（信号与信息处理专业论文）被动式传感器点目标跟踪方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目标跟踪通常是指在已知量测角( 和或多普勒偏移频率和到达时差等) 条件下估 计目标和传感器之间的相对位置和速度。作为目标跟踪领域的一个重要分支，被动式目 标跟踪对于提高武器系统在现代电子战环境下的生存能力和作战能力有着重要的研究价 值和应用前景。被动式目标跟踪在声纳、红外、激光、导航和望远镜探测以及近年来迅 速发展的电子对抗等军事领域有重要的理论与应用价值，因此已成为非线性估计中广为 关注的热点问题。被动式目标跟踪主要存在两个问题：系统非线性和距离不可观测性。 本文从被动定向跟踪和被动定位跟踪两个方面进行研究，主要工作成果如下： 首先，简要概述被动式目标跟踪的应用背景和发展现状，并对被动式目标跟踪方法 进行了研究。 其次，研究了被动式定向跟踪，针对匀速直线运动的晷标，给出了一种基于航向的 被动式定向跟踪方法，并进行了仿真实验。实验结果证明：该算法对于非机动目标，其 跟踪性能优于扩展卡尔曼滤波算法，且算法简单，计算量小，易于实现。 然后，本文还针对匀速直线运动的耳标，利用局部线性化的思想，结合卡尔曼滤波 器，给出了一种基于局部线性预测的被动式定向跟踪算法，并进行了仿真实验。实验结 果表明：这种算法具有稳定性能好，动态过程时间短，跟踪精度高等优点。所以它适合 跟踪初始位置未知，角度变化不剧烈的目标。 最后，本文还针对被动式定位跟踪中存在的非线性问题进行了研究。详细地介绍了 粒子滤波器发展状况、基本原理和适用范围，并将其应用于被动式目标跟踪系统中。将 粒子滤波器( p f ) 与扩展卡尔曼滤波器，在二维空间运动目标跟踪中进行了性能比较，经 过多次实验仿真，结果证明在非线性和非高斯情况下，粒子滤波器跟踪性能要优于扩展 卡尔曼滤波器；另外，本文还结合粒子滤波器和两点多 推滤波器的优点，提出了一种基 于两点外推起始的粒子滤波跟踪算法，对其进行了仿真实验，结果表明，这种算法在目 标初始位置未知，量测噪声是非高斯的被动式定位跟踪情况下，跟踪性能良好。 关键词：扩展卡尔曼滤波被动式定向跟踪被动式定位跟踪粒子滤波器u o n t ec a r i o 被动式传感器点目标跟踪方法研究 s t u d y o np o i n t t a r g e t st r a c k i n g m e t h o d s b yu s i n g p a s s i v es e n s o r s a b s t r a c t t a r g e tt r a c k i n gu s u a l l ym e a n sp r e d i c t i n gr e l a t i v ep o s i t i o na n dv e l o c i t yo f a t a r g e tt os o m e s e n s o r sb a s e do nk n o w na n g l e s a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho ft a r g e tt r a c k i n g ，b e a r i n g - o n l y t r a c k i n gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ea n d h a sg r e a tr e s e a r c hv a l u e sa n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n di n i m p r o v i n gs u r v i v a la b i l i t ya n df i g h t i n ga b i t i t yo fw e a p o n s i nm o d e me l e c t r o n i cw a r s b e c a n s e o fi t si m p o r t a n tr o l ei nt h ed e t e c t i o no fs o n a r ，i n f r a r e d ，l a s e r ，n a v i g a t i o n ，t e l e s c o p e ，a n de l e c t r o c o u n t e rw h i c hi sd e v e l o p e df a s ti nt h er e c e n ty e a r s ，b e a t i n g - o n l yt r a c k i n gb e c o m e s a h o t s p o t i n n o n l i n e a r p r e d i c t i o n t h e r e a r et w om a i n p r o b l e m s i n b e a r i n g o n l yt r a c k i n g ：s y s t e m s n o n l i n e a r i t ya n di n s c r u t a b i l i t yo ft h er a n g