基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法，包括，建立多嵌套阵列模型、观测方程和状态方程；初始化；计算滤波估计值和方差；重要性采样，从建议分布函数中采样，更新所述采样粒子；重要性权值计算，并进行归一化处理；判断是否进行重采样，计算有效粒子容量，当所述有效粒子容量不大于阈值时，进行重采样；当所述有效粒子容量大于所述阈值时，进行下一次迭代；采用系统重采样算法进行重采样；输出状态估计；基于MH的MCMC步骤；进行下一次迭代，返回重要性采样。本发明专利技术的基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法具有更高的跟踪精度，提高了接收信号的数目。目。目。

【技术实现步骤摘要】
基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法


[0001]本专利技术涉及直接跟踪算法领域，且特别是有关于一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法。

技术介绍

[0002]无论在民用还是军事领域，目标跟踪的应用都越来越广泛。常用的跟踪方法有扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹粒子滤波(UPF)等，EKF克服了标准卡尔曼滤波不能应用于非线性系统的问题，但EKF存在非线性系统不能够进行雅克比矩阵求解、泰勒级数线性化只具有一阶的精度、要求噪声服从高斯分布等缺点；UPF在非线性、非高斯条件下的滤波精度较高，然而不能满足高精度、高动态的目标跟踪要求。同时，粒子滤波跟踪存在粒子退化、粒子贫化、滤波精度低等缺点。常用的观测阵列是均匀阵列，其观测信源数目受到限制，定位精度和自由度不高。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法(I
‑
UPF)，使用多嵌套阵列来接收信号源提高自由度，并将系统比例对称无迹粒子滤波(SPSUPF)和马尔可夫链蒙特卡罗算法(MCMC)结合。
[0004]为达到上述目的，本专利技术技术方案是：
[0005]一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法，包括，
[0006]步骤S1，建立多嵌套阵列模型、观测方程和状态方程；
[0007]步骤S2，初始化，对先验概率分布p(d0)进行采样，生成N个服从p(d0)分布的采样粒子集合并将所有所述采样粒子的权重设为1/N，k＝1，2，...，K，K为总迭代次数，i＝1，2，...，N，N为采样粒子总数，为第k次迭代的第i个采样粒子的运动状态，为第k次迭代的第i个采样粒子的权重；
[0008]步骤S3，计算滤波估计值和方差
[0009]步骤S4，重要性采样，从建议分布函数步骤S4，重要性采样，从建议分布函数中采样，更新所述采样粒子，z
k
为第k次迭代观测站接收的信号；
[0010]步骤S5，重要性权值计算，并进行归一化处理；
[0011]步骤S6，判断是否进行重采样，计算有效粒子容量，当所述有效粒子容量不大于阈值时，进行步骤S7中的重采样；当所述有效粒子容量大于所述阈值时，进行步骤S10；
[0012]步骤S7，采用系统重采样算法进行重采样；
[0013]步骤S8，输出状态估计；
[0014]步骤S9，基于MH的MCMC步骤；
[0015]步骤S10，令k＝k+1，返回所述步骤S4。
[0016]上述步骤S1中的所述多嵌套阵列包括阵元数为N1的第一子阵和阵元数为N2的第二子阵，所述第一子阵的阵元间距为r0，所述第二子阵的阵元间距为(N1+1)r0，所述阵元间距r0＝λ/2，λ为工作波波长。
[0017]上述步骤S1中的所述观测方程为：
[0018][0019]l＝1，2，...，L，L为观测站的总个数，k＝1，2，...，K，K为观测时刻的总个数，即所述总迭代次数，z
l，k
为第l个观测站在第k个观测时刻接收的信号的矩阵形式，为多普勒频移矩阵，G为离散DFT矩阵，G
H
为所述离散DFT矩阵G的共轭转置矩阵，为时延矩阵，s
k
为信号的离散形式，n
l，k
为零均值的广义平稳的复高斯白噪声，A
l
(p)为方向矩阵。
[0020]上述离散DFT矩阵G、上述多普勒频移矩阵上述时延矩阵分别为：
[0021][0022][0023][0024]采样点数v
k
＝[1，2，...V
k
]T
，V
k
为采样点总个数，j表示虚部，T
s
为采样周期，f
l，q
为第l个观测站与第q个匀速直线运动目标相对位移引起的多普勒频移，τ
l，q
为第q个信号源到达第l个观测站的时延，q＝1，2，...，Q，Q为信号源的总个数。
[0025]上述方向矩阵A
l
(p)为：
[0026]A
l
(p)＝[a
l
(p1)，...，a
l
(p
Q
)]，
