機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡炎 林哲鋒 張丕旭

（1. 海軍駐西安艦炮軍事代表室，西安 710043；2. 海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室，溫州 316000；3. 海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033）

1 引言

機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的基本概念在五十年代己經(jīng)形成，但直到70年代卡爾曼濾波理論成功地在機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤中應(yīng)用以來，機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)才真正引起人們的普遍關(guān)注和極大興趣。機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤理論需要綜合運(yùn)用隨機(jī)統(tǒng)計(jì)決策、估值理論、最優(yōu)化算法等現(xiàn)代信息處理技術(shù)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。所涉及的問題是控制、指揮、通訊和情報(bào)學(xué)科發(fā)展的前沿問題，是當(dāng)今國(guó)際上研究的熱門方向[1,2]。

本文采用 C/S(Client/Serve，客戶機(jī)/服務(wù)器)體系結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)仿真軟件，利用劇情生成模塊模擬雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過跟蹤算法對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤處理，估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)地在演示界面上顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息和跟蹤性能評(píng)估結(jié)果，建立了一個(gè)具有較高可信度的、直觀的仿真系統(tǒng)，為機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法研究提供一個(gè)測(cè)試、集成、檢驗(yàn)和驗(yàn)證的綜合一體化仿真環(huán)境。

2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C/S結(jié)構(gòu)，即大家熟知的客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，是基于資源不對(duì)等性，為實(shí)現(xiàn)共享而發(fā)展起來的，其發(fā)展成熟于上世紀(jì)八九十年代。從開發(fā)角度看，C/S模型具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)操作和事務(wù)處理能力，且開發(fā)模型簡(jiǎn)單，易于人們理解和接受。系統(tǒng)的客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器構(gòu)件充分隔離，易于擴(kuò)充和壓縮，且分工具體，客戶應(yīng)用程序的開發(fā)集中于數(shù)據(jù)的查詢?yōu)g覽，而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的開發(fā)則集中于數(shù)據(jù)的管理。由于客戶端與服務(wù)器的直接相連，因此實(shí)時(shí)性較好。另外，客戶操作界面設(shè)計(jì)有針對(duì)性，可滿足客戶個(gè)性化的業(yè)務(wù)要求。C/S結(jié)構(gòu)的這些技術(shù)特點(diǎn)完全滿足本設(shè)計(jì)的基本要求。

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體是一種C/S體系結(jié)構(gòu)，但是其中各個(gè)主模塊有自己特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由劇情生成模塊（包括劇情生成器、雷達(dá)模擬器等）、跟蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊和測(cè)試評(píng)估模塊（包括數(shù)據(jù)庫、測(cè)試評(píng)估軟件等）組成，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

（1）劇情生成模塊：根據(jù)劇情想定的真值數(shù)據(jù)，由雷達(dá)模擬器生成目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊：接收模擬產(chǎn)生的目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤處理，估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（3）測(cè)試評(píng)估模塊：由目標(biāo)真值數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)和濾波數(shù)據(jù)評(píng)估機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法的性能。

2.3 軟件流程時(shí)序關(guān)系

劇情生成器首先根據(jù)劇情想定文件的配置要求，對(duì)雷達(dá)模擬器的仿真參數(shù)和艦艇導(dǎo)航信息進(jìn)行配置，當(dāng)配置完畢后，系統(tǒng)需要向劇情生成器發(fā)送反饋報(bào)文，報(bào)告?zhèn)鞲衅鲉?dòng)完畢。

劇情生成器接收到反饋報(bào)文后，向雷達(dá)模擬器和測(cè)試評(píng)估模塊發(fā)送目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的真值信息。雷達(dá)模擬器接收到目標(biāo)的真值數(shù)據(jù)后，按照傳感器設(shè)計(jì)給定的仿真算法計(jì)算出模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，包括二次航跡數(shù)據(jù)、一次點(diǎn)跡數(shù)據(jù)和初步的目標(biāo)識(shí)別結(jié)果。測(cè)試評(píng)估模塊接收到目標(biāo)的真值數(shù)據(jù)和雷達(dá)模擬器輸出的模擬數(shù)據(jù)后，錄入到數(shù)據(jù)庫中，以便評(píng)估跟蹤算法的性能。

跟蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊從網(wǎng)絡(luò)上接收到雷達(dá)模擬數(shù)據(jù)后，由數(shù)據(jù)預(yù)處理算法和跟蹤算法得出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的濾波值，再發(fā)送到測(cè)試評(píng)估模塊。測(cè)試評(píng)估模塊獲得目標(biāo)的真值數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)和濾波數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)相應(yīng)的性能指標(biāo)評(píng)估跟蹤算法的性能。同時(shí)，演示界面可實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息和評(píng)估指標(biāo)等，可直觀的評(píng)判跟蹤算法的性能。

系統(tǒng)流程的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

3 軟件主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 劇情生成模塊

劇情生成模塊的基本功能分兩部分：產(chǎn)生目標(biāo)真值信息和模擬雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，模擬的目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到跟蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊和測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)。

(1)產(chǎn)生目標(biāo)真值信息

利用彈道建模技術(shù)，可設(shè)置戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，仿真獲得高速機(jī)動(dòng)反艦導(dǎo)彈的幾種典型運(yùn)動(dòng)彈道數(shù)據(jù)；

(2)模擬雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)

雷達(dá)模擬器的功能主要包括模擬雷達(dá)終端顯示和產(chǎn)生目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)流程的時(shí)序關(guān)系圖

