基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理設計與實現(xiàn)

孫 君，徐良春，霍 健

（中國電子科技集團公司51所，上海201802）

0 引 言

無源偵察定位具有電磁隱蔽性好、作用距離遠、可反電子偵察、抗電子干擾、抗反輻射導彈攻擊、使隱身目標失去隱身保護等優(yōu)勢，因此越來越受到各國軍方的重視。但在實際應用中，由于受低空雜波、電子干擾和自身探測精度等因素影響，易使無源定位的數(shù)據不精確、不可靠，甚至相互矛盾，造成無源偵察定位系統(tǒng)目標跟蹤失效。為此，需進一步研究實際復雜環(huán)境下的無源偵察定位跟蹤處理技術[1]。

1 無源偵察定位簡介

無源偵察定位是通過偵收輻射源目標自身發(fā)射的電磁信號，對輻射源目標進行探測定位。無源探測定位設備可能獲得的觀測量主要有輻射源信號參數(shù)（頻率、脈寬、重復周期）、輻射源信號到達角度、輻射源到達時間等。典型的無源偵察定位體制有測向交叉定位、時差定位、測向時差混合定位等[2]。

無源偵察定位設備同時可具備多種定位體制，而且隨著無源偵察定位技術的發(fā)展，無源偵察定位設備組網，形成無源偵察定位系統(tǒng)是必然的趨勢[3]。

1 基于數(shù)據融合的無源定位航跡處理設計思路及方法

1.1 基于數(shù)據融合的無源定位航跡處理流程

基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理，是將無源偵察定位系統(tǒng)中不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）輸出的輻射源目標點跡信息進行融合處理，再對融合后的輻射源目標點跡信息進行跟蹤、濾波處理?；跀?shù)據融合的無源偵察定位航跡處理主要包括數(shù)據預處理模塊、數(shù)據匹配模塊、數(shù)據融合模塊、航跡處理模塊。

1.2 數(shù)據預處理模塊

數(shù)據預處理模塊的任務是完成對輻射源目標點跡數(shù)據的同步。不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）輸出的輻射源目標點跡數(shù)據到達數(shù)據預處理模塊的時間順序如圖1所示。

圖1 點跡數(shù)據到達時間示意圖

由于不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）的數(shù)據率、截獲時間、通信時延不同，造成不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）對同一輻射源目標、同一時刻（T0）的定位點跡數(shù)據結果傳輸至數(shù)據預處理模塊的時間各不相同（T1，T2，T3，…），因此數(shù)據預處理模塊需對接收到的輻射源目標點跡數(shù)據進行同步處理，數(shù)據預處理模塊設計如圖2所示。

首先將接收到的輻射源目標點跡數(shù)據進行緩存，形成原始點跡數(shù)據鏈表。然后按照不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）中最高的數(shù)據率，對需進行同步的原始點跡數(shù)據鏈表進行查詢操作。查詢點跡數(shù)據時需對點跡數(shù)據中的時間信息進行判別，如果小于設定的延時則不用處理，等待下一個讀取周期再處理；如果超過設定的延時，則舍棄該超時的點跡數(shù)據，以防止該點跡數(shù)據產生時間滯后現(xiàn)象；如果等于設定的時延，則將該點跡數(shù)據存入預處理后點跡數(shù)據鏈表，同時將原始點跡數(shù)據鏈表中的該點跡數(shù)據刪除，這樣數(shù)據預處理模塊即可完成輻射源目標點跡數(shù)據的同步。

圖2 數(shù)據預處理模塊設計圖

1.3 數(shù)據匹配模塊

與一般雷達設備不同，無源偵察定位設備產生的輻射源目標點跡數(shù)據中，除了輻射源目標位置信息外還包含輻射源目標發(fā)射的輻射源信號參數(shù)信息，主要有輻射源信號頻率（RF）、脈寬（PW）、重復頻率（PRI）等。根據點跡數(shù)據中的輻射源信號參數(shù)信息及時間信息、目標位置，進行輻射源目標的匹配處理，匹配上的即為同一輻射源目標，數(shù)據匹配模塊設計如圖3所示。

