基于事件触发机制的目标运动状态估计及应用

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随着巡航导弹、战斗机、武装直升机等武器的突防技术不断升级,对这些目标的探测和跟踪已成为近程防空的主要难点。为解决这一问题,基于“网络中心战”思想构建网络化近程防空探测系统,使得各作战单元可以共享空情信息、实现协同作战,已经成为未来的发展方向。受国情限制,我军现役防空装备中依然存在较多在“平台中心战”思想下研制的老装备,现阶段构建网络化近程防空探测系统仍要利用这些装备。然而,在现行的时间触发通信机制下,老装备的通信能力难以满足网络化近程防空探测系统中的通信需求。通过硬件升级提高老装备的通信能力虽然可解决上述问题,但硬件变更需要一系列试验进行验证,如电磁兼容性试验,经济成本和时间成本较高。因此,探索新的通信机制以降低网络化近程防空探测系统中的通信负荷,在不改变硬件的前提下,利用老装备构建网络化近程防空探测系统,具有重要的理论和应用价值。近年来,事件触发(Event-triggered,ET)通信机制以及事件触发目标状态估计得到了广泛的研究与关注。在事件触发通信机制下,仅当预设的触发条件被满足时,当前数据才会被传输。相关研究成果表明:事件触发机制可显著降低传感器网络中的数据传输量。因此,本文以利用事件触发机制减少网络化近程防空探测系统中的数据传输量为工程背景,对事件触发机制下目标跟踪系统的估计性能评估、不完全量测下事件触发机制设计及事件触发状态估计、互协方差未知情形下事件触发扩散式滤波以及异步传感器网络中基于事件触发机制的异步融合估计进行了探索与研究。所得结果可为在网络化近程防空探测系统中使用事件触发通信机制提供一定的参考。本文的主要研究成果包括以下几个方面:1.为了给在目标跟踪系统中使用ET机制提供理论上的参考,研究了ET机制下目标跟踪系统的性能评估问题。首先推导了ET机制下系统理想(基于枚举法的)克拉美-罗下界(Cramér-Rao lower bound,CRLB)的递推计算式,从而定量地描述了ET机制的触发阈值与系统估计性能间的关系;为便于工程应用,进一步给出了系统在统计意义下(基于信息缩减因子法的)CRLB的递推计算式,并研究了理想CRLB与统计意义下CRLB之间的关系。三种典型测试航路下的仿真结果表明:通过设置合适的触发阈值,使用ET机制可在系统的估计性能仅略微下降的情况下,显著降低系统中的数据传输次数,即在目标跟踪系统中使用ET机制在理论上是可行的。2.为了在探测器存在不完全量测的情形下减少探测器到火控计算机的数据传输量,研究了不完全量测下调节量测传输的ET机制以及事件触发目标状态估计问题。首先根据工程实际,提出了通道解耦的量测方程,避免有效量测分量被舍弃;随后针对所提出的量测方程,设计了一种基于双重判断准则的ET机制调节探测器到火控计算机的数据传输。并给出了所提ET机制下,火控计算机实际可用于滤波的信息;最后提出了基于所提ET机制的平方根容积卡尔曼滤波算法(Square-root cubature Kalman filtering,SCKF)。仿真结果表明:所提出的事件触发SCKF与已有的基于时间触发机制的SCKF相比,可显著减小数据传输量;与已有的事件触发估计算法相比,可在数据传输量基本一致的情况下获得更高的估计精度,而且可避免不完全量测的干扰。实测数据验证分析表明:所提出的事件触发SCKF可应用于实际的光电探测系统。3.为了在初步估计值间的互协方差未知情形下减少火控计算机之间的数据传输量,研究了调节初步估计值传输的ET机制以及互协方差未知情形下的事件触发扩散式滤波算法。首先提出了一种调节火控计算机传输初步估计值的ET机制,并给出了所提ET机制下,火控计算机实际可用于融合的信息;然后,考虑到初步估计值间存在相关性,但互协方差难以求取,基于协方差交叉方法提出了一种事件触发初步估计值融合算法,并证明了所提算法得到的融合结果是一致的(consistent);最后,结合第三章所提的事件触发SCKF,给出了事件触发扩散式SCKF算法。仿真结果表明:与已有的扩散式卡尔曼滤波算法相比,所提的方法可显著减少探测节点到融合节点、以及融合节点之间的数据传输量,融合节点的估计精度仅略有下降。实测数据验证分析说明:所提出的方法在实际的探测系统中是可行的。4.为了在系统中各设备异步工作的情形下减少数据传输量,研究了异步传感器网络中调节异步数据传输的ET机制,以及事件触发异步融合估计问题。首先分别提出了调节异步量测传输的ET机制和调节异步初步估计值传输的ET机制,并给出了所提两种ET机制下,火控计算机实际可利用的信息;然后分别基于所提的两种ET机制,给出了事件触发异步量测融合算法和事件触发异步初步估计值融合算法;最后将两种算法结合,提出了一种事件触发异步融合估计算法。仿真结果表明:所提方法与已有的异步估计方法相比,可显著降低异步传感器网络中的数据传输量,同时估计精度仅略有下降。实测数据验证分析表明:所提出的方法可以在实际的异步探测系统中使用。
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