WO2020006672A1 - 三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置 - Google Patents
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- WO2020006672A1 WO2020006672A1 PCT/CN2018/094175 CN2018094175W WO2020006672A1 WO 2020006672 A1 WO2020006672 A1 WO 2020006672A1 CN 2018094175 W CN2018094175 W CN 2018094175W WO 2020006672 A1 WO2020006672 A1 WO 2020006672A1
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- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/20—Analysis of motion
Definitions
- the invention belongs to the technical field of multi-sensor information fusion, and particularly relates to a trajectory starting method and device of a three-dimensional space turning maneuvering target.
- the main task of the trajectory initiation is to use the measurements obtained by the sensors at multiple different times to detect new targets appearing in the observation space and start their trajectories.
- the commonly used trajectory starting methods are generally suitable for trajectory starting that assumes that the target moves at a constant speed or uniform acceleration, but these existing trajectory starting methods are not suitable for trajectory starting of turning maneuvering targets. Therefore, how to solve the trajectory initiation problem of a 3D space turning maneuvering target is a key technical problem that needs to be explored and solved at present.
- the technical problem to be solved by the present invention is to provide a trajectory starting method and device for a three-dimensional space turning maneuvering target, which aims to solve the problem of trajectory starting of a three-dimensional space turning maneuvering target.
- the invention provides a trajectory starting method of a three-dimensional space turning maneuvering target, the method includes:
- Step 1 Take one position measurement data from the position measurement data set of the three-dimensional turning maneuvering target at three different times respectively to form a position measurement data set, and use the three position measurement data in the position measurement data set to determine the coordinate transformation matrix. And transforming the three position measurement data onto the xoy plane through the coordinate transformation matrix to obtain transformed three position measurement data, and using the coordinate transformation matrix to the error covariance of the three position measurement data Transforming the matrix to obtain the error covariance matrix transformed from the three position measurement data;
- the included angle is ⁇ , and the intersection point of the intersection line and the x-axis is [x 0 , 0,0] T ;
- the superscript T represents the transpose of a vector or matrix
- Step 2 Test whether the transformed three position measurement data simultaneously meet three preset conditions; if the three preset conditions can be satisfied at the same time, use the transformed three position measurement data to form a tentative trajectory, and turn Go to step 3; otherwise go to step 1 to take the next set of position measurement data for testing;
- Step 3 Use the transformed three position measurement data to obtain a turning rate estimate of the three-dimensional space turning maneuvering target; use the transformed three position measuring data and the turning rate estimation of the three-dimensional space turning maneuvering target To obtain the initial state estimation and error covariance estimation of the turning 3D maneuvering target in space;
- Step 4 Inverse transform the initial state estimation and error covariance estimation of the transformed three-dimensional space turning maneuvering target by using the coordinate transformation matrix F c to obtain the initial state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional space turning maneuvering target. ;
- Step 5 After the test of the three position measurement data of one position measurement data set is completed, go to step 1 to take the next set of position measurement data sets for testing, until all the position measurement data sets are tested.
- the present invention also provides a trajectory starting device for a turning maneuvering target in a three-dimensional space.
- the device includes:
- a transformation module for respectively extracting one position measurement data from the position measurement data set of three different moments of turning the maneuvering target in the three-dimensional space to form a position measurement data group, and using the three position measurement data in the position measurement data group to determine coordinates A transformation matrix, and transforming the three position measurement data onto the xoy plane through the coordinate transformation matrix, to obtain transformed three position measurement data, and using the coordinate transformation matrix to the error of the three position measurement data Transforming the covariance matrix to obtain the transformed error covariance matrix of the three position measurement data;
- the included angle is ⁇ , and the intersection point of the intersection line and the x-axis is [x 0 , 0,0] T ;
- the superscript T represents the transpose of a vector or matrix
- the trajectory detection module is used to test whether the three position measurement data after the transformation satisfy three preset conditions at the same time; if the three preset conditions can be satisfied at the same time, use the three position measurement data after the transformation to form a tentative trajectory , And transfer to the state and error covariance estimation module; otherwise, transfer to the transformation module to take the next set of position measurement data sets for testing;
- a state and error covariance estimation module configured to obtain a turning rate estimate of the three-dimensional turning maneuvering target by using the transformed three position measurement data; using the transformed three position measurement data and the three-dimensional space Estimate the turning rate of the turning maneuvering target, and obtain the transformed 3D space turning maneuvering target initial state estimation and error covariance estimation;
- An inverse transformation module configured to inversely transform the initial state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional turning maneuvering target using the coordinate transformation matrix F c to obtain the initial state estimation and error of the three-dimensional turning maneuvering target. Covariance estimation.
- the invention provides a trajectory starting method and a device for a turning maneuvering target in a three-dimensional space, and finally detects a turning maneuvering target existing in a three-dimensional space through coordinate transformation, trajectory detection, state and error covariance estimation, and inverse coordinate transformation. And obtain the state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional turning maneuvering target, thereby effectively solving the problem that the three-dimensional turning maneuvering target trajectory is difficult to start.
- the invention can be used in the field of multi-target tracking, and has strong practicability.
- FIG. 1 is a schematic flowchart of a trajectory initiation method for a three-dimensional space turning maneuvering target according to an embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a system schematic diagram of a trajectory starting device for a turning maneuvering target in a three-dimensional space according to an embodiment of the present invention.
