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A non-myopic scheduling method of radar sensors for maneuvering target tracking and radiation control

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Defence Technology（防务技术） 2020年第1期16卷 242-250页

作者： Gan-lin Shan Gong-guo Xu Cheng-lin Qiao Department of Electronic and Optical Engineering Army Engineering UniversityShijiazhuang 050003China

In decades,the battlefield environment is becoming more and more complex with plenty of electronic ***,in order to improve the survivability of radar sensors and satisfy the requirement of maneuvering target tracking with a low probability of intercept,a non-myopic scheduling is proposed to minimize the radiation cost with tracking accuracy *** first,the scheduling problem is formulated as a partially observable Markov decision process(POMDP).Then the tracking accuracy and radiation cost over the future finite time horizon are predicted by the posterior carmer-rao lower bound(pcrlb) and the hidden Markov model filter,***,the proposed scheduling is implemented efficiently by utilizing the branch and bound(B&B) pruning *** results show that the performance of maneuvering target tracking was improved by the improved interacting multiple model(IMM),and the scheduler time and maximum memory consumption were significant reduced by the present B&B pruning algorithm without losing the optimal solution.

关键词： Non-myopic scheduling Radiation control pcrlb POMDP Branch and bound

Posterior Cramer-Rao lower bounds for bearing-only tracking

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Journal of Systems Engineering and Electronics 2008年第1期19卷 27-32页

作者： Guo Lei Tang Bin Liu Gang School of Physical Electronics of Univ. of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054 P. R. China National Key Laboratory of Information Integrated Control Chengdu 610036 P. R. China

In the state estimation of passive tracking systems, the traditional approximate expression for the Cramero-Rao lower bound （CRLB） does not take two factors into consideration, that is, measurement origin uncertainty aad state noise. Such treatment is only valid in ideal situation but it is not feasible in actual situation. In this article, considering the two factors, the posterior Cramer-Rao lower bound （pcrlb） recursion expression for the error of bearing-only tracking is derived. Then, further analysis is carried out on the pcrlb. According to the final result, there are four main parameters that play a role in the performance of the pcrlb, that is, measurement noise, detection probability, state noise and clutter density, amongst which the first two have greater impact on the performance of the pcrlb than the others.

关键词： electronic warfare target passive tracking pcrlb target state estimation

Performance bounds of extended target tracking in cluttered environments

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Science China(Information Sciences) 2013年第7期56卷 118-129页

作者： MENG HuaDong ZHONG ZhiWen WANG XiQin Department of Electronic Engineering Tsinghua University

In this paper, we consider the problem of the performance bound of a nonlinear filtering problem corresponding to tracking an extended target in cluttered environments (i.e., with false alarms and missed detections). The high resolution sensor obtains the measurements of the position and the extent of the extended target whose shape is modeled by an ellipse. The posterior Cramer-Rao lower bound (pcrlb) provides a useful tool to evaluate the best achievable performance of the nonlinear filtering problem. The bounds of the traditional kinematic state estimation are calculated using the point and the extended target model. It is shown in this paper that the bound of extended target tracking is smaller than that of point model because more information is utilized. The bounds are calculated to examine the influence of the measuring accuracy, the geometry between the sensor and the target, the prior knowledge of the target, and the environmental circumstance. In a cluttered environment, the pcrlb is calculated by IRF (information reduction factor), MSC (measurement sequence conditioning), and MESC (measurement existence sequence conditioning) approaches. The simulation results also illustrate the relationship of the three methods.

关键词： pcrlb extended target extended target tracking tracking performance bound nonlinear filtering elliptical target model

A Sensor Selection Algorithm with Improved Accuracy Constraint for Maneuvering Target Tracking

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A Sensor Selection Algorithm with Improved Accuracy Constrai...

第37届中国控制会议

作者： Chenglin Qiao Yuantao Yu Ganlin Shan Xiusheng Duan Binbin Fan Yi Miao Ce Pang Shijiazhuang Campus Army Engineering University School of Automation Beijing Institute of Technology Institute of Information and Communication National University of Defense technology 73903 Army of PLA

To control the sensor system radiation risk and satisfy the maneuvering target tracking requirement, a sensor selection algorithm with improved accuracy constraint for maneuvering target tracking is proposed. Firstly, the posterior Cramr-Rao lower bound（pcrlb） is utilized to assess the tracking performance. Then multiple model pcrlb is presented to calculate the pcrlb of maneuvering target. Secondly, tracking accuracy is treated in a probabilistic manner in the improved accuracy constraint. Then the improved accuracy constraint can be converted to a deterministic constraint by the given desired tracking accuracy and probability. Finally, as the active sensor obtain the target measurement by emitting energy that can betray their existence and location, radiation control policy is presented to minimize the times of active sensor selection. Simulation results prove the effectiveness of the proposed algorithm.

