在现代信息化战争的背景下,战场环境呈现复杂多变的特点,以俄乌战争和巴以对抗为例,火箭弹、迫击弹和其他RAM(Rockets,Artillery,and Mortars)类目标在实战中有广泛应用,战争形态和样式具有重大的变革和突破。为有效拦截该类目标,有必要深入研究目标运动特性,进而建立适当的数学模型,提升跟踪精度。质阻比决定了该类目标的运动特性,空气阻力发生改变,目标的运动轨迹会随之发生改变,跟踪精度也会受到影响。RAM目标跟踪技术作为RAM目标拦截的关键技术之一,对于增强防空能力、巩固国防具有极为重要的意义
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在解决目标跟踪问题时,其中一个重要方面就是建立起合适的数学模型。RAM类目标通常有两种建模方向:运动学模型和动力学模型。运动学模型主要有匀速模型(CV)、匀加速模型(CA)和一阶时间相关模型(Singer)
[2]。周宏仁提出的当前统计模型,对Singer模型进行改进,认为下一时刻的加速度只能在当前加速度的领域内取值
[3]。Jerk模型是Kishore
[4]在加速度模型中增加了一维高阶量得到。冯耀等人通过将一阶AR模型的思想运用到模型参数的实时估计中,在量测模型和状态方程中加入了相关参数,对Jerk模型做了相应改进
[5]。而动力学模型是对目标的运动参数进行估计,从弹道角度来考虑机动目标的运动状态,更为贴合目标的实际运动状态
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另一个重要方面就是改进滤波方法,提高滤波精度。滤波方法根据系统的目标运动模型和量测模型可分为线性滤波和非线性滤波。在RAM类目标系统中,目标运动模型多为笛卡尔坐标系下建立的,而量测模型多为极坐标系或球坐标系。目前,常用的非线性滤波方法有扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)、粒子滤波(PF)和容积卡尔曼滤波(CKF)。量测转换卡尔曼滤波(CMKF),通过坐标变换将极坐标系下的观测数据转换为直角坐标系下数据,即将非线性问题线性化,故也可用于RAM类目标跟踪中。刘新宇等人
[7]通过采用量测转换无迹卡尔曼滤波对系统状态进行估计,在UKF中加入了最小二乘递推辨识算法进行弹道系数自适应,并对其进行二次滤波。李姝怡等人
[8]针对雷达非线性量测模型的目标跟踪问题,以交互多模型算法为基础,利用多个并行的滤波模型覆盖目标可能的运动模式,提出了一种去相关无偏量测转换跟踪算法。孙照强等人
[9]针对地面雷达多目标高精度等要求,提出了一种基于弹道运动方程的改进EKF算法。Guo等人
[10] 给出了弹道导弹中段目标在EUN坐标系和球坐标系下的运动加速度,建立了混合坐标系和球坐标系下的状态方程和量测方程,对关键函数进行了显式表达,并采用UKF算法对弹道目标进行滤波跟踪。 Manav等人
[11]针对二维雷达跟踪系统,提出了一种改进的鲁棒自适应无迹卡尔曼算法,试图消除测量模型误差和时变噪声协方差的影响,以提高滤波器的性能。Freitas等人
[12]针对EKF在RAM目标跟踪等问题上出现的收敛性差、线性不充分等局限性,提出了一种改进的EKF算法,推荐了一个新的雅可比矩阵展开点,并建议互协方差矩阵的Frobenius范数作为先验估计的修正因子,既保持了EKF结构简单又相对提高了其精度。