一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统的制作方法
【专利摘要】一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统，包括天线控制单元、天线驱动单元和天线座；在跟踪模式下，天线控制单元根据接收到的接收机角误差和天线实时角位置，通过Kalman滤波估计所述机动目标的角速度，实现前馈复合控制，输出控制量给天线驱动单元，天线驱动单元根据所述控制量控制天线座运转，直至接收机角误差为零，实现天线跟踪所述机动目标。本发明在自跟踪天线伺服系统中利用Kalman滤波器估计得到的目标角速度信息实现了前馈复合控制，在不影响系统稳定性的基础上，减少系统动态滞后，极大的提高了系统的跟踪精度，实现了自跟踪天线伺服系统的高精度控制。
【专利说明】一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统，属于天线伺服系 统【技术领域】，用于实现机动目标的高精度跟踪，适用于无线电遥测系统中机动目标高精度 跟踪控制的场合。
【背景技术】
[0002] 自跟踪天线伺服系统是无线电遥测系统的重要组成部分。自跟踪天线伺服系统的 主要作用是当目标进入视线范围内时，使接收天线自动搜索并捕获目标，以一定的跟踪精 度连续跟踪目标，使目标始终处于天线主波束的中心线附近，从而以最大接收增益可靠的 连续接收遥测信号。
[0003] 无线电遥测系统中调频遥测接收机输出至自跟踪天线伺服系统的角误差信号中 不可避免的混有热噪声等干扰信息影响天线伺服系统跟踪精度。天线伺服系统在跟踪目标 过程中当目标做较大范围机动时由于动态滞后的存在，导致跟踪精度降低甚至有可能丢失 目标。目前常见的无线电遥测系统并不能完全克服以上问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于Kalman滤波器的 机动目标跟踪控制系统，可以实现机动目标的高精度跟踪，适用于无线电遥测系统中机动 目标1?精度跟踪控制的场合。
[0005] 本发明的技术解决方案为：
[0006] 一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统，包括：天线控制单元、天线驱 动单元和天线座；外部输入的接收机角误差送入天线控制单元，天线座内安装有旋转变压 器，将天线的实时角位置输出给天线控制单元，在跟踪模式下，天线控制单元根据接收到的 接收机角误差和天线实时角位置，通过Kalman滤波估计所述机动目标的角速度，实现前馈 复合控制，输出控制量给天线驱动单元，天线驱动单元根据所述控制量控制天线座运转，直 至接收机角误差为零，实现天线跟踪所述机动目标；
[0007] 所述天线控制单元根据接收到的接收机角误差和天线实时角位置，通过Kalman 滤波估计所述机动目标的角速度，实现前馈复合控制，输出控制量给天线驱动单元具体通 过如下步骤进行：
[0008] (1)计算当前时刻一步预测状态和一步预测误差协方差矩阵：
[0009] 状态一步预测方程为
【权利要求】
1. 一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统，其特征在于包括：天线控制单 元、天线驱动单元和天线座；外部输入的接收机角误差送入天线控制单元，天线座内安装有 旋转变压器，将天线的实时角位置输出给天线控制单元，在跟踪模式下，天线控制单元根据 接收到的接收机角误差和天线实时角位置，通过Kalman滤波估计所述机动目标的角速度， 实现前馈复合控制，输出控制量给天线驱动单元，天线驱动单元根据所述控制量控制天线 座运转，直至接收机角误差为零，实现天线跟踪所述机动目标； 所述天线控制单元根据接收到的接收机角误差和天线实时角位置，通过Kalman滤波 估计所述机动目标的角速度，实现前馈复合控制，输出控制量给天线驱动单元具体通过如 下步骤进行： (1) 计算当前时刻一步预测状态和一步预测误差协方差矩阵： 状态一步预测方程为：Xk/k-l = 0k/k-l$k-l/k-l 其中，Xk/k-1为当前时刻一步预测状态，且为3*1阶矩阵，Xk-l/k-1为上一时刻估计 状态，初始时刻估计状态$0/0为当前时刻实时角位置，Ok/k^为当前时刻系统状态转移矩 阵，其计算方法如下：
