用EKF解决到达角定位算法,模型为双站定位,写出matlab代码并得到仿真图

时间: 2023-12-14 19:38:45 浏览: 24
在双站定位中,EKF算法可以用于到达角定位,其基本流程如下: 1. 建立状态空间模型 $$ \begin{aligned} x_k &= \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ v_x \\ v_y \\ v_z \end{bmatrix}_k \\ F_k &= \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & \Delta t & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & \Delta t & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & \Delta t \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \\ Q_k &= \begin{bmatrix} q_x^2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & q_y^2 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & q_z^2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & q_{vx}^2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & q_{vy}^2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & q_{vz}^2 \end{bmatrix} \\ H_k &= \begin{bmatrix} \frac{\partial \theta_{1}}{\partial x} & \frac{\partial \theta_{1}}{\partial y} & \frac{\partial \theta_{1}}{\partial z} & 0 & 0 & 0 \\ \frac{\partial \theta_{2}}{\partial x} & \frac{\partial \theta_{2}}{\partial y} & \frac{\partial \theta_{2}}{\partial z} & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix}_k \\ R_k &= \begin{bmatrix} \sigma_{\theta_{1}}^2 & 0 \\ 0 & \sigma_{\theta_{2}}^2 \\ \end{bmatrix} \end{aligned} $$ 其中,$x$、$y$、$z$为目标的三维坐标,$v_x$、$v_y$、$v_z$为目标的三维速度,$q_x$、$q_y$、$q_z$、$q_{vx}$、$q_{vy}$、$q_{vz}$为过程噪声方差,$\theta_1$、$\theta_2$为两个接收机接收到的到达角。 2. 初始化状态和协方差矩阵 $$ \begin{aligned} x_0 &= \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}^T \\ P_0 &= \begin{bmatrix} p_x^2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & p_y^2 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & p_z^2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & p_{vx}^2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & p_{vy}^2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & p_{vz}^2 \end{bmatrix} \end{aligned} $$ 其中,$p_x$、$p_y$、$p_z$、$p_{vx}$、$p_{vy}$、$p_{vz}$为初始状态的方差。 3. 预测状态和协方差矩阵 $$ \begin{aligned} \hat{x}_{k|k-1} &= F_k \hat{x}_{k-1|k-1} \\ P_{k|k-1} &= F_k P_{k-1|k-1} F_k^T + Q_k \end{aligned} $$ 其中,$\hat{x}_{k|k-1}$为预测状态,$P_{k|k-1}$为预测协方差矩阵。 4. 计算卡尔曼增益 $$ \begin{aligned} K_k &= P_{k|k-1} H_k^T (H_k P_{k|k-1} H_k^T + R_k)^{-1} \end{aligned} $$ 其中,$K_k$为卡尔曼增益。 5. 更新状态和协方差矩阵 $$ \begin{aligned} \hat{x}_{k|k} &= \hat{x}_{k|k-1} + K_k(y_k - h(\hat{x}_{k|k-1})) \\ P_{k|k} &= (I - K_k H_k) P_{k|k-1} \end{aligned} $$ 其中,$\hat{x}_{k|k}$为更新后的状态,$P_{k|k}$为更新后的协方差矩阵,$y_k$为实际观测值,$h(\hat{x}_{k|k-1})$为预测观测值。 6. 循环执行步骤3至步骤5。 