机动再入目标的FGPF-BLUE跟踪

机动再入目标的运动具有明显的非线性,其观测又往往在传感器坐标系下进行,构成强非线性的跟踪问题。为了克服扩展卡尔曼滤波和粒子滤波在跟踪精度和实时性方面的缺点,提出了一种新型的非线性跟踪算法。新型的FGPF-BLUE滤波将快速高斯粒子滤波的预测步骤与最优线性无偏估计的更新步骤相结合,是一种半蒙特卡罗滤波方法。建立了机动再入目标的动态模型,并分别应用扩展卡尔曼滤波、粒子滤波和FGPF-BLUE滤波实现了对该目标的跟踪。通过对各种滤波方法精度和消耗时间的对比,可知新方法的稳态性能优于其他两种算法,实时性优于粒子滤波。

基于随机模型近似的再入目标自适应跟踪算法

针对再入目标跟踪问题,基于加速度动力学模型和随机模型近似思想,提出了分段匀Jerk自适应模型及跟踪算法.该算法引入Jerk动力学模型和Jerk分段均匀假设,给出了机动加速度的递推模型;根据随机模型近似思想提出了新的过程噪声定义方法并给出了分段匀Jerk模型和过程噪声的自适应方法;结合状态扩展方法和分离差分滤波算法实现了再入目标的实时自适应跟踪.仿真实验表明,相比基于分段匀加速模型的跟踪算法,该算法在保证了再入目标稳态跟踪精度的同时,对目标突变状态具有较强的跟踪能力.

强跟踪-容积卡尔曼滤波在弹道式再入目标跟踪中的应用

对于具有一定机动能力的弹道式再入目标跟踪问题,稳定性好、鲁棒性强、收敛精度高的估计方法是保证跟踪精度的关键。针对再入运动模型和测量体制的强非线性以及目标机动引起的滤波精度下降问题,提出一种将强跟踪滤波(STF)和基于三阶球面-向径容积规则的容积卡尔曼滤波(CKF)相结合的强跟踪-容积卡尔曼滤波(STCKF)。通过将强跟踪算法中的自适应渐消因子引入到滤波时间更新和测量更新方程中,在线实时调整滤波增益矩阵,能有效避免模型失准造成的滤波性能下降,使该算法兼具CKF滤波精度高和STF鲁棒性强的优点。通过数学仿真表明,改进后的STCKF可以实现对具有机动的弹道式再入目标的高精度跟踪,相对于CKF精度提高50%,并且具有更强的鲁棒性和自适应能力。

弹道式再入目标跟踪方法对比分析

地基雷达对弹道式再入目标进行滤波跟踪时主要存在两个导致滤波误差增大的不确定因素,一是弹道系数未知,二是不可准确确定过程噪声协方差矩阵。为此,采用交互式多模型无敏滤波(iterative multiple-model unscented filter,IMM-UF)算法对弹道式再入目标进行跟踪,选取不同的弹道系数初值和过程噪声协方差矩阵构成合适的模型集合进行了仿真分析,并将其滤波结果与扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)和无敏滤波(unscented filter,UF)的滤波结果进行了对比分析,同时还分析比较了IMM-UF和自治多模型(autono-mous multiple-model,AMM)UF算法的跟踪滤波性能。从仿真结果可以看出,采用的IMM-UF算法和相应的模型集合可以在先验信息缺少的情况实现对弹道式再入目标更高精度的跟踪。

基于IMM-CKF的弹道再入目标跟踪研究

该文研究了弹道系数未知的弹道再入目标的跟踪问题。针对现有再入目标跟踪方法对弹道系数初值设定以及噪声协方差的设置比较敏感的问题,采用了数值精度高、稳定性好且计算量较小的求容积卡尔曼滤波(CKF)算法作为跟踪滤波器,并分别设计了由不同弹道系数模型构成的交互式多模型(IMM)算法以及由不同噪声协方差模型组成的IMM算法。仿真结果表明,该文设计的两种IMM算法都能显著提高跟踪精度以及对弹道系数估计的收敛速度。

似然迭代离差差分滤波算法的机动再入目标状态估计

针对使用离差差分滤波算法对机动再入目标状态估计时,不能充分用到最新量测信息,状态估计误差较低的情况,提出一种新的滤波算法——似然迭代离差差分滤波算法.该算法在二阶离差差分滤波算法的量测更新过程中采用Gauss-Newton方法不断逼近最大后验估计,且使用迭代状态估计值代替状态预测值,修正迭代公式,并使用确保产生的迭代序列向最大似然面移动的迭代终止条件.使用似然迭代离差差分滤波算法估计机动再入目标状态,蒙特卡罗仿真表明,该算法不仅提高了状态估计精度,而且还有很快的收敛速度.