- a schematic flowchart of a method for starting a trajectory of a three-dimensional space turning maneuvering target includes:
- Step 101 Take a position measurement data set from three different time position measurement data sets of a maneuvering target in a three-dimensional space to form a position measurement data set, use the three position measurement data in the position measurement data set to determine a coordinate transformation matrix, and The three position measurement data are transformed to the xoy plane by the coordinate transformation matrix, and the three position measurement data are obtained.
- the coordinate transformation matrix is used to transform the error covariance matrix of the three position measurement data to obtain the three position measurement data. Transformed error covariance matrix.
- step 101 The main purpose of step 101 is to obtain the transformed three position measurement data by using the coordinate transformation matrix through the position measurement data at three different times.
- the steps include:
- the intersection of the intersection line and the x-axis is [x 0 , 0,0] T.
- the superscript T represents the transpose of a vector or matrix
- Step 102 Test whether the transformed three position measurement data simultaneously satisfy three preset conditions; if the three preset conditions can be satisfied at the same time, use the transformed three position measurement data to form a tentative trajectory, and proceed to step 103; otherwise, go to step 101 to take the next set of position measurement data for testing.
- step 102 the three position measurement data transformed by three preset condition tests are mainly used, and the three position measurement data transformed after satisfying the three preset conditions are formed into a tentative trajectory.
- the specific steps include:
- test position measurement data with Whether the following three preset conditions are met at the same time:
- v min , v max , a max, and ⁇ max are the minimum speed, the maximum speed, the maximum acceleration, and the maximum turn rate, respectively
- 2 represents the 2 norm of the vector
- Step 103 Use the transformed three position measurement data to obtain the turning rate estimate of the three-dimensional turning maneuvering target; use the transformed three position measuring data and the turning rate estimation of the three-dimensional turning maneuvering target to obtain the transformed three-dimensional turning Estimated initial state and error covariance of maneuvering target. Its specific steps include:
- sgn (a) is the sign of the variable a
- Step 104 Use the coordinate transformation matrix F c to inversely transform the initial state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional space turning maneuvering target to obtain the initial state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional space turning maneuvering target. Its specific steps include:
- F c (i, j) represents the i-th row and j-th column of the matrix F c .
- Step 105 After the test of the three position measurement data of one position measurement data set is completed, go to step 101 to take the next set of position measurement data sets for testing, until all the position measurement data sets are tested.
- a trajectory starting method for a three-dimensional space turning maneuvering target is provided.
- the observation space is finally detected through coordinate transformation, trajectory detection, state and error covariance estimation, and inverse coordinate transformation.
- the target exists in the target and the state estimation of the target is obtained, which effectively solves the problem that the trajectory of the maneuvering target in the three-dimensional space is difficult to start. It can be used in the field of multi-target tracking and has strong practicability.
- FIG. 2 is a schematic diagram of a system for starting a trajectory of a turning maneuvering target in a three-dimensional space according to an embodiment of the present invention.
- the device includes:
- a transformation module 10 is configured to separately extract one position measurement data from the position measurement data set of the three-dimensional turning maneuvering target at three different times to form a position measurement data group, and use the three position measurement data in the position measurement data group to determine the coordinate transformation Matrix, and transform the three position measurement data onto the xoy plane through the coordinate transformation matrix to obtain the transformed three position measurement data. Use the coordinate transformation matrix to transform the error covariance matrix of the three position measurement data to obtain three Error covariance matrix after position measurement data transformation.
- the intersection of the line of intersection and the x-axis is [x 0 , 0,0] T ;
- the superscript T represents the transpose of a vector or matrix.
- the trajectory detection module 10 is used to test whether three transformed position measurement data satisfy three preset conditions at the same time; if the three preset conditions can be satisfied at the same time, use the transformed three position measurement data to form a tentative trajectory, And transfer to the state and error covariance estimation module; otherwise, transfer to the transformation module to take the next set of position measurement data sets for testing.
- the trajectory detection module 10 is specifically configured to:
- test position measurement data with Whether the following three preset conditions are met at the same time:
- v min , v max , a max, and ⁇ max are the minimum speed, the maximum speed, the maximum acceleration, and the maximum turn rate, respectively
- 2 represents the 2 norm of the vector
- State and error covariance estimation module 30 which is used to obtain the turning rate estimation of a three-dimensional turning maneuvering target using the transformed three position measurement data; using the transformed three position measuring data and the turning rate estimation of a three-dimensional turning maneuvering target , To obtain the initial state estimation and error covariance estimation of the turning 3D maneuvering target in space.
- the state and error covariance estimation module 30 is specifically configured to:
- Measured data at three locations using a tentative trajectory with The turning rate of the turning maneuvering target in the three-dimensional space is estimated as:
- sgn (a) is the sign of the variable a
- the error covariance matrix transformed at time r is:
- Inverse transform module 40 for inverse transforming the initial state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional turning maneuvering target using the coordinate transformation matrix F c to obtain the initial state estimation and error covariance estimation of the three-dimensional turning maneuvering target.
- the inverse transform module 40 is specifically configured to:
- F c (i, j) represents the i-th row and j-th column of the matrix F c .
- a trajectory starting device for a three-dimensional space turning maneuvering target is provided by a coordinate transformation module, a trajectory detection module, a state and error covariance estimation module, an inverse coordinate transformation module, and a loop device.
