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        “低慢小”目標(biāo)定位跟蹤算法研究

        2020-11-02 02:36:18秦永葉健安李金玲陳文嘉
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2020年26期
        關(guān)鍵詞:跟蹤時(shí)間差定位

        秦永 葉健安 李金玲 陳文嘉

        摘要:隨著科技的進(jìn)步, “低慢小”飛行器得到了飛速的發(fā)展。近些年來,此類飛行器經(jīng)常被不法分子利用,對(duì)國家和社會(huì)安全帶來很大的威脅。該文主要對(duì)“低慢小”目標(biāo)定位跟蹤問題進(jìn)行系統(tǒng)性的研究,其中主要研究基于時(shí)間差的多接收站定位算法以及最新的目標(biāo)跟蹤算法。 利用實(shí)際應(yīng)用場景中不同布站情況對(duì)目標(biāo)定位系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真并分析了不同接收站高度對(duì)定位精度的影響。

        關(guān)鍵詞: 低慢小目標(biāo); 定位; 時(shí)間差; 跟蹤;隨機(jī)有限集

        中圖分類號(hào):TN953? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1009-3044(2020)26-0023-02

        1 引言

        “低慢小”目標(biāo)主要指低空、慢速、小型的飛行器,隨著科技的發(fā)展,此類飛行器被廣泛應(yīng)用于國防及民用領(lǐng)域,其主要包括無人機(jī)、熱氣球、滑翔傘等。此類飛行器由于成本相對(duì)比較低,因此經(jīng)常被不法分子利用,其對(duì)國家安全及人們生活帶來了很大的威脅[1-3]。例如:不法分子可以利用無人機(jī)或者熱氣球進(jìn)行恐怖襲擊,或者利用無人機(jī)進(jìn)行非法拍攝等。近些年來,有關(guān)部門已經(jīng)出臺(tái)了一些相關(guān)管理?xiàng)l例對(duì)“低慢小”目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的管控。而此類目標(biāo)由于速度慢、目標(biāo)小的特性,對(duì)此類目標(biāo)定位跟蹤相對(duì)比較困難。因此有必要對(duì)此類目標(biāo)的定位跟蹤進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

        對(duì)“低慢小”目標(biāo)定位跟蹤可以根據(jù)“低慢小”目標(biāo)的特性,根據(jù)不同的定位跟蹤區(qū)域地形架設(shè)多個(gè)接收站,然后根據(jù)接收站接收到的觀測量對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤。接收站接收到的觀測量參數(shù)主要包括:方位角(DOA)、時(shí)間差(TDOA)和多普勒頻率(FDOA)等信息[4-5]。在目標(biāo)定位方面,常用的目標(biāo)定位算法根據(jù)采用的觀測量參數(shù)不同可分為方位角定位、時(shí)差定位、多普勒頻率定位以及其相應(yīng)的組合定位算法。而在目標(biāo)跟蹤方面主要是對(duì)接收到的參數(shù)進(jìn)行濾波形成目標(biāo)航跡的過程。下面將對(duì)目標(biāo)定位和跟蹤進(jìn)行系統(tǒng)性的討論。

        2“低慢小”目標(biāo)定位跟蹤

        2.1 “低慢小”目標(biāo)定位算法

        常用的目標(biāo)定位算法是利用方位角、時(shí)間差和多普勒頻率等參數(shù)來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,由于基于多普勒的定位算法主要針對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)快的目標(biāo),而實(shí)際應(yīng)用中方位角信息相對(duì)誤差比較大,因此本文在“低慢小”目標(biāo)定位過程中主要采用時(shí)差定位算法。下面以一個(gè)發(fā)射站三個(gè)接收站為例給出“低慢小”目標(biāo)時(shí)差定位模型,其時(shí)差定位模型如圖1所示。

        如圖1所示,由一個(gè)接收站三個(gè)接收站的“低慢小”目標(biāo)定位系統(tǒng)中可以獲得3組時(shí)差定位方程。圖中包括一個(gè)發(fā)射站,三個(gè)接收站,目標(biāo)假設(shè)為無人機(jī),由定位模型可以列出某一個(gè)接收站的時(shí)差方程:

        由于本系統(tǒng)中包括3個(gè)接收站,因此可以獲得3個(gè)如公式(1)的定位方程,對(duì)該組定位方程進(jìn)行解算即可得到“低慢小”目標(biāo)的位置[(x,y,z)]。在目標(biāo)定位解算方面,大部分的文獻(xiàn)只討論接收站在同一平面情況下的目標(biāo)定位精度[6],本文將針對(duì)“低慢小”目標(biāo)的特點(diǎn),討論接收站不同高度對(duì)目標(biāo)定位精度的影響。在定位精度分析方面,本文將采用“定位精度的幾何稀釋”(GDOP)來衡量“低慢小”目標(biāo)定位的精度,基于時(shí)間差的GDOP具體公式可詳見文獻(xiàn)[6]。

        2.2 “低慢小”目標(biāo)跟蹤算法

        “低慢小”目標(biāo)定位主要是利用某一時(shí)刻的測量參數(shù)對(duì)目標(biāo)的位置進(jìn)行估計(jì),而跟蹤是利用目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型、測量模型以及目標(biāo)獲得的測量參數(shù)利用濾波算法對(duì)“低慢小”目標(biāo)的航跡進(jìn)行估計(jì)的過程。

        目標(biāo)跟蹤算法根據(jù)目標(biāo)數(shù)目不同主要包含單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤兩種,其中單目標(biāo)跟蹤主要是基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型和測量模型的濾波算法來對(duì)目標(biāo)跟蹤,其主要包括針對(duì)線性目標(biāo)的卡爾曼濾波,以及針對(duì)非線性目標(biāo)的卡爾曼濾波改進(jìn)算法以及粒子濾波。而當(dāng)目標(biāo)跟蹤區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)時(shí),接收機(jī)得到的測量值與多個(gè)目標(biāo)將存在目標(biāo)關(guān)聯(lián)問題,其定位跟蹤過程將比較復(fù)雜,此時(shí)對(duì)“低慢小”目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤將不能簡單地利用濾波算法。

        針對(duì)多目標(biāo)跟蹤問題,傳統(tǒng)的跟蹤算法采用的先關(guān)聯(lián)后濾波的過程,即首先利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法確定傳感器獲得的不同測量參數(shù)與目標(biāo)的關(guān)系后,再利用單目標(biāo)跟蹤過程的濾波算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。但此類目標(biāo)跟蹤算法存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)復(fù)雜且不能處理目標(biāo)跟蹤過程中目標(biāo)數(shù)目變化的問題。最近十幾年,隨機(jī)有限集理論被成功地應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中,此類算法與經(jīng)典算法比較具有不需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),并且可以處理目標(biāo)數(shù)目變化的多目標(biāo)跟蹤的優(yōu)點(diǎn),其已成為目標(biāo)跟蹤的主要研究方向。此類算法前期的研究主要是針對(duì)單目標(biāo)跟蹤的伯努利濾波算法、針對(duì)多目標(biāo)跟蹤的概率假設(shè)密度算法和多伯努利算法。前期的研究算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域,但此類算法存在不能直接獲得多目標(biāo)的航跡信息,不是嚴(yán)格意義的多目標(biāo)跟蹤算法。針對(duì)這個(gè)問題近些年來學(xué)者們對(duì)基于隨機(jī)有限集算法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,主要提出了基于標(biāo)簽隨機(jī)有限集的標(biāo)簽伯努利(Label multi-Bernoulli, LMB)濾波算法[7]以及泊松多伯努利混合(Poisson multi-Bernoulli mixture filter,PMBM)濾波[8]算法,此類算法在多目標(biāo)跟蹤過程中同時(shí)具有能夠獲得多目標(biāo)航跡和跟蹤精度高的特點(diǎn),因此可以采用此類算法對(duì)“低慢小”目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

        3 “低慢小”目標(biāo)定位仿真性能分析

        本文只針對(duì) “低慢小”目標(biāo)定位算法進(jìn)行仿真分析,目標(biāo)跟蹤算法將作為今后的研究重點(diǎn)。下面將以南昌工程學(xué)院的校園為背景對(duì)基于時(shí)間差的目標(biāo)定位算法進(jìn)行仿真,“低慢小”目標(biāo)假設(shè)為闖入校園進(jìn)行非法活動(dòng)的無人機(jī)。假設(shè)在學(xué)校不同的位置架設(shè)一個(gè)發(fā)射站和三個(gè)接收機(jī),主要分析不同接收機(jī)架設(shè)高度對(duì)定位精度的影響。假設(shè)在南昌工程學(xué)院一食堂位置架設(shè)發(fā)射站,教師公寓、圖書館和三食堂位置架設(shè)接收站,實(shí)際布站如圖2所示。考慮到實(shí)際情況下無人機(jī)實(shí)際飛行高度,設(shè)定仿真100m和300m兩種飛行高度,時(shí)差誤差為20ns。本文對(duì)兩種仿真情況進(jìn)行比較:1)接收站和發(fā)射站均架設(shè)比較高(仿真假設(shè)接收站和發(fā)射站均為80米左右高度);2)發(fā)射站假設(shè)為80米,其他接收站均在地面(高度設(shè)為0米)。

        圖3-6分別給出了仿真1和仿真2實(shí)際布站情況下兩個(gè)不同高度層的定位仿真GDOP結(jié)果,從對(duì)應(yīng)高度層的GDOP定位誤差等高線來看,當(dāng)無人機(jī)在100米和300米飛行時(shí),兩種仿真環(huán)境的仿真結(jié)果在校園的中心區(qū)域定位誤差均在20米以內(nèi)。從圖3-4與圖5-6比較可知,仿真1布站情況明顯優(yōu)于仿真2的,這主要是由于本定位系統(tǒng)為三維仿真,當(dāng)接收站和發(fā)射站不在一個(gè)高度層時(shí)其在高度的分辨率更高,仿真2的定位的精度相對(duì)仿真1提高了很多。因此在實(shí)際的“低慢小”目標(biāo)定位過程中,可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景,適當(dāng)?shù)倪x擇不同的高度對(duì)接收站進(jìn)行布站,以達(dá)到更優(yōu)的定位結(jié)果。

        4 結(jié)論

        本文主要針對(duì)“低慢小”目標(biāo)定位跟蹤問題進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究,其中主要針對(duì)基于時(shí)間差的“低慢小”目標(biāo)定位問題進(jìn)行了仿真分析,討論了在多站定位情況下,不同站的高度對(duì)定位精度的影響。仿真分析結(jié)果可以為實(shí)際應(yīng)用中的“低慢小”目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)給出相應(yīng)的理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn):

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        [2] 許道明,張宏偉.雷達(dá)低慢小目標(biāo)檢測技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2018,46(1):148-155.

        [3] 張承志,任清安.一種利用TBD自動(dòng)檢測低慢小目標(biāo)的方法[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào),2013,27(2):118-121.

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        [5] 周恭謙,楊露菁,劉忠.改進(jìn)的非完全約束加權(quán)最小二乘TDOA/FDOA無源定位方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2018,40(8):1686-1692.

        [6] 秦永. 基于TDOA的"低慢小"目標(biāo)無源定位系統(tǒng)性能分析[J]. 江科學(xué)術(shù)研究, 2019(4):27-34.

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        【通聯(lián)編輯:光文玲】

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