一種雷達(dá)航跡融合技術(shù)的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)

于振華，熊美英

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種雷達(dá)航跡融合技術(shù)的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)

于振華，熊美英

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

介紹了一種雷達(dá)航跡融合技術(shù)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，該技術(shù)可對(duì)多部雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，完成多目標(biāo)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、航跡相關(guān)、航跡融合和對(duì)外發(fā)送等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了多通道多批次目標(biāo)的融合，調(diào)整后可以適應(yīng)多部雷達(dá)系統(tǒng)的組網(wǎng)融合。

航跡融合；航跡相關(guān)；濾波；數(shù)據(jù)預(yù)處理

0 引 言

雷達(dá)航跡融合就是把多個(gè)相同或不同類(lèi)型的雷達(dá)所提供的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，完成對(duì)多源航跡數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、組合和估計(jì)等處理，消除數(shù)據(jù)之間的冗余和矛盾，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)處理，形成對(duì)環(huán)境的相對(duì)完整一致的感知描述，從而提高整個(gè)系統(tǒng)決策的快速性和正確性，提高狀態(tài)和身份估計(jì)的精度以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅的重要程度進(jìn)行適時(shí)完整的評(píng)價(jià)。

雷達(dá)航跡融合相對(duì)于單雷達(dá)目標(biāo)捕獲和跟蹤來(lái)說(shuō)不僅能夠擴(kuò)大捕捉和跟蹤空間和時(shí)間覆蓋范圍，還可以降低信息模糊度，提高可靠度、可信度和測(cè)量精度，獲得更高質(zhì)量的信息，達(dá)到多雷達(dá)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，故多雷達(dá)航跡融合技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍用電子領(lǐng)域。

本雷達(dá)航跡融合處理技術(shù)對(duì)多部雷達(dá)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，完成多目標(biāo)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、航跡相關(guān)、航跡融合和對(duì)外發(fā)送等功能，實(shí)現(xiàn)了多通道多批次目標(biāo)的融合，調(diào)整后可以適應(yīng)多部任意型號(hào)雷達(dá)系統(tǒng)的組網(wǎng)融合，軟件采用C、C++高級(jí)語(yǔ)言編程編寫(xiě)，硬件平臺(tái)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，比如DSP、PowerPC、PC104微型計(jì)算機(jī)等都可以作為該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)，下面主要以2部雷達(dá)的航跡融合為例介紹該技術(shù)設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)原理及具體實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)原理及框圖

該雷達(dá)航跡融合原理為：通過(guò)硬件平臺(tái)的網(wǎng)卡接收來(lái)自各個(gè)雷達(dá)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)，首先讀取預(yù)存的融合后的航跡數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)，對(duì)收到的新航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間對(duì)準(zhǔn)處理；然后找出同一批目標(biāo)的多部雷達(dá)的航跡點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)航跡相關(guān)、內(nèi)插、加權(quán)、平滑濾波、外推和參數(shù)計(jì)算處理；最后進(jìn)行威脅等級(jí)排序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把航跡融合處理按照規(guī)定的報(bào)文格式輸出，同時(shí)把融合后的航跡數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的融合航跡數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)每次接收到的航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，先用已有的融合航跡數(shù)據(jù)庫(kù)中的融合航跡進(jìn)行同一批目標(biāo)的搜尋。搜尋到新的航跡點(diǎn)和另外雷達(dá)航跡的外推、內(nèi)插相關(guān)點(diǎn)后，就把多航跡點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，更新當(dāng)前雷達(dá)的航跡點(diǎn)；當(dāng)接收的航跡點(diǎn)不能和本雷達(dá)的融合航跡進(jìn)行融合時(shí)，就和其他雷達(dá)融合航跡進(jìn)行融合，相關(guān)上就保存下來(lái)，等待另一部雷達(dá)到達(dá)后與另一部雷達(dá)的融合航跡進(jìn)行融合處理，剩余航跡點(diǎn)作為單機(jī)航跡，建立初始融合航跡輸出，同時(shí)存入融合航跡數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)融合航跡按照威脅等級(jí)排序處理后以網(wǎng)絡(luò)方式送出。一種雷達(dá)航跡融合技術(shù)的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 航跡融合處理技術(shù)工作原理框圖

1.2 具體實(shí)現(xiàn)

1．2．1 各雷達(dá)誤差對(duì)準(zhǔn)

在實(shí)際設(shè)計(jì)多雷達(dá)融合系統(tǒng)時(shí)，為獲得完整、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的目標(biāo)狀態(tài)，需要對(duì)各雷達(dá)進(jìn)行誤差對(duì)準(zhǔn)處理。