关键词： Sensor Selection Radiation Risk Maneuvering Target Tracking pcrlb Improved Accuracy Constraint

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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协同压制雷达系统的稳健资源分配方法

电子测量技术 2023年第13期46卷 52-58页

作者：厉俊张睿智沈晓峰电子科技大学信息与通信工程学院成都611731

针对多站雷达系统部分参数只能通过参数估计获得,受限于参数估计的精度而造成的协同干扰性能下降的问题,提出了一种多干扰机联合干扰波束和发射功率的稳健资源分配方法。首先,采用多个目标在干扰环境中pcrlb的总和作为干扰性能的指标;然... 详细信息

针对多站雷达系统部分参数只能通过参数估计获得,受限于参数估计的精度而造成的协同干扰性能下降的问题,提出了一种多干扰机联合干扰波束和发射功率的稳健资源分配方法。首先,采用多个目标在干扰环境中pcrlb的总和作为干扰性能的指标;然后,基于干扰信号模型、压制干扰环境下的雷达回波信号模型以及干扰支援编队的几何位置,将雷达系统参数估计的不确定性所导致的泛化误差与干扰波束和发射功率相结合,建立带有干扰资源约束条件的稳健资源分配方法;最后,考虑到资源参数的耦合性,采用基于遗传算法的两步分解方法对其进行求解。仿真结果表明,本文提出的稳健资源分配方法能有效降低雷达系统对多目标的跟踪性能,提高了多干扰机对雷达系统的协同干扰能力。

关键词：协同干扰稳健资源分配 pcrlb 遗传算法

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多飞行器协同突防策略设计

多飞行器协同突防策略设计

作者：武林哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

针对多飞行器突防策略设计问题,本文研究的主要突防对象为敌方航母编队,航母编队具备响应迅速、精准打击的反导系统,如果要实现对航母编队的攻击,就必须能够突破航母编队的防御系统。对于航母编队的中远防区,飞行器突防面临的主要难题... 详细信息

针对多飞行器突防策略设计问题,本文研究的主要突防对象为敌方航母编队,航母编队具备响应迅速、精准打击的反导系统,如果要实现对航母编队的攻击,就必须能够突破航母编队的防御系统。对于航母编队的中远防区,飞行器突防面临的主要难题如何突破航母编队预警机的搜索,当飞行器被预警机探测到之后,将遭受到航母编队反导系统的精准打击,卫星的特点并不支持我们获得预警机的实时位置,因此在这种情况下,如果要实现对航母编队防区的突防,单飞行器基本是无法完成的,这样一来通过设计多飞行器的协同突防策略就具有重要的研究意义。针对多飞行器对航母编队防御系统的突防问题,本文主要对多波次打击进行研究,通过前一波次的飞行器实现协同探测确定预警机的所在位置,建立突防威胁区,在此基础上对后面发射的飞行器进行航迹规划,最终实现对敌方的突防。在针对航母编队中远防区突防的整个过程中需要考虑协同探测、多飞行器构型控制以及航迹规划等问题。综上所述,本文对以下几个方面进行了深入研究:首先,针对预警机的定位问题,对多飞行器协同探测问题进行数学建模,通过到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)基本原理进行描述,结合最大似然估计及最小二乘法对定位精度进行分析,推导该数学模型下的克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB),为多飞行器对预警机的定位跟踪问题提供误差校对标准。针对多飞行器对预警机进行跟踪问题,本文结合TDOA技术和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)跟踪算法,通过多飞行器协同探测获取预警机位置,将距离差信息作为观测值融入滤波算法,实现对预警机位置和速度的跟踪。然后,针对跟踪问题估计方法,为了提高估计精度,减少估计的不确定性,结合后验克拉美罗下界(Posterior Cramer-Rao Lower Bound,pcrlb),利用其与Fisher信息矩阵的互逆关系,将Fisher信息矩阵作为目标函数,优化设计探测组飞行器探测航迹构型。最后,针对多飞行器突防航迹规划问题,考虑预警机巡逻区约束,通过结合一致性理论和人工势场法设计领从模式下的多飞行器编队控制方法,实现整体编队对禁飞区的躲避,解决多飞行器的航迹规划问题。

关键词：多飞行器协同突防预警机定位跟踪 pcrlb 航迹规划

面向目标跟踪的WSN节点规划和信息融合技术研究

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面向目标跟踪的WSN节点规划和信息融合技术研究

作者：胡钧南京邮电大学

学位级别：硕士

嵌入式系统、信息处理、无线通信技术的进步推动了无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的快速发展和广泛应用。无线传感器网络实现了物理世界与以互联网为代表的信息世界的互连,使得人们可以随时随地获取感兴趣的信息。基于WS... 详细信息

