崔樂(lè)園 李五星

摘要：為充分利用靶場(chǎng)測(cè)量資源，延長(zhǎng)測(cè)量弧段并提高測(cè)量精度，本文采用基于當(dāng)前統(tǒng)計(jì)（CS）模型的UKF濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)多種測(cè)量設(shè)備的測(cè)量元素進(jìn)行融合解算處理，提高測(cè)元利用率和參數(shù)估計(jì)精度，降低數(shù)據(jù)冗余。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合;UKF;CS模型

Abstract： In order to make full use of the measuring resources of the shooting range，extend the measuring arc segment and improve the measuring accuracy， this paper adopts current statistical model to realize the real-time fusion of various measuring elements and improve the utilization rate of measurement elements and the accuracy of parameter estimation， and reduce data redundancy.

Keywords：The Real-Time Fusion;UKF;Current Statistical Model

引言

在靶場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的融合處理與靶場(chǎng)測(cè)控體制和試驗(yàn)任務(wù)密切相關(guān)。目前，靶場(chǎng)多種測(cè)量設(shè)備并存，覆蓋目標(biāo)不同飛行段落，測(cè)量元素存在冗余和互補(bǔ)。為充分利用測(cè)量資源，延長(zhǎng)測(cè)量弧段并提高精度，需要根據(jù)測(cè)量設(shè)備精度高低，對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行合理的部署，并對(duì)不同設(shè)備的測(cè)元進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，制定綜合有效的實(shí)時(shí)融合策略。

測(cè)量元素

為了確定目標(biāo)的飛行參數(shù) ，外測(cè)測(cè)量需要以若干測(cè)量元素構(gòu)成一種測(cè)量體制。目前，根據(jù)測(cè)量元素的類型區(qū)分，靶場(chǎng)測(cè)控常用的外測(cè)體制有： （距離、方位角、俯仰角）體制， （距離及其變化率）體制， （距離和及其變化率）體制， （距離差及其變化率）體制、 （距離和變化率）體制等，對(duì)應(yīng)測(cè)量元素（以下簡(jiǎn)稱“測(cè)元”）有距離 、距離變化率 、方位角 、俯仰角 、距離和 及其變化率 、距離差 及其變化率 等測(cè)元。

如圖1所示，在地心直角坐標(biāo)系下 時(shí)刻目標(biāo) 的位置為 ，速度 為 ，主站 的位置為 ，副站 的位置為 。

2.1 距離 及其變化率 、距離和 及其變化率 、距離差 及其變化率

距離測(cè)元是用來(lái)表示目標(biāo)與測(cè)量設(shè)備的徑向距離 ，通過(guò)精確測(cè)量電磁波在測(cè)距設(shè)備與被測(cè)目標(biāo)之間往返所需的時(shí)間來(lái)測(cè)定。而距離和 /差 為目標(biāo)分別到兩個(gè)測(cè)量設(shè)備的徑向距離之和/差。

如圖1所示， 時(shí)刻主站 到 的徑向距離為 ，副站 到 的徑向距離為 ，主站 到目標(biāo)與目標(biāo)到副站 的距離和/差為 /。

實(shí)時(shí)融合處理采用基于CS模型的UKF濾波方法，根據(jù)實(shí)時(shí)可用測(cè)元進(jìn)行自適應(yīng)解算，保證目標(biāo)軌跡解算區(qū)間最大化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量元素的充分利用。

5.1 實(shí)時(shí)處理流程

實(shí)時(shí)處理流程包括對(duì)各種測(cè)元信息的預(yù)處理[3]、測(cè)元選擇策略和UKF濾波解算。如圖2所示，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理、測(cè)元選擇策略篩選生成測(cè)元矩陣之后，進(jìn)行實(shí)時(shí)融合算法處理，得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)值。

5.2 測(cè)元選擇策略

根據(jù)靶場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，常用的測(cè)量設(shè)備有光學(xué)測(cè)量、脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、連續(xù)波測(cè)速等。其中，光學(xué)設(shè)備通過(guò)角度交會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)的確定，受天氣、光線和布站幾何條件的影響比較大，有效作用距離較短，一般部署在首區(qū);脈沖雷達(dá)及相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射功率大，作用距離遠(yuǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的測(cè)量，但是測(cè)量精度相對(duì)較低。連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)設(shè)備構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，誤差源少，測(cè)量精度高，多用于合作目標(biāo)測(cè)量，且作用距離較短，需要多站聯(lián)合測(cè)量。因此，為充分利用靶場(chǎng)測(cè)量資源，延長(zhǎng)測(cè)量弧段并提高測(cè)量精度，需要根據(jù)不同的任務(wù)需求，對(duì)不同的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行合理的部署，制定綜合有效的實(shí)時(shí)融合策略。

