由连续时间离散化的过程噪声 的协方差矩阵是:
(2.2.5)
在采样时间间隔内,加速度的变化大约是 ,这可以作为 的参考。
CV、CA模型都是线性模型,是目标跟踪中的两种最基本的模型,也是导出其它模型的基础。
2.3 辛格(Singer)模型
1970年,R. A. Singer[26]首次假设机动加速度 的概率密度服从近似分布,提出了一阶时间相关模型,即Singer模型。
根据平稳随机过程相关函数的特性,如对称性、衰减性等,设机动加速度的时间相关函数为指数衰减形式:
(2.3.1)
式(2.3.1)中, 、 为在 区间内决定目标机动特性的待定参数。 为机动加速度方差, 为机动时间常数的倒数,即为机动频率,通常其经验取值为:转弯机动 =1/60,逃避机动 =1/20,大气扰动 =1,它的确切值只能通过实时测量确定。机动加速度均值为零,方差 可有图2.1所示的概率密度函数计算得到。
图2.1 Singer模型中加速度概率密度函数
(2.3.2)
其中, 为最大机动加速度, 为零加速度时的发生概率, 为最大加速度时的发生概率。
时间相关函数 经Wiener-Kolmlgorov白化过程后,机动加速度 可用输入为白噪声的一阶时间相关模型来表示,即:
(2.3.3)
式中, 是均值为零、方差为 的高斯白噪声。
则Singer模型可表示如下:
(2.3.4)
其中,
(2.3.5)
Singer模型根据 的不同,可以跟踪不同机动程度的目标,具有适应性。当 时, ,这对应于匀加速模型;当 时, ,这对应于匀速模型。因此当 在正实轴上变化时,Singer模型就对应于目标介于目标从匀速到匀加速运动之间的不同模型,因此Singer模型相对于“非此即彼”的CV或者CA模型具有较大的自适应性。
对于采样时间间隔 ,离散时间状态方程为:
(2.3.6)
状态变量 ,则
(2.3.7)
其离散过程具有协方差:
(2.3.8)
其中,
(2.3.9)
而Singer模型的主要缺陷在以下三个方面:(1)该模型只适用于匀速或者匀加速范围内的目标运动;(2)该模型中关于机动加速度在 均匀分布的假设使得其均值为零,一般情况和目标真实的运动特性相悖;(3)模型中许多参数需要先验假定,这在工程中难以实现。
2.4 “当前”统计(CS)模型
“当前”统计(CS)模型[24,27]由我国学者周宏仁于1983年提出,是公认的一种比较切合实际的模型,并取得了广泛应用。该统计模型的基本思想是:当目标以某一加速度机动时,那么目标加速度下一时刻的取值只能是在“当前”时刻加速度的邻域内。
当前统计模型从本质上讲是具有自适应非零均值的Singer模型,它采用修正的瑞利分布来描述机动加速度“当前”概率密度。用“当前”加速度预测值表示加速度的均值。随机机动加速度在时间轴上仍符合一阶时间相关过程。即:
(2.4.1)
式中, 是有色加速度噪声, 为加速度均值,且假设其在每一采样周期内为常数, 为机动频率, 是均值为零,方差 的白噪声, 为目标加速度方差。
令 ,则式(2.4.1)可以改写为:
(2.4.2)
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