- the target existing in the observation space is detected, and the state estimation of the target is obtained, thereby effectively solving the problem that the trajectory of a maneuvering target in a three-dimensional space is difficult to start.
- this embodiment uses the method provided by the above-mentioned first embodiment to perform experiments on simulation data.
- This embodiment mainly considers two turning maneuvering targets that make a turning maneuver in a three-dimensional space.
- the disclosed apparatus and method may be implemented in other ways.
- the device embodiments described above are only schematic.
- the division of modules is only a logical function division.
- multiple modules or components may be combined or integrated.
- the displayed or discussed mutual coupling or direct coupling or communication connection may be indirect coupling or communication connection through some interfaces, devices or modules, and may be electrical, mechanical or other forms.
- Modules described as separate components may or may not be physically separated, and components displayed as modules may or may not be physical modules, which may be located in one place, or may be distributed on multiple network modules. Some or all of the modules may be selected according to actual needs to achieve the objective of the solution of this embodiment.
- each functional module in each embodiment of the present invention may be integrated into one processing module, or each module may exist separately physically, or two or more modules may be integrated into one module.
- the above integrated modules can be implemented in the form of hardware or software functional modules.
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Abstract
本发明公开了一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法，涉及多传感器信息融合技术领域，通过坐标变换、轨迹探测、状态与误差协方差估计，及坐标反变换，最终探测出观测空间中存在的目标，并获得目标的状态估计。本发明还公开了一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始装置，有效地解决了三维空间转弯机动目标轨迹难以起始的问题，本发明可用于多目标跟踪领域，具有很强的实用性。
Description
本发明属于多传感器信息融合技术领域，尤其涉及三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置。
随着科学技术的发展，在自动控制以及多传感器信息融合技术领域越来越多的涉及到观测空间中新目标的探测，而其中轨迹起始是该领域中的研究人员重点研究的内容。
轨迹起始的主要任务是利用传感器在多个不同时刻获得的测量探测出现于观测空间中的新目标，并起始其轨迹。目前，常用的轨迹起始方法通常适用于假定目标作匀速或匀加速运动的轨迹起始，但是这些现有的轨迹起始方法并不适用于转弯机动目标的轨迹起始。因此，如何解决三维空间转弯机动目标的轨迹起始问题是目前需要探索和解决的一个关键技术问题。
本发明所要解决的技术问题为提供一种三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置，旨在解决三维空间转弯机动目标的轨迹起始的问题。
本发明提供了一种三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法，所述方法包括：
步骤1、分别从三维空间转弯机动目标三个不同时刻的位置测量数据集中各自取出一个位置测量数据，构成位置测量数据组，用所述位置测量数据组中的三个位置测量数据确定坐标变换矩阵，并通过所述坐标变换矩阵将所述三个位置测量数据变换至xoy平面上，得到变换后的三个位置测量数据，用所述坐标变换矩阵对所述三个位置测量数据的误差协方差矩阵进行变换，得到所述三个位置测量数据变换后的误差协方差矩阵；
其具体步骤包括：设所述三维空间转弯机动目标在三个不同时刻的位置测量数据为y
k＝(z
k,t
k)，其中，k＝1,2,3，t
k表示在k时刻的时间，
和
分别表示所述三维空间转弯机动目标在k时刻的位置测量数据的x分量、y分量和z分量；
