一种多传感器切换准则的研究

一种多传感器切换准则的研究

1基于angesum的目标跟踪算法随着电子战争技术的快速发展，所谓的“四威胁”出现在雷达和其他电子防空系统中，如反射武器、间谍目标、综合电子干扰和低地面防御。利用目标距离和(RangeSum)信息实施目标定位和跟踪是多基地雷达的一种工作方式本文基于卡尔曼滤波的跟踪算法,提出利用预知的GDOP(GeometricDilutionofPrecision)分布,选取跟踪性能最佳的传感器组合来进行目标跟踪,即从多个传感器中找出少数对减小GDOP贡献较大的接收站作为跟踪传感器,以其作为实时计算时采集目标数据的有效站,然后利用卡尔曼滤波算法估算出目标的准确位置和速度。2系统的测量数据的预处理如图1所示,假设在某一区域布置N个接收传感器,分别用在多基地雷达系统中,系统首先要获得与目标有关的测量数据(本文采用距离和信息),然后根据定位方程对目标进行定位,并得到目标位置的估计值及其误差协方差阵。根据各传感器得到的距离和测量信息,可以建立目标的定位方程2.1目标的定位功能X=(x,y,z)由式(1)看出,至少需要3个接收站的距离和信息才能对目标进行定位。在传感器系统几何布局已定的条件下,不同空间位置上目标的定位误差分布可以预先用GDOP来计算式中C其中其中K3全向辐射+交替覆盖在陆基形式的多基地雷达系统中,若考虑地形遮挡等因素,每个接收传感器的观测空域范围往往是有限的。为了有效监视一个广泛的空域,系统通常利用众多的接收传感器(假设发射传感器具有足够的照射功率,并且是全向辐射)对此空域进行重叠的和交错的覆盖,以保证监视空域中的任意一点都能满足距离和定位的基本要求(即大于等于3个接收传感器能观测到该点)。如图1所示,假设当前跟踪目标的传感器是在航迹起始阶段,由于目标的运动轨迹还没有建立,跟踪滤波没有收敛,处在不稳定状态,研究传感器切换没有意义,所以这里只研究在目标航迹已经建立,跟踪滤波收敛后的情况下,传感器的不同切换给系统带来的影响。这里分别从算法的矩阵变维和计算量两个方面分析切换传感器对系统性能的影响。一般传感器切换有如下两种情况:m个到(m+l)(l≥0)个传感器切换,m个到(m-l)个传感器切换。3.1矩阵变换对矩阵变维的影响3.1.1m到m+l假设空间某点可由m个传感器共同观测,当进入下一个观测点时,能够观测到该目标的传感器数量增加了l个,即由原来的m个增加到(m+l)个(其中,最基本的形式是从m个增加到(m+1)个)。随着传感器的增加,矩阵当由于[B由上看出虽然矩阵B3.1.2m到m-l若目标进入下一个观测点,能够观测到该目标的传感器数量减少了l个,即由原来的m个减少到(m-l)个(其中,最基本的形式是从m个减少到(m-1)个)。此时矩阵当图2举例说明当可观测的传感器增加1个和减少1个的情况下,矩阵变维对预测协方差矩阵3.2传感器对3g精度贡献的影响由于卡尔曼滤波算法主要依赖于矩阵运算,在传感器数目较多的情况下,运算负担十分繁重。在某一目标位置上,能够观测到目标的传感器对定位精度贡献是不同的,可能存在一些对GDOP贡献不大的一些传感器(这里称之为次站),它们不仅和主站一样占用同样的计算资源,而且会影响系统的实时处理性能。表3给出了增减传感器前后,Kalman滤波的计算量。假设在3个站跟踪的时候,增加1个站跟踪的计算量几乎是3个站跟踪的计算量的1倍。因而,在不显著影响系统跟踪性能的前提下,考虑利用GDOP作为选择跟踪传感器可能是改善系统实时性能的有效手段。4跟踪站组合设计首先根据GDOP剔除次站,找出对定位精度贡献最大的一些传感器组合对目标进行定位跟踪,具体方案如下:(1)将所有站进行组合,得到所有可能的跟踪站组合,其中每组组合传感器数目不少于3。(2)求出对应于各跟踪站组合在防御区域内每一点上的GDOP因子。(3)在防御区域的每一个点上,比较各个组合对应的GDOP因子,绘出GDOP分布图,并统计其在不同观测条件(不同的站址,不同的观测误差)下的定位精度,从中选取定位精度较好的跟踪站组合用于定位处理。(4)将步骤(3)中选取的组合对应的目标位置数据进行融合处理实现定位优化。在保证跟踪传感器组合的GDOP为上述最优值的前提下,可以在相同跟踪传感器数目下进行传感器切换。就是在整个跟踪过程中,跟踪传感器数目始终保持为N个(N≥3),这样卡尔曼滤波过程不会涉及到矩阵变维的问题,计算量始终保持不变,可以提高目标跟踪的稳定性,但是前提条件是尽量保证目标的跟踪精度能够满足系统设计要求。5传感器切换仿真以下始终以3个传感器(无冗余情况)实现对目标的跟踪。假设以目标运动方向作为x轴反向,垂直地面向上的方向为z轴正向,目标y向的运动速度为0。系统是由五个接收站和一个发射站组成的多传感器系统(其中系统的观测区域的长度为600,高度为100。这里用5个站共同跟踪目标,并采取3个传感器到3个传感器的直接切换进行目标跟踪。图3是整个跟踪区域内传感器组合(3个到3个)的切换情况。x轴表示跟踪距离,y轴表示跟踪传感器组合(例如:(1,2,5)表示用图4的实线表示5个站共同跟踪目标的定位误差方差仿真曲线,虚线表示在5个站中选取最佳传感器组合(3个)跟踪目标的定位误差方差仿真曲线。其中,图中子图(a),(b),(c)分别表示目标在x,y和z方向的位置误差曲线,子图(d),(e),(f)分别表示目标在x,y和z方向的速度误差曲线。从仿真结果可以看出来,用最佳组合的3个站对目标进行定位跟踪的精度并没有比用5个站跟踪的精度有明显降低,并且传感器切换也没有影响算法的收敛性。另外,由于系统本身的布局问题,在z方向的收敛速度比较慢,跟踪起始阶段定位精度不如x和y方向的定位精度高。6仿真分析结果本文提出了利用GDOP定位因子作为切换跟踪传感器的准则,在保证跟踪精度达到要求的前提下,利用尽可能少的传感器来跟踪机动目标。模型的仿真分析结果表明,该算法不仅大大减少了卡尔曼滤波算法