張富強(qiáng)

(解放軍91404部隊(duì),河北 秦皇島 066000)

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中水面艦艇很少單獨(dú)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù),往往是一個(gè)或多個(gè)編隊(duì)合同或與其他兵種聯(lián)合作戰(zhàn)。編隊(duì)內(nèi)多平臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)融合提供了更為準(zhǔn)確和完整的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)[1-3]。由于平臺(tái)數(shù)量、信息源類型的增多,多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度的試驗(yàn)方法與單平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)方法有較大不同。多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)一般采用實(shí)兵試驗(yàn)或模擬試驗(yàn)的方法:實(shí)兵試驗(yàn)方法因動(dòng)用兵力規(guī)模大,組織實(shí)施較為困難、試驗(yàn)效費(fèi)比較低;常規(guī)模擬試驗(yàn)方法存在態(tài)勢(shì)模擬逼真度不夠,難以形成有效試驗(yàn)結(jié)論的問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題,本文提出了基于歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)方法,將實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)處理后應(yīng)用于數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn),既提高了模擬逼真度,又減少兵力消耗和試驗(yàn)費(fèi)用。

1 基于歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)基本原理

在以往單平臺(tái)實(shí)兵數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)中積累了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)作為多平臺(tái)融合數(shù)據(jù)的前端輸入,在流程上有一定延續(xù)性,在數(shù)據(jù)類型上也有一定的相似性[3-4],通過(guò)二次開發(fā)處理后應(yīng)用于多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn),可大幅增加試驗(yàn)樣本量,減少動(dòng)用兵力規(guī)模,提高試驗(yàn)效益。

由于不同試驗(yàn)航次的歷史數(shù)據(jù)存在時(shí)空不一致、目標(biāo)不同的問(wèn)題,無(wú)法直接利用,需對(duì)實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分類提取出標(biāo)準(zhǔn)化的誤差因素存入數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)過(guò)程中,首先進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),生成模擬劇情。在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下,根據(jù)劇情設(shè)定從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的誤差因素,進(jìn)行組合后疊加到模擬的劇情態(tài)勢(shì)中,形成多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù),根據(jù)選擇的傳輸時(shí)延向?qū)嵮b系統(tǒng)延時(shí)發(fā)送。模擬的劇情態(tài)勢(shì)在合成實(shí)測(cè)誤差因素信息后,與實(shí)際態(tài)勢(shì)相比,逼真度極大提高,進(jìn)而可代替實(shí)兵試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差因素提取以及與模擬態(tài)勢(shì)的誤差合成是這一方法的關(guān)鍵內(nèi)容。經(jīng)分析,多平臺(tái)融合數(shù)據(jù)的誤差主要有信息源誤差(來(lái)源傳感器誤差或平臺(tái)融合誤差)、平臺(tái)導(dǎo)航位置誤差、通信鏈路傳輸時(shí)延等影響因素組成。誤差提取就是要把這些誤差影響因素分類提取出來(lái),形成規(guī)范的誤差因素?cái)?shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在模擬試驗(yàn)過(guò)程中,根據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取多個(gè)航次的誤差因素?cái)?shù)據(jù),根據(jù)試驗(yàn)劇情進(jìn)行組合,按實(shí)際的信息流程和時(shí)序關(guān)系合成到模擬的態(tài)勢(shì)中。

2 多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度模擬試驗(yàn)信息流程

基于歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度模擬試驗(yàn)的信息流程主要包括歷史數(shù)據(jù)預(yù)處理、模擬態(tài)勢(shì)生成和輸入實(shí)裝試驗(yàn)三部分。

第一部分對(duì)實(shí)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理包括測(cè)量值和真值的坐標(biāo)變換、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和誤差因素提取、存庫(kù)等步驟,最終形成標(biāo)準(zhǔn)化的誤差因素?cái)?shù)據(jù)用于后續(xù)模擬試驗(yàn);第二部分首先生成試驗(yàn)劇情,用統(tǒng)一的劇情驅(qū)動(dòng)各模擬器生成時(shí)統(tǒng)信息、平臺(tái)導(dǎo)航信息、模擬態(tài)勢(shì)信息,然后進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一和信息合成,將實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的誤差因素信息合成到模擬態(tài)勢(shì)上形成試驗(yàn)態(tài)勢(shì)輸入到實(shí)裝系統(tǒng);第三部分實(shí)裝系統(tǒng)接收試驗(yàn)態(tài)勢(shì)后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,最終形成綜合態(tài)勢(shì)。試驗(yàn)過(guò)程中記錄試驗(yàn)態(tài)勢(shì)和融合形成的綜合態(tài)勢(shì),用于多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度的計(jì)算分析。

