（应用数学专业论文）含状态约束的多传感器信息融合.pdf

西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期闻论文工作的知识产权单位属于西北工业太学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许沦文被查 阅和谐阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：纽墅 p 移年；月叫7 日 指导教师签名： 叁芝蓑 。广年3 月2 6 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律爨任。 学位论文作者签名： 也1 傲 歹年；月赵日 卉状态约求的多千感黼f i 息剐：台 摘要 随荷科学技术的发展和现代战予的需要，信息融合作为一fj 新兴交叉学科在 近年求得到了广泛关；i ：和飞速发展。诒：多传感器信息融合系统中，位置级是最重 嘤卡应用最多的一绒，关联和融合是其两大任务，即如何判断不同传感器的观测 或航迹足行柬自同一个目标在关联完成后又如何融合这些观测或航迹以得到令 j 最仇融合估训。 本艾十综述信息融合及其位置及融合的研究发展后，重点研究了含状态约束 的彰传f 4 # 器信息融合中的状态估计问题，在f 1 标检测、数据校准和关联已完成的 假设下，对已有的融合结构模型及算法进 j 改进得到了新的模型和算法。在单 传感器h i m 滤波和无约束分布式多传感信息融合算法基础上，利用含：【犬态约 求蛔1 n 滤波方法得出了含状态约束的分市式多传感器信息融合算法：利用含 ：队态约束 m a n 滤波和最优加权思想得到了含状态约束的最优加权信息融合算 法。另外，埘混介式融合结构c f 。的信息处理方法进行改进，从而得到砷 新的混 合式多传感器信息融合中状态仙计方法。本文进一步列所得算法进干了简要的耻 论分析，并通过数值模拟仿真说明了这些算法的有效性。这些融合算法对解决多 1 0 感器信息融合系统的目标跟踪问题具有。定的参考意义。最后总结了本文的研 究 作，井对信息融合中状态估计方而进一步的研究进行了展望。 哭键浏：状态约束信息融合状态估计分布式最优加权混合式 龠：状志约泵晌害1 感器f i 息融合 a b s t r a c t w i t ht h en e e do t m o d e r nw a ra n dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， i n t b r n m t i o nf u s i o ni sg i v e nw i d ea t t e n t i o n ；a san e ws u b j e c ti th a sd e v e l o p e dl a s ti n 1 c c c n ty e a r sp o s i t i o nf u s i o nl e v e li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e dl e v e l i nt h em u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ns y s t e m i np o s i t i o nf u s i o nl e v e la ni m p o r t a n t q u e s t i o ni sh o wt o d e c i d ew h e t h e rm e a s u r e m e n t so rt r a c k sc o m i n gf r o md i f f e r e n t s c i q s o r sr e p r e s e n tt i ms a m et a r g e t a si sc a lk e dt h em e a s u r e m e n to rt r a c k t o t r a c k a s s o c i a t i o np r o b l e m i fs o ，t h en e x tp r o b l e mi sh o wt oc o m b i n et h em e a s u r e m e n to r t h et r a c ke s t i m a t i o n st o g e t h e rt og e tt h eg l o b a lo p t i m a ls t a t ee s t i n a a t i o n i 、h ep t o b l e m0l is t a t ee s t i m a t i o ni nt h ei n f o r m a t i o nf u s i o ns y s t e mi ss t u d i e di nt h i s p a p c l a l t e