面向地面時敏目標跟蹤的多傳感器智能切換技術

戚 薇

(中航航空電子有限公司，北京 100086)

0 引言

為了有效地打擊地面時敏目標，相關火力控制技術得到了國內外廣泛研究。文獻［1］提出了打擊時敏目標作戰(zhàn)中火力打擊時間的建模和計算方法，并將對時敏目標的打擊方式分為直接坐標攻擊和間接攻擊兩類;文獻［2］研究了時敏目標打擊系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估和效費分析方法;文獻［3］研究了基于效能的時間敏感目標打擊策略問題;文獻［4］研究了時敏打擊指揮控制技術;文獻［5］研究了無人作戰(zhàn)飛機打擊時敏目標的任務規(guī)劃技術;文獻［6］研究了時敏目標的優(yōu)先級打擊順序方法。但目前對地面時敏目標的跟蹤技術還研究得較少，而對地面時敏目標的有效打擊，快速準確持續(xù)跟蹤目標是必須首先解決的問題。因而對地面時敏目標的跟蹤技術還需進一步深入研究。

時敏目標具有較好的機動性能，同時可能還存在各種不同程度的遮擋，因此作戰(zhàn)平臺必須對地面時敏目標具備快速持續(xù)跟蹤能力。由于各種傳感器的作用距離、探測精度及可觀測信息不盡相同且各自具有一定的局限性，為了更好地完成時敏目標快速持續(xù)跟蹤，采用多傳感器是一個可行的方案，而這就需要實現(xiàn)不同傳感器配置的實時動態(tài)切換。

1 問題的提出

傳感器切換是在無人機等作戰(zhàn)平臺已配置好的傳感器集合S={s1，s2，…，sn}中(n是跟蹤平臺初始化配置的傳感器總個數(shù))，根據(jù)當前時敏目標的跟蹤需求進行傳感器組合的動態(tài)選擇，實現(xiàn)在使用最少傳感器的基礎上，完成時敏目標的高精度跟蹤。因此，傳感器切換問題的形式化描述如下:

1)S={s1，s2，…，sn}是跟蹤平臺的傳感器初始化配置集合;

2)F={f1，f2，…，fm}表示 n 個初始化配置傳感器中有m個傳感器存在故障，一般有n＞m。

根據(jù)以上描述，地面時敏目標跟蹤時，多傳感器切換準則一般要在排除存在故障的備選傳感器集合中考慮，根據(jù)當前跟蹤精度的需求完成傳感器選擇與調度。假設地面時敏目標在第i時刻的實際位置坐標為(xid，yid)，而使用多傳感器聯(lián)合跟蹤得到的估計值為(xi，yi)。

不妨假定在當前傳感器組合下，時敏目標的跟蹤誤差定義為

根據(jù)式(1)和式(2)以及跟蹤誤差計算時間的要求，則第i時刻傳感器切換目標函數(shù)設計為

其中:αij(j=1，2，3)為大于零的加權因子，且有 αi1+αi2+αi3=1;ti為當前傳感器組合進行信息融合與跟蹤計算所需花費的時間。

顯然在對地面時敏目標跟蹤的整個過程中，各傳感器切換時滿足的目標函數(shù)可選為

從式(4)可以看出，地面時敏目標跟蹤時多傳感器選擇和切換的準則是在初始配置傳感器集合中進行傳感器調度與切換，使得式(4)取最小值。在式(4)取最小值的情況下，則意味著在地面時敏目標跟蹤全過程中，選擇的傳感器組合使得在跟蹤時敏目標過程中的跟蹤誤差最小，且在線運算時間最短。

2 多傳感器智能切換算法

從式(3)可知，影響當前傳感器組合選擇和切換的主要因素包括兩部分:一是時敏目標的跟蹤誤差;二是多傳感器智能切換的實時運算速度。綜合考慮式(3)和式(4)，可得多傳感器智能切換算法流程，如圖1所示。由圖1可知，基于多傳感器對地面時敏目標的跟蹤過程中，多傳感器智能切換全過程主要包括如下3個步驟:

1)傳感器集合初始配置，根據(jù)任務確定跟蹤平臺配置傳感器數(shù)量和類型，達到增強對時敏目標的探測與跟蹤能力;

2)多傳感器的組合分類，充分分析平臺中所配置的各傳感器具有的數(shù)據(jù)融合互補性和冗余特點，實現(xiàn)不同傳感器組合以應用于時敏目標跟蹤的不同階段;

