第十一講航跡融合課件

智能信息處理技術(shù)第十一講航跡融合方法第十一講航跡融合主要內(nèi)容1、航跡融合結(jié)構(gòu)2、航跡融合中的相關(guān)估計(jì)誤差問題

3、航跡狀態(tài)估計(jì)融合

智能信息處理技術(shù)2第十一講航跡融合一、航跡融合結(jié)構(gòu)

1、局部航跡與局部航跡融合結(jié)構(gòu)（傳感器航跡與傳感器航跡融合結(jié)構(gòu)）

2、局部航跡與系統(tǒng)航跡融合結(jié)構(gòu)智能信息處理技術(shù)3第十一講航跡融合1、局部航跡與局部航跡融合圖中上一行和下一行的圓圈表示兩個(gè)局部傳感器的跟蹤外推節(jié)點(diǎn)，中間一行的圓圈表示融合中心的融合節(jié)點(diǎn)。由左到右表示時(shí)問前進(jìn)的方向。智能信息處理技術(shù)4第十一講航跡融合特點(diǎn)1）不同傳感器的局部航跡在公共時(shí)間上在融合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合形成系統(tǒng)航跡；2）該結(jié)構(gòu)在航跡融合過程中沒有利用前一時(shí)刻的系統(tǒng)航跡的狀態(tài)估計(jì)；智能信息處理技術(shù)5第十一講航跡融合3）結(jié)構(gòu)不涉及相關(guān)估計(jì)誤差的問題，是一個(gè)無存儲(chǔ)運(yùn)算；4）關(guān)聯(lián)和航跡估計(jì)誤差并不由一個(gè)時(shí)刻傳送到下一個(gè)時(shí)刻；智能信息處理技術(shù)6第十一講航跡融合5）運(yùn)算簡(jiǎn)單，不考慮信息去相關(guān)的問題；6）由于沒有利用系統(tǒng)航跡融合結(jié)果的先驗(yàn)信息，性能可能不如局部航跡與系統(tǒng)航跡融合結(jié)構(gòu)。智能信息處理技術(shù)7第十一講航跡融合2、局部航跡與系統(tǒng)航跡的融合智能信息處理技術(shù)8第十一講航跡融合特點(diǎn)1）只要融合中心節(jié)點(diǎn)收到一組局部航跡，融合算法就把前一時(shí)刻的系統(tǒng)航跡的狀態(tài)外推到接受局部航跡的時(shí)刻；2）與新收到的局部航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合，得到當(dāng)前的系統(tǒng)航跡的狀態(tài)估計(jì)，形成系統(tǒng)航跡；3）收到另一組局部航跡時(shí)，重復(fù)以上過程；智能信息處理技術(shù)9第十一講航跡融合4）必須面對(duì)相關(guān)估計(jì)誤差的問題；圖中，A點(diǎn)的局部航跡與在B點(diǎn)的系統(tǒng)航跡存在相關(guān)誤差，因?yàn)樗鼈兌寂cC點(diǎn)的信息有關(guān)。實(shí)際工作中，系統(tǒng)航跡中的任何誤差，由于過去的關(guān)聯(lián)或融合處理誤差，都會(huì)影響未來的融合性能。必須采用去相關(guān)算法消除相關(guān)誤差。智能信息處理技術(shù)10第十一講航跡融合二、航跡融合中的相關(guān)估計(jì)誤差問題出現(xiàn)形式：

1）兩個(gè)被融合航跡的估計(jì)誤差是不相關(guān)的，融合相對(duì)比較簡(jiǎn)單。估計(jì)看作具有獨(dú)立誤差的觀測(cè)，跟其他估計(jì)融合?？衫脴?biāo)準(zhǔn)的方法，如關(guān)聯(lián)和卡爾曼濾波法進(jìn)行航跡融合運(yùn)算。

2）兩條航跡的估計(jì)誤差間存在相關(guān)性問題。智能信息處理技術(shù)11第十一講航跡融合1、兩條航跡存在先驗(yàn)的公共信息源智能信息處理技術(shù)12第十一講航跡融合特點(diǎn)1）局部航跡與系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián)的時(shí)候往往出現(xiàn)兩條航跡存在先驗(yàn)的公共信息源的情況；2）假定航跡已經(jīng)被送到公共的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；3）融合節(jié)點(diǎn)包含了預(yù)處理的全部信息，即包括點(diǎn)跡／觀測(cè)和航跡；智能信息處理技術(shù)13第十一講航跡融合4）傳感器航跡估計(jì)和系統(tǒng)航跡估計(jì)均包括以前送過來的傳感器航跡估計(jì)。5）信息圖流程中，只要由觀測(cè)／點(diǎn)跡到融合節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)路徑，就存在與該信息源的相關(guān)。智能信息處理技術(shù)14第十一講航跡融合2、由公共過程噪聲而產(chǎn)生的相關(guān)估計(jì)誤差

