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JPH0429034B2 - - Google Patents
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JPH0429034B2 - - Google Patents

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JPH0429034B2
JPH0429034B2 JP936985A JP936985A JPH0429034B2 JP H0429034 B2 JPH0429034 B2 JP H0429034B2 JP 936985 A JP936985 A JP 936985A JP 936985 A JP936985 A JP 936985A JP H0429034 B2 JPH0429034 B2 JP H0429034B2
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Mitsubishi Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/66Radar-tracking systems; Analogous systems

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は観測雑音を含んだ目標位置情報を目
標観測装置より入力し、目標位置の真値および速
度・加速度等の目標運動諸元を推定する追尾フイ
ルタの精度向上の方法について提案するものであ
る。 〔従来の技術〕 第2図は通常のカルマンフイルタで追尾フイル
タを構成した場合の図であり、図において1は観
測雑音を含んだ目標位置を計測する目標観測装
置、2は目標位置および目標運動諸元の平滑値算
出に使用するカルマンゲイン行列を算出するため
のゲイン行列算出器、3は目標位置および目標運
動諸元の平滑値を算出する平滑器、4は現時点よ
り1サンプリング後の目標位置および目標運動諸
元の予測値を算出する予測値算出器、5は第1の
遅延回路、8は平滑値の誤差を評価する平滑誤差
評価装置、11は予測値の誤差を評価する予測誤
差評価装置、12は第4の遅延回路である。 従来の追尾フイルタは上記のように構成され、
たとえば座標系としては固定直交座標、運動系モ
デルとしては等速直線運動モデルが使用されてい
た。目標観測装置1では、極座標における目標位
置情報である観測雑音を含んだ距離・高角・方位
角を観測する。ゲイン行列算出器2では、あらか
じめ設定してある観測系モデルより得られる極座
標における観測雑音の共分散行列を目標観測装置
1より入力される極座標における目標位置情報に
より固定直交座標における観測雑音の共分散行列
に変換し、この行列と1サンプリング前に予測誤
差評価装置で算出しておいた予測誤差の共分散行
列とによりカルマンフイルタの理論に従いゲイン
行列を算出する。平滑器3では、予測値算出器4
より入力される1サンプリング前に算出した現時
点に対しての固定直交座標における目標位置およ
び目標速度の予測値を、目標観測装置1より入力
される固定直交座標に変換後の目標位置の観測値
と予測値算出器4より入力される固定直交座標に
おける上記の現時点に対しての目標位置の予測値
との差にゲイン行列算出器2より入力されるゲイ
ン行列を乗算した値で修正し、目標位置および目
標速度の平滑値を算出する。予測値算出器4では
目標が等速直線運動を行なうとして平滑器3で算
出した目標位置および目標速度をもとに1サンプ
リング後の目標位置および目標速度の予測値を算
出する。平滑誤差評価装置8ではあらかじめ設定
された運動系モデル通りに目標が運動し、あらか
じめ設定された観測系モデル通りに目標位置の観
測値が得られた場合に算出される平滑値と真値と
の差の共分散行列を算出する。予測誤差評価装置
11では平滑誤差評価装置8により入力される共
分散行列をもとに目標が運動系モデル通りに運動
するとした場合の現時点より1サンプリング後に
発生する予測値と真値との差の共分散行列を算出
する。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記のような従来の追尾フイルタでは、目標が
急旋回を行なつている時でも、目標が等速直線運
動を行なうとして、予測誤差評価装置11で予測
誤差の共分散行列を算出しているため誤差が生
じ、その結果がゲイン行列算出器2で算出してい
るゲイン行列に伝達する。同様にして予測値算出
器4で算出する予測値にも誤差が生じる。平滑器
3ではゲイン行列および予測値を使用して平滑値
を算出しているため1サンプリングごとに誤差が
生じ、その誤差が累積することにより、平滑値は
ついには真値とまつたくかけ離れた値となるとい
う問題点があつた。また、固定直交座標において
目標が等加速度運動を行なうとした運動系モデル
を採用してカルマンフイルタで追尾フイルタを構
成する方法もあるが、第3図に示すように目標が
等速円運動を行なう場合においても、速度・加度
度の大きさは一定であるが、それらの向きは時々
刻々と変化しているので固定直交座標おのおのの
軸上で考えた速度・加速度は正弦波状に変化して
いるため計算精度はあまり向上されなかつた。こ
こで、第3図において、Aは等速円運動目標の回
転中心、Bはある時刻における目標の位置、Cは
目標位置Bに対する速度ベクトル、Dは目標位置
Bに対する加速度ベクトルである。 この発明はこのような問題点を解決するために
なされたもので、速度ベクトルの向きを変化させ
ながら飛行する目標に対しても精度よく追尾でき
る追尾フイルタを構成することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明の追尾フイルタは目標観測装置で観測
した値を平滑化し目標の位置、速度、加速度など
の運動諸元をカルマンフイルタを使用した追尾フ
イルタより算出するさいに、速度ベクトルの方向
を一軸とする目標の運動とともに変化する動的直
交座標を使用するとともにあるサンプリング時刻
より次のサンプリング時刻に運動諸元が推移する
状態を表現する推移行列を算出するのに目標の速
度・加速度より目標の角速度を算出し、角速度を
使用するようにしたものである。 〔作 用〕 この発明においては、目標の運動諸元を算出す