本文主要分析連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)（距離和變化率 、方位俯仰角 ），單脈沖雷達(dá)（徑向距離、方位俯仰角 ），相控陣?yán)走_(dá)（ ）的測(cè)量數(shù)據(jù)相互融合的解算模式，并假定測(cè)元精度關(guān)系為 。

解算命令觸發(fā)后，在數(shù)據(jù)緩存區(qū)查找當(dāng)前時(shí)刻可用測(cè)元，判斷是否為異常值，如果是則不參與解算，如果不是異常值，則寫(xiě)入測(cè)元矩陣，直至遍歷數(shù)據(jù)緩存區(qū);判斷測(cè)元矩陣中的測(cè)元個(gè)數(shù)，如果測(cè)元個(gè)數(shù)小于6個(gè)，則測(cè)元矩陣直接參與解算;否則從最高優(yōu)先級(jí)的測(cè)元開(kāi)始由高到低對(duì)測(cè)元個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前優(yōu)先級(jí)及之前的測(cè)元數(shù)量大于等于6個(gè)，則將低于該優(yōu)先級(jí)的測(cè)元數(shù)據(jù)置零，否則繼續(xù)遍歷優(yōu)先級(jí)較低的測(cè)元數(shù)據(jù)，直到有效測(cè)元個(gè)數(shù)大于等于6個(gè)為止。

5.3 結(jié)果比對(duì)分析

模擬7個(gè)測(cè)量設(shè)備對(duì)180°射向的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行融合解算，7個(gè)測(cè)量設(shè)備以及目標(biāo)地面軌跡投影的分布如圖4所示。其中，1～4號(hào)為連續(xù)波測(cè)量設(shè)備，1號(hào)和2號(hào)為主站，3號(hào)、4號(hào)和7號(hào)為副站，5號(hào)為單脈沖測(cè)量設(shè)備，6號(hào)為相控陣測(cè)量設(shè)備。

利用MATLAB仿真工具模擬原始數(shù)據(jù)，測(cè)速測(cè)元的隨機(jī)差為0.02m/s，系統(tǒng)差0.0045m/s;測(cè)距測(cè)元的隨機(jī)差為7m，系統(tǒng)差為5m;測(cè)角隨機(jī)差和系統(tǒng)差均為0.0115°。模擬發(fā)送軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和融合解算，并顯示目標(biāo)軌跡。

以上述模擬條件分別模擬連續(xù)波、單脈沖和相控陣單獨(dú)進(jìn)行解算以及三種設(shè)備聯(lián)合解算的結(jié)果，并分別將實(shí)時(shí)處理軟件的解算結(jié)果與理論軌跡進(jìn)行比對(duì)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的比對(duì)殘差如圖5所示，統(tǒng)計(jì)比對(duì)殘差的均方根誤差如表1所示。

連續(xù)波測(cè)速設(shè)備相較于其他設(shè)備從60s才輸出有效目標(biāo)軌跡參數(shù)，60s之前因?yàn)?號(hào)站位置較遠(yuǎn)，俯仰角低于保精度最低俯仰角限制導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)效，連續(xù)波設(shè)備沒(méi)有足夠的有效測(cè)元構(gòu)成獨(dú)立解算條件。當(dāng)達(dá)到獨(dú)立解算條件并且穩(wěn)定后，在局部段落也能獲得較高的的位置和速度精度。

單脈沖和相控陣設(shè)備則都是在25s開(kāi)始輸出有效運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且位置精度相對(duì)較高，但因?yàn)闆](méi)有有效高精度的測(cè)速信息，所以解算的速度精度相比多測(cè)速解算結(jié)果較差;由于相控陣設(shè)備的測(cè)量精度低于單脈沖設(shè)備，所以相控陣單獨(dú)解算的位置和速度結(jié)果也相比較差。

三種設(shè)備融合解算，能夠從25s開(kāi)始輸出較好的解算軌跡。在解算初始階段連續(xù)波設(shè)備不滿足獨(dú)立解算時(shí)，聯(lián)合其他兩種設(shè)備的測(cè)元進(jìn)行融合解算，有效延長(zhǎng)測(cè)量弧段，獲取解算全程的高精度測(cè)量結(jié)果。

結(jié)論

隨著靶場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的不斷壯大，外測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)也會(huì)越來(lái)越多，對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)也就越來(lái)越豐富，后續(xù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)測(cè)元精度，在線實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)元選擇，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的高精度估計(jì)，同時(shí)提高設(shè)備利用率，減少數(shù)據(jù)冗余，達(dá)到降本增效的目的。

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