王益鳴,彭冬亮

(杭州電子科技大學(xué)信息與控制研究所,浙江杭州310018)

一種多傳感器數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

王益鳴,彭冬亮

(杭州電子科技大學(xué)信息與控制研究所,浙江杭州310018)

該文為了適應(yīng)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展,提出了多傳感器數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建思想,采用結(jié)構(gòu)化分析的軟件設(shè)計(jì)方法,開發(fā)了一個(gè)通用的,易擴(kuò)展的數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)。該文主要內(nèi)容包括：STAGE平臺(tái)與Visual C++6.0的混合編程,目標(biāo)航跡的繪制;UDP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信;融合算法框架的軟件設(shè)計(jì)等等。通過在系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)算法實(shí)例,證明了該仿真平臺(tái)的有效性和實(shí)用性。

傳感器;數(shù)據(jù)融合;軟件設(shè)計(jì);仿真平臺(tái)

0 引 言

國(guó)外對(duì)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究起步比較早。早在1973年,美國(guó)研究就在國(guó)防部的資助下,開展了聲納信號(hào)理解系統(tǒng)的研究。國(guó)內(nèi)關(guān)于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究則起步比較晚。20世紀(jì)80年代初,人們開始從事多目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究,到80年末才開始出現(xiàn)有關(guān)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究的報(bào)道[1-3]。在現(xiàn)代C3I作戰(zhàn)系統(tǒng)中,依靠單傳感器提供技術(shù)已經(jīng)無法滿足作戰(zhàn)的需要,必須運(yùn)用多傳感器提供觀測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理,來獲取狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)屬性、行為意圖、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅分析和輔助決策作戰(zhàn)信息。又由于STAGE是關(guān)于戰(zhàn)情產(chǎn)生、戰(zhàn)術(shù)仿真和作戰(zhàn)訓(xùn)練的開發(fā)工具,能夠較好的結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù),對(duì)現(xiàn)代C3I作戰(zhàn)系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的意義[4-6]。由于影響數(shù)據(jù)融合效果的因素很多,僅靠研制人員進(jìn)行定性評(píng)估是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須尋找一種有效的方法進(jìn)行定量的評(píng)估。在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究領(lǐng)域里,相應(yīng)的理論和算法越來越多。但是目前的仿真平臺(tái)缺乏兼容性和實(shí)時(shí)性。所以,構(gòu)建一個(gè)通用、實(shí)用的仿真平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)重要的意義。本文是采用STAGE和VisualC++6.0混合編程技術(shù)來構(gòu)建和設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)清晰、操作簡(jiǎn)單、功能完備的傳感器數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)。

1 數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng),其組成部分多、處理的信息量大、可用的融合算法多、系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流向呈交互性和放射性[7,8]。除了以上特點(diǎn)之外,本系統(tǒng)更加突出在數(shù)據(jù)融合過程中傳感器跟蹤目標(biāo)的實(shí)時(shí)性強(qiáng),數(shù)據(jù)傳輸快速、可靠,性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：模塊化設(shè)計(jì)、擴(kuò)充性強(qiáng)、易選擇、便于維護(hù)、人機(jī)界面友好,并建立便于數(shù)據(jù)的訪問、存儲(chǔ)、管理的數(shù)據(jù)庫。因此,本系統(tǒng)首先利用STAGE軟件設(shè)置仿真所需要的目標(biāo)航跡和傳感器模型,接著使用UDP傳輸方式,從而減少傳輸機(jī)制的開銷,提高數(shù)據(jù)傳輸速度,然后把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫里同時(shí)對(duì)其加噪聲處理生成傳感器數(shù)據(jù),接著進(jìn)行目標(biāo)航跡融合處理,最后實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)融合前后的航跡并保存,也可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1 仿真平臺(tái)的系統(tǒng)功能框架圖

1.2 模塊分析

本文根據(jù)傳感器仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)思想,將其分成6個(gè)功能模塊：航跡生成模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳感器數(shù)據(jù)模塊、融合模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、控制模塊,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)航跡產(chǎn)生模塊：STAGE軟件提供良好的仿真環(huán)境、設(shè)置用戶所需要的目標(biāo)飛行軌跡、飛行時(shí)間及傳感器模型,為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理奠定了一個(gè)基礎(chǔ)。STAGE的其中兩個(gè)主要組成部分是數(shù)據(jù)庫編輯器和仿真引擎。數(shù)據(jù)庫編輯器用來新建一個(gè)用戶所需的戰(zhàn)情環(huán)境。仿真引擎與數(shù)據(jù)庫編輯器通信,對(duì)仿真控制命令的響應(yīng),輸出戰(zhàn)情演示的數(shù)據(jù)即航跡數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