るのに従来使用していた第4図のような目標観測
装置を原点0、東方向をx軸の正X、北方向をy
軸の正Y、鉛直の上方向をz軸の正Zとする固定
直交座標0−xyzの代わりに、第5図のような追
尾中心を原点0′、目標の速度ベクトルをu軸の正
U、水平面に平行な面内で速度ベクトルに垂直で
右手方向をv軸の正V、速度ベクトルに垂直で下
向きをw軸の正Wとする動的直交座標0′−uvwを
採用した。ここで、第4図において、0は座標0
−xyzの原点、Xは座標0−xyzのx軸、Yは座
標0−xyzのy軸、Zは座標0−xyzのz軸であ
り、第5図において、0′は座標0′−uvwの原点、
Uは座標0′−uvwのu軸、Vは座標0′−uvwのv
軸、Wは座標0′−uvwのw軸、Pはu軸回りの角
速度、Qはv軸回りの角速度、Rはw軸回りの角
速度である。さらに、目標の速度ベクトルの向き
が刻々変化する場合に生ずる目標の角速度を目標
の速度・加速度より算出し、動的直交座標0′−
uvwにより速度・加速度および角速度を使用して
目標の運動諸元を算出することにより算出精度を
上げようとしたものである。 〔実施例〕 第1図はこの発明を最も有効に活用できる目標
自動追尾装置の一実施例の主要部分を示す構成図
であり、図において1は目標観測装置、2はゲイ
ン行列算出器、3は平滑器、4は予測値算出器、
5は第1の遅延回路、6は直交座標0−xyzと直
交座標0−uvw間の座標変換行列を算出する座標
変換行列算出器、7は第2の遅延回路、8は平滑
誤差評価装置、9は1サンプリング後の目標位置
および目標運動諸元を算出するのに使用する推移
行列を算出する推移行列算出器、10は第3の遅
延回路、11は予測誤差評価装置、12は第4の
遅延回路、13は目標観測装置1を目標に指向さ
せるための駆動装置である。 第6図は目標姿勢角を説明するための図であ
り、図においてHは速度ベクトル上の単位ベクト
ル、IはベクトルHを水平面に射影したベクト
ル、Jは水平面における目標の姿勢角で直交座標
0−xyzのy軸YよりベクトルIまでの角度、K
は鉛直面における目標の姿勢でベクトルIよりベ
クトルHまでの角度、0は直交座標0−xyzの原
点、Xはx軸、Yはy軸、Zはz軸である。第6
図より速度ベクトルの直交座標0−xyzに関する
成分を Vx Vy Vzとすれば J=tan-1Vx/Vy ……(1) である。 なお、空間中の任意のベクトルの直交座標0−
xyzに関する成分 x y z と直交座標0−uvwに関る成分 u v w との間には目標姿勢角JおよびKによる直交行列
Fおよびその転置行列FTを使用すれば線形代数
学により x y z=Fx v w ……(3) u v w=FTx y z ……(4) の関係がある。 つまり、たとえば加速度ベクトルの直交座標0
−xyzおよび0−uvwに関する成分をそれぞれ Ax Ay Az=Aw とすれば Au Av Aw=FTAx Ay Az ……(7) Ax Ay Az=FTAu Av Az ……(8) の関係がある。 また、直交座標0−uvwにおける各軸上の正の
向きの単位ベクトルをそれぞれuvw
すれば、ベクトル解析学の公式により、第5図の
角速度P,Q,Rを使用して、 d/dtu=Rv−Qw ……(9) d/dtv=−Ru+Qw ……(10) d/dtw=Qu−Pv ……(11) の関係がある。ただし、u軸回りの角速度Pは目
標追尾には無関係なので P=0 ……(12) とする。また、追尾目標の角速度は一定であり、
進行方向の加速度の時間微分値も一定とする。す
なわち d/dtQ=0,d/dtR=0,d/dtAu=0……(13) とする。 直交座標0−uvwにおける目標の位置ベクトル
を、目標の速度をf、すなわち f=√x 2y 2z 2=√u 2v 2w 2……(14) とすれば、座標系の取り方より、Vu=f,Vv
Vw=0で dp/dt=f・u=Vuu ……(15) となる。 従つて、加速度ベクトルは d2p/dt2=df/dt・u+f・deu/dt……(16) となる。式(16)に式(9)を適用して d2p/dt2=df/dt・u+(R・f)・v +(−Q・f)・w ……(17) を得る。一方、加速度ベクトルの直交座標0−
uvwに関する成分は Au Av Aw であるから Au=df/dt ……(18) Av=R・f ……(19) Aw=−Q・f ……(20) となる。よつて、角速度RおよびQは R=Av/f ……(21) Q=−Aw/f ……(22) により求まる。 式(18)より(17)は d2p/dt2=Auu+(R・f)・v +(−Q・f)・w ……(23) となる。 さらに、加速度ベクトルd2P/dt2の直交座標0− uvwに関する成分は Au v Aw であるから d2p/dt2=Auu+Auv+Aww ……(24) と書ける。 式(23)より d3p/dt3=dAu/dt・u+Au・deu/dt+(dR/dt
・f)・v+(R・df/dt)・v+(R・f)・dev
/dt +(−dQ/dt・f)w+(−Q・df/dt)・w
+(−Q・f)・dew/dt……(25) となる。式(25)に(9)〜(13)及び式(18)を適用して d3p/dt3=(−Q2・f−R2・f)・u+2R・df/d
t・v−2Q・df/dt・w……(26) を得る。さらに式(26)に式(18)を適用して d3p/dt3=−(Q2+R2)・f・u+2R・Auv
2Q・Auw……(27) を得る。 現時点よりt秒後の目標位置予測ベクトルを
(t)と書けば (t)=∞ 〓 n±0P(n)(0)/n〓tn ……(28) となる。ここで(n)(0)はdnP/dt・の時刻0にお ける値である。 目標自動追尾装置に要求される精度により異な
るが、ここでは式(28)において4次以上の項を打
ち切れば PF(t)=3n2o P(n)(0)/n〓tn ……(29) となる。 式(29)において(0)(0)すなわち目標位置ベ
クトルの直交座標0−uvwに関する成分を Pu Pv Pw とすれば、(1)(0)すなわち現時間刻の目標速
度ベクトルの直交座標0−uvwに関する成分は Vu Av Aw であり、P(2)(0)すなわち現時刻の目標加速度ベ
クトルの直交座標0−uvwに関する成分は Au Au Aw であり、P(3)(0)座標系の取り方よりVu=f,
Vv=Vw=0だつたから式(27)を使用し、3×3
