田 健 李修和 賀 平

(電子工程學院305教研室 合肥 230037)

1 引言

航跡起始是多目標跟蹤領(lǐng)域中的首要問題,由于航跡起始時,目標一般距雷達站很遠,傳感器探測分辨力低,測量精度差,加之真假目標的出現(xiàn)無真正的統(tǒng)計規(guī)律,因此多目標航跡起始問題就顯得非常復雜[1]。關(guān)于航跡起始問題,目前已經(jīng)積累了眾多的研究,多是基于有源定位跟蹤系統(tǒng)的單傳感器的情況,對密集雜波條件下和強電磁干擾等復雜電磁環(huán)境下多傳感器尤其是有源與無源結(jié)合的定位跟蹤系統(tǒng)的航跡起始問題的研究很少。

組網(wǎng)雷達系統(tǒng)由組網(wǎng)雷達、計算機、通訊設備、控制設備等組成,這是一種典型的多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng),該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多部雷達的探測數(shù)據(jù)進行融合處理,所得數(shù)據(jù)比任何一部雷達對目標測量的精度更高、評估更全面準確,從而實現(xiàn)對目標的精確定位、跟蹤、識別、態(tài)勢和威脅估計。

本文提出了一種在復雜電磁環(huán)境下,集中式組網(wǎng)雷達如何充分發(fā)揮多雷達(有源雷達,無源雷達)信息的優(yōu)勢的航跡起始算法。該方法的基本思想如下:首先根據(jù)雷達網(wǎng)中的各有源雷達對目標進行主動掃描觀測,然后利用邏輯法對掃描得到的量測建立波門,對后續(xù)量測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián),最后確認航跡。在整個過程中如果遇到電子干擾或反輻射導彈摧毀致使雷達數(shù)據(jù)缺失不能正常處理,這時就利用雷達網(wǎng)中的兩個或多個無源雷達,先測得目標的方位角,然后再將目標的方位角數(shù)據(jù)建立方位航跡。通過換算進而獲得坐標位置,協(xié)同有源雷達測的數(shù)據(jù)進行航跡起始[2]。

2 系統(tǒng)描述

本文所述的組網(wǎng)雷達系統(tǒng)是在有源組網(wǎng)雷達系統(tǒng)中輔以無源雷達目標定位跟蹤系統(tǒng)。相比基于純粹的有源定位跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)在航跡處理方面有以下特點[2,4]:

1)抗電子干擾能力較強。當有源雷達遇到強電磁干擾時會缺失目標的掃描數(shù)據(jù),不能正確的進行航跡起始。無源雷達卻受到干擾影響很小,可以對目標繼續(xù)探測。

2)具有探測隱身飛機的潛力。系統(tǒng)中的無源雷達可以利用敵隱身飛機自身輻射的信號進行探測。

3)低空探測能力較強,探測距離較遠。無源雷達不存在強地雜波、海雜波干擾的問題,低空探測能力較強;而且其直接接收目標信號,電磁波單程傳播,所以探測距離較遠。相比有源雷達,無源雷達在敵機起飛階段就對其進行航跡起始很有優(yōu)勢。

在該系統(tǒng)中,由有源雷達和無源雷達適當布站,并用通信手段鏈接成網(wǎng),由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成的一個有機整體。系統(tǒng)對各雷達站獲取的目標數(shù)據(jù)采用集中式系統(tǒng)的處理方式,這樣融合中心可以充分利用各雷達的信息進行處理,跟蹤精度較高。工作時,首先利用有源雷達主動掃描,將得到目標的量測數(shù)據(jù)由中心站用基于一步延遲的航跡起始法產(chǎn)生目標的起始航跡。當遇到電子干擾或反輻射導彈摧毀致使有源雷達數(shù)據(jù)缺失不能正常進行航跡起始時,由中心站控制該系統(tǒng)中的兩部或兩部以上的無源雷達探測目標,用其探測到的目標方位信息產(chǎn)生方位航跡,推算出目標的方位坐標值,再由中心站產(chǎn)生目標的起始航跡。