(2)數(shù)據(jù)傳輸模塊：本文以UDP傳輸協(xié)議為橋梁,實(shí)現(xiàn)STAGE與數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的通信。在融合過程中,目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)是以設(shè)定周期T傳送到數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理功能。

(3)傳感器數(shù)據(jù)模塊：因?yàn)镾TAGE本身戰(zhàn)情仿真環(huán)境產(chǎn)生的航跡數(shù)據(jù)是不帶任何噪聲,所以在該航跡的基礎(chǔ)之上,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,可根據(jù)傳感器模型,加入隨機(jī)噪聲,從而達(dá)到其傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)的仿真要求,進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)來源。

(4)數(shù)據(jù)融合模塊：融合中心收集每一時(shí)刻的各個(gè)傳感器航跡點(diǎn),經(jīng)過相應(yīng)的算法處理,形成系統(tǒng)航跡點(diǎn)。

(5)主控模塊：在仿真過程中,完成其他各個(gè)模塊的調(diào)度、資源管理及實(shí)時(shí)顯示仿真和評(píng)估結(jié)果。

(6)數(shù)據(jù)管理模塊：保存各類仿真數(shù)據(jù),主要包括對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的操作。

2 數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STAGE與Visual C++6.0混合編程來進(jìn)行開發(fā)。STAGE軟件使得仿真人員避免了戰(zhàn)術(shù)場(chǎng)景生成、實(shí)時(shí)仿真控制、外部通信等一般要求的開發(fā),使其能主要致力于與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的特殊需求的仿真開發(fā)：用戶可利用STAGE的實(shí)體迅速建立一個(gè)多功能的仿真器圓形,然后集成其它精確的仿真模型,最終形成適合自己需求的仿真系統(tǒng)。這樣既減少了開發(fā)的難度和風(fēng)險(xiǎn),又加快了仿真開發(fā)的進(jìn)度。STAGE軟件的模塊化設(shè)計(jì)和開放的結(jié)構(gòu),使得用戶可通過友好的界面對(duì)其原型進(jìn)行修改和補(bǔ)充,或者用自己的模型代替其內(nèi)置的仿真模型,使得仿真更加逼真。STAGE軟件提供了對(duì)外部仿真器的支持,其網(wǎng)絡(luò)接口使得它的仿真器能夠通過UDP/IP、共享存儲(chǔ)或DIS/PDU連接到STAGE。Visual C++6.0,其主要優(yōu)點(diǎn)程序代碼使用率高,可重用性強(qiáng),是目前編程尤其是復(fù)雜程序的編寫使用最多的平臺(tái)。

傳感器數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的航跡產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu),如圖3所示,SATGE平臺(tái)的仿真大體分為三個(gè)階段,仿真前、仿真中和仿真后。

圖3 航跡產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖

仿真前：建立數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)所需要的目標(biāo)實(shí)體和傳感器模型,即設(shè)計(jì)各個(gè)仿真原型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及屬性設(shè)置項(xiàng)。在STAGE的DE功能模塊中,用戶實(shí)例化各個(gè)仿真原型,并設(shè)置STAGE系統(tǒng)仿真場(chǎng)景及顯示界面。

仿真中：根據(jù)數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)的實(shí)際要求,本文通過用戶模塊對(duì)SATGE進(jìn)行擴(kuò)展,來控制仿真原型的工作。擴(kuò)展SIM即用戶模塊,本文設(shè)計(jì)了傳感器探測(cè)模塊um-Sensors來對(duì)仿真過程的目標(biāo)實(shí)體進(jìn)行控制,把目標(biāo)實(shí)體的航跡點(diǎn)方位數(shù)據(jù)保存到臨時(shí)數(shù)據(jù)包中,然后實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)。其中：傳感器的探測(cè)數(shù)據(jù)模塊默認(rèn)為STAGE系統(tǒng)默認(rèn)模型,傳感器類型為雷達(dá)類型。航跡產(chǎn)生過程中,與數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)是相互獨(dú)立運(yùn)行,以固定的頻率給數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)傳送航跡點(diǎn)數(shù)據(jù),直到整個(gè)仿真結(jié)束。

仿真結(jié)果：此處仿真結(jié)果僅僅表示航跡的產(chǎn)生。通過擴(kuò)展STAGE與外部進(jìn)程的通信功能,利用VC應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收,數(shù)據(jù)融合,及顯示目標(biāo)航跡的過程。所以本文對(duì)UDP/IP通信過程的航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

通過STAGE軟件平臺(tái)的仿真之后,本文得到了數(shù)據(jù)融合算法所需要的目標(biāo)航跡,接著要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)在Visual C++6.0平臺(tái)上的程序設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)部分即傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生,數(shù)據(jù)融合,界面控制及顯示,數(shù)據(jù)庫管理。

傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生：仿真平臺(tái)接受到目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)航跡之后,然后其處理方法是加上隨機(jī)噪聲。

數(shù)據(jù)融合：現(xiàn)已形成了系統(tǒng)航跡,該功能將已新近研究出來的數(shù)據(jù)融合算法,通過平臺(tái)的用戶接口,經(jīng)過轉(zhuǎn)化及修改,調(diào)入該平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證和性能評(píng)估。因此,在建立融合算法框架模式之后,然后在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行算法擴(kuò)充,建立一個(gè)算法庫。各個(gè)算法按一定的組織存封裝在算法庫中,統(tǒng)一調(diào)度和管理。數(shù)據(jù)融合開始之前,仿真平臺(tái)先接到STAGE平臺(tái)的當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)航跡點(diǎn),然后定義算法所需要的矩陣,接著通過調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)初始化狀態(tài)向量,進(jìn)入循環(huán)判斷是否進(jìn)入算法融合階段,隨后通過同樣的調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)時(shí)刻更新傳感器測(cè)量值,最后經(jīng)過算法處理的狀態(tài)向量保存到數(shù)據(jù)庫中。用戶可以在主控模塊創(chuàng)建判斷是否進(jìn)行融合算法的標(biāo)志屬性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理,動(dòng)態(tài)顯示。

界面控制及顯示：主控模塊的設(shè)計(jì)思想基于對(duì)數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)框架結(jié)構(gòu),統(tǒng)一調(diào)度及管理。根據(jù)主控模塊程序設(shè)計(jì)流程圖,如圖4所示。

圖4 主控模塊程序流程圖

數(shù)據(jù)庫管理：動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)仿真過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)(包括目標(biāo)航跡方位距離、算法處理后的目標(biāo)估計(jì)值、航跡間的誤差值等等),通過該仿真平臺(tái)采用的數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)是ADO數(shù)據(jù)訪問機(jī)制及Access 2003。

3 實(shí)例分析

本文所舉的實(shí)例是關(guān)于IMMMHT算法的仿真。本次仿真周期150s,傳感器采樣周期是1s,傳感器類型選擇雷達(dá)類型,雷達(dá)掃描半徑為100km,雷達(dá)坐標(biāo)位置相對(duì)于融合中心位置(0,0)。仿真的航跡條數(shù)為2條,其航跡參數(shù)是：

目標(biāo)1航跡,初始位置坐標(biāo)(67 139.30,1 136.78),速度為300m/s;

目標(biāo)2航跡,初始位置坐標(biāo)(88 382.68,25 706.72),速度為200m/s。

當(dāng)STAGE平臺(tái)與數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái)相互通信之后,仿真平臺(tái)需要根據(jù)用戶航跡情況選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合算法,然后進(jìn)入數(shù)據(jù)融合階段,將上述的兩條標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)航跡加入系統(tǒng)噪聲,通過界面顯示系統(tǒng),顯示實(shí)時(shí)的融合航跡如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)融合航跡示意圖

在仿真平臺(tái)中,設(shè)置了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),以便用戶對(duì)融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為后續(xù)的性能評(píng)估工作做準(zhǔn)備。Visual C++6.0面對(duì)對(duì)象環(huán)境為用戶提供了友好的人機(jī)界面,易于用戶操作和擴(kuò)展。

4 結(jié)束語

從仿真效果來看,在該仿真平臺(tái)上用戶可以在STAGE平臺(tái)里自定義目標(biāo)飛行航跡、飛行參數(shù)、及目標(biāo)數(shù)目,自定義傳感器模型及性能,并且根據(jù)不同的仿真要求設(shè)置不同的融合算法,從而體現(xiàn)了該仿真平臺(tái)的通用性和實(shí)用性,對(duì)傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展有現(xiàn)實(shí)的意義。

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A Design of Multi-sensor Data Fusion Simulation Platform WANG Ying-ming,PENG Dong-liang

(Institute of Information and Control,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310018,China)

This paper presents the system’s concept about the design of amulti-sensor data fusion simulation p latform,and then develops a general and scalable data fusion simulation platform through structured analysis.Its main content includes：themixed programming technology of STAGE and Visual C++6.0,drawing the trajectories of targets,the data communication of UDP/IP protocol,and the construction about fusion algorithm for the software design and so on.For example,the simulated platform is proved versatility and practicability.

multi-sensor;data fusion;software design;simulation platform

TP212

A

1001-9146(2010)04-0204-05

2010-04-10

總裝備部武器預(yù)研基金項(xiàng)目(XXXXXXXX)

王益鳴(1984-),男,浙江溫州人,在讀研究生,數(shù)據(jù)融合仿真平臺(tái).