の単位行列をIと書けば F(t)=Pu Pv Pw+(tI+t3/3〓C3)Vu Vv Vw+(t2/2〓I+t3/3〓D3)Au Av Aw ……(30) となる。ここで C3=−Q2+R2 0 0 0 0 0 0 0 0 ……(31) D3=0 0 0 2R 0 0 −2Q 0 0 ……(32) である。 現時点よりt秒後の目標速度予測ベクトルを
(t)と書けば、式(30)を微分することにより F(t)=(I+t2/2〓C3)Vu Vv Vw+(tI+t2/2〓D3)Au Av Aw ……(33) を得る。 現時点よりt秒後の目標加速度予測ベクトルを
F(t)と書けば、式(33)を微分することによ
F (t)=tC3Vu Vv Vw+(I+tD3)Au Av Aw ……(34) を得る。 式(30),式(33)および式(34)より、サンプリング
時刻tK-1における直交座標0−uvwを使用して、
運動系モデルを K=ΦK-1 K-1+Γ1(k−1)・ K-1 ……(35) と書ける。ここで、 Kは、サンプリング時刻tK
における目標運動諸元の真値である状態ベクト
ル、すなわち X K =(tK) (tK) (tK) ……(36) であり、ΦK-1はサンプリング時刻tK-1からtKへの
状態ベクトルの推移行列であり、Iを3×3の単
位行列とすれば(なお、OIは3×3の零行列と
なる。) であり、 Kはサンプリング時刻tKにおける式(29)
を算出した場合の打切誤差の4次の項に相当する
駆動雑音ベクトルで であり、Eを平均をあらわす記号としてKは平
の多変量正規分布に従うとし E〔 K〕= ……(40) E〔 K T j=QKK=jの時)、OI(K≠jの時)
……(41) (ATは行列Aの転置行列をあらわす) とする。 また、目標観測装置からは第7図に示すような
極座標系で目標位置情報が得られるとする。ここ
で、第7図において、Bはある時刻における目標
の位置、0は座標0−xyzの原点、Xは座標系0
−xyzのx軸、Yはy軸、Zはz軸、Lは目標ま
での距離、Mは目標の方位角、Nは目標の高角で
ある。第7図より Px=L・cosN・sinM ……(42) Py=L・cosN・sinM ……(43) Pz=L・sinN ……(44) である。ここで、目標位置ベクトルの直交座標
0−xyzに関する成分を Px Py Pz とした。 式(42)〜式(44)により直交座標0−xyzにおける
微小量を dPx dPy dPz、極座標における微小量をdL dN dM とし、両者の微小量の関係を線型近似すれば、全
微分の公式より dPx dPy dPz=Γ2dL dN dM ……(45) となる。 従つて、直交座標0−uvwに関する観測系モデ
ルは、サンプリング時刻tKにおけるΓ2及び式(5)の
FをそれぞれΓ2(K)、FKとし GKFK 0I 0I 0I FK 0I 0I 0I FK ……(47) とすれば、サンプリング時刻tKでの直交座標0−
uvw における真値はGT KGK-1 Kであるから( Kはサ
ンプリング時刻tK-1における直交座標0−uvwを
使用して定義されていたため、GK-1 Kは直交座
標0−xyzに関する状態ベクトルとなり、GK T
GK-1 Kはサンプリング時刻tKにおける直交座標
0−uvwに関する状態ベクトルとなる。 K=HGT KGK-1FT KΓ2(K) K ……(48) と書ける。ここで Kはサンプリング時刻tKにお
ける観測ベクトル、Hは観測行列で H=(I 0I 0I) ……(49) Kはサンプリング時刻tKにおける極座標表示
による観測雑音ベクトルで、Γ2(k) Kは式(45)
より直交座標0−xyzに関する観測雑音となり、
FK TΓ2(k) Kは式(4)よりサンプリング時刻tK
おける直交座標0−uvwに関する観測雑音となり
Kは平均の多変量正規分布に従い E〔 K〕=0 ……(50) E〔 K T j〕=RK(K≠jの時)、 0I(K≠jの時) ……(51) とする。また、 j Kはお互いに無相間、すな
わち E〔 K T j〕=0I(すべてのk,jについて)
……(52) とする。 以上のことより通常のカルマンフイルタの理論
と同様にして、サンプリング時刻tKにおける直交
座標0−uvwを使用して K+1(−)=ΦK K(+) ……(53) PK+1(−)=ΦK・PK(+)・ΦT K+Γ1(K)・Qx
Γ1
(K)T ……(54) K(+)=GT KGK-1 K(−)+Kk・〔 K−H・
GT K・GK-1 K(−)〕……(55) PK(+)=I 0I 0I 0I I 0I 0I 0I I〔−KKH〕・GT KGK-1PK(−)GT K-1GK……(56) を得る。ここで K(−)は、観測ベクトル 0 1,……,
K-1よりの Kの予測ベクトル K(+)は、観測ベクトル 0 1,……,
Kよりの Kに対する平滑ベクトル PK(+)は、サンプリング時刻tKにおける平滑
誤差共分散行列、すなわち PK(+)=E[( K(+)−GT KGK-1 K)( K
(+)−GT KGK-1 KT]……(57) PK(−)は、サンプリング時刻tKにおける予測
誤差共分散行列、すなわち PK(-)=E〔( K(-)− K)( K(-)− KT〕 ……(58) KKは、サンプリング時刻tKにおけるゲイン行
列であり KK=GT KGK-1PK(−)GT K-1GKHT(HGT KGK-1PK(−)GT K-
1
GKHT+FT KΓ2(K)RKΓ2(K)TFK-1……(59) である。 次にこの発明の追尾フイルタの動作を第1図に
従つて説明する。 なお、カルマンフイルタを通常適用する場合と
同様にして、初期値であるサンプリング時刻t0
t1における値は定まつているとし、サンプリング
時刻t2以降の場合について説明する。 目標観測装置1では極座標で目標位置情報を観
測し、結果を直交座標0−xyzに関する目標位置
情報に変換する。ゲイン行列算出器2では目標観
測装置1で観測した目標までの距離L、高角N、
方位角Mにより式(46)に従いサンプリング時刻tK
におけるΓ2の値Γ2(K)を算出し、あらかじめ設
定してある式(51)のRK、サンプリング時刻TK-1
予測したサンプリング時刻tKにおける式(5)のFK
よび(47)のGKを第2の遅延回路7を通して座標変
換行列算出器6より入力し、またサンプリング時
刻tK-1で予測したサンプリング時刻tKに対する式
(54)のPK(−)を第4の遅延回路12を通して予
測誤差評価装置11より入力し、式(49)のHとに
