李彬, 丁國斌
(1.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東,廣州 510663;2.廣州致訊信息科技有限責(zé)任公司,廣東,廣州 510700)
無人機(jī)需求數(shù)量增長迅猛,集群無人機(jī)的區(qū)域?qū)Ш揭殉蔀闊狳c[1]。因此,傳統(tǒng)的信號提取方法已經(jīng)無法解決無人機(jī)在區(qū)域?qū)Ш竭^程中面臨的復(fù)雜問題[2]。目前國內(nèi)研究人員著重于研究簡單高效的信號特征提取模型。
其中,胡橋等[3]提出基于提升小波包變換集成特征提取模型構(gòu)建方法。該方法構(gòu)建了適于在線提取的信號特征參數(shù)體系。依據(jù)小波包變換的性質(zhì)對特征提取與消除波動進(jìn)行分解重構(gòu),建立信號的集成特征提取模型。但由于在獲取定位信號時沒有對集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降碾S機(jī)噪聲與濾波進(jìn)行改善所以導(dǎo)致構(gòu)建模型時花費時間長、構(gòu)建效率低。雷良金等[4]提出基于徑向基函數(shù)的定位信號特征提取模型構(gòu)建方法。該方法對信號進(jìn)行檢測分析,建立二維有限模型采集不同速度下的信號,將信號輸入RBI網(wǎng)絡(luò)內(nèi),構(gòu)建信號的特征提取模型。該模型在獲取定位信號時沒有運用算法對區(qū)域?qū)Ш街卸嗄繕?biāo)和概率的密度進(jìn)行計算,導(dǎo)致構(gòu)建特征提取模型的構(gòu)建時間長,特征提取不準(zhǔn)確率。丘愷彬等[5]提出基于梅爾頻率倒普系數(shù)的特征提取模型構(gòu)建方法。該方法根據(jù)梅爾頻率的倒普系數(shù)對信號進(jìn)行提取,依據(jù)主成分分析法對特征集進(jìn)行融合,利用分類器構(gòu)建信號特征提取模型。由于在獲取定位信號時沒有運用GM-CBMeMBer算法進(jìn)行高斯項的剪枝合并,導(dǎo)致該模型在進(jìn)行特征提取時的識別率差。
為解決集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш街须S機(jī)干擾與統(tǒng)計特性未知、查找信號困難等問題[6],研究利用GM-CBMeMBer算法特征提取模型集群,利用高斯項剪枝合并,高效提取特征提取模型,有效解決提取時間長,提取不準(zhǔn)確的問題。
利用GM-CBMeMBer算法的衰減因子對Kalman濾波器進(jìn)行改善,對無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш街械脑肼曌兓M(jìn)行實時動態(tài)調(diào)整,抑制濾波器發(fā)散。采用高斯項的剪枝合并技術(shù)精確獲取集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш街械亩ㄎ恍盘枴?/p>

圖1 GM-CBMeMBer算法流程圖
利用GM-CBMeMBer算法計算區(qū)域?qū)Ш街须S機(jī)噪聲的大小,聯(lián)合剪枝合并技術(shù),精準(zhǔn)獲取區(qū)域?qū)Ш街械亩ㄎ恍盘朳7]。
具體過程如下。
根據(jù)誤差協(xié)方差與新息協(xié)方差,可知:
(1)



(2)
其中,Yi為區(qū)域?qū)Ш街械男孪⑾蛄浚薻-1為導(dǎo)航中時刻k-1的衰減因子。導(dǎo)航中αk的值如下式表示:
(3)

(4)
由結(jié)果可知,αk的新息協(xié)方差變化由λk的誤差協(xié)方差的影響造成的。集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш街腥笔У男畔⒖梢酝ㄟ^對誤差協(xié)方差的擴(kuò)大來實現(xiàn)。過程如下式:
(5)

根據(jù)最終獲取的新息協(xié)方差以及衰減因子對濾波進(jìn)行簡單計算獲得集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘枴?/p>
將高斯項數(shù)目加以限制,控制導(dǎo)航過程中濾波數(shù)目的無限制增加,在更新流程之后對計算結(jié)果進(jìn)行剪枝合并處理,過程如下。
(1)設(shè)定高斯項數(shù)目的最大限值Tmax,去掉多余高斯項數(shù)目,以此限制高斯項的無限制增加。
(2)設(shè)定集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降暮桔E門限值T_threshold并刪除導(dǎo)航過程中存在概率小于T_threshold的假設(shè)航跡。
(3)設(shè)定構(gòu)建集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降母咚鬼楅T限elim_threshold,保留大權(quán)值的高斯項,相近或相同的高斯項取平均值。對改善后的濾波進(jìn)行簡單計算,以此獲取集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘枴?/p>
利用Fisher準(zhǔn)則中的Foley-Sammon鑒別變換準(zhǔn)則對無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘栠M(jìn)行特征提取模型。
觀察獲取的無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍盘柌⑵渑帕袨橐粚捚椒€(wěn)的隨機(jī)時間序列,用下式來擬合:
(6)
其中,N為定位信號的樣本點數(shù),ai為定位信號的待定參數(shù)模型,p為定位信號模型階數(shù),αt為殘差,且測定的定位信號樣本數(shù)據(jù)xt均已作為均值歸零處理。
獲取區(qū)域?qū)Ш街卸ㄎ恍盘栃蛄械墓β首V。
將特征矢量從高維投影到鑒別矢量上,以此構(gòu)建低維特征空間,讓集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍盘柕奶卣髯R別在低維中進(jìn)行。利用Fisher準(zhǔn)則對集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍盘柕奶卣鬟M(jìn)行降維、壓縮,最終得到集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍盘柕奶卣魈崛∧P汀?/p>
具體過程如下。

