VTS導(dǎo)航雷達中抑制遠距離隨機誤差的高精度靜態(tài)目標(biāo)跟蹤方法

趙　航,姚　遠,崔威威,丁　春

(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,南京211153)

VTS導(dǎo)航雷達中抑制遠距離隨機誤差的高精度靜態(tài)目標(biāo)跟蹤方法

趙航1,姚遠2,崔威威2,丁春2

(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,南京211153)

摘要：在VTS系統(tǒng)的應(yīng)用中需要對錨區(qū)內(nèi)停泊的目標(biāo)進行監(jiān)管。在港口或碼頭的水域內(nèi),錨區(qū)通常位于監(jiān)管區(qū)域的遠端,雷達方位上的隨機誤差在傳遞到直角坐標(biāo)時會使目標(biāo)點跡在雷達站的切向方位上呈現(xiàn)搖擺的特點,并且錨區(qū)內(nèi)的目標(biāo)通常比較密集,所以VTS系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)航雷達在跟蹤遠區(qū)內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)時會面臨較大的困難。本文利用點跡雜波圖生成雷達監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢,然后將靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢和目標(biāo)航跡分布進行關(guān)聯(lián),并利用靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢的位置信息對目標(biāo)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進行修正,以提高對遠距離靜態(tài)目標(biāo)的跟蹤精度。

關(guān)鍵詞:VTS；點跡雜波圖；靜態(tài)目標(biāo)

0引言

錨區(qū)是在VTS系統(tǒng)監(jiān)管水域中根據(jù)水深、地質(zhì)、避風(fēng)等條件選定的、專供船只拋錨停泊及船隊編組的地點。為了實時了解錨區(qū)內(nèi)錨位上目標(biāo)?？康臓顟B(tài),VTS系統(tǒng)需要對該類?？康哪繕?biāo)進行監(jiān)控。由于目標(biāo)在?？繝顟B(tài)下船上的AIS信息上報的數(shù)據(jù)率較低或者AIS設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài),無法及時反映目標(biāo)的運動狀態(tài),所以對于該類目標(biāo),VTS系統(tǒng)無法利用AIS信息來管理目標(biāo),只能依靠雷達跟蹤來實現(xiàn)對于目標(biāo)的實時監(jiān)管。錨區(qū)一般位于VTS系統(tǒng)監(jiān)管水域的遠端。雷達方位上的隨機誤差在傳遞到直角坐標(biāo)時會使目標(biāo)點跡在雷達站的切向方位上呈現(xiàn)搖擺的特點,并且錨區(qū)內(nèi)的目標(biāo)通常相對比較密集,所以VTS系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)航雷達在跟蹤遠區(qū)內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)時會面臨較大的困難。

本文利用點跡雜波圖生成雷達監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢,然后將靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢和目標(biāo)航跡分布進行關(guān)聯(lián)[1],并利用靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢的位置信息對目標(biāo)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進行修正,以提高對遠距離靜態(tài)目標(biāo)的跟蹤精度。

1態(tài)勢和目標(biāo)分布關(guān)聯(lián)技術(shù)

利用點跡雜波圖的結(jié)果對雷達監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)點跡進行靜態(tài)篩選,挑選出每個掃描周期內(nèi)屬于靜態(tài)目標(biāo)的點跡,生成靜態(tài)目標(biāo)的分布態(tài)勢,然后將雷達監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)與靜態(tài)目標(biāo)的分布態(tài)勢作相關(guān)處理,生成航跡與態(tài)勢的對應(yīng)關(guān)系。態(tài)勢和目標(biāo)分布關(guān)聯(lián)技術(shù)的實現(xiàn)途徑如下:

(1) 點跡雜波圖生成靜態(tài)目標(biāo)分布態(tài)勢

點跡雜波圖的基本理論為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(biāo)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(biāo)來說只有少數(shù)幾次掃描回波仍保留在波門中。點跡雜波圖可以給出雷達覆蓋范圍內(nèi)固定雜波的位置信息。

把點跡雜波圖篩選出來的每一個雷達周期的靜態(tài)目標(biāo)點跡建立成為一個目標(biāo)集合:

其中nA為點跡雜波圖篩選出來的靜態(tài)目標(biāo)個數(shù)。

對于篩選出來的靜態(tài)目標(biāo)的相對拓撲信息,當(dāng)前選中的目標(biāo)與其他目標(biāo)之問的相對距離及與其他各目標(biāo)連線相對于正北方向的夾角不會受到隨機誤差的影響,因而可以根據(jù)這些目標(biāo)之間的拓撲信息量定義該目標(biāo)相對拓撲向量[2]。

以當(dāng)前選中的目標(biāo)為坐標(biāo)系的原點建立極坐標(biāo)系,沿順時針方向劃分為M個象限,其他目標(biāo)按照相對當(dāng)前選中的目標(biāo)的位置關(guān)系落入各象限內(nèi)。將落入每一象限內(nèi)的各目標(biāo)與當(dāng)前選中的目標(biāo)間的歐氏距離分別求和,作為該象限的相對拓撲分量。

假設(shè)某一時刻,篩選出來的6個靜態(tài)目標(biāo)分布如圖1所示,極坐標(biāo)系以目標(biāo)3為原點,沿順時針方向劃分為8個象限,則以目標(biāo)3為極坐標(biāo)系原點所建立的拓撲向量定義為

其中,拓撲向量的維數(shù)與極坐標(biāo)劃分的象限個數(shù)一致,ρ表示目標(biāo)之間的歐氏距離。

將篩選出來的靜態(tài)目標(biāo)依次計算各自的拓撲向量,則靜態(tài)目標(biāo)與各自的拓撲向量集合組成了靜態(tài)目標(biāo)分布態(tài)勢。

圖1　拓撲向量生成示意圖

(2) 航跡數(shù)據(jù)生成目標(biāo)分布

航跡數(shù)據(jù)生成的目標(biāo)分布與點跡雜波圖生成靜態(tài)目標(biāo)分布態(tài)勢的過程類似。為了減少計算量和降低相關(guān)處理的計算復(fù)雜度,先根據(jù)航跡數(shù)據(jù)中的速度信息完成航跡數(shù)據(jù)的篩選,把慢速(2～3 kn以下)目標(biāo)篩選出來用于生成目標(biāo)分布。

將篩選出來的慢速目標(biāo)依次計算各自的拓撲向量,則篩選出來的慢速目標(biāo)與各自的拓撲向量集合生成了航跡數(shù)據(jù)的目標(biāo)分布。

(3) 航跡與態(tài)勢的相關(guān)處理

對k時刻點跡雜波圖篩選出來的m個靜態(tài)目標(biāo)和航跡數(shù)據(jù)篩選出來的n個慢速目標(biāo)可以構(gòu)建以下的模糊關(guān)聯(lián)矩陣。

其中fij(k)表示第i個靜態(tài)目標(biāo)與第j個慢速目標(biāo)的拓撲向量之間的相關(guān)系數(shù)大小。航跡與態(tài)勢的相關(guān)判別采用雙門限準則[3],選取正整數(shù)I和R,k=1,2,…,R。若目標(biāo)i,j關(guān)聯(lián)成功,則設(shè)定mij(k)=mij(k-1)+1,mij(0)=0,且Dij′(k)=Dij′(k-1)+1,j′≠j,Di,j(k)=Di′,j(k-1)+1,i′,≠i。否則置F(k)中所有元素對應(yīng)的Dij(k)=Dij(k-1)+1。其中,mij(k)和Dij(k)分別定義為航跡對準關(guān)聯(lián)和脫離質(zhì)量。在每次計算fij(k)之前,需要判斷若Dij(k-1)>R-I,則fij(k)=0。若在R次對準關(guān)聯(lián)檢驗后,有mij(R)≥I,則認為航跡i與j形成固定關(guān)聯(lián),并停止對它們進行后續(xù)的關(guān)聯(lián)檢驗,認定第i個靜態(tài)目標(biāo)與第j個慢速目標(biāo)相關(guān)。

2靜態(tài)目標(biāo)高精度跟蹤技術(shù)

在完成了點跡雜波圖篩選出來的m個靜態(tài)目標(biāo)和航跡數(shù)據(jù)篩選出來的n個慢速目標(biāo)的相關(guān)處理之后,根據(jù)相關(guān)的結(jié)果可以獲取慢速航跡與靜態(tài)目標(biāo)的一一對應(yīng)關(guān)系。由于點跡雜波圖在維護過程中采用的是一種類似于掃描周期間反饋的方式,可以有效抑制由于隨機誤差帶來的點跡搖擺特性。當(dāng)慢速目標(biāo)與點跡雜波圖篩選出的靜態(tài)目標(biāo)產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系后,將慢速目標(biāo)在每個雷達掃描周期內(nèi)的有效關(guān)聯(lián)點跡由點跡雜波圖作過掃描周期間反饋后的點跡替代。