よる式(59)に従いカルマンゲイン行列KKを算出す
る。平滑器3では、第2の遅延回路7を通して座
標変換行列算出器より入力する(47)のGK、目標観
測装置1より入力する直交座標0−xyzに関する
目標観測位置を上記GKによりサンプリング時刻
tKにおける直交座標0−uvwに関する目標観測位
置に変換した値である式(48)の x、第1の遅延
回路5を通して予測値算出器4より入力するサン
プリング時刻tK-1で予測したサンプリング時刻tK
に対する予測値である式(53)の K(−)、ゲイン
行列算出器2より入力する式(59)のKKおよび式(4
9)のHとにより式(55)に従い平滑ベクトル K
(+)を算出する。予測値算出器4では平滑器3
より入力する K(+)および第3の遅延回路1
0を通して推移行列算出器9より入力するサンプ
リング時刻tK-1で算出したサンプリング時刻tK
対する式(37)のΦKにより式(53)に従いサンプリン
グ時刻tKにおいてサンプリング時刻tK+1に対する
予測ベクトル K+1(−)を算出器する。座標変
換行列算出器6で予測値算出器4より入力する予
測ベクトル K+1(−)値を式(47)のGKにより直
交座標0−xyzの表現GK K+1(−)に変換した
のち速度成分により式(1)および式(2)により式(5)の
サンプリング時刻tK+1に対するFK+1および式(47)
のGK+1を算出する。平滑誤差評価装置8ではゲ
イン行列算出器2より入力する式(59)のKK、第2
の遅延回路7を通して座標変換行列算出器6より
入力するサンプリング時刻tK-1で算出したサンプ
リング時刻tKに対する式(47)のGK、第4の遅延回
路12を通して予測値誤差評価装置11より入力
するサンプリング時刻tK-1で算出したサンプリン
グ時刻tKに対するPK(−)および式(49)のHによ
り式(56)に従い平滑誤差共分散行列PK(+)を算
出する。推移行列算出器9では予測値算出器4よ
り入力される K+1(−)を使用しサンプリング
時刻tK+1に対する式(14)の速度の大きさf、式(21)
および式(22)の角速度R,Q,式(31)および式(32)
の行列C3,D3を算出し式(37)のサンプリング時刻
tK+1に対するΦK+1を算出する。予測誤差評価装置
11では第3の遅延回路10を通して推移行列算
出器9より入力されるサンプリング時刻tKに対す
る式(37)の推移行列ΦK、平滑誤差評価装置8より
入力される式(56)の平滑誤差共分散行列PK(+)
およびあらかじめ机上で算出されている式(41)の
QKと式(39)のΓ1(K)により式(54)に従いサンプ
リング時刻tK+1に対する予測誤差共分散行列PK+1
(−)を算出する。駆動装置13はで予測値算出
器4より入力される予測ベクトル K+1(−)の
うち位置情報をもとにサンプリング時刻tK+1に目
標観測装置1が指向すべき高角および方位角を算
出しその方向に指向するよう目標観測装置1を制
御する。 〔発明の効果〕 以上のようにこの発明によれば通常の目標自動
追尾装置に特別の付加装置を付けることなく安価
に目標運動諸元出算出精度を向上させることがで
きる。 なお以上の目標自動追尾装置の場合について説
明したが目標観測装置より目標運動諸元を算出す
る通常の追尾フイルタに適用できる。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] This invention inputs target position information containing observation noise from a target observation device, and estimates the true value of the target position and target motion specifications such as velocity and acceleration. This paper proposes a method for improving the accuracy of tracking filters. [Prior Art] Fig. 2 is a diagram of a tracking filter configured with a normal Kalman filter. In the figure, 1 is a target observation device that measures a target position including observation noise, and 2 is a target observation device that measures the target position and target movement. A gain matrix calculator for calculating the Kalman gain matrix used to calculate the smoothed values of the specifications, 3 a smoother for calculating the smoothed values of the target position and target motion specifications, 4 the target position after one sampling from the current point. and a predicted value calculator that calculates predicted values of target motion specifications; 5 is a first delay circuit; 8 is a smoothing error evaluation device that evaluates errors in smoothed values; and 11 is a prediction error evaluation unit that evaluates errors in predicted values. The device 12 is a fourth delay circuit. A conventional tracking filter is configured as described above.