其中，T为天线控制单元的闭环周期； 一步预测误差协方差方程为：
其中，Pk/H为一步预测误差协方差矩阵，Ph/H为上一时刻估计误差协方差矩阵，Qk为 状态噪声协方差矩阵； P_为初始时刻的估计误差协方差矩 (2) 对一步预测误差协方差矩阵Pk^1进行UD因式分解，计算预测更新因子Uk^ 1和Dk/ h，U1^1为三阶上三角阵，D1^1为三阶对角阵，对于U k^ D1^1的第3列通过以下方式计 算：
对于矩阵的第j = 2, j = 1列可以通过以下方式计算：
(3) 利用Uw1和Dw1计算量测更新因子Uk/k和Dk/k : 对于η = 3阶矩阵，j = 1、2、3时，三阶对角阵Dk/k按照以下方式计算：
其中，f = U1^1Ht, H 为量测矩阵，g = Dknf, α (〇) = R ; 对于η = 3阶矩阵，i = I, . . . , j-1时,三阶上三角阵Uk/k按照以下方式计算：
(4) 计算滤波增益矩阵Kk和估计协方差矩阵Pk/k : 通过公式Kk = α (3Γ1 [V (I) V (2) V (3) ]τ计算滤波增益矩阵Kk，Kk为3*1阶矩阵； 通过公式Pk/k = Uk/kDk/kU；[/k计算估计协方差矩阵Pk/k，提供给步骤（1)用于计算 下一时刻的一步预测误差协方差矩阵； (5) 根据接收到的接收机角误差和天线实时角位置，通过公式 0k = Gif + Δθ" 计算目标角位置ek，其中，θ^1为天线实时角位置，λ ek接收机输出的目标相对于天 线波束中心的角误差，以合成的目标角位置Θ k作为Kalman滤波器的输入； (6) 判断I dk|2 > m2Sk是否成立，如果成立，则认为该次测量值为野值，更新Kk，即令 Kk(I) =0,之后进入步骤（7);如果不成立，则认为该次测量值为正常值，Kk不更新，之后进 入步骤（7);其中，d k为预测残差，Sk为预测残差协方差矩阵，m为常数； dk = Zk - HXk/k-! Sk = HP1^1Ht+!? 其中，Zk= 0k; (7) 利用Sk和dk计算目标机动统计距离函数SDk，进而调整实时机动频率ω，之后进入 步骤（8)，同时，实时机动频率ω提供给步骤（1)用于计算下一时刻的状态噪声协方差矩 阵；SDk二ClJsi^dk, ω = SDkGV ω。为机动频率经验值，转弯机动时ω。= 1/60,逃避 机动时％ = 1/20,大气扰动时= 1 ; (8) 利用当前时刻预测状量测更新输入Zk、步骤（6)中得到的滤波增益矩阵 Kk，根据状态估计方程计算当前时刻估计状态^k/k; 状态估计方程：Xk/k = Xk/k-l + Kk(Zk _ HXk/k-l) ; ^k/k⑵即为当前时刻所 述机动目标的角速度； (9) 接收机输出的目标角误差信号作为位置环路PID运算的输入，当前时刻目标估计 角速度又k/k (2)作为前馈复合控制器的输入，前馈复合控制器的输出与位置环路PID运算 的输出叠加作为天线驱动单元的控制量，天线驱动单元根据所述控制量驱动电机带动天线 跟踪机动目标。
2. 根据权利要求1所述的一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统，其特征在 于：所述状态噪声协方差矩阵Qk的计算方法如下：
其中，ω为目标机动频率，W为目标加速度方差，a+_、a__分别为最大正加速度和最 大负加速度，为加速度均值。
3. 根据权利要求1所述的一种基于Kalman滤波器的机动目标跟踪控制系统，其特征在 于：实现所述天线控制单元根据接收到的接收机角误差和天线实时角位置，通过Kalman滤 波估计所述机动目标的角速度，实现前馈复合控制，输出控制量给天线驱动单元的过程中， 如果出现如下所列情况之一则令天线停止对机动目标的跟踪： a、 接收机信号失锁； b、 接收机AGC电压值低于门限。
【文档编号】H01Q3/08GK104377447SQ201410585045
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】马纪军, 贾军, 熊卫红, 马楠, 贾建辉 申请人:北京遥测技术研究所