第十一講航跡融合

1、智能信息處理技術(shù)，第11講軌道融合方法，智能信息處理技術(shù)，2。主要內(nèi)容，1。軌道融合結(jié)構(gòu)，3。航跡狀態(tài)估計(jì)融合，智能信息處理技術(shù)，3。軌道融合結(jié)構(gòu)，1。局部航跡和局部航跡融合結(jié)構(gòu)(傳感器航跡和傳感器航跡融合結(jié)構(gòu))，2。本地軌道與系統(tǒng)軌道融合結(jié)構(gòu)，智能信息處理技術(shù)，4，1。本地軌道和本地軌道融合。圖中上下兩排圓圈代表兩個(gè)局部傳感器的跟蹤外推節(jié)點(diǎn)，中間一排圓圈代表融合中心的融合節(jié)點(diǎn)。從左到右，它指示了前進(jìn)的方向。智能信息處理技術(shù)，5、特征，1)不同傳感器的局部軌跡在同一時(shí)刻在融合節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)融合，形成系統(tǒng)軌跡；2)該結(jié)構(gòu)不使用航跡融合過(guò)程中前一時(shí)刻系統(tǒng)航跡的狀態(tài)估計(jì)；智能信息處理技術(shù)，6、3)該結(jié)構(gòu)不

2、涉及相關(guān)估計(jì)誤差的問(wèn)題，是一種無(wú)存儲(chǔ)操作；4)相關(guān)性和軌跡估計(jì)誤差不會(huì)從一個(gè)時(shí)間傳輸?shù)较乱粋€(gè)時(shí)間；智能信息處理技術(shù)，7、5)操作簡(jiǎn)單，不考慮信息去相關(guān)問(wèn)題；6)由于沒(méi)有利用系統(tǒng)航跡融合結(jié)果的先驗(yàn)信息，性能可能不如局部航跡和系統(tǒng)航跡融合結(jié)構(gòu)。智能信息處理技術(shù)，8，2，局部軌跡與系統(tǒng)軌跡的融合，智能信息處理技術(shù)，9，特征，1)只要融合中心節(jié)點(diǎn)接收到一組局部軌跡，融合算法就將前一時(shí)刻系統(tǒng)軌跡的狀態(tài)外推至接收到局部軌跡的時(shí)刻；2)與新接收的本地軌跡關(guān)聯(lián)融合，獲得當(dāng)前系統(tǒng)軌跡的狀態(tài)估計(jì)，形成系統(tǒng)軌跡；3)當(dāng)接收到另一組本地軌道時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程；10、4)智能信息處理技術(shù)必須面對(duì)相關(guān)估計(jì)誤差的問(wèn)題；在圖中

3、，在點(diǎn)A的本地軌道和點(diǎn)B的系統(tǒng)軌道之間存在相關(guān)誤差，因?yàn)樗鼈兌寂c點(diǎn)C的信息相關(guān).實(shí)際上，由于過(guò)去的相關(guān)或融合處理誤差，系統(tǒng)跟蹤中的任何誤差都會(huì)影響未來(lái)的融合性能。必須采用去相關(guān)算法來(lái)消除相關(guān)誤差。智能信息處理技術(shù)。其次，航跡融合中的相關(guān)估計(jì)誤差問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)兩條融合航跡的估計(jì)誤差不相關(guān)，融合相對(duì)簡(jiǎn)單。估計(jì)值被視為具有獨(dú)立誤差的觀測(cè)值，并與其他估計(jì)值相結(jié)合。相關(guān)和卡爾曼濾波等標(biāo)準(zhǔn)方法可用于航跡融合。2)兩條軌道的估計(jì)誤差之間存在相關(guān)性。智能信息處理技術(shù)，12，1，兩條軌道具有在先公共信息源，智能信息處理技術(shù)，13，特征，1)當(dāng)本地軌道與系統(tǒng)軌道相關(guān)聯(lián)時(shí)，通常存在兩條軌道具有在先

