基于多傳感器探測精度的正確融合航跡判斷

惠黎明

(中國電子科技集團(tuán)公司第27 研究所 測試部，河南 鄭州 450047)

隨著科學(xué)技術(shù)和武器裝備的發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)面臨的作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，相對于單雷達(dá)，組網(wǎng)雷達(dá)可擴(kuò)大系統(tǒng)時域、頻域、空域的覆蓋能力，取長補(bǔ)短，同時發(fā)揮各雷達(dá)的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)信息共享，有效提高了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的速度，降低虛警、漏警，全面提高雷達(dá)網(wǎng)在惡劣電子戰(zhàn)環(huán)境下的探測能力，并明顯增強(qiáng)了雷達(dá)的生存能力。然而，當(dāng)多部雷達(dá)同時工作時，由于各雷達(dá)的探測精度、目標(biāo)高度機(jī)動性和各類干擾因素的影響，單雷達(dá)測得的數(shù)據(jù)不能完全反映出目標(biāo)的真實(shí)情況。因此，多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合已成為現(xiàn)代雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。

多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的根本目標(biāo)是獲得比任何單個輸入元素更充分、更準(zhǔn)確的信息，其融合過程既包含復(fù)雜的技術(shù)因素，又包含大量的不確定因素、模糊因素，融合系統(tǒng)所匯集和處理的信息種類繁多，信息源之間關(guān)系復(fù)雜，從而給客觀公正評估融合系統(tǒng)帶來困難，融合效果評估問題也始終未得到良好地解決［2］。在現(xiàn)有的關(guān)于多傳感器數(shù)據(jù)融合評估技術(shù)方案中，多是介紹數(shù)據(jù)融合仿真測試平臺［3－4］、數(shù)據(jù)融合評估體系［5－6］以及數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)能力綜合評估方法［7－8］等頂層設(shè)計和理論研究，較少涉及到底層具體實(shí)現(xiàn)，融合航跡與真值航跡相關(guān)技術(shù)作為融合效能評估的基礎(chǔ)算法更是少被提及。根據(jù)目前掌握的融合航跡與真值航跡相關(guān)算法存在效率低下，對特殊態(tài)勢匹配成功率不高等缺點(diǎn)，本文根據(jù)融合航跡數(shù)據(jù)和真值航跡數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出一種基于傳感器探測精度的正確融合航跡判斷技術(shù)，通過建立全新數(shù)據(jù)模型，優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力及正確性。

1 技術(shù)方案

1.1 技術(shù)原理

對融合航跡和真值航跡進(jìn)行相關(guān)時，需首先設(shè)置時間和空間相關(guān)匹配參數(shù)作為相關(guān)閾值進(jìn)行時空配準(zhǔn)后，才能進(jìn)行其他相關(guān)處理?；趥鞲衅魈綔y精度的正確融合航跡判斷技術(shù)以參與融合的雷達(dá)傳感器距離精度作為空間配準(zhǔn)閾值，完成融合航跡和真值航跡的相關(guān)。其具體原理如下:

(1)計算距離相關(guān)閾值。計算所有參與融合的雷達(dá)傳感器距離精度，選擇閾值確定方法，并將精度放大相應(yīng)倍數(shù)后計算相關(guān)閾值，得

式中，R0為相關(guān)的閾值;λ 為放大系數(shù);Re為選擇的傳感器精度。

(2)融合航跡與真值航跡相關(guān)處理。假定在融合態(tài)勢中，存在真值St=［Tr1(t)，Tr2(t)，…，TrN(t)］T，有融合系統(tǒng)輸出，計算融合航跡Tfi(t)各航跡點(diǎn)與對應(yīng)真值航跡Trj(t)航跡點(diǎn)之間距離差R(i，j，t)，則平均距離差Rr(i，j)=。對于給定的R0，若Rr(i，j)≤R0，則融合目標(biāo)Tfi(t)和Trj(t)之間存在映射關(guān)系。這樣可建立起所有融合航跡與真值航跡之間的映射關(guān)系，該種關(guān)系有如下3 種情況:

關(guān)系1 對于一個給定的融合目標(biāo)有唯一的真值目標(biāo)于其對應(yīng)。

關(guān)系2 對于一個給定的融合目標(biāo)存在多個真值目標(biāo)與其對應(yīng)。

關(guān)系3 多個融合目標(biāo)對應(yīng)于一個真值目標(biāo)。

對于關(guān)系1，只有唯一的選擇，融合航跡與真值航跡一一對應(yīng);對于關(guān)系2，取Rr(i，j)最小Tfi(t)為融合航跡Tfi(t)對應(yīng)的真值航跡，其余Tfi(t)判斷為漏情。