公共過程噪聲形成原因：傳感器航跡與傳感器航跡融合過程中，當(dāng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)特性不確定時(shí)，形成公共的過程噪聲。

智能信息處理技術(shù)15第十一講航跡融合作用：公共過程噪聲使來自兩傳感器航跡的測(cè)量不獨(dú)立，導(dǎo)致來自兩個(gè)傳感器的估計(jì)誤差不獨(dú)立。在對(duì)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)以及在對(duì)已關(guān)聯(lián)上的狀態(tài)進(jìn)行組合時(shí)，必須考慮相關(guān)的估計(jì)誤差。智能信息處理技術(shù)16第十一講航跡融合三、航跡狀態(tài)估計(jì)融合航跡融合的主要內(nèi)容：

航跡關(guān)聯(lián)、航跡狀態(tài)估計(jì)與融合協(xié)方差計(jì)算航跡關(guān)聯(lián)說明兩航跡以較大的概率來自同一目標(biāo)，然后對(duì)已關(guān)聯(lián)上的航跡按一定準(zhǔn)則進(jìn)行合并，形成系統(tǒng)航跡；對(duì)融合以后的航跡狀態(tài)和協(xié)方差進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)航跡更新。智能信息處理技術(shù)17第十一講航跡融合說明1）假定兩條航跡i和j，分別有狀態(tài)估計(jì)、誤差協(xié)方差、，互協(xié)方差矩陣2）估計(jì)融合問題：尋找最優(yōu)的估計(jì)和誤差協(xié)方差矩陣P。智能信息處理技術(shù)18第十一講航跡融合3）傳感器到傳感器融合結(jié)構(gòu)中，被融合的兩條航跡均應(yīng)來自兩個(gè)不同的傳感器；4）傳感器航跡到系統(tǒng)航跡融合結(jié)構(gòu)中，兩條航跡中一條是系統(tǒng)航跡，另一條是傳感器航跡。智能信息處理技術(shù)19第十一講航跡融合1、簡(jiǎn)單航跡融合(SF)前提：兩條航跡狀態(tài)估計(jì)的互協(xié)方差可忽略，即智能信息處理技術(shù)20第十一講航跡融合

系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)：系統(tǒng)誤差協(xié)方差：

智能信息處理技術(shù)21第十一講航跡融合假定

則有

其相互關(guān)系見圖智能信息處理技術(shù)22第十一講航跡融合互協(xié)方差為0時(shí)P與P1和P2的關(guān)系智能信息處理技術(shù)23第十一講航跡融合應(yīng)用特點(diǎn)1）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，廣泛采用；2）估計(jì)誤差相關(guān)時(shí)，是準(zhǔn)最佳；3）兩個(gè)航跡都是傳感器航跡，且不存在過程噪聲時(shí)，融合算法是最佳，與利用傳感器觀測(cè)直接融合有同樣結(jié)果；4）融合網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)該有反饋。智能信息處理技術(shù)24第十一講航跡融合一般形式如果該融合系統(tǒng)是由n個(gè)傳感器組成的，很容易將其推廣到一般形式。狀態(tài)估計(jì)：

智能信息處理技術(shù)25第十一講航跡融合每個(gè)傳感器估計(jì)的權(quán)值

誤差協(xié)方差：

智能信息處理技術(shù)26第十一講航跡融合2、協(xié)方差加權(quán)航跡融合(WCF)

前提：兩條航跡估計(jì)的互協(xié)方差不能忽略，即智能信息處理技術(shù)27第十一講航跡融合

兩個(gè)傳感器i和j的兩個(gè)估計(jì)之差用下式表示：則dij的協(xié)方差矩陣：式中，Pij=PTji為兩個(gè)估計(jì)的互協(xié)方差。

智能信息處理技術(shù)28第十一講航跡融合系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)

