多傳感器協(xié)同定位技術(shù)研究

萬 華

（中國電子科技集團公司38所，合肥230088）

0 引 言

單一傳感器具有因自身特性所決定的局限性，在新一代作戰(zhàn)系統(tǒng)中依靠單傳感器所提供的探測信息已難以滿足作戰(zhàn)需求，而綜合運用多傳感器提供的不同維度的觀測數(shù)據(jù)，不僅擴展了系統(tǒng)探測范圍，改善了探測性能和空間分辨能力，而且降低了目標信息的模糊度，提升了系統(tǒng)探測的可信度［1］。

由多傳感器構(gòu)成的分布式探測系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同探測能力，對目標的發(fā)現(xiàn)性能、定位精度和識別能力等方面均具有明顯改善。其基于實時數(shù)據(jù)交換、信息網(wǎng)絡(luò)共享和協(xié)同處理，將多傳感器探測網(wǎng)整合為統(tǒng)一有機的整體，從而協(xié)調(diào)一致地完成各項探測任務(wù)。

協(xié)同定位技術(shù)是多傳感器協(xié)同探測的關(guān)鍵技術(shù)，是提升探測系統(tǒng)信息質(zhì)量的重要手段。其基本思想就是利用各傳感器的探測特點，通過資源管控和任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)多個傳感器對同一目標的協(xié)同交叉定位。

1 協(xié)同定位的基本概念

多傳感器協(xié)同定位對應(yīng)的多個協(xié)同探測節(jié)點既可以是同類傳感器，也可以是異類傳感器；既可以是單一的地基平臺，也可以是地基、?；⒖栈⑻旎榷喾N平臺；既可以是有源傳感器，也可以是無源傳感器。針對不同的探測任務(wù)背景和作戰(zhàn)需求，需要明確探測系統(tǒng)的不同傳感器組合，如有源雷達、無源雷達、光電、紅外、聲探測傳感器等。

下面，以雷達和光電傳感器為例，具體闡述協(xié)同定位的基本概念。

雷達光電協(xié)同定位就是利用雷達和光電傳感器對目標協(xié)同探測所提供的量測信息組合，獲得對目標的精確位置估計。由于雷達測距精度高，光電測角精度高，因而雷達、光電協(xié)同定位不僅克服了雷達橫向距離誤差大的弱點，而且克服了光電傳感器因僅能測角而帶來的探測不確定性的問題，其基本概念見圖1。

圖1 雷達光電協(xié)同定位基本概念示意圖

類似地，基于探測系統(tǒng)內(nèi)的多種傳感器對目標的協(xié)同定位，可以利用不同傳感器所提供的多維量測信息和冗余信息，充分發(fā)揮各種傳感器的量測優(yōu)勢，實現(xiàn)異類傳感器優(yōu)勢互補。

2 多傳感器協(xié)同定位技術(shù)

2.1 處理流程

多傳感器協(xié)同定位，需要通過管理探測系統(tǒng)內(nèi)多部傳感器的各類資源和探測任務(wù)，對各傳感器實行統(tǒng)一波束調(diào)度和合理資源分配［2］，利用多傳感器探測到的點跡數(shù)據(jù)，完成對目標的空時同步對齊處理、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)［3］和協(xié)同位置估計，其處理流程見圖2。

由于各傳感器具有各自覆蓋空域內(nèi)的搜索、跟蹤等探測任務(wù)，為了實現(xiàn)對重疊區(qū)內(nèi)目標的協(xié)同探測和定位，要對多部傳感器的工作時間、掃描空間等資源進行統(tǒng)一規(guī)劃、管理和分配，合理安排其搜索方式與跟蹤方式之間的時間交替，統(tǒng)籌分配多傳感器的能量資源，對各傳感器的工作模式、波束指向、波束駐留時間、搜索數(shù)據(jù)率、跟蹤數(shù)據(jù)率等進行編排和調(diào)度，進而實現(xiàn)多傳感器對重疊探測區(qū)域目標的協(xié)同探測。因此，多傳感器協(xié)同定位處理的實現(xiàn)前提就是要基于資源調(diào)度來完成各傳感器之間的空時對準和同步。

圖2 多傳感器協(xié)同定位處理流程

2.2 協(xié)同定位算法

針對不同的傳感器組合形式，有不同的協(xié)同定位算法，常用的算法有最小二乘、加權(quán)最小二乘、極大似然估計、幾何定位法、測量子集優(yōu)化定位算法等［4－7］，其中，工程實踐中最常用的算法就是加權(quán)最小二乘協(xié)同定位算法。