For example, fixed orthogonal coordinates were used as the coordinate system, and a uniform linear motion model was used as the motion system model. The target observation device 1 observes distance, height angle, and azimuth including observation noise, which is target position information in polar coordinates. The gain matrix calculator 2 converts the covariance matrix of observation noise in polar coordinates obtained from a preset observation system model into the covariance matrix of observation noise in fixed orthogonal coordinates using the target position information in polar coordinates input from the target observation device 1. It is converted into a matrix, and a gain matrix is calculated according to the Kalman filter theory using this matrix and a covariance matrix of prediction errors calculated by the prediction error evaluation device one sampling ago. In the smoother 3, the predicted value calculator 4
The predicted values of the target position and target speed in fixed orthogonal coordinates with respect to the present moment calculated one sampling ago, which are inputted by The target position is corrected by multiplying the difference between the predicted value of the target position for the above-mentioned current point in the fixed orthogonal coordinates inputted from the predicted value calculator 4 by the gain matrix inputted from the gain matrix calculator 2, and calculates the target position. and calculate the smoothed value of the target speed. The predicted value calculator 4 calculates predicted values of the target position and target speed after one sampling based on the target position and target speed calculated by the smoother 3 assuming that the target performs uniform linear motion. The smoothing error evaluation device 8 calculates the difference between the smoothed value and the true value, which are calculated when the target moves according to the preset motion system model and the observed value of the target position is obtained according to the preset observation system model. Compute the covariance matrix of differences. The prediction error evaluation device 11 calculates, based on the covariance matrix input by the smoothing error evaluation device 8, the difference between the predicted value and the true value that will occur after one sampling from the current point when the target moves according to the motion system model. Calculate the covariance matrix. [Problems to be Solved by the Invention] In the conventional tracking filter as described above, even when the target is making a sharp turn, the prediction error evaluation device 11 calculates the prediction error based on the assumption that the target is in uniform linear motion. An error occurs because the covariance matrix is calculated, and the result is transmitted to the gain matrix being calculated by the gain matrix calculator 2. Similarly, errors occur in the predicted value calculated by the predicted value calculator 4. Since the smoother 3 calculates the smoothed value using the gain matrix and the predicted value, an error occurs every sampling, and as the error accumulates, the smoothed value will eventually become a value that is completely different from the true value. There was a problem that. There is also a method of constructing a tracking filter using a Kalman filter by adopting a motion system model in which the target performs uniform acceleration motion in fixed orthogonal coordinates, but as shown in Figure 3, the target performs uniform circular motion. In this case, the magnitude of the velocity and acceleration is constant, but their direction changes from moment to moment, so the velocity and acceleration considered on each axis of the fixed orthogonal coordinates change in a sinusoidal manner. Therefore, the calculation accuracy was not improved much. Here, in FIG. 3, A is the rotation center of the uniform circular motion target, B is the position of the target at a certain time, C is the velocity vector with respect to the target position B, and D is the acceleration vector with respect to the target position B. The present invention has been made to solve these problems, and it is an object of the present invention to construct a tracking filter that can accurately track a flying target while changing the direction of its velocity vector. [Means for Solving the Problems] The tracking filter of the present invention smoothes the values observed by the target observation device and calculates motion parameters such as target position, velocity, and acceleration using the tracking filter using a Kalman filter. In order to calculate the transition matrix that expresses the state in which the motion specifications change from one sampling time to the next sampling time, we use dynamic orthogonal coordinates that change with the movement of the target with the direction of the velocity vector as one axis. The angular velocity of the target is calculated from the velocity and acceleration of the target, and the angular velocity is used. [Operation] In this invention, the target observation device as shown in FIG.
Instead of fixed orthogonal coordinates 0-xyz where the positive Y axis is the positive Z axis and the vertical upward direction is the positive Z axis, the tracking center is the origin 0' and the target velocity vector is the positive U axis of the u axis as shown in Figure 5. , dynamic orthogonal coordinates 0'-uvw are adopted in which the positive V of the v-axis is perpendicular to the velocity vector and in the right-hand direction in a plane parallel to the horizontal plane, and the positive W of the w-axis is perpendicular to the velocity vector and downward. Here, in Fig. 4, 0 is the coordinate 0
-xyz origin, X is the x-axis with coordinates 0-xyz, Y is the y-axis with coordinates 0-xyz, Z is the z-axis with coordinates 0-xyz, and in Figure 5, 0' is the coordinate 0'-uvw. The origin of
U is the u axis with coordinates 0'-uvw, V is v with coordinates 0'-uvw
The axis, W, is the w-axis with coordinates 0'-uvw, P is the angular velocity around the u-axis, Q is the angular velocity around the v-axis, and R is the angular velocity around the w-axis. Furthermore, the angular velocity of the target that occurs when the direction of the target's velocity vector changes every moment is calculated from the target's velocity and acceleration, and the dynamic orthogonal coordinate 0'-
This is an attempt to improve calculation accuracy by calculating the motion specifications of the target using velocity, acceleration, and angular velocity using UVW. [Embodiment] FIG. 1 is a block diagram showing the main parts of an embodiment of an automatic target tracking device in which the present invention can be most effectively utilized. In the figure, 1 is a target observation device, 2 is a gain matrix calculator, and 3 is a smoother, 4 is a predicted value calculator,