雷達(dá)的對(duì)準(zhǔn)是指多雷達(dá)數(shù)據(jù)“無(wú)誤差”轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的處理過(guò)程，一般主要包括時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和空間對(duì)準(zhǔn)：

(1) 時(shí)間對(duì)準(zhǔn)

(a) 各雷達(dá)的時(shí)間基點(diǎn)一致性問(wèn)題，即系統(tǒng)“時(shí)間同步”問(wèn)題，各雷達(dá)系統(tǒng)通常采用統(tǒng)一的時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步。

(b) 各雷達(dá)由于探測(cè)周期不同所引起的對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻不一致的問(wèn)題，即“時(shí)間配準(zhǔn)”問(wèn)題，在進(jìn)行融合處理時(shí)要根據(jù)每個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際的探測(cè)周期對(duì)錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)插或外推處理，方法如下：

假設(shè)tki-1，tki，tki+1時(shí)刻測(cè)量數(shù)據(jù)為zi-1，zi，zi+1。通常采樣時(shí)間是等間隔的，即tki+1-tki=tki-tki-1=h。假設(shè)計(jì)算插值點(diǎn)時(shí)刻ti且ti=tki+τh的值，則運(yùn)用Lagrange三點(diǎn)插值法計(jì)算出ti時(shí)刻的測(cè)量值為：

(2) 空間對(duì)準(zhǔn)

所謂空間對(duì)準(zhǔn)，就是借助于多雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)空間共同目標(biāo)的量測(cè)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的偏差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。由于同一平臺(tái)內(nèi)采用的坐標(biāo)系有可能是不同的，雷達(dá)的坐標(biāo)原點(diǎn)也不同，所以在進(jìn)行航跡融合之前，也需要將不同雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)原點(diǎn)、統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行系統(tǒng)誤差修正。在進(jìn)行航跡運(yùn)算時(shí)各系統(tǒng)通常會(huì)采用極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系，假設(shè)點(diǎn)P在空間極坐標(biāo)系中的目標(biāo)位置記為(r，φ，θ)，在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置記為(x，y，z)，則極坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系為[1]：

極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系:

(2)

直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)系:

(3)

1.2.2 對(duì)由不同雷達(dá)提供的航跡進(jìn)行互聯(lián)融合

(1) 融合航跡起始

航跡起始是航跡融合的關(guān)鍵步驟，是多目標(biāo)數(shù)據(jù)融合的首要問(wèn)題，主要通過(guò)設(shè)定相關(guān)波門(mén)的形狀和大小來(lái)確定相關(guān)的區(qū)域，以及運(yùn)用航跡起始算法來(lái)判斷單機(jī)航跡之間是否存在關(guān)聯(lián)。

融合航跡起始時(shí)，先對(duì)接收到的航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)與融合航跡數(shù)據(jù)庫(kù)中的航跡進(jìn)行實(shí)時(shí)航跡點(diǎn)相關(guān)，相關(guān)波門(mén)依據(jù)航跡質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及各雷達(dá)的測(cè)量誤差來(lái)設(shè)定，然后依據(jù)航跡的批號(hào)、距離、方位、速度、航向等參數(shù)找出同一批目標(biāo)的多部雷達(dá)的航跡點(diǎn)。

(2) 融合航跡濾波

本航跡融合技術(shù)的濾波算法采用卡爾曼濾波[2]，卡爾曼濾波適用于有限觀測(cè)間隔的非平穩(wěn)問(wèn)題，可用于計(jì)算機(jī)計(jì)算的遞推算法。作為線性時(shí)變系統(tǒng)的一種線性無(wú)偏最小均方誤差估計(jì)，它具有時(shí)變結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的適應(yīng)能力，適于實(shí)時(shí)處理。另外，卡爾曼濾波能在估計(jì)的同時(shí)給出估計(jì)的誤差方差，對(duì)火控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常有用。由于卡爾曼濾波算法具有良好的跟蹤性能和適合計(jì)算機(jī)處理的迭代性能，因此被廣泛應(yīng)用于各種跟蹤系統(tǒng)。

(a) 濾波方程：

(4)

式中：A為系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣；C為觀測(cè)矩陣；W為系統(tǒng)噪聲；K為系統(tǒng)增益；X為輸入信號(hào)。

(b) 觀測(cè)方程：

Y(k+1)=CS(k+1)+N(k+1)

(5)

(c) 增益方程：

K(k)=P(k/(k-1))CT[CP(k/(k-1))CT+R]-1

(6)

