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基于纯角度的三维运动目标可观性研究

兵工学报 2004年第2期25卷 182-185页

作者：杨国胜窦丽华侯朝桢北京理工大学自动控制系

本文针对在三维空间作匀加速运动的目标 ,推导出了基于纯角度测量的运动目标状态可观测的必要条件。在求解这一必要条件的过程中 ,利用数学变换手段 ,将非线性角度观测方程转换成线性框架来进行处理 ;利用满秩矩阵的一些特点 ,把高阶非... 详细信息

本文针对在三维空间作匀加速运动的目标 ,推导出了基于纯角度测量的运动目标状态可观测的必要条件。在求解这一必要条件的过程中 ,利用数学变换手段 ,将非线性角度观测方程转换成线性框架来进行处理 ;利用满秩矩阵的一些特点 ,把高阶非线性微分方程转化成一阶线性微分方程组来求解 ,获得了可观测性必要条件。

关键词：纯角度控制理论可观测性判据微分方程满秩矩阵

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纯角度量测序列的参数航迹滤波新方法

电光与控制 2012年第5期19卷 74-77页

作者：吴中林刘进忙倪鹏刘晓婧空军工程大学导弹学院中国人民解放军93861部队

红外探测器只能测量运动目标的方位角和俯仰角,难以获取目标的距离信息,所测量的空中目标信息为不完全信息,无法在直角坐标系下有效对三维运动目标进行滤波与跟踪。针对这一问题,提出红外单站跟踪运动目标的参数航迹滤波方法。该方法利... 详细信息

红外探测器只能测量运动目标的方位角和俯仰角,难以获取目标的距离信息,所测量的空中目标信息为不完全信息,无法在直角坐标系下有效对三维运动目标进行滤波与跟踪。针对这一问题,提出红外单站跟踪运动目标的参数航迹滤波方法。该方法利用传感器测量到的目标方位角和俯仰角信息,根据假设的目标运动模型,先对目标飞行方向进行估计,然后利用估计出的方向向量和角度量测序列计算出目标的两个航迹参数;最后综合解算得到目标到传感器的方向向量参数航迹计算公式,从而得到方位和仰角估计值。仿真结果表明,该模型对方位和仰角的估计值较稳定,误差较小,效果较优。

关键词：目标跟踪纯角度航迹滤波红外单站方位仰角估计

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纯角度量测下多无人机协同目标跟踪技术研究

纯角度量测下多无人机协同目标跟踪技术研究

作者：辛沙欧南京理工大学

学位级别：硕士

随着计算机科学、控制科学、生物学、物理科学、统计学、社会学等学科的交叉发展,多无人机系统分布式协同控制受到越来越多学者的广泛关注。其中,多无人机系统协同定位目标以及无源被动跟踪问题一直以来都是国内外研究热点。而基于纯角... 详细信息

随着计算机科学、控制科学、生物学、物理科学、统计学、社会学等学科的交叉发展,多无人机系统分布式协同控制受到越来越多学者的广泛关注。其中,多无人机系统协同定位目标以及无源被动跟踪问题一直以来都是国内外研究热点。而基于纯角度观测信息的多无人机被动目标定位方式由于不需要距离和位置等观测信息,仅需被动地接收目标方位角信息即可实现目标的定位跟踪,具有隐蔽性好、可靠性高、抗干扰能力强等特点,因此在目标包围控制以及绕飞跟踪等研究方向都备受关注。其中,基于纯角度的单无人机目标跟踪问题主要包括目标状态估计和观测器的轨迹机动控制,而由于目标状态信息未知,在纯角度量测下的目标状态的估计精度仍有待提高。多机估计策略下,目标状态估计精度以及控制精度能够得到明显的提升,在保证有效目标跟踪的前提下节省通信资源以增加无人机的工作时长也是一个重点的研究方向。当无人机自定位信息出现丢失等不完全量测的情况时,多机系统目标估计策略如何设计以及如何保障对目标的持续跟踪也仍需进一步研究。针对上述问题,本文进行了以下工作:首先,本文提出了一种结合卡尔曼滤波算法的虚拟交叉算法实现对目标状态的无偏估计,通过添加目标速度补偿值设计了一种新的多无人机分布式控制策略,以期多无人机能够在以目标为中心且具有指定半径的圆周上形成等角编队。对所提出的算法进行了稳定性分析,证明了估计误差、环航半径控制误差以及无人机之间分离角控制误差全局渐近收敛于零。通过数值仿真与现有算法进行比较,实验结果表明所提出的算法提高了目标状态估计精度以及传感器机动轨迹控制精度。其次,基于多机测向定位改进了单机纯角度目标跟踪精度和无人机环航控制精度,通过数值仿真对比两种系统下的性能,验证了所提出算法的优越性。针对多无人机协同跟踪中通信量较大问题,研究了一种基于事件触发机制的多机测向交叉算法对目标状态进行估计的方法,在能够保障给定目标估计及无人机控制精度的情况下,达到节省多机跟踪系统通信资源的目的。最后,针对无人机室外自定位信息出现数据丢失或者不精确等不完全量测的情况,进一步考虑多无人机完成目标跟踪的可行性。通过结合单机估计与多机估计的优点,进一步研究了不完全量测下的目标估计问题,并通过数值仿真验证了算法的可行性。

