单无人机纯角度目标被动定位与跟踪问题研究

摘要

目标被动跟踪无需自身发射电磁波，具有隐蔽性好、抗干扰能力强等特点，是未来战场目标跟踪的发展趋势。复杂高技术战争下，目标所在方向角度成为最可靠的参数之一，基于纯角度测量的目标被动跟踪技术被广泛研究。相比于多站交叉定位，单站定位避免了时空配准和多站数据融合，灵活性强。本文就单无人机观测平台下纯角度目标被动定位跟踪研究中，距离缺失导致的目标跟踪系统不完全观测、目标定位困难、定位跟踪结果可能发散的问题，提出基于高程信息的目标定位理论以及无人机最优机动轨迹设计方法，保证目标状态参数解存在且唯一的同时，提高对目标定位跟踪精度。
　　首先，为获取目标相对无人机的方向角度信息，利用相机捕捉被跟踪目标，通过视频图像处理、坐标变换，解算目标相对无人机的方向角。实验证明了角度解算理论的正确性，可为纯角度目标被动定位提供较为准确的角度信息。
　　其次，针对纯角度目标距离缺失导致定位困难的难题，提出了将目标所在区域数字高程数据作为辅助信息，进行目标定位的思路。对于平面目标，可直接通过无人机与目标的几何态势实现目标定位，定位原理简要明确，同时不受目标运动形式的限制;对于起伏地形目标，提出沿视线角度方向梯度采样的方法，统计梯度点高度值与对应地形高程量差值，将差值绝对值曲线最低点对应的位置视为目标定位点。借助扩展卡尔曼滤波方法实现了对目标的跟踪和跟踪精度的提高。
　　最后，为改善目标定位跟踪的精度和可能出现的发散问题，同时考虑到无人机机动方式对目标状态估计性能的影响，以Fisher信息矩阵行列式最大作为性能指标，设计了观测器当前时刻最优的“一步最优”机动策略，并给出左右两个最优轨线方程。结合高程信息，无人机在最优机动策略下对静止目标和运动目标表现出了更高的定位跟踪精度。仿真和实验测试验证了算法的有效性，滤波曲线保证了收敛的性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 单站纯角度目标定位与跟踪研究现状

1．2．1 系统可观测性分析

1．2．2 运动目标状态估计

1．2．3 观测器最优机动轨迹

1．3 论文主要工作

1．4 论文组织结构

2 目标图像检测与角度解算

2．1 目标检测与角度解算涉及的坐标系

2．1．1 图像坐标系

2．1．2 摄像机坐标系

2．1．3 局部固定坐标系

2．1．4 机体坐标系

2．2 CCD摄像机成像与标定

2．2．1 CCD摄像机成像

2．2．2 摄像机标定

2．3 目标检测与偏移量提取

2．3．1 高斯金字塔压缩

2．3．2 图像二值化

2．3．3 目标图像偏移量提取

2．3．4 目标图像偏移量提取实验

2．4 目标方向角度解算

2．4．1 欧拉角与旋转矩阵

2．4．2 目标方向角度解算

2．5 三维姿态采集分析系统简介

2．6 角度解算实验

2．7 本章小节

3 平面目标被动定位与跟踪

3．1 平面目标定位原理

3．2 扩展卡尔曼滤波

3．3 平面目标定位跟踪仿真

3．3．1 平面静止目标定位仿真

3．3．2 平面运动目标跟踪仿真

3．3．3 蒙特卡罗误差统计

3．4 室内平面目标定位跟踪实验

3．4．1 室内静止目标定位实验

3．4．2 室内运动目标跟踪实验

3．5 室外平面目标定位实验

3．6 本章小节

4 基于DEM的非平面目标被动定位与跟踪

4．1 数字高程模型

4．1．1 数字高程模型研究现状

4．1．2 DEM数据采集与表达

4．1．3 DEM的分辨率

4．1．4 DEM插值

4．1．5 克里金插值

4．2 基于DEM被动目标定位原理

4．2．1 基于DEM的目标定位原理

4．2．2 双谷值情况的处理

4．3 基于DEM的目标定位跟踪仿真

4．3．1 高程数据采集

4．3．2 WGS-84世界坐标转地面坐标

4．3．3 克里金插值

4．3．4 运动目标跟踪仿真

4．4 本章小节

5 基于FIM行列式最大无人机最优轨迹设计

5．1 FIM行列式最大指标

5．2 运动目标系统观测平台机动轨迹

5．3 无人机机动对目标定位跟踪仿真

5．3．1 无人枫机动对不同距离目标定位仿真

5．3．2 不同条件下的无人机最优轨迹仿真

5．3．3 运动目标跟踪仿真

5．4 无人机机动对室内目标定位跟踪实验

5．4．1 静止目标无人机最优轨迹

5．4．2 室内匀速运动目标跟踪

5．5 本章小节

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况