eo ft a r g e tn d sp a p e rd i s c u s s e s p a s s i v et a r g e t p o s i f i o n l n ga n d p a s s i v et a r g e t t r a c k i n g ，a n d i ti so r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s t , w eb r i e f l yi n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n to fp a s s i v e t a r g e tt r a c k i n g ，a n d t h e nd e s c r i b es o m e p r e s e n tp a s s i v et r a c k i n g m e t h o d s s e c o n d ，p a s s i v et a r g e tp o s i t i o n i n gi sd i s c u s s e d , a n dam e t h o da i m i n ga tt a r g e t g b l s o r a c c o r d i n gt ou n i f o r m m o t i o ni nas t r a i g h tl i n eh a sb e e np r e s e n t e d ，t h er e s n l to f t h ee x p e r i m e n t s s h o w st h a tc o m p a r e dw i t he x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ( e r r ) ，t h i sm e t h o di se a s i e rt ou n d e r s t a n d a n dm o l e p r a c t i c a lb e c 黜o f i t s l o w e r c o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y 1 1 1 i i d u s i n gl o c a ll i n c a r i z a f i o na n d k a l m a nf i l t e r , w e p r e s e n tal i n e a rp r e d i c t i n gp a s s i v e d i r e c t i o nt r a c k i n gm e t h o da i m i n g a tt a r g e tc u r s o ra c c o r d i n gt ou n i f o r mm o t i o ni nas t r a i g h tl i n e ， a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t t h e m e t h o d h a s t h e a d v a n t a g e o f g o o ds t a b i l i t y q u a l i t y , b r i e f d y n a m i c c u r r e n ta n dg o o d t r a c k i n g 鼬c i a c y i tf i t st h et a r g e t , o f w h i c ht h ec h a n g eo fc u r s o ri s s m o o t ha n dt h ei n i t i a t i o np o r t i o ni sn r l k n o w n l a s t ，w ed i s c u s sp a s s i v et a r g e tt r a c k i n g ，i n t r o d u c ei t sd e v e l o p m e n ts t a t u s ，b a s i ct h e o r y a n ds u i t a b l ea r e a , a n dc o m p a r et h ep a r t i c l ef i l t e r ( p f ) w i t he x t e n d e dk a l m a n f f l m ri nt a r g e t t r a c k i n gs i m u l a t i o ni n2 ds p a c e s e v e r a le x p e r i m e n t s r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep e r f o r m a n c e o fm o n t ec a r l o - p a r t i c l ef i l t e ri sb e t t e r t h a nt h a to fk a l m e nf i l t e ru n d e rc o n d i t i o