关键词：纯角度多无人机系统事件触发卡尔曼滤波

基于UKF的双机协同纯角度目标定位路径规划

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飞行力学 2017年第2期35卷 35-38页

作者：牛俊妮蔡远利西安交通大学控制工程研究所陕西西安710049

针对三维空间双机协同定位问题,在无迹卡尔曼滤波的基础上,提出一种规划双机路径的方法。首先,利用双机探测得到的方位角和俯仰角信息,并结合无迹卡尔曼滤波算法估计目标的状态;在此基础上根据交互信息理论提出指标函数的概念,以指标函... 详细信息

针对三维空间双机协同定位问题,在无迹卡尔曼滤波的基础上,提出一种规划双机路径的方法。首先,利用双机探测得到的方位角和俯仰角信息,并结合无迹卡尔曼滤波算法估计目标的状态;在此基础上根据交互信息理论提出指标函数的概念,以指标函数最大为轨迹优化的最优性能指标,将问题转化为求双机控制量的最优解;最后,采用遗传算法求解双机的控制量,得到比较合理的双机飞行路径。仿真结果表明,通过最大化指标函数可以有效地规划双机路径,且具有更高的精度和速度。

关键词：双机协同交互信息路径规划遗传算法纯角度无迹卡尔曼滤波

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单无人机纯角度目标被动定位与跟踪问题研究

单无人机纯角度目标被动定位与跟踪问题研究

作者：吴芬南京理工大学

学位级别：硕士

目标被动跟踪无需自身发射电磁波,具有隐蔽性好、抗干扰能力强等特点,是未来战场目标跟踪的发展趋势。复杂高技术战争下,目标所在方向角度成为最可靠的参数之一,基于纯角度测量的目标被动跟踪技术被广泛研究。相比于多站交叉定位,单站... 详细信息

目标被动跟踪无需自身发射电磁波,具有隐蔽性好、抗干扰能力强等特点,是未来战场目标跟踪的发展趋势。复杂高技术战争下,目标所在方向角度成为最可靠的参数之一,基于纯角度测量的目标被动跟踪技术被广泛研究。相比于多站交叉定位,单站定位避免了时空配准和多站数据融合,灵活性强。本文就单无人机观测平台下纯角度目标被动定位跟踪研究中,距离缺失导致的目标跟踪系统不完全观测、目标定位困难、定位跟踪结果可能发散的问题,提出基于高程信息的目标定位理论以及无人机最优机动轨迹设计方法,保证目标状态参数解存在且唯一的同时,提高对目标定位跟踪精度。首先,为获取目标相对无人机的方向角度信息,利用相机捕捉被跟踪目标,通过视频图像处理、坐标变换,解算目标相对无人机的方向角。实验证明了角度解算理论的正确性,可为纯角度目标被动定位提供较为准确的角度信息。其次,针对纯角度目标距离缺失导致定位困难的难题,提出了将目标所在区域数字高程数据作为辅助信息,进行目标定位的思路。对于平面目标,可直接通过无人机与目标的几何态势实现目标定位,定位原理简要明确,同时不受目标运动形式的限制;对于起伏地形目标,提出沿视线角度方向梯度采样的方法,统计梯度点高度值与对应地形高程量差值,将差值绝对值曲线最低点对应的位置视为目标定位点。借助扩展卡尔曼滤波方法实现了对目标的跟踪和跟踪精度的提高。最后,为改善目标定位跟踪的精度和可能出现的发散问题,同时考虑到无人机机动方式对目标状态估计性能的影响,以Fisher信息矩阵行列式最大作为性能指标,设计了观测器当前时刻最优的"一步最优"机动策略,并给出左右两个最优轨线方程。结合高程信息,无人机在最优机动策略下对静止目标和运动目标表现出了更高的定位跟踪精度。仿真和实验测试验证了算法的有效性,滤波曲线保证了收敛的性能。

