牛顿迭代计算模型、基于加速度的点迹分配。(1)目标位移计算公式由于未分配的点迹与航迹的时间差通常较短，典型的导航雷达目标数据更新速率通常在3s左右，而预警雷达的数据更新率更高、更细周期更短，因此可假设目标在较短时间内法向和切向的受力是均匀的，即目标在法向和切向加速度值不变，本专利技术基于下列公式来计算目标在在切向加速度at和法向加速度an：(2)拟牛顿迭代计算模型由于f1(an,at)与f2(an,at)是非线性方程，难以利用常规方法直接求取加速度值，本专利技术采用拟牛顿法估算航迹目标的法向和切向加速度值。拟牛顿法本为求解非线性方程组：的数值解X＝(x1,x2,...,xn)，基于下式进行迭代计算：X(K+1)＝X(K)-F(X(K))-1f(X(K))其中F(X)是Jacobian矩阵。对本专利技术面临的问题，核心困难是计算从而构建Jacobian矩阵为降低计算复杂度，本专利技术首先定义因此有：因此得到：在得到Jacobian矩阵后，按照下式进行迭代计算：当满足条件时，取作为数值解。(3)基于加速度的点迹分配与调整目标运动状态变化过程可以用加速度来描述，且民用船舶与飞行器在航行过程通常不会发生剧烈的速度变化，否则会造成较大的油料消耗与航行风险。为此本专利技术提出基于切向加速度和法向加速度度量点迹分配决定的速度和能量变化程度，即关联影响度：基于关联度影响概念，本专利技术首先提出能量最小原则，即航迹目标在多个点迹中选取满足min{Evali|i＝1,2,3,…,n}的点迹作为备选关联点迹。如果区域内存在2个或者多个航迹需要在点迹集中挑选合适的点迹，则分为两种情况进行判断，如果相邻航迹没有发生航线交叉，则不调整航迹分配方案，即选取满足min{sum(Evali+Evalj)|i,j＝1,2,3,…,n,i≠j}的分配方案完成航迹目标与点迹的关联；否则如果判定航迹相交，意味着当前点迹分配方案下相邻航迹出现碰撞和换批现象，需要调整点迹分配方案。航迹目标航线交叉避让规则主要针对临近多航迹目标数据分配提出的，由于未分配的点迹与航迹的时间差通常较短，为降低计算复杂度提高计算速度，在常速模型假设下，本专利技术使用跨立实验快速判断航迹航线是否发生交叉，避免点迹错误分配带来的目标碰撞或批号交换。跨立实验的基本原理图如图2所示，其中航迹O1、O2的更新位置分别为a和c，其分配点迹分别是b和d，速度分别为v1、v2，计算下列4个值：u＝(c.x-a.x)*(b.y-a.y)-(b.x-a.x)*(c.y-a.y)v＝(d.x-a.x)*(b.y-a.y)-(b.x-a.x)*(d.y-a.y)w＝(a.x-c.x)*(d.y-c.y)-(d.x-c.x)*(a.y-c.y)z＝(b.x-c.x)*(d.y-c.y)-(d.x-c.x)*(b.y-c.y)当u·v≤0&&w·z≤0时，两个航线是相交的。当判定两条航线相交时，求出相交点，进而求出目标O1、O2到相交点o：o.x＝[(a.x-b.x)·(c.y·d.x-c.x·d.y)-c.x(c.x-d.x)·(a.y·a.x-a.x·b.y)]/[(a.y-b.y)·(c.x-d.x)-(c.y-d.y)·(a.x-b.x)]o.y＝[(a.y-b.y)·(c.y·d.x-c.x·d.y)-(c.y-d.x)·(a.y·b.x-a.x·b.y)]/[(a.y-b.y)·(c.x-d.x)-(c.y-d.y)·(a.x-b.x)]进而求出的时间差Δt：如果Δt＜1s，那么认为点迹分配错误，调整分配方案为O1:a→d和O2:c→b，如图3所示，继续挑选点迹。在点迹数大于1的情况下，在当前航迹的临近点迹集中排除原来关联影响度最小的点迹，加入相邻航迹的分配点迹，重新挑选关联影响度最小的点迹作为当前航迹的备选点迹，直到确保两条临近航迹不相交，此条规则称为航迹目标航线交叉避让原则。在完成点迹分配方案的初步分配和调整后，输出航迹目标的关联结果，最终完成航迹状态的滤波更新。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拟牛顿法的点迹关联分配方法，其特征在于：/n步骤一：基于匀加速假设，给出航迹在法向加速度和切向加速度影响下的位移变化计算公式：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于拟牛顿法的点迹关联分配方法，其特征在于：
步骤一：基于匀加速假设，给出航迹在法向加速度和切向加速度影响下的位移变化计算公式：



步骤二：将位移变化计算公式分解为两个组成部分：



从而降低计算难度并构建Jacobian矩阵：



通过初始化切向法向加速度值、给定终止条件，建立基于拟牛顿法的迭代模型，当满足：



得到法向与切向两个加速度值作为数值解；
步骤三：在备选的点迹中挑选能量最小的点迹作为航迹与点迹关联结果...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔威威，姚远，刘硕，鲍鹏飞，张秉致，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二四研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32