設(shè)SB為無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ恍盘柕哪繕?biāo)項散射矩陣,SW則為總目標(biāo)中的類別散射矩陣。Ami為AR模型中i類目標(biāo),在集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘栠M(jìn)行模型提取中,分別為

(7)
運用Rayleigh的商,Lagrange乘子法求解極大值點,使其分母等于一個非零常數(shù)α,Lagrange函數(shù)則為
L(W,λ)=WTSBW-λ(WTSWW-α)
(8)
其中,λ是Lagrange函數(shù)的乘子。
求解L(W,λ)的極值問題,在偏導(dǎo)為零的情況下,W偏導(dǎo)為
SBW=λSWW
(9)

通過預(yù)期中定位信號的c-1個最佳鑒別矢量,對應(yīng)較大的c-1特征值的特征向量進(jìn)行求解,過程如下式:
(SB-λiSW)Wi=0
(10)
求解后,獲取的構(gòu)成定位信號中c-1維的最佳辨識矢量空間W,則:
W={W1,W2,…,Wc-1}
(11)
將W空間中的每個Wi軸與Ami作正交投影,得到定位信號的特征提取模型:
Tmi=WTAmi
(12)
由c-1維的列矢量構(gòu)成Tmi,最終得到低維的有效特征矢量,以此構(gòu)建集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘柼卣魈崛∧P汀?/p>
為了驗證集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘柼卣魈崛∧P蜆?gòu)建方法的整體有效性,對此方法進(jìn)行測試。實驗環(huán)境:采用的操作系統(tǒng)為Windows7,CPU為Pentium(R)Dual-Core,無人機(jī)型號為大疆精靈phantom3。
分別采用基于GM-CBMeMBer算法的集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘柼卣魈崛∧P蜆?gòu)建方法(方法1)、基于提升小波包變換集成特征提取模型構(gòu)建方法(方法2)以及基于徑向基函數(shù)的定位信號特征提取模型構(gòu)建方法(方法3)進(jìn)行測試。
(1)利用同一型號的無人機(jī)進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 信號特征提取模型構(gòu)建時間測試結(jié)果
由圖2可知,方法1雖然在測試初期構(gòu)建模型時間高于方法3,但是隨著測試次數(shù)的增多模型構(gòu)建時間逐漸低于方法2和方法3。主要由于方法1利用了GM-CBMeMBer算法,在集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш竭^程中通過計算獲取更新后的新息協(xié)方差與衰減因子,并及時對信號進(jìn)行查找,以此獲取定位信號。該算法簡化了算法過程、縮短了模型的構(gòu)建時間。
(2)依據(jù)相同的無人機(jī)型號,對三種特征提取模型的精準(zhǔn)度進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 特征提取方法的精準(zhǔn)度測試結(jié)果
由圖3可知,方法1的精準(zhǔn)度測試更穩(wěn)定。因為方法1在集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш綍r對濾波進(jìn)行了高斯項剪枝合并處理,抑制了濾波發(fā)散,提高了濾波精度,獲取的信號精度也隨之提高。所以在構(gòu)建定位信號特征提取模型時使用的時間短,特征提取的精準(zhǔn)度高。
(3)依據(jù)上述測試結(jié)果對三種方法的識別率進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 特征提取模型的識別率測試結(jié)果
由圖4可知,方法1的識別率優(yōu)于方法2與方法3,使模型的識別率平穩(wěn)保持在75%。方法2的識別率在測試前期要高于方法1,但隨著測試的次數(shù)增加方法2的識別率快速下降,測試效果較差。利用方法1可以獲得高精度的定位信號,再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行特征壓縮獲得特征提取模型,縮減構(gòu)建模型時間的同時提高模型的識別率,提高效率。
本文提出基于GM-CBMeMBer算法的集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘柼卣魈崛∧P蜆?gòu)建方法,該方法在集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш綍r以GM-CBMeMBer算法為基礎(chǔ)對導(dǎo)航中的濾波進(jìn)行改善,計算衰減因子與新息協(xié)方差并對結(jié)果進(jìn)行高斯項的剪枝合并處理,獲取定位信號進(jìn)行特征壓縮,以此構(gòu)建集群無人機(jī)區(qū)域?qū)Ш降亩ㄎ恍盘柼卣魈崛∧P汀?s短構(gòu)建模型的時間,增加特征提取的精準(zhǔn)度和定位信號的識別率。