一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法及系統的製作方法
2023-05-11 09:49:36
一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，包括：海洋中多個信號發射點和多個觀測接收點實現非合作目標的定位，產生目標定位亮點；剔除每對信號發射點與觀測接收點間基線附近的目標定位亮點；對目標定位亮點進行時間對準，得到每個脈衝周期內的目標定位亮點；採用聚類分析，對每個脈衝周期得到的亮點進行聚類處理，利用卡爾曼濾波將距離類中心較遠的亮點剔除；對每個脈衝周期得到的亮點進行處理，將剩下的亮點求均值，對這些均值進行分段擬合，得到目標軌跡；對目標軌跡重新進行分段預測，利用卡爾曼濾波將距離預測軌跡較遠的亮點剔除，實現迭代濾波；對剩下的亮點求均值，再利用最小二乘法進行分段擬合，得到最終的目標軌跡。
【專利說明】一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及水聲信號探測領域，特別涉及一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法及系統。
【背景技術】
[0002]海洋中的目標有時為非合作目標，它自身安靜運行，不主動發射信號，出其不意地出現在待觀測區域內，自噪聲非常低，因此採用主被動結合的多節點探測方式可有效提高目標的檢測估計性能。
[0003]海洋中的多節點探測網絡具有優於單節點的優點，它有更廣的檢測覆蓋範圍、更靈活的幾何布局、更利於實現目標定位和跟蹤。但是，多節點探測網絡的優勢只能在各節點協同工作、並利用控制中心進行智能控制和管理的條件下才能充分展現。
[0004]多節點探測網絡中各節點能採集到不同的信息數據，利用這些數據有可能實現目標定位和跟蹤，對應可得到目標的不同定位亮點文件。根據信號發射點與觀測接收點的不同布局特點以及所採用的不同定位方法，這些亮點文件中的數據誤差也各有特徵。如果簡單地對不同時刻的亮點數據取均值，那麼得到的目標軌跡誤差非常大。尤其當目標穿過信號發射點與觀測接收點基線附近時，目標定位誤差極大，其結果基本不可信。因此，如果採用了不恰當的數據處理方法，那麼增加多節點探測網絡中的觀測節點數量後，不僅不能提高目標定位精度，反而可能導致目標定位誤差增大，最終影響目標跟蹤定位效果。
[0005]目標軌跡具有連續性特徵，並包含有時戳信息，通過它可確定目標運動速度和運動態勢，並有可能實現目標識別，或提高對目標的辨識能力，因此軌跡跟蹤方法的性能優劣將直接影響目標的判別。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於克服現有的多節點探測網絡中的目標軌跡跟蹤方法誤差較大的缺陷，從而提供能夠有效提高對非合作目標辨識能力的方法及系統。
[0007]為了實現上述目的，本發明提供了一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，包括:
[0008]步驟I)、海洋中多個信號發射點和多個觀測接收點利用雙曲交匯定位方法實現非合作目標的定位，產生目標定位亮點；
[0009]步驟2)、從步驟I)所得到目標定位亮點的集合中，剔除每對信號發射點與觀測接收點間基線附近的目標定位売點；
[0010]步驟3)、對步驟2)所得到的目標定位亮點進行時間對準，得到每個脈衝周期內的目標定位売點；
[0011]步驟4)、採用聚類分析，對每個脈衝周期得到的亮點進行聚類處理，同時利用卡爾曼濾波將距離類中心較遠的亮點剔除；
[0012]步驟5)、對每個脈衝周期得到的亮點進行處理，將步驟4)中剩下的亮點求均值，利用最小二乘法對這些均值進行分段擬合，得到目標軌跡；
[0013]步驟6)、對步驟5)得到的目標軌跡重新進行分段預測，利用卡爾曼濾波將距離預測軌跡較遠的亮點剔除，實現迭代濾波；
[0014]步驟7)、對步驟6)中剩下的亮點求均值，然後再利用最小二乘法進行分段擬合，得到最終的目標軌跡。
[0015]上述技術方案中，所述步驟I)包括:
[0016]步驟1-1)、觀測接收點測量目標回波和直達波信號，得到直達波與目標反射回波之間的時間差，同時測量得到目標方位；
[0017]步驟1-2)、實現信號發射點與觀測接收點時間同步，測量信號發射點與觀測接收點的坐標；
[0018]步驟1-3)、信號發射點與觀測接收點根據步驟1-1)得到的直達波與目標反射回波之間的時間差、目標方位以及信號發射點與觀測接收點的坐標，採用雙曲交匯定位方法實現對非合作目標的定位，得到目標定位亮點。
[0019]上述技術方案中，所述的步驟2)包括:將信號發射點與觀測接收點間的連線確定為基線，將平行於該基線的小範圍區域作為不可信區域，此區域內的目標定位亮點全部剔除。
[0020]上述技術方案中，所述的步驟3)包括:採用頻域或時域的信號處理方法將這些信號在時間上加以區分，得到各脈衝周期對應的目標定位亮點。
[0021]上述技術方案中，所述步驟4)包括:
[0022]步驟4-1)、從一亮點集合中任意選擇一個亮點作為聚類中心；所述亮點集合包括一脈衝周期內所得到的所有亮點；
[0023]步驟4-2)、計算剩餘亮點與所述聚類中心之間的距離，當剩餘亮點中的某一亮點與所述聚類中心的距離大於第一門限時，將該亮點從亮點集合中剔除，當該亮點與聚類中心的距離小於門限時，將該亮點保存在一個新聚類中；其中，所述第一門限與信號發射點到觀測接收點的距離、測量誤差大小、要求的定位精度有關；
[0024]步驟4-3)、重新計算新聚類的聚類中心，即計算該聚類中所有亮點的均值；
[0025]步驟4-4)、不斷重複步驟4-2)-步驟4_3)的操作，直到標準測度函數開始收斂為止;
[0026]在步驟5)中，採用最小二乘法對步驟4)所述濾波處理後所剩餘的亮點數據進行時間上的分段軌跡擬合，最小二乘法公式為:
[0027]y (X) = a+bx+cx2
[0028]係數a、b、c滿足方程組
【權利要求】
1.一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，包括: 步驟1)、海洋中多個信號發射點和多個觀測接收點利用雙曲交匯定位方法實現非合作目標的定位，廣生目標定位売點； 步驟2)、從步驟I)所得到目標定位亮點的集合中，剔除每對信號發射點與觀測接收點間基線附近的目標定位売點； 步驟3)、對步驟2)所得到的目標定位亮點進行時間對準，得到每個脈衝周期內的目標定位売點； 步驟4)、採用聚類分析，對每個脈衝周期得到的亮點進行聚類處理，同時利用卡爾曼濾波將距離類中心較遠的亮點剔除； 步驟5)、對每個脈衝周期得到的亮點進行處理，將步驟4)中剩下的亮點求均值，利用最小二乘法對這些均值進行分段擬合，得到目標軌跡； 步驟6)、對步驟5)得到的目標軌跡重新進行分段預測，利用卡爾曼濾波將距離預測軌跡較遠的亮點剔除，實現迭代濾波； 步驟7)、對步驟6)中剩下的亮點求均值，然後再利用最小二乘法進行分段擬合，得到最終的目標軌跡。
2.根據權利要求1所述的多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，其特徵在於，所述步驟I)包括: 步驟1-1)、觀測接收點測量目標回波和直達波信號，得到直達波與目標反射回波之間的時間差，同時測量得到目標方位； 步驟1-2)、實現信號發射點與觀測接收點時間同步，測量信號發射點與觀測接收點的坐標； 步驟1-3)、信號發射點與觀測接收點根據步驟1-1)得到的直達波與目標反射回波之間的時間差、目標方位以及信號發射點與觀測接收點的坐標，採用雙曲交匯定位方法實現對非合作目標的定位，得到目標定位亮點。
3.根據權利要求1所述的多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，其特徵在於，所述的步驟2)包括:將信號發射點與觀測接收點間的連線確定為基線，將平行於該基線的小範圍區域作為不可信區域，此區域內的目標定位亮點全部剔除。
4.根據權利要求1所述的多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，其特徵在於，所述的步驟3)包括:採用頻域或時域的信號處理方法將這些信號在時間上加以區分，得到各脈衝周期對應的目標定位亮點。
5.根據權利要求1所述的多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，其特徵在於，所述步驟4)包括: 步驟4-1)、從一亮點集合中任意選擇一個亮點作為聚類中心；所述亮點集合包括一脈衝周期內所得到的所有亮點； 步驟4-2)、計算剩餘亮點與所述聚類中心之間的距離，當剩餘亮點中的某一亮點與所述聚類中心的距離大於第一門限時，將該亮點從亮點集合中剔除，當該亮點與聚類中心的距離小於門限時，將該亮點保存在一個新聚類中；其中，所述第一門限與信號發射點到觀測接收點的距離、測量誤差大小、要求的定位精度有關； 步驟4-3)、重新計算新聚類的聚類中心，即計算該聚類中所有亮點的均值；步驟4-4)、不斷重複步驟4-2)-步驟4-3)的操作，直到標準測度函數開始收斂為止； 在步驟5)中，採用最小二乘法對步驟4)所述濾波處理後所剩餘的亮點數據進行時間上的分段軌跡擬合，最小二乘法公式為:
y (X) = a+bx+cx2 係數a、b、c滿足方程組
6.根據權利要求1所述的多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，其特徵在於，所述步驟6)包括: 步驟6-1)、根據步驟5)中軌跡分段擬合後的結果採用拋物線回歸法進行軌跡預測，得到預測段的軌跡值； 步驟6-2)、將步驟4)中的濾波後剩下的亮點數據與所述預測段軌跡值進行比較，當該亮點與預測值的距離大於第二門限時，剔除該亮點，否則保留該亮點；其中，所述第二門限與要求的定位精度有關。
7.根據權利要求1所述的多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤方法，其特徵在於，所述步驟7)包括: 步驟7-1)、對步驟6)後所剩下的亮點求均值； 步驟7-2)、採用拋物線回歸方法對剩下的亮點均值進行分段擬合，每段之間有重疊，然後對各時刻的擬合值平均，得到每個時刻的軌跡值； 步驟7-3)、採用滑動窗平滑方法對步驟7-2)得到的軌跡進行平滑，由此得到最終的目標軌跡。
8.一種多觀測節點下非合作目標的軌跡跟蹤系統，其特徵在於，包括非合作目標定位模塊、多餘目標初次剔除模塊、時間對準模塊、聚類分析模塊、一次分段擬合模塊、分段預測模塊、二次分段擬合模塊；其中， 所述的非合作目標定位模塊用於海洋中多個信號發射點和多個觀測接收點利用雙曲交匯定位方法實現非合作目標的定位，產生目標定位亮點； 所述的多餘目標初次剔除模塊從所述的非合作目標定位模塊所得到目標定位亮點的集合中，剔除每對信號發射點與觀測接收點間基線附近的目標定位亮點； 所述的時間對準模塊用於對目標定位亮點進行時間對準，得到每個脈衝周期內的目標定位売點； 所述的聚類分析模塊採用聚類分析，對每個脈衝周期得到的亮點進行聚類處理，同時利用卡爾曼濾波將距離類中心較遠的亮點剔除； 所述的一次分段擬合模塊用於對每個脈衝周期得到的亮點進行處理，將剩下的亮點求均值，利用最小二乘法對這些均值進行分段擬合，得到目標軌跡； 所述的分段預測模塊用於對所述一次分段擬合模塊得到的目標軌跡重新進行分段預測，利用卡爾曼濾波將距離預測軌跡 較遠的亮點剔除，實現迭代濾波； 所述二次分段擬合模塊對分段預測模塊所輸出的剩下的亮點求均值，然後再利用最小二乘法進行分段擬合，得到最終的目標軌跡。
【文檔編號】G01S15/58GK103901432SQ201210572524
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月25日 優先權日:2012年12月25日
【發明者】李嶷 申請人:中國科學院聲學研究所