雷達(dá)航跡融合驗(yàn)證系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計(jì)

引言

在防空指揮自動(dòng)化信息處理過程中，由多雷達(dá)站點(diǎn)所提供目標(biāo)信息源，在信息融合中，其航跡融合是關(guān)鍵的一個(gè)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(biāo)屬性、目標(biāo)特征、威脅度、批號(hào)，各雷達(dá)站點(diǎn)的情況等，根據(jù)相應(yīng)條件設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)與融合算法。如何根據(jù)實(shí)際任務(wù)背景設(shè)計(jì)仿真各種情況，來有效地驗(yàn)證目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)與融合算法的正確性是有效解決算法驗(yàn)證的關(guān)鍵所在。

隨著科學(xué)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(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、偵查）系統(tǒng)中和各種武器平臺(tái)上以及許多民事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所謂多傳感器信息融合就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、優(yōu)化綜合以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過程。信息融合的目標(biāo)是基于各傳感器分離觀測(cè)信息，通過對(duì)信息的優(yōu)化組合導(dǎo)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(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì)，來提高整個(gè)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(gè)重要應(yīng)用。所謂航跡融合，就是對(duì)多個(gè)傳感器所掃描到的各目標(biāo)的狀態(tài)信息（位置信息）進(jìn)行融合。在目標(biāo)密集的軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)中，與單傳感器相比，通過多個(gè)傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，再將各傳感器的目標(biāo)航跡經(jīng)過融合而得到的目標(biāo)位置信息更有可靠性，對(duì)整個(gè)軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)也更有利用價(jià)值。

1 驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架與工作原理

航跡融合驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架主要由航跡融合中心（FCSC）、站點(diǎn)（RSC）、網(wǎng)絡(luò)等組成，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)通過自構(gòu)建方式將FCSC與每個(gè)RSC構(gòu)成一完整信息交換系統(tǒng)。圖中每個(gè)站點(diǎn)為仿真一部雷達(dá)的信息輸出裝置，且每個(gè)站點(diǎn)可提供多批不同地理位置、不同掃描時(shí)間的目標(biāo)信息。站點(diǎn)的規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際情況來設(shè)置。航跡融合中心將來自各站點(diǎn)目標(biāo)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)與融合，并給出最終的綜合目標(biāo)航跡。圖中待驗(yàn)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(dòng)后，融合中心計(jì)算機(jī)（FCSC）首先向網(wǎng)絡(luò)廣播確認(rèn)信息與本身的系統(tǒng)時(shí)間信息。同時(shí)給出仿真開始命令，各RSC開始仿真計(jì)算，并通過集線器、TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)批號(hào)、坐標(biāo)值、屬性、時(shí)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(shè)計(jì)的航跡融合模塊中數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換到融合中心驗(yàn)證系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)格式。

2 驗(yàn)證系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 站點(diǎn)坐標(biāo)系

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

站點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)系如圖3所示，O點(diǎn)為站點(diǎn)測(cè)量中心，O-XYZ為東北天坐標(biāo)系，OX-指向大地東方，OY-指向大地北方。

現(xiàn)假定雷達(dá)基準(zhǔn)方向與Y同向。當(dāng)然雷達(dá)基準(zhǔn)可以任意，最后將測(cè)得的目標(biāo)方位角度轉(zhuǎn)換到O-XYZ坐標(biāo)上即可。測(cè)量站點(diǎn)的球坐標(biāo)→直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換為：

2.2 站點(diǎn)目標(biāo)模型產(chǎn)生與輸出定時(shí)

2.2.1 目標(biāo)模型產(chǎn)生

在空中目標(biāo)模型采用直角坐標(biāo)進(jìn)行建立：

式中： 為第j個(gè)目標(biāo)的初始值。

對(duì)同一目標(biāo)，不同站點(diǎn)所處地理位置不同，因而所得到的目標(biāo)坐標(biāo)值也不同。為仿真不同地理位置下的目標(biāo)航跡，需將式（2）的目標(biāo)轉(zhuǎn)換到每個(gè)站點(diǎn)下的直角坐標(biāo)：

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(biāo)的大地直角坐標(biāo)值。因此，第i站點(diǎn)第j個(gè)目標(biāo)在各自站點(diǎn)測(cè)量直角坐標(biāo)系下的目標(biāo)坐標(biāo)值為：