4、公共信息源的情況；2)假設(shè)軌道已經(jīng)被發(fā)送到公共時(shí)間節(jié)點(diǎn)；3)融合節(jié)點(diǎn)包含所有預(yù)處理信息，即包括跟蹤觀測(cè)和跟蹤；4)傳感器軌跡估計(jì)和系統(tǒng)軌跡估計(jì)包括以前發(fā)送的傳感器軌跡估計(jì)。5)在信息圖過(guò)程中，只要從觀察點(diǎn)軌跡到融合節(jié)點(diǎn)有多條路徑，就與信息源有關(guān)聯(lián)。智能信息處理技術(shù)，15，2，常見(jiàn)過(guò)程噪聲引起的相關(guān)估計(jì)誤差，常見(jiàn)過(guò)程噪聲：在傳感器航跡融合過(guò)程中，當(dāng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性不確定時(shí)，會(huì)形成常見(jiàn)過(guò)程噪聲。智能信息處理技術(shù)，16，功能：常見(jiàn)的過(guò)程噪聲使得來(lái)自?xún)蓚€(gè)傳感器的測(cè)量不獨(dú)立，導(dǎo)致來(lái)自?xún)蓚€(gè)傳感器的估計(jì)誤差不獨(dú)立。當(dāng)相關(guān)跟蹤和組合相關(guān)狀態(tài)時(shí)，必須考慮相關(guān)的估計(jì)誤差。智能信息處理技術(shù)，17，3，航跡狀態(tài)估計(jì)融合

5、，航跡融合的主要內(nèi)容：航跡關(guān)聯(lián)、航跡狀態(tài)估計(jì)和融合協(xié)方差計(jì)算航跡關(guān)聯(lián)表明兩條航跡以較高的概率來(lái)自同一目標(biāo)，然后將關(guān)聯(lián)航跡按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行融合，形成系統(tǒng)航跡；融合后計(jì)算航跡狀態(tài)和協(xié)方差，實(shí)現(xiàn)航跡更新。智能信息處理技術(shù)，18，描述，1)假設(shè)兩條航跡分別具有狀態(tài)估計(jì)、誤差協(xié)方差和互協(xié)方差矩陣，2)估計(jì)融合問(wèn)題：尋找最優(yōu)估計(jì)和誤差協(xié)方差矩陣。4)傳感器軌道進(jìn)入系統(tǒng)軌道融合結(jié)構(gòu)，兩條軌道中的一條為系統(tǒng)軌道，另一條為傳感器軌道。智能信息處理技術(shù)，20，1，簡(jiǎn)單航跡融合(SF)，前提：兩個(gè)航跡狀態(tài)估計(jì)的互協(xié)方差可以忽略，即智能信息處理技術(shù)，21，系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)：系統(tǒng)誤差協(xié)方差：智能信息處理技術(shù)，22，假設(shè)有

6、，它們的相互關(guān)系如圖所示，智能信息處理技術(shù)，23，P，當(dāng)互協(xié)方差為0時(shí)2)當(dāng)估計(jì)誤差相關(guān)時(shí)，它是準(zhǔn)最優(yōu)的；3)當(dāng)兩條航跡都是傳感器航跡且沒(méi)有過(guò)程噪聲時(shí)，融合算法最好，與利用傳感器觀測(cè)的直接融合結(jié)果相同；4)融合網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)有反饋。智能信息處理技術(shù)，25，通用形式如果融合系統(tǒng)由N個(gè)傳感器組成，很容易推廣到通用形式。狀態(tài)估計(jì)：智能信息處理技術(shù)，26，每個(gè)傳感器的估計(jì)權(quán)值，誤差協(xié)方差：智能信息處理技術(shù)，27，2，協(xié)方差加權(quán)航跡融合(WCF)，前提：兩個(gè)航跡估計(jì)的互協(xié)方差不可忽略，即智能信息處理技術(shù)，28，兩個(gè)傳感器的兩個(gè)估計(jì)值之差I(lǐng)和J用下面的公式表示：則dij的協(xié)方差矩陣為：智能信息處理技術(shù)，29，系

7、統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)，系統(tǒng)誤差協(xié)方差，智能信息處理技術(shù)，30，其中k是卡爾曼濾波器增益，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，q是噪聲協(xié)方差矩陣，h是觀測(cè)矩陣。這種方法只有在最大可能性的意義上才是最好的。當(dāng)使用卡爾曼濾波器作為估計(jì)器時(shí)，互協(xié)方差Pij和Pji可以通過(guò)以下公式計(jì)算：PIJ(k)=(1-KH)(PIJ(k-1)TQ)(1-KH)T，智能信息處理技術(shù)，31，應(yīng)用特性，1)當(dāng)互協(xié)方差被忽略時(shí)，協(xié)方差加權(quán)融合將退化2)它可以控制公共過(guò)程噪聲；3)需要計(jì)算互協(xié)方差矩陣；智能信息處理技術(shù)，32，4)對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，可以離線計(jì)算互協(xié)方差；5)需要卡爾曼濾波器增益和觀測(cè)矩陣的全部歷史，并且它們必須被發(fā)送到融合中心。智能信息處