5 is a first delay circuit, 6 is a coordinate transformation matrix calculator that calculates a coordinate transformation matrix between orthogonal coordinates 0-xyz and orthogonal coordinates 0-uvw, 7 is a second delay circuit, 8 is a smoothing error evaluation device, 9 is a transition matrix calculator that calculates a transition matrix used to calculate the target position and target motion specifications after one sampling; 10 is a third delay circuit; 11 is a prediction error evaluation device; 12 is a fourth The delay circuit 13 is a drive device for directing the target observation device 1 to the target. FIG. 6 is a diagram for explaining the target attitude angle. In the figure, H is a unit vector on the velocity vector, I is a vector obtained by projecting vector H onto the horizontal plane, and J is the attitude angle of the target on the horizontal plane, with orthogonal coordinates 0. - Angle from the y-axis Y of xyz to the vector I, K
is the attitude of the target in the vertical plane, and is the angle from vector I to vector H, 0 is the origin of Cartesian coordinates 0-xyz, X is the x-axis, Y is the y-axis, and Z is the z-axis. 6th
From the figure, if the component related to the orthogonal coordinates 0-xyz of the velocity vector is V x V y V z , then J=tan -1 V x /V y ……(1) It is. Note that the orthogonal coordinates 0− of any vector in space
Between the component x y z related to xyz and the component u v w related to the orthogonal coordinate 0-uvw, if we use the orthogonal matrix F by the target attitude angles J and K and its transposed matrix F T , we can calculate x y by linear algebra. z=Fx v w...(3) u v w=F T x yz...(4) There is a relationship between In other words, for example, the Cartesian coordinate of the acceleration vector is 0
If the components related to -xyz and 0-uvw are respectively A x A y A z = A w , then A u A v A w = F T A x A y A z ...(7) A x A y A z = F There is the following relationship: T A u A v A z ……(8). Also, if the unit vectors in the positive direction on each axis in the orthogonal coordinates 0-uvw are u , v , w , then using the formula of vector analysis, using the angular velocities P, Q, and R in Figure 5, , d/dt u =R v -Q w ...(9) d/dt v = -R u +Q w ...(10) d/dt w =Q u -P v ...(11) . However, since the angular velocity P around the u-axis is irrelevant to target tracking, P=0...(12). Also, the angular velocity of the tracking target is constant,
It is also assumed that the time differential value of the acceleration in the direction of travel is constant. That is, d/dtQ=0, d/dtR=0, d/dtA u =0 (13). The position vector of the target at the orthogonal coordinates 0 - uvw is given by the coordinates From the way the system is taken, V u = f, V v =
When V w = 0, dp/dt = f・u = V uu (15). Therefore, the acceleration vector is d 2 p/dt 2 = df/dt· u + f·de u /dt (16). By applying equation (9) to equation (16), we obtain d 2 p/dt 2 = df/dt・u + (R・f)・v + (−Q・f)・w (17). On the other hand, the orthogonal coordinates of the acceleration vector 0-
Since the component related to uvw is A u A v A w , A u = df/dt (18) A v = R・f (19) A w = −Q・f (20). Therefore, the angular velocities R and Q are determined by R=A v /f (21) Q=-A w /f (22). From equation (18), (17) becomes d 2 p/dt 2 =A uu + (R・f)・v + (−Q・f)・w (23). Furthermore, since the component of the acceleration vector d 2 P/dt 2 with respect to the orthogonal coordinate 0− uvw is A u v A w , d 2 p/dt 2 = A uu + A uv + A ww ……(24 ) can be written. From formula (23), d 3 p/dt 3 = dA u /dt・u +A u・de u /dt+(dR/dt
・f)・v + (R・df/dt)・v +(R・f)・dev
/dt +(-d Q /dt・f) w +(-Q・df/dt)・w
+(-Q・f)・de w /dt...(25) Applying (9) to (13) and equation (18) to equation (25), d 3 p/dt 3 = (−Q 2・f−R 2・f)・u +2R・df/d
Obtain t・v −2Q・df/dt・w ……(26). Furthermore, by applying equation (18) to equation (26), d 3 p/dt 3 = −(Q 2 + R 2 )・f・u +2R・A uv
2Q・A uw …(27) is obtained. The target position prediction vector t seconds after the current time is
If we write F (t), we get (t)=∞ 〓 n±0P (n) (0)/n〓t n ……(28). Here, (n) (0) is the value of d n P/dt· at time 0. Although it depends on the accuracy required of the automatic target tracking device, here, if we discontinue the terms of fourth order or higher in equation (28), P F (t) = 3n2o P (n) (0)/n〓t n ... …(29) becomes. In equation (29), if (0) (0), that is, the component related to the orthogonal coordinates 0-uvw of the target position vector is P u P v P w , then (1) (0), that is, the orthogonal component of the target velocity vector at the current time The component related to the coordinate 0-uvw is V u A v A w , and P (2) (0), that is, the component related to the orthogonal coordinate 0-uvw of the target acceleration vector at the current time is A u A u A w , and P ( 3) (0) From the way the coordinate system is taken, V u = f,
Since V v = V w = 0, use equation (27) and calculate 3×3
If we write the unit matrix of as I, then F (t) = P u P v P w + (tI + t 3 /3〓C3) V u V v V w + (t 2 /2〓I + t 3 /3〓D3) A u A v A w ……(30). Here, C 3 =−Q 2 +R 2 0 0 0 0 0 0 0 0 (31) D 3 =0 0 0 2R 0 0 −2Q 0 0 (32). The target speed prediction vector t seconds after the current time is
If we write F (t), by differentiating equation (30), we get F (t) = (I + t 2 /2〓C3)V u V v V w + (tI + t 2 /2〓D3)A u A v A w …(33) is obtained. If we write the target acceleration prediction vector t seconds from the current moment as V F (t), then by differentiating equation (33), we get F (t) = tC 3 V u V v V w + (I + tD 3 ) A u A v A w ……(34) is obtained. From Equations (30), Equations (33) and Equations (34), using Cartesian coordinates 0-uvw at sampling time tK -1 ,
The motion system model can be written as Here, X K is the sampling time t K
is the state vector that is the true value of the target motion specifications at This is the transition matrix of the state vector to K , and if I is a 3 x 3 unit matrix (OI is a 3 x 3 zero matrix). , W K is the equation (29) at sampling time t K
is the driving noise vector corresponding to the fourth-order term of the truncation error when calculating , where E is the symbol representing the average, and W K follows a multivariate normal distribution with mean 0. E[ W K ] = 0 ... (40) E [ W K W T j = Q K K = j) , OI (when K≠j)
...(41) (A T represents the transposed matrix of matrix A). It is also assumed that target position information is obtained from the target observation device in a polar coordinate system as shown in FIG. Here, in FIG. 7, B is the target position at a certain time, 0 is the origin of coordinates 0-xyz, and X is the coordinate system 0.