令
其中，i＝1,2,3和j＝1,2,3；利用连续的三个不同时刻的位置测量数据y
1＝(z
1,t
1)、y
2＝(z
2,t
2)和y
3＝(z
3,t
3)获得所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的夹角为α，所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的交线和x轴间的夹角为β，所述交线与x轴的交点为[x
0,0,0]
T；
其中，
上标T表示向量或矩阵的转置；
利用所述夹角α和所述夹角β，并取α
1＝α，α
2＝-α，β
1＝β，β
2＝-β，构建坐标变换矩阵F
ij；
其中，
i＝1,2和j＝1,2；
利用所述坐标变换矩阵F
ij，以及所述交点[x
0,0,0]
T，分别对位置测量数据z
1、z
2和z
3进行坐标变换得到变换的位置测量数据
和
其中，
利用变换的位置测量数据
和
求取
其中i＝1,2和j＝1,2；从s
ij，i＝1,2和j＝1,2中找到最小值对应的索引号，即
并取索引号(i
1,j
1)对应的坐标变换矩阵作为所求的变换矩阵F
c，即
索引号(i
1,j
1)对应的位置测量数据
和
分别作为变换后的位置测量数据
和
即
和
设测量z
k的误差协方差矩阵为
其中
为误差协方差矩阵R
k的元素值；利用所述变换矩阵F
c对R
k进行变换， 得到变换后的误差协方差矩阵
其中
k＝1,2,3；
步骤2、测试变换后的三个位置测量数据是否同时满足三个预设条件；若能同时满足三个预设条件，用所述变换后的三个位置测量数据形成一试探性轨迹，并转入步骤3；否则转入步骤1取下一组位置测量数据组进行测试；
步骤3、利用所述变换后的三个位置测量数据得到所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计；利用所述变换后的三个位置测量数据和所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计，得到变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计；
步骤4、利用所述的坐标变换矩阵F
c对变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计进行反变换，得到所述三维空间转弯机动目标的初始状态估计和误差协方差估计；
步骤5、在一个位置测量数据组的三个位置测量数据的测试完成后，转入步骤1取下一组位置测量数据组进行测试，直至所有的位置测量数据组都进行了测试。
本发明还提供了一种三维空间转弯机动目标的轨迹起始装置，所述装置包括：
变换模块，用于分别从三维空间转弯机动目标三个不同时刻的位置测量数据集中各自取出一个位置测量数据，构成位置测量数据组，用所述位置测量数据组中的三个位置测量数据确定坐标变换矩阵，并通过所述坐标变换矩阵将所述三个位置测量数据变换至xoy平面上，得到变换后的三个位置测量数据，用所述坐标变换矩阵对所述三个位置测量数据的误差协方差矩阵进行变换，得到所述三个位置测量数据变换后的误差协方差矩阵；
其具体用于：设所述三维空间转弯机动目标在三个不同时刻的位置测量数据为y
k＝(z
k,t
k)，其中，k＝1,2,3，t
k表示在k时刻的时间，
和
分别表示所述三维空间转弯机动目标在k时刻的位置测量数据的x分量、y分量和z分量；
令
其中，i＝1,2,3和j＝1,2,3；利用连续的三个不同时刻的位置测量数据y
1＝(z
1,t
1)、y
2＝(z
2,t
2)和y
3＝(z
3,t
3)获得所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的夹角为α，所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的交线和x轴间的夹角为β，所述交线与x轴的交点为[x
0,0,0]
T；
其中，
上标T表示向量或矩阵的转置；
利用所述夹角α和夹角β，并取α
1＝α，α
2＝-α，β
1＝β，β
2＝-β，构建坐标变换矩阵F
ij；
其中，
i＝1,2和j＝1,2；
利用所述坐标变换矩阵F
ij，以及所述交点[x
0,0,0]
T，分别对位置测量数据z
1、z
2和z
3进行坐标变换得到变换的位置测量数据
和
其中，
利用变换的位置测量数据
和
求取
其中i＝1,2和j＝1,2；从s
ij，i＝1,2和j＝1,2中找到最小值对应的索引号，即
并取索引号(i
1,j
1)对应的坐标变换矩阵作为所求的变换矩阵F
c，即
索引号(i
1,j
1)对应的位置测量数据
和
分别作为变换后的位置测量数据
和
即
和
设测量z
k的误差协方差矩阵为
其中
为误差协方差矩阵R
k的元素值；利用所述变换矩阵F
c对R
k进行变换，得到变换后的误差协方差矩阵
其中
k＝1,2,3；
轨迹探测模块，用于测试变换后的三个位置测量数据是否同时满足三个预设条件；若能同时满足三个预设条件，用所述变换后的三个位置测量数据形成一试探性轨迹，并转入状态与误差协方差估计模块；否则转入变换模块取下一组位置测量数据组进行测试；
状态与误差协方差估计模块，用于利用所述变换后的三个位置测量数据得到所述三维 空间转弯机动目标的转弯率估计；利用所述变换后的三个位置测量数据和所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计，得到变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计；
反变换模块，用于利用所述的坐标变换矩阵F
c对变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计进行反变换，得到所述三维空间转弯机动目标的初始状态估计和误差协方差估计。
本发明提供一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置，通过坐标变换、轨迹探测、状态与误差协方差估计，及坐标反变换，最终探测出三维空间中存在的转弯机动目标，并获得三维空间转弯机动目标的状态估计以及误差协方差估计，从而有效地解决了三维空间转弯机动目标轨迹难以起始的问题，本发明可用于多目标跟踪领域，具有很强的实用性。
图1为本发明实施例提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始装置的系统示意图。
