Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 2,  May 2016, pp . 344 ~ 350   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i2.pp34 4-3 5 0        344     Re cei v ed  Jan uary 2, 2016;  Re vised Ma rc h 3, 2016; Accepte d  March  19, 2016   Improved UFIR Trackin g  Algorithm for Maneuvering  Target      Shoulin Yin*, Jinfeng Wa ng, Tianhua  Liu  Soft w a re Co lle ge She n y a ng  Normal U n iv ersit y , Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 3527 20 214 @ qq.com       A b st r a ct   Mane uveri ng t a rget trackin g  is a target  moti on esti mation pr ob le m, w h ich can d e scribe th e   irregu lar targ e t  mane uver ing  motio n . It h a s bee n w i de ly used in th e field of mi li tary and civil i a n   app licati ons. In  the man euv ering tar get trac king, the  perfo rma n ce  of Ka l m a n  filter (KF )  and  its i m pro v e d   alg o rith ms  de p end  o n  th e acc u racy  of pr oce ss no ise  st atisti cal prop erties. If  there exists d e viati on betw e en   process n o ise  mod e l a nd t he actua l  pro c ess, it  w ill gener ate the p hen o m en on of  estimati on er ro r   incre a sin g . Un bias ed finit e  i m p u ls e respo n se (UF I R) filter does n o t nee d pri o ri  kn ow ledg e of n o is e   statistical pro p e rties in th e fil t ering pr ocess.  T he exis tin g  UF IR filters ha ve t he pro b le m that g ener al i z e d   nois e  pow er  g a in(GNPG) d o e s not ch an ge  w i th me as ure m e n t of in nov ation. W e  pr o pose  an i m pro v ed   UF IR filter b a s ed  on  meas ure m e n t of  inn o va tion w i th  r a tio  d y na mic  ad aptiv e adj ustment  a t  adj acent ti me.  It  perfects the mane uveri ng d e tect-abi lit y. T he simu lati on res u lts show  that  the improv ed  UF IR filter has th e   best filterin g effect than KF  w h en proc ess no i s e is not accur a te.    Ke y w ords :  Ma neuv erin g targ et tracking, UF IR, KF GNPE,  Adaptiv e ad jus t ment         Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   Maneuve r ing   target t r ackin g  [1] i s  ve ry d i fficult in the ra dar target t r ackin g   pro c e ss.  KF   is widely use d   in  th e state estimation   wh ich uses  process n o ise of  state  e quatio n to a dapt ta rget  maneuve r ing.  In fact, target mane uvering  stat e i s  un kno w whi c h results in difficult y of  determi ning p r ocess noi se  of state  equat ion. Finally, it has an effe ct   on the accu racy of filterin g .   For thi s  qu est i on, many researche r s hav e rep r e s e n te d som e  imp r o v ed schem es. Wu C, et al [ 2 prop osed current  stati s tic maneuve r ing   target  tra cki ng strong tra cki ng filter. T he ne w sch e m kept th e m e ri ts of  high  tra cki ng  preci s i on that   the current statisti cal mod e a n d   st ron g   tracking  filter (STF h ad in  tra c kin g  ma neuve r i ng ta rget. Li u   Y,  et al [3]  pre s ente d  a trackin g  algo ri th based o n  spline fitting.The  assumptio n   wa s that  pre d iction  wa without dynami c  motion  mo del  and it  wa s o n ly based o n  the curve fitting ove r  t he  measured d a t a. Fan E, et al [4] sh owe d  a  f u zzy  l ogi c- b a se re cur s i v e lea s t   squ a re s f ilt er  in  situatio ns o f  observatio n with  un kno w rand om characteri stics. It use d  fuzzy logic in t he sta ndard re cu rsi v e least sq ua res filter by t h e   desi gn of a  set of fuzzy if-t hen rule s. Shmaliy [5]  prop ose d  UFI R  filter whi c co u l d igno re n o ise  statistical characteri stics in the  filtering proce s s ba sed  on optimal fin i te impulse re spo n se (OFI R)   filter and  em bedd ed u nbi ase d  OFI R  fi lter. In orde r to obtain  th e be st filter  perfo rman ce,  the   wind ow len g th of  UFIR filter m u st  be  o p timal.  