基于数据融合的无源侦察定位航迹处理设计与实现

2013-08-10徐良春

舰船电子对抗 2013年3期

孙君，徐良春，霍健

（中国电子科技集团公司51所，上海201802）

0 引言

无源侦察定位具有电磁隐蔽性好、作用距离远、可反电子侦察、抗电子干扰、抗反辐射导弹攻击、使隐身目标失去隐身保护等优势，因此越来越受到各国军方的重视。但在实际应用中，由于受低空杂波、电子干扰和自身探测精度等因素影响，易使无源定位的数据不精确、不可靠，甚至相互矛盾，造成无源侦察定位系统目标跟踪失效。为此，需进一步研究实际复杂环境下的无源侦察定位跟踪处理技术[1]。

1 无源侦察定位简介

无源侦察定位是通过侦收辐射源目标自身发射的电磁信号，对辐射源目标进行探测定位。无源探测定位设备可能获得的观测量主要有辐射源信号参数（频率、脉宽、重复周期）、辐射源信号到达角度、辐射源到达时间等。典型的无源侦察定位体制有测向交叉定位、时差定位、测向时差混合定位等[2]。

无源侦察定位设备同时可具备多种定位体制，而且随着无源侦察定位技术的发展，无源侦察定位设备组网，形成无源侦察定位系统是必然的趋势[3]。

1 基于数据融合的无源定位航迹处理设计思路及方法

1.1 基于数据融合的无源定位航迹处理流程

基于数据融合的无源侦察定位航迹处理，是将无源侦察定位系统中不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）输出的辐射源目标点迹信息进行融合处理，再对融合后的辐射源目标点迹信息进行跟踪、滤波处理。基于数据融合的无源侦察定位航迹处理主要包括数据预处理模块、数据匹配模块、数据融合模块、航迹处理模块。

1.2 数据预处理模块

数据预处理模块的任务是完成对辐射源目标点迹数据的同步。不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）输出的辐射源目标点迹数据到达数据预处理模块的时间顺序如图1所示。

图1 点迹数据到达时间示意图

由于不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）的数据率、截获时间、通信时延不同，造成不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）对同一辐射源目标、同一时刻（T0）的定位点迹数据结果传输至数据预处理模块的时间各不相同（T1，T2，T3，…），因此数据预处理模块需对接收到的辐射源目标点迹数据进行同步处理，数据预处理模块设计如图2所示。

首先将接收到的辐射源目标点迹数据进行缓存，形成原始点迹数据链表。然后按照不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）中最高的数据率，对需进行同步的原始点迹数据链表进行查询操作。查询点迹数据时需对点迹数据中的时间信息进行判别，如果小于设定的延时则不用处理，等待下一个读取周期再处理；如果超过设定的延时，则舍弃该超时的点迹数据，以防止该点迹数据产生时间滞后现象；如果等于设定的时延，则将该点迹数据存入预处理后点迹数据链表，同时将原始点迹数据链表中的该点迹数据删除，这样数据预处理模块即可完成辐射源目标点迹数据的同步。

图2 数据预处理模块设计图

1.3 数据匹配模块

与一般雷达设备不同，无源侦察定位设备产生的辐射源目标点迹数据中，除了辐射源目标位置信息外还包含辐射源目标发射的辐射源信号参数信息，主要有辐射源信号频率（RF）、脉宽（PW）、重复频率（PRI）等。根据点迹数据中的辐射源信号参数信息及时间信息、目标位置，进行辐射源目标的匹配处理，匹配上的即为同一辐射源目标，数据匹配模块设计如图3所示。

首先数据匹配模块读取预处理后辐射源目标点迹数据链表，获取辐射源目标点迹数据，按照设定的辐射源目标相关参数进行相关，形成匹配后辐射源目标点迹数据链表，等待下一步处理。

辐射源参数的匹配值与无源侦察定位设备的辐射源参数测量误差相关，为将所有无源侦察定位设备产生的点迹数据都进行融合处理，默认的辐射源参数的匹配值为各无源侦察定位设备辐射源参数测量误差的最大值，输出的辐射源参数为各无源侦察定位设备点迹数据中辐射源参数测量精度最高值。时间信息的匹配值与辐射源目标的运动特性相关，不同运动类型的目标应设置不同的时间信息匹配值。位置信息的匹配值与无源侦察定位设备的定位误差相关，为将所有无源侦察定位设备产生的点迹数据都进行融合处理，默认的位置信息的匹配值应为各无源侦察定位设备定位误差的最大值。

图3 数据匹配模块设计图

1.4 数据融合模块

数据融合模块对匹配上的不同无源侦察定位设备输出的同一目标辐射源点迹数据进行融合处理，数据融合模块设计如图4所示。

数据融合模块对匹配后点迹数据链表进行遍历，获取点迹数据，判定匹配后点迹数据中需融合的点迹数。如果需融合点迹数大于1，则读取该点迹数据中所有需进行融合的点迹数据并进行融合计算，将融合后的点迹加入融合后点迹链表；如果需融合点迹数不大于1，则将该预处理后的点迹数据直接加入融合后点迹链表，最终形成数据率更高、精度更高的融合后点迹链表，送航迹处理模块进行处理。