作为本发明的第一个实施例，如图1所示，本发明实施例提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法的流程示意图，该方法包括：
步骤101、分别从三维空间转弯机动目标三个不同时刻的位置测量数据集中各自取出一个位置测量数据，构成位置测量数据组，用位置测量数据组中的三个位置测量数据确定坐标变换矩阵，并通过坐标变换矩阵将三个位置测量数据变换至xoy平面上，得到变换后的三个位置测量数据，用坐标变换矩阵对三个位置测量数据的误差协方差矩阵进行变换，得到三个位置测量数据变换后的误差协方差矩阵。
步骤101的主要目的是通过三个不同时刻的位置测量数据，利用坐标变换矩阵，得到变换后的三个位置测量数据，其步骤具体包括：
设三维空间转弯机动目标在三个不同时刻的位置测量数据为y
k＝(z
k,t
k)，其中，k＝1,2,3，t
k表示在k时刻的时间，
和
分别表示三维空间转弯机动目标在k时刻的位置测量数据的x分量、y分量和z分量。
令
其中，i＝1,2,3和j＝1,2,3；利用连续的三个不同时刻的位置测量数据y
1＝(z
1,t
1)、y
2＝(z
2,t
2)和y
3＝(z
3,t
3)获得三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的夹角为α，三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的交线和x轴间的夹角为β，交线与x轴的交点为[x
0,0,0]
T。
其中，
上标T表示向量或矩阵的转置；
利用夹角α和夹角β，并取α
1＝α，α
2＝-α，β
1＝β，β
2＝-β，构建坐标变换矩阵F
ij；
其中，
i＝1,2和j＝1,2。
利用坐标变换矩阵F
ij，以及交点[x
0,0,0]
T，分别对位置测量数据z
1、z
2和z
3进行坐标变换得到变换的位置测量数据
和
其中，
利用变换的位置测量数据
和
求取
其中i＝1,2和j＝1,2；从s
ij，i＝1,2和j＝1,2中找到最小值对应的索引号，即
并取索引号(i
1,j
1)对应的坐标变换矩阵作为所求的变换矩阵F
c，即
索引号(i
1,j
1)对应的位置测量数据
和
分别作为变换后的位置测量数据
和
即
和
设测量z
k的误差协方差矩阵为
其中
为误差协方差矩阵R
k的元素值；利用变换矩阵F
c对R
k进行变换，得到变换后的误差协方差矩阵
其中
k＝1,2,3。
步骤102、测试变换后的三个位置测量数据是否同时满足三个预设条件；若能同时满足三个预设条件，用变换后的三个位置测量数据形成一试探性轨迹，并转入步骤103；否则转入步骤101取下一组位置测量数据组进行测试。
步骤102，主要利用三个预设条件测试来变换后的三个位置测量数据，并将满足三个预设条件的变换后的三个位置测量数据形成试探性轨迹，其具体步骤包括：
以
和
表示变换后的位置测量数据，测试位置测量数据
和
是否同时满足下列三个预设条件：
预设条件1：
预设条件2：
预设条件3：
其中，v
min、v
max、a
max和ω
max分别为最小速度、最大速度、最大加速度和最大转弯率，||·||
2表示向量的2范数，b
1、b
2和c是三个与协方差矩阵
相关的参数；以V
k表示矩阵
的乔里斯基(Cholesky)分解矩阵，即
以V
k,1、V
k,2和V
k,3表示分解矩阵V
k的主对角线上的三个元素，其中，k＝1,2,3，则参数b
1、b
2和c分别取为
其中，b
3控制参数，其取值范围为b
3＝1～3。
步骤103、利用变换后的三个位置测量数据得到三维空间转弯机动目标的转弯率估计；利用变换后的三个位置测量数据和三维空间转弯机动目标的转弯率估计，得到变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计。其具体步骤包括：
利用已形成试探性轨迹的变换后的三个位置测量数据
和
得到三维空间转弯机动目标的转弯率估计为
其中，
sgn(a)为取变量a的符号，且有
利用已形成试探性轨迹的变换后的三个位置测量数据
和
形成列向量m
y，得到
用
表示r时刻坐标变换后的三维空间转弯机动目标状态估计，其中
和
分别表示位置的x分量、y分量和z分量，
和
分别表示速度的x分量和y分量；
基于列向量m
y及转弯率估计
获得在r时刻变换后的三维空间转弯机动目标状态估计为
其中，
在r时刻变换后的误差协方差矩阵为
其中，
步骤104、利用的坐标变换矩阵F
c对变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计进行反变换，得到三维空间转弯机动目标的初始状态估计和误差协方差估计。其具体步骤包括：
利用变换矩阵F
c对变换后的三维空间转弯机动目标状态估计
进行反变换，以获得三维空间转弯机动目标在r时刻的状态估计为
利用变换矩阵F
c对变换后的误差协方差矩阵
进行反变换，得到目标在r时刻的误差协方差矩阵为P
r
其中，
其中，F
c(i,j)表示矩阵F
c的第i行第j列元素。
步骤105、在一个位置测量数据组的三个位置测量数据的测试完成后，转入步骤101取下一组位置测量数据组进行测试，直至所有的位置测量数据组都进行了测试。
在本发明第一个实施例所提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法，通过坐标变换、轨迹探测、状态与误差协方差估计，及坐标反变换，最终探测出观测空间中存在的目标，并获得目标的状态估计，从而有效地解决了三维空间转弯机动目标轨迹难以起始的问题，可用于多目标跟踪领域，具有很强的实用性。
作为本发明的第二个实施例，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始装置的系统示意图。该装置包括：
变换模块10，用于分别从三维空间转弯机动目标三个不同时刻的位置测量数据集中各自取出一个位置测量数据，构成位置测量数据组，用位置测量数据组中的三个位置测量数据确定坐标变换矩阵，并通过坐标变换矩阵将三个位置测量数据变换至xoy平面上，得到变换后的三个位置测量数据，用坐标变换矩阵对三个位置测量数据的误差协方差矩阵进行变换，得到三个位置测量数据变换后的误差协方差矩阵。
其具体用于：设三维空间转弯机动目标在三个不同时刻的位置测量数据为y
k＝(z
k,t
k)， 其中，k＝1,2,3，t
k表示在k时刻的时间，
和
分别表示三维空间转弯机动目标在k时刻的位置测量数据的x分量、y分量和z分量。
令
其中，i＝1,2,3和j＝1,2,3；利用连续的三个不同时刻的位置测量数据y
1＝(z
