[發(fā)明專利]一種基于多目標(biāo)跟蹤的相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)資源管理方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710816710.5
• 申請(qǐng)日: 2017-09-12
• 公開（公告）號(hào): CN107728139B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易偉;王祥麗;付月;黎明;孔令講;李雯;翟博文;袁野
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/72
• 分類號(hào): G01S13/72;H04B7/0408
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

1.一種基于多目標(biāo)跟蹤的相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)資源管理方法，該方法包括步驟：

步驟1：確定雷達(dá)和目標(biāo)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和被管理資源變量；

一個(gè)由M個(gè)相控陣?yán)走_(dá)組成的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，第m個(gè)雷達(dá)的位置為(x_m,y_m)，m＝1,2,…,M，在監(jiān)控區(qū)域廣泛分布Q個(gè)目標(biāo)，該雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，假設(shè)每個(gè)目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)q的初始位置和速度分別為和q＝1,…,Q，則在第k個(gè)跟蹤時(shí)刻，目標(biāo)q的位置和速度分別為和在k時(shí)刻，每部雷達(dá)可發(fā)射B_m個(gè)波束，且有個(gè)波束被選出用于目標(biāo)跟蹤，每個(gè)跟蹤時(shí)刻每個(gè)波束只能跟蹤一個(gè)目標(biāo)，由于并不能確定雷達(dá)m的波束是否會(huì)用來跟蹤目標(biāo)q，引入二元變量

為了維持目標(biāo)的跟蹤，每個(gè)跟蹤時(shí)刻，雷達(dá)波束還需發(fā)射一定量的脈沖到目標(biāo)上來獲取目標(biāo)信息，若k時(shí)刻雷達(dá)m的波束發(fā)射一系列重復(fù)周期為T_pri脈沖信號(hào)，且有個(gè)脈沖照射到目標(biāo)q上，則雷達(dá)波束在該目標(biāo)的駐留時(shí)間為表示脈沖個(gè)數(shù)，T_pri表示脈沖重復(fù)周期，因此，本發(fā)明對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的波束指向和駐留時(shí)間進(jìn)行管控；因此確定出被管理資源變量：1.每個(gè)時(shí)刻每部雷達(dá)用于跟蹤的波束數(shù)量2.每個(gè)目標(biāo)如何選擇來自哪些雷達(dá)的波束照射，3.來自不同雷達(dá)的波束照射駐留時(shí)間分；

步驟2：確立資源優(yōu)化模型；

目標(biāo)q作勻速運(yùn)動(dòng)，在k時(shí)刻其狀態(tài)為：則其動(dòng)態(tài)方程和來自雷達(dá)m的目標(biāo)量測(cè)方程分別為：

其中，F(xiàn)_k表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，過程噪聲為均值為零、方差為Q_q,k-1的高斯白噪聲，量測(cè)為從回波信號(hào)中提取的目標(biāo)與雷達(dá)的距離和角度信息，量測(cè)噪聲為零均值、方差為的高斯白噪聲，表示量測(cè)，且該方差與回波信噪比有關(guān)；

為方便下面描述，定義兩組變量，k時(shí)刻的波束選擇變量Φ_k＝[Φ_1,k,…,Φ_q,k,…,Φ_Q,k]^T和駐留時(shí)間變量ΔT_k＝[T_1,k,…,T_q,k,…,T_Q,k]^T，其中，表示所有雷達(dá)對(duì)目標(biāo)q的照射情況，表示所有雷達(dá)對(duì)在目標(biāo)q上的駐留時(shí)間，二者關(guān)系為：

由于貝葉斯克拉美羅界為目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)最小均方誤差MSE提供了一個(gè)下界，且具有一定的預(yù)測(cè)性；因此，采用貝葉斯克拉美羅界作為跟蹤性能的準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

表示貝葉斯克拉美羅界，表示目標(biāo)狀態(tài)的貝葉斯信息矩陣，為：

其中，表示目標(biāo)先驗(yàn)信息的費(fèi)歇爾信息矩陣，為目標(biāo)q在k時(shí)刻來自于雷達(dá)m的數(shù)據(jù)費(fèi)歇爾信息矩陣，表示目標(biāo)量測(cè)對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)的雅克比行列式；表示量測(cè)方差的倒數(shù)，表示求數(shù)學(xué)期望操作，因?yàn)槟繕?biāo)貝葉斯克拉美羅界的對(duì)角線元素可反映目標(biāo)狀態(tài)向量各個(gè)分量估計(jì)方差的下界，將下式作為各個(gè)目標(biāo)跟蹤精度的指標(biāo)：

其中，C_CRLB(1,1)和C_CRLB(3,3)分別表示貝葉斯克拉美羅界對(duì)角線上的第一個(gè)和第三個(gè)分量；

確定優(yōu)化目的為：在由相控陣?yán)走_(dá)組成的雷達(dá)組網(wǎng)中，合理分配雷達(dá)波束指向和波束駐留時(shí)間，保證所有目標(biāo)跟蹤精度在滿足預(yù)定要求η_q的情況下，使所有波束用于跟蹤的駐留時(shí)間最少；因此目標(biāo)函數(shù)為結(jié)合波束和駐留時(shí)間約束，建立優(yōu)化問題模型為：