3)確定當前跟蹤的傳感器組合，計算每一個傳感器組合的目標函數(shù)值，在傳感器眾多可能的組合中選取最佳組合，實現(xiàn)對時敏目標的跟蹤。

圖1 多傳感器智能切換算法流程圖Fig.1 Flow chart of multi-senser intelligent switching

決定多傳感器進行切換的準則主要與所采用的目標跟蹤算法有關，本文采用基于當前統(tǒng)計模型的目標跟蹤算法。

目標運動采用當前統(tǒng)計模型描述時，則其離散狀態(tài)方程為［11］

U(k)為狀態(tài)輸入矩陣，形式為

式中:T為采樣周期;α為自相關機動時間常數(shù)的倒數(shù)(機動頻率);過程噪聲是一零均值、方差為Q(k)的離散白噪聲序列。方差Q(k)的算法為

其中，amax和a-max分別為預先給定的最大正負加速度極限值。

目標的觀測方程為

式中:v(k)是均值為零而方差為R(k)的高斯觀測噪聲;H(k)為量測矩陣。基于當前統(tǒng)計模型的跟蹤算法采用卡爾曼濾波算法作為跟蹤濾波器，來對機動目標進行跟蹤。

基于當前統(tǒng)計模型的機動目標跟蹤算法的基本過程為［11］

應用基于當前統(tǒng)計模型的機動目標跟蹤算法(11)，則可以得到每一傳感器組合的跟蹤精度和在線運算時間，從而根據(jù)式(3)和式(4)計算出每一傳感器組合的目標函數(shù)值，最終完成傳感器組合的在線智能切換。

3 仿真研究

仿真假設無人機跟蹤平臺配置的目標跟蹤傳感器有:雷達、紅外攝像機、電視攝像機、激光測距機等。其中，激光測距機的作用距離假設為10 km左右;紅外攝像機有足夠高的分辨率，對目標的探測距離為25 km，可以探測隱蔽目標，并實現(xiàn)夜間工作;光電傳感器也具有較高的分辨率，且可成動態(tài)圖像;雷達具有穿透能力，全天時工作，且作用距離遠。

在完成傳感器集合的初始配置后，就需進行傳感器分類組合，確定可供不同場合使用的傳感器組合。為了驗證本文所研究的多傳感器智能切換技術，假設載機與地面目標均做勻速直線運動且二者在具有一定高度差的同一垂直平面內運動，且高度差h=1000 m，無人機的初始狀態(tài)為s1=10000 m，v1=20 m/s，a1=0.2 m/s2，地面時敏目標的初始狀態(tài)為 s2=0 m，v2=100 m/s，a2=0.5 m/s2。根據(jù)本文所研究的多傳感器智能切換技術，傳感器組合切換結果如圖2所示。

圖2 勻加速直線運動時傳感器配置輸出界面Fig.2 The sensor configuration of uniformly accelerated rectilinear motion

通過圖2所示的傳感器配置輸出界面可以看出，在無人機平臺和地面時敏目標相距20428 m時，當前的傳感器組合為雷達和紅外攝像機。因此，隨著傳感器平臺與地面目標之間距離的變化，總能在所配置的傳感器集合中進行各傳感器組合的動態(tài)在線切換，并輸出當前最優(yōu)傳感器組合，這表明所研究的多傳感器智能切換算法的有效性。

4 結論

為了實現(xiàn)地面時敏目標的高精度跟蹤，研究了一種多傳感組合的智能切換方案。根據(jù)作戰(zhàn)任務的需求和當前所能提供的傳感器集合，對跟蹤平臺中多傳感器集合進行初始配置。采用當前統(tǒng)計模型的目標跟蹤算法，給出考慮跟蹤精度和在線運算時間多傳感器組合智能切換的目標函數(shù)。通過計算每一傳感器分類組合的目標函數(shù)值，并根據(jù)其大小實現(xiàn)多傳感器智能切換。通過傳感器組合的切換，實現(xiàn)在使用最少傳感器的基礎上，完成時敏目標的高精度跟蹤。最后，通過一個仿真實驗驗證了本文所提出的面向地面時敏目標跟蹤的多傳感器智能切換方法的有效性。

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［2］陳軍，高曉光，丁琳.時敏打擊系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估和效費分析［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19(17):4042-4044.

［3］崔乃剛，殷志宏，楊寶奎.基于效能的時間敏感目標打擊策略問題研究［J］.控制與決策，2008，23(5):563-566.

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