假定n個傳感器對目標進行協(xié)同探測，第i個傳感器的位置坐標為 （xi，yi，zi），目標的位置坐標為（x，y，z），第i個傳感器對目標的測量值為Zi，測量誤差協(xié)方差矩陣為Ri。

若第i個傳感器為雷達或聲探測系統(tǒng)，則其測量值Zi和測量誤差協(xié)方差矩陣Ri為：

若第i個傳感器為光電或紅外傳感器，則其測量值Zi和測量誤差協(xié)方差矩陣Ri為：

式中：r為距離量測信息；θ為方位量測信息；φ為仰角量測信息。

由于傳感器量測是在各自的球坐標系下獲得的，進行協(xié)同定位時，首先將所有量測經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到公共坐標系下。各傳感器在公共坐標系下的測量值和相應(yīng)的協(xié)方差為Zoi和Pi，利用加權(quán)最小二乘協(xié)同定位算法［4］，對目標的位置估計如下：

2.3 協(xié)同定位精度

協(xié)同定位精度不僅和參與協(xié)同探測的不同傳感器自身量測特性有關(guān)，還和傳感器、目標位置等幾何分布有關(guān)［7－8］。為了描述定位誤差與幾何的關(guān)系，定義定位精度的幾何稀釋（GDOP），GDOP描述了定位誤差的三維幾何分布，用下式表達［7］：

若各測量子集之間互不相關(guān)，且不考慮站址誤差的影響，加權(quán)最小二乘協(xié)同定位的誤差協(xié)方差矩陣為：

類似地，HDOP描述了定位誤差在水平面的兩維幾何分布，用下式表示：

3 協(xié)同試驗及精度分析

由雷達、光電和聲探測裝備構(gòu)成的多傳感器探測試驗系統(tǒng)對起飛的民航飛機進行了協(xié)同探測試驗。前置部署于機場的聲探測裝備提供目標的預(yù)警信息，雷達在雜波區(qū)及時形成目標航跡，為光電提供目標指示信息。多傳感器協(xié)同探測結(jié)果如圖3所示。

圖3 多傳感器協(xié)同探測情況

通過雷達、聲、光電不同手段的異類多傳感器實現(xiàn)了對目標的高精度協(xié)同探測，統(tǒng)計整條航路探測精度，多傳感器協(xié)同定位水平精度比單傳感器探測精度提升了2倍以上。協(xié)同定位精度與單雷達定位精度對比如圖4所示。

圖4 協(xié)同定位與單雷達定位精度對比

4 結(jié)束語

多傳感器協(xié)同定位技術(shù)基于多傳感器的不同量測特性，綜合利用多維量測信息和冗余信息，可以獲得比任何一部單傳感器更加準確、連續(xù)的探測信息，實現(xiàn)異類傳感器優(yōu)勢互補，促使探測效能倍增。因此，多傳感器協(xié)同定位技術(shù)正受到越來越廣泛的關(guān)注，在預(yù)警探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與此相關(guān)的多傳感器優(yōu)化部署、資源管控、任務(wù)規(guī)劃與管理、系統(tǒng)誤差校正、多目標數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)、高精度時空一致性技術(shù)等也是有待深入研究的技術(shù)方向。

［1］何友，王國宏，陸大金，等.多傳感器信息融合及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

［2］王新民，李樂堯，顧曉婕，等.傳感器組網(wǎng)資源管理技術(shù)及系統(tǒng)仿真平臺［J］.測控技術(shù)，2012，31（6）：6－9.

［3］孫俊生，王建民，王維鋒.多傳感器多目標聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)研究［J］.無線電工程，2009，39（11）：19－21.

［4］費利那 A，斯塔德F A.雷達數(shù)據(jù)處理［M］.匡永勝，張祖稷譯.北京：國防工業(yè)出版社，1988.

［5］葛建軍.傳感器網(wǎng)絡(luò)及其目標幾何定位方法［J］.雷達科學(xué)與技術(shù)，2009，7（2）：81－84.

［6］夏軍成，王春波，倪天權(quán).多艦協(xié)同定位技術(shù)的算法［J］.艦船電子對抗，2008，31（3）：71－73.

［7］孫仲康，周一宇，何黎星.單多基地有源無源定位技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.

［8］劉方正，祁建清.三維空間定位精度分析通用模型［J］.計算機工程，2012，38（3）：284－286.