[0027][0028]q＝1，2，...，Q，Q为信号源的总个数，p
q
为第q个信号源的坐标。
[0029]上述步骤S1中的所述状态方程为：
[0030]d
k+1
＝Fd
k
+σ
k
，
[0031]d
k
为第k个观测时刻所述匀速直线运动目标的运动状态，F为状态转移矩阵，σ
k
为零均值高斯白噪声。
[0032]在上述步骤S3中，用UKF算法计算所述采样粒子集合的所述滤波估计值和所述方差用SPSUPF算法选取Sigma点。
[0033]在上述步骤S4中，用SPSUPF算法产生所述建议分布函数。
[0034]在上述步骤S5中，对所述重要性权值根据公式进行归一化处理。
[0035]在上述步骤S6中，所述有效粒子容量N
eff
的表达式为：
[0036][0037]上述阈值N
th
为N
th
＝N/3。
[0038]在上述步骤S8中，上述输出状态估计包括，输出所述滤波估计值与所述方差
[0039][0040][0041]在上述步骤S9中，所述MCMC步骤中的似然函数为：
[0042][0043]有益效果，本专利技术的基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法具有更高的跟踪精度，使用固定的观测站截获信号波形来跟踪移动发射器，无需中间参数估计；使用多嵌套阵列来接收信号源，扩展了自由度，提高了接收信号的数目和分辨率；将SPSUPF算法和MCMC算法结合，提高了定位精度。
[0044]为让专利技术的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
[0045]图1为本专利技术一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法的流程图。
[0046]图2为多嵌套阵列一具体实施例的示意图。
[0047]图3为观测站和信号源一具体实施例的示意图。
[0048]图4为本专利技术I
‑
UPF方法以及PF
‑
TDOA方法跟踪轨迹的示意图。
[0049]图5为本专利技术I
‑
UPF方法以及UPF
‑
MCMC、EPF
‑
MCMC、PF
‑
TDOA方法信噪比的示意图。
[0050]图6为本专利技术I
‑
UPF方法和用于均匀阵列的SPSUPF
‑
MCMC方法粒子数的示意图。
[0051]在附图中，类似的附图标号是指相同的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法，其特征在于，包括，步骤S1，建立多嵌套阵列模型、观测方程和状态方程；步骤S2，初始化，对先验概率分布p(d0)进行采样，生成N个服从p(d0)分布的采样粒子集合并将所有所述采样粒子的权重设为1/N，k＝1，2，...，K，K为总迭代次数，i＝1，2，...，N，N为采样粒子总数，为第k次迭代的第i个采样粒子的运动状态，为第k次迭代的第i个采样粒子的权重；步骤S3，计算滤波估计值和方差步骤S4，重要性采样，从建议分布函数步骤S4，重要性采样，从建议分布函数中采样，更新所述采样粒子，z
k
为第k次迭代观测站接收的信号；步骤S5，重要性权值计算，并进行归一化处理；步骤S6，判断是否进行重采样，计算有效粒子容量，当所述有效粒子容量不大于阈值时，进行步骤S7中的重采样；当所述有效粒子容量大于所述阈值时，进行步骤S10；步骤S7，采用系统重采样算法进行重采样；步骤S8，输出状态估计；步骤S9，基于MH的MCMC步骤；步骤S10，令k＝k+1，返回所述步骤S4。2.如权利要求1所述一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述多嵌套阵列包括阵元数为N1的第一子阵和阵元数为N2的第二子阵，所述第一子阵的阵元间距为r0，所述第二子阵的阵元间距为(N1+1)r0，所述阵元间距r0＝λ/2，λ为工作波波长。3.如权利要求2所述一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述观测方程为：l＝1，2，...，L，L为观测站的总个数，k＝1，2，...，K，K为观测时刻的总个数，即所述总迭代次数，z
l，k
为第l个观测站在第k个观测时刻接收的信号的矩阵形式，为多普勒频移矩阵，G为离散DFT矩阵，G
H
为所述离散DFT矩阵G的共轭转置矩阵，为时延矩阵，s
k
为信号的离散形式，n
l，k
为零均值的广义平稳的复高斯白噪声，A
l
(p)为方向矩阵。4.如权利要求3所述一种基于多嵌套阵列的改进无迹粒子滤波直接跟踪方法，其特征在于，所述离散DFT矩阵G、所述多普勒频移矩阵所述时延矩阵分别为：分别为：分别为：采样点数v
k
＝[1，2，...V
k
]
T
，V
k

【专利技术属性】
技术研发人员：钱洋，张小飞，曾浩威，史鑫磊，董续东，马鹏辉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：