傳感器數(shù)據(jù)融合仿真測試平臺的設計與實現(xiàn)

惠黎明

(中國電子科技集團公司第27 研究所 測控部，河南 鄭州 450047)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，僅依靠單傳感器提供的信息已無法滿足作戰(zhàn)需要，需運用多傳感器提供觀測數(shù)據(jù)，實時進行目標發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，來獲取狀態(tài)估計、目標屬性、行為意圖態(tài)勢評估、威脅分析和輔助決策等作戰(zhàn)信息［1］，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)隨之得到了迅速發(fā)展。

隨著對數(shù)據(jù)融合研究的不斷深入，大量新的數(shù)據(jù)融合算法［2－4］不斷涌現(xiàn)，如何方便地比較、評價這些算法是一個必須解決的實際問題［5－7］。任何先進的軍事技術(shù)，在轉(zhuǎn)化為戰(zhàn)斗力之前都要經(jīng)過大量的科學實驗和評估測試，實際測試過程中提供真實的作戰(zhàn)環(huán)境是不現(xiàn)實的，而仿真環(huán)境為系統(tǒng)測試及性能評估提供了一種經(jīng)濟而有效的手段，其優(yōu)點是可提供相同環(huán)境對系統(tǒng)進行反復測試以及系統(tǒng)在不同條件下的性能測試。另外，對于復雜的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設計，需要系統(tǒng)的分析方法和相應的設計工具對其性能進行分析和評估。

由于數(shù)據(jù)融合過程涉及的不確定因素過多，其效能評估一直未得到有效地解決，為使多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到更好地發(fā)展，研制可供數(shù)據(jù)融合算法開發(fā)用戶使用的一種開放、高性能、伸縮性強的多傳感器數(shù)據(jù)融合仿真測試平臺具有特殊的實用價值。

1 平臺構(gòu)建

1.1 平臺構(gòu)成

對信息融合系統(tǒng)進行評估的前提是能夠驅(qū)動信息融合系統(tǒng)運行，并對其進行采樣，獲取評估指標所需要的樣本數(shù)據(jù)。這個驅(qū)動融合系統(tǒng)運行并獲取樣本數(shù)據(jù)的過程就是測試的過程［9］。

為滿足測試評估的需求，多傳感器數(shù)據(jù)融合性能仿真測試平臺采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由仿真支撐系統(tǒng)、被測融合系統(tǒng)和評估系統(tǒng)3 部分組成。其中，仿真支撐系統(tǒng)包括想定編輯器、運行控制器、信源模擬器、Agent 引擎、環(huán)境模擬器、數(shù)據(jù)采集器、綜合態(tài)勢顯示、導航模擬器、資源管理器和測試網(wǎng)關(guān)。仿真支撐系統(tǒng)與評估系統(tǒng)與以仿真網(wǎng)交換機相連，構(gòu)成仿真測試環(huán)境局域網(wǎng)。被測融合系統(tǒng)作為一個黑盒進行測試，獨立于仿真支撐系統(tǒng)和評估系統(tǒng)，與融合網(wǎng)絡交換機相連，形成被測試融合局域網(wǎng)。仿真測試環(huán)境局域網(wǎng)與被測試融合局域網(wǎng)通過測試網(wǎng)關(guān)相連，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 工作原理

仿真測試平臺工作分兩個階段:實時仿真階段和事后評估階段，工作原理如圖2 所示。

圖1 仿真測試平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 仿真測試平臺原理圖

在實時仿真階段，主要運行仿真系統(tǒng)和被測融合系統(tǒng)。劇情生成器按照預先編輯好的想定文件設定的態(tài)勢和控制邏輯產(chǎn)生目標真值信息;信源模擬器接收劇情生成器產(chǎn)生的目標真值數(shù)據(jù)，按照探測模型模擬目標發(fā)現(xiàn)、目標跟蹤，并輸出探測點跡或跟蹤航跡信息;融合軟件對接收到的多源信息進行融合處理，生成融合信息。劇情生成器、信源模擬器、融合系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集器所捕獲，并存儲到數(shù)據(jù)庫。

在事后評估階段，評估軟件從數(shù)據(jù)庫中獲取劇情生成器、信源模擬器和融合系統(tǒng)的輸出，建立評估體系，采用特定的評估模型，對參與測試的融合系統(tǒng)的性能指標進行評估，生成評估報告。