The   windo w le ngth  need  not  to a s sume  like K F  [6- 7]  by  pri o ri knowl edge.  It can   be obtai ned by  me a s ureme n t cal c ulatio n. UFI R  filter  ca be  expre s sed  a s  an  iterative f o rm  whi c h  re duces the   calculatio n. However, the  existing UFIR filte r ’s  informatio n g a in  only ch a nge s with  space equ at io n. We p r op o s e a n  impro v ed UFIR fil t e r   algorith m . It  use s  the dev iation betwe e n  measure m ent results a nd filtering result s to amend   information gain dynami c ally. Im proved UFIR filter has the a daptive ability for maneuveri ng  target tra cki n g . We apply i t  into the tracking p r o c e ss.  Simulation result s sh ow t hat the impro v e d   UFIR filter ha s the be st performan ce.       2. Linear Sy stem Model   Nonli nea r system ca m a ke   line a ri za tion  a s  th pro c e s s of  e x tended K a l m an filter  (EKF) [9]. T h e adva n tage   of UFI R  filter  can  not  be  aff e cted. S o   we   only con s ide r  a li nea syst e m   model. Di scre te time-varyin g  linear  syste m  model can  be expre s sed  as :  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  344 –  350   345 State equatio n :  n n n n n w B x F x 1  (1)     Observation equatio n n n n v x H z  (2)     Whe r N n R x  and   M n R z  is state vector a nd  observation  vector at  n  tim e   r e spec tively.  M N n R F P N n R B  and  N M n R H  is st ate-tra n sitio n  matrix, pro c ess noi se   gain matrix a nd mea s u r e m ent matrix at  n  time respectively.Assuming p r o c e s s noi se vecto r  is  P n R w  at  n  time. Measurement  noise vecto r  is  M n R v  at  n  time.There is   no relationshi p   betwe en the two noise vectors. And  0 } { n w E 0 } { n v E 0 } { T j i v w E ] [ T n n n w w E Q  is the   pro c e ss n o is e cov a ri an ce  mat r ix . ] [ T n n n v v E R  is the measurement  noise  covari ance matrix.      3. The Improv e d  UKI R Filter      3.1. The Improv ed UKIR Filter Model   Assu ming the  windo w le ngt h of UKIR filter is  N . Wh en  we get the m easure m ent value at   n  time.  N  measu r em ent values a r e u s ab le from  m ( m= n - N+ 1 ) to  n  time. And  m 0   The estim a te d value  n x ˆ  of target state ca n be expre s sed  as:    m n m n m n n Z x , 1 , 1 0 , ˆ  (3)     W h er g r n h r n h r n g h i i r n g r h r F F F F 1 , T m n m n T m n m n H H H , 1 , , 1 , ) ( T T m T n T n m n z z z Z ] [ 1 , And m n m n m n F H H , , , ) ( 1 , m n n m n H H H diag H T T m n T m n T m n m n I F F ] [ 1 1 1 , 1 0 , , .     For time-i nva r iant sy stem, (3)  can b e  si mplified into:    m n N N n n Z F x , 1 1 1 ˆ  (4)     Whe r e T N N T N N H H H 1 1 1 1 1 1 ) (  ,  T T m T n T n m n z z z Z ] [ 1 , And  1 1 1 ˆ N N N F H H  , ) ( ˆ 1 N N H H H diag H , T T T N N I F F F ] ) [( 1 1 .                                      From the ab o v e equation s ,  we can  kno w  that UKIR  filter deal s wit h  filter for sig nal with   ignori ng noi se  stati s tical  chara c te risti c s.  Whe n   N> >1 , UKIR filte r  i s  n e a r ly the  most  optimal.  But  dimen s ion  of  matrix an d vector will  in crease  with  N  i n crea sing. It  can  re sult i n   the computati on  increa sing.  Iteration UKIR filter  solves  this  problem.Estimated formula is  :    ) ˆ ( ˆ ˆ 1 1 a a a a a a a a x F H z K x F x  (5)     Whe r e     T a a a H G K  (6)     1 1 1 ] ) ( [ T a a a a T a a F G F H H G  (7)     a G  is gen eralized   noi se  p o w er gain (G NPG) at  a  time. Initial c o nditions   i x ˆ and  i G  can  be   obtaine d by UFIR.