[发明专利]一种浅海匀速运动目标初始状态估计方法有效

专利信息
申请号: 202010134094.7 申请日: 2020-03-02
公开(公告)号: CN111273302B 公开(公告)日: 2022-08-23
发明(设计)人: 李辉;徐哲臻;杨坤德 申请(专利权)人: 西北工业大学
主分类号: G01S15/88 分类号: G01S15/88
代理公司: 西安凯多思知识产权代理事务所(普通合伙) 61290 代理人: 王鲜凯
地址: 710072 *** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 一种 浅海 匀速运动 目标 初始 状态 估计 方法
【说明书】:

发明提供了一种浅海匀速运动目标初始状态估计方法。首先,利用一段时间内的目标水平方位角和阵列不变量的观测值构造与观测值和拖曳线列阵位置有关的两个矩阵,这两个矩阵和目标初始状态之间存在线性关系,使用最小二乘方法求解这一线性关系得到初步的目标初始状态估计结果;然后,根据匀速运动模型估计目标在每一观测时刻的状态,并进一步得到目标在每一时刻的水平方位角和阵列不变量的估计值;最后,构造辅助变量矩阵,并按照IVE方法的规则得到最终的目标初始状态的估计结果。本发明可对浅海匀速运动目标的初始状态进行有效估计,且估计误差小、结果可靠。

技术领域

本发明属水声工程技术等领域,具体涉及一种浅海匀速运动目标初始状态估计方法,适用于运动的拖曳线列阵对浅海匀速运动目标的初始状态估计。

背景技术

对于匀速运动的浅海目标,其任意时刻的位置都可以通过其初始状态(初始时刻的位置和速度)以及匀速运动模型计算得出。因此,正确地估计出浅海匀速目标的初始状态具有十分重要的意义。拖曳线列阵常用于浅海环境中水下目标的检测和跟踪,对于使用拖曳线列阵的浅海观测场景,目标的俯仰角度通常不容易获得,此时水平方位角是唯一可以获得的目标方位信息。文献“Fundamental properties and performance ofconventional bearings-only target motion analysis,IEEE Transactions onAutomatic Control,1984,vol.29,no.9,pp.775-787”提出的伪线性估计器(PLE)是一种具有闭式解的基于纯方位观测量的匀速目标初始状态估计方法,利用一段时间内的多时间点的方位测量值,通过求解线性方程组得到匀速目标初始状态的估计。文献“InstrumentalVariable Estimator for 3D Bearings-Only Emitter Localization,2005International Conference on Intelligent Sensors,Sensor Networks andInformation Processing,2005,pp.63-68”中的辅助变量估计器(IVE)修正了PLE方法中的误差,使用PLE估计得到的目标初始状态计算各个时刻的PLE方位估计值,然后使用PLE方位估计值代替方位观测值构造辅助变量矩阵,以减小估计误差。但是,在典型浅海环境下,仅使用水平方位角观测值的PLE方法误差严重,这使得对应的IVE方法估计误差仍然较大,甚至失效。然而浅海环境下目标的俯仰角又无法准确获得,这使得传统的基于纯方位观测值的PLE和IVE方法在浅海环境下应用困难。

发明内容

为了解决传统基于纯方位观测值的PLE方法在浅海仅有水平方位角的情况下偏差过大而导致相应的IVE方法偏差过大问题,针对拖曳线列阵观测目标的场景,本发明提供一种浅海匀速运动目标初始状态估计方法。在已有方位角观测值的基础上,将浅海环境下特有的物理量——阵列不变量,纳入目标状态估计过程,最终联合方位角和阵列不变量观测值两种信息对匀速运动目标的初始运动状态进行估计。首先,利用一段时间内的目标水平方位角和阵列不变量的观测值构造与观测值和拖曳线列阵位置有关的测量矩阵和状态矩阵,这两个矩阵和目标初始状态之间存在线性关系,使用最小二乘方法求解这一线性关系得到初步的目标初始状态估计结果;然后,根据匀速运动模型估计目标在每一观测时刻的状态,并进一步得到目标在每一时刻的水平方位角和阵列不变量的估计值;最后,构造辅助变量矩阵,并按照IVE方法的规则得到最终的目标初始状态的估计结果。相比于传统的PLE和IVE方法,本发明方法估计误差更小、结果更可靠。且在某些观测场景下,随着方位角的观测误差的增大,传统PLE方法的估计误差过大,从而导致了传统IVE方法失效,而本发明方法在相同的场景下并不会失效。

一种浅海匀速运动目标初始状态估计方法,其特征在于步骤如下:

步骤一:基于观测时间段内的n个观测值n为观测次数,k为观测时刻序号,k=1,2,3,…,n,为第k观测时刻目标水平方位角观测值,为第k观测时刻阵列不变量观测值,按下式构造测量矩阵和状态矩阵

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