1.3 平臺功能

1.3.1 想定編輯器

在地理信息系統(tǒng)、圖形標繪系統(tǒng)的支持下，完成信息融合測試所需的各類測試想定的編輯和管理，對想定基本信息、平臺管理與規(guī)劃、兵力分布、環(huán)境因素、大批量目標生成、計算資源分配等進行定義，生成相應的基于XML 的仿真腳本文件，以驅(qū)動仿真試驗運行。編輯器應具備如下功能:(1)圖形化標繪和編輯功能，結(jié)合軍標庫在地圖顯示界面上進行仿真試驗要素的部署、設置和編輯等操作。(2)具備分層遞階的仿真實體屬性編輯功能及基本度量與區(qū)域分析功能。(3)具備基本繪圖操作功能，支持態(tài)勢圖的放大、縮小、平移和地圖導航。(4)具備仿真腳本文件生成功能，為仿真模型運行提供重要的數(shù)據(jù)來源，支持仿真系統(tǒng)運行初始化。(5)具備仿真腳本文件存儲、編輯、讀取功能。

1.3.2 運行控制器

運行控制器作為數(shù)據(jù)融合仿真測試平臺最重要的支撐條件，應當具備:

(1)信息初始化功能。在仿真運行之前，根據(jù)仿真腳本文件按照各仿真實體的類型劃分至各仿真成員，生成各仿真成員的初始化信息，并對信息進行分發(fā)。

(2)仿真支撐數(shù)據(jù)生成功能。能夠按照想定文件設定的態(tài)勢和控制邏輯，生成戰(zhàn)場敵我各類目標及我方平臺、目標真值數(shù)據(jù)等。

(3)仿真運行監(jiān)控功能。提供綜合態(tài)勢顯示界面，仿真運行過程中實時監(jiān)視仿真試驗運行狀況和試驗態(tài)勢情況，并根據(jù)控制需求，完成對控制仿真過程的開始、暫停、繼續(xù)、結(jié)束等控制操作。

1.3.3 信源模擬器和Agent 引擎

信源作為融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，一般包括雷達、聲納、紅外、光電和電子偵察等信息探測設備，信源模擬器就是對這些設備進行模擬仿真，以驅(qū)動融合系統(tǒng)的運行。信源模擬器輸出特性的真實程度決定了融合系統(tǒng)算法的正確性和有效性，遵循這一原則，在本平臺中的各類信源模擬器以純數(shù)字仿真形式，以實際裝備為模擬對象，采用與實際裝備一致的數(shù)據(jù)處理模型，盡量保持實裝設備的輸出特性。

以雷達模擬器為例，在本平臺中的雷達模擬器根據(jù)環(huán)境及目標特性、實裝雷達的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標等模擬從雷達接收目標回波至輸出雷達凝聚點跡/航跡整個探測過程。為增加雷達模擬器的真實性，雷達模擬器具備在生成的點跡和航跡數(shù)據(jù)中疊加系統(tǒng)誤差和隨機誤差功能以及對自然雜波、干擾雜波模擬功能。具體如圖3 所示。

圖3 雷達模擬器信息框圖

雷達模擬器接收劇情生成器發(fā)送的目標真值信息、時統(tǒng)信息以及導航模擬器發(fā)送的平臺信息實時計算生成目標點跡，根據(jù)劇情配置區(qū)域環(huán)境信息、障礙物信息生成海雜波、云雨雜波點跡信息，根據(jù)雷達干擾模擬器發(fā)送的雷達干擾信息生成雷達干擾點跡;點跡生成后，進行點跡凝聚、航跡關(guān)聯(lián)、航跡濾波、航跡起始及航跡管理等處理，生成雷達目標航跡，最終對外輸出雷達點跡或航跡數(shù)據(jù)。

在本平臺中，Agent 引擎為系統(tǒng)一大特點，與所有的信源模擬器一起封裝在一個目錄下，可根據(jù)需要部署在多臺計算機內(nèi)，由Agent 引擎根據(jù)指令自動調(diào)用運行。仿真測試開始時，Agent 引擎接收劇情生成器發(fā)送的仿真測試信息，并根據(jù)擇報文中的IP 地址、節(jié)點號、模擬器名稱和信源號啟動相應計算機內(nèi)的信源模擬器;測試結(jié)束后，Agent 引擎接收結(jié)束控制報文，自動關(guān)閉信源模擬器。

