1.杂波情况下基于幅值信息的接收站路径优化方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1:建立了二维空间中的一个接收站、一个外辐射源的无源协同定位系统的数学模型;
考虑合作外辐射源的双基站PCL系统,包含一个接收站和一个外辐射源,记第k帧的状态为 x表示x轴方向的位置,表示x轴方向的速度,y表示y轴方向的位置,表示y轴方向的速度;辐射源在第k帧的状态为 接收站在第k帧的状态为
假设在测量时间内,目标做近似匀速直线运动:Xk+1=FkXk+vk (1)
其中Fk为目标的状态转移矩阵,vk为目标的过程噪声,假设其服从vk~N(0,Qk)的高斯白噪声分布,Qk为目标过程噪声的协方差矩阵;
在考虑杂波情况下,做如下假设:1)不同帧之间的测量相互独立;2)每帧的测量集中最多包含一个源于目标的测量,检测概率为Pd,其余测量为杂波;3)杂波在测量空间内服从均匀分布,杂波个数服从参数为λ的泊松分布; 表示表示目标测量向量和幅值的增广矩阵,见公式(2);
其中目标第k帧的量测zk>τ,τ代表阈值,幅值ak代表来自探测器测量的强度,T表示矩阵的转置;
设置以目标的预测测量 为中心的跟踪门,以选择要与目标概率关联的有效测量集;
跟踪门为:
其中 代表测量协方差矩阵,g代表跟踪门参数,在k帧有效测量为:其中mk表示第k帧有效测量的个数, 表示第k帧落入跟踪门的第l个有效测量;
zk的第l个测量的测量方程:
其中 代表目标第l个无噪测量,wk代表第k帧目标的测量噪声,假设其服从wk~N(0,Rk)的高斯白噪声分布,其中 和 分别表示双基站距离和多普勒的误差、方差;则 如下:
其中rk,γk分别表示第k帧双基站距离和多普勒,dr,k,dt,k和dtr,k分别表示在第k帧目标到接收站的距离,目标到辐射源的距离和接收站到辐射源的距离;||·||表示欧几里得范数, 和 分别表示在第k帧目标,接收站和辐射源的位置; 和 表分别表示在第k帧目标,接收站和辐射源的速度;其中:
步骤2:目标状态预测,建立路径优化模型并求解:
2.1目标状态的预测和协方差矩阵预测;
其中 表示第k帧目标状态的估计, 表示从第k帧第k+1帧的目标状态的预测,Hk+1表示雅可比矩阵,Pp,k+1表示第k+1帧协方差矩阵预测,Pk表示第k帧协方差估计;
2.2 PCRLB计算
PCRLB定义了费雪(Fisher Information Matrix,FIM)信息矩阵的逆,给出目标状态估计误差协方差一个下界;费雪信息矩阵为J,PCRLB如下:初始化J0=P0,Jz,k+1是测量对PCRLB的贡献,其为:其中Hk+1是雅可比矩阵,q2,k+1(Pd,g,λvg)表示信息缩放因子,如下所示:其中Pd表示检测概率,g为跟踪门参数,vg表示半径为g的超球的容积,mk+1表示杂波的个数,杂波个数服从参数为λ的泊松分布,ρ表示积分变量;
2.3建立优化模型:
以目标PCRLB的迹为目标函数,假定接收站在量测采样的间隔内具有恒定的切向加速度atk和恒定的法向加速度ank;
目标函数如下:
必须满足以下运动约束:
an_min≤ank (20)
an_max≥ank (21)
式中,Vr,min和Vr,max分别表示接收站所能达到最小和最大速度,Vr,k表示第k帧接收站的速度;atk_min和atk_max表示第k帧接收站所能达到最小和最大沿轨加速度,an_min和an_max表示接收站所能达到最小和最大法向加速度;ΔT为采样时间间隔;选择两个坐标系方向的加速度ax,k,ay,k作为决策变量,可以对速度和位置直接计算,如果取Y方向为正方向则atk、ank分别与ax,k,ay,k的关系如下:atk=(Vr,k,x×ax,k+Vr,k,y×ay,k)/Vr,k (22)
2.4采用内点法进行优化求解:
2.4.1获得第k+1时刻目标状态和协方差的预测以及测量状态和测量协方差预测,同时获得接收站和外辐射源状态;δ表示迭代次数,令δ=1,设初始惩罚因子r1>0和允许误差ξ1>0;
2.4.2根据k+1帧接收站两个坐标轴方向的切向加速度和法法向加速度确定非线性约束:
2.4.3构造障碍函数:
F(ax,k,ay,k,rδ)=f(ax,k,ay,k)-rδ*B (26)其中
其中rp表示惩罚因子, 为目标函数;
2.4.4设初始搜索点(ax,k,ay,k)=(0,0),求使无约束问题F(ax,k,ay,k,rδ)取得最小时的作为原问题的解;
2.4.5如果rδ*B≤ξ,则搜索结束;否则,取0<rδ+1<rδ,δ=δ+1,则返回到步骤2.4.3;
步骤3:航迹更新
3.1测量的状态向量的预测和协方差重新预测利用优化算法得到接收站第k帧最优加速度 则接收站第k+1帧的最优位置为速度 从而接收站状态为
测量的状态向量的预测 和测量协方差预测 分别为:
3.2杂波情况下基于幅值的滤波
杂波情况下,从探测器输出测得的单回波的幅值概率密度如下:其中探测器输出幅值为a,p0(a)代表源于杂波的幅值概率密度,p1(a)代表源于目标的幅值概率密度,且其使用回波期望的性躁比SNR参数表示,SNR用d表示;为了提高检测概率Pd,需要设置较小的阈值τ,然而同时也增加了虚警率Pfa;因此根据SNR选择适当的τ,与阈值探测器输出幅值概率密度对应关系为;
假设k+1帧有效测量有mk+1,第l个测量幅值似然比如下:其通过幅值似然比修正关联概率β,如下所示:式中
则组合测量Vk+1计算如下:
其中PG表示落入跟踪门的概率,Pd表示目标检测概率,Vc,k表示跟踪门体积;跟踪门体积如下:其中 代表维数为nz的超球体的体积;幅值似然比有利于高幅值测量,从而影响关联概率;对于相等幅值的多次测量,事件概率由跟踪门中的位置决定;
目标状态更新和协方差更新如下:
其中滤波增益Kk+1和组合协方差 如下:步骤4、将更新后的目标状态和协方差返回到步骤2进行预测,k=k+1,直到采样结束。