UKF算法及其在目标被动跟踪中的应用

利用了一种用于非线性系统的,基于无迹变换的Kalman滤波算法的一个新的扩展方法—UKF,推导了应用于方位角预测和纯方位跟踪两个方面的UKF滤波算法,并给出了具体步骤。仿真说明了在目标跟踪领域,应用该方法比以往EKF类的方法在滤波精度上明显提高,并且在实际应用中,由于该算法实现简单、计算量小而增强了可用性。     

基于UKF-IMM的双红外机动目标跟踪算法

为了有效解决红外机动目标跟踪精度问题,提出基于UKF的交互式多模型IMM红外机动目标跟踪算法.该方法采用Markov过程描述多个目标模型间的切换,同时导出滤波器输入输出均加权的交互式算法.滤波器采用UKF,避免计算扩展卡尔曼滤波EKF所需的Jacobi矩阵,适用于非线性、非高斯的目标系统模型和观测模型,同时UKF可供多个模型共用,便于软、硬件实现.最后,用双红外探测器对S型机动目标进行仿真实验,给出应用该方法的具体步骤,验证了IMM-UKF的稳定性、有效性和精确性.     

SINS/CNS/GPS integrated navigation algorithm based on UKF

A new nonlinear algorithm is proposed for strapdown inertial navigation system (SINS)/celestial navigation system (CNS)/global positioning system (GPS) integrated navigation systems. The algorithm employs a nonlinear system error model which can be modified by unscented Kalman filter (UKF) to give predictions of local filters. And these predictions can be fused by the federated Kalman filter. In the system error model, the rotation vector is introduced to denote vehicle’s attitude and has less variables tha...     

基于强跟踪UKF的航天器自主导航间接量测滤波算法

针对广义卡尔曼滤波(extended Kalman filter, EKF)和无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)缺乏对系统异常的在线自适应调整能力、导致滤波器精度降低的问题,提出了一种将强跟踪滤波(strong tracking filter, STF)和UKF相结合的滤波算法,并进一步采用部分状态信息作为间接观测量,同时量测噪声方差阵实时调整,从而避免了对观测方程求取Jacobi矩阵的过程,使滤波器的设计得到简化。将该算法应用于航天器自主导航系统中,仿真结果表明,该算法在系统出现突变或缓变异常时,能够迅速检测出异常,在保证较高估计精度的同时,提高了系统的可靠性。     

改进的强跟踪平方根UKF在卫星导航中应用

针对应用于受不确定性干扰和噪声影响的卫星自主导航系统中的无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter,UKF）存在估计精度低、跟踪性能差和鲁棒性弱等缺陷,提出一种改进的强跟踪平方根UKF(strong tracking square-root UKF, STSRUKF)导航方法。该方法中利用星敏感器和光学导航相机设计出导航方案,并通过转换方程将间接量测量转换为观测量。针对平方根UKF（square-root UKF, SRUKF）在高阶系统中因为sigma点的零权值系数是负的或者数值计算误差太大时而可能造成滤波器发散问题,采用一种改良的平方根分解方法,改善了滤波器的稳定性。同时,基于强跟踪滤波器理论（strong tracking filters, STF）,引入多重自适应衰减因子调节协方差矩阵,使得滤波器具有强跟踪能力和克服系统模型不确定的鲁棒性,改善了滤波器的估计精度。将该方法应用于卫星自主导航系统中,实验仿真结果表明,相对于平方根UKF和STF,该方法不仅保证了系统的可靠性,还提高系统的导航精度和改善系统的鲁棒性及跟踪能力。     

基于UKF的导弹SINS/CNS姿态估计方法

针对中远程弹道导弹的特点,在分析研究捷联惯性导航系统/天文导航系统(strapdown inertial navigation system/celestial navigation system, SINS/CNS)组合导航测量修正方案的基础上,建立了导弹四元数运动学方程、陀螺测量模型,星敏感器测量模型等系统方程,将无轨迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)算法应用于主动段关机点环境,通过对陀螺常值漂移、一阶漂移的在线估计,达到高精度导弹姿态的实时输出。与EKF、QUEST、MLS和捷联惯性迭代递推算法比较,仿真结果表明了UKF算法具有更高的精度,收敛快,适于在无控飞行阶段的工程应用。     

基于UKF的新型北斗/SINS组合系统直接法卡尔曼滤波

针对传统的间接法卡尔曼滤波在北斗/捷联惯导(serial inertial navigation system, SINS)组合导航系统中无法实现较高的定位精度且计算的冗余度大的缺点,提出一种基于无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter, UKF）的新型组合系统滤波算法。本算法以SINS输出的导航参数及平台误差角等作为系统状态,无源北斗输出的位置速度参数作为量测,采用改进的UKF方法进行数据融合,并直接计算组合系统导航参数的最优估计。实验结果表明,新算法可以降低对伪距误差模型的精确度要求,同时避免非线性系统状态方程的线性化,简化滤波参数的调整过程,从而有效地缩短组合导航系统的解算时间,提高定位精度。     