(1)環(huán)境模擬器。環(huán)境包括地理、氣象和水文環(huán)境。在圖形界面上規(guī)劃環(huán)境區(qū)域的粒度，將指定范圍的區(qū)域按設定的行列數(shù)劃分成多個環(huán)境區(qū)域，每個環(huán)境區(qū)域可以有不同的環(huán)境設定信息。將設置的環(huán)境信息保存至想定的腳本文件。仿真運行時，根據(jù)想定腳本文件劃分的氣象水文仿真區(qū)域，以區(qū)域內(nèi)氣象水文初始參數(shù)為基準，按照規(guī)劃的氣象與水文變化參數(shù)，計算更新區(qū)域內(nèi)氣象水文各指標參數(shù)值，生成各區(qū)域氣象信息和氣象水文信息。

(2)導航模擬器。導航模擬器模擬實時接收劇情生成器發(fā)送的目標真值信息，產(chǎn)生我方各傳感器承載平臺的導航數(shù)據(jù)，包括平臺位置、速度、姿態(tài)角等信息。同時根據(jù)劇情生成器發(fā)送的導航參數(shù)配置信息，對平臺導航數(shù)據(jù)疊加導航系統(tǒng)誤差和隨機誤差。

(3)數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器實時接收劇情生成器、各信源模擬器、環(huán)境模擬器、導航模擬器、各融合系統(tǒng)產(chǎn)生的目標真值數(shù)據(jù)、信源模擬器點跡/航跡數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、導航模擬數(shù)據(jù)、融合航跡數(shù)據(jù)及各類控制指令，并實時存儲到數(shù)據(jù)庫。

(4)測試網(wǎng)關(guān)。測試網(wǎng)關(guān)主要完成仿真測試局域網(wǎng)和被測融合局域網(wǎng)之間實時數(shù)據(jù)報文格式轉(zhuǎn)換、有效控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離。

(5)資源管理器。在數(shù)據(jù)庫服務器和Web 服務器的支撐下提供基于Web 頁面的數(shù)據(jù)管理，包含系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫管理、測試數(shù)據(jù)管理等功能，其中:1)系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)用戶管理、融合單位管理、權(quán)限管理、日志管理;2)數(shù)據(jù)庫管理包括數(shù)據(jù)庫用戶及權(quán)限的管理、數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建與維護、數(shù)據(jù)的備份與恢復;3)測試數(shù)據(jù)管理主要完成各類仿真測試數(shù)據(jù)及評估結(jié)果的查詢并圖形或表格等形式直觀顯示、導出。

(6)綜合態(tài)勢顯示。子系統(tǒng)將目標數(shù)據(jù)疊加在地理信息系統(tǒng)上以二維態(tài)勢圖的方式顯示。目標數(shù)據(jù)可以在信息融合結(jié)果、目標真值數(shù)據(jù)與信源模擬器探測數(shù)據(jù)間切換，分別顯示或疊加顯示融合態(tài)勢、真值態(tài)勢與模擬器態(tài)勢。主要包括數(shù)據(jù)接收解析、態(tài)勢顯示、態(tài)勢回放等功能。

數(shù)據(jù)接收解析模塊主要完成接收并解析劇情生成器、信源模擬器、融合系統(tǒng)等發(fā)送的相關(guān)態(tài)勢數(shù)據(jù)。態(tài)勢圖形顯示模塊將劇情態(tài)勢、傳感器輸出態(tài)勢和融合輸出態(tài)勢以及目標的ID/批號以二維態(tài)勢圖的方式疊加顯示;以曲線、列表的形式顯示接收到的劇情、信源模擬器、融合系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。態(tài)勢回放模塊完成態(tài)勢數(shù)據(jù)存儲，測試結(jié)束后對態(tài)勢記錄數(shù)據(jù)進行回放顯示，便于測試結(jié)束后態(tài)勢的再現(xiàn)和分析。