rr e v i e w i n gt h eh i s t o r ya n dw h a ti sg o i n go na b o u tt h ei n f o r m a t i o nf u s i o n ij n d e rt h ea s s u m p t i o no ft h ec o m p l e t i o no ft a r g e td e t e c t i o n 、d a t ac a l i b r a t i o na n d a s s o c i a t i o n 、t h ep r e v i o u sf h s i o ns t r u c t u r em o d e l sa n da l g o r i t h m sa r em e n d e d ，a n dt h e n c “o n e sa r eg i v e nb a s e do nt h es i n g l es e n s o rk a l m a nf i l t e ra l g o r i t h ma n dt h e d i s t t i b u t e dm u h i s e n s o rf u s i o na l g o r i t h mw i t h o u ts t a t ec o n s t r a i n t s ，t h ed i s t r i b u t e d m u l t i + s e n s o l f u s i o na l g o r i t h mw i t hs t a t ec o n s t r a i n t si sp r o p o s e du t i l i z i n gt h ek a l m a n f i l t e l lw i t hc o n s t r a i n t s t h eo p t i m a lw e i g h t e dl h s i o na l g o r i t h m sw i t hs t a t ec o n s t r a i n t s a l cd e r i v e db a s e du p o nt h ek a l m a nf i l t e rw i t hc o n s t r a i n t sm a dt h eo p t i m a lw e i g h t e d i d e aan e w s t a t ee s t i m a t i o nf u s i o na l g o r i t h mi sg o ti nt h em u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o n f u s i o l is y s t e mt h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to ft h ei n t b r m a t i o np r o c e s s i n gm o d e li nt h e h y b r i df u s i o na r c h i t e c t u r e f u r t h e r m o r et h i sp a p e rg i v e st h eb r i e ft h e o r ya n a l y s i so f t h ep r o p o s e dl h s i o na l g o r i t h m st h es i n m l a t i o n si n d i c a t et h ea v a i l a b i l i t yo ft h e s e a l g o r i t h m sw h i c hh a v es o m ev a l u ef o rs o l v i n gi s s u eo nt a r g e tt r a c k i n gp r o b l e mi n m u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ns y s t e m1 1 lt h ee n dt i r em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri s s t l m r n a r i z e da n df u r t h e rw o r ki s p r o p o s e d a tt h e a s p e c t o fs t a t ee s t i m a t i o ni n n l u 一s e n s o ri n m r m a t i o nf u s i o ns y s t e m k c y w o r d s ： s t a t ec o n s t r a i n t s ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，s t a t ee s t i m a t i o n ， d i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，o p t i m a lw e i g h t e d ，h y b r i ds t r u c t u r e 【_ _ i e i 、，、学【# o 吐_ 第一章绪论 1 ，1信息融合产生背景与原理 l 。