1,t
1)、y
2＝(z
2,t
2)和y
3＝(z
3,t
3)获得三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的夹角为α，三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的交线和x轴间的夹角为β，交线与x轴的交点为[x
0,0,0]
T；
其中，
上标T表示向量或矩阵的转置。
利用的夹角α和夹角β，并取α
1＝α，α
2＝-α，β
1＝β，β
2＝-β，构建坐标变换矩阵F
ij；
其中，
i＝1,2和j＝1,2。
利用坐标变换矩阵F
ij，以及交点[x
0,0,0]
T，分别对位置测量数据z
1、z
2和z
3进行坐标变换得到变换的位置测量数据
和
其中，
利用变换的位置测量数据
和
求取
其中i＝1,2和j＝1,2；从s
ij，i＝1,2和j＝1,2中找到最小值对应的索引号，即
并取索引号(i
1,j
1)对应的坐标变换矩阵作为所求的变换矩阵F
c，即
索引号(i
1,j
1)对应的位置测量数据
和
分别作为变换后的位置测量数据
和
即
和
设测量z
k的误差协方差矩阵为
其中
为误差协方差矩阵R
k的元素值；利用变换矩阵F
c对R
k进行变换，得到变换后的误差协方差矩阵
其中
k＝1,2,3。
轨迹探测模块10，用于测试变换后的三个位置测量数据是否同时满足三个预设条件；若能同时满足三个预设条件，用变换后的三个位置测量数据形成一试探性轨迹，并转入状态与误差协方差估计模块；否则转入变换模块取下一组位置测量数据组进行测试。轨迹探测模块10具体用于：
以
和
表示变换后的位置测量数据，测试位置测量数据
和
是否同时满足下列三个预设条件：
预设条件1：
预设条件2：
预设条件3：
其中，v
min、v
max、a
max和ω
max分别为最小速度、最大速度、最大加速度和最大转弯率，||·||
2表示向量的2范数，b
1、b
2和c是三个与协方差矩阵
相关的参数；以V
k表示矩阵
的乔里斯基(Cholesky)分解矩阵，即
以V
k,1、V
k,2和V
k,3表示分解矩阵V
k的主对角线上的三个元素，其中，k＝1,2,3，则参数b
1、b
2和c分别取为
其中，b
3控制参数，其取值范围为b
3＝1～3。
状态与误差协方差估计模块30，用于利用变换后的三个位置测量数据得到三维空间转弯机动目标的转弯率估计；利用变换后的三个位置测量数据和三维空间转弯机动目标的转弯率估计，得到变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计。状态与误差协方差估计模块30具体用于：
利用已形成试探性轨迹的变换后的三个位置测量数据
和
得到三维空间转弯机动目标的转弯率估计为：
其中，
sgn(a)为取变量a的符号，且有
利用已形成试探性轨迹的变换后的三个位置测量数据
和
形成列向量m
y，得到
用
表示r时刻坐标变换后的三维空间转弯机动目标状态估计，其中
和
分别表示位置的x分量、y分量和z分量，
和
分别表示速度的x分量和y分量。
基于列向量m
y及转弯率估计
获得在r时刻变换后的三维空间转弯机动目标状态估 计为
其中，
在r时刻变换后的误差协方差矩阵为：
其中，
反变换模块40，用于利用的坐标变换矩阵F
c对变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计进行反变换，得到三维空间转弯机动目标的初始状态估计和误差协方差估计。反变换模块40具体用于：
利用变换矩阵F
c对变换后的三维空间转弯机动目标状态估计
进行反变换，以获得三维空间转弯机动目标在r时刻的状态估计为
利用变换矩阵F
c对变换后的误差协方差矩阵
进行反变换，得到目标在r时刻的误差协方差矩阵为P
r，
其中，
其中，F
c(i,j)表示矩阵F
c的第i行第j列元素。
本发明第二个实施例所提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始装置，通过坐标变换模块、轨迹探测模块、状态与误差协方差估计模块、坐标反变换模块以及循环装置，最终探测出观测空间中存在的目标，并获得目标的状态估计，从而有效地解决了三维空间转弯机动目标轨迹难以起始的问题，可用于多目标跟踪领域，具有很强的实用性。
作为本发明的第三个实例，其采用了如上述第一个实施例所提供的方法对仿真数据进行了实验。本实施例主要考虑两个在三维空间中作转弯机动的转弯机动目标，目标1的转弯率为ω＝-5°/s，其初始状态为
其在t＝0、t＝T和t＝2T时刻位置分别为[-866.8m,969.2m,207.1m]
T，[-324.6m,1224.0m,193.5m]
T和[251.6m,1383.7m,153.4m]
T，目标2的转弯转弯率为ω＝5°/s，其初始状态为[-733.1m,242.5m/s,1203.8m,140.0m/s,-310.6m,0m/s]
T，其在t＝0、t＝T和t＝2T时刻位置分别为[-733.1m,1203.8m,-310.6m]
T，[-274.2m,1523.2m,-323.2m]
T和[123.8m,1914.4m,-360.7m]
T。传感器测量目标位置，其采样周期为T＝2s，位置测量数据为目标位置加上测量噪声，用σ
x表示传感器在x方向上的测量噪声的标准差，σ
y.表示传感器在y方向上的测量噪声的标准差，σ
z.表示传感器在z方向上的测量噪声的标准差，它们的取值为：σ
x＝σ
y＝σ
z＝1m，协方差矩阵中σ
xy、σ
yz和σ
xz的取为σ
xy＝σ
yz＝σ
xz＝0m。传感器在t＝0、t＝T和t＝2T对目标测量，得到3个位置测量数据。两个目标在t＝0s时的状态值如下表1所示：
表1：两个目标在t＝0s时的状态值
为了处理传感器获得的测量数据，设最小速度v
min＝450m/s、最大速度v
max＝200m/s、最大加速度a
max＝3m/s
2，最大转弯率ω
max＝12°/s(即ω
max＝0.2094rad/s)，控制参数b
3＝2.5。采用如本发明第一实施例所提供的方法对传感器获得的测量数据进行处理，可以成功地探测出观测空间中的两个目标，并能得到这两个目 标在t＝0s时的状态估计，两个目标在t＝0s时的状态估计如下表2所示：
表2：一次实验得到的两个目标在t＝0s时的状态估计
采用本发明第一实施例所提供的方法，进行了100次蒙特·卡罗统计模拟实验，得到上述两个目标在t＝0s时的状态估计下表3所示：
表3：100次蒙特·卡罗统计模拟得到的两个目标在t＝0s时的状态估计
