[發明專利]基于GLMB濾波的多傳感器TDOA無源定位方法

在審

• 申請號: 201710239677.4
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN107102295A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 王煦東;劉偉峰;陳一梅
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01S5/16
• 分類號: G01S5/16
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙)33240
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于多傳感器多目標跟蹤領域，特別涉及一種基于多傳感器平臺的多目標定位跟蹤方法。

背景技術

無源定位系統完全被動地接收目標發射的電磁波進行定位和跟蹤，具有隱蔽性好，生存能力強的特點，當只利用一對傳感器到達時間差(簡稱TDOA)對目標進行無源定位時，目標的狀態估計問題為非線性，且距離越遠時估計越不樂觀，這些特點決定了應該選用多對傳感器對多目標進行跟蹤定位，這也是本發明的現實依據。對于多個目標的定位需要進行預處理，主要是將不同目標的測量數據進行歸并，使同一個目標的測量數據放在一起以備定位計算之用。預處理主要包括信號的分選和識別技術。由于觀測數據不可避免的存在著環境噪聲和測量誤差，并且缺乏跟蹤環境的先驗知識，不能確定目標的數量，無法判定觀測數據是由真實目標還是虛假產生，以及由哪一個真實目標產生。這些不確定因素破壞了觀測與目標之間的對應關系，因此，多目標跟蹤過程的關鍵是如何進行有效的數據關聯。考慮到當目標個數達到一定數目時傳統的數據關聯算法會出現“組合爆炸”問題，本發明在隨機有限集(簡稱RFS)框架下實現對多個目標的定位跟蹤。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了一種基于廣義標簽多伯努利(簡稱GLMB)濾波的到達時間差(簡稱TDOA)無源定位跟蹤方法。其具體內容如下：

一種多傳感器平臺的多目標無源定位方法，該方法包括以下步驟：

1.1系統建模；

狀態方程：X_k＝AX_k-1+Bω_k(1)

觀測方程：

其中，X_k＝{x_k,1,x_k,2,…,x_k,N(k)}∈F(X)，表示多目標狀態集合，N(k)＝|X_k|表示k時刻存活的目標個數，x_k,i是k時刻單個目標i的狀態向量，p_(k,i),x,p_(k,i),y分別為k時刻目標i在直角坐標平面上的X軸和Y軸上的坐標，分別為k時刻目標i在直角坐標平面上的X軸和Y軸方向上的速度,A是目標狀態轉移矩陣,B是噪聲矩陣.是系統量測，表示k時刻來自第q對傳感器的量測，可能是來自于目標的量測，也有可能是來自雜波產生的虛警，α_k表示k時刻目標的位置，u_1,q,u_2,q表示第q對傳感器的位置，ω_k,分別為過程噪聲和量測噪聲，服從標準的高斯分布。

1.2無源定位方法；

常用的傳感器無源定位方法有到達時間差定位法、側向定位法、到達時間定位法、多普勒頻移定位法等。從定位精度、定位速度和抗干擾能力綜合考慮，本發明采用到達時間差定位法(time different of arrival,簡稱TDOA)，具體包括以下步驟：

假設在定位區域內每一時刻只有一個目標存在，則傳感器對接收到的信號表示為：

y₁(t)＝s(t)+v₁(t)(3)

y₂(t)＝s(t-τ)+v₂(t)(4)

其中，s(t)是由信號源產生的信息，v_i(t),i＝1,2是環境噪聲，τ是兩個傳感器檢測到的信號的時間差。用α∈R²表示信號源在笛卡爾坐標系下的位置，時間差τ的值取決于位置向量α，存在以下的非線性關系：

其中，||·||表示2范數，c表示聲音的傳播速度，u₁和u₂表示一對傳感器在笛卡爾坐標系下的位置,TDOA估計的基本思想是尋找兩路信號的最大相似性發生的時間差。在信號處理中，尋找二者之間的相似性通過廣義互相關函數來估計得到，表示如下：

其中，R_gcc(τ)是廣義互相關函數，是TDOA的最大可能取值，是y₁(t)和y₂(t)的互譜密度，Φ(ω)是權重函數，Φ(ω)比較常用的一種選擇是使用相位轉移(phase transform)，即

由于信號源的位置α隨著時間的變化而改變，我們把對目標進行定位跟蹤的時間段離散為若干個區間長度趨于零的區間，在每一個區間內認為α的值是幾乎不變的，以此來估計時間差τ，用下式來估計互譜密度：