異步多傳感器數據融合算法分析

摘要：多傳感器系統中各傳感器工作是異步的，本文從同步融合算法入手，推導出一種優化的異步融合算法。在該異步融合算法基礎上對多部雷達異步仿真數據進行融合，證實了該異步融合算法的可行性。

關鍵詞：多傳感器系統機動目標跟蹤異步航跡信息融合

0 引言

以信息技術為代表的現代科學技術在軍事領域中的廣泛應用，使得現代戰爭突破傳統模式，發展成為陸、海、空、天、電磁五位一體的立體戰爭。必須利用多傳感器提供的觀測數據，實時地進行目標檢測和信息綜合處理，以便及時、準確地跟蹤識別各種敵對目標，獲得狀態估計、目標屬性、態勢評估、威脅估計等作戰信息，因而多傳感器信息融合技術在指揮信息系統中的應用變得更加重要，而異步航跡的融合問題是實際工程中常見的迫切需要解決的難點問題。

1 問題描述

假設對一個機動目標進行跟蹤，目標運動用下述線性方程描述：

其中k≥0是離散時間變量，xk是k時刻的狀態向量，目標運動的初始狀態為x0，x0應滿足以下條件： ，，

是系統轉移矩陣。ωk是均值為零的高斯自噪聲序列，各時刻的過程噪聲ωk是相互獨立的，它滿足如下特性：

采用分布式多傳感器動態系統對目標進行跟蹤，各傳感器有著不同的通信延遲，各傳感器的測量方程可表示為：

zik是第i傳感器在各時刻的測量向量，Hik是測量矩陣。測量噪聲vik是均值為零的高斯白噪聲序列，各時刻的vil是相互獨立的，且滿足以下特性：

2 算法描述

該算法的基本思想是：首先獲得k-1時刻狀態xk-1基于全局的估計值■k-1，k-1及相應的誤差協方差Pk-1，k-1，則隨著時間的向前推移，依次遞推分別對■k-1，k-1進行解算，得到ti時刻狀態估計和相應的誤差協方差，通過迭代到達k時刻，利用分層融合算法得到的全局估計和估計誤差協方差。

異步估計融合算法推導步驟如下：

2.1 通過系統狀態方程，融合中心計算出下一步預測值■k，k-1和相應的預測誤差協方差陣Pk，k-1。

2.2 在ti時刻采樣，融合中心將得到各傳感器節點的測量信息代入到求解■k-1，k-1式中，得到相應時刻的狀態估計 和誤差協方差 。

因為 ，，

所以有 ，

2.3 利用異步融合公式，進行迭代，可得全局估計■k，k和相應估計誤差協方差Ｐk，k

異步融合算法的執行流程如下：在其融合周期T內，通過各傳感器觀測到的測量值，依次對該時刻的目標狀態進行估計和融合，得到每個傳感器的局域估計。然后將這些局域估計送到融合中心，融合中心處理傳感器節點的數據， 將來自傳感器節點的數據融合為一個當前時刻航跡點。融合中心返回當前時刻的位置到各傳感器節點， 傳感器節點將其作為下一時刻初始值。當融合周期T時刻到達時，這樣就可以得到目標狀態基于全局估計信息的估計值。

3 仿真及結論

當目標做兩種典型飛行航跡條件下分別進行仿真測試，驗證文中所給異步融合算法的有效性。設多傳感器系統由兩部低精度雷達組成，局部傳感器采樣時間均為0.3s，有著不同的通信延遲，融合中心的采樣間隔為0.35s。航路時間為40s，距離、方位角和高低角的測量精度分別為20m、7mil、7mil。目標跟蹤時間40s，進行100次Monte-Carlo仿真實驗。

航跡一：目標作勻加速飛行

目標飛行的初始位置設為(-3000m，-4000m，1000m)，初速度大小為(50m/s，50m/s，0m/s)，在x方向以加速度大小為15m/s2作勻加速飛行。

仿真結果如下：

航跡二：目標作蛇形飛行

目標飛行的初始位置設為(8000m，8000m，2000m)，在0s-8s以(-80m/s，-80m/s，0m/s)的速度作勻速飛行，在8s-16s以轉彎速率為0.175rad/s作轉彎機動，在16s-24s作勻速飛行，在24s-32s以轉彎速率為-0.175rad/s作轉彎機動，在32s-40s作勻速運動。

仿真結果如下：

仿真結論：采用該異步融合算法跟蹤目標的位置、速度、高低角、方位角估計，通過表1和表2的比較，可以看出，如果兩部雷達之間不同步，融合跟蹤目標的位置、俯仰角、偏航角的均方根誤差明顯降低，融合精度都好于任何局部單傳感器的濾波精度。該異步融合算法的計算量小于目前一些研究的同步融合算法，具有良好的使用價值。

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