考慮二維平面內(nèi)目標運動情況,目標狀態(tài)方程為[3]:

量測方程為:

其中,H(k)為量測矩陣,

X(k)為目標的狀態(tài)向量,量測噪聲w(k)是獨立零均值的高斯隨機過程,具有協(xié)方差矩陣R(k)。

3 算法描述

1)在有源雷達獲得目標數(shù)據(jù)后采用一種基于一步延遲的航跡起始方法[5～6]進行對目標的航跡起始。目標航跡l對應的量測序列用{zρ(l,1)(1),zρ(l,2)(2),…,zρ(l,M)(M)}來表示,這里 ρ(l,k)表示 k時刻與目標航跡l對應的量測編號。

(1)建立初始航跡

為初始時刻k接收到的每一個量測建立初始航跡起點,若對于目標的速度有一個粗略的估計,設其最大值為Vmax,最小值為Vmin,設傳感器采用周期恒定的掃描方式,其掃描周期為 T,則以起點為圓心,分別以VminT和VmaxT為半徑形成k+1時刻的確認區(qū)域,從而建立若干初始航跡。

(2)兩步外推

如圖1所示,對于k+1時刻的候選目標航跡a,進行一階多項式外推,形成k+2時刻相應于此條初始航跡的確認區(qū)域,其中b為預報量測位置,b1,b2為該確認區(qū)域中的量測;分別利用b1,b2進行二階多項式外推,獲得k+3時刻的量測確認區(qū)域(預報量測位置分別為c和d)。

圖1 一步延遲候選目標航跡擴展

(3)計算累積新息

對于量測確認區(qū)域中的每一個量測組合l,{zρ(l,k+2)(k+2),zρ(l,k+3)(k+3)},圖 1 中為(b1,c1),(b2,d1),(b2,d2)。

定義

其中,ρ(l,k+2)表示 k+2時刻與量測組合 l對應的量測編號;?xl(i)為通過多項式擬合得到的與量測組合l對應的目標狀態(tài)估值。

式(5)中我們?nèi)(l)最小值所對應的量測組合作為k+1時刻航跡a擴展的量測。則從k+1時刻候選目標航跡a出發(fā)的航跡得到了唯一的擴展l*,然后對這條航跡進行除去第一步建立航跡的循環(huán),直至滿足航跡起始需要。

2)如果遇到電子干擾或反輻射導彈摧毀致使雷達數(shù)據(jù)缺失不能正常處理時,就調(diào)用經(jīng)無源雷達處理得出的數(shù)據(jù)。利用無源雷達進行目標的坐標定位,定位一組或多組目標的坐標。

(1)以某個被動雷達初始時刻所測的方位角集中的每一個方位角測量值為中心建立初始方位波門,

式中,Vm為目標的最大運動速度,Vo為被動雷達載體的最大運動速度,Dmin為感興趣探測區(qū)域的最小距離,T為時間間隔,σθ為被動雷達方位測量誤差的標準差,Zi為第i次采樣方位角測量集合。

(2)若第二次采樣周期中錄取的目標方位角測量值落入相應的初始波門內(nèi),此時可分為以下兩種情況:

當初始波門內(nèi)只有一個回波時,則判定該回波所對應的方位角測量值與波門中心所對應的方位角屬于同一個目標,由這兩個方位角測量值建立可能的方位航跡;

當初始波門內(nèi)有多個回波時,則取其統(tǒng)計距離最近的回波為相關(guān)點跡,該點跡所對應的方位角測量值與波門中心所對應的方位角測量值屬于同一個目標,并建立可能的方位航跡;而無方位角測量值落入的初始方位波門,則認為是虛假測量,予以取消;對上述每個方位航跡進行狀態(tài)外推,并以外推點為中心建立后續(xù)波門,

(3)若下一時刻掃描所測得的點跡落入相應的后續(xù)波門內(nèi),則取落入后續(xù)波門內(nèi)離外推點最近的予以相關(guān),并進行狀態(tài)外推,繼續(xù)進行判斷。若沒有點跡落入后續(xù)波門內(nèi),則該點的測量值以0代替,同時進行狀態(tài)外推。并以外椎點為中心建立加大的后續(xù)波門,