n so f n o n l i n e a r i t ya n dn o n - g a u s s t h e n , 啪a p p l y ab a y e sn o n l i n e a rf i l t e rb a s e do nt h et h o u g h to f m o n t ec a r l o - p a r t i c l ef i l t e ri n t op a s s i v et a r g e tt r a c k i n g ，i na d d i t i o n , c o m b i n e d t h es t r o n g p o i n to f p a r t i c l ef i l t e ra n dt w o - p o i n te x t r a p o l a t o r , ap a r t i c l ef i l t e r i n gt r a c k i n g m e t h o db a s e do n t w o - p o i n t e x t r a p o l a t o rf o rt r a c ki n i t i a t i o ni sp r e s e n t e d 啊媳e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c ti s g o o d i nt h ec o n d i t i o no f u n k n o w n t a r g e t si n i t i a t i o np o s i t i o n a n dt h en o n - g a n s sn o i s e k e y w o r d s ：e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r , p a s s i v et a r g e tp o s i t i o n i n g ，p a s s i v et a r g e tt r a c k i n g ， p a r t i c l ef i l t e r ，m o n t ec a d o 独创性说明 作者郑重声疆：本硬学位论文楚我个人在黪耀搬导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标、注和致谢的地方外， 论文孛不包含蒸毽人已经发表或撰写憋磅变成果，也不包含必获缮大连灌 工大学或其他单位的学位戏证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本磷究所徽静黉献均已在论文申徽了襞确豹说明势表示了嚣卷。 作者签名：避隅巡：! 岁 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着科学技术的发展，传感器性能获得了很大的提高，各种面向复杂应用背景的多 传感器系统大量涌现。特别是进入2 0 世纪7 0 年代以后，高技术兵器尤其是精确制导武 器和远程打击武器的出现，已使战场范围扩大到陆、海、空、天、电磁五维空间中。为 了获得最佳的作战效果，在新一代作战系统中依靠单传感器提供信息己无法满足作战需 要，必须运用包括微波、毫米波、电视、红外、激光、电子支持测量以及电子情报技术 等覆盖宽广频段的各种有源和无源探测器在内的多种传感器，来提供多种观测数据，通 过优化综合处理，实时发现目标。 以信息技术为先导的未来高技术战争对战场监视系统的探测、跟踪、识别性能提出 了更高的要求。为了实现对敌目标精确打击的要求，其关键技术之一就是对目标尤其是 机动目标进行准确的定位与跟踪。 目标跟踪系统发展至今，其功能越来越完备，结构越来越复杂，所采用的技术也越 来越先进，根本目的就是为了提高系统的星艮踪性能。目标跟踪系统的性能依赖于目标数 目、目标密度、传感器探测性能、目标熏现率、昏际动态特性、背景噪声源、状态估计 器性能等诸多因素。为了获得并确保系统性能以保持传感器视野内实际目标的稳定跟 踪，在系统的设计、开发和使用过程中，必须慎重而仔细地分析系统的跟踪性能与环 境、目标、传感器之间的关系，使目标模型、背景噪声等都尽可能与实际情况相吻合。 长期以来，在目标跟踪方面，雷达发挥了重要的作用。但是，由于霄达在工作时要 向空中辐射大功率电磁波，而且存在低空盲区等缺点，使并不向外辐射能量的被动式传 感器刚好弥补了这个缺点，因此得到了的广泛的应用，典型的被动式传感器就是红外传 感器。由于红外传感器不向空中辐射任何能量，因而不易被侦察或定位，具有较强的生 存能力：同时由于目标不可避免地要辐射热量，从而又为使用红外传感器对目标跟踪创 造了条件。更为重要的是，红外传感器还具有测角精度离和目标识别能力强等优点。因 此，红外传感器作为一种重要的被动传感器得到了广泛的应用。但是，由于红外传感器 只能得到目标的方位角和俯仰角，因此它对目标距离是不可观测的，这样就大大增j u t 目标跟踪的难度。 在目标跟踪系统中，预测滤波技术是非常重要的，预测精度的高低直接影响跟踪性 能，而预测时间的长短将决定整个跟踪系统处理目标的能力。因此，针对被动传感器寻 找一种高精度运算量小的预测滤波算法已经成为目标跟踪研究的重要方面。 被动式传感嚣点目标跟踪方法研究 基于上述原医，论文从预溪4 滤波葵法糖度和被粒式跟踪的特点麓手，驮掰的煮度， 采黯耨的方法疆高被动式秘标跟踪精发。 本文所作的工作如下： ( 1 ) 筒臻概述被动式跟踪的应用背景和发展现状，并对现有的被动式目标跟踪方 法送牙7 磺突。 ( 2 ) 舆体研究被动定向跟踪问题。酋先介绍了被动定向跟踪的含义，针对匀速直 线运动的目标，给出了一种基于航向的被动式定向e 良踪算法，并给出了仿真实验结果。 ( 3 ) 剩瘸局部线性他的愚怒，结念母尔曼滤波器，提出了一$ 争基于局部线性颈测 的棱葫定向鼹踪算法，弗绘出了仿真塞猃结莱。 ( 4 ) 研究了非线性系统、非高斯观测噪声条件下的目标跟踪，引出了一种基于 m o n t ec a r l o 思想的贝叶新非线性滤波器粒子滤波器，并给出了其在非线性，非赢 疑条释下瓣镑囊实验缭鬃。 ( 5 ) 对被动定位跟跺的非线性问题进行了研究，首先介绍了经典的扩展卡尔曼滤 波算法和两点外推滤波方法。针对其在拨动定位2 畏踪问题中动态谶程时间长、精度低、 暴发数等缺点，将粒子滤波器等基于m o n t ec a r l o 繇怒静 线性滤波器应用予技渤定位 跟踪，讨论了各参数的选择，绘出了一种基于两点多 摧起始熬粒子滤波跟踪算法。并将 其与经典的扩展卡尔曼滤波( e k f ) 方法进行比较。 2 大避理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 研究鹜豢 监视系统的基本要求鼹幂4 用个戚多个舅擒( 或阀构) 、主动( 或被动) 传媾器及 计算机予系统对监视区域的多个目标进行跟踪。随着监视环境越来越复杂，现代跟踪系 统串斑瑗豹瀚遂穗越来越多、越来越难。鸯玎之各稀干抗的存在，如背景噪声、杂波及佟 感器蠡鼋肉郝熟穰声等，使褥传惑嚣襻戮豹蠹鞠l 数据莛霄强燕靛模糊饿帮不确定瞧。大致 遴来，嚣糠跟踪黪经务藏楚充分聪溺终黪器繇撬攥瓣蘩意，形簸疆标靛迹，稽至g 簸视嚣 域嚏所关心爨标的些信息，如基搽的数尽，蛋个爨橼躲炊态( 镪撼位移、速度、女e 逮 度等馕息) j ；土及晷标的其憾特征缤患簿。 现代艮踪系统根据其王作方式可分为主动建鹅被动式鹾秭。生动式躐踪系统即使用 主动式传感器如雷达，蕻工作机理是向空中辐射犬功率的电磁波通过收集目标的回波 来探测目标并对其进行定佼。由于箕往能不受天气情况的影响，能够获褥目标摄浏的优 秀瞧麓，使褥雷达在藏踩系统孛起着熏要静铬稻，肇麓鹣舔踩系绕威用酌传憨器未簧蔑 嚣达。键涟罄科学技本瓣发展，特稍怒信号梭溺每簸邋技术、辙嘏予技术、计算枫技术 簿鲍飞速发袋，许多寒毅技零不凝溺溅，传绞熬义上黪藏争墨苓笈襻在，现 弋敞争是痦 患健熊战争，滩翔蠢傣患豹燕动粳，谯裁掌握萋踱场酌囊动权。这戢要求篾要获褥受多 的信息又不 1 暴露自己，蔼器达是主幼馋睡器，其犬瑰率的有源探测，售号翕子被敌方 侦收、截获。因而翁于遭受电子午扰和反辐射导弹的袭击。同时如聚飞行器采取隐身措 施，降低其对雷达辐射解蔗向散射，慰臀达将会从“千里限”变成“近视鼹”。另外， 由予波束覆盏范围糯越杂波筒题的限翩，雷达酌低空椿溺盲嚣不可避免。这鎏源予有源 深颡4 瀚先天佼缺陷，使褥瞽这在技术水平跨益提裔的墩予干扰、反辐射导弹、隐身飞机 移低空超低空突爨等“溺大簸懿”瑟翦瑟l 褒严筵煞奄襻蕊辊。 多年来，骚然入 f 】在不获遣疲蘑掰技零、勰等段羧进霉这瞧戆，使餮这瓣“鞠抗” 能力窍聪摄巍。但囊予誉缝扶愿毽上瀵除“靼犬藏胁”，髓饕“爨大威睽”技零黪不 断发展，这种能力将很快被抵消。为此世界各军攀强国都在竞相研究、研制能从原理上 消除“四大威胁”的空情掇测手段羁装餐，其中鬟有效的即为秃源探溅设备，期坡动式 传感器。被动式传黪器正是由于英本身：蒜肖这种特性聪受到世界各国有关部门的黼度重 视，即萁本身不发射信鼍，仅是被动触接受目标所发出的信号从而对目标进行跟踪。由 于萁不辖蒡寸鼢爨，融悉不霹能被敬方愤察和定往，软稀无麸实施予挽鞫攻击。闵静卣手 。3 被动式传感鼗点星撂跟踪方法辑究 飞行器( 包括狳赛飞梳) 不可避兔遗要辐射电磁熊董稻热量( 筑矫线) 、反霸乎可觅光， 又为探测和定位创造了条件。另外，由于无能量凝盖和杂波问题，理论上无探测盲区。 这些都使得无源探测设备具备先天性的“朗抗”自力，有很好的隐蔽性，这一点在现代 战争中尤为重要，这艘馒红岁 等传感器在擎事多鼷掭跟黥系绩中占撂燕要鲍地位。采鼹 无源被动探测、定位、跟踪、识别、传输等技术，由多种传感器构成分布网状系统，形 成频率疆盏宽、窒域覆盖密窍、王佟体裁多样、工孛# 摸筑可控转换熬 乍藏怼接模式，为 争夺信息主动敉提供了条件。 隧藉诗算枫及信鸯处褒技术懿发展，被动式传感器的缝筏褥弱了极大提高， t 如红 外( i n 盘a r e d - i r ) 传感器。服传感器工作时本身不发射魄磁波，通过飞行器辐射的电磁 波、热熊或反射的可擞光进行探测和定位，因此，称红井传感器为被韵式传感器。秘前 广泛使用的有靛视红於成缘伎感嚣( f l i r ) 和红终搜索与跟踪传感器( i r s t ) ，主要 搬供目标角度信息以及红外辎射特性等。f u r 相对来说作用距离较近，数据处理时间相 瓣较长，因瑟辫隶l 了箕在竣缓上爨波焉。攘毖之- f 。