圖4 雷達(dá)模擬器數(shù)據(jù)處理流程圖

雷達(dá)終端顯示的圖像中，存在的信息不僅包括雜波和目標(biāo)回波信息，還包括固定輔助圖標(biāo)信息，前者的圖像信息在模擬中存在余輝效果處理的問題，而后者的信息是不需要進(jìn)行余輝效果處理的。為了更好地解決上述兩者間存在的矛盾，在設(shè)計(jì)中采用兩塊圖像內(nèi)存區(qū)分別存儲(chǔ)，定義為內(nèi)存A和內(nèi)存B，內(nèi)存區(qū)A用于存儲(chǔ)目標(biāo)和地物回波的圖像信息，內(nèi)存區(qū)B用于存儲(chǔ)輔助圖標(biāo)信息。對(duì)內(nèi)存區(qū)A的數(shù)據(jù)進(jìn)行余輝衰減控制后再與內(nèi)存區(qū)B的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的顯示。同時(shí)，為了更逼真地體現(xiàn)終端顯控臺(tái)生成的雜波圖像，將雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式（如二進(jìn)制）存儲(chǔ)到雜波模型庫，仿真過程中，利用數(shù)據(jù)回放的方式實(shí)現(xiàn)雜波圖像。

目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生應(yīng)注意兩個(gè)問題：第一，雷達(dá)有一定的探測(cè)范圍，主要是受地球曲率、大氣折射效應(yīng)等因素影響，在劇情想定配置雷達(dá)參數(shù)時(shí)設(shè)置，所以要先判斷目標(biāo)是否在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)；第二，目標(biāo)真值數(shù)據(jù)是相對(duì)于地理坐標(biāo)系的，運(yùn)用坐標(biāo)變換的方法，將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到雷達(dá)觀測(cè)所處的坐標(biāo)系，即瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系，再根據(jù)劇情想定中設(shè)置的雷達(dá)參數(shù)，對(duì)真值數(shù)據(jù)疊加誤差，并模擬雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)的過程。

3.2 高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)模塊

該模塊可針對(duì)特定的跟蹤算法設(shè)計(jì)，跟蹤算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。從程序設(shè)計(jì)的角度來看，跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)主要在濾波與預(yù)測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)上有所差異，而模型所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣在實(shí)現(xiàn)上是一致的[3,4]。例如，傳統(tǒng)的基于CV和CA模型的目標(biāo)跟蹤算法中是標(biāo)準(zhǔn) Kalman濾波，近幾年研究較多的基于參數(shù)辨識(shí)模型和彈道規(guī)律的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法中是在線辨識(shí)和 Kalman濾波，而多模型算法中存在模型之間的轉(zhuǎn)換，這些區(qū)別都體現(xiàn)在算法的程序?qū)崿F(xiàn)中。

圖5 跟蹤算法實(shí)現(xiàn)流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫在仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和備份功能，以動(dòng)態(tài)表和靜態(tài)表的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，劇情控制信息、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息、平臺(tái)導(dǎo)航信息等以動(dòng)態(tài)表形式存儲(chǔ)便于實(shí)時(shí)更新，而雷達(dá)參數(shù)信息、雷達(dá)雜波模型庫數(shù)據(jù)等則以靜態(tài)表的形式提前存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫，只能查詢不能更改[5]。

3.4 測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)

測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)是基于性能評(píng)估方法設(shè)計(jì)的，用于對(duì)目標(biāo)跟蹤算法的性能進(jìn)行評(píng)估。常用的性能評(píng)估指標(biāo)有：均值誤差(ME)、相對(duì)均值誤差(RME)、均方差(MSE)、相對(duì)均方誤差(RMSE)、相對(duì)誤差壓縮比(RECR)、反應(yīng)時(shí)間(RT)等[6]。

均值誤差：

相對(duì)均值誤差：

均方差：

相對(duì)均方誤差：

相對(duì)誤差壓縮比：

反應(yīng)時(shí)間：

其中，(i)、X(i)、Z(i)分別為i時(shí)刻的濾波值、理論值、觀測(cè)值。

結(jié)合Monte Carlo仿真分析方法，利用數(shù)據(jù)庫的查詢和統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)濾波值、理論值、觀測(cè)值進(jìn)行比較，獲得均方差(MSE)、相對(duì)誤差壓縮比(RECR)、反應(yīng)時(shí)間(RT)等評(píng)估結(jié)果，并在仿真演示界面上直觀地顯示出來[7]。數(shù)據(jù)流示意圖如圖6所示。

4 仿真實(shí)例

針對(duì)導(dǎo)彈末端做躍升俯沖攻擊的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，進(jìn)行初始設(shè)置并運(yùn)行仿真系統(tǒng)。初始設(shè)置如下：導(dǎo)彈開始躍升機(jī)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)為(2000 m,5 m)，速度為850 m/s，切向加速度為10 m/s2，躍升時(shí)法向加速度為10 m/s2，俯沖時(shí)法向加速度為-10 m/s2；雷達(dá)測(cè)距誤差為10 m，測(cè)角誤差為1.5 mrad；采樣間隔為0.01 s。

圖6 測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

啟動(dòng)基于彈道規(guī)律的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法，仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以直觀地顯示跟蹤算法對(duì)仿真實(shí)例的處理過程，可信度較高。

5 結(jié)論

本文主要介紹了機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)思路和方法，并給出劇情生成、跟蹤算法實(shí)現(xiàn)和測(cè)試評(píng)估等主要模塊的相關(guān)功能設(shè)計(jì)方案。軟件采用C/S(Client/Serve)體系結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)思想，分工具體，實(shí)時(shí)性較好，利用劇情生成模塊模擬雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過跟蹤算法對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤處理，估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)地在演示界面上顯示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息和跟蹤性能評(píng)估結(jié)果，為機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法研究搭建了一個(gè)具有較高可信度的、直觀的仿真系統(tǒng)。

圖7 基于彈道規(guī)律的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法仿真實(shí)例

:

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