張艷艷 董普靠 高 恒

(西安電子工程研究所 710100)

1 引言

在雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)中，分布在不同平臺的不同類型、不同精度傳感器，由于其所在位置各不相同，選取的觀測坐標(biāo)系不一樣，加上傳感器的采樣頻率也有很大差別，因此，即使是對同一個目標(biāo)進(jìn)行觀測，各傳感器所得到的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)也會有很大的差別。所以，在進(jìn)行多傳感器信息融合時，首先要做的工作是把從不同平臺不同傳感器獲得的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時空對準(zhǔn)，即把從不同平臺不同傳感器獲得的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，并統(tǒng)一量測單位，在空間和時間上進(jìn)行統(tǒng)一［1］。為統(tǒng)一空間坐標(biāo)，需要將各雷達(dá)站上報給融合中心的目標(biāo)位置信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到以融合中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系中。為統(tǒng)一時間，各站及融合中心均以GPS授時信號或北斗授時信號為基準(zhǔn)，使信息系統(tǒng)內(nèi)所有的計算機(jī)保持時間同步，并且令觀測信息附帶時間標(biāo)示以便于時間對準(zhǔn)，但這樣做并不能保證各站所發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)在時間上的一致性，再加上信息傳輸過程中的時延，融合中心的目標(biāo)數(shù)據(jù)常常是不同步的［2］;另外，在多目標(biāo)的情況下，由于各雷達(dá)的數(shù)據(jù)流源于多個不同的目標(biāo)，即使各雷達(dá)的觀測時刻相同，也仍然需要時間對準(zhǔn)。只有當(dāng)各雷達(dá)在同一時刻所提供的是同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)，才能認(rèn)為時間對準(zhǔn)了［3］。故在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理之前必須先對其進(jìn)行空間校正和時間校正。

空間對準(zhǔn)和時間對準(zhǔn)技術(shù)是組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的預(yù)處理過程?？臻g對準(zhǔn)是通過選擇一個基準(zhǔn)坐標(biāo)系，把來自不同平臺的多傳感器數(shù)據(jù)都統(tǒng)一到該坐標(biāo)系下［1］。時間對準(zhǔn)通過外推和內(nèi)插等處理手段，將目標(biāo)觀測坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到融合中心的時間坐標(biāo)上來，或?qū)?shù)據(jù)的采樣周期調(diào)整到統(tǒng)一的時間尺度上。需要說明的是，本文所述空間對準(zhǔn)和時間對準(zhǔn)技術(shù)適用于分布式數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 空間對準(zhǔn)技術(shù)

空間對準(zhǔn)中涉及的參考坐標(biāo)系較多，相互之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜，為此，必須首先明確有關(guān)坐標(biāo)系的建立及它們之間的相互關(guān)系。

2.1 坐標(biāo)系［4］

地心大地坐標(biāo)系:地球橢球中心與地球質(zhì)心O重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸相吻合，大地緯度φ為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角;大地經(jīng)度J 為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角;大地高H 為地面點(diǎn)沿橢球法線到橢球面的高度;如圖1 所示。任意一目標(biāo)點(diǎn)P 在地心大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可表示為P(φ，J，H)。GPS 測量系統(tǒng)給出的位置坐標(biāo)值使用此坐標(biāo)系。

圖1 地心空間直角坐標(biāo)系與地心大地坐標(biāo)系

地心空間直角坐標(biāo)系:在參考橢球體內(nèi)建立的坐標(biāo)系Oxyz，它的原點(diǎn)在橢球中心O，z 軸與橢球短軸重合，x 軸與橢球赤道面和起始大地子午面的交線重合，y 軸與xz 平面正交，指向東方。x、y、z 軸構(gòu)成右手系，點(diǎn)p 的地心直角坐標(biāo)系用(x，y，z)表示，見圖1。

雷達(dá)直角坐標(biāo)系:以雷達(dá)天線回轉(zhuǎn)中心(天線基座平面內(nèi))為原點(diǎn)OR;建立地理直角坐標(biāo)系ORXRYRZR，XR軸沿OR所在經(jīng)度線指北，YR軸沿OR所在緯度線指東，垂直于天線基座平面向上為ZR軸正方向，構(gòu)成左手坐標(biāo)系，如圖2 所示，任意一目標(biāo)點(diǎn)T 在雷達(dá)直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為T(xR，yR，zR)。需要說明的是本文所采用的雷達(dá)坐標(biāo)系為左手直角坐標(biāo)系。

雷達(dá)球坐標(biāo)系:如圖2 所示，假設(shè)任意目標(biāo)點(diǎn)為T，以雷達(dá)天線回轉(zhuǎn)中心(天線基座平面內(nèi))為原點(diǎn)OR(即以雷達(dá)直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)為原點(diǎn));ORT 在XRORYR平面上的投影與雷達(dá)直角坐標(biāo)系的XR軸的夾角αR為方位角(順時針方向?yàn)檎?;ORT 與XRORYR平面的夾角βR為俯仰角(向上為正);目標(biāo)點(diǎn)T 與原點(diǎn)OR的徑向長度為距離RR;任意一目標(biāo)點(diǎn)T 在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可表示為T(RR，αR，βR)。雷達(dá)直接測得目標(biāo)位置信息為雷達(dá)球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