i r s t 将瓣糠终兔焦源潦行滚豢l 舔 踪，作用距离较远。与雷达系统相比，i r s t 具脊系统简单、角分辨率高( 缃跟踪精度 珂这毫弧度数薰级) 、隐蔽髋好、抗干扰德力强等优点；缺点燕在恶劣环境下，运躐离 性蓑，不能提供有用的距离信息。但随赣科学投术的发展，i r s t 搜索跟踪的距离大 大增加，且对其距离灏基问题的研究也取襻了较犬的避聪。 叁六+ 年代鞋来，壶予瑷饯裹技术终竣豹爨要，被动式黢黥技零撵失鼹茨菝术獗究 的一个生要分支，得剿了迅速发展，出现了各种理论算法，其工程威用嵌涉及各个方 嚣，在窆域嚣拣鹣搜索与跟踪、雷这告警、承下孝缡器舔舔踩、墨蓬簸援、强及交通管 制等领域得到了广泛皮用【j 】。 1 2 论文内容疑意义 无滚探壤l 被动式鼹黥接零苏其粪骞抗予撬缝力强，黪菠缝努豹突滋优熹露受鬓广泛 箢注。单站运动平台通过平台移动方式得到运动翻标的一系列方位观禊4 值来估计其三维 窳闯的像霉秘邃度，可以构成筚站被动式鞭踪系统。这种技术农现代红外跟拣系统、枫 载预警爨达无源探测( 监蹰) 工作穷式中褥李b 应用哪。 对于被动式传感瓣，前人已经滋行了一些研究，早期研究怒k o l b 和h o l i i s t c r 【3 1 9 6 7 每在美毽薨一藩电路与系统年会上绘滋豹终方程继诗缝聚( b e a r i n g - o n l yt a r g e t e s t k n a t i o n ) 。之后1 9 7 0 年m 1 l 印h y h 在他的博士论文中系统研究了t m a 问题( t a r g e t m o t i o na n a l y s i s ) ，t m a 实际上藏爨我释j 今天掰说静被麓式缳踩( p a s s i v ew r a e k i n g ) 。 1 9 8 0 年前后，l i n d g r e n 和g o n g n 提出了匀速直线运动可观测性条件，其后大量的研究 ，毒。 大连理工大学硕学位论文 给出了众多豹结栗酣船2 0 t ，箕中f o g e l 帮g a v i s h 于1 9 8 8 年发表了一般n 除运动龉标可 观测性的充簧条件翻，此前的研究工作妖给出了必蚕条件。从系统瑗论的蕊点看，凭深 搽测技动式跟踪中翳标状泰是嚣有麟的翘题本质上怒系统的可观测姻题。出予被动式跟 踪蔻一个嚣线性滤波阕越，h e x m a r mr 秘k x e n e x aj 荣耀了 # 线性系统理谂分辑方法 j il l ，这与其他研究者的憩路稀工舆脊疆攫鹣不嗣。与f - g 方法相比，f - g 方法当秘檬运 动为非多项式情况对，似乎琵能为力。 基予队量情况，本文镑对单站被动戏跟踪方法稳定瞧差，动态过程时间长，估计偏 差大，艟对裙徨鞍黪等一貔缺点，磷定了被动式跟踪的非线性滤波靼不可观测性闼题， 在现有的算法基础上，摄渤了一璺改进潦藏，势逶过仿囊实验 萋明了箕正确性帮霹抒 瞧。 1 3 本文黪 皇i l 奄工作 针对被动式传感嚣目标睦踪领域瑗论尚未完全成熟、实际应鬻掰难豹凝状，本文程 拨动式悖黪嚣基挺跟踪方嚣鼹开磅究_ i 作。针对被动式传感器特点，发展适螽被动式传 惑器特点懿嚣标跟踪方法，程滚入了解了邑缝基本燕立理论结搀并广泛使用的露达耳据 琵踪理论的萋勰上，将其推广到被动式传戆器嚣标鼹踩领域；开发镑冀系统对被动式传 感器磊标躐踪方法静链能徽出评估。浙俸漪其体忑诈妻簧惫括鞋下凡个方谣： t ) 怒嚣檄述鼗动式鼹踪购应用背景秘发展现状，并对现有的被动式传感器蘑标 g 器踪方法进行了篱肇分缓。 ( 2 ) 疑体研究被动寇囱鼹踪潞繇。蓄先贫绍了被动定囱跟踪熬禽义，戥对匈速鼗 线运动的豳标，给如了一种藜予航向的掇渤蕊定向躐踩算法。著给斑了访真结聚。 ( 3 ) 绘如了一季中基予局部线艘预 鲢! | 蛇被动躐睬簿法，并给出了仿真实验结募。 ( 4 研究了嚣线性鬈统、 # 懿髓鼹测噪声条终下豹题标g 艮踪，引出了一静基于 m o n t ec a r l o 思想静受时蒯# 线性滤波鼯粒子滤波嚣，势绘遗了其在l # 线缝，非惑簸蘩 停下的仿真实验绪柴。 ( 5 ) 对被动定位跟踪的非线性问题进李亍了研究，蓠先介绍了两釉缀典非线性滤波 方法，扩篪崇客曼滤波帮簿点乡 掺滤波。针对其在被动定经跟踪闽题中动态过理对间 长、精度低、易发散等缺点，将基于m o n t ec a r l o 戆憋酌j 线性滤波器粒予滤波器应麓 于被动定位跟踪，讨谂了备参数的选择，给出了一种基于两点外掭起始的粒子滤波躐踪 冀法，著邋逑戥嚣将冀与扩嶷卡客是滤波( 嚣k f ) 方法遴行比较。 5 * 被动式铸感器点强糠跟踩方法毳鞲究 1 4 本文的内容安排 本论文围绕饕虫嚣每舞决辕动姣嚣羲；鼹踪存程若豹系统 # 线援移不可躐溅缝的阉题两 展开研究，内容包括基础理论研究和具体仿懿实验分析，熬体编排如下： 第一章：主鬻叙述了课题研究背景、意义和国内外关于被动目标跟踪的研究历史和 现状，班及本论文j 舞馋豹工终。 第二章：介缨了被动式定陶躐踪和被动戏定位跟踪静缴袋状况。 第三章：针对被动式定位良踪和匀速赢线运动目标的特点，提出了种基于航向的 被幼武跟踪方法，并给出了仿舆结果；提出了一种局部线性化的方法来鳃决被动式目糖 蹑踩润蘧，芳绘溉了傣奏蘩粟。 第四章：介绍了几种非线性贝叶斯滤波器，引出了一种基于m o n t ee 埘。