-xyz x-axis, Y is the y-axis, Z is the z-axis, L is the distance to the target, M is the azimuth angle of the target, and N is the high angle of the target. From Fig. 7, P x = L・cosN・sinM ……(42) P y = L・cosN・sinM ……(43) P z = L・sinN ……(44). Here, the component related to the orthogonal coordinates 0-xyz of the target position vector is defined as P x P y P z . Using equations (42) to (44), if the infinitesimal quantity in the orthogonal coordinates 0-xyz is dPx dPy dPz, and the infinitesimal quantity in the polar coordinates is dL dN dM, and the relationship between the two infinitesimal quantities is linearly approximated, then from the total differential formula, dPx dPy dPz=Γ 2 dL dN dM ……(45) becomes. Therefore, the observation system model for Cartesian coordinates 0-uvw is as follows: G K F K 0I 0I 0I F K 0I 0I 0I F K ……(47) Then, the orthogonal coordinates 0− at sampling time t K
Since the true value at uvw is G T K G K - 1 The state vector regarding the coordinates 0−xyz is G K T
G K - 1 It can be written as Z K = HG T K G K-1 F T K Γ 2 (K) v K ……(48). Here, z K is the observation vector at sampling time t K , H is the observation matrix, H = (I 0I 0I) ... (49) v K is the observation noise vector expressed in polar coordinates at sampling time t K , and Γ 2 (k ) V K is the formula (45)
It becomes observation noise regarding orthogonal coordinates 0-xyz,
F K T Γ 2 (k) From equation (4), V K is the observation noise with respect to the orthogonal coordinate 0-uvw at sampling time t K , and V K follows a multivariate normal distribution with mean 0. E[ V K ] = 0... (50) E[ V K V T j ]=R K (when K≠j), 0I (when K≠j) ...(51). Also, V j and W K are phaseless with each other, that is, E[ V K W T j ]=0I (for all k and j)
...(52). From the above , using the orthogonal coordinates 0 - uvw at the sampling time t K , in the same way as the normal Kalman filter theory , P K+1 (−)=Φ K・P K (+)・Φ T K1 (K)・Q x
Γ 1
(K) T ...(54) X K (+)=G T K G K-1 X K (-)+K k・[ Z K −H・
G T K G K - 1 _ _ _ (−)G T K-1 G K ……(56) is obtained. Here, X K (-) is the observation vector Z 0 , Z 1 , ...,
The predicted vector X K (+) of X K from Z K-1 is the observed vector Z 0 , Z 1 ,...,
The smooth vector P K (+) for X K from Z K is the smooth error covariance matrix at sampling time t K , that is, P K (+) = E [( X K (+) − G T K G K-1 X K ) ( X K
( + ) G T K G K - 1 K ( - ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ (−)G T K-1 G K H T (HG T K G K-1 P K (−)G T K-
1
G K H T +F T K Γ 2 (K) R K Γ 2 (K) T F K ) -1 ...(59). Next, the operation of the tracking filter of the present invention will be explained with reference to FIG. In addition, in the same way as when applying the Kalman filter normally, the initial values of sampling time t 0 ,
Assuming that the value at t 1 is fixed, the case after sampling time t 2 will be explained. The target observation device 1 observes target position information using polar coordinates, and converts the result to target position information regarding orthogonal coordinates 0-xyz. The gain matrix calculator 2 calculates the distance L to the target observed by the target observation device 1, the height angle N,
Sampling time t K according to equation (46) according to azimuth M
The value Γ 2 (K) of Γ 2 at is calculated, R K of equation (51) set in advance, F K of equation (5) at sampling time t K predicted at sampling time T K-1, and ( 47 ) is inputted from the coordinate transformation matrix calculator 6 through the second delay circuit 7, and P K (-) in equation (54) for the sampling time t K predicted at the sampling time t K-1 is inputted as the second delay circuit 7. The signal is inputted from the prediction error evaluation device 11 through the delay circuit 12 of No. 4, and the Kalman gain matrix K K is calculated according to equation (59) using H in equation (49). In the smoother 3, GK of (47) is inputted from the coordinate transformation matrix calculator through the second delay circuit 7, and the target observation position regarding the orthogonal coordinates 0-xyz inputted from the target observation device 1 is determined at the sampling time using the above GK .
Z x in equation (48), which is the value converted to the target observation position with respect to the orthogonal coordinate 0-uvw at t K , is predicted at the sampling time t K-1 input from the predicted value calculator 4 through the first delay circuit 5. sampling time t K
X K (-) of equation (53), which is the predicted value for , K K of equation (59) input from gain matrix calculator 2, and equation (4)
9), the smooth vector X K according to equation (55)
Calculate (+). In the predicted value calculator 4, the smoother 3
X K (+) and the third delay circuit 1
Prediction for sampling time tK +1 at sampling time tK according to equation (53) using Φ K of equation (37) for sampling time tK calculated at sampling time tK-1 input from the transition matrix calculator 9 through 0 Calculate the vector X K+1 (-). In the coordinate transformation matrix calculator 6 , the predicted vector After converting to the velocity component, F K+ 1 for the sampling time t K+1 of Equation (5) and Equation (47) are calculated using Equation (1) and Equation (2).