1 1 信息融合的产生背景 叭f 化】波争h 趋寺f 水化，加之空间武器和远程武器的出现，使= | 怀1 1 、境越水 ，也复杂，刘，【f 境f 。j 思旧要求越采越多，别观测范i 要求越柬越r ，观测精螋瘿水 止啦_ i 越商，这就使现代战场一h 使j ：u 了多利r 类多! 卜台的传感器。信息量的骤然增人， 他人仃丌始感字0 必须把各利l 繁多的( 多源、多形式) 信息何效地进行融台处砰， 融合结粜一方向提 i 给操作人员敞策使h j ，5 j _ 方 可以作为宏观命令反馈给各 f 感嚣逊行厂j - i - 1 i 9 任务分阢和传感器分配。到2 0l u y _ 7 0 勺= 代以后，精确引导 武器捌远槲 1 击武器等高科技兵器的出现使得战场范围扩大到陆、海、，卜火、 u 礁等多维字l j 。为了获得最任作饯效粜，扯新一代作l 戊系统中依靠币传感器 ，t 供情息已无法满足璎求，i 自i 必j e # , i 用包把微波、毫米波、红外、中子援助措施 、) 硬i u 刊肯- t e - 女术( n w | 1 ) 等覆羔广坝段的各种有源和无源探测器肴：内n 勺 彩f 感器乐统木捉供多种规测数摒、通过优化综合处膛、实州发现引m 获墩引 畅、：队念估训、谚泐j 日标属性、分j ! ) i 行为意图并对念势和威胁进行评仙，以此捉供 火力控制、精确制导、l 乜子对抗、作战模，平u 辅助决策等作1 戍信息，为此，个 新兴炎叉学科信，目、融合( i n f 0 k f i a io nf u s i o i q ) 就迅速发展起来了，井香二j ? 事和k 事领域。i 一得剑了广泛应用，比如军事卜的情报收集系统、币事力量的指拍j 州摔剖( c o ml n ( 1 ，c o n t r ( ) l ，c o l l l m t l l q i c a t i o na ”dir r e l lig e n c e ，f , i ic ：i ) ，k 呻领 j 埘i i 的i _ 、l k i ! ! 程 监视、遥! 航空巾交通管制等12 1 。尽瞥“f d - 息”的栅念要比“数 掘”的概念销泛侧多，信息融合有时也被称为数掘融合( 阳f h s j0 1 7 ) 、多传4 1 9 器融合( m 1 1 1 1j ”。r1 ；u s i 。n ) ，但只是习f 8 j _ 巾一，在小妒 一并不将它们加以区 纠j 、 寥肯川n j 伯，融融合定义大都是功能i t - 的。美国国防部最移从军乖应用的角成 【e 定义为这样一个过程， ! | j 把来自鞠多传感器椰信息源的信息加以i 良合、州天 = j = | j 铜介，以获得辅确的何甬h 和身汾估计，以及划战场情况利成胁及奠日王! 出e ! l 辽进行f 卅jn 1 充整计价。这定义基本卜是对信息融合投术所；l l j 望达到功能的描 j i 、，帆托丁低层次上的使置和身份估计、以及高层次 的念坍许估利威耽仙计”1 。 i 。c i w r ：jw ol z 和1 & m o sl i n a s 存此基础l 埘信恳融合进行j 播述信息融合是 神多层玖的、多方的处理过程，这个过程是列多游数据进行除测、结合、朴 火s i l 皇| s 台t ! 趟、到到精确f l d ：t t t 念仆汁和身份估训，以及完整、及时的奄势开估和威 1 1 7 i 、f l | | 汁? ，i 合史献m 。6 1 叶】对信皂、融合的描述，其概念大致可概托为：利川算 机j 支术对拨t i t 序获得的若l 传感器旧观测信启、在定准则_ 卜加以白副j 分析、综 合，以4 ，曲k 所需的决策、撺制利估计任务而进行的信息处理过程。掘此描述，多 f 0 撼器系统足信息融合的硬件基础，多源信蛊、是信息融合的加工对象，仂、渊优化 和琼合处哩是信息融合的核心、。 存：军事领域中，信息融合主要包托检测、必联( 幸h 关) 、状态估7 - t 、e - i 标识 别、念势描述、威胁估汁、传感器管理和1 数据库等。它是在多个级j j | 上对传感器 数掘j 艄亍综合处理晌过程，每个级别都反映了刘原始数据4 i 同程度的抽象，它包 括从检测到威肋、判断、j 器分配和通道组纵的完整过程，其结黑表现为在较低级 种4 状念驯属性的俏计删在较高级别卜对整个势念、威胁的估计。山_ _ j 以车1 jl 虑 川为门标i _ g f , d 息融合技术出可用丁工, t b ：7 u 农、l k ，睹如城市舰戈叽资源管硝! 