本發(fā)明屬于船舶導(dǎo)航控制，特別涉及一種預(yù)測(cè)水上目標(biāo)位置的方法、系統(tǒng)、存儲(chǔ)介質(zhì)和電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、無人艇在巡邏時(shí)或者在作戰(zhàn)的場(chǎng)景下，對(duì)于觀測(cè)到的水上目標(biāo)進(jìn)行融合態(tài)勢(shì)分析，從而分析目標(biāo)在未來時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)，也能夠?yàn)橛脩舻淖鰶Q策時(shí)提供相應(yīng)的關(guān)鍵信息。但是相關(guān)技術(shù)中無法融合多個(gè)傳感器的信息，不能從多維度上對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出預(yù)測(cè)，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度比較低，實(shí)用性比較差。

2、因此，如何提出一種能夠提高目標(biāo)預(yù)測(cè)精度的方法就成為目前亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種預(yù)測(cè)水上目標(biāo)位置的方法，用于船艇，船艇上設(shè)置有多個(gè)不同的傳感器，方法包括：獲取船艇觀測(cè)到的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；根據(jù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)；根據(jù)運(yùn)動(dòng)函數(shù)確定目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻的第一位置預(yù)測(cè)值；獲取當(dāng)前時(shí)刻多個(gè)傳感器的原始觀測(cè)值；根據(jù)原始觀測(cè)值和第一位置預(yù)測(cè)值確定目標(biāo)的第二位置預(yù)測(cè)值；根據(jù)第二位置預(yù)測(cè)值和運(yùn)動(dòng)函數(shù)預(yù)測(cè)目標(biāo)在下一時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值；其中，第一位置預(yù)測(cè)值包括位置估計(jì)值和協(xié)方差矩陣估計(jì)值，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)的速度和角速度。

2、在一些技術(shù)方案中，可選地，根據(jù)運(yùn)動(dòng)函數(shù)確定目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻的第一位置預(yù)測(cè)值的步驟包括：根據(jù)上一時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值和運(yùn)動(dòng)函數(shù)確定當(dāng)前時(shí)刻的第一位置預(yù)測(cè)值；根據(jù)雅可比矩陣對(duì)第一位置預(yù)測(cè)值線性化。

3、在一些技術(shù)方案中，可選地，根據(jù)原始觀測(cè)值和第一位置預(yù)測(cè)值確定目標(biāo)的第二位置預(yù)測(cè)值的步驟包括：利用卡爾曼濾波的方式濾除原始觀測(cè)值中干擾和噪聲，得到濾波觀測(cè)值；將濾波觀測(cè)值和第一位置預(yù)測(cè)值進(jìn)行融合，得到目標(biāo)的第二位置預(yù)測(cè)值。

4、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為可微函數(shù)時(shí)，可微函數(shù)包括：

5、

6、其中，xk表示k時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值，xk-1表示k-1時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值，uk表示k時(shí)刻系統(tǒng)控制輸入，wk表示外界擾動(dòng)項(xiàng)，vk表示k時(shí)刻系統(tǒng)的觀測(cè)噪聲，zk表示觀測(cè)變量，函數(shù)f表示從過去的預(yù)測(cè)值中計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值，函數(shù)h表示濾除原始觀測(cè)值中的干擾和噪聲。

7、在一些技術(shù)方案中，可選地，作用于xk-1狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和雅可比矩陣的表達(dá)式為：

8、

9、其中，fk表示作用于xk-1狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，uk表示k時(shí)刻的系統(tǒng)控制輸入，hk表示雅可比矩陣，表示k-1時(shí)刻對(duì)目標(biāo)位置的預(yù)測(cè)值。

10、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為勻速直線運(yùn)動(dòng)函數(shù)時(shí)，目標(biāo)在k時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)向量表示為：

11、

12、其中，xk、分別表示為在k時(shí)刻時(shí)，x軸方向的位置坐標(biāo)、速度、加速度，yk、分別表示為在k時(shí)刻時(shí)，y軸方向的位置坐標(biāo)、速度、加速度，t表示為采樣時(shí)間間隔；

13、在笛卡爾坐標(biāo)系下線性的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型方程為：

14、

15、其中，xk+1、xk分別表示為目標(biāo)在k+1時(shí)刻和k時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量，表示為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，г表示為狀態(tài)噪聲輸入矩陣，wk表示為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲，設(shè)為零均值的高斯白噪聲。

16、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為勻速模型時(shí)，目標(biāo)在k時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示為：

17、

18、其中，表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，t表示為采樣時(shí)間間隔；

19、目標(biāo)在k時(shí)刻的狀態(tài)噪聲輸入矩陣г表示為：

20、

21、其中，г表示為狀態(tài)噪聲輸入矩陣，t表示為采樣時(shí)間間隔；

22、目標(biāo)在k時(shí)刻的模型噪聲表示為：

23、

24、其中，wk表示為模型噪聲，wx,k表示為k時(shí)刻噪聲在x軸上的速度分量，wy,k表示為k時(shí)刻噪聲在y軸上的速度分量。

25、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為勻加速模型時(shí)，目標(biāo)在k時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示為：