(4)若下一時刻所測得的點跡都落在加大的后續(xù)波門外,則認為該航跡是虛假航跡予以取消。否則,重復步驟(3)繼續(xù)進行判斷,直到滿足準則為止。

然后用測得的數(shù)據(jù)對目標進行定位。設?θ1和?θ2分別為兩個被動雷達某個時刻所測的目標方位角,經(jīng)過簡單的運算求得目標位置坐標的估計值為

(xs1,ys1)和(xs2,ys2)分別為兩個被動雷達自身所在的位置。將目標位置坐標的估計值傳至有源雷達進行補充,使之有效的進行航跡起始。

4 計算機仿真與分析

為了測試文中所給方法的有效性,我們利用Matlab軟件進行了數(shù)字仿真。

1)假設兩部無源雷達組網(wǎng)探測5個目標在XY平面的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)作勻速直線運動。初始位置為(15000,95000),(25000,75000),(35000,55000),(25000,35000),(15000,15000)。由于在航跡起始階段,目標的機動性很小,因此認為5個目標做近似勻速直線運動,速度均為vx=500m/s,vy=0m/s。同時假定雷達的采樣周期均為 T=5s,測向誤差分別為σθ=0.3°。無源雷達每次接收到的雜波個數(shù)按照泊松分布確定,即給定參數(shù)λ,首先產(chǎn)生(0,1)區(qū)間上均勻分布產(chǎn)生的隨機數(shù)r,然后由下式

確定出J,則J就是要產(chǎn)生的雜波個數(shù)。

取λ=40,σθ=0.3°時,在連續(xù)四個掃描周期無源雷達經(jīng)過對測得數(shù)據(jù)處理如圖2、3所示,其中:“○”代表目標的測量方位角度值,“+”代表雜波點,“●”代表建立方位航跡起始后的目標方位角度。從圖3可看出對目標方位角的航跡起始完全可以滿足需要,結(jié)合組網(wǎng)雷達中另一部雷達測的目標方位角計算出目標的坐標值,然后將數(shù)據(jù)交給有源雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2)假設三部兩坐標有源雷達組網(wǎng)同時跟蹤5個目標,同時假定雷達的采樣周期均為T=5,各雷達的測向誤差和測距誤差相同,分別為σθ=0.3°和σr=40m。3部雷達每個周期的雜波個數(shù)按照式(11)確定出。

取λ=40時,在連續(xù)四個掃描周期3部雷達經(jīng)過點跡壓縮合并后的雜波點與真實點的態(tài)勢如圖4所示,其中:“○”代表真實的測量航跡點,*代表第一次掃描時的雜波點,“□”代表第二次掃描時的雜波點,“+”代表第三次掃描時的雜波點,“●”代表第四次掃描時的雜波點。

圖6 被部分干擾后的航跡起始圖

上述算法綜合利用了多部雷達量測信息,采用基于一步延遲的方法得到航跡起始如圖5,從圖5可以看出該算法密集雜波條件下能快速有效地建立航跡。但是當有兩批目標的回波部分被強電磁波干擾,中心站得不到真實數(shù)據(jù),于是得到航跡起始如圖6所示,很明顯失去了兩批目標的航跡,這時就需要用無源雷達測的數(shù)據(jù)協(xié)同進行目標航跡起始。而從圖3看出在密集雜波條件下無源雷達能對目標方位角進行有效的測量,可以對有源雷達的殘缺數(shù)據(jù)進行補充。

5 結(jié)語

本文提出了一種復雜電磁環(huán)境下集中式組網(wǎng)雷達的航跡起始方法。該方法將有源雷達與無源雷達協(xié)同使用,綜合利用了多部雷達量測信息,采用一步延遲的航跡起始方法,可以快速有效地起始航跡。對于觀測噪聲較大甚至強干擾導致缺少量測信息的情況,能夠利用無源雷達所接收處理的信息有效補充,建立航跡,并且虛假航跡數(shù)較少。能適應復雜環(huán)境的變化,有很好的應用前景。

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