首先數(shù)據匹配模塊讀取預處理后輻射源目標點跡數(shù)據鏈表，獲取輻射源目標點跡數(shù)據，按照設定的輻射源目標相關參數(shù)進行相關，形成匹配后輻射源目標點跡數(shù)據鏈表，等待下一步處理。

輻射源參數(shù)的匹配值與無源偵察定位設備的輻射源參數(shù)測量誤差相關，為將所有無源偵察定位設備產生的點跡數(shù)據都進行融合處理，默認的輻射源參數(shù)的匹配值為各無源偵察定位設備輻射源參數(shù)測量誤差的最大值，輸出的輻射源參數(shù)為各無源偵察定位設備點跡數(shù)據中輻射源參數(shù)測量精度最高值。時間信息的匹配值與輻射源目標的運動特性相關，不同運動類型的目標應設置不同的時間信息匹配值。位置信息的匹配值與無源偵察定位設備的定位誤差相關，為將所有無源偵察定位設備產生的點跡數(shù)據都進行融合處理，默認的位置信息的匹配值應為各無源偵察定位設備定位誤差的最大值。

圖3 數(shù)據匹配模塊設計圖

1.4 數(shù)據融合模塊

數(shù)據融合模塊對匹配上的不同無源偵察定位設備輸出的同一目標輻射源點跡數(shù)據進行融合處理，數(shù)據融合模塊設計如圖4所示。

數(shù)據融合模塊對匹配后點跡數(shù)據鏈表進行遍歷，獲取點跡數(shù)據，判定匹配后點跡數(shù)據中需融合的點跡數(shù)。如果需融合點跡數(shù)大于1，則讀取該點跡數(shù)據中所有需進行融合的點跡數(shù)據并進行融合計算，將融合后的點跡加入融合后點跡鏈表；如果需融合點跡數(shù)不大于1，則將該預處理后的點跡數(shù)據直接加入融合后點跡鏈表，最終形成數(shù)據率更高、精度更高的融合后點跡鏈表，送航跡處理模塊進行處理。

融合算法的選取直接決定基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理對無源定位系統(tǒng)定位精度的提高程度，本文使用的融合算法為：

式中：m為相關上的需進行融合計算的目標點跡數(shù)；Di（xi，yi）為不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）輸出的目標位置坐標；δi為不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）測量精度；D（x，y）為融合計算后得到的目標位置坐標。

該式在計算融合后輻射源目標位置時利用所有相關上的輻射源目標點跡信息，并根據不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）的測量精度進行了加權處理。

圖4 數(shù)據融合模塊設計圖

1.5 航跡處理模塊

由于無源定位存在測量誤差，而且不同時間的輻射源目標測量誤差是相互獨立的，如果直接進行連接會給出一條振蕩的曲線。實際輻射源目標的運動軌跡應該是平滑的，航跡處理模塊就是對數(shù)據融合模塊輸出的輻射源目標位置進行平滑處理，在一定意義上減小無源定位系統(tǒng)測量誤差對輻射源目標跟蹤的影響，從而有效提高無源定位系統(tǒng)的定位精度。

輻射源目標是一個具有相當質量的物體，輻射源目標在運動時應當滿足以下準則：

（1）輻射源目標位置不能突變，即輻射源目標的運動軌跡一定是連續(xù)的；

（2）輻射源目標的速度也不會突變，即輻射源目標運動軌跡的時間導數(shù)是連續(xù)的；

（3）輻射源目標的加速度不會非常大，即輻射源目標運動軌跡的時間導數(shù)是有上限的；

（4）對于大地直角坐標系，當以其中的某一維觀察時，以上的假設都是合理的。

因此可以將輻射源目標的運動定義為分段相連的勻變速運動模型。

現(xiàn)用大地直角坐標系中x軸來說明濾波的原理。設輻射源目標x軸分量第i點的時刻為xi，與前一點的時間間隔為Ti，觀察得到的值為Zi。假設對平滑后的x軸分量描述為時間分段的二次函數(shù)，就可以設第j段的表達式為：式中：tj＝j－1＋Tj。