、气候、 作物及地质分析等，因此从人们存信息融合范1 1 71 内所进行的研究域活动来看，信 ，阻鼬合j 以广义地橛述为这样种过程，即把束d i 多传赙器晌数扼臻叫言息根据 甄定晌规则分析结合为一个全丽的情报，并在此基础上为用，o 提供需求信息，诸 状择f _ f 务、航啦等。总之，信息融合就是将求白多个 g 感器或多源的信息进行 综合的多级别、彩方面、多层次的处理，从而得到新的在一定意义p 更准确、司 辖l i t 仇息：而这些信息是任们个单传感器所无法获得的。这样多传感器信息融 合存解决探测、跟踪和v i 杯i , j u , i l 等问题_ 卜便具有以下优点| “j ：i ) 增加ij 测量空 m m 维数，从而提高了系统的生存能力和可靠性；2 ) 扩展了空川i 和1 , 7 削覆赢范 ，3 ) 增d i l r 信息的可靠忮、减少了模糊。| 牛；4 ) 多种量测有效纳台，改善了探 删性能：5 ) 提高了空问的分辨率。 1 1 2 信息融合的基本原理 人类水日i e n 虬有将身休l ：l l g 各利c 山f 光器官( 眼、e ：、鼻、四肢) 所探；划的停i 圈、( 景物、声商、气i 柬椰物理形状或扪述) 与先验知u ! 进行综合的能力，以便对 _ 闱的肛境和l 十在发生的币情作出评估。由于人类器官具有d 、刊的腰显持址， j ? ii 以测小不刷卒川i 范刚内发个的各种j j t i l t 蝴! 象，这一过烈足复j ；的，也是自 、! f l j ，它特各种信扈、4 女化为刘j , j cj 7 2 的育价值的解释。 舅传感器信息融合实际上是对人脑综台处坪复杂问题晌一种叻能模拟。在多 f ：醇器系统中，备种f 譬感器捉供的信息叫能具有不同i 询特h i ：时变的或叫f ：变的、 4 丈ir 、f ir l ( r 戏丈i l 、模糊n o 或确定的、精确e 7 j 或不完整的、相! i 支持 的喊| jj _ 砷n 欠 ! | 等等：多传感器f 言息融合的基本原珂就像人腑综合处j 里, 4 - 息的过f ： 仟，充分干! 用多个传感器资源，通过州其观测信息的合理支配与使月j ，： 鲁各种 f ! ：s 播n ，剐州和h i 、f ij 上的互补与冗余信息依据某种优化准r d j t l f l 合起柬，以产1 对 姗洲- l ( j 翔 _ 致性描述1 1 i 。其f 1 * j i 足链于备1 感器分离观测信恩，通过列信启、的 仇化维合甜刮更有效的信息，利用多个传感器共同或联合操作的优势米提高整个 f s 然系绩的有效性。多传感器信息融合系统是通过有效地利用多传感器资源， ，k 城夫f ：r 瞍歌取被探测同标和豚境的信息量。信息融合勺传统的信，自、处删方法 川i 仃存小腹的【x7 , i j ，其关键“于f 肓息g ：合所处理的佶，目具有更为复杂的形，c i _ | j | = 以存小i ，的信息层次上出现。返此信息抽象层次包括检测层、位胃层、属性 j 走念势层和贼儿力、层。 1 2 信息融合中的位置级融合 1 2 。l 信息融合的研究概况 作过太的三十多年l i ，伴随着微电子技术、信号监测与处理拽术、计弹机技 术、网铬通m 及控制技术的迅迷发展，佶启、融合技术l e 取调了巨人发展，信息融 a 成乃刚幽外近印术的个热门研予学科。 荚啊划一信，息融合技术起步较早、发展最陕的国家。早在j 0 7 3 年荚剧词防部 。j 0 7 资i t t j 从。j 卢纳信q 理解及融合的训究，并，l i c ) d 8 年将信息融合技术歹j j 为几十 1o u i t 盯发的2 0 项火键技术之一，随后比r 义得了些研究成果，丌发丁系 刮c 【ra 【 | _ | 0 璺仙- 加1 计算机) 系统及i t v ( i n lo y i n “n o nw a “。1 1c ) 系统i 。1 1 。 - j ! 轨7 ij 发了胞兵锚1 能。言息融合系统( a j d i ) ) 、j 儿? 扎和控制系统r w a e i 。f ) 等， f 1 9 h 2 个挝出卅i 删“海至知u l l 牢作j _ 女指j 军系统”：1 9 8 7 年义与西德等欢洲i “ i j i i ：川黄弁 发“具仃扶策拧制的多f 0 感器信；与j = ：lu ! 综合系统( s k i ) 7 ) ” 内 肯跑 t , i 宄计划另外，法、德等北约h 家在此，_ 面比表现活跃，比如德阳已柑“豹 川矗m l i 发逊汁划中采用信息融合、人工智能等天健技术。在学术方丽，炎幽1 9 8 i j e 立j 数棚融合弩家组，从1 9 8 8 年起美蚓海陆互! 三军每年联合订j - 卜次学术 会泌，j 十i r ! ij - j ；”f 发表有父论文。从1 9 9 8 年刀始，山n a s a 毖姆斯氏试验酬究 l 一、定龋陆下研究邴、i e 比信号处理学会、l f e e 控制系统学会、【e r e 二瑚l 和 1 lj 。