圖2 雷達(dá)坐標(biāo)系

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

空間對準(zhǔn)在地心空間直角坐標(biāo)系中進(jìn)行，首先獲得雷達(dá)站在地心大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，將雷達(dá)站所觀測數(shù)據(jù)由球坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換為該雷達(dá)站為中心的直角坐標(biāo)系下，再借助地心空間直角坐標(biāo)系進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到融合中心直角坐標(biāo)系下，從而完成所需的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

各雷達(dá)站利用GPS 測量儀獲取本站的位置信息，包括大地經(jīng)緯度高(φ0，J0，H0)，融合中心的位置信息為(φ1，J1，H1)，利用地心大地坐標(biāo)系和地心空間直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換獲得雷達(dá)站的地心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(x0，y0，z0)，具體變換如公式(1)所示。

其中，N 為所選定的地球橢球體的卯酉圈曲率半徑，且

a 為地球長半徑，a=6378137m;e 為橢球第一偏心率，e2=0.00669437999013 。

各雷達(dá)站觀測的目標(biāo)坐標(biāo)為球坐標(biāo)(obj_radar_R，obj_radar_A，obj_radar_E)，該坐標(biāo)值可直接轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)(obj_radar_x，obj_ radar_y，obj_ radar_z)，接著通過在地心空間直角坐標(biāo)系的變換，獲得目標(biāo)在地心空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值(obj_earth_x，obj_earth_y，obj_earth_z)，具體轉(zhuǎn)換:

同理，利用融合中心的經(jīng)緯高位置信息可獲得融合中心的地心空間直角坐標(biāo)(x1，y1，z1)，接著將目標(biāo)在地心空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換至融合中心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，具體變換如公式(4)所示。

至此，已經(jīng)完成了不同雷達(dá)站觀測數(shù)據(jù)到融合中心的坐標(biāo)變換，即完成了數(shù)據(jù)的空間對準(zhǔn)。

3 時間對準(zhǔn)技術(shù)

時間對準(zhǔn)是指在某一時間片內(nèi)，對各傳感器采集的該時間片內(nèi)的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插或外推，使其對準(zhǔn)到同一時間點(diǎn)上，也就是進(jìn)行時間的對齊處理。本文提出的權(quán)值自適應(yīng)時間對準(zhǔn)技術(shù)采用插值同航跡外推相結(jié)合的方法，通過相應(yīng)計算獲得融合中心系統(tǒng)航跡濾波估計同各站局部航跡的統(tǒng)計距離，然后根據(jù)統(tǒng)計距離的大小自適應(yīng)獲得各自的權(quán)值，并以該權(quán)值作為時間對準(zhǔn)的依據(jù)。該方法同系統(tǒng)形成閉環(huán)處理，具有較高的精度;同時該方法具有較好的實(shí)時性，能在各雷達(dá)站目標(biāo)數(shù)據(jù)信息到達(dá)融合中心后及時進(jìn)行時間對準(zhǔn)，為后期目標(biāo)合并、目標(biāo)關(guān)聯(lián)、跟蹤、特征提取提供對準(zhǔn)后的目標(biāo)信息。權(quán)值自適應(yīng)時間對準(zhǔn)技術(shù)包括初步時間對準(zhǔn)和二次時間對準(zhǔn)。

3.1 初步時間對準(zhǔn)

在組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)中，各雷達(dá)天線掃描周期可能不相同，致使各雷達(dá)輸出至數(shù)據(jù)融合中心的局部航跡的頻率不一致，此時如何選取數(shù)據(jù)融合的處理周期至關(guān)重要，周期太小，導(dǎo)致掃描周期大的雷達(dá)所觀測的數(shù)據(jù)不能及時到達(dá)融合中心，從而降低融合精度，周期太大，融合中心發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的速率又太慢。

本文所述數(shù)據(jù)融合技術(shù)在綜合考慮以上因素的前提下以組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)某一指定雷達(dá)天線掃描周期作為處理周期的。由于數(shù)據(jù)融合處理按照方位區(qū)的先后順序進(jìn)行的，初步時間對準(zhǔn)也按方位區(qū)先后順序進(jìn)行，用于完成局部航跡和系統(tǒng)航跡的初次配對，具體流程圖如圖3 所示。在融合處理進(jìn)行到當(dāng)前方位區(qū)的時候，對于該方位區(qū)的局部航跡，如果該方位區(qū)內(nèi)系統(tǒng)航跡未建立，則建立系統(tǒng)航跡;如果系統(tǒng)航跡已建立，就把當(dāng)前方位區(qū)的系統(tǒng)航跡預(yù)測到當(dāng)前局部航跡的時刻，預(yù)測公式如下:

其中，F(xiàn) 是單位矩陣;Tdyn是航跡預(yù)測時間，即為局部航跡的時間和系統(tǒng)航跡時間的差值;

圖3 初步時間對準(zhǔn)流程圖

在系統(tǒng)航跡和局部航跡關(guān)聯(lián)前，確定一閾值數(shù)值M，該值與目標(biāo)的機(jī)動性有關(guān)，機(jī)動性越高，M 越大，反之越小。由于系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián)的局部航跡不止一條，需要在閾值M 內(nèi)進(jìn)行更小的劃分，即進(jìn)行多級波門的劃定，根據(jù)此波門確定自適應(yīng)時間對準(zhǔn)的權(quán)值。

系統(tǒng)航跡預(yù)測后，計算系統(tǒng)航跡的外推位置和局部航跡當(dāng)前位置之間的歐氏距離，將該歐氏距離與事先確定的閾值M 相比較，若該歐氏距離大于M，說明該局部航跡和系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián)失敗，否則歐氏距離小于M，說明該局部航跡和系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián)成功;記錄關(guān)聯(lián)成功局部航跡批號和關(guān)聯(lián)波門號，等待后續(xù)處理。

在查找完本方位區(qū)所有的局部航跡后，若只有一個歐氏距離小于M，則說明本次融合過程有一條局部航跡和系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián);若有多個歐氏距離小于M，則說明有多條局部航跡和系統(tǒng)航跡關(guān)聯(lián)。

3.2 二次時間對準(zhǔn)

二次時間對準(zhǔn)在初次時間對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，主要完成精確配對。二次對準(zhǔn)是在初次時間對準(zhǔn)工作滯后幾個方位區(qū)進(jìn)行的，此時已經(jīng)查找完在本次融合過程中所有和系統(tǒng)航跡相關(guān)的局部航跡。當(dāng)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行到當(dāng)前方位區(qū)時，首先，查找和該系統(tǒng)航跡相關(guān)的局部航跡的批號及相關(guān)的波門值，接著查找該局部航跡，并把局部航跡按照局部航跡本身的速度預(yù)測到當(dāng)前時刻;如果有多條局部航跡和系統(tǒng)航跡相關(guān)，則查找到所有的相關(guān)局部航跡，并進(jìn)行預(yù)測。最后再根據(jù)各局部航跡的波門門限進(jìn)行權(quán)值自適應(yīng)融合處理，融合采用的是線性加權(quán)求平均的方法，具體公式如下:

其中，S 為經(jīng)過融合后的點(diǎn)跡的距離、方位或俯仰值，Si為各局部航跡的距離、方位或俯仰值，Ki為局部航跡圈入波門的波門系數(shù)。

這里所介紹的時間對準(zhǔn)方法在完成時間對準(zhǔn)的同時，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)航跡和局部航跡的相關(guān)，從而為后續(xù)的多站多目標(biāo)跟蹤奠定基礎(chǔ)。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)的分析

對某三部雷達(dá)A、B 和C 的實(shí)測數(shù)據(jù)先經(jīng)過空間對準(zhǔn)，接著采用基于自適應(yīng)權(quán)值的時間對準(zhǔn)算法，最后進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)融合處理，處理的分析結(jié)果見下表1。

表1 利用權(quán)值自適應(yīng)時間對準(zhǔn)技術(shù)的數(shù)據(jù)融合精度分析

表中給出了單雷達(dá)站和采用本文提出的時空對準(zhǔn)算法融合處理后目標(biāo)航跡的距離、方位和俯仰精度，結(jié)果表明，經(jīng)過空間對準(zhǔn)和權(quán)值自適應(yīng)時間對準(zhǔn)后，目標(biāo)航跡的距離、方位和俯仰精度均高于單部站的雷達(dá)精度。在完成空間對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)權(quán)值時間對準(zhǔn)算法能夠較好地實(shí)現(xiàn)對來自不同雷達(dá)站的局部航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行時間對準(zhǔn)，并且能提高航跡的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)束語

對各雷達(dá)站數(shù)據(jù)進(jìn)行時空對準(zhǔn)是雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的前提。文中分別對各雷達(dá)站數(shù)據(jù)進(jìn)行空間對準(zhǔn)和時間對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了各雷達(dá)提供的觀測數(shù)據(jù)空間和時間上的統(tǒng)一，較好地解決了組網(wǎng)雷達(dá)中數(shù)據(jù)的時空不同步問題。該方法為組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)一步融合處理打下良好的基礎(chǔ)，可在實(shí)際工作中推廣應(yīng)用。

［1］林華.多傳感器數(shù)據(jù)融合中的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2002 (3) ：33-35.

［2］陳嫣，多平臺多傳感器數(shù)據(jù)融合中的時間一致［J］，火力與指揮控制，2007，11(32) ：71-73.

［3］嚴(yán)朝譯.系統(tǒng)誤差校正中的時間對準(zhǔn)問題研究［J］.電子對抗技術(shù)，2003，12(2) ：13-17.

［4］徐紹銓，吳祖仰，大地測量學(xué)［M］.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1996.