弹道再入目标轨迹跟踪中非线性滤波算法研究

弹道再入目标轨迹跟踪是一个重要的非线性滤波应用问题。论文将常见的非线性滤波器分类为基于点的滤波器和基于密度的滤波器,对比分析了各类算法的基础理论原理,仿真实验得出在高斯噪声条件下,EKF要优于UKF和PF,在闪烁噪声条件下PF要优于EKF和UKF的结论。

基于RK-UKF算法的再入目标质阻比估计

针对再入目标质阻比实时估计的问题,根据目标的三维再入运动模型及量测模型,提出了一种基于龙格-库塔(Runge-Kutta)积分的不敏卡尔曼滤波(UKF)算法(RK-UKF)的再入目标质阻比估计方法,给出了RK-UKF算法与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和不敏卡尔曼滤波算法的仿真比较.仿真结果表明,RK-UKF算法可实现对再入目标的高精度跟踪和其质阻比快速稳定的估计.

一种面向弹道再入目标跟踪的HPD-SRCQSPF算法

针对弹道再入目标轨迹跟踪问题,提出基于混合建议分布的平方根容积求积采样粒子滤波(HPDSRCQSPF)算法,该算法以混合建议分布为框架,由两个基本建议分布组成。其中一个基本建议分布为先验分布,另一个基本建议分布为平方根容积求积卡尔曼滤波估计后的值。该混合建议分布与真实的后验分布很接近,因此有着高效性、高精度等特点。仿真结果表明,对于弹道再入目标轨迹跟踪模型,相比于标准粒子滤波(SPF)算法和平方根容积求积粒子滤波(SRCQPF)算法,HPD-SRCQSPF算法可以在较低运算负载的情况下获得更好的跟踪性能。特别是在弹道目标变轨机动的情况时,所提出算法的性能增益更为显著。

一种改进的机动再入目标自适应跟踪算法

在机动再入目标高精度跟踪问题的研究中,由于目标变化速度快,动态模型为非线性,传统的Jerk分段均匀假设和随机模型近似思想建立的机动再入目标分段匀Jerk模型和过程噪声自适应方法中,存在加速度的方差期望近似瞬时方差的固有误差。为解决上述问题,提出了改进的机动再入目标自适应模型及相应的容积卡尔曼滤波跟踪算法,采用加速度状态协方差修正项来近似加速度的瞬时方差,同时引入强跟踪渐消因子增强加速度状态修正项近似瞬时方差的能力,给出了更精确的机动再入目标自适应模型;结合状态扩展方法和容积卡尔曼滤波算法实现了机动再入目标的高精度自适应跟踪。仿真结果表明:改进后的算法对机动再入目标跟踪具有更高的精度和稳定性,对目标机动性变化有更低敏感性。

再入目标红外特性分析及红外特性材料研究

本文分析了再入目标的红外辐射特性及主要影响因素认为：表征再入目标辐射强弱的物理量主要为再入目标的表面温度、表面积和发射率；表征再入目标材料红外辐射能力的物理量为辐射率（发射率）。进而探讨了高红外发射率材料，认为：几种化合物混合烧结后可在一段连续波段提高材料的红外发射率。

单台光学设备跟踪再入目标的外弹道计算方法

利用单台光学设备测量再入目标的俯仰角及方位角,确定再入目标的外弹道参数。根据再入目标的动力学方程及单台光学设备的测量方程得到再入目标的运动方程组,根据单台光学设备测量再入目标的观测角度序列,采用最小优化方法联合求解该方程组,可以估计再入目标的气动参数及再入目标的外弹道参数。数值仿真验证显示,该方法能够比较准确估计再入目标的气动参数,同时得到再入目标的外弹道参数。

高超声速再入目标动态红外辐射特性修正计算

针对高超声速目标的红外辐射特性计算困难的问题,提出一种修正的工程计算方法。在传统气动加热工程计算方法基础上,考虑高超声速大气环境的动态影响,采用大气高度作为修正因子,构建高超声速再入飞行器目标表面气动加热的温度动态变化算法,并对典型飞行条件下的高超声速目标红外光谱辐射特性进行了计算分析。

基于离差差分滤波算法的再入目标状态估计

再入弹道目标的状态估计是个复杂的非线性滤波问题,使用扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter,EKF),会引入较大的误差,甚至发散.为了提高估计精度,提出使用离差差分滤波算法(Divided Difference Filter,DDF)对再入弹道目标的状态进行估计.DDF算法使用二阶多维Stirling内插多项式近似非线性状态和测量方程获得状态和方差的估计.该算法只需要计算函数值,避免了求导运算,降低了计算复杂度.Monte Carlo数值仿真表明,离差差分滤波方法降低了再入目标的状态估计误差,提高了估计精度,且运行速度比无迹卡尔曼滤波方法(Unscendted Kalman Filter,UKF)要快的多.

基于IMM-PF的再入目标数据融合算法与仿真

为了提高弹道再入目标的跟踪精确度,提出了一种基于交互式多模型粒子滤波(IMM-PF)的再入目标数据融合算法。该算法将交互式多模型和粒子滤波相结合,用有限个运动模型来逼近再入目标的运动状态,在对再入目标的运动方程和观测方程离散处理的基础上,采用粒子滤波算法计算各模型的状态估计值和协方差,并采用残差重采样方法克服了粒子权重的退化问题;在粒子滤波过程中,系统不断改善粒子的概率密度函数,不断更新各个模型的概率,从而实现对再入目标跟踪中未知参数的精确估计。通过实例仿真表明:与其他算法相比,该算法的跟踪精确度较高,运行时间较短,算法收敛性较好,适合对再入目标的快速、精确跟踪。

基于球面单径容积准则的多雷达分布式再入目标实时跟踪算法

针对多雷达对再入目标的实时跟踪问题,提出一种基于球面单径容积准则的分布式容积卡尔曼滤波算法。首先,利用球面单径容积准则近似计算非线性高斯权重积分,然后由统计线性误差传播方法等价表示滤波过程中的互协方差矩阵;最后通过一致性算法将单雷达容积卡尔曼滤波器所得时间更新结果与邻居雷达间进行信息交互与一致化处理,得到分布式球面单径容积卡尔曼滤波算法。该算法提高了再入弹道目标跟踪精度;无信息融合中心的通信拓扑结构降低了雷达间的通信量与计算量,提高了整个系统的生存能力。数值仿真结果验证了算法的有效性。

面向再入目标跟踪的估计与辨识联合优化算法

准确的弹道系数辨识和精确的目标状态估计是再入目标高精度跟踪与高可靠识别的关键。一方面,状态估计的误差会造成模型参数(弹道系数)的辨识风险;另一方面,模型参数的辨识偏差又会导致模型失配从而降低目标状态的估计精度。因此,需要实现再入目标的状态估计和参数辨识的联合优化。针对再入目标弹道系数未知情形,提出了一种基于期望最大化(EM)框架并采用粒子滤波(PF)平滑器实现的PF-EM联合优化算法。在E步基于粒子平滑器得到目标状态的后验平滑估计,M步采用数值优化算法更新上一次迭代的弹道系数,通过E步和M步的不断迭代,以保证状态估计和弹道系数辨识的一致性。算法仿真对比表明:所提算法的状态估计和参数辨识精度均优于传统的状态增广算法。

地面紫外探测高空高速再入目标分析与验证

为验证地面紫外探测系统是否能对臭氧层以上的高空高速再入目标探测成像,分析了高空高速再入目标产生紫外辐射的机理以及进行地面紫外探测的可行性,并在国内某多用途飞船缩比返回舱实验中,利用自研紫外光学成像验证设备开展验证实验,获取了40km以上高空高速再入目标的地面紫外探测图像,依托地面平台成功获取臭氧层以上高空高速目标紫外图像。实验表明,在稀薄大气条件下,高空高速目标可以产生强烈的紫外辐射,利用地面紫外探测器完全可以实现对高空高速再入目标的探测成像,并且能够从背景中有效分离和提取成像目标。对于进一步开展空间紫外探测的实际应用研究和深化紫外探测理论具有十分重要的参考价值。

一种面向临近空间高超声速再入滑翔目标跟踪算法

针对临近空间高超声速再入滑翔目标的跟踪问题,提出了一种基于回顾成本输入估计的无偏转换量测卡尔曼滤波(Retrospective cost input estimation-unbiased converted measurements Kalman filter, RCIE-UCMKF)。首先,根据再入滑翔目标的飞行特性,将加速度看成是未知的确定输入构建运动学跟踪模型;然后,对目标的非线性量测信息进行无偏转换,并将得到的噪声协方差矩阵进行解耦,降低算法的复杂度;最后,利用回顾成本的输入估计对未知加速度进行重构,采用递推最小二乘法更新输入估计器的参数矩阵,同时将估计的加速度引入到卡尔曼滤波框架下,实现对高超声速再入滑翔目标状态的准确估计。仿真结果表明了该算法的有效性和可行性。