基于一阶差分滤波器的水下目标纯方位角跟踪.pdf

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1、54卷第3期（总第206期）中国造船Vol.54No.3（SerialNo.206）2013年9月SHIPBUILDINGOFCHINASept.2013文章编号：1000-4882（2013）03-0070-08基于一阶差分滤波器的水下目标纯方位角跟踪1121王宏健，徐金龙，王奎民，边信黔（1.哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨150001；2.中国人民解放军驻锦州地区军事代表室，锦州121000）摘要在水下目标纯方位角跟踪研究中，针对传统扩展Kalman滤波(EKF)方法需要通过Taylor展开实现非线性项的线性化而导

2、致计算过程繁琐且存在奇点的问题，本文提出一种基于一阶差分滤波器(DDF1)的纯方位角跟踪算法，建立了目标的运动学模型及无源声纳的测量模型；利用Stirling插值法实现非线性项的线性化，进而通过DDF1滤波方法实现对目标位置及速度的跟踪。仿真结果与一致性分析表明，与基于EKF的目标纯方位角跟踪方法相比，论文所提出的算法具有较高的跟踪精度和较好的跟踪性能。关键词：纯方位角；目标跟踪；卡尔曼滤波；一阶差分滤波器；一致性中图分类号：U666文献标识码：A0引言水下目标纯方位角跟踪(Bearing-OnlyTracking,BO

3、T)是指根据目标本身所发出的声波辐射以及无[1]源声纳实时测得的目标相对方位信息，实时估算目标运动状态(航速、航向、相对距离等)的跟踪技术。利用BOT技术，实现对目标运动要素的求解，是潜艇等实施隐蔽攻击的主要手段，由于方位参数是目标辐射源最为可靠的参数之一，而且不需要附加的数据通信。方位参数，特别是在现代战争的复杂环境条件下，几乎成为了唯一可靠的参数。因此，研究如何利用纯方位角这一方位参数对目标进行纯方位角跟踪具有十分重要的意义。目前，如何将BOT技术应用于航空、航天、航海方面已经引起了国内[2]外学者的广泛关注。由于水

4、下目标BOT跟踪属于远距离的目标定位跟踪，目标在垂直距离的变化相对于目标距离可以近似忽略为零，所以目标跟踪区域可以假设为二维平面；同时由于目标在水中受水介质的限制，在有限时间或空间内可以完全近似为匀速直线运动，故本文研究二维平面的水下匀速直线运动目标跟踪。[3]BOT问题属于典型的非线性动态系统状态估计问题。早在1969年，Murphy便在其博士论文中将EKF滤波方法引入到了BOT中，对模型中的非线性项进行Taylor展开，保留了一阶项而忽略其余[4]高阶项，从而实现线性化，并将卡尔曼滤波算法应用于非线性系统中。随着滤波

5、技术的发展，人们[5-7][8-12]开始探索用其他方法，如无迹卡尔曼滤波(UKF)、粒子滤波(PF)等来解决BOT问题。UKF方法主要是在处理状态方程时，先进行U变换，再对变换后得到的状态变量进行估计，从而减小估计误差，收稿日期：2012-11-23；修改稿收稿日期：2013-08-09基金项目：国家自然科学基金(No.E091002/50979017)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金(No.20092304110008)；中央高校基本科研业务费专项资金(No.HEUCFZ1026)；哈尔滨市科技创新人才（优秀学

6、科带头人）研究专项资金项目(No.2012RFXXG083)；教育部新世纪优秀人才支持计划(No.NCET-10-0053)54卷第3期（总第206期）王宏健，等：基于一阶差分滤波器的水下目标纯方位角跟踪71该方法在近年来成为了非线性滤波的主要算法。而PF主要采用的是序贯蒙特卡罗采样方法来进行贝叶斯状态估计，仿真表明，该方法在BOT问题中具有较好的性能。UKF及PF方法在纯方位角目标跟踪中虽然取得了较好的状态估计性能，但是由于其在硬件上难以实现的原因，在实际工程中仍然较少应用，较为常见的仍然是EKF方法。然而EKF方法在

7、线性化[13]时需要用到Jacobian矩阵或Hessian矩阵，这通常是难以得到的。为此，Norgaard等人在EKF的基础上，提出了DDF1滤波方法，该方法采用Stirling插值对非线性项进行线性化，避免了计算Jacobian矩阵或Hessian矩阵使得计算繁琐且系统容易出现奇点问题，实现上更为简便，在实际工程应用中可以[14][15]取代EKF方法。之后，Lee在其博士论文中进一步深化了DDF1方法，而Ahmadi等人成功地将该方法应用于刚体姿态角估计中。本文将DDF1引入到BOT中，提出了基于DDF1的水下目标

8、BOT方法，并与传统的EKF方法相对比，仿真结果表明DDF1算法的滤波精度要明显优于EKF，通过一致性检验进一步从理论上验证了DDF1算法的可行性。1问题描述1.1目标跟踪系统模型本文考虑二维平面的水下匀速直线运动目标跟踪问题。在直角坐标系下，设水下目标的运动状态t向量X为Tttttt4XRxyxy,,,(1)ttt