Pulsar/CNS integrated navigation based on federated UKF

In order to improve the autonomous navigation capability of satellite, a pulsar/CNS (celestial navigation system) integrated navigation method based on federated unscented Kalman filter (UKF) is proposed. The celestial navigation is a mature and stable navigation method. However, its position determination performance is not satisfied due to the low accuracy of horizon sensor. Single pulsar navigation is a new navigation method, which can provide highly accurate range measurements. The major drawback of single pulsar navigation is that the system is completely unobservable. As two methods are complementary to each other, the federated UKF is used here for fusing the navigation data from single pulsar navigation and CNS. Compared to the traditional celestial navigation method and single pulsar navigation, the integrated navigation method can provide better navigation performance. The simulation results demonstrate the feasibility and effectiveness of the navigation method.     

基于UKF的双平台无源融合跟踪方法

针对存在配准偏差的双平台无源融合跟踪系统,提出了基于扩维Unscented卡尔曼滤波的配准跟踪一体化方法,在跟踪算法中,采用模糊调度方法调节＂当前＂统计模型参数,引入渐消因子,能够在状态发生突变时,迅速调整系统参数,提高了系统的抗机动目标自适应能力。仿真结果表明,这种跟踪算法能够较好地解决双平台无源融合跟踪系统中的配准偏差问题。     

基于卡尔曼滤波的在线量子态估计优化算法

针对连续弱测量中存在高斯测量噪声的问题,提出一种基于卡尔曼滤波的在线量子状态估计的预测-修正-投影优化算法.首先,在常规在线卡尔曼滤波算法预测状态时间更新和估计状态测量更新的基础上,通过增加对量子态的约束条件,将其应用于在线的量子状态估计中,将量子态在线估计问题转化为一个带有量子态约束条件的卡尔曼滤波优化问题.其次,通...     

基于自适应UKF算法的机载INS/GPS空中对准研究

在空中对准失准角不满足小角度假设的条件下,推导了一种新的机载INS/GPS大失准角空中对准的误差模型。将基于极大似然估计的自适应估计器与无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)算法相结合,修改自适应滤波算法中自适应参数的表达式。提出将自适应UKF算法用于非线性误差模型的空中对准方案中。仿真表明,自适应UKF算法能够克服噪声统计模型不准确对滤波结果的影响,失准角估计的精度好于UKF算法的精度。     

基于状态预测与评估的部件任务成功性评估研究

针对任务成功性评估的需要, 充分考虑任务可靠性与维修性的特点. 在状态监测与预测的基础上, 通过D-S证据理论与模糊综合评判相结合的办法得出部件针对任务的不可靠度, 由不可靠度与相关维修数据相结合来实现对部件的任务成功性评估. 最后通过示例应用表明了该方法的可用性.     

基于UKF的单站无源定位与跟踪双向预测滤波算法

提出了一种新的滤波算法,以加快滤波算法的收敛速度和提高滤波的估计精度。反向预测与更新提高了上一时刻状态估计的精度,减小了当前时刻的状态预测误差。利用更准确的初始条件经过正向预测与更新,能得到当前状态更精确的估计值。计算机仿真结果表明,本算法的滤波性能优于传统的迭代滤波算法,既提高了滤波的估计精度,又加快了算法的收敛速度。     

创新的动态人口死亡率预测及其应用

本文结合Bootstrap方法与Lee-Carter模型对我国人口死亡率进行拟合与预测,较好地解决了传统模型的不足.首先利用最小二乘法、加权最小二乘法和极大似然法三种参数估计方法对Lee-Carter模型的参数进行估计.然后通过对残差的分布性质进行分析发现加权最小二乘法有较好的拟合效果.再考虑到传统的Lee-Carter模型在预测未来死亡率区间时仅考虑了时间参数的变动区间,因此利用残差Bootstrap方法估计了所有参数的置信区间,并对模型参数的稳健性进行检验.最后在充分考虑所有参数变动性的基础上,给出了死亡率预测均值及死亡率预测值的置信区间,结果表明,所计算的死亡率预测值的置信区间具有更好的预测效果.     

