雷达机动目标跟踪技术研究

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1、1.1课题背景及目的廿标跟踪问题实际上就是廿标状态的跟踪滤波问题，即根据传感器已获得的目标量测数据对口标状态进行精确的估计⑴。它是军事和民用领域屮一个基木问题，可靠而精确地跟踪目标是目标跟踪系统设计的主要目的。在国防领域，目标跟踪可用于反弹道导弹的防御、空防预警、战场区域监视、精确制导和低空突防等。在民用领威，则用于航空和地面交通管制、机器人的道路规划和障碍躲避、无人驾驶车的跟踪行驶、电了医学等。作为科学技术发展的一个方面，廿标跟踪问题可以追溯到第二次世界大战的前夕，即1937年世界上出现第一部跟踪雷达站SCR-28的吋候。之后，许多科学家

2、和工程师一直努力于该项课题的研究，各种雷达、红外、声纳和激光等目标跟踪系统和继得到发展并月.H趋完善。运动H标的机动会使跟踪系统的性能恶化，对机动H标进行跟踪是人们多年来一直关注的问题。随着现代航空航天技术的飞速发展，机动廿标在空间飞行的速度、角度、加速度等参数不断变化，使得口标的位置具有很强的相关性，因此，提高对这类口标的跟踪性能便成为越来越重要的问题，迫切需要研究更为优越的跟踪滤波方法。机动目标的跟踪研究，已成为当今电子战的研究热点Z-o今天，精密跟踪雷达不仅广泛应用于各类武器控制和各类实验靶场，而且还广泛应用于各种空间探测、跟踪和识别

3、领域，以及最先进的武器控制系统。跟踪模型和匹配滤波是机动口标跟踪的两个关键部分，机动口标的精确跟踪在过去和现在都是一个难题，最根本原因在于跟踪滤波采用的目标动力学模型和机动目标实际动力学模型不匹配，导致跟踪滤波器发散，跟踪性能严重下降。本文将机动目标作为研究对象，从冃标的运动建模和匹配滤波算法入于，提出或修止跟踪算法，从而实现对机动目标的精确跟踪。1.2机动目标跟踪技术及其发展状况目标机动是指运动当中的目标，其运动方式在不断地发生变化，从一种形式变化为另一种形式，廿标的运动可能从匀速到变速，也口J能送直线到转弯，它的运动方式并不会从一而终。

4、通俗地说，就是“廿标速度的大小和方向发生变化”。一般情况下，机动口标跟踪方法概括来讲可以分为以下两类：具有机动检测的跟踪算法和无需机动检测的自适应跟踪算法。机动目标的跟踪需要综合运用统计决策、滤波算法以及其它的数学方法，将传感器所接受到的信号数据进行处理，得到目标的位置、速度、加速度等估计信息。图1・1给出了机动口标跟踪的基木原理图。图1.1机动目标跟踪基木原理图对丁•机动口标跟踪来说，所面临的主耍挑战是两种离散的不确定性：量测起源的不确定性和廿标运动方式不确定性。量测起源的不确定性是指出传感器系统提供的量测数据可能是外部的干扰数据，它有可

5、能是由杂波、虚警和相邻的口标所引起的，也可能是被跟踪目标的对抗系统所主动发岀的虚假信息。目标运动方式的不确定性是指目标在未知的时间段内可能作已知的或未知的机动。一般情况下，目标的非机动方式以及目标发生机动时所表现出的不同机动形式都可以通过数学模型来加以描述。机动H标跟踪过程中，采用不正确的目标运动模型会导致跟踪系统的跟踪性能严重下降。本文的重点是如何处理口标运动的机动以及对其的跟踪问题。1.2.1机动目标跟踪模型现代跟踪系统一般都采用类似卡尔曼滤波的迭代算法，因此对机动目标进行建模就显得尤为重要。机动目标模型是机动目标跟踪与预测的基本耍素也

6、是一个关键而又棘手的问题。早期，人们在构造目标运动建模时，曲于缺乏有关廿标运动的精确数据及存在许多不可预测的现象，一般认为口标作匀速直线运动，而随机加速度常'常'被看成是具有随机特性的扰动输入，并假定其服从零均值的高斯口噪声分布，这时，建立在线性无偏、最小均方差准则下的递推的卡尔曼滤波算法可直接使用。然而，当目标发生诸如拐弯或躲避等机动动作时，上述假定则不尽合理。由于H标的动力学特点及H标性能限制，使得机动具冇一定的相关性。对机动目标建模不仅是滤波器的重要组成，也是从运动学机理上解决口标机动的方法⑵。1、基于直线运动的机动目标模型(1)微分

7、多项式模型笛卡尔坐标系中，若用(x(f),y(f),z(/))来表示目标在时刻/的位置，则其运动轨迹可以用多项式來逼近。尽管用多项式逼近目标运动轨迹，其近似性好，但对跟踪系统來说并不合适，因为跟踪系统所要求的是对目标运动状态的估计，而不是轨迹曲线的拟合和平滑。(2)匀速(CV)和匀加速(CA)模型CV和VA模型将目标的运动先验地定义为匀速或匀加速运动，机动被看做是一种随机的输入，其大小体现在过程噪声的协方差矩阵中。当目标无机动，即目标作匀速或匀加速直线运动时，口J分别采用二阶CV或三阶CA模型⑶。(3)时间相关模型(Singer模型)机动目

8、标建模问题的本质是如何准确地描述加速度。(/)o对于处于一般机动情况下的运动目标，均可采用二阶系统一阶时间和关模型很好地描述⑷。该模型形式简单，只比CA模型多了一个表述机动频率的