雷達航跡融合算法驗證系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在雷達多站點航跡融合算法設(shè)計中，算法驗證是設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)。所設(shè)計航跡融合算法驗證系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式計算機系統(tǒng)，結(jié)合自構(gòu)建模式，可模擬多雷達站點、多目標(biāo)、異步數(shù)據(jù)傳輸、分布式航跡關(guān)聯(lián)與融合等功能。驗證實驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多站點、多目標(biāo)的航跡關(guān)聯(lián)與融合等功能與性能的驗證。
關(guān)鍵詞：航跡融合；數(shù)據(jù)融合；航跡關(guān)聯(lián)；分布式系統(tǒng)仿真

0 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(biāo)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(biāo)屬性、目標(biāo)特征、威脅度、批號，各雷達站點的情況等，根據(jù)相應(yīng)條件設(shè)計關(guān)聯(lián)與融合算法。如何根據(jù)實際任務(wù)背景設(shè)計仿真各種情況，來有效地驗證目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)與融合算法的正確性是有效解決算法驗證的關(guān)鍵所在。
本文主要目的旨在對航跡融合算法設(shè)計，開發(fā)一航跡融合驗證系統(tǒng)，用于檢驗航跡關(guān)聯(lián)與融合算法的有效性與正確性。

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(luò)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(biāo)信息。站點的規(guī)?？筛鶕?jù)實際情況來設(shè)置。航跡融合中心將來自各站點目標(biāo)信息進行關(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(luò)廣播確認(rèn)信息與本身的系統(tǒng)時間信息。網(wǎng)絡(luò)上的所有站點計算機(RSC)在接收到消息后對消息進行地址解析，得到FCSC的IP地址，同時利用FCSC送來的時間信息對自身進行時間調(diào)整。然后各RSC再根據(jù)IP地址向FCSC發(fā)送數(shù)據(jù)包，將該站點的地理信息告知FCSC。FCSC接收到數(shù)據(jù)包后，分別對它們進行地址解析，解析出發(fā)送數(shù)據(jù)包RSC的IP地址與相應(yīng)站點的地理信息。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(luò)將目標(biāo)批號、坐標(biāo)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(shè)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(shè)計
2．1 站點坐標(biāo)系
在該驗證系統(tǒng)中，站點坐標(biāo)系采用地心直角坐標(biāo)系，如圖2所示。圖中T為站點，O為地心，B、L分別為緯度與經(jīng)度。采用該坐標(biāo)系是為各站點之間進行空間校正之用。所有站點的目標(biāo)坐標(biāo)值數(shù)據(jù)均通過地心大地坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換。每個站點的大地坐標(biāo)值為：(Bi，Li，Hi)i=O，1，2，…，n。當(dāng)i=O時，為基準(zhǔn)站點大地坐標(biāo)。

站點測量坐標(biāo)系如圖3所示，O點為站點測量中心，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)假定雷達基準(zhǔn)方向與Y同向。當(dāng)然雷達基準(zhǔn)可以任意，最后將測得的目標(biāo)方位角度轉(zhuǎn)換到O-XYZ坐標(biāo)上即可。測量站點的球坐標(biāo)→直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換為：

2．2 站點目標(biāo)模型產(chǎn)生與輸出定時
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)進行建立：

式中： 為第j個目標(biāo)的初始值。

對同一目標(biāo)，不同站點所處地理位置不同，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)換到每個站點下的直角坐標(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站點第j個目標(biāo)在各自站點測量直角坐標(biāo)系下的目標(biāo)坐標(biāo)值為：

式中：(為的轉(zhuǎn)置；(Xi，Yi，Zi)為各站點的大地直角坐標(biāo)值，由式(4)得到。
同時針對每個目標(biāo)還有批號Nij、目標(biāo)屬性Sij(我機、友機、敵機)。不同站點即使針對同一目標(biāo)，其批號也未必相同，但屬性是唯一的。
2．2．2 目標(biāo)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(luò)的時延。站點輸出目標(biāo)坐標(biāo)值時，同時取該站點的系統(tǒng)時間，與坐標(biāo)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(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
由于每個站點分別在不同地點，因此，需將每個站點目標(biāo)的測量坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到融合中心的測量坐標(biāo)系里。在作各站點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，首先將所有站點測得的目標(biāo)坐標(biāo)值(ATij，ETij，DTij)，轉(zhuǎn)換到大地直角坐標(biāo)系(xTij，yTij，zTij)中。然后根據(jù)每個站點的(Bi，Li，Hi)，i=1，2，…，n，由式(3)將(xTij，yTij，zTij)大地直角坐標(biāo)系里(xGij，yGij，zGij)。
各站點目標(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)換到融合中心的測量坐標(biāo)系(xij，yij，zij)里。這就完成了各站點目標(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。如果各站點之間距離不大，也可直接進行站點間坐標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(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(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(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，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(zhǔn)角度。
　

當(dāng)目標(biāo)超出最大距離環(huán)時，即目標(biāo)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
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(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)輸入的各站點的目標(biāo)，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(biāo)進行了仿真驗證實驗，如表l所示。站點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平面上的運動關(guān)系如圖6所示。其中1～4批號目標(biāo)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(biāo)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(dǎo)武器系統(tǒng)指揮與控制仿真等方面。