嵌入式系统、信息处理、无线通信技术的进步推动了无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的快速发展和广泛应用。无线传感器网络实现了物理世界与以互联网为代表的信息世界的互连,使得人们可以随时随地获取感兴趣的信息。基于WSN的目标跟踪,由于低成本、高冗余、网络扩展性强等特性,在军事和民用领域得到了广泛地关注,也因此取得了飞速的发展。本文的研究工作围绕无线传感器网络执行目标跟踪时的节点规划和信息融合而展开,针对提高跟踪精度和降低网络能耗,提出了一些具有理论意义和实际应用价值的算法。论文的主要研究内容如下:不同传感器节点对目标状态估计的贡献程度不一样,同一传感器节点作为簇首和普通任务节点的贡献程度也不一样,因此有必要规划节点的参与方式,以提高系统的跟踪性能。针对簇首使用自身的测量数据和普通任务节点量化后的测量数据进行信息融合的场景,提出了一种基于pcrlb(Posterior Cramer-Rao Lower Bound)的节点规划,当前簇首通过计算候选节点中所有任务节点组合所对应的pcrlb,以此确定下一时刻的簇首和普通任务节点,同时设计了相应地粒子滤波算法来估计目标状态的跟踪算法。实验结果表明,与基于KL(Kullback-Leibler)距离的节点规划算法、簇首和普通任务节点随机选择算法相比,本文提出的算法能够达到更好的跟踪性能。当信道环境不理想时,无线传感器网络的目标定位和跟踪误差主要来源于多径效应和非视距传输。此时传统的定位方法因为测量误差很大而导致定位效果不理想,因此本文将机器学习框架嵌入到目标跟踪中,不再把RSSI(Received Signal Strength Indicator)当作距离的度量,提出了使用LS-SVM(Least Square-Support Vector Machine)直接建立RSSI测量序列与目标位置的函数关系,由于目标运动具有时间相关性,可以使用卡尔曼滤波对初估计进行修正。仿真结果表明,本文提出的算法相比传统的极大似然估计定位方法能表现出更好的性能,并且经过卡尔曼滤波后精度也有了明显的提升。但在实际的WSN目标跟踪应用场景中,受网络能耗、跟踪时延和通信带宽限制,融合中心收到的是传感器节点量化后的测量数据。而且当传感器节点测量数据范围很大时,直接量化误差会很大。本文针对此场景提出了一种量化策略。先对数据预处理以缩小测量数据的范围,再采用测量数据的量化比特数由其贡献程度决定的方案以提高测量信息的收益。实验结果表明,该量化方案性能优于均匀量化方案,并且在信道环境较差时,与使用原始测量数据时的跟踪性能接近。

关键词：无线传感器网络目标跟踪节点规划 pcrlb 粒子滤波最小二乘支持向量机量化数据

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非规则外形扩展目标检测与跟踪算法研究

非规则外形扩展目标检测与跟踪算法研究

作者：李明晏电子科技大学

学位级别：硕士

随着传感器的分辨率越来越高,扩展目标随之出现,对扩展目标检测和跟踪成为了研究热点。与传统的点目标不同,扩展目标目标占据多个传感器分辨单元,并产生多个量测。对于非规则的扩展目标外形估计,可将其建模成星凸型,通过未知有限的半径... 详细信息

