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基于深度聚类的极坐标动态规划无源协同定位方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2017-04-07
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2017-09-12
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2020-06-23
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2037-04-07
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201710225331.9 申请日 2017-04-07
公开/公告号 CN107064865B 公开/公告日 2020-06-23
授权日 2020-06-23 预估到期日 2037-04-07
申请年 2017年 公开/公告年 2020年
缴费截止日
分类号 G01S5/00G06K9/62 主分类号 G01S5/00
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 0
权利要求数量 1 非专利引证数量 0
引用专利数量 0 被引证专利数量 0
非专利引证
引用专利 被引证专利
专利权维持 5 专利申请国编码 CN
专利事件 转让 事务标签 公开、实质审查、授权、权利转移
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 杭州电子科技大学 当前专利权人 河北凯通信息技术服务有限公司
发明人 郭云飞、张沛男、薛安克、彭冬亮、左燕 第一发明人 郭云飞
地址 浙江省杭州市下沙高教园区2号大街 邮编 310018
申请人数量 1 发明人数量 5
申请人所在省 浙江省 申请人所在市 浙江省杭州市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
杭州君度专利代理事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
杜军
摘要
本发明提出一种基于深度聚类的极坐标动态规划无源协同定位方法。该方法首先提出了环境变量学习过程,用以确定空间转移伸缩量,并结合误差传递理论求出非线性测量空间内有效转移范围。第二,首次在极值理论确定的回溯阈值内加入抗干扰因子,最终确定基于深度聚类的动态规划算法的回溯阈值。第三,提出一种基于深度聚类的动态规划算法,在测量空间进行目标检测与跟踪。最后,对目标状态进行扩维,从而包括辐射源状态,并提出一种基于关联预测协方差的扩展卡尔曼滤波算法,对扩维后的状态进行联合估计。
  • 摘要附图
    基于深度聚类的极坐标动态规划无源协同定位方法
  • 说明书附图:图1
    基于深度聚类的极坐标动态规划无源协同定位方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2022-05-20 专利权的转移 登记生效日: 2022.05.07 专利权人由杭州电子科技大学变更为河北凯通信息技术服务有限公司 地址由310018 浙江省杭州市下沙高教园区2号大街变更为073000 河北省保定市定州市商业街与兴定路交叉口北行200米路西(爵仕山小区3幢19层1910号)
2 2020-06-23 授权
3 2017-09-12 实质审查的生效 IPC(主分类): G01S 5/00 专利申请号: 201710225331.9 申请日: 2017.04.07
4 2017-08-18 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.基于深度聚类的极坐标动态规划无源协同定位方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤(1)、通过环境变量学习确定空间转移伸缩量,并求出非线性测量空间内有效转移范围Ψ(zk(i))=[Δγk Δθk],Δγk表示距离差有效转移范围,Δθk为方位角有效转移范围;
1.1首先确定空间转移伸缩量,公式如下:
其中Pk和Pt,k分别表示k时刻目标和辐射源过程噪声协方差矩阵,β表示缩放因子, 和以及 和 分别表示辐射源和目标的横纵坐标速度;
1.2结合误差传递理论,确定有效状态转移范围:
其中Δxk、Δyk、Δxt,k和Δyt,k分别表示目标和辐射源速度所在区间,xk和yk表示k时刻目标的横纵坐标,xt,k和yt,k表示k时刻辐射源横纵坐标,γ表示距离差,θ表示方位角;
步骤(2)、通过基于深度聚类的动态规划算法进行评测函数更新,评测函数是由深度聚类因子以及回波幅值共同构成,深度聚类因子公式如下所示:
其中p(zk(i)/H1)与p(zk(i)/H0)分别表示目标和噪声的概率密度函数,zk(i)表示第k帧第i个状态,H1和H0分别表示测量值源自目标的条件和测量源于噪声的条件,λ和ε均为参数;
评测函数I(zk(i))为:
其中||·||2表示二范数,Ak(i)表示第k帧第i个状态的幅值,zk-1(j)表示第k-1帧第j个状态;
通过构造的评测函数对若干帧观测数据进行批处理,在非线性有效状态转移范围内,若相邻帧的某两个状态的评测函数高于其它的候选状态,则对评价函数进行更新,并记录路径;
步骤(3)、通过极值理论确定回溯阈值,并加入抗干扰因子η进行门限约束,找到所有超过阈值的候选状态;
其中 表示第k帧测量集合的幅值均值, 表示最大概率密度值处的单帧幅值K为观测总帧数,1≤k≤K;
步骤(4)、对所有候选状态进行航迹回溯,得到非线性测量空间的估计航迹;
步骤(5)、对目标和辐射源状态进行统一滤波;
5.1对目标状态和辐射源状态重新组合,生成扩维状态;
5.2通过基于关联预测协方差的扩展卡尔曼滤波算法,对扩维后的状态进行估计,其中第k帧预测协方差矩阵 是由第k-1帧的估计协方差 和第k-2帧的估计协方差 共同构成,公式如下:
其中E为单位矩阵,FA,k-1为k-1帧状态扩维后的状态转移矩阵,wA,k表示第k帧扩维后的过程噪声;
通过该滤波算法,对目标和辐射源进行统一滤波估计,从而降低目标和辐射源的跟踪误差。
说明书

