【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及海上船只目標(biāo)超視距監(jiān)視監(jiān)測(cè)，具體為一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、本部分的陳述僅僅是提供了與本專(zhuān)利技術(shù)相關(guān)的
技術(shù)介紹
信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。
2、緊湊型地波雷達(dá)是高頻地波雷達(dá)的一種，它利用地波沿著海面“爬行”的特性，能夠突破地平線(xiàn)，對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)。這種雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射高頻電波，并接收目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和定位。相比于傳統(tǒng)的大型陣列式地波雷達(dá)，緊湊型地波雷達(dá)的占地面積更小、靈活性更強(qiáng)，但因發(fā)射功率受限，接收信號(hào)容易受到海雜波、地雜波及背景噪聲的干擾，導(dǎo)致目標(biāo)回波信噪比低、目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，增加了目標(biāo)跟蹤的難度，一般通過(guò)各類(lèi)信號(hào)處理方法來(lái)提升其目標(biāo)探測(cè)性能。
3、航跡預(yù)測(cè)，通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)目標(biāo)下一時(shí)刻的狀態(tài)，可為后續(xù)的點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)過(guò)程提供可靠的搜索范圍，從而提高點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性。當(dāng)目標(biāo)暫時(shí)丟失時(shí)，能夠基于預(yù)測(cè)結(jié)果推測(cè)目標(biāo)位置，降低航跡中斷的概率，確保目標(biāo)跟蹤的連續(xù)性。
4、傳統(tǒng)的針對(duì)海上船只的航跡預(yù)測(cè)方法主要基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如勻速模型、勻加速模型和轉(zhuǎn)彎模型。這些方法通常僅依賴(lài)于目標(biāo)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或極少的歷史數(shù)據(jù)，難以利用目標(biāo)的歷史航跡信息捕捉長(zhǎng)時(shí)依賴(lài)關(guān)系，因此在處理非線(xiàn)性航跡和應(yīng)對(duì)復(fù)雜目標(biāo)動(dòng)態(tài)變化時(shí)存在局限性。特別是當(dāng)目標(biāo)發(fā)生劇烈機(jī)動(dòng)(如急轉(zhuǎn)、加速或減速)時(shí)，傳統(tǒng)方法無(wú)法快速適應(yīng)頻繁變化的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致航跡預(yù)測(cè)誤差顯著增大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述
技術(shù)介紹
中存在
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：
3、本專(zhuān)利技術(shù)的第一個(gè)方面提供一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
4、獲取雷達(dá)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)由船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(ais)記錄的船只航跡數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的距離、速度和方位角作為特征參數(shù)，特征參數(shù)經(jīng)預(yù)處理后作為輸入數(shù)據(jù)；
5、基于滑動(dòng)窗口法，將輸入數(shù)據(jù)中的連續(xù)時(shí)間序列分割為若干樣本，每個(gè)樣本包含n個(gè)歷史時(shí)間步的多維目標(biāo)特征，將其作為預(yù)測(cè)模型的輸入；
6、預(yù)測(cè)模型經(jīng)訓(xùn)練后，輸出未來(lái)單時(shí)間步的預(yù)測(cè)結(jié)果，并還原為實(shí)際物理量對(duì)應(yīng)的距離、速度和方位角；
7、其中，預(yù)測(cè)模型具有n層堆疊的編碼器，每個(gè)編碼器層從輸入特征中提取不同深度的時(shí)序特征；每個(gè)編碼器層利用若干個(gè)不同的注意力機(jī)制對(duì)時(shí)間序列特征進(jìn)行建模；每個(gè)編碼器層均包含前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)特征進(jìn)行非線(xiàn)性變換，并進(jìn)一步提取深層次的時(shí)序信息；最后一層編碼器的輸出通過(guò)線(xiàn)性映射層，將高維時(shí)序表示轉(zhuǎn)化為輸出的未來(lái)時(shí)間步的預(yù)測(cè)特征。
8、進(jìn)一步的，以ais航跡數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練和測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)源，航跡數(shù)據(jù)至少包括目標(biāo)船只的經(jīng)度、緯度、速度和航向。
9、進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，將經(jīng)度、緯度和速度轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的距離、方位角和多普勒速度作為特征參數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理。