試驗(yàn)過(guò)程中信息流程如圖1所示。

3 模擬試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建

為了在實(shí)驗(yàn)室中開展多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度的模擬試驗(yàn),需要構(gòu)建模擬試驗(yàn)環(huán)境。模擬試驗(yàn)環(huán)境主要由歷史數(shù)據(jù)預(yù)處理、試驗(yàn)劇情模擬、平臺(tái)信息模擬、數(shù)據(jù)錄取處理等四部分組成。

歷史數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)處理,分類提取標(biāo)準(zhǔn)化的誤差因素信息并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

試驗(yàn)劇情模擬系統(tǒng)負(fù)責(zé)模擬試驗(yàn)用例生成試驗(yàn)所需的時(shí)統(tǒng)信息、導(dǎo)航信息、試驗(yàn)劇情等數(shù)據(jù),并對(duì)試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行控制。

平臺(tái)信息模擬系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)模擬的試驗(yàn)劇情生成平臺(tái)導(dǎo)航信息和合成誤差信息的目標(biāo)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù),并通過(guò)接口設(shè)備將試驗(yàn)態(tài)勢(shì)按時(shí)序注入實(shí)裝系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)錄取處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、精度計(jì)算,輔助進(jìn)行誤差曲線分析等。

模擬試驗(yàn)環(huán)境組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度模擬試驗(yàn)方法

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

選擇多個(gè)航次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別提取誤差并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。主要分為信息源誤差、平臺(tái)導(dǎo)航位置誤差、通信鏈路傳輸時(shí)延。

1)信息源誤差提取

信息源誤差主要是傳感器誤差和平臺(tái)融合誤差。二者數(shù)據(jù)類型和處理方法相同,以下以傳感器誤差為例進(jìn)行描述。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括傳感器和真值測(cè)量設(shè)備測(cè)量的目標(biāo)相對(duì)測(cè)量平臺(tái)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)(目標(biāo)距離、方位、仰角),分別作為測(cè)量值和真值。采用線性插值或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量函數(shù)插值方法[5]進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn),計(jì)算測(cè)量值對(duì)應(yīng)時(shí)刻目標(biāo)位置的真值。然后計(jì)算一次差和系統(tǒng)差。設(shè)某一時(shí)刻目標(biāo)相對(duì)平臺(tái)的距離測(cè)量值為R(i),真值為R真(i),其一次差為

ΔR(i)=R(i)-R真(i)

(1)

系統(tǒng)差為

(2)

計(jì)算距離誤差影響因素

ΔR′(i)=ΔR(i)-μ

(3)

方位、仰角誤差影響因素按相同方法進(jìn)行處理。

2)平臺(tái)導(dǎo)航位置誤差提取

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括平臺(tái)導(dǎo)航設(shè)備和真值設(shè)備測(cè)量的平臺(tái)地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度),分別作為測(cè)量值和真值。采用線性插值方法或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量函數(shù)插值方法[5]進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后,參照文獻(xiàn)[6]的方法計(jì)算某一時(shí)刻測(cè)量值相對(duì)真值的距離和方位,作為平臺(tái)位置誤差影響因素。

3)通信鏈路傳輸時(shí)延提取

通信鏈路傳輸時(shí)延需要從多平臺(tái)信息互通試驗(yàn)或通信設(shè)備單機(jī)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取。在多個(gè)平臺(tái)時(shí)間一致的前提下,從某一航次試驗(yàn)錄取的數(shù)據(jù)報(bào)文中提取某一數(shù)據(jù)報(bào)文的錄取時(shí)間T′(i)和產(chǎn)生時(shí)間T(i),計(jì)算傳輸時(shí)延：

ΔT=T′(i)-T(i)

(4)

4.2 試驗(yàn)態(tài)勢(shì)生成

試驗(yàn)開始前首先要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)裝的特點(diǎn)設(shè)計(jì)符合實(shí)際使用的試驗(yàn)用例。劇情模擬設(shè)備根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用例模擬生成統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)和試驗(yàn)劇情驅(qū)動(dòng)各模擬器運(yùn)行。各模擬器在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下,按時(shí)序生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)、模擬態(tài)勢(shì)等數(shù)據(jù),并隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)合成預(yù)先設(shè)定的誤差信息。在模擬的目標(biāo)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)(相對(duì)測(cè)量平臺(tái)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù))上疊加距離、方位、仰角等參數(shù)的系統(tǒng)差(根據(jù)試驗(yàn)劇情設(shè)定)和誤差影響因素,在模擬平臺(tái)導(dǎo)航數(shù)據(jù)(平臺(tái)位置地理坐標(biāo)數(shù)據(jù))上疊加位置誤差影響因素,根據(jù)平臺(tái)導(dǎo)航數(shù)據(jù)將目標(biāo)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，形成模擬的試驗(yàn)態(tài)勢(shì)，根據(jù)選擇的傳輸時(shí)延向?qū)嵮b系統(tǒng)延時(shí)發(fā)送。實(shí)裝系統(tǒng)在試驗(yàn)劇情和試驗(yàn)態(tài)勢(shì)驅(qū)動(dòng)下，按實(shí)際流程進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，形成綜合態(tài)勢(shì)。為了增加試驗(yàn)樣本量，還可以有針對(duì)性地將各類要素互相組合,設(shè)置多種試驗(yàn)態(tài)勢(shì),反復(fù)試驗(yàn),不斷提高試驗(yàn)結(jié)果的置信度。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄取

