基于VTS 系統(tǒng)實現(xiàn)的目標近岸行駛跟蹤方法研究

林新黨，姚 遠

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

0 引言

VTS(Vessel Traffic Services）系統(tǒng)利用AIS 基站、雷達、CCTV、無線電話以及船載終端等通信設(shè)施監(jiān)控航行在港灣和進出港口的船舶，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息。

本文提及的VTS 系統(tǒng)主要針對長江水域內(nèi)的船舶目標進行管理。由于長江航道中目標航行環(huán)境復(fù)雜，拋錨、起錨、?？康惹闆r頻繁，在上述情況下，在目標航行的路線上存在其他船只目標或者岸線、碼頭等靜物目標，目標回波存在較大的可能性與靜物回波融合。在這種情況下，目標在跟蹤過程中極有可能與靜物目標產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致跟蹤失敗。

針對目標拋錨、起錨和靠岸行駛的情況，本文提出了通過建立點跡雜波圖來指導(dǎo)目標關(guān)聯(lián)的方法，解決目標在這種特殊情況下的跟蹤問題，并給出了相關(guān)的仿真結(jié)果以及在VTS 系統(tǒng)上實際跟蹤的效果。

1 點跡雜波圖理論

雜波圖可以給出雷達覆蓋范圍內(nèi)固定雜波的雷達圖像。一般來說，雷達圖像含有一些相當不規(guī)則的由地物雜波、點源和分布雜波構(gòu)成的區(qū)域。當雷達工作于雜波環(huán)境時，使用雜波圖可以消去雷達點跡中的雜波點，有效地消除雜波點在目標關(guān)聯(lián)、跟蹤時帶來的干擾。

點跡雜波圖的基本理論是把在兩次或兩次以上相繼掃描中的點跡位移與已登記的雜波圖點的第一次位置(已測得）為中心的波門相比較。對雜波點或緩慢移動的目標來說，多次掃描中相繼進入的回波會保留在波門中，但對于快速目標來說，只有少數(shù)幾次掃描回波仍保留在波門中。在連續(xù)的雷達天線掃描周期中，目標相對于波門中心的移動如圖1所示。

圖1 目標相對于波門中心的移動

圖1中，V 是目標的速度，T 是雷達掃描周期，W是波門的半徑。在確定情況，即無觀測誤差且檢測概率為1的情況下，當掃描次數(shù)大于W/VT時，因目標已移出以點跡初始位置為中心的波門外，故關(guān)聯(lián)成功的次數(shù)不再增加。因此，在若干次掃描后，運動目標的關(guān)聯(lián)成功計數(shù)值是一個與目標速度有關(guān)的常數(shù)，而固定目標的成功次數(shù)卻隨掃描次數(shù)增加而增加。

2 點跡雜波圖的建立與維護

利用雷達掃描的前N個周期來建立點跡雜波圖。將第一個周期的點跡全部看作雜波點，設(shè)置關(guān)聯(lián)波門、掃描次數(shù)以及成功門限，后續(xù)N－1個周期的點跡到來后與雜波點進行關(guān)聯(lián)，落入雜波點關(guān)聯(lián)區(qū)域中的，則對應(yīng)的雜波點跡成功計數(shù)器加1，期間要保證每一個雜波點在一個周期內(nèi)不會同時與多個點跡成功關(guān)聯(lián)。當?shù)絹淼狞c跡沒有與已有的雜波點成功關(guān)聯(lián)，則將其作為新的雜波點。當掃描次數(shù)等于N時，將關(guān)聯(lián)成功計數(shù)器的數(shù)值大于成功門限P的點跡看作雜波點。點跡雜波圖的建立與維護流程如圖2所示。

雜波圖建立之后，需要定時對其進行更新維護。當雜波圖中出現(xiàn)新的雜波點時，成功計數(shù)器被復(fù)位，相關(guān)波門即以該點跡為中心。計數(shù)器記錄初始化后的掃描次數(shù)。在每次掃描時，如果有一個新點跡落入波門內(nèi)，則成功計數(shù)器增加1。當掃描次數(shù)達到判決所要求的掃描次數(shù)N時且成功次數(shù)大于判決門限時，就認為目標是固定的，用最新的一次點跡的坐標來更新波門中心。在對成功計數(shù)器的計數(shù)值進行計算時，每個周期內(nèi)，每一個雜波點成功計數(shù)器增加的值小于等于1，即保證每一個雜波點在一個周期內(nèi)不會同時與多個點跡成功關(guān)聯(lián)。

圖2 點跡雜波圖的建立與維護流程圖

點跡雜波圖需要選取適當?shù)墓潭繕岁P(guān)聯(lián)波門、掃描次數(shù)以及成功門限。本文中，VTS 針對的目標最小運動速度為0.5 m/s，一個雷達掃描周期為3 s，則在一個周期內(nèi)目標最小的移動位移為1.5 m?？紤]到雷達精度帶來的檢測誤差，應(yīng)該將關(guān)聯(lián)波門取得比較大(26.51*3=79.53 m）;考慮到目標在運動時與岸線的距離(≥45m），應(yīng)該將關(guān)聯(lián)波門取得比較小。受到這兩方面的限制，本文中取波門半徑45 m，成功門限P=45/1.5=30?？紤]到在錨區(qū)和遠處的固定物體由于受到遮蔽，導(dǎo)致檢測概率下降，這里取檢測概率為66.7%，故掃描次數(shù)N=30/66.7%=45。點跡雜波圖45個掃描周期(135 s）更新一次。