系統(tǒng)誤差協(xié)方差

智能信息處理技術(shù)29第十一講航跡融合其中，K是卡爾曼濾波器增益，Φ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Q是噪聲協(xié)方差矩陣，H是觀測(cè)矩陣。這種方法只是在最大似然意義下是最佳的。當(dāng)采用卡爾曼濾波器作為估計(jì)器的時(shí)候，其中的互協(xié)方差Pij和Pji可以由下式求出:Pij(k)=(I-KH)(ΦPij(k-1)ΦT+Q)(I-KH)T

智能信息處理技術(shù)30第十一講航跡融合應(yīng)用特點(diǎn)1）忽略互協(xié)方差時(shí)，協(xié)方差加權(quán)融合就退化為簡(jiǎn)單融合；2）能控制公共過程噪聲；3）需計(jì)算互協(xié)方差矩陣；智能信息處理技術(shù)31第十一講航跡融合4）對(duì)線性時(shí)不變系統(tǒng)，互協(xié)方差可以脫機(jī)計(jì)算；5）需要卡爾曼濾波器增益和觀測(cè)矩陣的全部歷史，必須把它們送往融合中心。智能信息處理技術(shù)32第十一講航跡融合3、自適應(yīng)航跡融合數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素：

1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能，采用好的算法

2）運(yùn)算量、計(jì)算機(jī)承受能力

3）系統(tǒng)的通信能力

4）系統(tǒng)特性和要求的變化解決方案：采用自適應(yīng)航跡融合智能信息處理技術(shù)33第十一講航跡融合自適應(yīng)航跡融合的結(jié)構(gòu)智能信息處理技術(shù)34第十一講航跡融合融合的原理1）傳感器1、2向兩個(gè)局部跟蹤器送出觀測(cè)，與局部跟蹤器一起構(gòu)成兩個(gè)局部融合節(jié)點(diǎn)，形成局部航跡估計(jì)，并送往融合中心節(jié)點(diǎn)；2）融合中心節(jié)點(diǎn)（決策邏輯）根據(jù)規(guī)則選擇融合算法；3）融合中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)選定的算法對(duì)局部節(jié)點(diǎn)送來的局部航跡進(jìn)行融合計(jì)算，給出全局估計(jì)。智能信息處理技術(shù)35第十一講航跡融合決策邏輯

根據(jù)兩個(gè)決策統(tǒng)計(jì)距離D1、D2和決策樹來進(jìn)行算法選擇，決策樹見圖：智能信息處理技術(shù)36第十一講航跡融合決策過程1）根據(jù)局部節(jié)點(diǎn)送來的局部航跡計(jì)算統(tǒng)計(jì)距離D1；2）如D1小于給定門限T1，全局估計(jì)等于局部估計(jì)中一個(gè)；3）如D1大于T1，計(jì)算統(tǒng)計(jì)距離D2，將D2小于給定門限T2，將SF的結(jié)果作為全局估計(jì)；4）如D2大于T2，利用WCF結(jié)果作為全局估計(jì)。智能信息處理技術(shù)37第十一講航跡融合特點(diǎn)以簡(jiǎn)單航跡融合和協(xié)方差加權(quán)航跡融合算法為基礎(chǔ)。智能信息處理技術(shù)38第十一講航跡融合統(tǒng)計(jì)距離D1定義：局部航跡和采用SF算法所得到的系統(tǒng)航跡估計(jì)之間的距離。智能信息處理技術(shù)39第十一講航跡融合由于

P1+PSF=P1(P1+P2)-1(P1+2P2)

則

智能信息處理技術(shù)40第十一講航跡融合說明1）融合估計(jì)是兩個(gè)局部估計(jì)及其誤差協(xié)方差的函數(shù)，D1演化為與兩個(gè)局部估計(jì)和它們的誤差協(xié)方差有關(guān)；2）D1度量局部航跡1和局部航跡2接近程度；智能信息處理技術(shù)41第十一講航跡融合3）如兩局部航跡觀測(cè)源于同一目標(biāo)，則D1小于某門限表明局部傳感器給出的兩條航跡很接近，不需再進(jìn)行航跡融合運(yùn)算，用其一作為全局估計(jì)；如果兩個(gè)傳感器的分辨率不同，分辨率高的傳感器的航跡作為全局航跡。智能信息處理技術(shù)42第十一講航跡融合門限T1的確定根據(jù)兩局部航跡相距的最大允許程度確定的；如果統(tǒng)計(jì)距離大于它，就需進(jìn)行融合運(yùn)算。智能信息處理技術(shù)43第十一講航跡融合統(tǒng)計(jì)距離D2定義：局部航跡和采用WCF算法所得到的系統(tǒng)航跡估計(jì)之間的距離。智能信息處理技術(shù)44第十一講航跡融合利用