周期間反饋式積累的公式為

對成功相關(guān)的靜態(tài)或者慢速目標(biāo)凝聚的雷達點跡作周期間反饋式積累,可以有效地改善由于隨機誤差所帶來的影響,提高雷達凝聚點跡的位置精度。

當(dāng)目標(biāo)從錨區(qū)內(nèi)的泊位上解纜起錨時,并當(dāng)目標(biāo)移出點跡雜波圖維護的關(guān)聯(lián)范圍后,則該位置的點跡雜波圖就無法繼續(xù)更新。當(dāng)慢速目標(biāo)無法找到相應(yīng)作過滑窗積累的點跡雜波圖點跡時,就自動使用其自身關(guān)聯(lián)到的雷達點跡。所以,以上提及的相應(yīng)技術(shù)既能保證靜態(tài)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤,又可以及時響應(yīng)目標(biāo)由靜轉(zhuǎn)動的運動狀態(tài)變化。

3工程應(yīng)用效果

在連云港VTS項目現(xiàn)場驗收的測試中,選中距離雷達12km左右的浮標(biāo)作為靜態(tài)測試的目標(biāo)。將DGPS放置在浮標(biāo)上用來采集靜態(tài)目標(biāo)的真值。圖2、圖3所示為雷達點跡和雷達跟蹤生成的航跡效果圖,圖中實心圓點表示雷達凝聚的目標(biāo)點跡,空心圓圈表示雷達跟蹤生成的航跡。

根據(jù)DGPS采集的真值計算采用穩(wěn)定跟蹤技術(shù)前后,靜態(tài)目標(biāo)跟蹤精度,計算結(jié)果如表1所示。

表1

方位精度(°)距離精度(m)穩(wěn)定跟蹤技術(shù)0.02369.255非穩(wěn)定跟蹤技術(shù)0.043514.238

4結(jié)束語

為了解決雷達隨機誤差在遠距離上對目標(biāo)點跡在雷達站切向方位上帶來的影響,本文利用點跡雜波圖生成雷達監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢,然后將靜態(tài)目標(biāo)態(tài)勢和目標(biāo)航跡分布進行關(guān)聯(lián),實現(xiàn)對遠距離靜態(tài)目標(biāo)的高精度跟蹤,并且附加說明了該技術(shù)在實現(xiàn)靜態(tài)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的同時不會影響對目標(biāo)由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)時的跟蹤性能。文中提及相應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到了海事VTS的多個系統(tǒng)中,并通過了連云港、靖江VTS系統(tǒng)的現(xiàn)場驗收。

參考文獻:

[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,2007.

[2]楊哲,韓崇昭,李晨,等.基于目標(biāo)之間拓撲信息的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(9).

[3]宋強,熊偉,馬強.基于目標(biāo)不變信息量的模糊航跡對準關(guān)聯(lián)算法[J].系統(tǒng)工程和電子技術(shù),2011(1).

A high-precision static target tracking method of suppressing

remote random errors for VTS navigation radar

ZHAO Hang1, YAO Yuan2, CUI Wei-wei2, DING Chun2

(1.Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The targets berthed in the anchorage area are required to be supervised in the application of the VTS system. The anchorage area is usually located in the remote area of the supervision zone in the waters of the harbor or the dock. When the random errors in radar azimuth are sent to the rectangular coordinates, the plot swing shall occur in the tangential direction at the radar station. Usually, the targets in the anchorage area are very dense. Therefore, the navigation radar in the VTS system is faced with a difficult problem in tracking the static targets in the remote area. The static target situation in the supervision zone is generated by utilizing the plot clutter map, and then the static target situation and the target track distribution are correlated. Moreover, the correlated target data are corrected according to the location information of the static target situation to improve the tracking precision of the static targets.

Keywords:VTS; plot clutter map; static target

中圖分類號:TN957.51

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0015-03

作者簡介:趙航(1989-),男,助理工程師,研究方向:雷達工程；姚遠(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達數(shù)據(jù)處理；崔威威(1987-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達數(shù)據(jù)處理；丁春(1983-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2015-05-30;修回日期:2015-06-10