Calculate G K+1 of . In the smoothing error evaluation device 8, K K of equation (59) inputted from the gain matrix calculator 2, the second
G K in Equation (47) for the sampling time t K calculated at the sampling time t K-1 input from the coordinate transformation matrix calculator 6 through the delay circuit 7 , and from the predicted value error evaluation device 11 through the fourth delay circuit 12 A smoothed error covariance matrix P K (+) is calculated according to equation (56) using P K (-) for sampling time t K calculated at input sampling time t K-1 and H in equation (49). The transition matrix calculator 9 uses the X K+1 (-) input from the predicted value calculator 4 to calculate the speed f of equation (14) with respect to sampling time t K+1 , and equation (21)
and the angular velocities R, Q of equation (22), equation (31) and equation (32)
The matrices C 3 and D 3 of are calculated and the sampling time of equation (37) is calculated.
Calculate Φ K+1 for t K+1 . The prediction error evaluation device 11 uses the transition matrix Φ K of equation (37) for the sampling time t K inputted from the transition matrix calculator 9 through the third delay circuit 10, and the equation (56) inputted from the smoothing error evaluation device 8. smoothed error covariance matrix P K (+)
and equation (41) calculated in advance on paper.
Prediction error covariance matrix P K+1 for sampling time t K + 1 according to Equation (54) using Q K and Γ 1 (K) of Equation (39).
Calculate (-). The drive device 13 calculates the high angle and azimuth angle at which the target observation device 1 should aim at sampling time t K+1 based on the position information of the predicted vector X K + 1 (−) inputted from the predicted value calculator 4. is calculated and the target observation device 1 is controlled to point in that direction. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to improve the calculation accuracy of target motion parameters at low cost without adding any special additional device to a normal automatic target tracking device. Although the case of the automatic target tracking device has been described above, the present invention can be applied to a normal tracking filter that calculates target motion specifications from a target observation device.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の一実施例の構成を説明する
図、第2図は従来の追尾フイルタの構成を説明す
る図、第3図は等速円運動目標を説明する図、第
4図は固定直交座標0−xyzを説明する図、第5
図は動的直交座標0′−uvwを説明する図、第6図
は目標姿勢角を説明する図、第7図は極座標を説
明する図である。図において1は目標観測装置、
2はゲイン行列算出器、3は平滑器、4は予測値
算出器、5は第1の遅延回路、6は座標変換行列
算出器、7は第2の遅延回路、8は平滑誤差評価
装置、9は推移行列算出器、10は第3の遅延回
路、11は予測誤差評価装置、12は第4の遅延
回路、13は駆動装置である。なお、各図中同一
あるいは相当部分には同一符号を付して示してあ
る。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of a conventional tracking filter, FIG. 3 is a diagram for explaining a uniform circular motion target, and FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a conventional tracking filter. Diagram explaining fixed orthogonal coordinates 0-xyz, 5th
The figures are diagrams for explaining dynamic orthogonal coordinates 0'-uvw, FIG. 6 is a diagram for explaining the target posture angle, and FIG. 7 is a diagram for explaining polar coordinates. In the figure, 1 is the target observation device;
2 is a gain matrix calculator, 3 is a smoother, 4 is a predicted value calculator, 5 is a first delay circuit, 6 is a coordinate transformation matrix calculator, 7 is a second delay circuit, 8 is a smoothing error evaluation device, 9 is a transition matrix calculator, 10 is a third delay circuit, 11 is a prediction error evaluation device, 12 is a fourth delay circuit, and 13 is a drive device. Note that the same or corresponding parts in each figure are designated by the same reference numerals.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 目標位置情報を観測する目標観測装置、速度
ベクトルを一軸とする直交座標においてゲイン行
列を算出するゲイン行列算出器、上記速度ベクト
ルを一軸とする直交座標において目標位置・速
度・加速度などの目標運動諸元の平滑値を算出る
平滑器、上記速度ベクトルを一軸とする直交座標
において現時刻より1サンプリング後の目標運動
諸元の予測値を算出する予測値算出器、上記平滑
器で算出した平滑値の誤差を上記速度ベクトルを
一軸とする直交座標において算出する平滑誤差評
価装置、上記予測値算出器で算出した予測値の誤
差を上記速度ベクトルを一軸とする直交座標にお
いて算出する予測誤差評価装置、上記予測値算出
器で算出した予測値を使用して固定直交座標より
速度ベクトルを一軸とする直交座標への変換行列
を算出する座標変換行列算出器、上記予測値算出
器で算出した予測値をもとに算出した目標の角速
度を使用し目標の推移行列を算出する推移行列算
出器を備えたことを特徴とする追尾フイルタ。
1. A target observation device that observes target position information, a gain matrix calculator that calculates a gain matrix in orthogonal coordinates with the velocity vector as one axis, and a target movement such as target position, velocity, acceleration, etc. in orthogonal coordinates with the velocity vector as one axis. A smoother that calculates the smoothed values of the specifications, a predicted value calculator that calculates the predicted values of the target motion specifications after one sampling from the current time in orthogonal coordinates with the velocity vector as one axis, and a smoother that calculates the smoothed values of the specifications. A smoothing error evaluation device that calculates a value error in orthogonal coordinates with the speed vector as one axis, and a prediction error evaluation device that calculates the error of the predicted value calculated by the predicted value calculator in orthogonal coordinates with the speed vector as one axis. , a coordinate transformation matrix calculator that calculates a transformation matrix from fixed orthogonal coordinates to orthogonal coordinates with the velocity vector as one axis using the predicted value calculated by the predicted value calculator, a predicted value calculated by the predicted value calculator 1. A tracking filter comprising a transition matrix calculator that calculates a transition matrix of a target using an angular velocity of the target calculated based on the angular velocity of the target.
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