其中：第一約束表示每個(gè)目標(biāo)需要滿足其預(yù)定的跟蹤精度η_q；第二約束表示波束變量是個(gè)由0和1組成的二元變量；第三約束表示考慮到雷達(dá)波束不僅要執(zhí)行跟蹤還要在監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行搜索，因此k時(shí)刻雷達(dá)m用于跟蹤的波束總數(shù)需要少于雷達(dá)形成的波束總數(shù)B_m；第四約束表示若是某個(gè)目標(biāo)的預(yù)測(cè)跟蹤性能比較好，則要使其滿足預(yù)定跟蹤精度可能并不需要來自所有雷達(dá)的波束照射，一個(gè)雷達(dá)數(shù)量子集即可，因此，k時(shí)刻目標(biāo)q上的波數(shù)數(shù)量L_q,k不大于雷達(dá)總數(shù)量M；第五約束表示若目標(biāo)不被波束照射則駐留時(shí)間不存在；第六約束表示駐留時(shí)間存在，但其不是任意的，還需要滿足一個(gè)上下界限，上界為下界為第七約束表示對(duì)于每個(gè)雷達(dá)而言用于跟蹤的時(shí)間上限為

步驟3：提出雷達(dá)組網(wǎng)的波束和駐留時(shí)間分配策略，先基于雷達(dá)數(shù)據(jù)信息來分配波束指向，再根據(jù)最優(yōu)化理論來分配駐留時(shí)間的算法來實(shí)現(xiàn)資源分配，得到分配結(jié)果；

步驟3.1：k時(shí)刻，為了體現(xiàn)各個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)信息的大小，對(duì)每個(gè)雷達(dá)的波束給定一個(gè)約束范圍內(nèi)的固定時(shí)間，即假設(shè)計(jì)算出對(duì)于目標(biāo)q，來自于每個(gè)雷達(dá)的數(shù)據(jù)信息然后求出矩陣的跡

其中：Tr[·]表示求矩陣跡的操作，令并對(duì)的各個(gè)元素進(jìn)行從大到小排序，分類結(jié)果如下：

其中：表示跡排序結(jié)果和每個(gè)結(jié)果所在的位置，I_q,k表示每個(gè)結(jié)果所在的位置；表示排序操作；

步驟3.2：令k時(shí)刻目標(biāo)q上的波數(shù)數(shù)量L_q,k＝0，對(duì)于i＝1,2,…M，

步驟3.2.1、

其中，I_q,k(i)表示矩陣I_q,k的第i個(gè)變量，表示駐留時(shí)間為T_fix時(shí)目標(biāo)q上來自雷達(dá)I_q,k(i)的數(shù)據(jù)費(fèi)歇爾信息矩陣，表示目標(biāo)q上來自i個(gè)雷達(dá)的貝葉斯信息矩陣之和，表示駐留時(shí)間為T_fix時(shí)目標(biāo)q上的貝葉斯克拉美羅界，表示駐留時(shí)間為T_fix時(shí)目標(biāo)q的跟蹤性能指標(biāo)；

步驟3.2.2、將和跟蹤門限η_q作對(duì)比，如果則返回步驟3.2.1；直到或者i達(dá)到M，循環(huán)停止；

步驟3.2.3、將和跟蹤門限η_q作對(duì)比，如果則返回步驟3.2.1；直到或者i達(dá)到M，循環(huán)停止，記錄此時(shí)i的大小，令L_q,k＝i；

步驟3.3：對(duì)于每部雷達(dá)m＝1,2,…,M而言，計(jì)算出此時(shí)每部雷達(dá)用于跟蹤的波束總量若則此時(shí)

統(tǒng)計(jì)每個(gè)目標(biāo)的波束總量L_q,k，得到目標(biāo)q上來自雷達(dá)I_q,k(i)的波束選擇結(jié)果：其中I_q,k(1:L_q,k)表示矩陣I_q,k的前L_q,k個(gè)變量；

通過步驟3.1～3.3得到了k時(shí)刻目標(biāo)q上來自所有雷達(dá)的波束選擇結(jié)果Φ_q,k，Φ_q,k表示目標(biāo)q上來自所有雷達(dá)的波束選擇結(jié)果，是個(gè)有多個(gè)標(biāo)量組成的向量,且有L_q,k個(gè)波束被選擇來跟蹤目標(biāo)q，對(duì)Φ_q,k進(jìn)行排序，得排序后的波束變量Υ_q,k：

[Υ_q,k]＝sort(Φ_q,k,'descend′) (10)

則最終目標(biāo)q上的波束可以寫為：

且只有L_q,k個(gè)波束需要照射目標(biāo)q，因此貝葉斯信息矩陣可以寫為

其中：表示目標(biāo)q上來自雷達(dá)I_q,k(i)的波束駐留時(shí)間；

當(dāng)波束分配完成后，將優(yōu)化問題(6)轉(zhuǎn)化成以下形式：

通過梯度投影法來對(duì)公式(12)進(jìn)行求解，得到駐留時(shí)間分配ΔT_k；通過該方法得到駐留時(shí)間值雖然是最優(yōu)的，但該值是上下限之間的任意值，而駐留時(shí)間只能是脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍，故通過四舍五入，將駐留時(shí)間近似為脈沖重復(fù)周期的整數(shù)倍，記為

最終，通過得到了每個(gè)跟蹤時(shí)刻基于多目標(biāo)跟蹤的多雷達(dá)系統(tǒng)波束和駐留時(shí)間分配結(jié)果