試驗(yàn)過(guò)程中主要記錄模擬的各平臺(tái)及目標(biāo)的位置數(shù)據(jù),各平臺(tái)導(dǎo)航數(shù)據(jù)、傳感器探測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)、單平臺(tái)融合目標(biāo)數(shù)據(jù)、多平臺(tái)融合后目標(biāo)數(shù)據(jù)等。各平臺(tái)及目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)事后經(jīng)插值處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、相對(duì)位置計(jì)算等處理,形成目標(biāo)相對(duì)各平臺(tái)的距離、方位、仰角、航向和航速等數(shù)據(jù)作為真值;各平臺(tái)導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供平臺(tái)的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)信息,用于計(jì)算目標(biāo)相對(duì)各平臺(tái)的距離、方位、仰角等數(shù)據(jù)。多平臺(tái)融合后目標(biāo)數(shù)據(jù)提供目標(biāo)距離、方位、仰角等作為測(cè)量值。

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)束后將記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、精度計(jì)算分析等處理得到多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度。

由于所記錄的數(shù)據(jù)采用不同的坐標(biāo)系:地理坐標(biāo)系和站心坐標(biāo)系，為了計(jì)算方便,需要將各類數(shù)據(jù)時(shí)間先后為序,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系。

試驗(yàn)中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡是時(shí)間的函數(shù),但不知道其具體形式,只是通過(guò)觀測(cè)和計(jì)算,得到某一時(shí)刻的目標(biāo)空間坐標(biāo)位置,從這些數(shù)據(jù)中不能直接得到其他時(shí)刻和目標(biāo)坐標(biāo),更不能直接得到任意時(shí)刻的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為便于使用,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。對(duì)于勻速直線運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)可采用線性插值方法。因目標(biāo)軌跡是光滑的連續(xù)直線,理論上逼近連續(xù)函數(shù)的結(jié)果,可達(dá)到所要求的精度;對(duì)于非勻速直線運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)可采用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量函數(shù)插值方法[7],根據(jù)已知的目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)向量參數(shù),建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)插值模型,從而對(duì)任意給定時(shí)刻的目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行插值,求解任意給定時(shí)刻的目標(biāo)位置。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和插值處理,測(cè)量值和真值的時(shí)空已統(tǒng)一,可以進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析。為了觀察數(shù)據(jù)的平穩(wěn)度,描繪出一次差曲線,以等間隔時(shí)間為X軸,一次差數(shù)據(jù)為Y軸,在同一坐標(biāo)系中,同時(shí)繪出多個(gè)來(lái)源的一次差曲線，以便對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析。

4.5 融合精度評(píng)估

數(shù)據(jù)融合精度指標(biāo)是考核融合系統(tǒng)性能的一個(gè)主要指標(biāo),通常條件下,要求目標(biāo)融合精度不低于任一信息源數(shù)據(jù)精度,即σ融合≤min(σ1,σ2)。文獻(xiàn)[7]提出了基于目標(biāo)空間距離誤差統(tǒng)計(jì)的融合航跡精度評(píng)估方法,該方法是統(tǒng)計(jì)目標(biāo)態(tài)勢(shì)測(cè)量值與真值的空間距離的原點(diǎn)矩方根,通過(guò)對(duì)比信息源與融合的原點(diǎn)矩方根,確定目標(biāo)融合精度是否合格。

(5)

某一航次目標(biāo)空間距離誤差序列的原點(diǎn)矩方根作為該航次的融合精度。該航次包含的時(shí)刻分別為t1,t2,…,tn,其對(duì)應(yīng)的空間距離誤差為Δd1,Δd2,…,Δdn,則目標(biāo)融合精度為

(6)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了對(duì)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā),用于多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合精度試驗(yàn)的方法,設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)環(huán)境的架構(gòu),分析了模擬態(tài)勢(shì)合成實(shí)測(cè)誤差因素的模擬試驗(yàn)方法的流程。這種試驗(yàn)方法具有操作方便、態(tài)勢(shì)設(shè)置靈活、數(shù)據(jù)逼真度高等特點(diǎn),可極大地節(jié)省兵力,提高試驗(yàn)效益。