点迹融合航迹关联优化求解算法需要建立一种求最优解的准则,即假设树管理策略,内容包括:计分规则、搜索规则、修剪规则、评估规则等。假设树管理策略的质量很大程度上决定了关联的正确率和实时性。
通过分析现有数据结构中树的基本原理,结合关联目标的特性,设计一种假设树管理策略。基本思路是:在采用计分方式对关联假设进行有效评价的基础上,通过修剪,删去最不可靠的分枝(树枝),确定关联成功的分枝(树枝),以提高后续分类的速度和分类新数据的能力,对一些误相关的情况及时修正。
点迹融合航迹关联质量是关于航迹关联历史情况的度量,它以数值形式表示,其大小反映了点迹融合航迹正确关联的可靠程度。计分规则是评价关联质量的重要手段,它根据关联成功的次数,赋予不同关联假设得分。
来自融合航迹库 A 的航迹 i 和传感器 B 的航迹 j 在 k 时刻的关联质量用 Fom ( k )表示,其计算式为
式中, Fom ( k )≥0, Fom 值位于假设树的第二层。此层结构中的每个元素即每个关联假设都有一个 Fom 值表示航迹正确关联的可靠程度,其初始值为0,若下一个时刻关联假设成立,则给这个关联假设的 Fom 值加1,同时,对该关联假设同一层中的共有父节点下的其他关联航迹的 Fom 值减1,直到 Fom 为0。
匈牙利解法依据“在系数矩阵中任何行或列加上或减去同一常数并不改变分配方案”的原则,在保证“系数矩阵元素不能出现负数”和“变换使每行每列至少有一个0元素”的前提下,对系数矩阵做适当变换后,选取新矩阵中的0元素,旨在选中完成某项任务花费时间最少的某人,以得到问题的最优解。
从式(3.2.5)可知,该分配问题是特殊的整数规划问题,可采用以下方法转化为标准的分配问题:把关联矩阵 A =( α ij ) n 1 × n 2 扩展成 n 阶方阵,其中 n =max{ n 1 , n 2 },用0元素将 A 补齐 n 阶方阵,所补的0元素行或列被认为是虚拟目标。
匈牙利解法的实现流程如图2.20所示,具体步骤如下:
图2.20 匈牙利解法的实现流程
(1)构建方阵,用0元素将关联矩阵补成 n 阶方阵。
(2)变换关联矩阵 A 到等价矩阵′ A ,在各行(列)中分别减去该行(列)的最小元素,使各行各列都出现0元素。
(3)圈0元素,对′ A 中的0元素作分配标记,作覆盖所有0元素的最少数目的直线集合,直至矩阵′ A 中所有的0元素都被划去为止。若能圈出不同行不同列的 n 个0元素,则已可得出最优解,转(5),否则转(4)。
(4)调整关联矩阵,从未被直线覆盖的元素中找出最小值 d ,未画横线的各行都减 d ,已画竖线的各列都加 d ,转(3)继续进行。
(5)最优分配,令被圈0元素对应位置 x ij =1,其余 x ij =0,这就得到整个分配的最优解,输出分配结果,若有多组解,则给出多组解的点迹—融合航迹配对关系。
该方法可以在不丢失最优解的前提下将可行解的范围逐步缩小,迅速得到最优解。对于目标极大化问题,即式(2.4.5)中的目标函数若为 。此时令 (其中 n =max{ n 1 , n 2 })和 M - α ij ≥0,于是考虑目标函数为 的问题,仍用上面的方法求解,所得最小解即为对应原问题的最大解。
下面以两传感器多目标跟踪为例进行解析,如图2.21所示。
图2.21 两传感器多目标跟踪
假设目标位置以二维直角坐标形式给出,横轴为 X 坐标,纵轴为 Y 坐标,单位均为米(m)。传感器1输出5个点迹,传感器2输出5个点迹,且点迹数据经过前期预处理,两传感器输出点迹的坐标如表2.1所列,点迹的位置估计误差方差100m。
表2.1 两传感器输出点迹的坐标
根据式(2.4.2)计算不同传感器的点迹融合航迹两两之间的统计距离 α ij ,得到关联矩阵
关联矩阵中的元素为两传感器的点迹融合航迹两两之间的距离值,性能指标是距离和最小。采用上面的匈牙利解法,得到的关联结果如表2.2所列。
表2.2 两传感器之间的点迹配对关系
由仿真结果可以看出,利用匈牙利解法能够准确地求出问题的最优解,正确地给出点迹融合航迹关联的判断。该方法求解点迹融合航迹关联问题不需要选择门限,而是在一定的约束条件下在全局范围内寻找问题的最优解,匈牙利解法能够有效地解决此类问题,且易于实现。
建立多假设树之后,按照一定准则完成关联判断,判断准则如下:
(1)任取1个第1层子树,在该子树的第2层中找到 Fom 值最大的子节点 P ;然后根据子节点 P 的目标编号及其所属信息源编号的唯一性,找到该编号在其他第1层子树中对应的子节点 P i 的 Fom 值;如果子节点 P 的 Fom 值最大,则认为子节点 P 对应的目标有效关联,否则,找出 P 和 P i 中次大者。
(2)如果1个第1层子树全部搜索完毕,则搜索另外的第1层子树,按照(1)进行处理。
算法对假设树中关联假设事件逐层搜索,当搜索完假设树中所有关联假设事件后,才能找到最大 Fom 值及其对应的关联假设。当两条航迹连续多次关联成功之后,可视为固定关联,在后续的关联检验中,不再进行关联检验,直接进入航迹合成阶段。为了减小假设树的计算量,算法将第2层子树的叶子节点个数设置为 L ,即保留同一关联假设 L 个历史时刻信息,同时,子节点个数 L 可以根据需要调整大小。