基于IMM算法的机场场面运动目标跟踪

为了实现对机场场面运动目标的精确跟踪,研究了将交互式多模型（interacting multiple model, IMM）滤波算法应用到机场场面监视雷达对运动目标的跟踪中。首先,根据飞机的真实运动情况建立了飞机的匀加速运动、匀速转弯运动及匀速运动模型,然后,利用无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)与IMM相结合的UKF-IMM算法对场面雷达监视的飞机的运动进行了跟踪建模,并将UKF IMM算法与基于扩展卡尔曼滤波（extended Kalmam filter, EKF）的EKF-IMM和基于当前统计模型的单模型跟踪算法进行仿真比较。结果表明,UKF-IMM跟踪算法在雷达场面跟踪方面具有更大的应用价值。     

基于UKF神经网络的姿态测量信息融合算法

针对融合系统建模误差、噪声统计特性不精确性和环境的动态变化性致使传统联合滤波过程中融合权值难以确定,引入人工智能中的神经网络,提出了基于神经网络的多信息自适应智能估计融合算法研究;利用神经网络的自适应能力对状态估计融合结果进行实时辅助补偿和修正,将非线性最优估计与神经网络技术相结合,重点研究了基于UKF的神经元融合权重在线自适应学习算法,以便在缺少准确局部子滤波器协方差信息情况下,仍能使全局估计融合结果最优,从理论上证明了UKF学习算法优于传统EKF学习方法,并以卫星多姿态测量信息融合定姿系统为例,给出了计算实例和结论分析,表明了所提出的模型与算法在实际应用中的有效性。

Abstract：

The fusion weight of traditional Federal Kalman Filter is difficult to be determined because of the fusion system modeling error,the inaccuracy of noise statistic characteristics as well as the dynamic variability in the fusion filtering process.In order to solve this problem,a self-adaptive fusion estimation algorithm for multi-information measurement based on neural networks was presented,which used the self-adaptive ability of neural networks to make real-time compensation and amendment for the state fusion estimation results.Combining a nonlinear optimal estimation with neural network,an online adaptive training algorithm for the weights of neuron based on Unscented Kalman filter （UKF） was researched,which could still realize the optimal fusion for the global estimation even if the accurate covariance information of each local sub-filter were absent.The performances of UKF training algorithm and the traditional EKF algorithm were analyzed and compared,and moreover taking the multi-information fusion system for satellite attitude determination as the experimental example,the simulation calculation and analysis were advanced,which show that the presented models and algorithms are effective in the actual application.     

基于状态相关模态切换混合估计的航迹预测

针对航空器飞行轨迹预测的随机线性混杂系统估计问题,提出一种状态相关模态切换的混合估计算法(SDTHE). 该算法不仅解决了标准交互式多模型(IMM)算法似然函数为零均值高斯函数假设的缺陷,而且基于实时状态更新模态转移矩阵,使得飞行模态估计更为准确,从而提高飞行轨迹预测的精度. 与标准交互式多模型算法相比,仿真结果表明了所提出算法的有效性和优越性.     

一种改进的混合预测冗余CORDIC算法

CORDIC作为一种计算三角函数的向量旋转的迭代算法,其硬件结构简单,易于并行化处理和VLSI实现,因而在实时信号处理方面有广泛的应用前景。本文提出了一种改进的混合预测CORDIC算法。该算法利用混合预测方法的设计思想,讨论了在具体数据格式下,混合角度集中间值的确定,并给出了算法的实现结构。由分析结果证明此算法具有高运算速度与低资源的优势,在结构上较传统冗余CORDIC算法节省近60%的冗余符号判别运算。     

Modified unscented particle filter for nonlinear Bayesian tracking

A modified unscented particle filtering scheme for nonlinear tracking is proposed, in view of the potential drawbacks （such as, particle impoverishment and numerical sensitivity in calculating the prior） of the conventional unscented particle filter （UPF） confronted in practice. Specifically, a different derivation of the importance weight is presented in detail. The proposed method can avoid the calculation of the prior and reduce the effects of the impoverishment problem caused by sampling from the proposal distribution, Simulations have been performed using two illustrative examples and results have been provided to demonstrate the validity of the modified UPF as well as its improved performance over the conventional one.     

基于IUPF算法的三维无人机毫米波波束跟踪

由于无人机毫米波通信技术具有高速数据传输和广域网络覆盖能力, 因此在军用和民用领域中拥有广阔的应用前景。针对无人机毫米波通信需要进行精确的波束跟踪这一问题, 提出一种基于改进无迹卡尔曼粒子滤波算法的三维波束跟踪方法。该方法首先利用无迹卡尔曼滤波建立建议密度函数并更新采样粒子; 然后计算每一个采样粒子的权值, 并在归一化后再次对粒子进行重采样; 最后计算粒子均值, 得到波束跟踪角度。仿真结果表明, 该方法相较于以往毫米波波束跟踪方法大大降低了估计误差, 显著提高了波束的跟踪精度。