关键词：纯角度被动跟踪数字高程模型 Fisehr信息矩阵最优观测器轨迹

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多移动观测平台纯角度目标跟踪融合算法研究

多移动观测平台纯角度目标跟踪融合算法研究

作者：张梦甜南京理工大学

学位级别：硕士

纯角度目标跟踪,由于观测平台无需发射电磁波等信号,只需被动接收目标客观存在的辐射信息或者是目标对其它光源的反射能量,就可以定位并跟踪目标,因此成为国内外学者研究的热门课题。纯角度跟踪系统具备很强的隐蔽性和生存能力,而多移... 详细信息

纯角度目标跟踪,由于观测平台无需发射电磁波等信号,只需被动接收目标客观存在的辐射信息或者是目标对其它光源的反射能量,就可以定位并跟踪目标,因此成为国内外学者研究的热门课题。纯角度跟踪系统具备很强的隐蔽性和生存能力,而多移动观测平台纯角度目标跟踪系统更是具有搜索范围大、作用距离远和可靠性高等显著特点,特别适合于广阔海域和空域的监视。本论文对多移动观测平台纯角度目标跟踪融合算法进行了比较深入的研究,提出了一些新的思路和方法,所做工作及成果如下:(1)研究了三维空间中多观测平台纯角度目标跟踪的系统框架,建立了几种典型的目标运动模型和量测模型。基于所建立的系统模型,讨论了 Monte Carlo法,定义了均方根误差(RMSE)等常用的目标跟踪性能评估指标。(2)推导了三维空间多观测平台测向交叉定位最小二乘算法公式系,引入几何精度因子(GDOP)刻画定位精度,并给出了三维空间多观测平台目标定位的GDOP解析表达式。分别针对非机动目标和机动目标进行了交叉定位跟踪的仿真验证分析,绘制了GDOP分布图,结果表明,所提出的算法可以实现对目标的有效跟踪。(3)对比分析了扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)两种滤波算法的性能,提出了将平方根无迹卡尔曼滤波算法(SR-UKF)用于多观测平台纯角度融合跟踪系统。基于SR-UKF,提出了一种先量测融合、后航迹融合的分布式融合跟踪算法,相对EKF和UKF,该算法能适应跟踪精度和稳定性要求更高的目标跟踪系统,实验结果验证了该算法的有效性。(4)针对传感器网络观测系统,提出了一种基于最小GDOP的观测平台优化选择方法。该方法首先根据交叉定位得到的目标粗略位置,通过最小化GDOP,利用粒子群优化(PSO)算法快速搜索最优传感器组合,结合SR-UKF滤波算法解算出更精确的目标位置,并根据目标飞行轨迹的变化动态调整参与观测的传感器。理论分析和仿真实验验证了该方法的可行性和有效性,对大规模传感器网络目标跟踪系统中的传感器优化调度具有较强的适用性。(5)针对观测平台可移动的情况,提出了一种基于最小GDOP的观测平台机动策略。针对静止和运动目标,分别给出了可移动观测平台的机动策略。仿真结果表明,本论文提出的观测平台机动策略提高了目标跟踪系统的鲁棒性和稳定性。在海对空、空对空和路径约束下的地对空三种目标跟踪场景下,均能实现有效跟踪,且目标跟踪性能优于静止观测平台跟踪系统。

关键词：目标跟踪纯角度多移动观测平台传感器选择机动策略

基于纯角度目标定位的无人机环航跟踪系统研究

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基于纯角度目标定位的无人机环航跟踪系统研究

作者：桂欣颖南京理工大学

学位级别：硕士

纯角度目标定位方法是一种有效的被动跟踪策略,因为不需要对外发射信号,只需要获取观测平台与目标间的方位角信息就能对目标状态进行估计,所以具有隐蔽性强,抗干扰能力强等优势,近年来成为目标跟踪问题的研究热点。但由于角度量测与观... 详细信息