糸络、，譬会发起每午秆 ：一次的信启、融合国际会议，使全世界自关学背都能及 丁解和掌掘信息融合技术发腱的新动向，促进了信息融合技术的发展一0 h i r d n 池仃人批专莆川时，如r d w a rdw l tz 柙、i - ii n n _ 的多f 感器数士f ：融 丹、lj 的多传感器数据融台中的数学技术| | “刘信，鼠融合的研t j 容、 j 、训h 和公le 耩础做丫全曲系统地论述，b a rs h a i o m 等人的跟踪。j 数据f 丁联 。雾n 辆i 多传感器跟踪原理与技术m i ，n 甜一s h n l ( ) m 编的连续出皈物多 f 感器多f l 标1 7 r 蹿方法与进展则综合报道了信息融合存多目标跟踪领域的新思 川、新力法和羽i 趔展。 e 【o l q 笑0 二信息融合技术的研究起步相对较晚。1 9 8 0 叶：j i 人们，jjr 始从事目 j ， 跟踪的研究，刊8 ( ) 年代未日有天于多传感；a t r , 9 , 、融合技术研究的撤逼i ，! i l t 、j 八们刑它旧含义询着小川的埋解，土贾有：数掘合成、数掘汀编、数挪综合、数 州融j _ = “ 不| _ _ j 理解l i 。到9 ( 】年代中j 月存政府、军方和各种螭金的资助下，剖内 批高校和研究所 始j 。泛从市这技术的研究工作，并出现了一大批理硷研究 戚粜，此时 ；息融合披术已成为国内多方关泣的共。阡哭锚! 技术，现j 许多热j 宅j 、柚，! ，i i j 机动| = = f 标小踪、分布式愉测融合、分却信息融合等，j i i f f l 岘了 批彩q i 口k 踪系统和有初步综合能力的多f g 感器信息融合系统，而采爪的数捌 处删一lh 史是多种多样，如模糊数学f ”1 、神绛网络【”i 、概率统训2 1 ) j 、小波变换川、 熵浊吲、聚类分析等方法；同时自大量的专集和论文血训，比如周宏仁等人的挑 ，巩口怀& 踪i ”i 、敬忠良的章 | | 经i q 绍4 i 4 踪邢沦与h 用 1 9 j 、埭耀自的数捌 揪介j _ _ f ! 除亏府hj 、刘 i - , j 明等人的数据融合技术及其应用、何友的多 f 感擀情妇、融合及应用j ，另外还有张宗贵等人的泽著多传感器数据融合 和数士f i 融俞疗法概论驯，这世若作都阻不同的形，反映r 圈i q 在研究信息 融合技术怕成果与芨腮趋势。 1 。2 。2 位置级融合结构概述 根掘信息抽象的血个不层次，可：舟融合分为俭测级融合、侮置绂融台、一 陀缎j 诎合、念势评f i = 和威肋、仙讣“。以下木文熏点介绍一下似胃级融合，其他 几个 丢；欠n o j 制【合仟此不做赘述。 似胃级r 也n 位胃层) 融合的主要 i 朗是为了提高f i 标位置估讨的精度利h 抓肌协的跟踪精l 奴增加空间分辨车，位胃级融合是多传感器信息融合系统中最 r f 坝、i 用最彩的级它是止传感器的观测数据或测量点迹j = 几传感器的：队态仆 j l 逊 ，融合，包7 - , a tr l , - j 问和卒删上晌融合，是跟踪级的融合。对 于他感器跟踪系 统水u i i 疆是救叫问先后列i 三| 抓存f i 同时问的观测值e ij 检洄i 报告的融合，而在多 传】：善器职踪系统r p 主要1 与集- p 武、分d h ，c 、混合，和多缴式融合锚构。 良煲】t 1 式多传感器系i 允。h 首先按同标观测时州9 r l 后对量测, , l c f j i ：进行畔川i ir 的融合，然后列各个传感器在同- - 1 1 、r 刻对同一目标j 荭, t j 空恻融台，。一包托了多传 撼搽综合跟跞利： 犬态t + h , ii r , d 仓过程。这类系统常见的有多雷达综合跟踪和多传感 托舒上舱褂_ 跟跞系统。此结构川以实现盱空同时融合，其数据处理的精度高、 埘浊灵7 ，l ：缺点姓刈处州器夏求高，数据处 ! ! | i 谷易被坏口7 j 量测恶化，可稚性较低， 数1 _ ：；汁人、数- b ：传输率岛，做婚以实现。 在分们，c 多传感器系统巾，各传感器苗先完成各目的多目标跟踪与t l i i 训( 叫 i ：lj 侑j 合) ，j 妄下来各传麟器把获得的e l 标航迹信癌、送入融合节- _ ，井夺剐! f a 、克成坐j q 、转换、时i 、hj 饺【f 成列准，然后基f 这些信，；! 、进行肌i 边关联处理，最 j 别农司一 ，m 、的航【：估计逍仃融合，即安现肌逊估计f 白j 的空叫融合，这类系 统常址的有空中交通管制系统、观载或机戴多传必器信息综合系统等，这1 = 1 结 协别通信带宽需求低，计算速度快，可靠性和延续性好，f r i j ：e 踪精度没有集，+ r 代 札 滟合代足以埘种形式的红j 合唑传艟器的恰测撒苦或p l 杯：帙态估汁的肌逊 忆，j 。j 孙j 铍邀进黜合中心，存那叭既边行时问融合义进行空间融合= 山十这种结构 虹刖州处_ l ! t i i j ) j ：f i i 告和肌迹估训，亓进 优化组合，它需要复糸的处删逻稍；这 ：_ | i 结构的j 1 汛私i 汁算显部比其他 i 构大，会使系统的计算量成倍j f | 加。