10、進(jìn)一步的，基于滑動(dòng)窗口法，將輸入數(shù)據(jù)中的連續(xù)時(shí)間序列分割為若干樣本，具體為：將每條航跡數(shù)據(jù)視為一個(gè)連續(xù)的時(shí)間序列，采用滑動(dòng)窗口法將數(shù)據(jù)序列按照設(shè)定的窗口長(zhǎng)度和步長(zhǎng)進(jìn)行滑動(dòng)，每滑動(dòng)一次產(chǎn)生一組新的數(shù)據(jù)，逐步生成訓(xùn)練和測(cè)試樣本。
11、進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)模型，如下式所示：
12、
13、
14、其中，表示預(yù)測(cè)的未來(lái)時(shí)間步t的特征向量，θ表示模型參數(shù)，xt-n:t-1表示歷史n個(gè)時(shí)間步的觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣，xt-1表示第t-1個(gè)時(shí)間步的特征向量，f表示每個(gè)時(shí)間步的特征維度。
15、進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)模型為df-transformer模型，模型的輸入為經(jīng)過(guò)預(yù)處理的多時(shí)間步歷史航跡數(shù)據(jù)，輸出為單時(shí)間步目標(biāo)預(yù)測(cè)狀態(tài)。
16、進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)模型輸入的數(shù)據(jù)依次經(jīng)輸入嵌入、位置編碼、多層編碼器和線(xiàn)性映射層后，得到輸出數(shù)據(jù)；其中，每一層編碼器包括依次連接的多頭注意力層和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且多頭注意力層和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均連接有對(duì)應(yīng)的歸一化層。
17、進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，通過(guò)計(jì)算輸入序列中的每個(gè)時(shí)間步與其他時(shí)間步的注意力權(quán)重，捕捉時(shí)間步之間的全局依賴(lài)關(guān)系；每個(gè)注意力頭從不同的角度建模序列特征間的關(guān)系，并通過(guò)拼接多頭的結(jié)果得到綜合表示。
18、進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，利用歷史航跡樣本和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)預(yù)測(cè)值進(jìn)行有監(jiān)督訓(xùn)練；基于均方誤差損失函數(shù)，通過(guò)梯度下降法逐步優(yōu)化模型參數(shù)。
19、本專(zhuān)利技術(shù)的第二個(gè)方面提供一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括：
20、數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊，被配置為：獲取雷達(dá)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的ais航跡數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的距離、速度和方位角作為特征參數(shù)，特征參數(shù)經(jīng)預(yù)處理后作為輸入數(shù)據(jù)；
21、滑動(dòng)窗口模塊，被配置為：基于滑動(dòng)窗口法，將輸入數(shù)據(jù)中的連續(xù)時(shí)間序列分割為若干樣本，每個(gè)樣本包含n個(gè)歷史時(shí)間步的多維目標(biāo)特征，將其作為預(yù)測(cè)模型的輸入；
22、航跡預(yù)測(cè)模塊，被配置為：預(yù)測(cè)模型經(jīng)訓(xùn)練后，輸出未來(lái)單時(shí)間步的預(yù)測(cè)結(jié)果，并還原為實(shí)際物理量對(duì)應(yīng)的距離、速度和方位角；
23、其中，預(yù)測(cè)模型具有n層堆疊的編碼器，每個(gè)編碼器層從輸入特征中提取不同深度的時(shí)序特征；每個(gè)編碼器層利用若干個(gè)不同的注意力機(jī)制對(duì)時(shí)間序列特征進(jìn)行建模；每個(gè)編碼器層均包含前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)特征進(jìn)行非線(xiàn)性變換，并進(jìn)一步提取深層次的時(shí)序信息；最后一層編碼器的輸出通過(guò)線(xiàn)性映射層，將高維時(shí)序表示轉(zhuǎn)化為輸出的未來(lái)時(shí)間步的預(yù)測(cè)特征。
24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，以上一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案存在以下有益效果：
25、1、能夠捕捉長(zhǎng)時(shí)依賴(lài)關(guān)系，提高對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的適應(yīng)性。預(yù)測(cè)模型通過(guò)多層編碼器結(jié)構(gòu)有效捕捉目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)時(shí)依賴(lài)關(guān)系。模型基于歷史航跡信息，并根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在復(fù)雜、非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)模式下具備良好的適應(yīng)性。相較于傳統(tǒng)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該模型在推理過(guò)程中不受時(shí)間步序列的限制，可快速生成目標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果，適合在計(jì)算資源受限的緊湊型地波雷達(dá)系統(tǒng)中使用。
