兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 3998-4010.doi: 10.12382/bgxb.2024.0182
刘增力1, 张文1, 曹奇宏2, 赵宣植1,*(), 刘康3, 曾赛4
收稿日期:
2024-03-12
上线日期:
2024-11-26
通讯作者:
基金资助:
LIU Zengli1, ZHANG Wen1, CAO Qihong2, ZHAO Xuanzhi1,*(), LIU Kang3, ZENG Sai4
Received:
2024-03-12
Online:
2024-11-26
摘要:
雷达及声呐系统采集的三维球坐标量测与运动目标的笛卡尔坐标状态呈非线性,导致跟踪精度受限,而具有强非线性的多普勒量测更难以高效利用。针对上述问题,构造由距离、俯仰角、方位角及其微分组成的状态向量,使测量方程线性化;在距离、俯仰角构成二维时变极坐标系中对常微分动力学方程离散化,再基于投影关系引入方位角,建立球坐标系中的典型三维常速度和常加速度运动模型;结合标准卡尔曼滤波在线性高斯框架下,实现跟踪以避免非线性误差。通过仿真验证了在包括多普勒雷达等若干三维跟踪场景下提出方法的有效性与性能优势。
中图分类号:
刘增力, 张文, 曹奇宏, 赵宣植, 刘康, 曾赛. 面向三维目标跟踪的状态转换卡尔曼滤波方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 3998-4010.
LIU Zengli, ZHANG Wen, CAO Qihong, ZHAO Xuanzhi, LIU Kang, ZENG Sai. Converted State Equation Kalman Filter for Three-dimensional Target Tracking[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(11): 3998-4010.
雷达参数 | 三坐标雷达 | 多普勒雷达 |
---|---|---|
σr/m | 50 | 50 |
σϕ(°) | 0.4 | 0.4 |
σθ(°) | 0.5 | 0.5 |
/(m·s-1) | 0.5 | |
相关系数ρ | 0.6 |
表1 仿真图中的雷达观测参数
Table 1 Parameters of radar measurements in the simulation diagram
雷达参数 | 三坐标雷达 | 多普勒雷达 |
---|---|---|
σr/m | 50 | 50 |
σϕ(°) | 0.4 | 0.4 |
σθ(°) | 0.5 | 0.5 |
/(m·s-1) | 0.5 | |
相关系数ρ | 0.6 |
雷达参数 | 方法 | CV位置 RMSEs | CV速度 RMSEs | CA位置 RMSEs | CA速度 RMSEs |
---|---|---|---|---|---|
σr=20m | EKF | 49.5510 | 1.5707 | 50.2996 | 1.5158 |
σθ=0.25/(°) | UKF | 26.2767 | 1.4255 | 26.8038 | 1.2938 |
σϕ=0.2/(°) | DUCMKF | 25.9613 | 1.4255 | 26.7194 | 1.3371 |
3DCSKF | 22.2401 | 1.2559 | 20.9610 | 1.0916 | |
σr=80m | EKF | 67.5251 | 2.0311 | 68.4591 | 1.8785 |
σθ=0.8/(°) | UKF | 55.2284 | 1.9414 | 53.0092 | 1.6435 |
σϕ=0.65/(°) | DUCMKF | 55.7659 | 1.9151 | 53.2348 | 1.7252 |
3DCSKF | 43.0970 | 1.6944 | 39.3281 | 1.5980 |
表2 不同雷达观测参数下的性能对比
Table 2 Performance comparison of different algorithms under different radar measurement parameters
雷达参数 | 方法 | CV位置 RMSEs | CV速度 RMSEs | CA位置 RMSEs | CA速度 RMSEs |
---|---|---|---|---|---|
σr=20m | EKF | 49.5510 | 1.5707 | 50.2996 | 1.5158 |
σθ=0.25/(°) | UKF | 26.2767 | 1.4255 | 26.8038 | 1.2938 |
σϕ=0.2/(°) | DUCMKF | 25.9613 | 1.4255 | 26.7194 | 1.3371 |
3DCSKF | 22.2401 | 1.2559 | 20.9610 | 1.0916 | |
σr=80m | EKF | 67.5251 | 2.0311 | 68.4591 | 1.8785 |
σθ=0.8/(°) | UKF | 55.2284 | 1.9414 | 53.0092 | 1.6435 |
σϕ=0.65/(°) | DUCMKF | 55.7659 | 1.9151 | 53.2348 | 1.7252 |
3DCSKF | 43.0970 | 1.6944 | 39.3281 | 1.5980 |
雷达参数 | 方法 | CV位置 RMSEs | CV速度 RMSEs | CA位置 RMSEs | CA速度 RMSEs |
---|---|---|---|---|---|
σr=25m | EKF | 25.4976 | 1.1758 | 25.8386 | 1.1334 |
σθ=0.25/(°) | UKF | 24.7819 | 1.1366 | 25.7960 | 1.1424 |
σϕ=0.2/(°) | DUCMKF | 25.2530 | 1.1267 | 25.4917 | 1.1272 |
=0.2m/s | 3DCSKF | 19.1871 | 0.7401 | 20.5462 | 0.7712 |
ρ=0.2 | |||||
σr=80m | EKF | 55.6626 | 1.4727 | 54.5091 | 1.4931 |
σθ=0.8/(°) | UKF | 52.8558 | 1.3891 | 52.4822 | 1.4327 |
σϕ=0.65/(°) | DUCMKF | 52.3959 | 1.3463 | 53.1714 | 1.3913 |
=1m/s | 3DCSKF | 36.4882 | 0.9053 | 37.7613 | 0.9677 |
ρ=0.9 |
表3 不同多普勒雷达观测参数下的性能对比
Table 3 Performance comparison of different algorithms with different Doppler radar measurement parameters
雷达参数 | 方法 | CV位置 RMSEs | CV速度 RMSEs | CA位置 RMSEs | CA速度 RMSEs |
---|---|---|---|---|---|
σr=25m | EKF | 25.4976 | 1.1758 | 25.8386 | 1.1334 |
σθ=0.25/(°) | UKF | 24.7819 | 1.1366 | 25.7960 | 1.1424 |
σϕ=0.2/(°) | DUCMKF | 25.2530 | 1.1267 | 25.4917 | 1.1272 |
=0.2m/s | 3DCSKF | 19.1871 | 0.7401 | 20.5462 | 0.7712 |
ρ=0.2 | |||||
σr=80m | EKF | 55.6626 | 1.4727 | 54.5091 | 1.4931 |
σθ=0.8/(°) | UKF | 52.8558 | 1.3891 | 52.4822 | 1.4327 |
σϕ=0.65/(°) | DUCMKF | 52.3959 | 1.3463 | 53.1714 | 1.3913 |
=1m/s | 3DCSKF | 36.4882 | 0.9053 | 37.7613 | 0.9677 |
ρ=0.9 |
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