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

同時(shí)針對(duì)每個(gè)目標(biāo)還有批號(hào)Nij、目標(biāo)屬性Sij（我機(jī)、友機(jī)、敵機(jī)）。不同站點(diǎn)即使針對(duì)同一目標(biāo)，其批號(hào)也未必相同，但屬性是唯一的。

2.2.2 目標(biāo)輸出定時(shí)

每個(gè)站點(diǎn)計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)時(shí)受融合中心的定時(shí)器控制。但不考慮網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。站點(diǎn)輸出目標(biāo)坐標(biāo)值時(shí)，同時(shí)取該站點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)間，與坐標(biāo)值一起打包送至融合中心。每個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)率根據(jù)實(shí)際雷達(dá)或情報(bào)網(wǎng)的情況可設(shè)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(zhǔn)模塊

各站點(diǎn)目標(biāo)值轉(zhuǎn)換到大地直角坐標(biāo)（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(biāo)系（xGij，yGij，zGij）里。最后由式（5）將其轉(zhuǎn)換到融合中心的測(cè)量坐標(biāo)系（xij，yij，zij）里。這就完成了各站點(diǎn)目標(biāo)的坐標(biāo)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(diǎn)之間距離不大，也可直接進(jìn)行站點(diǎn)間坐標(biāo)的直接轉(zhuǎn)換。但由于上級(jí)情報(bào)指揮系統(tǒng)可能距雷達(dá)站點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此，需要考慮大地曲面問題。

2.3.2 時(shí)間校準(zhǔn)模塊

由于每個(gè)站點(diǎn)各自定時(shí)，沒有一個(gè)統(tǒng)一的定時(shí)關(guān)系，且數(shù)據(jù)傳輸也需要時(shí)間。所以在進(jìn)行多站點(diǎn)、多目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)時(shí)，除進(jìn)行空間校正外，還要進(jìn)行時(shí)間校正，使得各站點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間上，如采用B碼授時(shí)裝置。這就要求每個(gè)站點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)必須帶有絕對(duì)時(shí)間戳，以便于明確該輸出數(shù)據(jù)的獲取時(shí)刻。由于一般搜索雷達(dá)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(diǎn)數(shù)據(jù)通過外推歸到統(tǒng)一時(shí)刻上tk上，如圖4所示。取兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)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(diǎn)第j個(gè)數(shù)據(jù)輸出時(shí)刻。所以外推時(shí)間△tij為：

然后進(jìn)行坐標(biāo)外推：

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

對(duì)于周期為2 s的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)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(diǎn)的點(diǎn)跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即兩秒之間的時(shí)刻坐標(biāo)插值為：

式中：T=1 s。

2.3.3 綜合航跡顯示模塊

目標(biāo)空中態(tài)勢(shì)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(yàn)證的航跡關(guān)聯(lián)融合將融合后的目標(biāo)綜合航跡參數(shù)送至綜合航跡顯示模塊，以顯示空中目標(biāo)的態(tài)勢(shì)，驗(yàn)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(hào)。圖5中，中心為融合中心，每個(gè)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(zhǔn)角度。

當(dāng)目標(biāo)超出最大距離環(huán)時(shí)，即目標(biāo)已飛出探測(cè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)、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(shè)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(yīng)用于分布式仿真系統(tǒng)中，可以驗(yàn)證各武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，評(píng)估各武器系統(tǒng)和整個(gè)大系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能以及各武器系統(tǒng)在整個(gè)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(qiáng)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(dòng)建立信息關(guān)系，同時(shí)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(biāo)航跡模塊所產(chǎn)生的目標(biāo)信息通過TCP／IP以太網(wǎng)向FCSC傳送，根據(jù)輸入的各站點(diǎn)的目標(biāo)，經(jīng)由時(shí)空校正后，由待驗(yàn)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(gè)站點(diǎn)，6批目標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如表l所示。站點(diǎn)RSCl可輸出6批目標(biāo)，RSC2與RSC3可分別輸出6批目標(biāo)中的3批。6批目標(biāo)在X-Y平面上的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖6所示。其中1～4批號(hào)目標(biāo)平行飛行。

待驗(yàn)證航跡融合模塊就是將3個(gè)站點(diǎn)輸出的目標(biāo)航跡進(jìn)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(dá)站點(diǎn)航跡融合驗(yàn)證系統(tǒng)，可用于航跡關(guān)聯(lián)算法驗(yàn)證、航跡融合仿真等。具有簡單適用、效果直觀等特點(diǎn)。

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