26、2、利用多頭自注意力機(jī)制動(dòng)態(tài)建模特征關(guān)系，提升抗干擾能力。預(yù)測(cè)模型中的多頭自注意力機(jī)制能夠動(dòng)態(tài)分配多維目標(biāo)特征的權(quán)重，捕捉不同特征間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，從多個(gè)角度分析不同時(shí)間步之間的關(guān)系。在復(fù)雜觀測(cè)條件下(如存在海雜波、地雜波或噪聲干擾等)，模型能夠有針對(duì)性地關(guān)注關(guān)鍵信息，弱化無(wú)關(guān)或低相關(guān)特征的影響，增強(qiáng)抗干擾能力。
27、3、預(yù)測(cè)模型采用的df-transformer模型省略了傳統(tǒng)transformer模型的解碼器模塊，僅使用編碼器部分對(duì)輸入序列進(jìn)行建模和處理，通過(guò)線(xiàn)性映射層將編碼器的輸出映射為本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，以船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)獲取的航跡數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練和測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)源，航跡數(shù)據(jù)至少包括目標(biāo)船只的經(jīng)度、緯度、速度和航向。
3.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，將經(jīng)度、緯度和速度轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的距離、方位角和多普勒速度作為特征參數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理。
4.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，基于滑動(dòng)窗口法，將輸入數(shù)據(jù)中的連續(xù)時(shí)間序列分割為若干樣本，具體為：將每條航跡數(shù)據(jù)視為一個(gè)連續(xù)的時(shí)間序列，采用滑動(dòng)窗口法將數(shù)據(jù)序列按照設(shè)定的窗口長(zhǎng)度和步長(zhǎng)進(jìn)行滑動(dòng)，每滑動(dòng)一次產(chǎn)生一組新的數(shù)據(jù)，逐步生成訓(xùn)練和測(cè)試樣本。
5.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型，如下式所示：
6.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型為DF-Tran
7.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型輸入的數(shù)據(jù)依次經(jīng)輸入嵌入、位置編碼、多層編碼器和線(xiàn)性映射層后，得到輸出數(shù)據(jù)；其中，每一層編碼器包括依次連接的多頭注意力層和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且多頭注意力層和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均連接有對(duì)應(yīng)的歸一化層。
8.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，通過(guò)計(jì)算輸入序列中的每個(gè)時(shí)間步與其他時(shí)間步的注意力權(quán)重，捕捉時(shí)間步之間的全局依賴(lài)關(guān)系；每個(gè)注意力頭從不同的角度建模序列特征間的關(guān)系，并通過(guò)拼接多頭的結(jié)果得到綜合表示。
9.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，利用歷史航跡樣本和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)預(yù)測(cè)值進(jìn)行有監(jiān)督訓(xùn)練；基于均方誤差損失函數(shù)，通過(guò)梯度下降法逐步優(yōu)化模型參數(shù)。
10.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，以船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)獲取的航跡數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練和測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)源，航跡數(shù)據(jù)至少包括目標(biāo)船只的經(jīng)度、緯度、速度和航向。
3.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練期間，將經(jīng)度、緯度和速度轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的距離、方位角和多普勒速度作為特征參數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理。
4.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，基于滑動(dòng)窗口法，將輸入數(shù)據(jù)中的連續(xù)時(shí)間序列分割為若干樣本，具體為：將每條航跡數(shù)據(jù)視為一個(gè)連續(xù)的時(shí)間序列，采用滑動(dòng)窗口法將數(shù)據(jù)序列按照設(shè)定的窗口長(zhǎng)度和步長(zhǎng)進(jìn)行滑動(dòng)，每滑動(dòng)一次產(chǎn)生一組新的數(shù)據(jù)，逐步生成訓(xùn)練和測(cè)試樣本。
5.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型，如下式所示：
6.如權(quán)利要求1所述的一種緊湊型地波雷達(dá)海上船只航跡預(yù)測(cè)方法，其特征在于，預(yù)測(cè)模型為df-...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫偉峰，李小彤，紀(jì)永剛，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)石油大學(xué)華東，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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