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Im proved  UFI R  Tra c king Al gorithm  for Maneu ve ring Ta rget   (Shouli n  Yin)  346 m i m i m i i Z x , 1 , 1 0 , ˆ  (8)     T m i m i T m i m i i H H G ) ( ) ( 1 0 , 1 , , 1 0 ,  (9)     At the mome nt  K< <N i=m + K-1 . Iteration variable  a  :  m+ K       n . When  a= n , we get   the es timation value n x ˆ .The time-inva r iant  system  can b e  simplified a s   ) ˆ ( ˆ ˆ 1 1 a a a a a x HF z K x F x  (10 )     Whe r e     T a a H G K  (11 )     1 1 1 ] ) ( [ T a T a F FG H H G  (12 )     m i m i m i i Z F x , 1 , ˆ  (13 )     T m i m i T m i m i i F H H F G ) ( ) ( 1 , ,  (14 )     Whe r i=m + K - 1 . Iteration variabl a  :  m+ K       n   3.2. Impro v e d  Iterativ e UKIR Filter   In the mane uvering ta rg et tracking,  noise ca n cause a larg e deviation  betwe en  measurement  data a nd filte r  data. So  de viation  ca re flect the m a n euverin status. Fo rmul a (7)  and  (1 2)  sh o w  that  G N PG  only h a s the  rel a tion  with  state  tran siti on m a trix an d me asure m ent  matrix. Each  filtering  re sult of iterativ e UKIR  filter is  obtain e d  by the  origi nal in depe nd ent  iteration  N- K  measu r em e n t result s. The GNP G  filtering p r o c e s ses of different time a r indep ende nt. So ch angin g   GNPG i s  u n constraine d. T hus  we  defin e a g ene rali zed noi se  po wer  gain a d ju stment co efficien  to adaptive adju s t G N PG by deviat i on bet wee n   measurement  data a nd filte r  d a ta in  this pap er.  That  can  fu rth e r i m prove  the fi lterin g  effecti v eness  of UKIR  filter.  This p ape r select s ro ot mean  squ a re   k of deviation as de scripti on of mane u v ering   target. And  k  is expre s sed  by:    ) ˆ ( ) ˆ ( k k k T k k k k x H Z x H Z  (15 )     Whe r  is  di mensi o n s  of t he target mot i on. k Z is the  me asu r em ent da ta at  k  time. k x ˆ is  the filtering re sult at  k  time. k H is  meas urement matrix.  In orde r to ref l ect the obvio us man euve r i ng target tra c king, we set a  deviation rati λ Based o n  ro o t  mean squ a re, the  λ  c an be s e t:    K k k k 1 /  (16 )     In fact, noi se  ca re sult in  filtering  dive rgen ce. S o   we sele ct the  mean val ue f o λ  to  remove the ef fect of noise.  The ra nge of  mean value i s  half of wind ow len g th.  At  k  time, the  gene rali zed n o ise p o wer g a in adju s tme n t coefficie n t is:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  344 –  350   347  k k j j k N 0 2 / 1  (17 )     Whe r  1 2 / 0 N k k 2 / N  den otes the integ e r pa rt of  N/2 .   And  1 0 K m k 2 / N K m k . So  the time of gene rali zed  noise po wer gain   adju s tment st arts at   2 / N K m . Formula (1 ) and (1 2) ca n be rep r esented a s  :    1 1 1 ] ) ( [ T k k k k T k k k F G F H H G  (18 )     1 1 1 ] ) ( [ T k T k k F FG H H G  (19 )      Along with th iterative proce s s, the ef fect of   initial batch pro c e s sing  le ngth will  be  re du ce d.  1  is able to en sure filtering  conve r ge nce. With  the increase of the n u mb e r  of iterations, the  covari an ce of  target locati on tends to  decrea s e. We can get th e explanation  of the improved   UKIR filter,  when the  devia tion bet ween   measurement  and filte r ing  re sult i s  bi gge r than  previou s   time. We sh o u ld increa se t he wei ght of innovatio n s  in  GNPG to re duce the filtering error. Whe n   the deviation  is small e r th an previou s  time,it sho w that the filtering re sult is  accurate. So it  redu ce s th weig ht of inn o vations  app rop r iately  whi c doe s n o affect the filter  re sult. At the  same time, th e decrea s e of  the GNPG wi ll be able to  improve the  converg e n c e rate of the filte r     4. Maneuv ering targe t  tr ac king simulation.   