26、

27、其中，表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，t表示為采樣時(shí)間間隔；

28、目標(biāo)在k時(shí)刻的狀態(tài)噪聲輸入矩陣г表示為：

29、

30、其中，г表示為狀態(tài)噪聲輸入矩陣，t表示為采樣時(shí)間間隔；

31、目標(biāo)在k時(shí)刻的模型噪聲表示為：

32、

33、其中，wk表示為模型噪聲，wx,k表示為k時(shí)刻噪聲在x軸上的速度分量，wy,k表示為k時(shí)刻噪聲在y軸上的速度分量。

34、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為恒定速度和轉(zhuǎn)速模型時(shí)，目標(biāo)在k時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)向量表示為：

35、

36、其中，ctrvx表示為，x、y、v、w分別表示為目標(biāo)橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、角速度、線速度、角加速度、線加速度，t表示為采樣時(shí)間間隔周期；

37、目標(biāo)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方程為：

38、

39、其中，xk+1表示為k+1時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值，xk表示為k時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值。

40、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為恒定速度和轉(zhuǎn)速模型時(shí)，目標(biāo)在k時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)向量表示為：

41、

42、其中，ctrvx表示為，x、y、v、a、w分別表示為目標(biāo)橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、角速度、線速度、角加速度、線加速度，t表示為采樣時(shí)間間隔；

43、目標(biāo)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方程為：

44、

45、其中，

46、

47、xk+1表示為k+1時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值，xk表示為k時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值。

48、在一些技術(shù)方案中，可選地，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為恒定曲率半徑和加速度模型時(shí)，目標(biāo)在k+1時(shí)刻的位置的計(jì)算方式為：

49、

50、其中，左列表示為非線性過程噪聲，aa表示為艏向加速度，而aψ是偏航加速度，αk表示為x軸方向的目標(biāo)速度分量，βk表示為y軸方向的目標(biāo)速度分量，ψk表示為艏向角，k表示為第k時(shí)刻。

51、在一些技術(shù)方案中，可選地，根據(jù)上一時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值和運(yùn)動(dòng)函數(shù)確定當(dāng)前時(shí)刻的第一位置預(yù)測(cè)值的方式包括：

52、

53、其中，第一位置預(yù)測(cè)值包括目標(biāo)在時(shí)刻k的位置估計(jì)值和目標(biāo)在時(shí)刻k的協(xié)方差矩陣估計(jì)值pk|k-1，fk表示為作用于xk-1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，bk表示為作用于控制向量的輸入-控制模型，uk表示為控制輸入變量，qk表示為過程噪聲；

54、計(jì)算目標(biāo)的第二位置預(yù)測(cè)值的方式包括：

55、

56、其中，第二位置預(yù)測(cè)值包括目標(biāo)在k時(shí)刻的新的估計(jì)值和新的協(xié)方差矩陣估計(jì)值pk|k，表示為測(cè)量余量、s表示為測(cè)量余量協(xié)方差，kl表示為最優(yōu)卡爾曼增益，sk、kk具體計(jì)算方式包括：

57、

58、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種預(yù)測(cè)水上目標(biāo)位置的控制系統(tǒng)，用于船艇，船艇上設(shè)置有多個(gè)不同的傳感器，控制系統(tǒng)包括：獲取模塊，用于獲取船艇觀測(cè)到的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；確定模塊，用于根據(jù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)；預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)運(yùn)動(dòng)函數(shù)確定目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻的第一位置預(yù)測(cè)值；獲取模塊，還用于獲取當(dāng)前時(shí)刻多個(gè)傳感器的原始觀測(cè)值；預(yù)測(cè)模塊，還用于根據(jù)原始觀測(cè)值和第一位置預(yù)測(cè)值確定目標(biāo)的第二位置預(yù)測(cè)值；預(yù)測(cè)模塊，還用于根據(jù)第二位置預(yù)測(cè)值和運(yùn)動(dòng)函數(shù)預(yù)測(cè)目標(biāo)在下一時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)值；其中，第一位置預(yù)測(cè)值包括位置估計(jì)值和協(xié)方差矩陣估計(jì)值，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)的速度和角速度。

59、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第一方面或第一方面的任意可能的實(shí)現(xiàn)方式中的預(yù)測(cè)水上目標(biāo)位置的方法的步驟。

60、根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，處理器執(zhí)行程序時(shí)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第一方面或第一方面的任意可能的實(shí)現(xiàn)方式中的預(yù)測(cè)水上目標(biāo)位置的方法的步驟。

61、本發(fā)明所帶來的有益效果如下：

62、本發(fā)明針對(duì)船艇預(yù)測(cè)水上目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，通過獲取多個(gè)傳感器的目標(biāo)信息，能夠從多個(gè)維度上融合目標(biāo)信息，并去除噪聲，從而提高了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)，根據(jù)上一時(shí)刻的估計(jì)值結(jié)合傳感器測(cè)得的觀測(cè)值，得到校準(zhǔn)后的預(yù)測(cè)值，并根據(jù)校準(zhǔn)后的預(yù)測(cè)值結(jié)合運(yùn)動(dòng)函數(shù)對(duì)目標(biāo)下一時(shí)刻的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，大大提高了目標(biāo)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。