受限环境中面向视觉跟踪的任务中心设计优化

这份资料处理的是一个具体的工程取舍：当无人机在导航卫星拒止条件下执行情报、监视与侦察任务、只能依靠被动光电传感器时，如何在小尺寸、轻重量、低功耗、低成本（low SWaP-C）的约束内，把平台运动、传感器视场、团队协同和运行限制一起纳入设计，而不是等系统成型后再评估精度。它把协同 bearing-only 定位与跟踪作为核心场景——传感器只测方位、不测距离，估计性能因此高度依赖编队怎样飞行、视场怎样覆盖、通信与禁飞区怎样限制。值得现在看的地方在于，它没有把估计精度留在事后分析环节，而是把 posterior Cramér-Rao lower bound（PCRLB）直接当作优化中的信息度量，让轨迹为估计服务。换句话说，传感器配置与飞行路径被放进同一个设计问题里求解。

覆盖面从问题建模一直铺到任务级权衡。技术侧包括估计感知轨迹优化、含 bank-to-turn 车辆动力学与有限视场传感的最优控制问题、Bernstein 与 Bernstein-Fourier 轨迹近似，以及用 Monte Carlo 扩展卡尔曼滤波（EKF）仿真评估估计器表现，目标情形同时覆盖静止目标与移动目标。方法侧把这些环节嵌入一个 mission engineering 框架，串起 design of experiments、多目标优化、仿真和 Pareto 权衡空间分析。需要说明的是，材料呈现的证据来自建模仿真与案例研究，并非飞行试验数据，这决定了结论的性质是设计层面的可行性论证，而非外场性能标定。

关键的技术选择值得逐条看清。信息度量取 posterior Cramér-Rao lower bound，而非把定位误差当作黑箱指标，这使优化过程能够直接对“未来观测还能带来多少信息”作出反应。约束集合相当完整：bank-to-turn 动力学、有限视场、禁飞区边界、任务区域限制、通信约束都在最优控制问题里显式出现，而不是优化完再裁剪轨迹。轨迹近似采用 Bernstein 与 Bernstein-Fourier 多项式，目的是生成平滑且动力学可行的路径，让优化结果能被真实平台跟踪。这一组合的实际含义是：视场受限不再只被当作传感器缺陷，而是可以通过编队几何与航迹设计来补偿的变量。

案例研究给出的结论集中在传感器构型的选择上。协同的固定视场（fixed-field-of-view）无人机团队，在定位性能上可以达到与万向节（gimballed）系统相比有竞争力的水平，同时在可负担性、可扩展性和韧性方面表现更好。其中的逻辑不难理解：万向节用机械指向换取单平台的视场自由度，代价是重量、成本与复杂度；固定视场则把指向能力转移到团队协同和轨迹规划上，用多平台的几何多样性换取单个平台的简单性。这里需要标明，这是案例研究中的仿真结论，“有竞争力”是相对于所建模型与设定场景而言，并不等于外场实测的等价性证明。

这些结论对实践的影响在于设计流程的重心前移。把 PCRLB 放进优化回路，意味着传感器选型、编队规模、航迹规划与通信约束可以在同一张 Pareto 前沿上权衡，而不是分层决策之后互相迁就。对 low SWaP-C 的 ISR 任务来说，这提供了一条可论证的路径：用协同与规划弥补硬件能力的削减，并用可量化的信息指标支撑取舍。反过来看，约束建模的完备程度会直接决定结论能否迁移——禁飞区、任务区、通信这些条件一旦换场景，Pareto 解集也会随之改变。

适合做无人机任务规划、GNSS 拒止导航、传感器管理与估计理论应用的人读，也适合在系统之系统层面做采办与技术权衡的工程读者。能拿走的是三样东西：把 posterior CRLB 嵌入轨迹优化的建模套路、一份受限环境下必须显式处理的约束清单，以及用协同固定视场替代万向节的论证框架。边界也要说清楚：材料中的证据是 Monte Carlo EKF 仿真与案例研究，没有出现飞行验证；结论依赖所设定的场景与约束模型，换环境需要重新求解优化。这意味着它给出的是方法学与可行性论证，而不是可以直接照搬的任务参数。

MISSION-CENTRIC DESIGN OPTIMIZATION FOR VISION- BASED TRACKING IN CONSTRAINED ENVIRONMENTS Title MISSION-CENTRIC DESIGN OPTIMIZATION FOR VISION-BASED TRACKING IN CONSTRAINED ENVIRONMENTS Item Type Thesis Authors Sciacchitano, Alfonso URI https://hdl.handle.net/10945/75966 Publisher Monterey, CA; Naval Postgraduate School Date Issued 2026-06 Rights This publication is a work of the U.S. Government as defined in Title 17, United States Code, Section 101. Copyright protection is not available for this work in the United States. Download date 2026-11-04 22:57:51 Link to Item https://hdl.handle.net/10945/75966 Downloaded from NPS Archive: Calhoun NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL MONTEREY, CALIFORNIA DISSERTATION MISSION-CENTRIC DESIGN OPTIMIZATION FOR VISION-BASED TRACKING IN CONSTRAINED ENVIRONMENTS by Alfonso Sciacchitano June 2026 Dissertation Supervisor: Sean P. Kragelund