基于UKF的機動目標跟蹤處理方法

潘淑娟　劉靖

摘 要：提出了基于UKF的機動目標跟蹤處理方法，能有效抑制動力學模型非線性和觀測模型非線性帶來的模型誤差。和傳統EKF濾波方法相比，該方法不僅避免了截斷誤差造成的濾波發散，而且避免了求解雅克比矩陣，簡化計算流程，可以模塊化處理，非常適合工程實現。仿真實驗表明，當目標呈現明顯非線性特征并且大機動運動時，該方法可以有效確定目標軌跡，實現高精度目標跟蹤。

關鍵詞：機動目標跟蹤 UKF 非線性模型

中圖分類號：TN959 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0186-02

機動目標跟蹤處理是從傳感器對機動目標跟蹤測量的數據中提取目標狀態特征信息的過程。對線性運動模型而言，傳統的卡爾曼濾波可以獲得最優估計。但當目標運行軌跡呈現明顯非線性性時，傳感器測控信息將包含有非線性目標信息從而會形成明顯的非線性特征，經過非線性變換的加性誤差將變換成乘性誤差，從而進一步影響目標特性提取精度。尤其對于大機動目標跟蹤而言，強非線性會使得測量模型曲率變大，形成模型誤差。在機動目標跟蹤技術中，模型誤差成為制約精度提高的關鍵之一[1～2]。傳統的線性化求解方式將截斷誤差會傳播擴大到模型求解中，從而難以獲得目標軌跡的精確解，甚至造成濾波發散。

本文提出了一種基于UKF的機動目標跟蹤方法，對狀態模型和測量模型采用UT變換，從而求取非線性變換的轉移矩陣，保證了非線性系統的濾波精度。

3.2 目標觀測模型

設目標飛行時的觀測設備由1臺雷達完成，測量數據包括測站坐標系下的目標相對測站的距離和速度。設距離測量誤差為1 mm，速度測量誤差為1 mm/s。測量數據曲線如圖2所示。

3.3 軌跡確定結果及分析

應用本文的提出的機動目標軌跡確定方法，根據測站對目標的距離和相對速度的測量，可以得到目標的飛行軌跡。

結果分析，從圖3中可以看出，由于目標飛行軌跡是明顯的非線性特征，導致測控數據呈現明顯的非線性特征。在這種模式下，傳統的線性濾波將帶入大量截斷誤差造成目標濾波發散。從實驗可以看出，當濾波開始時，先驗信息積累不足，目標計算軌跡短時間內呈現發散趨勢，但隨著觀測數據的不斷積累，濾波迅速收斂，并維持高精度狀態，見圖3和圖4。

4 結論

本文提出的基于UKF的機動目標軌跡確定方法，能有效抑制動力學模型非線性和觀測模型非線性帶來的模型誤差。和傳統EKF濾波方法相比，該方法不僅避免了截斷誤差造成的濾波發散，而且避免了求解雅克比矩陣，簡化計算流程，可以模塊化處理，非常適合工程實現。

參考文獻

[1] Tapley B D，BornG，SchutzB.Orbit determination fundamental and application[M].Texas：The University of Texas，1986.

[2] 潘曉剛.空間目標定軌的模型與參數估計方法及應用[D].長沙：國防科技大學，2009.