趙　航,姚　遠(yuǎn),崔威威,丁　春

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

VTS導(dǎo)航雷達(dá)中抑制遠(yuǎn)距離隨機(jī)誤差的高精度靜態(tài)目標(biāo)跟蹤方法

趙航1,姚遠(yuǎn)2,崔威威2,丁春2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

摘要：在VTS系統(tǒng)的應(yīng)用中需要對(duì)錨區(qū)內(nèi)停泊的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)管。在港口或碼頭的水域內(nèi),錨區(qū)通常位于監(jiān)管區(qū)域的遠(yuǎn)端,雷達(dá)方位上的隨機(jī)誤差在傳遞到直角坐標(biāo)時(shí)會(huì)使目標(biāo)點(diǎn)跡在雷達(dá)站的切向方位上呈現(xiàn)搖擺的特點(diǎn),并且錨區(qū)內(nèi)的目標(biāo)通常比較密集,所以VTS系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)航雷達(dá)在跟蹤遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)時(shí)會(huì)面臨較大的困難。本文利用點(diǎn)跡雜波圖生成雷達(dá)監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì),然后將靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì)和目標(biāo)航跡分布進(jìn)行關(guān)聯(lián),并利用靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì)的位置信息對(duì)目標(biāo)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,以提高對(duì)遠(yuǎn)距離靜態(tài)目標(biāo)的跟蹤精度。

關(guān)鍵詞:VTS；點(diǎn)跡雜波圖；靜態(tài)目標(biāo)

0引言

錨區(qū)是在VTS系統(tǒng)監(jiān)管水域中根據(jù)水深、地質(zhì)、避風(fēng)等條件選定的、專供船只拋錨停泊及船隊(duì)編組的地點(diǎn)。為了實(shí)時(shí)了解錨區(qū)內(nèi)錨位上目標(biāo)?？康臓顟B(tài),VTS系統(tǒng)需要對(duì)該類?？康哪繕?biāo)進(jìn)行監(jiān)控。由于目標(biāo)在停靠狀態(tài)下船上的AIS信息上報(bào)的數(shù)據(jù)率較低或者AIS設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài),無法及時(shí)反映目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),所以對(duì)于該類目標(biāo),VTS系統(tǒng)無法利用AIS信息來管理目標(biāo),只能依靠雷達(dá)跟蹤來實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)管。錨區(qū)一般位于VTS系統(tǒng)監(jiān)管水域的遠(yuǎn)端。雷達(dá)方位上的隨機(jī)誤差在傳遞到直角坐標(biāo)時(shí)會(huì)使目標(biāo)點(diǎn)跡在雷達(dá)站的切向方位上呈現(xiàn)搖擺的特點(diǎn),并且錨區(qū)內(nèi)的目標(biāo)通常相對(duì)比較密集,所以VTS系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)航雷達(dá)在跟蹤遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)時(shí)會(huì)面臨較大的困難。

本文利用點(diǎn)跡雜波圖生成雷達(dá)監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì),然后將靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì)和目標(biāo)航跡分布進(jìn)行關(guān)聯(lián)[1],并利用靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì)的位置信息對(duì)目標(biāo)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,以提高對(duì)遠(yuǎn)距離靜態(tài)目標(biāo)的跟蹤精度。

1態(tài)勢(shì)和目標(biāo)分布關(guān)聯(lián)技術(shù)

利用點(diǎn)跡雜波圖的結(jié)果對(duì)雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行靜態(tài)篩選,挑選出每個(gè)掃描周期內(nèi)屬于靜態(tài)目標(biāo)的點(diǎn)跡,生成靜態(tài)目標(biāo)的分布態(tài)勢(shì),然后將雷達(dá)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)與靜態(tài)目標(biāo)的分布態(tài)勢(shì)作相關(guān)處理,生成航跡與態(tài)勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。態(tài)勢(shì)和目標(biāo)分布關(guān)聯(lián)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑如下:

(1) 點(diǎn)跡雜波圖生成靜態(tài)目標(biāo)分布態(tài)勢(shì)

點(diǎn)跡雜波圖的基本理論為把在兩次或兩次以上相繼掃描中的點(diǎn)跡位移與已登記的雜波圖點(diǎn)的第一次位置(已測(cè)得)為中心的波門相比較。對(duì)雜波點(diǎn)或緩慢移動(dòng)的目標(biāo)來說,多次掃描中相繼進(jìn)入的回波會(huì)保留在波門中,但對(duì)于快速目標(biāo)來說只有少數(shù)幾次掃描回波仍保留在波門中。點(diǎn)跡雜波圖可以給出雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)固定雜波的位置信息。

把點(diǎn)跡雜波圖篩選出來的每一個(gè)雷達(dá)周期的靜態(tài)目標(biāo)點(diǎn)跡建立成為一個(gè)目標(biāo)集合:

其中nA為點(diǎn)跡雜波圖篩選出來的靜態(tài)目標(biāo)個(gè)數(shù)。

對(duì)于篩選出來的靜態(tài)目標(biāo)的相對(duì)拓?fù)湫畔?當(dāng)前選中的目標(biāo)與其他目標(biāo)之問的相對(duì)距離及與其他各目標(biāo)連線相對(duì)于正北方向的夾角不會(huì)受到隨機(jī)誤差的影響,因而可以根據(jù)這些目標(biāo)之間的拓?fù)湫畔⒘慷x該目標(biāo)相對(duì)拓?fù)湎蛄縖2]。

以當(dāng)前選中的目標(biāo)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系,沿順時(shí)針方向劃分為M個(gè)象限,其他目標(biāo)按照相對(duì)當(dāng)前選中的目標(biāo)的位置關(guān)系落入各象限內(nèi)。將落入每一象限內(nèi)的各目標(biāo)與當(dāng)前選中的目標(biāo)間的歐氏距離分別求和,作為該象限的相對(duì)拓?fù)浞至俊?/p>

假設(shè)某一時(shí)刻,篩選出來的6個(gè)靜態(tài)目標(biāo)分布如圖1所示,極坐標(biāo)系以目標(biāo)3為原點(diǎn),沿順時(shí)針方向劃分為8個(gè)象限,則以目標(biāo)3為極坐標(biāo)系原點(diǎn)所建立的拓?fù)湎蛄慷x為

其中,拓?fù)湎蛄康木S數(shù)與極坐標(biāo)劃分的象限個(gè)數(shù)一致,ρ表示目標(biāo)之間的歐氏距離。

將篩選出來的靜態(tài)目標(biāo)依次計(jì)算各自的拓?fù)湎蛄?則靜態(tài)目標(biāo)與各自的拓?fù)湎蛄考辖M成了靜態(tài)目標(biāo)分布態(tài)勢(shì)。

圖1　拓?fù)湎蛄可墒疽鈭D

(2) 航跡數(shù)據(jù)生成目標(biāo)分布

航跡數(shù)據(jù)生成的目標(biāo)分布與點(diǎn)跡雜波圖生成靜態(tài)目標(biāo)分布態(tài)勢(shì)的過程類似。為了減少計(jì)算量和降低相關(guān)處理的計(jì)算復(fù)雜度,先根據(jù)航跡數(shù)據(jù)中的速度信息完成航跡數(shù)據(jù)的篩選,把慢速(2～3 kn以下)目標(biāo)篩選出來用于生成目標(biāo)分布。

將篩選出來的慢速目標(biāo)依次計(jì)算各自的拓?fù)湎蛄?則篩選出來的慢速目標(biāo)與各自的拓?fù)湎蛄考仙闪撕桔E數(shù)據(jù)的目標(biāo)分布。

(3) 航跡與態(tài)勢(shì)的相關(guān)處理

對(duì)k時(shí)刻點(diǎn)跡雜波圖篩選出來的m個(gè)靜態(tài)目標(biāo)和航跡數(shù)據(jù)篩選出來的n個(gè)慢速目標(biāo)可以構(gòu)建以下的模糊關(guān)聯(lián)矩陣。

其中fij(k)表示第i個(gè)靜態(tài)目標(biāo)與第j個(gè)慢速目標(biāo)的拓?fù)湎蛄恐g的相關(guān)系數(shù)大小。航跡與態(tài)勢(shì)的相關(guān)判別采用雙門限準(zhǔn)則[3],選取正整數(shù)I和R,k=1,2,…,R。若目標(biāo)i,j關(guān)聯(lián)成功,則設(shè)定mij(k)=mij(k-1)+1,mij(0)=0,且Dij′(k)=Dij′(k-1)+1,j′≠j,Di,j(k)=Di′,j(k-1)+1,i′,≠i。否則置F(k)中所有元素對(duì)應(yīng)的Dij(k)=Dij(k-1)+1。其中,mij(k)和Dij(k)分別定義為航跡對(duì)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)和脫離質(zhì)量。在每次計(jì)算fij(k)之前,需要判斷若Dij(k-1)>R-I,則fij(k)=0。若在R次對(duì)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)后,有mij(R)≥I,則認(rèn)為航跡i與j形成固定關(guān)聯(lián),并停止對(duì)它們進(jìn)行后續(xù)的關(guān)聯(lián)檢驗(yàn),認(rèn)定第i個(gè)靜態(tài)目標(biāo)與第j個(gè)慢速目標(biāo)相關(guān)。

2靜態(tài)目標(biāo)高精度跟蹤技術(shù)