下面是使用MATLAB实现双站定位的EKF算法的代码,并绘制出相应的仿真图: ```matlab clear all;clc; % 设定参数 c = 3e8; % 光速 f = 1575.42e6; % 频率 lambda = c/f; % 波长 R1 = [0 0 0]'; % 发射机1坐标 R2 = [10000 0 0]'; % 发射机2坐标 sigma_theta = 0.05; % 初始方位角误差标准差 sigma_x = 500; % 初始位置误差标准差 sigma_v = 10; % 初始速度误差标准差 sigma_qx = 1; % 过程噪声x方向标准差 sigma_qy = 1; % 过程噪声y方向标准差 sigma_qz = 1; % 过程噪声z方向标准差 sigma_qvx = 0.1; % 过程噪声x方向速度标准差 sigma_qvy = 0.1; % 过程噪声y方向速度标准差 sigma_qvz = 0.1; % 过程噪声z方向速度标准差 sigma_rx = 5; % 观测噪声x方向标准差 sigma_ry = 5; % 观测噪声y方向标准差 sigma_rz = 5; % 观测噪声z方向标准差 sigma_rv = 0.1; % 观测噪声速度标准差 dt = 0.1; % 采样时间间隔 t = 0:dt:300; % 时间序列 N = length(t); % 时间序列长度 % 生成真实轨迹 x = 1000*cos(pi/50*t); y = 1000*sin(pi/50*t); z = 500*cos(pi/100*t); vx = -pi/5*1000*sin(pi/50*t); vy = pi/5*1000*cos(pi/50*t); vz = -pi/10*500*sin(pi/100*t); % 观测到到达角 theta1 = zeros(1, N); theta2 = zeros(1, N); for i = 1:N r1 = sqrt((x(i)-R1(1))^2+(y(i)-R1(2))^2+(z(i)-R1(3))^2); r2 = sqrt((x(i)-R2(1))^2+(y(i)-R2(2))^2+(z(i)-R2(3))^2); theta1(i) = atan2(y(i)-R1(2),x(i)-R1(1)) + asin((z(i)-R1(3))/r1); theta2(i) = atan2(y(i)-R2(2),x(i)-R2(1)) + asin((z(i)-R2(3))/r2); end % 加入噪声 theta1 = theta1 + sigma_theta*randn(1,N); theta2 = theta2 + sigma_theta*randn(1,N); rx = x + sigma_x*randn(1,N); ry = y + sigma_x*randn(1,N); rz = z + sigma_x*randn(1,N); rvx = vx + sigma_v*randn(1,N); rvy = vy + sigma_v*randn(1,N); rvz = vz + sigma_v*randn(1,N); % EKF算法 x_hat = zeros(6,N); % 估计状态 P = zeros(6,6,N); % 估计协方差矩阵 x_hat(:,1) = [0 0 0 0 0 0]'; % 初始状态 P(:,:,1) = diag([sigma_x^2 sigma_x^2 sigma_x^2 sigma_v^2 sigma_v^2 sigma_v^2]); % 初始协方差矩阵 for i = 2:N % 预测状态和协方差矩阵 F = [1 0 0 dt 0 0; 0 1 0 0 dt 0; 0 0 1 0 0 dt; 0 0 0 1 0 0; 0 0 0 0 1 0; 0 0 0 0 0 1]; Q = diag([sigma_qx^2 sigma_qy^2 sigma_qz^2 sigma_qvx^2 sigma_qvy^2 sigma_qvz^2]); x_hat(:,i|1) = F*x_hat(:,i-1); P(:,:,i|1) = F*P(:,:,i-1)*F' + Q; % 计算卡尔曼增益 H = [(rx(i)-R1(1))/sqrt((rx(i)-R1(1))^2+(ry(i)-R1(2))^2) (ry(i)-R1(2))/sqrt((rx(i)-R1(1))^2+(ry(i)-R1(2))^2) (rz(i)-R1(3))/sqrt((rx(i)-R1(1))^2+(ry(i)-R1(2))^2+(rz(i)-R1(3))^2) 0 0 0; (rx(i)-R2(1))/sqrt((rx(i)-R2(1))^2+(ry(i)-R2(2))^2) (ry(i)-R2(2))/sqrt((rx(i)-R2(1))^2+(ry(i)-R2(2))^2) (rz(i)-R2(3))/sqrt((rx(i)-R2(1))^2+(ry(i)-R2(2))^2+(rz(i)-R2(3))^2) 0 0 0]; R = diag([sigma_rx^2 sigma_ry^2 sigma_rz^2 sigma_rv^2]); K = P(:,:,i|1)*H'/(H*P(:,:,i|1)*H'+R); % 更新状态和协方差矩阵 y = [theta1(i);theta2(i)]; h = [atan2(ry(i)-R1(2),rx(i)-R1(1))+asin((rz(i)-R1(3))/sqrt((rx(i)-R1(1))^2+(ry(i)-R1(2))^2+(rz(i)-R1(3))^2)); atan2(ry(i)-R2(2),rx(i)-R2(1))+asin((rz(i)-R2(3))/sqrt((rx(i)-R2(1))^2+(ry(i)-R2(2))^2+(rz(i)-R2(3))^2))]; x_hat(:,i) = x_hat(:,i|1) + K*(y-h); P(:,:,i) = (eye(6)-K*H)*P(:,:,i|1); end % 画图 figure(1); plot3(rx,ry,rz,'b',x_hat(1,:),x_hat(2,:),x_hat(3,:),'r'); grid on; xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z'); figure(2); subplot(311); plot(t,x,t,x_hat(1,:),'r'); legend('真实值','估计值'); xlabel('时间'); ylabel('X'); grid on; subplot(312); plot(t,y,t,x_hat(2,:),'r'); legend('真实值','估计值'); xlabel('时间'); ylabel('Y'); grid on; subplot(313); plot(t,z,t,x_hat(3,:),'r'); legend('真实值','估计值'); xlabel('时间'); ylabel('Z'); grid on; ```

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