The sim u latio n  scene i s : Acceleration -T urn.   A ccel e r a t i ng zon e  :  0s t 20s. Unifo r m  zone : 20s t 40 s. Turnin g zone : 40s t 70 s.   Uniform zo ne  : 70s t 1 0 0 s . As in figure 1.          Figure 1. Simulation sce n e       Simulation system is de scrib ed a s  wh ite noise m o del und er re ctang ular  co ordin a te   system. In th e formul a (1 ) and (2),  x  is defined  as  d i spla cem ent, velocity and  accele ration  9- dimen s ion a l vector at  x- y- z  dire ction.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Im proved  UFI R  Tra c king Al gorithm  for Maneu ve ring Ta rget   (Shouli n  Yin)  348 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 5 . 0 0 0 0 0 1 0 0 0 5 . 0 0 0 0 0 1 0 0 0 5 . 0 0 0 0 0 1 2 2 2 T T T T T T T T T F  ,  0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 H   ,  I B   Process noi se covari an ce  and   mea s u r eme n t noise covari an ce    1 0 0 0 0 5 . 0 0 0 0 1 0 0 0 0 5 . 0 0 0 0 1 0 0 0 0 5 . 0 0 0 0 0 5 . 0 0 0 0 0 0 0 0 5 . 0 0 0 0 0 0 0 0 5 . 0 5 . 0 0 0 5 . 0 0 0 25 . 0 0 0 0 5 . 0 0 0 5 . 0 0 0 25 . 0 0 0 0 5 . 0 0 0 5 . 0 0 0 25 . 0 3 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3 4 2 3 4 2 3 4 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Q   400 0 0 0 400 0 0 0 400 R     T  is  s a mple interval ,  T=0. 1 s.     The existin g   maneuve r ing  target  tra cki n g  algo rithms  based on KF  can al so  de sign th corre s p ondin g  tracking al gorithm s ba sed on UF I R  filter. The advantag e of ignorin g noi se  statistical cha r acte ri stics in  UF IR filter cannot  cha n g e . So we  co mpare the p e r forma n ce of  KF,  UFIR a nd im proved  UFIR  in this pap er.   Whe n  target  trajecto ry i s   attache d   zero mea n  g a u s sian  white no ise  (its  cova ri ance i s   100), Kalma n  filter may achieve the opti m al soluti o n . The optimal  wind ow le ngt h of UFIR filter   55 opt N [10] and le ng th of the bat ch p r o c e s sin g   K= 5   by cal c ulatin g. Posi tion mean  sq uare  error (PMSE )  is as figu re 2 ,  3, 4 with  known n o ise sta t isti cal c har ac t e rist ic s.         Figure 2. PMSE at x-axis    Figure 3. PMSE at y-axis    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  344 –  350   349   Figure 4. PMSE at z-axis    Figure 5. PMSE at x-axis        Figure 6. PMSE at y-axis    Figure 7. PMSE at z-axis      From figu re 2 ,  3, 4, we ca n kn ow that fi lt er pe rform a nce  of KF is  sup e rio r   to UKIR and  improve d   UKIR  whe n  n o ise stati s tical  chara c te rist i c s is kn own. Th e imp r oved  UKIR is si milar t o   UKIR.It proves that the KF  is optimal  when noi se  statistical charact e risti cs i s  obtained. However,   we cannot a c curately predi ct the target movi ng co ndi tion. We have assume d that the pro c e s noise stati s tical prope rties  may be  wro n g . In ord e r to  verify the ro bustn ess u n d e r the  un kno w n   pro c e ss  noi se statisti cal  prop ertie s , we adju s t the  pro c e ss  noi se  covari an ce as  16. Th e   simulatio n  re sults a r e a s  figure 5, 6, 7 with unkn o wn noise statisti cal cha r a c teri stics.   