可用它來有效地描述tj－1＜t＜tj時間范圍內x軸分量變化的規(guī)律。它與相鄰的前一個時間段的邊界時間為tj－1，為了滿足準則（1）和準則（2），則有如下公式：

于是，對于任何新的一段，需要估計的僅僅是一個參數(shù)，即新段內的加速度。如果設定的估計加速度aj的準則是僅僅利用一個新的觀察點，并且對加速度不加限制，問題的實質就成為用一個方程式求解一個未知數(shù)，一般說來，都可以得到一個解。但是，估計所得到的分段二次曲線將通過所有的觀察點，平滑沒有進行，由于穩(wěn)定性原因，曲線可能出現(xiàn)強烈的振蕩。因此，一般是要參考多個觀察點，或者再加上一些其他條件。這樣，將由若干個不等式和等式方程求解一個未知數(shù)，這個解需要滿足所有的不等式，但將無法同時滿足所有的等式。給出的準則一般定為所得到的曲線在指定的一些觀察點處誤差的平方和為最小。其中最簡單的一種算法是，規(guī)定加速度的下限和上限，設它們分別為lj和uj，參考的2個觀察點是當前點zj和下一個點zj＋1，求解的方程組中不等式為：

滿足誤差平方和最小的條件可以轉化成該平方和對加速度求導等于零的方程，其解為：

如果式（5）計算出的aj值滿足式（4），就取aj為濾波中新段的加速度的估計值。如果式（5）計算出的aj值不滿足式（4），若aj＜lj，取lj為濾波中新段的加速度的估計值；若aj＞uj，取uj為濾波中新段的加速度的估計值。利用式（3）即可解出bj、cj，再使用式（2）解出x軸分量變化。同理可解得y軸分量變化，最終實現(xiàn)對輻射源目標位置的航跡平滑處理。

2 仿真實驗

為了對基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理進行性能評估，本文使用軟件模擬的方法進行了仿真試驗。試驗模擬產生3種無源定位設備對同一輻射源目標進行定位輸出的3組點跡數(shù)據。

圖5為仿真的輻射源目標飛行軌跡；圖6為無源定位設備Ⅰ定位輸出的輻射源目標點跡圖。

圖7為無源定位設備Ⅱ輸出的輻射源目標點跡圖；圖8為無源定位設備Ⅲ輸出的輻射源目標點跡圖；圖9為經過基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理后，生成的輻射源目標航跡圖；圖10為經過基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理后，生成的輻射源目標的歷史航跡表。

圖5 仿真目標的運動軌跡圖

圖6 無源定位設備Ⅰ定位點跡圖

圖7 時差定位點跡圖

圖8 測向時差混合定位點跡圖

圖9 處理后的輻射源目標航跡圖

試驗表明基于數(shù)據融合的無源偵察定位航跡處理具有以下優(yōu)點：

（1）將不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）輸出的不同覆蓋區(qū)域中的輻射源目標定位點跡進行接力處理，可有效提高無源偵察定位系統(tǒng)的覆蓋范圍。

（2）通過對不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）輸出的共同覆蓋區(qū)域中定位點跡進行融合計算，可有效提高無源偵察定位系統(tǒng)的定位精度。

圖10 處理后的輻射源目標歷史航跡表

（3）通過不同定位體制（或不同無源偵察定位設備）對共同覆蓋區(qū)域內的目標點跡的匯總，可有效提高無源偵察定位系統(tǒng)的定位概率。例如共有m個不同定位體制（或不同無源偵察定位設備），對共同覆蓋區(qū)域內的某一輻射源目標進行定位，各設備或體制定位概率為Pi，則通過數(shù)據融合處理后，無源偵察定位系統(tǒng)對該輻射源目標的定位概率可以表示為：

（4）通過航跡處理，可進一步提高無源偵察定位系統(tǒng)的定位精度和效果，最終顯示平滑的輻射源目標運動航跡。

[1]何友，王國宏，彭應寧.多傳感器信息融合及應用（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]權太范.目標跟蹤新理論與技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[3]孫仲康，周一宇，何黎星.單多基地有源無源定位技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996.