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基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析

赵俊浩 马晖 王明洲 张俊 曹浩

赵俊浩, 马晖, 王明洲, 等. 基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 1-6 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171
引用本文: 赵俊浩, 马晖, 王明洲, 等. 基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 1-6 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171
ZHAO Junhao, MA Hui, WANG Mingzhou, ZHANG Jun, CAO Hao. Underwater High-speed Target short-time Target Motion Analysis Based on Pseudolinear Kalman filter[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171
Citation: ZHAO Junhao, MA Hui, WANG Mingzhou, ZHANG Jun, CAO Hao. Underwater High-speed Target short-time Target Motion Analysis Based on Pseudolinear Kalman filter[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171

基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171
详细信息
    作者简介:

    赵俊浩(2001-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为数学建模与仿真

  • 中图分类号: TP242.6; TB56

Underwater High-speed Target short-time Target Motion Analysis Based on Pseudolinear Kalman filter

  • 摘要: 针对水下高速动目标探测过程中主动探测周期长、数据不连续, 被动探测无法获得目标距离及难以快速进行目标运动要素有效解算的问题, 提出了基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析方法。该方法仅在探测初始时使用一次主动探测, 是一种水平面内的以被动为主、主动为辅的被动目标运动分析(TMA)方法。文中建立了数学模型并给出迭代方程, 基于目标在大部分观测时间内均保持匀速运动的先验假设, 在目标匀速运动条件下进行仿真分析, 使用Monte-Carlo方法计算了预测轨迹的均方根误差。仿真实验结果表明, 该方法相较于纯被动探测下的纯方位TMA方法误差更小, 且能够在短时间内实现对目标运动要素解算收敛, 收敛时间不大于10 s。

     

  • 图  1  单次仿真轨迹图

    Figure  1.  Single simulation trajectory

    图  2  预测轨迹平均误差曲线对比图

    Figure  2.  Comparison chart of predicted trajectory average error curves

    图  3  初始航向预测误差对收敛性的影响

    Figure  3.  The effect of the initial heading prediction error on convergence

    表  1  算法框架

    Table  1.   Algorithmic framework

    算法1: 基于PLKF的水下高速动目标短时运动分析方法
    输入: 观测站航行轨迹${{\boldsymbol{X}}_{\text{a}}}$, 船舶航行轨迹${{\boldsymbol{S}}_{k}} = \left( {{x_{\text{s}}}\left( k \right), {y_{\text{s}}}\left( k \right)} \right)$, 主动探测得到的目标初始位置坐标$\left( {{{\hat x}_{\text{t}}}\left( 0 \right), {{\hat y}_{\text{t}}}\left( 0 \right)} \right)$, 目标航速大小经验值范围$\left( {{v_{{\text{t}}, {\text{min}}}}, {v_{{\text{t}}, {\text{max}}}}} \right)$仿真周期总个数$N$, 观测站被动探测目标的观测矢量${{\boldsymbol{Z}}_k} = {{{\tilde {\boldsymbol{\theta}} }}_k}$。输入初始误差协方差矩阵${\boldsymbol{P}}_0^{{\text{pre}}}$, 策动噪声协方差矩阵${{\boldsymbol{Q}}_k}$, 量测噪声协方差矩阵${{\boldsymbol{V}}_k}$。输入状态转移矩阵${\boldsymbol{A}}$。
    输出: 目标的预测轨迹${\hat {\boldsymbol{X}}_{{\text{t}}, k}}$其中$k = 1, 2, \cdots, N$
    1. 估计目标的初始航向
       ${\psi _{{\text{t}}, 0}} = {\text{arctan}}\left( {\dfrac{{{y_{\text{s}}}\left( 0 \right) - {{\hat y}_{\text{t}}}\left( 0 \right)}}{{{x_{\text{s}}}\left( 0 \right) - {{\hat x}_{\text{t}}}\left( 0 \right)}}} \right)$
    2. 估计目标航速$ {v}_{\text{t}} \in \left({v}_{\text{t, min}}, {v}_{\text{t, max}}\right) $
    3. 估计目标初始状态向量
       ${\boldsymbol{X}}_0^{{\text{pre}}} = {\left[ {{{\hat x}_{\text{t}}}\left( 0 \right), {{\hat y}_{\text{t}}}\left( 0 \right), {v_{\text{t}}}{\text{sin}}\left( {{\psi _{{\text{t}}, 0}}} \right), {v_{\text{t}}}{\text{cos}}\left( {{\psi _{{\text{t}}, 0}}} \right)} \right]^{\text{T}}}$
    4. 计算新的观测矢量$ {{\boldsymbol{Z}}}_{k}\leftarrow {{\boldsymbol{u}}}_{k}^{\text{T}}{{\boldsymbol{S}}}_{k}, k=1, 2, \cdots , N $
    5. for k = 2 to N do
    6. 计算最佳增益矩阵
       ${{\boldsymbol{K}}_k} \leftarrow {\boldsymbol{P}}_k^{{\text{pre}}}{{\boldsymbol{u}}_k}{{\boldsymbol{M}}^{\text{T}}}\left( {{\boldsymbol{u}}_k^{\text{T}}{\boldsymbol{MP}}_k^{{\text{pre}}}{{\boldsymbol{u}}_k}{{\boldsymbol{M}}^{\text{T}}} + {V_k}} \right)$
    7. 估计目标状态矢量
       ${\hat {\boldsymbol{X}}_{\text{t}}}k \leftarrow {\boldsymbol{X}}_k^{{\text{pre}}} + {{\boldsymbol{K}}_k}\left( {{\boldsymbol{Z}}_k^{'} - {\boldsymbol{u}}_k^{\text{T}}{\boldsymbol{M}}{\boldsymbol{X}}_k^{{\text{pre}}}} \right)$
    8. 估计误差协方差矩阵
       ${{\boldsymbol{P}}_k} \leftarrow \left( {{\boldsymbol{I}} - {{\boldsymbol{K}}_k}{{\boldsymbol{u}}_k}{{\boldsymbol{M}}^{\text{T}}}} \right){\boldsymbol{P}}_k^{{\text{pre}}}$
    9. 计算下一轮迭代的目标状态矢量先验估计
       ${\boldsymbol{X}}_{k + 1}^{{\text{pre}}} \leftarrow A{\hat {\boldsymbol{X}}_k}$
    10. 计算下一轮迭代的误差协方差矩阵先验估计
       ${\boldsymbol{P}}_{k + 1}^{{\text{pre}}} \leftarrow {\boldsymbol{AP}}_k^{{\text{pre}}}{{\boldsymbol{A}}^{\text{T}}} + {{\boldsymbol{Q}}_k}$
    11. return ${\hat {\boldsymbol{X}}_{\text{t}}}$
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真参数表

    Table  2.   Table of simulation parameters

    参数 大小
    目标航速 25 m/s
    观测站航速 25 m/s
    目标初始位置 (500 m, 600 m)
    观测站初始位置 (0 m, 0 m)
    目标初始航向 正西南(135°)
    观测站初始航向中心 正东北(−45°)
    观测站机动扇面角 $ \pm {15^ \circ }$
    观测站被动探测采样周期 0.1 s
    单次仿真时间 10 s
    距离观测误差 2.5 %
    角度观测误差 ${3^ \circ }$
    速度大小估计误差 $ \pm 10{\text{% }}$
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-18
  • 修回日期:  2025-02-10
  • 录用日期:  2025-02-17
  • 网络出版日期:  2025-07-08

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