水面目标运动估计方法技术

本发明专利技术涉及一种水面目标运动估计方法，包括以下步骤：a、对低测量精度水面目标的运动点迹数据进行预处理；b、对水面目标的运动速度和方向进行估计。本发明专利技术可以对水面目标的航速和航向进行准确估计。航向进行准确估计。航向进行准确估计。

【技术实现步骤摘要】
水面目标运动估计方法


[0001]本专利技术涉及一种水面目标运动估计方法。

技术介绍

[0002]掌握广域态势、维护海上利益和安全是海洋战略发展的基石。随着我国天基装备能力的提升，基本解决了“看得远”、“看得见”的问题，但在“看得清、跟得上”，及体系化应用等方面尚存在差距。本专利技术以天基主/被动雷达发现不明舰船、辅助海警驱离为应用背景，通过估计目标航速和航向，掌握目标意图。
[0003]针对高分四号卫星数据，文献[1]提出了利用多假设跟踪[2]形成目标航迹的方法，进而估计目标的航速、航向。该方法的主要步骤包括：利用多结构多尺度形态学滤波对海洋背景遥感图像进行背景抑制；采用自适应阈值分割和自组织聚类获得候选目标；根据目标运动特征，利用静止轨道卫星凝视序列图像对候选目标进行多目标移动式邻域判决，剔除虚假目标；关联舰船目标以及融合卫星平台数据，可准确获取各个舰船位置、航速、航向、运动轨迹等信息。该方法具备算法简单、目标检测率高、虚警率低，稳定性好等优点。由于高分四号卫星采用光学成像体制，舰船的运动轨迹在像平面上是连续且光滑。在由像平面投影到地理坐标的过程中，虽然会存在一定程度的非线性系统误差，但相邻测量点迹的空间位置关系与实际情况接近，对航速、航向估计的影响程度较小。
[0004]天基主/被动雷达因其探测距离远、覆盖范围广，逐渐得到了广泛应用。对于天基被动体制雷达，还可以通过测量辐射源信号特征参数，进而确定来波方向，完成辐射源定位和识别，目前常用的是单星侦察定位方法和多星时差侦察定位方法[1]。受限于天线尺寸、星座规模和轨道资源等，天基主/被动雷达的定位精度最大可达十几公里量级，目标测量点迹产生较大起伏。由于相邻测量点迹的空间相对位置错乱，经常出现估计的航速远超出舰船的真实能力、航向估计反向的问题。文献[3]的方法重点聚焦在背景抑制、复杂背景下的弱目标检测、以及像平面坐标到地理坐标的转换误差等环节，其方法不适用于低测量精度下的航速、航向估计。
[0005]本专利技术针对天基主/被动雷达测量，在已经通过海洋态势和时空约束生成目标点迹的基础上，以获得平滑航迹和更准确的航向估计为目标，提出了一种低测量精度下的舰船目标航速与航向估计方法。
[0006][1]姚力波等,基于高分四号卫星的舰船目标跟踪.2017年第四届高分辨率对地观测学术年会.
[0007][2]Blackman S S.Multiple hypothesis tracking for multiple target tracking[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2004,19(1):5～18.用于多目标跟踪的多假设跟踪算法,电气和电子工程师协会航空航天与电子系统杂志.
[0008][3]郭福成等,空间电子侦察定位原理.国防工业出版社.
[0009][4]何友等,雷达数据处理及应用.电子工业出版社.
[0010]一般而言，测量精度和数据率越高，对于目标跟踪的精度就越有利，对航速、航向
的估计也就越准确。如图1示出的相邻时刻下高精度测量示意图可知，目标在t
k
‑1时刻的位置真值和测量值为x
k
‑1和(分别为实心点和三角形)，目标在t
k
时刻的位置真值和测量值分别为x
k
和随着测量误差越大，椭圆区域所示测量分布的范围越大，测量值越偏离真值。然而，当测量误差大于相邻两点间距离的一半时，由于测量值偏离真值较远，测量位置的空间关系不再符合实际情况，导致东北向的速度被估计成西南方向，如图2所示。因此，需要预先对点迹数据进行一系列处理，才能恢复点迹的相对位置关系，进而避免航向的估计值与真值的偏差超过90度及速度估计产生较大的起伏。
[0011]对于航速、航向估计，首先要建立目标的稳定跟踪，获得平滑航迹。一般，选用直角坐标系用描述目标状态方程。天基测量通常用经纬度来描述舰船目标的位置，因此地理坐标系是最直接的选择。然而，地理坐标系下的状态转移模型不足以精确刻画目标的转弯或静止运动。
[0012]舰船目标可能的运动形式包括静止、直线运动、往复运动、圆周运动等，因此多采用滤波方法。通常，状态转移模型采用匀速模型、匀加速模型或协同转弯模型[4]等。然而，在低测量精度的情况下，即使目标实际在做匀速运动，也容易在滤波过程中被测量拉偏到加速运动。为此，一方面需要增加更加接近目标运动的状态转移模型，另一方面需要减小过程噪声，以便在更新滤波器增益的过程中更多相信所设定的状态转移模型，而非测量值。然而，这导致了当目标的运动偏离所设定的状态转移模型时，滤波器的响应将出现滞后。因此，需要选取合适的状态转移模型，确保既符合舰船目标的运动规律，又避免滤波器被低精度测量拉偏。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于提供一种水面目标运动估计方法。
[0014]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种水面目标运动估计方法，包括以下步骤：
