一种跟踪临近空间高超声速目标的修正变结构网格交互多模型滤波方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及修正变结构网格交互多模型滤波方法。
【背景技术】
[0002] 临近空间高超声速滑翔弹头是一种能够在临近空间无动力滑翔数千至一万余公 里，并具有较强的机动能力和突防性能，它能够携带核弹头或常规弹头实施远距离快速打 击，具有较高的升阻比，可在大气层内长时间飞行，其运动轨迹往往呈现出"跳跃"特征。临 近空间高超声速巡航导弹在临近空间巡航飞行时，其机动模式为侧向摆式机动，高度和速 度基本保持不变。
[0003] 从国内外目前机动目标跟踪问题的研宄情况来看，多采用基于单模型，例如 Singer模型和Jerk模型的跟踪滤波算法，以及固定结构交互式多模型算法或传统变结构 交互多模型算法。单模型滤波算法难以覆盖目标可能采取的机动形式，跟踪误差大，固定结 构交互式多模型算法存在模型需求量大、计算量大、模型之间转换过程计算效率低等问题， 传统变结构交互多模型算法存在模型后验概率精确度较低且模型之间的切换需要一定时 延的问题，导致单模型滤波算法、固定结构交互式多模型算法以及传统变结构交互多模型 算法无法实现高精度、快速跟踪临近空间高超声速机动目标，因此基于单模型滤波算法、固 定结构交互式多模型算法以及传统变结构交互多模型算法无法实现高精度、快速跟踪临近 空间高超声速机动目标，需要提出一种新的跟踪滤波方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有单模型滤波算法、固定结构交互式多模型算法以及 传统变结构交互多模型算法无法实现高精度、快速跟踪临近空间高超声速机动目标的问 题，而提出了一种跟踪临近空间高超声速目标的修正变结构网格交互多模型滤波方法。
[0005] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 步骤一、建立惯性参考坐标系，并在惯性参考坐标系中建立目标机动运动的状态 方程，即匀速转弯模型和机动目标当前统计模型，构成目标运动模型库；
[0007] 步骤二、中心模型采用步骤一中的机动目标当前统计模型，左转弯模型和右转弯 模型采用步骤一中的匀速转弯模型；
[0008] 步骤三、基于步骤一中的惯性参考坐标系确定目标跟踪系统测量模型；
[0009] 步骤四、将步骤二中的左转弯模型、中心模型和右转弯模型分别作为状态方程与 步骤三中的目标跟踪系统测量模型相结合，采用离散型推广卡尔曼滤波进行计算，并根据 计算结果对左转弯模型和右转弯模型的网格中心和网格距离重新调整，然后进行状态估计 和误差协方差矩阵融合。
[0010] 发明效果
[0011] 采用本发明的一种跟踪临近空间高超声速目标的修正变结构网格交互多模型滤 波方法，基于修正变结构网格算法，提供一种跟踪临近空间高超声速机动目标的交互多模 型滤波方法，该方法采用机动目标当前统计模型，左右两边采用自适应转弯模型，从而得到 基于修正变结构网格算法的临近空间机动目标交互多模型跟踪滤波方法。该方法采用推 广卡尔曼滤波算法得到各状态变量估计，随后进行网格中心和网格距离重新调整，根据没 有跳跃、向左跳变、向右跳变的转弯速率公式，得出状态估计和误差协方差矩阵融合计算结 果。相比于传统变结构多模型方法，该方法对临近空间机动目标的跟踪精度更高。解决以往 单模型滤波算法存在的难以覆盖目标可能机动形式，跟踪误差大等问题，固定结构交互式 多模型算法存在的模型需求量大、计算量大、模型之间转换过程计算效率低的问题，以及传 统变结构交互多模型算法存在模型后验概率精确度较低且模型之间的切换需要一定时延， 导致单模型滤波算法、固定结构交互式多模型算法以及传统变结构交互多模型算法无法实 现高精度、快速跟踪临近空间高超声速机动目标的问题。
