平台摇摆对卡尔曼滤波跟踪精度的影响.pdf

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1、航空学报Jun．252017VoI．38No．6ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893CN11—1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cnDoI：10．7527／S10006893．2016．0249平台摇摆对卡尔曼滤波跟踪精度的影响程晗*，陈维义，谢芝亮海军工程大学兵器工程系，武汉430033摘要：通过建立目标相对运动坐标系和目标相对运动观测模型，研究了在平台摇摆影响下，跟踪系统观测到的目标运动状态的变化。在分析捷联垂直基准补偿原理的基础上建立了

2、捷联垂直基准平台摇摆角补偿模型，建立的模型结合捷联垂直基准系统的测量能力对其补偿算法进行了理论推导，使模型适用于实际捷联垂直基准系统。通过建立模型以及仿真研究了平台摇摆作用下卡尔曼滤波跟踪精度的变化，指出了摆造成卡尔曼滤波跟踪精度降低甚至离散的主要原因在于模型误差增大。设计仿真实验验证了结论的正确性，为进一步改进跟踪手段提供了理论参考。关键词：平台摇摆；相对运动观测模型；捷联垂直基准；卡尔曼滤波跟踪；模型误差中图分类号：V448．2；TP237；TP391．9文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)06—320589—10卡尔曼滤波算法

3、由于其递推形式易应用于计算机，已被广泛运用于航空航天和军事领域。文献[1]指出，卡尔曼滤波算法在运用于目标跟踪过程中存在对数学模型依赖性较大的特点。与此同时，运动平台(如航空飞行器、水面舰艇等)在工作时，由于受到风、波浪、潮汐等自然环境因素的作用，会产生周期性的摇摆和震荡，从而造成其平台上全部仪器和设备的摇摆运动[2≈]。在平台摇摆运动的影响下，目标相对跟踪系统的观测运动状态会产生较大的随机性和不可预测性，从而给滤波跟踪带来较大的困难[4巧]。本文通过建立相对运动观测模型，研究了平台摇摆下跟踪系统所观测目标运动状态的变化，对捷联垂直基准补偿原理进行了

4、研究，结合卡尔曼滤波跟踪算法的相关理论基础，通过建立模型分析了平台摇摆对卡尔曼滤波跟踪精度的影响。所得到的结论为进一步研究运动平台跟踪系统、改进跟踪手段提供了理论参考。1目标相对跟踪系统运动模型运动平台受环境因素影响在空间的运动主要包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡等，其中垂荡、纵荡和横荡运动属于平动，可以通过研究目标相对平台摇摆中心的平动进行简化，对于平台的横摇、纵摇和艏摇，则需要建立合适的坐标系进行研究¨J。1．1坐标系选取研究目标的相对运动，需要选取合适的坐标系。在实际应用中，习惯于对平台的姿态做出如下规定：①对于平台的横摇，取向右舷倾斜为

5、正；②对于平台的纵摇，取艏部向上倾斜为正。为了便于计算，使平台摇摆运动方向和坐标轴的方向满足右手螺旋定则，建立如下3种坐标系：1)平动坐标系0一XyZ平动坐标系原点0位于跟踪平台的摇摆中收稿日期：2016-07一06；退修日期：2016-08—10；录用日期：2016—09．05；网络出版时间：2016．09—2010：09网络出版地址：wwwcnkInet／kcms／detail／11。1929．V．20160920．1009．002．html*通讯作者．E—mai

6、：843740845@qq．com寻

7、用格式

8、程晗．睬维义。谢芝亮．平台摇摆对卡尔

9、曼滤波跟踪精度的影响[J]．航空学报．2017．38(6)：320589icHENGH．cHENWY，xIEzL．

10、nHuenceofpla№rmSWayingonaccuracyo{Ka

11、manf．

12、tertrackIng￡J]．ActaAeronaulIcaetAstronauticas{nlca。2017。38(6)：320589．320589．1航空学报心，X轴与平台运动方向在水平面内的投影重合，y轴垂直于X轴落于水平面内，取落于跟踪平台右舷方向为正，Z轴垂直于水平面向上。该坐标系内的位置坐标用[zyz]表示。2)观测平面坐标系DX。y。Z。

13、观测平面坐标系原点与平动坐标系原点重合，X“轴在观测平面内指向舷艏，ye轴垂直于x“轴落于观测平面内，取落于观测平面右舷方向为正，Z轴垂直于观测平面向上。该坐标系内坐标用[轧ybz。]表示。3)跟踪测量坐标系0，一X，y，Z，跟踪测量坐标系由观测平面坐标系平动获得，其坐标原点落于跟踪系统的探测中心。该坐标系内坐标用[z，y，z，]表示。对于典型的三坐标雷达，其直接测量的参数为目标相对其距离、俯仰角和偏角(包括其随时间的变化量)，经过变换后可获得目标在跟踪测量坐标系内的具体参数。本文主要研究卡尔曼滤波跟踪过程，暂不将此球坐标到直角坐标的变换过程纳入研究

14、范围内。坐标为[zyz]T，则此时目标在观测平面坐标卜㈩孽蓦一引·rcos7，osin叩，]o1of·卜si