3 目標拋錨、起錨和近岸行駛的跟蹤流程

當目標正常跟蹤時，將目標航跡分為固定航跡、可靠航跡和暫時航跡。固定航跡是指經(jīng)過點跡雜波圖判定為固定地物的點跡形成的航跡。可靠航跡是指運動目標的點跡所形成的航跡。暫時航跡就是正在由點跡雜波圖進行判定的航跡，其有可能為固定航跡也可能是可靠航跡。處理順序是，先固定航跡，再可靠航跡，最后暫時航跡。把點跡與固定航跡適當配對，減少了可能會影響目標航跡的假點跡的數(shù)目。由于對可靠航跡給予優(yōu)先而不是暫時航跡，使得暫時航跡不可能從可靠航跡中關(guān)聯(lián)點跡。

當目標處于拋錨或靠岸狀態(tài)時，處理順序是:先固定航跡，再是處于拋錨或靠岸狀態(tài)的航跡和其余的可靠航跡關(guān)聯(lián)，最后是暫時航跡關(guān)聯(lián)。把點跡與固定航跡適當配對，減少了可能會影響目標航跡的假點跡的數(shù)目。讓暫時航跡殿后，使其不可能從處于拋錨或靠岸狀態(tài)的航跡和可靠航跡中關(guān)聯(lián)點跡。

當目標處于起錨狀態(tài)時，處理順序是:先固定航跡，再可靠航跡關(guān)聯(lián)，然后暫時航跡關(guān)聯(lián)，最后是處于起錨狀態(tài)的航跡關(guān)聯(lián)。把點跡與固定航跡適當配對，減少了可能會影響目標航跡的假點跡的數(shù)目。目標在起錨時，速度很低，目標狀態(tài)不穩(wěn)定，目標點跡由雜波變?yōu)槟繕诵枰欢〞r間來區(qū)分，讓處于起錨狀態(tài)的航跡殿后是為了防止目標起錨時錯誤關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致起錨跟蹤失敗。

4 點跡雜波圖MATLAB 仿真結(jié)果

在MATLAB中仿真點跡雜波圖，如圖3、4所示。

圖3 錨區(qū)點跡雜波圖

圖4 航道點跡雜波圖

圖3 是錨區(qū)，圖4 是岸邊，方框標出的是雜波的點跡，圓點是運動目標的點跡。從仿真結(jié)果可以看出，點跡雜波圖的建立可以對目標的錨區(qū)跟蹤和靠岸跟蹤起到重要的指導(dǎo)意義。

5 點跡雜波圖在VTS 系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過建立點跡雜波圖來剔除靜物點跡對目標跟蹤的影響，已經(jīng)在VTS 系統(tǒng)上實現(xiàn)，并具有良好的處理效果。圖5 用來說明點跡雜波圖指導(dǎo)目標靠岸跟蹤的過程。

圖5 目標靠岸行駛過程

在目標靠岸行駛的過程中，由于距離岸邊很近，目標的回波很有可能與岸邊靜物回波融合，導(dǎo)致檢測出的點跡異常。通過建立點跡雜波圖，可以篩選出岸邊的固定目標，當目標靠岸行駛時，如果關(guān)聯(lián)到的點跡為雜波點，則該周期目標進行外推處理，這樣就避免了目標與靜物目標點跡或者異常點跡發(fā)生錯誤關(guān)聯(lián)而導(dǎo)致的跟蹤失敗。

為了達到系統(tǒng)處理時延的要求，這里對點跡雜波圖篩選扇區(qū)中點跡的處理時間進行了測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 點跡雜波圖的處理時間統(tǒng)計

如圖6所示，利用點跡雜波圖在處理扇區(qū)中的點跡時，平均耗時10－3s，點跡雜波圖每45個掃描周期(135 s），大約1440個扇區(qū)更新一次，每次更新平均耗時5×10－2s。經(jīng)測試，點跡雜波圖的處理時間滿足處理時延的要求。

6 結(jié)束語

本文針對目標拋錨、起錨和靠岸行駛的情況，提出了通過建立點跡雜波圖來指導(dǎo)目標關(guān)聯(lián)的方法，以解決目標在這種特殊情況下的跟蹤問題。根據(jù)MATLAB仿真，以及VTS 系統(tǒng)實測的結(jié)果，該方法能在一定程度上提高目標在拋錨、起錨和靠岸行駛情況下的跟蹤性能，同時對類似環(huán)境下的跟蹤處理給出了相應(yīng)的解決方案，具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］A 費利那，F(xiàn) A 斯塔德.雷達數(shù)據(jù)處理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1988.

［2］I SkolnikMerrill.雷達手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［3］何友，修建娟.雷達數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.