8、理技術(shù)，33，3，自適應(yīng)航跡融合，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)時(shí)要考慮的因素：1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能，采用好的算法，2)計(jì)算量，計(jì)算機(jī)的承載能力，3)系統(tǒng)的通信能力，4)解決系統(tǒng)特性和要求的變化：采用自適應(yīng)航跡融合，智能信息處理技術(shù)，34)自適應(yīng)航跡融合的結(jié)構(gòu)，以及智能信息處理技術(shù)， 35融合原理：1)傳感器1和2將觀測(cè)值發(fā)送到兩個(gè)本地跟蹤器，并與本地跟蹤器一起形成兩個(gè)本地融合節(jié)點(diǎn)，以形成本地軌跡估計(jì)并將其發(fā)送到融合中心節(jié)點(diǎn)； 2)融合中心節(jié)點(diǎn)(決策邏輯)根據(jù)規(guī)則選擇融合算法；3)融合中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)選擇的算法對(duì)本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送的本地軌跡進(jìn)行融合計(jì)算，并給出全局估計(jì)。智能信息處理技術(shù)，36，決策邏輯，根據(jù)D1和D2兩個(gè)

9、決策統(tǒng)計(jì)距離和決策樹(shù)，決策樹(shù)如圖所示：智能信息處理技術(shù)，37，決策過(guò)程，1)根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送的本地軌跡計(jì)算統(tǒng)計(jì)距離D1；2)如果D1小于給定的閾值T1，則全局估計(jì)等于局部估計(jì)之一；3)如果D1大于T1，則計(jì)算統(tǒng)計(jì)距離D2，使D2小于給定的閾值T2，并將SF的結(jié)果作為全局估計(jì)；4)如果D2大于T2，使用WCF結(jié)果作為全局估計(jì)。智能信息處理技術(shù)，38，特征，基于簡(jiǎn)單航跡融合和協(xié)方差加權(quán)航跡融合算法。智能信息處理技術(shù)，39，統(tǒng)計(jì)距離D1，定義：通過(guò)SF算法獲得的本地軌跡和系統(tǒng)軌跡估計(jì)之間的距離。智能信息處理技術(shù)，40，因?yàn)镻1 PSF=P1(P1 P2)-1(P1 2P2)，那么，智能信息處理技術(shù)，

10、41，解釋?zhuān)?)融合估計(jì)是兩個(gè)局部估計(jì)及其誤差協(xié)方差的函數(shù)，D1進(jìn)化到與兩個(gè)局部估計(jì)及其誤差協(xié)方差相關(guān)；2)D1測(cè)量本地軌道1和本地軌道2的接近度；智能信息處理技術(shù)，42，3)如果兩個(gè)局部軌跡觀測(cè)來(lái)自同一個(gè)目標(biāo)，D1小于某個(gè)閾值，這表明由局部傳感器給出的兩個(gè)軌跡非常接近，因此不需要執(zhí)行軌跡融合操作，并且其中一個(gè)用作全局估計(jì)；如果兩個(gè)傳感器的分辨率不同，則高分辨率傳感器的軌跡作為全局軌跡。43、智能信息處理技術(shù)，閾值T1的確定是根據(jù)兩條本地軌道之間的最大允許距離來(lái)確定的；如果統(tǒng)計(jì)距離大于它，它需要被融合。智能信息處理技術(shù)，44，統(tǒng)計(jì)距離D2，定義：通過(guò)WCF算法獲得的本地軌跡和系統(tǒng)軌跡估計(jì)器之間