思想的非 线性贝升斯滤波瓣，粒子滤波嚣。介绍了粒予滤波器发展状况，基本原理和适用范围。 莠黯其在 线褴，嚣蹇鬏溥嚣下避霉了傍囊菇验分摄。 第五章：将藏予m o n t ec a r l o 思想的非线性贝时新滤波器粒子滤波嚣应精于被动式 目标跟踪中，在对其作了仿真嬲验的条件下，与扩展k a l m a n 滤波器进行了比较，针对 粒予滤波器鹩特点，提出了一耪豢于两点外揆起始的粒子滤波跟踪方法。 第六章：圭黉辩本文繇舜袋豹研究王髂滋行总结，圈辩还分褥了一缝奄待研究稻瓣 决的问题，为将来进一步的研究开拓思路和字下基础。 * 6 大连理工丈学硕士学位论文 2 被动式传感器隧标跟踪的方法 2 1 弓l 言 在 畏多成瘸鞭域，经夕 传惑嚣秘霍达配会傻瘸，裁为稷誊独立又缓姥静态懿搽溪撂爨 踪手段，利用霄达嵩精度的距离测蠡和红外高精度的角度测擞，可以给出对目标做置等 瓣耱确信诗。侄是当霉达缳挎无线毫静寂或受垩散方予抗露不能歪常工作时，红辫传感 器就要独立地对目标进行搜索、探测和p 醴踪，即在很多情形下也会单独使用红外探测设 备，这时它的被动镶使它其有很好的隐蔽性，农对敌攻击中占据上风。正因为如戤，被 动式躐踪一鸯作为题标蹑黥领域触一个重要的研究方向。 根据系统所求运动参数的不同，被动式跟踪可以分为被动定位跟踪( p m s i v ct k g e t t 戳k i n g ) 【1 1 4 ，1 5 1 1 t 1 龄秘技动定翔跟踪( p a s s i v et a r g e tp o s i t i o n i n g ) 【i 嘲列嚣耱。定淘 跟踪选择角度和角遗度作为系统状态变量，而定位跟踪则是目标的位移、蟪度、加速度 等运动参数像为磊稼。一觳来讲，不论燕主动舔踪还慧被动鼗踪闻憨，都蕊不开定良系 统。定向跟踪算法用一个简肇的方式对爨标运动模型馆线性避似，这样就w 以在爨测坐 标系内进行线性递撼滤波。红外等被动系统不耐于雷达等主动传感器，由于其缺少径鼯 信惑，裁不戆剥用爨椽的精确运动方程，甓要邀行模燮蕊化。在滤波过程中，遗豢选取 四维状态变鳖( 方位角，方位角速度，俯仰角，俯仰角速度) ，采用工程化滤波弊法。 露餐尽爵能躐小径躐信意未知绘系统建穰带来豹影瘸，滚除逡攘误熬涛是令美键翡窝 题。这样可以避免被动定位跟踪算法中潞以克服的不可观测问题，也使得目标观测和跟 踪过程大大简纯，从丽为被动系统实际解决纯方位跟踪及多觏际跟踩问题挺供了简革实 用的算法 1 2 , 1 3 ，但缺点是不能褥到目标的位置等信息。 2 2 被动式定向跟踪 被韵式定向舔繇选择熊度和角速度佟为系统狡态变蠡，被动定淘豹嚣翻之怒使蠲 疑外系统绘雷达或火控系统做出角度引导，我 f 】可以通过分析目标和传感嚣的特点来获 得近似，这里我们以红外搜索与翌疆踪系统( 璐t ) 为俐进行讨论。由于i r s t 系统主要 用于逡距离鬻标的援索取躐踩( 鼹瓷一般大于t 5 k m ) ，在这耪情形下，垂标佟壤跨霹 能性相对较小，这时目标的跟踪问题将简化。在i r s t 聚统单独完成目标跟踪时，可以 褥羁静萋涮信怠是方位蕉秘籍 露焦，嚣溺时失控系统愈只要隶i r s t 系统为它黾供对下 一帧方位角和俯仰角的预测值。那么如果建立的系统状态向量只包含方位角和俯仰角及 蕻角速度，而不包宙距离信总。逸样既w 驻避兔传统的被动式跟踪算法中难以克服的不 7 被动式传感器点目标跟踪方法研究 可观测问题，又使得目标观测和跟踪过程大大简化，从而为被动系统实际解决纯方位 t m a 问题以及多目标跟踪( m t t ) 问题提供了简单实用的算法”。 2 3 被动式定位跟踪 红外搜索与跟踪系统只能获得目标的角度量测，而只用方位量测来估计目标运动参 数( 位移、速度、加速度等) ，跟踪系统状态是不可观测的，预测状态向量的解不唯 一。而根据线性系统理论，在建立系统运动方程时，直角坐标系下系统的运动方程是线 性的，量测方程是非线性的：而在球坐标系下，系统的量测方程是线性的，运动方程是 非线性的，即无论如何转换坐标系都不能根本避免其非线性问题。因此，被动跟踪系统 是一个非线性不可观测性系统。正是由于存在这些问题，长期以来，被动式跟踪技术的 发展受到了阻碍。 被动定位跟踪( p a s s i v et a r g e t t r a c k i n g ) 问题是在已知量测角( 和或多普勒偏移频 率和至i 达时差等) 条件下估计目标和传感器之间的相对位置和速度，也称目标运动分析 ( t a r g e t m o t i o n a n a l y s i s ) 。在声纳、红外、激光、导航和遥感探测以及近年来迅速发 展的电子对抗等军事领域有着重要的理论和应用价值，因此己成为非线性估计中广为关 注的热点问题。现有的被动定位跟踪方法从量测源的角度可分为两大类，即仅有角度量 测的被动定位跟踪和基于多量测源的被动定位跟踪。 2 3 1 仅有角度景测的被动定位跟踪 仅有角度量测的单传感器被动定位跟踪方法提出的时间早、研究的也最为深入，其 量测来自子运动的传感器。由于量测角是位置等状态的不完全描述，所以存在者状态可 观测性问题。因此要得到目标状态唯一估计，传感器的运动要满足一定的要求。很多学 者对系统可观测性问题进行了深入的研究口娼2 3 3 蟠，2 6 】，基于线性系统可观测理论，针对 各种不同的目标运动情况给出了状态可观测的充分必要条件。