P(k/(k-1))=AP((k-1)/(k-1))AT+Q

(7)

P(k)=(I-K(k)C)P(k/(k-1))

(8)

式中：R(k)=E[n(k)nT(k)]，為觀測(cè)協(xié)方差矩陣；P(k)=E[e(k)dT(k)]，為誤差協(xié)方差矩陣。

(3) 融合航跡的內(nèi)插及加權(quán)

由于多部雷達(dá)送來(lái)的航跡點(diǎn)時(shí)間并不一定相同，處理前必須將他們對(duì)齊到同一個(gè)時(shí)刻，這樣不同雷達(dá)送來(lái)的航跡點(diǎn)在進(jìn)行處理時(shí)才具有可比性，因此對(duì)另一部雷達(dá)則要按時(shí)間要求進(jìn)行外推某個(gè)時(shí)刻的航跡點(diǎn)，也稱(chēng)為航跡的外推(或稱(chēng)內(nèi)插)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于多部雷達(dá)建航過(guò)程會(huì)有所不同，有的航跡建立得比較理想，而且質(zhì)量高，有的航跡可能會(huì)出現(xiàn)偏航、斷航等情況，因此在融合時(shí)需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行線性加權(quán)。

(4) 融合航跡的威脅等級(jí)判斷

對(duì)于作戰(zhàn)而言，威脅等級(jí)高的目標(biāo)需要高度關(guān)注，因此在航跡融合處理的同時(shí)需要將發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的威脅等級(jí)計(jì)算出來(lái)，使得指控臺(tái)能迅速準(zhǔn)確地發(fā)出相應(yīng)的命令。

(5) 融合航跡的跟蹤終結(jié)

在多目標(biāo)跟蹤的航跡融合處理中，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)消亡的航跡，釋放資源供新目標(biāo)的起始使用，可采用航跡質(zhì)量的管理來(lái)判斷當(dāng)前融合航跡是否應(yīng)當(dāng)終結(jié)[3]，當(dāng)融合航跡質(zhì)量低于一定數(shù)值時(shí)，將該條融合航跡撤銷(xiāo)。融合航跡質(zhì)量的變化依據(jù)其在生存的過(guò)程中錄取相關(guān)航跡點(diǎn)的情況進(jìn)行變化。當(dāng)錄取到航跡點(diǎn)時(shí)，航跡質(zhì)量增加；當(dāng)沒(méi)有錄取到航跡點(diǎn)時(shí)，航跡質(zhì)量就下降。

本設(shè)計(jì)的融合效果具體如圖2、圖3和圖4所示，對(duì)2部雷達(dá)全方位的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行融合。

圖2 一部雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)

圖3 另一部雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)

圖2為一部雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)，盲區(qū)在240°～270°范圍內(nèi)，圖3為另一部雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)，盲區(qū)在60°～90°范圍內(nèi)，圖4為融合后輸出的航跡數(shù)據(jù)。從中可以看出，該處理技術(shù)能夠?qū)?部雷達(dá)的目標(biāo)進(jìn)行融合，在目標(biāo)進(jìn)入一部雷達(dá)盲區(qū)后用另一部雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，保證目標(biāo)不斷航，在覆蓋區(qū)時(shí)對(duì)2部雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合，提高目標(biāo)的精度和數(shù)據(jù)率。

圖4 2部雷達(dá)融合后輸出的航跡數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

該融合處理技術(shù)已應(yīng)用于某項(xiàng)目的航跡融合處理中，對(duì)多部雷達(dá)公共區(qū)的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，對(duì)盲區(qū)的航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行相互補(bǔ)充，融合后進(jìn)行多目標(biāo)的完整跟蹤，各種技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求，該技術(shù)對(duì)其它系統(tǒng)的航跡融合設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有一定的借鑒意義。

[1] 何友，修建娟，張晶煒，等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 何友，王國(guó)宏，彭應(yīng)寧.多傳感器信息融合及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[3] 夏佩倫.目標(biāo)跟蹤與信息融合[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

Design Theory and Realization of A Radar Track Fusion Technology

YU Zhen-hua,XIONG Mei-ying

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces the design theory and realization method of a radar track fusion technology.The technology can perform the fusion processing to track data of multiple radars,completes the tasks such as multi-target data pre-processing,track correlation,track fusion and external transmitting and so on,realizes the fusion of multi-channel and multi-batch targets,can adopt the netted fusion of multi-radar system after being adjusted.

track fusion;track correlation;filtering;data pre-processing

2015-07-08

TN957.52

A

CN32-1413(2015)04-0036-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.010