對于關(guān)系3，可根據(jù)融和航跡的時間段進(jìn)行劃分，如圖1 所示，在tb至te時間段內(nèi)，融合航跡Tf1和Tf2與真值航跡Tr存在映射關(guān)系，但在各時間段又根據(jù)具體關(guān)系分為正確航跡段、重復(fù)航跡段和漏情段。在tb～t1時間段，真值航跡不存在對應(yīng)的融合航跡，出現(xiàn)漏情;t1～t2段，Tf1為Tr的正確航跡段;在t2～t3到段，Tf1與Tf2均與Tr對應(yīng)，取距離最近者為正確航跡，且Tf1為Tr的正確航跡，Tf2為重復(fù)航跡;而在t3～te段為正確航跡段，則Tf2與Tr對應(yīng)。

圖1 原理示意圖

1.2 處理過程

1.2.1 計算雷達(dá)航跡與真值航跡距離閾值

根據(jù)雷達(dá)設(shè)備狀態(tài)和綜合態(tài)勢，人工設(shè)定雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)與真值航跡數(shù)據(jù)之間的距離相關(guān)閾值R0和時間相關(guān)閾值T0。

對于一條給定的雷達(dá)航跡Tfi(t)進(jìn)行相關(guān)計算:計算該航跡的每個航跡點(diǎn)與真值航跡Tfi(t)相應(yīng)點(diǎn)的時間差T，若T≤T0，對真值數(shù)據(jù)的經(jīng)度、緯度、高度進(jìn)行一階差值，對應(yīng)到雷達(dá)航跡相應(yīng)時間航跡點(diǎn)，并計算Tfi(t)與Tfi(t)之間的距離誤差R;統(tǒng)計所有航跡點(diǎn)平均距離差R，若R≤R0，則記為Tri(t)為Tfi(t)的一個真值源。

在整個工作周期內(nèi)，兩兩計算各雷達(dá)傳感器每個雷達(dá)航跡與真值目標(biāo)間的距離誤差均值，計算各雷達(dá)航跡對應(yīng)的真值源。確立兩種之間相對應(yīng)的關(guān)系后，再計算各雷達(dá)傳感器距離精度。當(dāng)選定閾值計算方法和放大系數(shù)后，計算融合航跡判斷距離閾值。

經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)一階插值公式為

設(shè)雷達(dá)探測態(tài)勢中，目標(biāo)Tfy(t)，y=1，…，N 及其所對應(yīng)真值目標(biāo)Tri在t 時刻的位置分別為Tfy(t)=［xfy(t)yfy(t)zfy(t)］T、Tri(t)=［xri(t)yri(t)zri(t)］T，計算二者在地心直角坐標(biāo)系X 方向、Y 方向和Z 方向上的誤差Ex(t，y)，Ey(t，y)和Ez(t，y)

則目標(biāo)Tfy(t)與真值目標(biāo)Tri(t)在t 時刻空間距離誤差為

目標(biāo)Tfy(t)與真值目標(biāo)Tri(t)的空間距離誤差為

1.2.2 融合航跡真值航跡之間距離誤差

獲取計算的融合航跡判斷距離閾值R0，人工輸入融合航跡與真值航跡之間的時間相關(guān)閾值T0，作為判斷融合系統(tǒng)輸出航跡與真值數(shù)據(jù)之間的相關(guān)依據(jù)。

根據(jù)雷達(dá)航跡與真值航跡距離誤差計算方法，計算出融合目標(biāo)Tfi(t)和真值目標(biāo)Trj(t)的平均距離誤差R，并將R 與R0進(jìn)行比較，確定兩者之間的對應(yīng)關(guān)系為Rr(Tfi，Trj)。

1.2.3 計算融合航跡對應(yīng)的真值航跡

獲取存在真值航跡源的各融合航跡起始時間和終止時間，并其按時間先后排序劃分為不同的時間段，同時在各個時間段可建立如表1 所示關(guān)系，若融合航跡與真值距離誤差R≤R0，則在對應(yīng)的行列上標(biāo)注R。

表1 融合航跡與真值對應(yīng)關(guān)系

當(dāng)關(guān)系建立完畢后，統(tǒng)計一個時間段內(nèi)各融合航跡對應(yīng)的真值源的數(shù)量N。對于N 進(jìn)行如下處理:

若N=0，則融合航跡為虛假航跡;

若N=1，則初步判定融合航跡與真值航跡存在映射關(guān)系;

