[發(fā)明專利]一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的直接跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110474005.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN113219406B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周瑤;許文杰;李萬春;高林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S5/02
• 分類號(hào): G01S5/02
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發(fā)明屬于目標(biāo)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的直接跟蹤方法。本發(fā)明的方案將目標(biāo)狀態(tài)(位置，速度)進(jìn)行初始化作為輸入，在滿足可觀測(cè)性的條件下，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)更新，從而實(shí)現(xiàn)了從接收到的源信號(hào)中估計(jì)源位置的直接目標(biāo)追蹤。本發(fā)明可以準(zhǔn)確估計(jì)出目標(biāo)的位置和速度，方法簡單，效果良好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于目標(biāo)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的直接跟蹤方法。

背景技術(shù)

卡爾曼濾波(Kalman filtering)是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。雖然狀態(tài)方程是線性模型，但測(cè)量模型是目標(biāo)的非線性函數(shù)。擴(kuò)展卡爾曼濾波(extended Kalman filtering)可以對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行線性逼近，然后利用線性系統(tǒng)卡爾曼濾波的基本方程實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波跟蹤目標(biāo)狀態(tài)。

使用傳感器陣列的跟蹤算法大多基于從傳感器陣列獲取的測(cè)量快拍塊所產(chǎn)生的協(xié)方差。但是這些算法存在著一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，即計(jì)算復(fù)雜度很大，因?yàn)樗枰诿看尾蓸訒r(shí)處理一塊測(cè)量，利用單快拍會(huì)極大地減小計(jì)算量。傳統(tǒng)的定位方法使用兩步方法，第一步測(cè)量到達(dá)時(shí)差(TDOA)和到達(dá)頻率差(FDOA)，第二步使用這些中間測(cè)量進(jìn)行定位。由于差分時(shí)延和差分多普勒估計(jì)都是在第一步忽略了所有測(cè)量值必須與單點(diǎn)發(fā)射機(jī)地理位置一致的約束條件下得到的，因此兩步方法不能保證很好的定位效果。因此，從TDOA/FDOA測(cè)量獲得的位置線不能保證在單個(gè)位置相交。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位是一個(gè)更加困難的任務(wù)，因?yàn)樗粌H需要估計(jì)x和y兩個(gè)定位參數(shù)，而且還需要估計(jì)速度和速度參數(shù)。結(jié)果表明，在兩步法中，需要四維網(wǎng)格搜索來提供測(cè)量值。這種搜索算法計(jì)算量大，難以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。另外，在利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器先跟蹤波達(dá)方向(DOA)再跟蹤純方位目標(biāo)的兩步方法中。從狀態(tài)方程和觀測(cè)方程可以看出，與一步法相比，二步法不僅增加了噪聲，而且損失了更多的信息。一些直接跟蹤算法被提出，即直接從接收到的源信號(hào)中估計(jì)源位置，觀測(cè)量是信號(hào)而不是二步法中的角度等。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的單目標(biāo)直接跟蹤方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

將M個(gè)均勻分布，間距為d的傳感器陣列接收到的信號(hào)作為量測(cè)，對(duì)目標(biāo)狀態(tài)(位置，速度)進(jìn)行初始化作為輸入，在滿足可觀測(cè)性的條件下，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)更新，從而實(shí)現(xiàn)了從接收到的源信號(hào)中估計(jì)源位置的直接目標(biāo)追蹤。

基于卡爾曼濾波的單目標(biāo)直接跟蹤方法，包括以下步驟：

S1、忽略多普勒效應(yīng)、衰落效應(yīng)和多徑信號(hào)，均勻線陣接收到的目標(biāo)信號(hào)用以下矢量形式表示：

z(t)＝As(t)+n(t)

z(t)＝[z₁(t),z₂(t),…z_M(t)]^T是M×1維陣列信號(hào)向量,s(t)是1×1維空間信號(hào),n(t)＝[n₁(t),n₂(t),…n_M(t)]^T是M×1維噪聲向量。A＝a(θ(t))是M×1維空間陣列流形矢量，其中，

a(θ(t))＝[1 u u²…u^M-1]^T

上式中，為了把信號(hào)和位置聯(lián)系起來,我們將接收信號(hào)角度θ(t)寫為λ是波長，采樣間隔是滿足Nyquist定理的T，所以將采樣后的測(cè)量表示為z(n)＝z(nT)，n＝1,2,3…，為了方便，之后內(nèi)容中的nT寫為k，代表采樣后的值。