j _ j t l 寻弹 捧：”i - 、做j 虮妊占复合制导系统都封。业。w 向泓合一g t 7 ；4 匈。多级j 给中勾是上述。 种绵阳。门卣按发展，其巾器局部节点司以同叫或分别足集。p 式、分布式或混合， 门：j r j 合中i 、j ， 【j 系统的融合节点要再次对答局部节点送求的航迹f 寿息进行关联干u 融合 1 2 3 信息融合中的状态估计研究 多传感器信息融合中，位置级融合 要有两瑚仟务| 。7 ”1 2 2 “i ：一链点逊 航凹：联成肮述与航迹的天联题，电即讥l 何判断不同传感器传输到融合巾心 f f , 9 观测政骱。迹是否来源于同一目标：足r 标的状态估计或肌迹融合问越，山即 化似改帆迹或点迹已关联的情况下，n 何融合局挪肮述以得到符合准则要求的全 习最优利l 汁。 刑多传麟器f h 踪天联问题，集中式卜要算珐有j i ：最近邻域法、岛斯和移、 0 i 媲数腑划浊、绎典浊、多假发法、概率数据关联法( p d a ) ，联合概率数据火 暇法( 胪d a ) 、交互多模型法( t ) 、j 一义s 维分配法等。g ) 4 s s t 多传感器跺踪 戎联饵法t 要f j 两类i l6 、。j ：( 1 ) 桀于统汁的方法，l 七, 1 17 j i 权浊、独立贯序法、 修l ：法、相关冀序法、独童：门限法、k n 法、修f ：的k 邻域法等。( 2 ) 基j 一模 糊数学和神经1 劂络的方法，比如模糊双门限航迹关联算法、基于模糊综台函数的 航迹父联_ ：法、模删综台评价航迹关联算法等。 x , j 多传感嚣信息融合系统中的状态估计问题，最i l 山引1 n 。1 - 等提出了集l i i 式多传感器；( a 弧1 n 滤波算法l ”j ，l l a s s a n 酱提出了最优k 1 r f o d 滤波分敞化计算 方法i ，【、 1 ( ) f l g 及s p e y e r 等人提出了分层仆汁理论并研究，更具般性的分散 什线性二：次型高勘( i 。嘶) 控制问题”i 。在状：蕊估计的并行贫：法中，c ap r i s 0 椰 r o y 研究了甲方根并行k a 1 i l j l n 滤波器13 0 ，h a s h e m t p o l l r 等拙述了系统模型含控制 j ：j i 4 1 i 相关噪卢情况f 、的并行k a m a n 滤波的分布结构”1 ，此外还有艿行1 f f l i i q 滤波订榭的分殴处理和融合f ”i 。ksr l e r 和a jk a n y u c k 应剧统计的方法束检 验州h j 刻求f 1 不同传感器的航迹是否来白同一目标，并存此基础上进行航迹融 分，1 。i 他们的研究是柏二假改航迹可相独立的条件卜进行的。随后存此攀础f 一，人 对i ：_ 兀迹父联鳞：法进行j 较影的研究，b 扑is l o m 等研究了航逊j 日们班 一小年r 1 忆独立n 0 隋扰m 1 关联方法m ”3 ”。( ，陀c il t r i g 和l ，c y o u s 研究了量测噪 一k 帆fx 联的情况卜多传膊器的航逊关联算法弘i 。h m c h e n 等列各种航迹融 介骝浊技”i t l r l - 作r 详尽的比较，5n 3 们。x r 通过对各种融合算浊的一系 ：一比鞍j - 圩究。“。4 “，给出了线性最优融合j i ! i 计的统一公式，并晚明了各种融合算 。j 、之。jj 阳关系。集。p 式、9 3 4 1 j 式融合及f i 标跟踪算法m4 8 。7 1 的研宄均备受青睐， 择1 | _ _ i r 羞、状念度量测17 l i 关的情况受到了j “泛研，t ，此外以各种不同准则为依掘 f 1 _ ! f = 2 优二夔：父优j i j 权融合算法娜“2 ji e 4 目继而吕。 1 。3 本文工作与内容安排 木殳例一内。畚柬源于信息融合中的一个重要研究课题一一t 、? 荫7 级耙? 台1 町宠， 仃刊令测、数据校准利关联已完战的假设h 州己何的融合模型及箅浊进 。攻 l 扎研究了化置级融合巾的状态仙计问题本文的土要工作如下： ( ) 刈，息融合的发展f ，景与应用、研究历史与现状，以及信启、融合中的何 l l i 级釉l x qp ￥j 女构模块作了简露的总结；剥位置绂融合中状冬仆计问题的 研究历史和现? 伏，状态融合的主夏算法进行了比较全面的概述。 i 2 ) 引入禽等式约束i 勺j 天j 冬m 滤波，住兀状态约束分布一e 多传感器f j 恩 融合丛艄l ，提h 1j ，禽：l r 态约束分们式多传感器信胄、副：台弹泫， 两川： 鳟波讲行了理论分机和i 筻拟仿真，通过有无状念约束副：合算j 列厦力芦 i 门t l4 交表明了新算池i i j 向效比。 f j 彻究r 含状态等式约束的多传感器最优加议信息融合算法，刑奠加权系 数分别为矩阵、刘角矩阡、杯量的情况进行r 比较，通过数扼换拟仿真 a 厂咳算：法i 佝有效4 l e 。 ( 1 j 存介绍了混合式多传感器信息融台1 向信息处砰原珊后，给出了一种新的 漏含式状念鬲虫合结构 u 算法升：通过数据模拟列陔舛法的一些l i 能逆行 j 分 i 说明。 水艾批分为六部分，内乔安排训卜= 筇一章绪论部分，对信息融合、特别是信息雕合、p 状念估计f i ! j5 i t ：究背景 删状j 必亍j 7 ，婚结，给山了木文卜夏九勺研究工作框共 筇一i 给出r 本文以后： 作的颅箍 以，州信息融合中状冬融合的王要锋 浊j 仃j 1 瓯* l 司1 分机。 第章尚尤介绍了禽等式约束的： = j c 态k “lr i j 1 1 滤波，然j 舌基丁尢状念约柬 分n j 式t f 感器信息融合算法，提出j 含状态约束分如式多传感器信息融食算 第一端沦 浊，刈此算法进行了理论分析与征明，模拟仿真通过对有无状态约束融合算法对 应玎斧的比较表明了新算法具有更高的精度。 笫阴争研究了含状态等式约束的多传感器最优加权信息融合算法，提m 了 种最优线。h 舢权算法，对其加权系数分别为矩阵、刈角矩| ) # 、标量的不m 隋况 呲i ，了比较分析，通过数掘模拟仿真f _ 2 明了融合算法的结果受优丁荦传感嚣埘应 i t , j 站粜。 镝c 章 介绍了混合式多传感器信息融合结构原埋，对已有的种混合式融 合筑法进仃改进，给出了一种新算法，并通过数据模拟对该算法的些性能进行 j 分打i 说叫。 竹：结束i 舶m _ j 本文进行r 总结，并对进步f i , 口, j j t 究工作进行了展颦。 第一章信息融合中状态估计方法概述 m 水节l 纶! 出，本文f 作所需的预备知u ，比如k a ： 滤波的基本方程和 此。r i 质；刈信息融合中：帙态融合的卞要算法进行了概括利分析，例如集巾j 与 jm ，r n 批合算法、各种以状态融合干 | 以量测融合为基础的融合臂江以及线性加仪 n 龠”浊 2 1预备知识 z t 1白噪声与成形滤波器 为充响pl 始毒作用下的多传感器信息融合算法，侄此特，；【入白噪声、有邑 l jj m k 彤滤波器的慨念。 定义2 。l 考虑随机过程v ( f ) ，如果它的谱密度等丁常数，即 妒( ) = c( 1 ) 则 4 ：、，( ，) 为r l j 泶，一。丽除门嵘声以外的其他噪声被称为有色噪声。 7 声的“由”字柬游丁白色广，白色光是，f 强度相等的备种频j 仁( 波k j 门光纠成。分忻白1 荣声叫，其均佰是占为零并非本质问题，但为旃化分析起见， 旧? l j i 人多数实际情况，般似设其均值为零。离散时问门噪声和连续孵m 白嵝 j ! 招| i t1 ) ：式定义给出，假他f r j 的白州关丞数有筹别，并- 。j 山自j j 日关i 函数定义 哄j i ) 离散时间自噪声 定义2 , 2 考虑随机序列v f f ：) ，如果它的白相关函数满足 c n ，= 瓤c c d 。一f 悟苗嚣：， 则称v ( k ) 为离敞时川白噪声i 。 ! ) 连续时m 白噪声 定义2 3 努l e 随h ：过程v ( ，) ，m 】聚它的自相关函数满足 ! h ij f t ) ( 0 7 o “w i l e d ；v ( o 为连续时川白噪声一 ( 其他) 定义2 ，4 考虑( 七) 是均值为零和协方差阵为 r ( k 7 ) = f 亭( p ) f7 ( k ) 阶机1 1 二列，n ，c 。( 女，) 为下定5 7 i - 。如果f ( ) l - j 由差分力程( ：队态方朽! ) 亭( + 1 ) = o ：( + l ， ) f ( ) 十7 7 ( c ) 3 ) f l i i j - ，式r t tj 7 ( a ) 为白u 朵声序列l i ，l f ( 女) 相可独立，则称差分力程式( 5 ) 为随 机霄州善( ) 的成形滤波器。 给定手( 女) 1 7 向均值和协方筹阵叫，晚( l ，七) 和7 7 ( ) 的均值和协方著阵i 【j 自1 、 定坪给_ l j j ： 定理2 1 随机序列f ( 女) 可山成形滤波器( 5 ) 拙冰，给定f ( k ) 旧均俺为零、 协玎舞阵为r ：( ，) ，7 7 ( 女) 为门噪声序列，则 ( i ) ，( ) 的均值为零，即e ”j = o( 6 ) ( ! ) ：伏念j0 移阵晚( l ，) 为 ( + l ， ) = 凡；( 十l ，) 列( ) l7 ) ( j ) ，7 ( ) 的方差阶月，( ) 为 只。( ) = r f a 1 ) 月( t + 1 ，) 尺；l ( 女k ) r 二( & ，a + 1 ) ( 8 ) 2 1 2k a l m a n 滤波 kr l 】r 1 滤波方法在2 0 世纪6 0 年代由r e k a j m a n 提m ，它一股分为两个步 骡：颇竹和纠i f 。从信息处理的f f 度卜看，这种方法与j 娃多系统的处理疗法相似， j ：川j l i i l ；t 【_ 滤波在信i 皇, i t i g # r l 一的应川既足结构l t 1 9 ，也是具体疗法i j 的k a 盯l 滤波以致具f | 递推悱、无须存储大量协r , b f f 息而减少训算机存储量、瓿按将系统 状，毒j 力程椰观测方程桐结合、 t 仙计系统? 伏态参数的同r i g 义能卣接给估计柏i 度 两e 1 业、 l 学7 、? l 义 “刊， ，mj 做 ，i 应用于过f ：控制、通信和牛物医学等领域，奠简别的思想乃弦 成为似汁埋伦和新以i j o f - 占息融合等技术发展的理论基础。【、面我们对k ；。1 滤波作一简咩。的回顾。 考离敬型线4 件随机：庆怠棱型 x ( k + 1 ) 二= 厂( 七) h 尼) + w ( 五)l ) j v ( a ) = h ( ) x ( a ) + 、，f t )( 10 ) 乓。 m 山i f 时采十1 时刻， ( ) 为月1 状态向量，w ( a ) 为，? 】馍l g 噪声向量， 女) 赴 ? 1 键洲l ic j 量，1 ，( ( j 为l 量测噪声叫量，厂( ) 为月h 状态转移矩讣， h ( k ) 为n “ 最测矩阵，尸( ) 和h ( t ) 可以是刚不变的【= i 可以是时变的。 划乐缆模州( 9 ) 、f1 0 ) 假设如1 、 假设i 模型噪声w ( ) 剌量测噪声v ( a ) 分别为独立同分们j 高斯n ( o g f a ) ) 驯 ( o ，门( t ) ) 随机向量序列f iq ( ) 仆负疋、“( a ) 正定，即为离散瑚备斯白噪j 拓， ! ) l ) 羽i 押似) 【以足丌寸不变的也u j 以足n i 变的，w ( m ) 和v ( ) 扪乃独立，h 】 纠l i f 椭1 i ) | _ 0 。 假发2 初始j 佚念f ( 0 ) 为高斯( f 。f i , ) ) 的且咒非负定，x ( 0 ) 与l t ，( a j j 1 ，( ) 棚 ! i ：独寸，即 e l ( x ( 0 ) 。) l f ? ( a ) | 二0 ，6 1 ( ( o ) 一) v7 ( k ) 1 = 0 丁t ( ( ) ) ，1 1 似) 和v ( ) 鄙是两斯的，向i ( i ) 和j 似) 可衰不为他们的线性组合， 龇j f l _ 们山是而斯的。 似设3 容许估汁佰j ( i ) 是指直到时； i j 显测值，( o ) j 删) y ( a ) 对 。叫 纠( a 。，) 的估计，表示为 j ( 女。) = i ( 女o “0 ) ，( 1 ) ，j ，( ) ) = i ( 女。【y 。) 。t 川，：y 表示量测向量集y 。= v ? ( o ) ，( 1 ) ，t ，厂( a ) f 。 i ：】滤波问题是基于观测( ( 0 ) ，j 刑) ，( ) ) ，求状态x ( t ) 的线r j l ：晶小玎 彳似纠i ( a ) ，j 极, i j r 陛自指标 一堕! 生璺! ! 鱼里型垒型苎旦二2 兰堕! 堇一 ：f 【( x ( k ) 一i ( 女k ) ) ( x ( k 卜i ( a ) ) j i t 斟6 3 6 5 ”开咒r k a l m a n 滤波的推导及其性质t 其k a 圳滤波递推方程为 x ( k i 1 = “a ik 一”+ 足( ) 【川a ) 一h ( k ) f f ( k f 一i ) l k ，( ia 1 ) l l ? ( a ) j h ( k ) p ( ki 一i ) h 7 ( 0 1r 【) 】 p ( k a1 、：f ( k 一1 ) p ( k 一1 ik 一1 ) 户“( 一1 ) + q ( k 一1 ) ，f i ) = f ，。x ( k ) h ( k ) l t ( 女一1 ) f i 一，1 ) = ，( 1 ) i ( 一l k 一】) 上l 初侉为i ( 0 10 ) = x p ( o l0 ) = 圪。 列f 1 1 ) l = i , s j 以表示为 以舟1 舟) ，i ，一k ( 是j ，( 丘1 l p ( 止l 矗一，1 ) ，一彪( 止) ( 庀) 1 + k ( k ) r ( k ) k j ( 厅) ( 17 ) 纠外，( 【女1 j r j k ( 1 还可以表示为 k ( k ) 二p ( k ，) ，f7 ( ) 月“( k ) ，( l ) = ( 【一l ，? ( k ) ( ) ( a ) ( ih ) 和f ( 1 9 ) 叫可作为汁算滤波的片一套算法。 2 。1 3k a l m a n 滤, 波的基本性质及推广 ( 】8 ) ( i9 ) ) 当过籽噪f 研n 量测噪声均为高斯白噪声时，出算法得到的滤波值烈m | j 黔i 火念j ( ) 的最小均乃误筹无偏们训，( f ) 足最小均方误差方差m 陴n 2 ) j m ：1 ，月：1 时( 比叩维晴况) ，当r ( i 1 ) 增人时，增益j ：h 阵k ( a “1 ) ，! ! ! 小，这表叫如粜噪声很大，则增益k ( + 1 ) 府