融合算法的选取直接决定基于数据融合的无源侦察定位航迹处理对无源定位系统定位精度的提高程度，本文使用的融合算法为：

式中：m为相关上的需进行融合计算的目标点迹数；Di（xi，yi）为不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）输出的目标位置坐标；δi为不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）测量精度；D（x，y）为融合计算后得到的目标位置坐标。

该式在计算融合后辐射源目标位置时利用所有相关上的辐射源目标点迹信息，并根据不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）的测量精度进行了加权处理。

图4 数据融合模块设计图

1.5 航迹处理模块

由于无源定位存在测量误差，而且不同时间的辐射源目标测量误差是相互独立的，如果直接进行连接会给出一条振荡的曲线。实际辐射源目标的运动轨迹应该是平滑的，航迹处理模块就是对数据融合模块输出的辐射源目标位置进行平滑处理，在一定意义上减小无源定位系统测量误差对辐射源目标跟踪的影响，从而有效提高无源定位系统的定位精度。

辐射源目标是一个具有相当质量的物体，辐射源目标在运动时应当满足以下准则：

（1）辐射源目标位置不能突变，即辐射源目标的运动轨迹一定是连续的；

（2）辐射源目标的速度也不会突变，即辐射源目标运动轨迹的时间导数是连续的；

（3）辐射源目标的加速度不会非常大，即辐射源目标运动轨迹的时间导数是有上限的；

（4）对于大地直角坐标系，当以其中的某一维观察时，以上的假设都是合理的。

因此可以将辐射源目标的运动定义为分段相连的匀变速运动模型。

现用大地直角坐标系中x轴来说明滤波的原理。设辐射源目标x轴分量第i点的时刻为xi，与前一点的时间间隔为Ti，观察得到的值为Zi。假设对平滑后的x轴分量描述为时间分段的二次函数，就可以设第j段的表达式为：式中：tj＝j－1＋Tj。

可用它来有效地描述tj－1＜t＜tj时间范围内x轴分量变化的规律。它与相邻的前一个时间段的边界时间为tj－1，为了满足准则（1）和准则（2），则有如下公式：

于是，对于任何新的一段，需要估计的仅仅是一个参数，即新段内的加速度。如果设定的估计加速度aj的准则是仅仅利用一个新的观察点，并且对加速度不加限制，问题的实质就成为用一个方程式求解一个未知数，一般说来，都可以得到一个解。但是，估计所得到的分段二次曲线将通过所有的观察点，平滑没有进行，由于稳定性原因，曲线可能出现强烈的振荡。因此，一般是要参考多个观察点，或者再加上一些其他条件。这样，将由若干个不等式和等式方程求解一个未知数，这个解需要满足所有的不等式，但将无法同时满足所有的等式。给出的准则一般定为所得到的曲线在指定的一些观察点处误差的平方和为最小。其中最简单的一种算法是，规定加速度的下限和上限，设它们分别为lj和uj，参考的2个观察点是当前点zj和下一个点zj＋1，求解的方程组中不等式为：

满足误差平方和最小的条件可以转化成该平方和对加速度求导等于零的方程，其解为：

如果式（5）计算出的aj值满足式（4），就取aj为滤波中新段的加速度的估计值。如果式（5）计算出的aj值不满足式（4），若aj＜lj，取lj为滤波中新段的加速度的估计值；若aj＞uj，取uj为滤波中新段的加速度的估计值。利用式（3）即可解出bj、cj，再使用式（2）解出x轴分量变化。同理可解得y轴分量变化，最终实现对辐射源目标位置的航迹平滑处理。

2 仿真实验

为了对基于数据融合的无源侦察定位航迹处理进行性能评估，本文使用软件模拟的方法进行了仿真试验。试验模拟产生3种无源定位设备对同一辐射源目标进行定位输出的3组点迹数据。

图5为仿真的辐射源目标飞行轨迹；图6为无源定位设备Ⅰ定位输出的辐射源目标点迹图。

图7为无源定位设备Ⅱ输出的辐射源目标点迹图；图8为无源定位设备Ⅲ输出的辐射源目标点迹图；图9为经过基于数据融合的无源侦察定位航迹处理后，生成的辐射源目标航迹图；图10为经过基于数据融合的无源侦察定位航迹处理后，生成的辐射源目标的历史航迹表。

图5 仿真目标的运动轨迹图

图6 无源定位设备Ⅰ定位点迹图

图7 时差定位点迹图

图8 测向时差混合定位点迹图

图9 处理后的辐射源目标航迹图

试验表明基于数据融合的无源侦察定位航迹处理具有以下优点：

（1）将不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）输出的不同覆盖区域中的辐射源目标定位点迹进行接力处理，可有效提高无源侦察定位系统的覆盖范围。

（2）通过对不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）输出的共同覆盖区域中定位点迹进行融合计算，可有效提高无源侦察定位系统的定位精度。

图10 处理后的辐射源目标历史航迹表

（3）通过不同定位体制（或不同无源侦察定位设备）对共同覆盖区域内的目标点迹的汇总，可有效提高无源侦察定位系统的定位概率。例如共有m个不同定位体制（或不同无源侦察定位设备），对共同覆盖区域内的某一辐射源目标进行定位，各设备或体制定位概率为Pi，则通过数据融合处理后，无源侦察定位系统对该辐射源目标的定位概率可以表示为：