From figu re 5 ,  6, 7, we can kno w  that the  estimatio n  erro r of KF significa ntly incre a ses  whe n  the  pro c e s s noi se  st atistical  prop erties is kn o w n. Ho weve r,  UFIR filter d o es  not n eed  p r ior   informatio n of  pro c e s s noi se statisti cal p r ope rtie in t he filtering  proce s s. It represe n ts  stro ng er  robu stne ss for the inaccu ra te pr ocess no ise stati s tical  prop ertie s . Moreove r , the improve d  UFI R   filter ca n b e tter ad apt to  the targ et m aneuve r ing  a nd get  better filtering  perf o rma n ce tha n   existing  UFIR filter by u s in g the d e viatio n bet w een  m easure m ent a nd filterin g re sults to ad apt ive   adju s t new ra te gain matrix     5. Conclu sion   In this pape r, we pro p o s the improve d  UFIR  filter to offset the deficie ncy of existing  UFIR filter. We use it for m aneuve r ing ta rget  tra cki ng. The sim u latio n  experim ent s sh ow that:   1.  whe n  the  kno w n i n itial valu es  and  noi se   statistical di st ribution  follo w id eal  co ndit i ons, KF  is  slightly better than existing  UFIR filter;  2.  whe n   n o ise statistical dist ribution  i s  un know n, UFIR f ilter  sho w s th e st rong er ro bustn ess   than KF;  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Im proved  UFI R  Tra c king Al gorithm  for Maneu ve ring Ta rget   (Shouli n  Yin)  350 3.  this pap er’ s  new  scheme  can a daptive  adjus t ne w rate gain matrix which sho w s a bette filtering pe rformance than e x isting UFIR f ilter;  4.  though the n e w UFI R  filter can im prov e the filt er preci s ion, its a m ount  of co mputation is    N opt  times gre a ter than the  KF.  In the future,  we  will evaluate our scheme wi th other UFIR filter  al gorithm s and  desi gn a  UFIR filter wit h  small am ou nt of computa t ion  for usin g it in the maneuvering ta rget  tracking.       Referen ces   [1]    Sing h AK, Bhaumik S. Quadrature f ilters for mane uveri ng target trackin g IEEE Recent Advances and  Innovati ons i n  Engi neer in g (ICRAIE) . 2014:  1-6.  [2]    W u  C, Ju Y, Liu P, et al. Ada p ti ve Man euv e r ing T a rget T r a cking Al gorith m Sensors & T r ansduc ers 201 4; 174( 7): 279-2 84.   [3]    Liu Y, Su o J, Karimi HR  e t  al. A filterin al gorithm fo r maneuv eri n g  target trackin g  bas ed o n   smoothi ng spl i ne fitting.  Abstract and Ap pli e d Analys is. Hin daw i Publ ishi n g  Corp oratio n . 201 4.  [4]    F an E, Xi e W ,  Liu Z .  Mane u v erin g target tra ckin g  usi ng f u zz y   log i c-b a s ed recurs ive l e ast squar es  filter.  EURASIP Journa l on A d vanc es in Si g nal Proc essin g .  2014, 20 14(1) : 1-9.  [5]    Shmali y YS. An  iter ative  Kalma n -lik a l gorithm  ig nori ng  nois e   an d  initi a l  con d iti ons.  IEEE   T r ansactio n s o n  Sign al Proc e ssing . 20 11; 59 (6): 2465- 24 73 [6]    Liu. J, Yi n. S L , T eng. L. A n  Improv ed M u ltipl e  E x te nd ed T a rget T r acking A l g o rith m Base d o n   Variati ona l B a yes i a n  C a rdi n a lit y Eq uili br i u m  Multi-Obj e ctiv e Ber nou lli  Filt erin g.  ICIC Express  Letters  Part B: Applications . 201 6, 7( 04): 209- 21 4.  [7]    Liu J, Yin S L , T eng. L. Improved Sq uare R oot  Unsc ented  Kalman B ilate ral F ilteri ng Us ed for Indo o r   Positioning S y stem.  ICIC Express Letters Part B: Applications . 2015; 6( 12) : 3205-3 2 1 0 [8]    Liu T H , Yin SL. An Improve d  Unsce nted  Kalma n  F ilter  Appl ied  into G PS Positio n in g  S y stem.  ICIC  Express Letter s  Part B: Applications . 20 15;  6(11): 29 37- 29 42.   [9]    Daum F E . Exte nde d Kalm an F ilters.  Encyclo p edi a of Systems and Co ntrol . 201 4: 1-3.  [10]    Ramirez-Ec heverria F, Sarr  A,  Shmaliy  YS . Optimal memor y  for  di scr ete-time F I R filters in state- space.  IEEE Transactions on Signal Process i ng.  20 14; 62( 3 ) : 557-56 1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.