误差量测与杂波环境对水下目标跟踪的影响分析.pdf

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1、第36卷第5期2017年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．36．No．5Oct．2017doi：10．3969／j．issn．1003—2029．2017．05．007误差量测与杂波环境对水下目标跟踪的影响分析李冬冬1，一，张瑶1，林扬-(1．中国科学院沈阳自动化研究所机器^学国家重点实验室，辽宁沈阳110016；2．中国科学院大学，北京100049)摘要：在水下特殊的环境中，大误差量测与强杂波环境会对目标跟踪有显著的影响。量测误差越大，则预测门限区域越大，杂波密度越高，那么轨迹更易于与杂波关联，进而降低正

2、确量测的权重，滤波精度因此下降。文中依据量测误差模型与杂波模型．建立了误差量测与杂波对水下目标跟踪的影响模型。依据该模型可定量分析量测误差与杂波对目标跟踪的影响．可为目标跟踪滤波器提高抗杂波能力或者提高滤波精度提供理论依据．关键词：目标跟踪；大误差量测；强杂波环境；阈值：理论分析中图分类号：P714文献标志码：A文章编号：1003—2029(2017)05—0038—08现如今，目标跟踪遍及生产生活的各个方面，如民用领域中空中交通管制与视频监控系统，军用领域中运动目标的预警与火力控制等【M。随着科学与技术的进步，越来越多的财力与物力投入到目标跟踪

3、领域，目标跟踪理论与技术得以迅速发展。但无论是军事还是民用研究，就水下特殊的环境而言，如大误差量测和强杂波环境，目标跟踪依旧是一个非常重要的研究领域，仍有许多关键而且迫切的问题尚未解决醐。就目标跟踪而言，水下环境的特殊性在于：(1)量测误差大；(2)声纳探测频率低；(3)海洋环境杂波多。量测误差大，是指相对于目标的运动因素，传感器量测因素不可以忽略。量测误差大，导致门限区域变大，致使更多的杂波落入门限区域内，进而降低轨迹与正确量测关联的概率，从而导致目标跟踪精度下降，尤其是在跟踪距离较远的目标。声纳探测频率低，是单位时间内获得目标的数据信息少。在

4、空气中，雷达可以以高频率获得目标的量测信息。水下声学探测系统存在着探测时延大，探测频率低，也即单位时间内可获得的目标数据信息量少。那么，相对于雷达而言，其需要更长时间才能获得更准确、更确定的水下目标信息【9】。海洋环境杂波多，即强杂波环境，指环境中存在不可忽略的类似目标的量测，在目标跟踪过程中，会降低目标轨迹与正确量测关联的概率，进而降低滤波精度。就本文而言，仅仅讨论大误差量测与强杂波环境对目标跟踪的影响，并为目标跟踪提供参考依据。当然还有其他环境因素或者传感器因素也影响目标跟踪效果，如探测目标传感器单一，水下通信困难，不利于组网等姗，但这些因素

5、在此文中暂不考虑。此文章的组织结构如下：在第1节详细介绍误差量测，以及其对目标跟踪的影响；在第2节详细介绍杂波环境，以及其对目标跟踪的影响；在第3节通过仿真分析误差量测和杂波环境对目标跟踪的影响；在第4节，总结全文。1误差量测量测误差反应了传感器对目标的量测精度，大收稿日期：2017一04—06基金项目：中国科学院科技创新重点部署项目资助(KGFZD一125-014)作者简介：李冬冬(1989一)，男，博士，主要研究方向为水下目标跟踪、水下导航。E—mail：lidon酣ong@sia．cn第5期李冬冬．等：误差量测与杂波环境对水下目标跟踪的影响

6、分析39误差量测是指传感器的量测因素相对于目标的运动因素，对目标状态的估计存在不可忽略的影响。文献[11]详细介绍了在航迹起始阶段，量测因素与目标运动因素之间的关系，并且大误差量测如何影响航迹起始性能的。但其中有两个关键的问题尚未解释清楚：(1)如何定义大误差量测环境；(2)如何确定航迹起始阶段与目标跟踪阶段的门限。1．1大误差量测环境本小节阐述如何定义大误差量测环境。大误差量测可解释为在目标的速度方向上，前后两帧的量测区域有大面积重叠。如图1所示，红色点是目标的真实但是未知的状态，绿色点是目标含有误差的量测点，数字表示时间，大圆圈表示目标的有效

7、量测区域，空心箭头表示目标的真实运动方向，实心箭头表示目标的初始估计值(箭头长度代表估计速度大小，箭头方向代表估计速度方向)。由图1可知，当两个量测区域相距越远(重叠区域越小或无重叠区域)，即量测误差因素相对于运动因素越小，目标的初始估计值越准确；当重叠的量测区域越大，即量测误差因素相对于运动因素越大，则初始估计值误差越大。因此在目标跟踪过程中，首先应该确定是否是大误差量测环境。鲁≥·(1)秽№‘l假设r是采样周期，移。是目标的最大速度，‰。是量测协方差矩阵应。的短轴长，如果不等式(1)成立，则表示属于大误差量测环境。下文介绍式(1)的推导过程。

8、图1量测因素与目标运动因素对初始状态估计的影响图2沿着速度方向量测1标准差与量测协方差矩阵1标准差的关系假设在二维平面对目标进行跟踪并分