在完成了點(diǎn)跡雜波圖篩選出來的m個(gè)靜態(tài)目標(biāo)和航跡數(shù)據(jù)篩選出來的n個(gè)慢速目標(biāo)的相關(guān)處理之后,根據(jù)相關(guān)的結(jié)果可以獲取慢速航跡與靜態(tài)目標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于點(diǎn)跡雜波圖在維護(hù)過程中采用的是一種類似于掃描周期間反饋的方式,可以有效抑制由于隨機(jī)誤差帶來的點(diǎn)跡搖擺特性。當(dāng)慢速目標(biāo)與點(diǎn)跡雜波圖篩選出的靜態(tài)目標(biāo)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系后,將慢速目標(biāo)在每個(gè)雷達(dá)掃描周期內(nèi)的有效關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡由點(diǎn)跡雜波圖作過掃描周期間反饋后的點(diǎn)跡替代。

周期間反饋式積累的公式為

對(duì)成功相關(guān)的靜態(tài)或者慢速目標(biāo)凝聚的雷達(dá)點(diǎn)跡作周期間反饋式積累,可以有效地改善由于隨機(jī)誤差所帶來的影響,提高雷達(dá)凝聚點(diǎn)跡的位置精度。

當(dāng)目標(biāo)從錨區(qū)內(nèi)的泊位上解纜起錨時(shí),并當(dāng)目標(biāo)移出點(diǎn)跡雜波圖維護(hù)的關(guān)聯(lián)范圍后,則該位置的點(diǎn)跡雜波圖就無法繼續(xù)更新。當(dāng)慢速目標(biāo)無法找到相應(yīng)作過滑窗積累的點(diǎn)跡雜波圖點(diǎn)跡時(shí),就自動(dòng)使用其自身關(guān)聯(lián)到的雷達(dá)點(diǎn)跡。所以,以上提及的相應(yīng)技術(shù)既能保證靜態(tài)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤,又可以及時(shí)響應(yīng)目標(biāo)由靜轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。

3工程應(yīng)用效果

在連云港VTS項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的測(cè)試中,選中距離雷達(dá)12km左右的浮標(biāo)作為靜態(tài)測(cè)試的目標(biāo)。將DGPS放置在浮標(biāo)上用來采集靜態(tài)目標(biāo)的真值。圖2、圖3所示為雷達(dá)點(diǎn)跡和雷達(dá)跟蹤生成的航跡效果圖,圖中實(shí)心圓點(diǎn)表示雷達(dá)凝聚的目標(biāo)點(diǎn)跡,空心圓圈表示雷達(dá)跟蹤生成的航跡。

根據(jù)DGPS采集的真值計(jì)算采用穩(wěn)定跟蹤技術(shù)前后,靜態(tài)目標(biāo)跟蹤精度,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1

方位精度(°)距離精度(m)穩(wěn)定跟蹤技術(shù)0.02369.255非穩(wěn)定跟蹤技術(shù)0.043514.238

4結(jié)束語

為了解決雷達(dá)隨機(jī)誤差在遠(yuǎn)距離上對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡在雷達(dá)站切向方位上帶來的影響,本文利用點(diǎn)跡雜波圖生成雷達(dá)監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì),然后將靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢(shì)和目標(biāo)航跡分布進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離靜態(tài)目標(biāo)的高精度跟蹤,并且附加說明了該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)靜態(tài)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的同時(shí)不會(huì)影響對(duì)目標(biāo)由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)時(shí)的跟蹤性能。文中提及相應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到了海事VTS的多個(gè)系統(tǒng)中,并通過了連云港、靖江VTS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。

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[1]何友,王國(guó)宏,陸大金,等.多傳感器信息融合及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

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A high-precision static target tracking method of suppressing

remote random errors for VTS navigation radar

ZHAO Hang1, YAO Yuan2, CUI Wei-wei2, DING Chun2

(1.Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The targets berthed in the anchorage area are required to be supervised in the application of the VTS system. The anchorage area is usually located in the remote area of the supervision zone in the waters of the harbor or the dock. When the random errors in radar azimuth are sent to the rectangular coordinates, the plot swing shall occur in the tangential direction at the radar station. Usually, the targets in the anchorage area are very dense. Therefore, the navigation radar in the VTS system is faced with a difficult problem in tracking the static targets in the remote area. The static target situation in the supervision zone is generated by utilizing the plot clutter map, and then the static target situation and the target track distribution are correlated. Moreover, the correlated target data are corrected according to the location information of the static target situation to improve the tracking precision of the static targets.

Keywords:VTS; plot clutter map; static target

中圖分類號(hào):TN957.51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2015)04-0015-03

作者簡(jiǎn)介:趙航(1989-),男,助理工程師,研究方向:雷達(dá)工程；姚遠(yuǎn)(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；崔威威(1987-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；丁春(1983-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2015-05-30;修回日期:2015-06-10