技术领域

[0001] 本发明属于目标检测跟踪领域,涉及一种基于深度聚类的极坐标动态规划无源协同定位算法(Deep Clustering-Dynamic Programming-State Augmentation,DC-DP-PCL)。

背景技术

[0002] 无源协同定位(Passive Coherent Location,PCL)技术是指雷达做为接收源不发射大功率电磁波,通过第三方非合作的外辐射源(空中预警机等)发射的电磁波信号来进行目标检测与跟踪。相比于传统的有源雷达,PCL系统成本低,反隐身特性强,自身静默且有较强的生存能力。同时PCL系统可以解决传统无源定位在目标静默时无法定位的问题,受到了国内外学者的广泛持续关注。
[0003] 传统的无源协同定位算法通常假设辐射源状态已知,然而在实际应用场景中外辐射源通常为第三方非合作预警机或者商用电台,无源雷达无法获取辐射源精确状态。如何在外辐射源位置不确定条件下通过无源协同定位技术成为目前亟待解决的问题。扩展状态空间法将辐射源状态并入目标状态中,从而产生更高准确度的估计结果,但该方法的计算复杂度随着目标个数的上升快速增加。修改协方差矩阵方法通过泰勒级数校正观测协方差矩阵,从而将辐射源位置不确定所带来的误差统一纳入观测误差范围,再通过后续PCL定位技术提取目标航迹(如粒子滤波,极大似然概率数据关联等算法)。
[0004] 上述文献所提算法耗时长,算法复杂度高。为解决该难点,本发明提出用基于深度聚类动态规划的状态扩维(Deep Clustering-Dynamic  Programming-State Augmentation,DC-DP-SA)算法在测量空间内进行目标检测跟踪。首先,该算法通过环境变量学习确定空间转移伸缩量,并求出非线性测量空间内有效转移范围。其次,确定基于深度聚类的动态规划算法的回溯阈值,有效降低探测区域内无目标时目标的虚假航迹检测率。最后,对目标状态进行扩维,从而包括辐射源状态,并通过一种基于关联预测协方差的扩展卡尔曼滤波算法,对扩维后的状态进行联合估计。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种在极坐标测量空间下的动态规划无源协同定位,包括以下步骤:
[0006] 步骤(1)、通过环境变量学习确定空间转移伸缩量,并求出非线性测量空间内有效转移范围。
[0007] 步骤(2)、通过基于深度聚类的动态规划算法进行评测函数更新。
[0008] 步骤(3)、确定基于深度聚类的动态规划算法的回溯阈值。
[0009] 步骤(4)、对所有候选状态进行航迹回溯,得到非线性测量空间的估计航迹。
[0010] 步骤(5)、对目标进行状态扩维,从而将辐射源状态和目标状态统一滤波估计。
[0011] 步骤(1)具体是通过环境变量学习确定空间转移伸缩量,并求出非线性测量空间内有效转移范围:
[0012] Ψ(zk(i))=[Δγk Δθk]  (1)
[0013] 其中Δγk表示距离差有效转移范围,Δθk为方位角有效转移范围;
[0014] 1.1首先确定空间转移伸缩量,公式如下:
[0015]
[0016]
[0017] 其中Pk和Pt,k分别表示k时刻目标和辐射源过程噪声协方差矩阵,β表示缩放因子,和 以及 和 分别表示辐射源和目标的横纵坐标速度。
[0018] 1.2结合误差传递理论,确定有效状态转移范围:
[0019]
[0020]
[0021] 其中Δxk、Δyk、Δxt,k和Δyt,k分别表示目标和辐射源速度所在区间,xk和yk表示k时刻目标的横纵坐标,xt,k和yt,k表示k时刻辐射源横纵坐标,γ表示距离差,θ表示方位角;
[0022] 步骤(2)具体是通过基于深度聚类的动态规划算法进行评测函数更新,评测函数是由深度聚类因子以及回波幅值共同构成,深度聚类因子公式如下所示:
[0023]
[0024] 其中p(zk(i)/H1)与p(zk(i)/H0)分别表示目标和噪声的概率密度函数,zk(i)表示第k帧第i个状态,H1和H0分别表示测量值源自目标的条件和测量源于噪声的条件,λ和ε均为参数;
[0025] 评测函数I(zk(i))为:
[0026]
[0027] 其中||·||2表示二范数,Ak(i)表示第k帧第i个状态的幅值,zk-1(j)表示第k-1帧第j个状态;
[0028] 通过构造的评测函数式(7)对若干帧观测数据进行批处理,在非线性有效状态转移范围式(1)内,若相邻帧的某两个状态的评测函数高于其它的候选状态,则对评价函数进行更新,并记录路径;
[0029] 步骤(3)具体是通过极值理论确定回溯阈值,并加入抗干扰因子η进行门限约束,找到所有超过阈值的候选状态;
[0030]
[0031] 其中 表示第k帧测量集合的幅值均值, 表示最大概率密度值处的单帧幅值,K为观测总帧数,1≤k≤K;
[0032] 步骤(4)具体是对所有候选状态进行航迹回溯,得到非线性测量空间的估计航迹。
[0033] 步骤(5)具体是对目标和辐射源状态进行统一滤波:
[0034] 5.1对目标状态和辐射源状态重新组合,生成扩维状态。
[0035] 5.2通过一种基于关联预测协方差的扩展卡尔曼滤波算法,对扩维后的状态进行估计,其中第k帧预测协方差矩阵 是由第k-1帧的估计协方差 和第k-2帧的估计协方差共同构成,公式如下:
[0036]
[0037] 其中E为单位矩阵,FA,k-1为k-1帧状态扩维后的状态转移矩阵,wA,k表示第k帧扩维后的过程噪声;
[0038] 通过上述滤波算法,对目标和辐射源进行统一滤波估计,从而降低目标和辐射源的跟踪误差。
[0039] 与现有技术相比,本发明能够有大幅提高运行时间,算法复杂度低,有效提高辐射源位置不确定下无源协同定位系统的目标跟踪性能,并在不依靠先验信息的条件下确定航迹回溯阈值。

