雷達航跡融合驗證系統(tǒng)的工作原理與設計

引言

在防空指揮自動化信息處理過程中，由多雷達站點所提供目標信息源，在信息融合中，其航跡融合是關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。航跡關(guān)聯(lián)的正確與否，直接關(guān)系到其他融合（如數(shù)據(jù)融合、特征融合、決策融合等）的正確性。在航跡關(guān)聯(lián)過程中，需要考慮各種各樣情況，如目標屬性、目標特征、威脅度、批號，各雷達站點的情況等，根據(jù)相應條件設計關(guān)聯(lián)與融合算法。如何根據(jù)實際任務背景設計仿真各種情況，來有效地驗證目標航跡關(guān)聯(lián)與融合算法的正確性是有效解決算法驗證的關(guān)鍵所在。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，多傳感器信息融合已經(jīng)迅速發(fā)展起來，并在現(xiàn)代C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視、偵查）系統(tǒng)中和各種武器平臺上以及許多民事領(lǐng)域得到了廣泛的應用。所謂多傳感器信息融合就是利用計算機技術(shù)對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準則下加以自動分析、優(yōu)化綜合以完成所需的決策和估計任務而進行的信息處理過程。信息融合的目標是基于各傳感器分離觀測信息，通過對信息的優(yōu)化組合導出更多的有效信息。這是最佳協(xié)同作用的結(jié)果，它的最終目的是利用多個傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，來提高整個傳感器系統(tǒng)的有效性。 航跡融合是多傳感器信息融合技術(shù)在軍事上的一個重要應用。所謂航跡融合，就是對多個傳感器所掃描到的各目標的狀態(tài)信息（位置信息）進行融合。在目標密集的軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)中，與單傳感器相比，通過多個傳感器對目標進行跟蹤，再將各傳感器的目標航跡經(jīng)過融合而得到的目標位置信息更有可靠性，對整個軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)也更有利用價值。

1 驗證系統(tǒng)構(gòu)架與工作原理

航跡融合驗證系統(tǒng)構(gòu)架主要由航跡融合中心（FCSC）、站點（RSC）、網(wǎng)絡等組成，如圖1所示。整個系統(tǒng)通過自構(gòu)建方式將FCSC與每個RSC構(gòu)成一完整信息交換系統(tǒng)。圖中每個站點為仿真一部雷達的信息輸出裝置，且每個站點可提供多批不同地理位置、不同掃描時間的目標信息。站點的規(guī)?？筛鶕?jù)實際情況來設置。航跡融合中心將來自各站點目標信息進行關(guān)聯(lián)與融合，并給出最終的綜合目標航跡。圖中待驗證的“航跡關(guān)聯(lián)與融合模塊”（TAFM）通過程序“接口模塊”嵌入到FCSC里。

在程序啟動后，融合中心計算機（FCSC）首先向網(wǎng)絡廣播確認信息與本身的系統(tǒng)時間信息。同時給出仿真開始命令，各RSC開始仿真計算，并通過集線器、TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡將目標批號、坐標值、屬性、時間等數(shù)據(jù)送至融合中心。

圖1中，接口模塊是將按照要求所設計的航跡融合模塊中數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換到融合中心驗證系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)格式。

2 驗證系統(tǒng)軟件設計

2.1 站點坐標系

在該驗證系統(tǒng)中，站點坐標系采用地心直角坐標系，如圖2所示。圖中T為站點，O為地心，B、L分別為緯度與經(jīng)度。采用該坐標系是為各站點之間進行空間校正之用。所有站點的目標坐標值數(shù)據(jù)均通過地心大地坐標系進行轉(zhuǎn)換。每個站點的大地坐標值為：（Bi，Li，Hi）i=O，1，2，…，n。當i=O時，為基準站點大地坐標。

站點測量坐標系如圖3所示，O點為站點測量中心，O-XYZ為東北天坐標系，OX-指向大地東方，OY-指向大地北方。

現(xiàn)假定雷達基準方向與Y同向。當然雷達基準可以任意，最后將測得的目標方位角度轉(zhuǎn)換到O-XYZ坐標上即可。測量站點的球坐標→直角坐標的轉(zhuǎn)換為：

2.2 站點目標模型產(chǎn)生與輸出定時

2.2.1 目標模型產(chǎn)生

在空中目標模型采用直角坐標進行建立：

式中： 為第j個目標的初始值。

對同一目標，不同站點所處地理位置不同，因而所得到的目標坐標值也不同。為仿真不同地理位置下的目標航跡，需將式（2）的目標轉(zhuǎn)換到每個站點下的直角坐標：

式中：地球的卯酉圈半徑N與橢球第一偏心率е。（xGj，yGj，zGj）為目標的大地直角坐標值。因此，第i站點第j個目標在各自站點測量直角坐標系下的目標坐標值為：

式中：（為的轉(zhuǎn)置；（Xi，Yi，Zi）為各站點的大地直角坐標值，由式（4）得到。

同時針對每個目標還有批號Nij、目標屬性Sij（我機、友機、敵機）。不同站點即使針對同一目標，其批號也未必相同，但屬性是唯一的。

2.2.2 目標輸出定時

每個站點計算機在啟動時受融合中心的定時器控制。但不考慮網(wǎng)絡的時延。站點輸出目標坐標值時，同時取該站點的系統(tǒng)時間，與坐標值一起打包送至融合中心。每個站點的數(shù)據(jù)率根據(jù)實際雷達或情報網(wǎng)的情況可設置為：1次／秒、1次／2秒或1次／3秒。

