[發明專利]基于有限步記憶的卡爾曼濾波方法

有效

• 申請號: 201611030384.7
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN106772351B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 楊志偉;郭永霞;辛金龍;楊桂娥;廖桂生;袁賽
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S13/66
• 分類號: G01S13/66;G01S13/58;G01S7/41
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

本發明公開了一種基于有限步記憶的卡爾曼濾波方法，主要解決現有技術中目標跟蹤準確性與穩定性低的問題。其技術方案是：由傳統卡爾曼濾波方法得到目標航跡的前N步狀態及狀態協方差；按當前狀態向后回溯N步，得到目標航跡的參考狀態；根據參考狀態判斷目標的機動性，若發生機動，則對上一幀濾波的速度作修正；再根據參考狀態判斷當前量測的有效性，若無效，則對新息加一個小于1的權值，得到新的新息；根據上一時刻的狀態協方差得到一步預測協方差，再計算增益矩陣；根據預測狀態和增益矩陣及新的新息更新當前的狀態；根據一步預測協方差和增益矩陣更新狀態協方差，完成目標跟蹤。本發明提高了目標跟蹤的準確性與穩定性，可用于雷達數據處理。

技術領域

本發明屬于雷達數據處理技術領域，主要涉及慢速運動目標的跟蹤濾波技術，可用于對地面與海面目標的穩定跟蹤。

背景技術

雷達對運動目標的跟蹤即是跟蹤濾波的過程，這是雷達跟蹤的核心內容，它的作用是對目標運動狀態作出估計和預測。跟蹤的任務是通過相關和濾波處理建立目標的運動軌跡。雷達系統根據在建立目標軌跡過程中對目標運動狀態作出的估計和預測來評估目標運動的安全態勢和機動性的安全效果。因此，雷達跟蹤環節工作性能的優劣直接影響到雷達系統的安全效能。

鑒于目標跟蹤在增進雷達效能中的重要作用，各國在軍用和民用等領域中一直非常重視發展這一雷達技術。機動目標跟蹤理論有了很大的發展，尤其是在跟蹤算法的研究上，理論更是日趨成熟。在跟蹤算法中，主要有線性自回歸濾波，兩點外推濾波，維納濾波，加權最小二乘濾波，α-β濾波和卡爾曼濾波，其中卡爾曼濾波算法在目標跟蹤理論中占據了主導地位。

傳統的標準卡爾曼濾波算法是一種疊代最小均方RLS濾波技術，其是把目標的位置，速度和加速度作為目標狀態矢量，通過目標的動力學方程來描述目標狀態的變化，利用遞推的計算方法，估計目標的狀態，以建立目標的航跡。卡爾曼濾波算法雖具有收斂速度快、運算量小的特點。但該方法普遍存在的問題就是跟蹤誤差大，跟蹤結果可能不收斂甚至有丟失目標的狀況，即它的穩定性不高。

發明內容

本發明的目的在于針對傳統的標準卡爾曼濾波算法的不足，提出一種基于有限步記憶的卡爾曼濾波方法，以減小跟蹤誤差，提高目標跟蹤的準確性與穩定性。

實現本發明目的的技術方案，包括如下：

(1)根據已知目標航跡的前N步濾波狀態和預測狀態以及狀態協方差P(k-1|k-1)，按照目標航跡的當前狀態向后回溯N步，得到目標航跡的參考狀態其中，k＝1,2,…,N表示時刻；

(2)根據目標航跡的參考狀態判斷目標是否發生機動：

2a)根據參考狀態到當前時刻預測狀態的位移a和當前時刻預測狀態到量測狀態Z(k)的位移c，計算這兩個位移之間的夾角θ：

其中，<a,c>表示a與c之間的內積。

2b)根據角度θ判斷目標是否發生機動：

若則表示量測在當前目標航跡方向的±45°范圍內，目標沒有發生機動，直接執行步驟(4)；

若則表示目標發生了機動，此時對當前量測的速度加一個權值w_X和對上一時刻濾波的速度加一個權值w_Z：

2c)根據當前量測的速度的權值w_X和上一時刻濾波的速度的權值w_Z修正上一時刻的濾波，得到更新后的濾波從而得到更新后的預測再根據當前時刻的預測計算當前時刻預測的量測

(3)根據目標航跡的參考狀態判斷當前量測Z(k)的可靠性：

3a)根據參考狀態到當前時刻預測狀態的位移a和參考狀態到量測狀態Z(k)的位移b，計算這兩個位移之間的夾角α：