[發(fā)明專利]基于修正切換函數(shù)的平滑變結(jié)構(gòu)濾波方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811600312.0
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109444841B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李剛;李耀文;劉瑜;何友
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);中國人民解放軍海軍航空大學(xué)
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張潤

本發(fā)明公開了一種基于修正切換函數(shù)的平滑變結(jié)構(gòu)濾波方法及系統(tǒng)，其中，該方法包括：根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)的運(yùn)動過程和量測過程分別建立目標(biāo)運(yùn)動模型和雷達(dá)量測模型；利用目標(biāo)運(yùn)動模型和雷達(dá)跟蹤的歷史數(shù)據(jù)計算出當(dāng)前時刻目標(biāo)狀態(tài)的預(yù)測值；根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)和噪聲的先驗信息給定出目標(biāo)運(yùn)動模型和雷達(dá)量測模型的不確定度，根據(jù)不確定度的先驗估計計算新息增益項；根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)的預(yù)測值和新息增益項計算出目標(biāo)狀態(tài)的后驗更新，并序貫迭代上述步驟對目標(biāo)狀態(tài)持續(xù)跟蹤，直至雷達(dá)判斷航跡終止。該方法采用雙曲正切函數(shù)作為切換函數(shù)計算新息增益項，抑制濾波過程中的抖振現(xiàn)象，提高濾波器對未建模的系統(tǒng)不確定度的魯棒性，獲得更好的目標(biāo)狀態(tài)估計精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于修正切換函數(shù)的平滑變結(jié)構(gòu)濾波方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

雷達(dá)目標(biāo)狀態(tài)估計是指，利用預(yù)先假設(shè)的目標(biāo)運(yùn)動模型和雷達(dá)掃描回波中的目標(biāo)量測點(diǎn)跡，對目標(biāo)運(yùn)動的位置、速度、加速度等狀態(tài)信息進(jìn)行后驗估計，從而抑制過程噪聲和量測噪聲，提高雷達(dá)對目標(biāo)的跟蹤性能。但在現(xiàn)實場景中，用預(yù)設(shè)的目標(biāo)運(yùn)動模型難以準(zhǔn)確描述目標(biāo)真實的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，同時模型參數(shù)難以實時估計，會導(dǎo)致模型不確定問題。傳統(tǒng)的雷達(dá)目標(biāo)狀態(tài)估計方法，例如卡爾曼濾波(KF)、擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)、不敏卡爾曼濾波(UKF)等，基于固定的假設(shè)模型和濾波器結(jié)構(gòu)，在模型不確定條件下狀態(tài)估計誤差會急劇增大，甚至濾波發(fā)散導(dǎo)致丟失跟蹤目標(biāo)。

平滑變結(jié)構(gòu)濾波(SVSF)是一種近年來興起的狀態(tài)估計方法，基于滑膜控制理論和變結(jié)構(gòu)控制理論，能夠有效應(yīng)對模型不確定問題。該方法與傳統(tǒng)濾波器的差異主要在于新息增益項的計算：通過引入切換函數(shù)，建立了分段的切換控制準(zhǔn)則，根據(jù)當(dāng)前時刻和前一時刻的量測誤差靈活地控制增益項矢量的方向和大小；在切換函數(shù)中引入平滑邊界層矢量參數(shù)，對模型不確定度的上界進(jìn)行先驗估計，根據(jù)該參數(shù)和當(dāng)前時刻量測誤差的相對大小確定采用何種切換控制準(zhǔn)則，從而實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的基于不確定模型的目標(biāo)狀態(tài)估計。符號函數(shù)和飽和函數(shù)是該方法常用的兩種切換函數(shù)。

然而，用于描述模型不確定度的上界的平滑層參數(shù)是難以準(zhǔn)確給定的。如果該參數(shù)與實際不確定度相比過大，會造成濾波器收斂慢，狀態(tài)估計誤差增大；如果過小，則會引起系統(tǒng)抖振問題。抖振現(xiàn)象是指，由于平滑層參數(shù)低估了真實的模型不確定度，導(dǎo)致切換控制準(zhǔn)則的頻繁調(diào)整，引起增益矢量的計算規(guī)則的時序不一致，使得后驗狀態(tài)估計在表征目標(biāo)真實狀態(tài)的滑膜面兩側(cè)反復(fù)“穿越”而不收斂。抖振現(xiàn)象與切換函數(shù)的不連續(xù)或者不光滑有直接關(guān)系，會引起額外的狀態(tài)估計誤差甚至濾波發(fā)散，從而導(dǎo)致雷達(dá)目標(biāo)跟蹤性能急劇惡化。

因此，如何設(shè)計更加魯棒的切換函數(shù)，以應(yīng)對被平滑層參數(shù)低估的模型不確定度導(dǎo)致的抖振現(xiàn)象，從而提高雷達(dá)目標(biāo)狀態(tài)估計的性能，是SVSF在工程應(yīng)用中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于修正切換函數(shù)的平滑變結(jié)構(gòu)濾波方法，該方法采用雙曲正切函數(shù)作為切換函數(shù)計算新息增益項，抑制濾波過程中的抖振現(xiàn)象，提高濾波器對未建模的系統(tǒng)不確定度的魯棒性，獲得更好的目標(biāo)狀態(tài)估計精度。

本發(fā)明的另一個目的在于提出一種基于修正切換函數(shù)的平滑變結(jié)構(gòu)濾波系統(tǒng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出了基于修正切換函數(shù)的平滑變結(jié)構(gòu)濾波方法，包括：根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)的運(yùn)動過程和量測過程分別建立目標(biāo)運(yùn)動模型和雷達(dá)量測模型；利用所述目標(biāo)運(yùn)動模型和雷達(dá)跟蹤的歷史數(shù)據(jù)計算出當(dāng)前時刻目標(biāo)狀態(tài)的預(yù)測值；根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)和噪聲的先驗信息給定出所述目標(biāo)運(yùn)動模型和所述雷達(dá)量測模型的不確定度，并根據(jù)所述不確定度的先驗估計計算新息增益項；根據(jù)所述目標(biāo)狀態(tài)的預(yù)測值和所述新息增益項計算出目標(biāo)狀態(tài)的后驗更新，并序貫迭代上述步驟對目標(biāo)狀態(tài)持續(xù)跟蹤，直至雷達(dá)判斷航跡終止。