其中,

最后,有

智能信息處理技術(shù)45第十一講航跡融合說明1）D2與兩局部航跡的估計(jì)、誤差協(xié)方差矩陣及互協(xié)方差有關(guān)；2）D2小于門限T2，用SF對(duì)兩局部航跡進(jìn)行融合，表明兩航跡互協(xié)方差很小，接近于0；智能信息處理技術(shù)46第十一講航跡融合3）D2大于門限T2，采用WCF方法對(duì)兩個(gè)局部航跡進(jìn)行融合，兩航跡間存在著互協(xié)方差；這是應(yīng)用WCF方法的條件。4）統(tǒng)計(jì)距離D2是對(duì)兩個(gè)局部航跡間是否存在互協(xié)方差的一種度量。智能信息處理技術(shù)47第十一講航跡融合自適應(yīng)方法完成的任務(wù)1）兩局部航跡間的統(tǒng)計(jì)距離D1小于T1時(shí)，不必再對(duì)兩條局部航跡進(jìn)行融合。選其一作為全局航跡，或從中選擇一條優(yōu)質(zhì)航跡作為全局航跡；2）兩局部航跡間的統(tǒng)計(jì)距離D2小于T2時(shí)，兩個(gè)局部航跡間的互協(xié)方差很小，甚至等于0，可用SF算法對(duì)兩個(gè)局部航跡進(jìn)行融合。智能信息處理技術(shù)48第十一講航跡融合3）兩局部航跡間的統(tǒng)計(jì)距離D2大于T2時(shí)，兩個(gè)局部航跡間存在著互協(xié)方差，可采用WCF算法對(duì)兩個(gè)局部航跡進(jìn)行融合。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)。智能信息處理技術(shù)49第十一講航跡融合四、信息去相關(guān)算法

1.識(shí)別—消去法關(guān)鍵的想法是識(shí)別出參與融合的兩個(gè)估計(jì)的公共信息，并且在融合中把它們消去。這種方法在一個(gè)航跡是系統(tǒng)航跡而另一個(gè)航跡是傳感器航跡的時(shí)候是有用的。狀態(tài)融合估計(jì)算法由下式給出：狀態(tài)估計(jì)：智能信息處理技術(shù)50第十一講航跡融合誤差協(xié)方差：

和是最后送給系統(tǒng)航跡的傳感器航跡的狀態(tài)估計(jì)和誤差協(xié)方差。傳感器航跡和系統(tǒng)航跡兩者都包括這個(gè)公共信息，對(duì)融合算法來說它是一個(gè)附加的信息。為避免對(duì)結(jié)果的雙重影響，必需把它從結(jié)果中消去。該方法以分布式融合為基礎(chǔ)，支持任何類型的融合和通信結(jié)構(gòu)，包括帶反饋的融合。早期引入的信息圖可以用于識(shí)別兩個(gè)估計(jì)的公共信息，避免了雙重計(jì)算。智能信息處理技術(shù)51第十一講航跡融合

2.重新啟動(dòng)局部跟蹤器

對(duì)來自系統(tǒng)航跡的傳感器航跡去相關(guān)的另一種方法是只利用最后送來的點(diǎn)跡產(chǎn)生局部航跡估計(jì)。

智能信息處理技術(shù)52第十一講航跡融合由于重新啟動(dòng)局部跟蹤器，局部航跡狀態(tài)估計(jì)與全局航跡狀態(tài)估計(jì)已經(jīng)不共享公共信息，由每個(gè)點(diǎn)跡到融合節(jié)點(diǎn)僅存在一個(gè)惟一的路徑，使局部航跡和系統(tǒng)航跡去掉了相關(guān)性。傳感器航跡被送去與系統(tǒng)航跡融合之后，局部濾波器利用新的點(diǎn)跡重新啟動(dòng)。來自這些點(diǎn)跡的估計(jì)與系統(tǒng)航跡被去相關(guān)，并且很容易與系統(tǒng)航跡進(jìn)行融合。智能信息處理技術(shù)53第十一講航跡融合這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它的簡(jiǎn)單性，缺點(diǎn)是需要修正傳感器當(dāng)前的跟蹤算法。

關(guān)鍵工作過程：不管哪條局部航跡，只要把它的局部狀態(tài)送往融合節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)航跡進(jìn)行融合，該局部航跡就要拋棄前面的所有信息，重新啟動(dòng)該濾波器，即重