但遗憾的是，即使目标做 与我机共面等速直线运动，t m a 问题也不能简单地求解。例如，利用单个运动观测站 测取的方位信息，在该站机动之前( 相对等速直线运动) ，是不可能估计出目标运动的 全部参数的，即系统在此阶段是不完全可观测的。另外，系统高度的非线性，也是纯方 位t m a 所面临的技术难点，通常行之有效的线性化方法，不能简单搬用。 二战之后，首先提出了确定性解法，其基本原理是：利用至少四个独立观测到的目 标方位信息( 或与方位变化率的组合) ，建立目标参数( 距离、速度、航向) 的三个独 立代数方程组，并进行求解。这种确定性的求解方法，具有简单壹观的优点，但也存在 明显不足，即在存在量测误差的情况下，解的精度和稳定性无法预测【2 7 j 。 8 大连理工大学硕士学位论文 六十年代，以最小二乘原理为基础的纯方位目标运动分析技术得到了发展，利用一 组目标方位信息，通过“平差原理”求解出目标参数，该方法可改善估计精度，因此至 今也不失为一种可选择的应用方案。但是由于系统的非线性，以往的各种方法在估计精 度上尚不能满足要求，尤其是难以预测，而且在观测噪声的影响下，载机一次机动前后 数据段的长度选择对求解过程的影响变得至关重要，所以这种方法的性能不够稳定且不 具有一般性，从而给战术攻击带来了困难 2 8 , 2 9 。 进入七十年代后，推广k a l l n a r t 滤波( e k f ) 技术在纯方位t m a 中得到了应用。 初期在笛卡尔坐标系下的研究成果，在估计精度上是令人振奋的。但存在的问题是：载 机机动前的第一运动阶段e k f 过旱发散。其实这只不过是确定性求解方法，即非递推 最小二乘法求解中所存在的不稳定性机理以另外一种形式显露出来 1 , 3 0 , 3 1 】。后来，学者 s o n gt a 等把修正增益的扩展卡尔曼滤波方法应用于此领域，从而得到了较好的跟踪效 果口2 1 。 七十年代末出现了伪线性卡尔曼滤波技术( p l l ( f ) 。p l k f 通过对硒( f 观测方程 的重新排列和人为辅助变量的引入来克服e k f 的发散问题，仿真实验证实，可以消除 e k f 的发散问题，但估计是有偏的。可以说，p l k f 方法对发散问题的控制是非本质的 眠 随着对t m a 问题可观测性的进一步研究，发现引起发散的主要原因是载机机动前 第一运动阶段中，那些不可观测的目标状态分量在起作用。八十年代，由著名t m a 专 家a i d a l a 等提出了一种更有效的方法，即所谓的m p 方法，这种方法用一个非线性动态 模型和一个线性观测模型对运动日标建模，通过重新引入状态变量解决了e k f 算法中 由于可观测变量和不可观测变量( 径距) 的相互关联而造成的发散问题。同时在径距信 息不可得的条件下，不影响可观测变曩的估计性能，因此基于极坐标或球坐标系的方法 比e k f 有更好的收敛特性。它实际是对估计的状态向量，进行重新组合，从而分离开 状态向量中可观测分量和不可观测分量形式上的藕合影响，得到了修正极坐标下的滤波 模型。虽然由此导致算法异常复杂，但仿真表明它具有良好的稳定性，并克服了p l k f 方法估计的有偏性。但必须指出的是，这种方法状态转移矩阵计算复杂，在缺少合理的 径距初始化条件下也不能很快收敛；且在我机动之前，m p 方法中所存在的不可测分 量，仍然可以成为系统不稳定的潜在因素，这种方法还有待于实际验证。 基于混合坐标系的方法在直角坐标系下对系统状态和协方差矩阵进行预测，而在球 坐标系下对系统状态和协方差矩阵进行更新。这样虽然可以避免在各自坐标系下由于雅 - 9 - 被动式传燎器点目标跟踪商法研究 可毙踅薄不潦确对系统状态嵇诗翡彰骥，毽壹霆坐禄系释臻垒栝系之闯频繁转换大大增 加了计算量。 另外，联网双基地及彩基地被动式寇位技术也是被动式跟踪技术发展的一个主要方 囱。该技拳爨簿决瓣圭簧朗瑟套眩空投壤、定经误麓分嫒等l ”。 2 3 2 基手多鬣测源的被动淀位跟踪 尽管纯方位t m a 问题具有上述困难，迫切的战术臻求，迫使备国海、空军发展出 了绞多解决该溺题皎技术。这些方法大多是配合使嗣獒它售患，倒搬载枫相对譬标豹运 动信惠、地球对磊标的等| 力作蘑、嚣藏信号的频率、泓及爨测信号大小的交纯等辅助完 成跟踪，遗就是基于多量测源的被动定能跟踪。 有些茏灏探测设备，如窄频声纳等，不仅可以褥碧角度信息，还可以得到频率信 惫。凝枣嵇慧的获褥篌褥貔垂溺旁# 撬跫豹象嵇下惑磷褥弱垂标状态豹罐嫠诗，滚除 了对传感器运动形式的严格限制，同时叉在很大程度上提高估计精魔。在水下躐陈系统 中，被动声纳可获取水下圈标的方位以及目标推进系统引起的声频，使用角度及声频， 多罄载频攀僚患进行跟黥瓣方法遵褥到广泛应露f 3 3 】。 文献 3 4 1 使用双传感嚣对嚣标辐射强度( 或信蝶比) 及萁变纯率的量溺，来馈计蟊 标到达传感器裁机的时间，进一步与目标方位量测绪含，可以在杂波环境下，确定目标 对传感器裁帆威胁程度的级别。 鬏据大气熬耪理褥毪秘薅多竞灌数强辩霾耩豹麓液或疆舞逐行镳计熬理论巍文献 【3 5 ，3 6 进行了深入研究。按照两个波段l 疑收红外辐射能最的强度储息之比，来估计刚示 至载机的距离，进一步与方位量测一起输入跟踪器，可进行三维目标跟踪，这统计信 塞还霹焉予对霾拣旋分类及识别等t 3 7 。 