纯角度目标定位方法是一种有效的被动跟踪策略,因为不需要对外发射信号,只需要获取观测平台与目标间的方位角信息就能对目标状态进行估计,所以具有隐蔽性强,抗干扰能力强等优势,近年来成为目标跟踪问题的研究热点。但由于角度量测与观测平台和目标间的相对运动相关,目标运动状态有较大的随机性,因此纯角度目标定位方法中目标状态的可观测性以及估计精度都受到观测平台机动轨迹的影响。利用机载观测平台下,以目标为中心进行环绕机动并对目标进行跟踪,能够尽可能放大方位角变化率,一定程度上解决了纯角度目标定位方法的弱观测性。然而这种跟踪方式下如何实现对目标的快速定位、观测平台环航跟踪的效率提升以及跟踪中如何规避障碍物并保持对目标的跟踪而不间断又成为亟需研究的问题。为此本文以无人机为研究对象,提出了一种基于纯角度目标定位的无人机环航跟踪系统,提高了对目标状态的估计精度;分别讨论了无人机的最小飞行速率和最大环航半径的计算方法;提出一种改进的人工势场法路径规划,并将其用于无人机环航跟踪系统的避障问题。本文的主要工作如下:首先,针对已有的纯角度量测下的无人机环航跟踪系统中目标状态估计精度较低和控制策略收敛较慢的问题提出了目标状态估计策略和无人机环航控制策略。基于虚拟交叉定位方法提出一种结合Kalman滤波算法的目标状态估计策略,先通过目标估计策略获得对目标速度的粗略估计,使用这一速度估计解出无人机当前虚拟点位置,代入虚拟交叉定位算法获得对目标的位置估计,最终使用Kalman滤波算法获得对目标的无偏估计。通过分析无人机与目标间的相对运动特性,给出一种无人机环航控制策略,结合饱和控制,给出能使无人机快速收敛到期望轨迹的参数条件,并利用目标状态的无偏估计值进行同步修正,使环航半径控制误差渐近收敛于零。根据仿真实验可知,相较于已有的无人机环航跟踪系统,本文所提算法表现出更高的估计精度和更快的收敛速度。其次,为了降低无人机能耗,提高无人机的跟踪效率,分别提出了在给定环航半径下最小环航速率和在给定环航速率时最大环航半径的计算方法。分析了虚拟交叉定位算法中目标位置估计误差和方位角的量测误差对目标位置可观测性的影响,结合正态分布的性质,提出了最小环航速率和最大环航半径的计算方法,并对方位角变化量进行蒙特卡洛仿真实验,计算了在不同的条件下目标状态可观测的概率,仿真结果验证了所提理论的准确性。最后,为了使无人机在环航跟踪遇到障碍物时能切换机动轨迹进行避障,对人工势场法路径规划展开了研究。经典人工势场法规划路径容易陷入局部最小值的问题,结合模拟退火算法,提出一种改进后的路径规划算法。模拟退火算法以一定的概率接受恶化解,对周围环境随机试探,以摆脱局部最小值。对所获得的路径点进行优化,得到一条由直线段组成的优化路径,并将其用于控制无人机飞行。通过仿真实验可以得到无人机环航跟踪系统在切换至避障路径后能够保持对目标的跟踪。

关键词：无人机纯角度虚拟交叉定位路径规划

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基于纯角度的快速收敛无人机环航控制算法

电子设计工程 2021年第24期29卷 13-17页

作者：桂欣颖辛沙欧宋震林戚国庆南京理工大学自动化学院江苏南京210094

基于纯角度观测下的无人机环航跟踪系统因其隐蔽性强、跟踪效果好而得到广泛的应用。针对跟踪系统环航控制收敛速度较慢的问题,对单目标纯角度环航跟踪方法进行改进。通过结合无人机运动特性和饱和控制设计了一种能快速收敛的环航控制器... 详细信息

基于纯角度观测下的无人机环航跟踪系统因其隐蔽性强、跟踪效果好而得到广泛的应用。针对跟踪系统环航控制收敛速度较慢的问题,对单目标纯角度环航跟踪方法进行改进。通过结合无人机运动特性和饱和控制设计了一种能快速收敛的环航控制器,使用李雅普诺夫稳定性理论证明了控制器的渐近稳定性,根据饱和控制给出该控制策略下具有快速收敛性的控制器的参数应该满足的条件,通过与已有的环航控制器进行对比测试,验证了文中提出的环航控制器的快速收敛性。

关键词：无人机环航控制纯角度快速收敛

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基于纯角度信息的单站无源定位算法

电子技术与软件工程 2017年第10期 118-120页

作者：曹志亮汪晋任芹张直南京电子技术研究所江苏省南京市210039 中兴通讯股份有限公司南京研究所江苏省南京市210012

本文研究了在纯角度测量信息下地面干扰源的单站无源定位问题,给出了一种新的基于纯角度信息的非线性滤波无源定位算法。该算法首先利用载机初始位置和目标角度测量值,计算得到初步的目标状态值和状态协方差值,其次用这些信息来初始化... 详细信息

本文研究了在纯角度测量信息下地面干扰源的单站无源定位问题,给出了一种新的基于纯角度信息的非线性滤波无源定位算法。该算法首先利用载机初始位置和目标角度测量值,计算得到初步的目标状态值和状态协方差值,其次用这些信息来初始化扩展卡尔曼滤波器,最后运用扩展卡尔曼滤波器进行非线性滤波,得到高精度的目标定位结果。经过仿真结果分析,该算法具有收敛速度快、定位精度高的特点,能够较好的满足工程实际的应用要求。

关键词：纯角度无源定位非线性滤波器