实施方案

[0041] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
[0042] 基于DC-DP-SA的PCL定位算法的基本思想为:对于极坐标下的测量数据,通过DC-DP-TBD算法构建评测函数,并对评测函数进行幅值积累和航迹回溯,在误差传递理论(Error Propagation,EP)新建空间转移伸缩量,从而优化DP-TBD在非线性测量空间内的有效状态转移范围,同时在极值理论(Extreme Value Theory,EVT)确定DP-TBD的回溯阈值中加入抗干扰因子,以此优化阈值的稳定性。再通过SA方法将辐射源状态纳入目标状态中,并通过基于关联预测协防差的扩展卡尔曼滤波算法对目标和辐射源状态进行统一滤波估计,从而实现弱目标检测与跟踪以及辐射源状态的预测。
[0043] 记I(zk(i))表示zk(i)的幅值积累函数,具体算法见图1,步骤如下:
[0044] Step1、初始化:对于k=1帧,遍历所有候选状态z1(i),令I(z1(i))=A1(i)且δ(z1(i))=0。
[0045] 对于k>1帧,遍历k时刻的zk(i)。若zk(i)的有效状态转移范围内存在k+1帧的zk+1(j),则进行幅值积累,否则对其预测k+1帧状态并进行幅值积累,即该状态是由前一时刻状态预测形成,则不进行幅值积累。
[0046] Step2、幅值积累:遍历k时刻的zk(i)并更新评测函数I(zk(i)):
[0047]
[0048]
[0049] 其中δ(zk+1(j))为可能转移到zk+1(j)的k帧观测值坐标集合,||·||2表示二范数,H(zk(i))表示深度聚类因子,表达式如下:
[0050]
[0051] 其中p(zk(i)/sk)与p(zk(i)/H0)分别表示目标和噪声的概率密度函数,λ和ε均为参数,Ψ(zk(i))=[ΔγkΔθk]表示有效状态转移范围,Δγk和Δθk的表达式为:
[0052]
[0053]
[0054] 其中 表示γ关于xk的偏导,Δxk表示相邻帧的目标横坐标位置差,依此类推。ψt,k和ψk为空间转移伸缩量,公式如下:
[0055]
[0056]
[0057] Step3、终止条件:通过极值理论求回溯阈值V,并找到所有满足下列条件的终端候选状态
[0058]
[0059] 考虑观测系统的不稳定型,加入抗干扰因子η对阈值进行约束。单帧的杂波幅值关于虚警率PFT的函数为:
[0060]
[0061]
[0062] K是观测帧数, 表示第k帧测量集合的幅值均值, 表示最大概率密度值处的单帧幅值,an和un是参数,通过以下公式用迭代方法估计:
[0063]
[0064]
[0065] 其中A表示回波幅值, c表示采样数,V表示最终确定的回溯阈值。
[0066] Step4、航迹回溯:假设上式存在若干个 分别对每个 在k=K-1,K-2,…1时求 得到测量空间的估计航迹
[0067] Step5、状态扩维:在PCL系统中测量值和辐射源状态均对目标定位有影响,因此本文将辐射源状态纳入目标状态内,组成扩维状态,记为XA,k=[Xk,Xt,k]T,动态方程记为:
[0068] XA,k+1=FA,k+1XA,k+wA,k+1  (20)
[0069] 其中FA,k+1表示扩维状态转移矩阵,记为FA,k+1=diag{Fk+1,Ft,k+1},wA,k+1=diag{wk+1,wt,k+1}表示扩维后的过程噪声。
[0070] Step6、估计目标和辐射源状态:当辐射源状态不确定时若仅考虑其均值而不考虑其过程噪声,则目标的跟踪性能将会快速下降,因此将辐射源过程协方差做为初始预测协方差,并对扩维的状态采用基于关联预测协方差的扩展卡尔曼滤波算法进行目标和辐射源状态的联合估计。记第k帧的预测协方差和估计协方差为 和 其中 是由第k-1帧的估计协方差 和第k-2帧的估计协方差 共同构成。状态预测值和估计值分别为 和基于关联预测协方差的扩展卡尔曼滤波算法如下:
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076] 其中E为单位矩阵,Hk+1表示测量方程的雅可比矩阵,vk表示第k帧的测量方程协方差矩阵, 表示估计航迹的第k帧测量值,Kkalman为卡尔曼增益。上述滤波算法对目标和辐射源状态进行统一滤波,从而降低了由辐射源不确定带来的目标跟踪误差。

附图说明

[0040] 图1为本发明流程图。
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