2.3 融合中心模型

2.3.1 空間校準模塊

各站點目標值轉(zhuǎn)換到大地直角坐標（xGij，yGij，zGij）后，再將其轉(zhuǎn)換到融合中心（X0，y0，Z0）所在的大地直角坐標系（xGij，yGij，zGij）里。最后由式（5）將其轉(zhuǎn)換到融合中心的測量坐標系（xij，yij，zij）里。這就完成了各站點目標的坐標轉(zhuǎn)換：

上述轉(zhuǎn)換模式比較精確，考慮到了地球的曲率。如果各站點之間距離不大，也可直接進行站點間坐標的直接轉(zhuǎn)換。但由于上級情報指揮系統(tǒng)可能距雷達站點較遠，因此，需要考慮大地曲面問題。

2.3.2 時間校準模塊

由于每個站點各自定時，沒有一個統(tǒng)一的定時關(guān)系，且數(shù)據(jù)傳輸也需要時間。所以在進行多站點、多目標航跡關(guān)聯(lián)時，除進行空間校正外，還要進行時間校正，使得各站點的輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個基準時間上，如采用B碼授時裝置。這就要求每個站點的輸出數(shù)據(jù)必須帶有絕對時間戳，以便于明確該輸出數(shù)據(jù)的獲取時刻。由于一般搜索雷達的最小掃描周期為T=1 s，所以，以1 s為航跡關(guān)聯(lián)周期。各站點數(shù)據(jù)通過外推歸到統(tǒng)一時刻上tk上，如圖4所示。取兩個標準授時之間為1 s，且tk-tk-1=T，tij（i=1，2，…，n；j=l，2，…，m）分別為第i站點第j個數(shù)據(jù)輸出時刻。所以外推時間△tij為：

然后進行坐標外推：

因此，所有航跡關(guān)聯(lián)均在（xPij，yPij，zPij）基礎上完成。

對于周期為2 s的站點數(shù)據(jù)，還需要進行數(shù)據(jù)加密處理，使之成為1次／秒的數(shù)據(jù)率，以便于和T=l s站點的點跡進行關(guān)聯(lián)，即兩秒之間的時刻坐標插值為：

式中：T=1 s。

2.3.3 綜合航跡顯示模塊

目標空中態(tài)勢綜合航跡通過綜合航跡顯示模塊仿真完成，如圖5所示。由待驗證的航跡關(guān)聯(lián)融合將融合后的目標綜合航跡參數(shù)送至綜合航跡顯示模塊，以顯示空中目標的態(tài)勢，驗證航跡關(guān)聯(lián)融合的正確性。圖中給出了6條綜合航跡的顯示，并給每條航跡賦予了批號。圖5中，中心為融合中心，每個環(huán)代表一定的距離，在最外環(huán)有角度的分劃線。正北為基準角度。

當目標超出最大距離環(huán)時，即目標已飛出探測器的威力范圍，不在顯示其航跡。

3 系統(tǒng)仿真與分析

分布式仿真是工程領(lǐng)域內(nèi)一種應用較為廣泛的仿真技術(shù)，是采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，通過局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)將分布在各地的仿真設備互聯(lián)并交互作用的一種綜合環(huán)境。本文將想定系統(tǒng)應用于分布式仿真系統(tǒng)中，可以驗證各武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，評估各武器系統(tǒng)和整個大系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能以及各武器系統(tǒng)在整個仿真體系中的地位和作用，既有利于提高仿真系統(tǒng)的可重用性、互操作性，也增強了仿真的可靠性與置信度。

系統(tǒng)仿真伊始，F(xiàn)CSC與各RSC通過系統(tǒng)自構(gòu)建模式自動建立信息關(guān)系，同時各RSC的地理信息（Bi，Li，Hi，i=0，l，2，…，n）也將送至FCSC。

由各RSC里目標航跡模塊所產(chǎn)生的目標信息通過TCP／IP以太網(wǎng)向FCSC傳送，根據(jù)輸入的各站點的目標，經(jīng)由時空校正后，由待驗證航跡關(guān)聯(lián)融合模塊處理，然后送至綜合顯示模塊。

在仿真過程中，選擇了3個站點，6批目標進行了仿真驗證實驗，如表l所示。站點RSCl可輸出6批目標，RSC2與RSC3可分別輸出6批目標中的3批。6批目標在X-Y平面上的運動關(guān)系如圖6所示。其中1～4批號目標平行飛行。

待驗證航跡融合模塊就是將3個站點輸出的目標航跡進行綜合處理，即航跡歸類，得到綜合航跡，如圖5所示，可一目了然航跡融合的正確與否。

4 結(jié)束語

該分布式雷達站點航跡融合驗證系統(tǒng)，可用于航跡關(guān)聯(lián)算法驗證、航跡融合仿真等。具有簡單適用、效果直觀等特點。

將來可擴展到雷達的二次信息處理過程仿真與驗證、防空反導武器系統(tǒng)指揮與控制仿真等方面。