[发明专利]一种通信拓扑切换下分布式协同目标跟踪方法

权利要求书

1.一种通信拓扑切换下分布式协同目标跟踪方法，由多个跟踪运动平台组成、具有通信拓扑结构的运动平台系统同时跟踪同一个目标，每个运动平台根据自身传感器所敏感到的目标信息，利用无迹卡尔曼滤波进行本平台的目标跟踪估计，得到本平台的目标跟踪估计结果，其特征在于，所述无迹卡尔曼滤波是基于残差检验的无迹卡尔曼滤波，所述方法步骤包括：

步骤1：每个平台基于自身观测信息计算平台本地的目标跟踪估计结果；

步骤2：每个平台向邻居平台传输本平台的目标跟踪估计结果，同时接受邻居平台的目标跟踪估计结果，并将二者进行一致性融合，得到一致性融合后的本平台的目标跟踪估计结果；

步骤3：将当前的跟踪结果更新为下一轮一致性融合计算的初始值，重复步骤2对目标进行持续性跟踪与定位，直至数据传输轮数达到预设阈值，输出目标最终跟踪定位结果；

所述基于残差检验的无迹卡尔曼滤波是：

第一步：确定滤波模型以及滤波模型下的参数；

所述滤波模型是常值加速度滤波模型：

x(k+1)＝Φx(k)+w(k)

z(k)＝H(x(k))+r(k)

其中：

x(k)为状态向量，

其中：等号右边括号内依序代表为X,Y,Z轴下的三轴位置，三轴速度以及三轴加速度；

w(k)为状态误差，是零均值高斯白噪声；

r(k)为观测噪声，是零均值的高斯白噪声；

z(k)是观测向量，分别为平台对应目标的方位角和俯仰角；

H(x(k))是观测矩阵，

其中：

atan为反正切函数；

Φ是常值加速度滤波模型下的非线性连续离散系统状态转移矩阵：

其中：T为系统采样间隔；

所述滤波模型下的参数包括：

1)常值加速度滤波模型下的状态向量：

其中：等号右边括号内依序代表为X,Y,Z轴下的三轴位置，三轴速度以及三轴加速度；

2)常值加速度滤波模型下的非线性连续离散系统模型：

X_k+1＝f(X_k)+w_k

Z_k＝h(X_k)+v_k

其中，X_k为系统状态，Z_k为系统观测信息，w_k和v_k分别为系统的过程噪声和测量噪声，过程噪声的协方差为Q，量测噪声的方差为R，f为状态方程中与系统状态变量X_k和时间k相关的非线性函数；h为观测方程中与状态变量X_k和时间k相关的非线性函数；

3)协方差Q值矩阵：

第二步：进行基于残差检验的UKF计算，

计算中所针对的滤波模型为第一步中所定义的常值加速度滤波模型，后续所有步骤均基于该模型：

1)基于滤波模型计算2n+1个离散采样点，Sigma点

其中：

γ是尺度参数，是矩阵的第i列，n为目标状态向量的维数，和P_k分别表示k时刻目标的状态估计值及误差协方差矩阵；

2)计算每个离散采样点的权重：

w₀＝γ/(n+γ)i＝0

w_i＝1/[2(n+γ)]i＝1,2,...,n

w_i+n＝1/[2(n+γ)]i＝1,2,...,n

3)进行时间更新：

计算状态一步预测：

计算一步预测协方差：

4)量测更新：

计算预测观测值：

计算预测观测协方差：

计算观测向量和状态向量的交互协方差：

状态更新

状态误差协方差更新

5)基于残差检验的噪声统计特性自适应估计：

构建滤波残差理论计算结果量：

根据真实数据，计算滤波残差实际计算结果量：

r_k+1＝Z_k+1-z_k+1|k

实际残差的均值为实际残差的方差为

计算无迹卡尔曼滤波理论残差方差和实际残差方差之间的差值：

e_k+1＝S_k+1-C_k+1；

根据e_k+1的值利用下述规则调整协方差Q值：

1)如果|e_k+1|0.1，则Q保持不变；

2)如果e_k+10.1，则Q分为两个阶段增大：

如果e_k+110，Q增大的倍数为

如果e_k+110，Q增大的倍数为1.1；

3)如果e_k+1-0.1，Q减小的倍数为0.97。

2.根据权利要求1所述的通信拓扑切换下分布式协同目标跟踪方法，其特征在于，所述向邻居平台传输本平台的目标跟踪估计结果是基于一致性切换拓扑情况下的通信法则向邻居平台传输本平台的目标跟踪估计结果，所述一致性切换拓扑情况下的通信法则是：无论通信拓扑如何变换，在每一个时刻，通信拓扑网络始终具有连通性。