11、的距離。智能信息處理技術(shù)，45，利用，其中，最后，智能信息處理技術(shù)，46，解釋?zhuān)?)D2涉及兩個(gè)局部軌跡的估計(jì)，誤差協(xié)方差矩陣和互協(xié)方差；2)D2小于閾值T2，用SF融合兩條局部航跡，表明兩條航跡的互協(xié)方差很小，接近于0；智能信息處理技術(shù)，47、3) D2大于T2閾值，采用WCF方法融合兩條局部航跡，且兩條航跡之間存在互協(xié)方差；這是應(yīng)該使用WCF方法的條件。4)統(tǒng)計(jì)距離D2是兩個(gè)本地軌道之間是否存在交叉方差的度量。智能信息處理技術(shù)，48，通過(guò)自適應(yīng)方法完成的任務(wù)，1)當(dāng)兩個(gè)本地軌道之間的統(tǒng)計(jì)距離D1小于T1時(shí)，沒(méi)有必要融合兩個(gè)本地軌道。選擇一個(gè)作為全局軌道，或者選擇高質(zhì)量的軌道作為全局軌道；2

12、)當(dāng)兩個(gè)局部軌跡之間的統(tǒng)計(jì)距離D2小于T2時(shí)，兩個(gè)局部軌跡之間的互協(xié)方差很小，甚至等于0。SF算法可用于融合兩個(gè)局部軌跡。智能信息處理技術(shù)，49、3)當(dāng)兩個(gè)局部軌跡之間的統(tǒng)計(jì)距離D2大于T2時(shí)，兩個(gè)局部軌跡之間存在互協(xié)方差，因此可以使用WCF算法來(lái)融合這兩個(gè)局部軌跡。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)。智能信息處理技術(shù)，50，4。信息去相關(guān)算法1。識(shí)別消除法的核心思想是識(shí)別融合中涉及的兩個(gè)估計(jì)公共信息，并在融合中消除它們。當(dāng)一個(gè)軌道是系統(tǒng)軌道而另一個(gè)是傳感器軌道時(shí)，這種方法很有用。狀態(tài)融合估計(jì)算法由以下公式給出：狀態(tài)估計(jì)：智能信息處理技術(shù)，51，誤差協(xié)方差：是傳感器軌跡最終發(fā)送到系統(tǒng)軌跡的狀態(tài)估計(jì)和誤差協(xié)

13、方差。傳感器軌跡和系統(tǒng)軌跡都包括這個(gè)公共信息，它是融合算法的附加信息。為了避免對(duì)結(jié)果的雙重影響，有必要從結(jié)果中消除它。該方法基于分布式收斂，支持任何類(lèi)型的收斂和通信結(jié)構(gòu)，包括帶反饋的收斂。前面介紹的信息圖可以用來(lái)識(shí)別兩個(gè)估計(jì)的公共信息，避免重復(fù)計(jì)算。Int智能信息處理技術(shù)53，由于重新啟動(dòng)本地跟蹤器，本地軌道狀態(tài)估計(jì)和全局軌道狀態(tài)估計(jì)不再共享公共信息，并且從每個(gè)軌道到融合節(jié)點(diǎn)只有一條唯一的路徑，從而消除了本地軌道和系統(tǒng)軌道之間的相關(guān)性。在傳感器軌道被發(fā)送以與系統(tǒng)軌道合并之后，本地過(guò)濾器用新軌道重新啟動(dòng)。這些軌跡的估計(jì)與系統(tǒng)軌跡解相關(guān)，并且很容易與系統(tǒng)軌跡融合。智能信息處理技術(shù)，54。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要修改傳感器的當(dāng)前跟蹤算法。關(guān)鍵工作過(guò)程：無(wú)論是哪一條局部軌跡，只要其局部狀態(tài)被發(fā)送到融合節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)軌跡融合，局部軌跡就會(huì)放棄所有先前的信息，重新啟動(dòng)濾波，即重新初始化。這保證了當(dāng)本地軌道與系統(tǒng)軌道融合時(shí)沒(méi)有先驗(yàn)信息源，從而達(dá)到去相關(guān)的目的。智能信息處理技術(shù)，55，3。在重啟全局跟蹤器的航跡融合中，主要問(wèn)題是傳感器航跡和系統(tǒng)航跡的相關(guān)性。當(dāng)傳感器航跡融合時(shí)，如果系統(tǒng)航跡的狀態(tài)估計(jì)不參與融合，則不存在相關(guān)問(wèn)題。因?yàn)閭鞲衅鬈壍酪呀?jīng)包含了到目前為止所有可能的測(cè)量值。這種全局估計(jì)是最好的。智能信息處理技術(shù)，56，重啟全局濾波，智能信息處理技術(shù)，57，在每個(gè)融合時(shí)刻，所獲得的全