若N ＞1，則取融合航跡與真值航跡之間的距離誤差最小的源，初步判定該真值源為融合航跡與該真值航跡之間存在映射關(guān)系。

當(dāng)處理完畢后，將映射關(guān)系保存至數(shù)據(jù)庫。

1.2.4 計算真值航跡對應(yīng)的正確融合航跡

根據(jù)初步判定的融合航跡對應(yīng)的真值航跡映射關(guān)系，統(tǒng)計各時間段內(nèi)，各真值航跡對應(yīng)的融合航跡數(shù)量M，對于M 進(jìn)行如下處理:

若M=0，則判定真值航跡無對應(yīng)的融合航跡;

若M=1，則判定融合航跡是真值航跡的正確航跡;

若M ＞1，則取真值航跡與融合航跡之間距離誤差最小的融合航跡為真值航跡對應(yīng)的正確融合航跡。對于其余的M－1 條融合航跡，則根據(jù)融合航跡對應(yīng)真值源的個數(shù)N 進(jìn)行處理:

若N=1，則該融合航跡為該真值航跡的重復(fù)航跡;

若N ＞1，修改該融合航跡與真值航跡的映射關(guān)系，取融合航跡與真值航跡之間距離誤差次小的真值源，初步判定為該融合航跡與該真值航跡之間存在映射關(guān)系;修改完畢后，迭代計算真值航跡對應(yīng)的融合航跡。

亦即對表1 中每行統(tǒng)計所有R 的最小值，并在最小值所在的單元格標(biāo)上*;針對每一列統(tǒng)計*的個數(shù);若一列中有一個以上的*，取*中最小的R 標(biāo)記△，其余*對應(yīng)的行中，將*改標(biāo)在R 次小的單元格;依次類推，直至所有的*位置均無法變動。對表中的信息進(jìn)行統(tǒng)計:

(1)若某行為空(不存在R)，則該行所對應(yīng)的融合航跡為虛假航跡。

(2)若某列為空(不存在R)，則該真值不存在對應(yīng)的融合航跡，將進(jìn)一步判斷該目標(biāo)有對應(yīng)的雷達(dá)傳感器輸出，即認(rèn)為該真值目標(biāo)發(fā)生漏情;若該目標(biāo)無對應(yīng)的雷達(dá)輸出，則該真值目標(biāo)未被探測到。

(3)若一列中有一個以上的*，標(biāo)記△的融合航跡為真值對應(yīng)的正確航跡，其余*對應(yīng)的融合航跡為真值目標(biāo)的重復(fù)航跡。

2 算法驗(yàn)證

該方法經(jīng)外場試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠滿足工程要求。以其中一個場景進(jìn)行說明。

場景設(shè)置:在兩艘艦艇平臺上各部署一部艦載雷達(dá)作為傳感器，并設(shè)置兩個空中目標(biāo)作機(jī)動運(yùn)動。平臺導(dǎo)航信息和雷達(dá)探測信息均作為數(shù)據(jù)源參與系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，試驗(yàn)結(jié)束后，將記錄的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫。在場景中，雷達(dá)探測與真值態(tài)勢如圖2 所示，融合系統(tǒng)輸出融合航跡信息如表2 所示，融合態(tài)勢如圖3 所示。

表2 融合系統(tǒng)輸出融合信息

圖2 雷達(dá)探測與真值態(tài)勢

圖3 融合態(tài)勢圖

參數(shù)設(shè)置:進(jìn)行融合航跡判斷時，閾值計算方法采用最大值法，閾值放大系數(shù)為2。

計算結(jié)果:經(jīng)計算，雷達(dá)1 和雷達(dá)2 的距離精度分別為118.97 m 和245.21 m，則閾值為735.64 m。融合航跡與真值航跡相關(guān)結(jié)果如表3 所示，融合航跡1和3 與真值之間距離誤差大于閾值，如圖4 所示，相關(guān)不成功，其余融合航跡與對應(yīng)真值相關(guān)成果。

表3 融合航跡與真值相關(guān)結(jié)果

圖4 融合航跡與真值相關(guān)失敗結(jié)果

3 結(jié)束語

融合航跡與真值航跡的關(guān)聯(lián)是進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合性能評估的基礎(chǔ)，融合航跡正確性的判斷直接影響性能評估的準(zhǔn)確性，本文對此提出了新的處理算法。但由于多平臺數(shù)據(jù)融合的復(fù)雜性和不確定性，如融合航跡的交叉、混批及傳感器自身的誤差、雜波的干擾等，算法的普適性、準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提升。

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