[0015]a、对水面目标的运动点迹数据进行预处理；
[0016]b、融合权重设置策略；
[0017]c、对水面目标的运动速度和方向进行估计。
[0018]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤(a)中，当相邻两点迹的距离处于融合门限内时，进行融合，融合点位为融合门限内相连点迹的均值；
[0019]若连续点迹均处于融合门限内，则进行迭代融合；
[0020]利用星下点距离或测量误差作为融合权重计算的依据。
[0021]根据本专利技术的一个方面，所述步骤(a)包括以下步骤：
[0022]a1、根据测量时间对输入点迹数据进行排序并确定航迹起点；
[0023]a2、假设当前传感器的测量精度为r，则设定融合门限为2r+V
max
Δt；
[0024]a3、找到当前时刻t
k
‑1对应的点迹x
k
‑1，以及下一时刻t
k
对应的点迹x
k
，计算相邻两个点迹的距离Δd＝||x
k
‑1‑
x
k
||；如果找不到下一时刻的测量，执行步骤a8；
[0025]a4、如果相邻两点间距离Δd超过融合门限2r+V
max
Δt，则不必这两个点迹进行处理，跳至步骤a3；反之，执行步骤a5；
[0026]a5、计算相邻时刻的位置权重，分别为已经归一化的w
k
‑1和w
k
。由于不同的传感器
测量误差产生原因不尽相同，应配合使用对应的融合权重策略，详见下节；
[0027]a6、对相邻两个点位进行加权融合，得到新点位与之对应的测量时刻取值为也可根据需求，将测量时刻取值为；
[0028]a7、重复所述步骤(a2)至所述步骤(a6)，直至没有下一时刻的测量点为止；
[0029]a8、找不到下一时刻的测量，点迹数据预处理结束本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水面目标运动估计方法，包括以下步骤：a、对水面目标的运动点迹数据进行预处理；b、对水面目标的运动速度和方向进行估计。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，当相邻两点迹的距离处于融合门限内时，进行融合，融合点位为融合门限内相连点迹的均值；若连续点迹均处于融合门限内，则进行迭代融合；利用星下点距离或测量误差作为融合权重计算的依据。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括以下步骤：a1、根据测量时间对输入点迹数据进行排序并确定航迹起点；a2、若当前传感器的测量精度为r，则设定融合门限为2r+V
max
Δt；a3、找到当前时刻t
k
‑1对应的点迹x
k
‑1以及下一时刻t
k
对应的点迹x
k
，计算相邻两个点迹的距离Δd＝||x
k
‑1‑
x
k
||；若找不到下一时刻的测量，执行步骤a8；a4、如果相邻两点间距离Δd超过融合门限2r+V
max
Δt，则不必这两个点迹进行处理，跳至步骤a3；反之，执行步骤a5；a5、计算相邻时刻的位置权重，分别为已经归一化的w
k
‑1和w
k
，并配合使用对应的融合权重策略；a6、对相邻两个点位进行加权融合，得到新点位与之对应的测量时刻取值为a7、重复所述步骤(a2)至所述步骤(a6)，直至没有下一时刻的测量点为止；a8、找不到下一时刻的测量，点迹数据预处理结束；其中，Vmax为舰船最大航速；
△
t为时序上相邻点迹间的时间差。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用星下点距离获得位置权重的方式为，使两点迹对应的合并加权值w
k
‑1和w
k
与星下点距离成反比，并对合并加权值做归一化处理，获得两个点迹的位置权重分别为和通过加权重融合得到的新的融合点迹对应的时间为两时刻的中间值；融合点迹会替代原始点迹；若进行连续迭代的融合，则反复融合策略直至相邻两点距离超过融合门限；其中，d为当前时刻测量点到星下点的距离；对于无法计算融合权重或无历史统计数据的传感器，融合点迹取融合距离门限内相连点迹的均值；根据传感器的定位机制、测量精度等使用不同融合权重设置策略，包括利用测量误差、测量协方差矩阵、测量得分和星下点距离作为融合权重计算的依据；以星下点距离作为融合权重设置的策略时，包括直接法、理论法和统计法；直接法包括：计算相邻两个点迹的星下点距离；按目标距星下点距离所属区间计算当前定位精度估计值，分别取其倒数作为当前点迹
的权重和下一点迹的权重，记为w
′
k
‑1和w
′
k
；对w
′
k
‑1和w
′
k
进行归一化处理，得到最终用于融合的权重w
k
‑1和w
k
；理论法包括：根据传感器计算星下点零位置到保精度区域最大边界的定位误差理论曲线；计算相邻两个点迹的星下点距离；基于定位误差理论曲线计算相邻两个点迹的定位误差，分别取其倒数作为当前点迹的权重和下一点迹的权重，记为w
′
k
‑1和w
′
k
；对w
′
k
‑1和w
′
k
进行归一化处理，得到最终用于融合的权重w
k

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩林，初海彬，何泓毅，曾巍，伊成俊，戎景会，王嘉兴，杨航，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：