对比表1所示的两目标的状态值，表2和表3的实验结果表明，本发明所提供的三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法，可以获得较为精确和可靠的目标状态估计、各目标的状态估计非常接近它们真实的状态值。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据 本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种用于三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
- 一种用于转弯机动目标的轨迹起始方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、分别从三维空间转弯机动目标三个不同时刻的位置测量数据集中各自取出一个位置测量数据，构成位置测量数据组，用所述位置测量数据组中的三个位置测量数据确定坐标变换矩阵，并通过所述坐标变换矩阵将所述三个位置测量数据变换至xoy平面上，得到变换后的三个位置测量数据，用所述坐标变换矩阵对所述三个位置测量数据的误差协方差矩阵进行变换，得到所述三个位置测量数据变换后的误差协方差矩阵；其具体步骤包括：设所述三维空间转弯机动目标在三个不同时刻的位置测量数据为y k＝(z k,t k) ，其中，k＝1,2,3，t k表示在k时刻的时间，和
分别表示所述三维空间转弯机动目标在k时刻的位置测量数据的x分量、y分量和z分量；
令其中，i＝1,2,3和j＝1,2,3；利用连续的三个不同时刻的位置测量数据y 1＝(z 1,t 1)、y 2＝(z 2,t 2)和y 3＝(z 3,t 3)获得所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的夹角为α，所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的交线和x轴间的夹角为β，所述交线与x轴的交点为[x 0,0,0] T；
其中，
上标T表示向量或矩阵的转置；利用所述夹角α和所述夹角β，并取α 1＝α，α 2＝-α，β 1＝β，β 2＝-β，构建坐标变换矩阵F ij；其中，i＝1,2和j＝1,2；
利用所述坐标变换矩阵F ij，以及所述交点[x 0,0,0] T，分别对位置测量数据z 1、z 2和z 3进行坐标变换得到变换的位置测量数据和
其中，
利用变换的位置测量数据求取
其中i＝1,2和j＝1,2；从s ij，i＝1,2和j＝1,2中找到最小值对应的索引号，即
并取索引号(i 1,j 1)对应的坐标变换矩阵作为所求的变换矩阵F c，即
索引号(i 1,j 1)对应的位置测量数据
和
分别作为变换后的位置测量数据
和
即
和
设测量z k的误差协方差矩阵为其中
为误差协方差矩阵R k的元素值；利用所述变换矩阵F c对R k进行变换，得到变换后的误差协方差矩阵
其中
k＝1,2,3；
步骤2、测试变换后的三个位置测量数据是否同时满足三个预设条件；若能同时满足三个预设条件，用所述变换后的三个位置测量数据形成一试探性轨迹，并转入步骤3；否则转入步骤1取下一组位置测量数据组进行测试；步骤3、利用所述变换后的三个位置测量数据得到所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计；利用所述变换后的三个位置测量数据和所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计，得到变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计；步骤4、利用所述的坐标变换矩阵F c对变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计进行反变换，得到所述三维空间转弯机动目标的初始状态估计和误差协方差估计；步骤5、在一个位置测量数据组的三个位置测量数据的测试完成后，转入步骤1取下一组位置测量数据组进行测试，直至所有的位置测量数据组都进行了测试。 - 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：以和
表示变换后的位置测 量数据，测试所述位置测量数据
和
是否同时满足下列三个预设条件：
预设条件1：
预设条件2：
预设条件3：
其中，v min、v max、a max和ω max分别为最小速度、最大速度、最大加速度和最大转弯率，||·|| 2表示向量的2范数，b 1、b 2和c是三个与协方差矩阵相关的参数；以V k表示矩阵
的乔里斯基(Cholesky)分解矩阵，即
以V k,1、V k,2和V k,3表示分解矩阵V k的主对角线上的三个元素，其中，k＝1,2,3，则参数b 1、b 2和c分别取为
其中，b 3控制参数，其取值范围为b 3＝1～3。 - 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：利用已形成试探性轨迹的所述变换后的三个位置测量数据和
得到所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计为
其中，sgn(a)为取变量a的符号，且 有
利用已形成试探性轨迹的所述变换后的三个位置测量数据和
形成列向量m y，得到
用表示r时刻坐标变换后的三维空间转弯机动目标状态估计，其中
和
分别表示位置的x分量、y分量和z分量，
和
分别表示速度的x分量和y分量；
基于所述列向量m y及所述转弯率估计获得在r时刻变换后的三维空间转弯机动目标状态估计为
其中，
k＝1，2，3
在r时刻变换后的误差协方差矩阵为
其中，
- 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：利用所述变换矩阵F c对变换后的三维空间转弯机动目标状态估计进行反变换，以获得三维空间转弯机动目标在r时刻的状态估计为
利用所述变换矩阵F c对变换后的误差协方差矩阵
进行反变换，得到目标在r时刻的误差协方差矩阵为P r
其中，
其中，F c(i,j)表示矩阵F c的第i行第j列元素。 - 三维空间转弯机动目标的轨迹起始装置，其特征在于，所述装置包括：变换模块，用于分别从三维空间转弯机动目标三个不同时刻的位置测量数据集中各自取出一个位置测量数据，构成位置测量数据组，用所述位置测量数据组中的三个位置测量数据确定坐标变换矩阵，并通过所述坐标变换矩阵将所述三个位置测量数据变换至xoy平面上，得到变换后的三个位置测量数据，用所述坐标变换矩阵对所述三个位置测量数据的误差协方差矩阵进行变换，得到所述三个位置测量数据变换后的误差协方差矩阵；其具体用于：设所述三维空间转弯机动目标在三个不同时刻的位置测量数据为y k＝(z k,t k)，其中，k＝1,2,3，t k表示在k时刻的时间，和