[0012] 在X-51A等高飞行时横向机动试验中，从表1可以看出，三个方向MVSMM算法加 速度估计误差均比其余两种滤波算法的误差要小，说明在该种机动模式下使用MVSIMM算 法能够得到较高的跟踪滤波精度，可以实现较高精度跟踪临近空间目标飞行器。MVSIMM算 法在X轴方向的加速度均方根误差比IMM-UKF算法少0.41，MVSMM算法在X轴方向的加 速度均方根误差比IMM-PF算法少1. 21，MVSMM算法在Y轴方向的加速度均方根误差比 IMM-UKF算法少2. 82，MVSI丽算法在Y轴方向的加速度均方根误差比IMM-PF算法少4. 81， MVSI丽算法在Z轴方向的加速度均方根误差比IMM-UKF算法少1. 84,，MVSI丽算法在Z轴 方向的加速度均方根误差比IMM-PF算法少4. 07, MVSIMM算法在Z轴方向的加速度均方根 误差率比IMM-PF算法减少了 29%。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明流程图；
[0014] 图2为三维双站测量系统示意图，X为惯性参考坐标系X轴坐标，Y为惯性参考坐 标系y轴坐标，Z为惯性参考坐标系z轴坐标，α为高低角，β为方位角，r为观测站到目 标的距离，T为采样周期，V t为目标飞行速度，0为惯性参考坐标系中心；
[0015] 图3为X-51A纵向等高飞行轨迹图；
[0016] 图4为X-51A横侧向机动飞行轨迹图，横坐标为惯性参考坐标系X轴坐标，纵坐标 为惯性参考坐标系z轴坐标。
[0017] 图5为X-51A等高飞行且横向机动时X方向加速度估计图；
[0018] 图6为X-51A等高飞行且横向机动时y方向加速度估计图；
[0019] 图7为X-51A等高飞行且横向机动时z方向加速度估计图；
[0020] 图8为HTV-2常值攻角和常值倾斜角飞行轨迹图；
[0021] 图9为HTV-2常值攻角和常值倾斜角飞行时X方向加速度估计图；
[0022] 图10为HTV-2常值攻角和常值倾斜角飞行时y方向加速度估计图；
[0023] 图11为HTV-2常值攻角和常值倾斜角飞行时z方向加速度估计图；
[0024] 图12为HTV-2最大升阻比和常值倾斜角飞行轨迹图；
[0025] 图13为HTV-2最大升阻比和常值倾斜角飞行时X方向加速度估计图；
[0026] 图14为HTV-2最大升阻比和常值倾斜角飞行时y方向加速度估计图；
[0027] 图15为HTV-2最大升阻比和常值倾斜角飞行时z方向加速度估计图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0028] 一：结合图1说明本实施方式，一种跟踪临近空间高超声速目标的 修正变结构网格交互多模型滤波方法，具体是按照以下步骤进行的：
[0029] 步骤一、建立惯性参考坐标系，并在惯性参考坐标系中建立目标机动运动的状态 方程，即匀速转弯模型和机动目标当前统计模型，构成目标运动模型库；
[0030] 步骤二、中心模型采用步骤一中的机动目标当前统计模型，左转弯模型和右转弯 模型采用步骤一中的匀速转弯模型，通过中心模型、左转弯模型和右转弯模型构成修正变 结构滤波器；
[0031] 步骤三、基于步骤一中的惯性参考坐标系确定目标跟踪系统测量模型；
[0032] 步骤四、将步骤二中的左转弯模型、中心模型和右转弯模型分别作为状态方程与 步骤三中的目标跟踪系统测量模型相结合，采用离散型推广卡尔曼滤波进行计算，并根据 计算结果对左转弯模型和右转弯模型的网格中心和网格距离重新调整，然后进行状态估计 和误差协方差矩阵融合。
【具体实施方式】 [0033] 二：本实施方式与一不同的是：所述步骤一中建立惯 性参考坐标系，并在惯性参考坐标系中建立目标机动运动的状态