(7)評估系統(tǒng)。在仿真結(jié)束后，評估系統(tǒng)從單項指標和綜合指標兩個方面對融合系統(tǒng)進行評估，將評估結(jié)果保持至數(shù)據(jù)庫。評估系統(tǒng)可同時對多個融合系統(tǒng)進行評估，對每一個單項指標進行對比分析，綜合判斷各家融合算法的優(yōu)劣。評估系統(tǒng)可支持對參與信息融合的信源模擬器進行單項和綜合指標評估，對比分析信源模擬器和融合系統(tǒng)性能。

單項指標包括融合精度指標、相關(guān)性指標和處理能力指標3 個方面對融合系統(tǒng)進行評估，各單項指標按分配的權(quán)重信息進行綜合處理，構(gòu)成綜合指標。其中:1)精度指標包括融合航跡經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向以及距離精度。2)相關(guān)性指標包括正確航跡率、虛情率和漏情率。3)處理能力指標包括數(shù)據(jù)更新率、跟蹤連續(xù)性、處理反應時間。

2 系統(tǒng)特點

本仿真測試平臺具有以下特點:(1)平臺的多源性。本平臺能夠同時支持多種信源模擬器，在仿真測試過程中各模擬器可根據(jù)需要靈活配置。(2)戰(zhàn)場環(huán)境仿真的真實性。本平臺能夠提供復雜的海戰(zhàn)場環(huán)境仿真，包括電磁的、海況的、氣象的;提供復雜的目標環(huán)境仿真，包括機動的、密集的、空中/水面/水下的。(3)融合方式的可選擇性?？筛鶕?jù)需要對數(shù)據(jù)融合方式進行設置:點跡數(shù)據(jù)融合、航跡數(shù)據(jù)融合或點跡/航跡混合融合。(4)平臺的可擴充性。本平臺可靈活的增加或減少信源模擬器及融合系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的“即插即用”。(5)評估的靈活性。具備完整的評估體系，支持對一個或多個融合系統(tǒng)性能的評估;支持對參與測試的信源模擬器性能進行評估。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

多傳感器數(shù)據(jù)融合性能仿真測試平臺運行在Windows XP 操作系統(tǒng)下，利用面向分布式設計思路，采用Visual Studio 2005 開發(fā)工具及Oracle 數(shù)據(jù)庫結(jié)合軍事地理信息系統(tǒng)設計實現(xiàn)，如圖4 ～圖9 所示。

圖4 劇情子系統(tǒng)軟件

圖5 導航服務器軟件

圖6 測試網(wǎng)關(guān)軟件

圖7 數(shù)據(jù)采集器軟件

圖8 態(tài)勢顯示子系統(tǒng)

圖9 評估系統(tǒng)軟件

4 結(jié)束語

有關(guān)多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的研究已經(jīng)比較成熟，但如何對這些算法所構(gòu)成的融合系統(tǒng)性能進行評估的研究卻一直處于探索階段。提出的多傳感器數(shù)據(jù)融合性能仿真測試評估，具有較強的通用性和可擴充性，經(jīng)過在實驗室和外場的工程試驗驗證，能夠較好地對融合系統(tǒng)進行評估。

［1］ 白晶，徐毓，金宏斌.多傳感器數(shù)據(jù)融合仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2004，12(11):1079－1081.

［2］ 裴蘭珍，張金成，羅赟騫，等.雷達航跡融合效果的模糊綜合評估［J］.電光與控制，2006，13(6):50－52.

［3］ 朱捷，朱宏偉，何偉.對幾種不同維數(shù)據(jù)融合方法的仿真對比研究［J］.指揮控制與仿真，2010，32(1):71－74.

［4］ 雷昕，鄢楚平，徐海川.無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究與仿真［J］.計算機工程與設計，2008，29(18):4669－4671.

［5］ 黃漫國，樊尚春，鄭德智，等.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究進展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(3):5－8，12.

［6］ 回春立，劉巍，張豫鶴，等.無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)融合及其能效評估［J］.計算機應用研究，2008，25(2):546－550.

［7］ 王彥愷，丁艷.基于MGEKF 的被動聲納目標探測數(shù)據(jù)融合仿真模型開發(fā)［J］.魚雷技術(shù)，2010，18(1):35－40.

［8］ 陳煒，岳增坤，陳琪.數(shù)據(jù)融合性能仿真測試與綜合評估［J］.火力與指揮控制，2008，33(6):106－110.

［9］ 鄒偉，劉兵，孫倩.多源信息融合能力評估關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］.計算機與數(shù)字工程，2010，38(3):1－5.