随着传感器的分辨率越来越高,扩展目标随之出现,对扩展目标检测和跟踪成为了研究热点。与传统的点目标不同,扩展目标目标占据多个传感器分辨单元,并产生多个量测。对于非规则的扩展目标外形估计,可将其建模成星凸型,通过未知有限的半径函数参数化表征目标外形,并同时对目标运动状态和外形进行估计。在星凸模型的框架中,高斯过程(Gaussian Process,GP)方法在空间域表示半径函数。在扩展目标跟踪中使用GP的优点是它足够灵活,可以用分析表示来表示各种形状。其并保持目标未观测部分的不确定性,是当前的一个研究重点。在高分辨率雷达场景下的扩展目标检测和跟踪中,多个量测源于同个目标。最大似然概率多假设跟踪(Maximum Likelihood Probabilistic Multi-Hypothesis Tracker,ML-PMHT)算法和PMHT算法分别是基于滑窗法实现的多目标检测和跟踪算法。在PMHT框架下,量测与目标关联相互独立,允许多个量测与目标关联。避免了传统算法指数级增长的复杂度。在扩展目标检测和跟踪场景下具有更突出的性能。因此,本文主要开展基于GP模型下目标检测算法(GP-ML-PMHT)和目标跟踪算法(GP-PMHT)的研究。其主要内容为:1、研究了主要的扩展目标模型框架。重点研究了扩展目标外形的GP模型。基于目标运动和外形状态的扩展模型,联合估计目标运动和外形。2、研究了PMHT算法及其扩展形式:引入时变泊松速率的PMHT算法。PMHT允许多个量测关联一个目标,易于扩展,计算复杂度与目标和量测个数呈线性增长,适合于扩展目标跟踪的场景。PMHT引入的泊松参数能体现目标的航迹质量,可作为航迹管理的指标参数。3、研究了基于ML-PMHT算法的扩展目标检测。推导出了GP框架下扩展目标的对数似然比(Log-Likelihood Ratio,LLR),并介绍了搜索优化以及检测门限的整体流程。4、针对于杂波场景下的多扩展目标跟踪问题,提出了一种在GP模型框架下的多扩展目标PMHT跟踪算法(The Extended Target Gaussian Process PMHT,ET-GP-PMHT)。该算法根据动态的泊松速率估计扩展目标外形点个数,可适应扩展目标的外形变化,并能同时无缝跟踪多个扩展目标和点目标。最后推导出了该算法的后验克拉美罗下限(Posterior Cramer-Rao lower bound,pcrlb)。并通过仿真对比,验证了ET-GP-PMHT算法跟踪扩展目标和点目标的有效性。

关键词：扩展目标目标检测目标跟踪 PMHT ML-PMHT pcrlb

基于网络代价的雷达组网系统多目标跟踪资源管控技术

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基于网络代价的雷达组网系统多目标跟踪资源管控技术

作者：蒋歆玥电子科技大学

学位级别：硕士

组网雷达系统是由空间广域分布的各种雷达以“网”的形式组织形成的一类新体制雷达系统,其利用现代组网技术协同多部分散的雷达节点共同工作从而形成一个有机整体。组网雷达的结构特点使其具有空间复用性与系统稳健性等多项优势,但同时... 详细信息

组网雷达系统是由空间广域分布的各种雷达以“网”的形式组织形成的一类新体制雷达系统,其利用现代组网技术协同多部分散的雷达节点共同工作从而形成一个有机整体。组网雷达的结构特点使其具有空间复用性与系统稳健性等多项优势,但同时导致其探测性能严重依赖于系统对各节点的资源配置,在系统可用资源总量有限的情况下,如何针对作战任务需求和战场态势变化,实时优化调整资源调度是组网雷达系统需要解决的一大问题。对此,资源管控技术通过研究雷达系统的最优资源调度问题,实时更新各节点的资源分配方案,达到发挥系统最大潜能,提升系统整体探测性能的效果,因此该技术是组网雷达乃至整个雷达领域的一项关键技术和研究热点。本文基于多目标跟踪中的组网雷达资源管控问题,研究了组网雷达资源管控方法及优化理论,提出了一些有效的节点资源管控管控算法,主要工作内容如下:1.围绕组网雷达系统资源管控问题,建立了资源管控算法的广义模型,研究了目标跟踪滤波算法的基本原理并介绍了后验克拉美罗下界(pcrlb)作为跟踪精度度量。针对目标跟踪任务建立了组网雷达系统资源管控算法闭环框架,通过对目标跟踪任务下的功率资源分配进行仿真实验,验证了跟踪系统与管控算法框架的可行性,为之后的多目标跟踪资源管控算法研究奠定了基础。2.针对分布式融合结构下组网雷达节点资源管控问题,通过提取雷达节点的特征属性建立节点代价模型,推导了带有资源变量的pcrlb作为跟踪精度指标,以满足各目标跟踪精度要求为约束建立了数学优化问题,提出了一种基于目标优先级的启发式算法用于求解该高维数学优化问题,仿真验证了提出的资源管控方法在保证一定跟踪精度前提下降低节点代价的有效性。3.针对混合式融合结构下组网雷达节点资源管控问题,基于多目标跟踪任务建立了网络分簇结构,分析通信传输过程影响因素并以此建立了通信代价模型,联合节点代价和通信代价对组网雷达系统的网络代价进行建模。在满足目标跟踪精度要求的前提下,以最小化网络代价为目标函数建立了数学优化问题,提出了一种基于凸松弛的两步求解算法得到了节点和簇首选择结果,在保证目标跟踪精度的同时降低了系统通信传输代价,实现了节点资源的灵活调度。上述所提算法及对应求解方法均通过仿真实验验证了其可行性及有效性。

关键词：雷达资源管控组网雷达多目标跟踪节点选择 pcrlb