前视纽步 传感器 ，那么 t x 4 ) 2 + ( y l 一，4 ) 2 = ( 3 m ) 2 ( x 2 一x 4 ) 2 + ( y 2 - y 4 ) 2 = ( 2 蹦) 2 ( 并3 一x ) 2 + ( y 3 一y 4 ) 2 = m 2 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 、6 ) ( 3 4 ) 芏0 ( 3 5 ) 式得： 2 ( x ，一并2 ) 茂十2 - y 2 ) y l = - - s i n 2 十 冀? 一x ；+ y ? y ；) ( 3 。7 ) ( 3 4 ) 式( 3 6 ) 斌褥： 2 瞒一x 3 ) x + 2 ( y l - y 3 ) y 4 = - s m 2 ( x ；一+ y ；一霹) ( 3 8 ) 出( 3 7 ) 式和( 3 8 ) 式得： ，掰2 ( 3 蕞一8 x ：+ 5 + ( 善；一善；+ y ；- y ；) ( x t 二篓妄竺鳗二兰i 竺兰i 二羔i ! ! 苎! = 1 21 v = _ ”一 一 7 4 2 ( y l y 2 ) 0 i 一屯) 一2 ( y l y ，) ( x l x 2 ) ( 3 ，9 ) x 。l 篓篮2 二竺塑：三篓盛= 兰麴毖( 3 + l 。) 2 墨 馥。d 州冯 ( 3 。i i ) 丸 爨毙毪，y l ，如，y 2 ，如，胁日知，所默，r n 谢n x , ，欺，如，y 2 求瞧袋，所以，致( 不 会r ) 也可以求出来，这样就可以i 燹测出第四帧丑的方位熊了。阅骥可以预漠出五， 五，五，五，五，五，罅的方位角 键是逸雄方法只剥用戮蠢，碡，镌遮三帧信息，没有琴4 用至基米的爨囊4 馕4 ， a ；，a 。簿信息，职以跟踪糕度不高。为了挠熨准确她预测下帧信息，我们可以囊接 刹用前五帧的数据来进行预测，这样得到的预测值照准确。因为膊橼在x 吖平颓做匀速 煮线运动，所以4 “：，a 2 4 ，呜文，碡以鼹离威该处处稳等。因撼4 a ：，众：焉， 坞以，4 a ，距离方差墩小的那个方向便怒目标真诞运幼的方向一航向利用最小二暴法 使得他们之间的方惹最小便可以确定一个方向，这个方向就是跟实际航向最接近的航 向。如匿3 1 3 所示： 1 7 t 被动式传感器点秘标跟踪方法研究 y j a t a 2 d 鼠最“ i 蓬3 t 3 蠢檬鹁运动巍x o y 平覆投影关系 f i g 3 3r e l a t i o np r o j e c t i o n i nx o y p l a n e o f t a r g e t 确定出靛囱之爱，裁可改判遐4 ，a ：，坞，4 ，焉麴方位角来预测第六帧的方 像角了。求出a t a ：，名：冬，焉一；，幺囊的平均距离，然簸褥以这个平均距离作为速 度，从第一帧a 出发，便可以预测出第六帧了j 。的方位缃了。同理，w 以利用a ：， a ，a ；，a ，么。来羲测蠢笨七辍玉方位焦，饭次类推，蠖哥班颡溺戡五，孟等的方 位麓。 3 2 2 2 俯仰角预测 嚣标在空中徽匀速壹线运动，所以，在z 方良篷傲匀遵麓线运动。暇定扭始径向躐 离r 已知，裰据前三帧静鼗据 ，识) ，( 哦，纯) ，溉，魏) ，可懿求蠢每一桉酶垒标 ( 确，m ，毛) ，( x ：，y ：，z ：) ，( 码，y ，：，) 。由予刚瘃在= 方向做匀速直线运动，可以求出 z 。如下： 道过上面方位角预测方法，可以求出粕，y ；，所以第嬲帧的俯仰角就可以利用公式 ( 3 2 ) 求鑫= 寒。阐理，霹敷聚溺毫第五，第六，第七，第，犊戆毒| 孽秘惫e 1 8 夫连理t 。火学龋士学位 = ；j = 文 3 23 仿真实验及冀结果分析 3 , 23 仿真燕验 由计算机随机产生个撇从均匀分布的目标，日标夜餐测空间内均匀分布。目标的 初始位置为a i ( 1 0 0 0 0 ，1 0 0 0 ，1 0 0 0 ) ，单位，其直线运动的速度为v 。= 1 2 0 o m t s ， v 。= - 9 0 3 m s ，v ：= 7 0 3 m s 。量测噪声服从坝o ，1 ) ，跟踪门限3 0 为9 个象素。通 过红外传感嚣观瀑乳可以褥剿一组量测簸。根攥上面所述的方法，可以预测出 成蠢 通过m a t l a b 仿冀演l 褥千组数据，实验结莱期f ： 表3 1 目标方位角量测数据 袭3 2 目标俯怖始量溺数据 m e a r l 俯 牵角误惹 v a r3 最大谡蔫 a ”“g e m 。” 4 ， 7 8 & 啦错 0 9 6 7 5 e 棚5 0 0 0 1 4 88 3 0 7 昏0 0 4 - 9 6 6 9 8 e - 0 0 4 也7 1 3 8 e 0 4 0 0 0 t 4 。1 5 7 6 8 e + 0 0 4 - 4 2 8 6 5 e - 0 0 4 0 0 0 1 6 2 锈1 6 2 e 瑚7 8 8 0 7 4 e 0 0 8 4 6 0 8 l e 瑚7 l 。4 1 6 5 e - 0 0 7 4 。7 2 8 6 0 0 0 7 8 j 3 5 8 6 c 0 0 8 3 】5 8 0 0 时 1 0 7 6 5 e - 0