分别表示所述三维空间转弯机动目标在k时刻的位置测量数据的x分量、y分量和z分量；
令其中，i＝1,2,3和j＝1,2,3；利用连续的三个不同时刻的位置测量数据y 1＝(z 1,t 1)、y 2＝(z 2,t 2)和y 3＝(z 3,t 3)获得所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的夹角为α，所述三维空间转弯机动目标运动平面与xoy平面的交线和x轴间的夹角为β，所述交线与x轴的交点为[x 0,0,0] T；
其中，
上标T表示向量或矩阵的转置；利用所述夹角α和夹角β，并取α 1＝α，α 2＝-α，β 1＝β，β 2＝-β，构建坐标变换矩阵F ij；其中，i＝1,2和j＝1,2；
利用所述坐标变换矩阵F ij，以及所述交点[x 0,0,0] T，分别对位置测量数据z 1、z 2和z 3进行坐标变换得到变换的位置测量数据和
其中，
利用变换的位置测量数据和
求取
其中i＝1,2和j＝1,2；从s ij，i＝1,2和j＝1,2中找到最小值对应的索引号，即
并取索引号(i 1,j 1)对应的坐标变换矩阵作为所求的变换矩阵F c，即
索引号(i 1,j 1)对应的位置测量数据
和
分别作为变换后的位置测量数据
和
即
和
设测量z k的误差协方差矩阵为其中
为误差协方差矩阵R k的元素值；利用所述变换矩阵F c对R k进行变换，得到变换后的误差协方差矩阵
其中
k＝1,2,3；
轨迹探测模块，用于测试变换后的三个位置测量数据是否同时满足三个预设条件；若能同时满足三个预设条件，用所述变换后的三个位置测量数据形成一试探性轨迹，并转入状态与误差协方差估计模块；否则转入变换模块取下一组位置测量数据组进行测试；状态与误差协方差估计模块，用于利用所述变换后的三个位置测量数据得到所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计；利用所述变换后的三个位置测量数据和所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计，得到变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计；反变换模块，用于利用所述的坐标变换矩阵F c对变换后的三维空间转弯机动目标初始状态估计和误差协方差估计进行反变换，得到所述三维空间转弯机动目标的初始状态估计和误差协方差估计。 - 如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述轨迹探测模块具体用于：以和
表示变换后的位置测量数据，测试所述位置测量数据
和
是否同时满足下列三个预设条件：
预设条件1：
预设条件2：
预设条件3：
其中，v min、v max、a max和ω max分别为最小速度、最大速度、最大加速度和最大转弯率，||·|| 2表示向量的2范数，b 1、b 2和c是三个与协方差矩阵相关的参数；以V k表示矩阵
的乔里斯基(Cholesky)分解矩阵，即
以V k,1、V k,2和V k,3表示分解矩阵V k的主对角线上的三个元素，其中，k＝1,2,3，则参数b 1、b 2和c分别取为
其中，b 3控制参数，其取值范围为b 3＝1～3。 - 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述状态与误差协方差估计模块具体用于：利用已形成试探性轨迹的所述变换后的三个位置测量数据和
得到所述三维空间转弯机动目标的转弯率估计为
其中，sgn(a)为取变量a的符号，且有
利用已形成试探性轨迹的所述变换后的三个位置测量数据和
形成列向量m y，得到
用表示r时刻坐标变换后的三维空间转弯机动目标状态估计，其中
和
分别表示位置的x分量、y分量和z分量，
和
分别表示速度的x分量和y分量；
基于所述列向量m y及所述转弯率估计获得在r时刻变换后的三维空间转弯机动目标状态估计为
其中，
在r时刻变换后的误差协方差矩阵为
其中，
- 如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反变换模块具体用于：利用所述变换矩阵F c对变换后的三维空间转弯机动目标状态估计进行反变换，以获得三维空间转弯机动目标在r时刻的状态估计为
利用所述变换矩阵F c对变换后的误差协方差矩阵
进行反变换，得到目标在r时刻的误差协方差矩阵为P r
其中，
其中，F c(i,j)表示矩阵F c的第i行第j列元素。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/CN2018/094175 WO2020006672A1 (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置 |
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|---|---|---|---|
| PCT/CN2018/094175 WO2020006672A1 (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/CN2018/094175 WO2020006672A1 (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 三维空间转弯机动目标的轨迹起始方法及装置 |
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2018
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 18925433 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 26.04.2021) |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 18925433 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |