多傳感器航跡融合在指揮自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

楊　歐

(中國人民解放軍海軍701工廠 研發(fā)部,北京　100015)

?

多傳感器航跡融合在指揮自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

楊歐

(中國人民解放軍海軍701工廠 研發(fā)部,北京100015)

摘要文中對多傳感器航跡融合技術(shù)的基本原理和信息流程等進行了介紹,并對航跡融合技術(shù)在指揮自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用做了進一步分析與說明。根據(jù)多傳感器航跡融合后的鋸齒狀特點,提出了通過濾波技術(shù)進行航跡處理的方法,實現(xiàn)了融合后航跡的平滑。多傳感器航跡融合技術(shù)為指揮自動化系統(tǒng)中的指揮決策提供了豐富的情報信息,提高了決策效率。

關(guān)鍵詞多傳感器;航跡融合;AIS;指揮自動化

Application of Multi-Sensor Track Fusion in Command Automation System

YANG Ou

(Department of R&D,No.701 Factory of PLA (N),Beijing 100015,China)

AbstractIn this paper,the basic principle and technology of multi-sensor track fusion information process are introduced with a further analysis and illustration of the track fusion technology in the application of command automation system.Based on the serrated features after multi-sensor track fusion,we propose the use of the filtering technology to track processing for smooth tracks after fusion.The multi-sensor track fusion technology provides abundant information for command decision in the command automation system,thus higher decision-making efficiency.

Keywordsmulti-sensor;track fusion;AIS;command automation system

航跡融合技術(shù)是指揮自動化信息處理中的關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)將傳感器探測到的目標(biāo)航跡進行綜合處理,形成統(tǒng)一的綜合態(tài)勢。多傳感器航跡融合,是對空間分布的多源傳感器信息進行綜合處理,對多傳感器探測到的目標(biāo)航跡進行野值剔除、時間配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后送融合中心,融合中心綜合所有傳感器的航跡數(shù)據(jù)進行傳感器目標(biāo)航跡的融合、關(guān)聯(lián)等多功能處理,以更高的精度、概率或置信度得到所需要的目標(biāo)狀態(tài)和身份估計,及完整、及時的態(tài)勢和威脅評估,為指揮員提供決策信息[1-4]。

在指揮自動化系統(tǒng)中,大多數(shù)信息管理問題都需要有效地進行數(shù)據(jù)融合處理,且把各種不同的數(shù)據(jù)集成為戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)局勢的一致性表示。指揮自動化系統(tǒng)采用了先進的電子技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù),目標(biāo)環(huán)境信息的綜合程度越來越高。只有通過有效的數(shù)據(jù)融合技術(shù)才能從各個傳感器和其他方面獲得的信息準(zhǔn)確自動合成,減少信息損失,提高環(huán)境態(tài)勢合成度,給指揮員提供準(zhǔn)確的輔助決策[5-9]。本文以對海上目標(biāo)的探測的指揮自動化系統(tǒng)為例,介紹多傳感器航跡融合在指揮自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1航跡融合對指揮系統(tǒng)能力的提升

在指揮自動化系統(tǒng)中,有多種傳感器實現(xiàn)對目標(biāo)的探測,目標(biāo)信息的來源越來越豐富。以對海上目標(biāo)的探測為例,既可主動通過雷達對目標(biāo)進行探測,也可接收海上目標(biāo)發(fā)送的AIS(Automatic Identification System)信息對目標(biāo)的位置、航向航速、國籍、類型等屬性進行探測。多傳感器航跡融合技術(shù)對指揮自動化系統(tǒng)能力的提升主要有以下幾個方面:(1)多傳感器航跡融合中,由于多傳感器同時工作,即使個別傳感器失效,受到干擾或失去對目標(biāo)的覆蓋,其仍能得到足夠的目標(biāo)信息,可有效提高探測到目標(biāo)的數(shù)據(jù)率,從而使系統(tǒng)的可靠性增強;(2)經(jīng)過對多傳感器探測信息的融合,可有效提高融合后目標(biāo)的方位精度和距離精度,提高指揮自動化系統(tǒng)中信息的置信度;(3)通過雷達航跡與AIS信息的關(guān)聯(lián)融合,可提高雷達探測目標(biāo)的國籍、類型識別率,同時可通過AIS中的其他信息更準(zhǔn)確地預(yù)測目標(biāo)的運動狀態(tài),為指揮員指揮和決策提供有效依據(jù)。

2多傳感器航跡融合信息處理流程

航跡融合的正確與否直接關(guān)系到其他融合的正確性。在航跡融合過程中,需要考慮各種各樣情況,如目標(biāo)屬性、目標(biāo)特征、威脅度、批號、各傳感器站點的情況等,因此應(yīng)根據(jù)相應(yīng)條件設(shè)計航跡融合算法[10]。本文主要采用“基準(zhǔn)航跡關(guān)聯(lián)法”完成對海雷達航跡之間、雷達航跡與AIS信息間的關(guān)聯(lián)融合。

航跡信息的預(yù)處理模塊主要包括:坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時間配準(zhǔn)、野值剔除、航跡濾波等。由于每個傳感器分別在不同地點。因此,需將每個站點目標(biāo)的測量坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到融合中心的測量坐標(biāo)系里;每個雷達的觀測時刻和時間間隔也不同,所以需要對不同的雷達數(shù)據(jù)進行時間配準(zhǔn)。同時還須根據(jù)海上目標(biāo)的運動特性,對目標(biāo)航跡進行野值判斷,對目標(biāo)航跡下一點的位置進行預(yù)測等[11-12]。

圖1　多傳感器航跡融合預(yù)處理流程圖

航跡處理過程中,航跡信息關(guān)聯(lián)融合模塊通過航跡關(guān)聯(lián)判斷兩條航跡是否來自于同一目標(biāo),然后對已關(guān)聯(lián)上的航跡按照一定的準(zhǔn)則進行合并,以形成系統(tǒng)航跡,并對融合后的航跡狀態(tài)和協(xié)方差進行計算,以便對航跡更新[13]。融合航跡管理用于管理融合后各傳感器航跡的批號對照表。航跡關(guān)聯(lián)融合信息流程如圖2所示。

圖2　多傳感器航跡關(guān)聯(lián)融合流程圖

3航跡融合在對海指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖3是對海指揮自動化系統(tǒng)中多傳感器航跡融合的效果圖。通過多傳感器航跡融合,將來自雷達1的原始航跡和來自雷達2的原始航跡融合后,形成了融合航跡。從圖中可以看出,融合航跡的航跡點比原始雷達航跡的航跡點更密,說明經(jīng)過融合,融合航跡顯著提高了目標(biāo)的數(shù)據(jù)率,有效增強了指揮自動化系統(tǒng)的可靠性。

圖3　多傳感器航跡融合效果圖

由于雷達航跡是指揮自動化系統(tǒng)中的雷達通過發(fā)射、接收電磁波探測到的,存在一定的系統(tǒng)誤差;而目標(biāo)AIS信息是指揮自動化系統(tǒng)被動接收的,AIS信息在指揮自動化系統(tǒng)中不存在誤差。通過將AIS信息作為真值,比較雷達原始航跡、融合后航跡與目標(biāo)AIS信息的方位精度、距離精度,得到融合后航跡的方位精度、距離精度均小于其中一個雷達原始航跡的方位精度、距離精度,即融合后目標(biāo)航跡的準(zhǔn)確度與雷達航跡相比有所提高,增強了指揮自動化系統(tǒng)信息的置信度。

如圖4所示為雷達1原始航跡、雷達2原始航跡和AIS目標(biāo)信息通過多傳感器航跡融合后形成融合航跡。通過雷達航跡與AIS信息的關(guān)聯(lián)融合,可利用AIS信息中的國籍、類型等信息提高對雷達目標(biāo)的國籍、類型識別率;利用AIS信息提供的目標(biāo)長度、類型和吃水等數(shù)據(jù)彌補雷達航跡數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確度、分辨力和可靠性上的缺陷,求得更加準(zhǔn)確、可靠的目標(biāo)位置,提高指揮自動化系統(tǒng)的可靠性;利用AIS信息提供的目標(biāo)目的地、預(yù)計到達時間、等數(shù)據(jù)進一步了解船舶的操作意圖,以指導(dǎo)指揮自動化系統(tǒng)中的雷達在目標(biāo)跟蹤中更準(zhǔn)確地預(yù)測目標(biāo)運動狀態(tài)[13]。

圖4　多雷達航跡和AIS關(guān)聯(lián)融合效果圖

由于融合航跡采用多傳感器的位置信息,如果不對融合后航跡進行處理,則融合航跡會出現(xiàn)明顯的鋸齒狀,如圖5所示。因此需要對多傳感器航跡融合后的融合航跡進行平滑處理,圖4中的融合航跡已經(jīng)過卡爾曼濾波算法處理[14]。

圖5　多傳感器航跡融合后未處理時的鋸齒狀融合航跡

通過以上實際應(yīng)用可見,多傳感器的航跡融合形成融合航跡,融合航跡包含多種傳感器探測到的目標(biāo)信息,在指揮自動化系統(tǒng)中形成了多傳感器的統(tǒng)一態(tài)勢,指揮員可根據(jù)融合航跡中包含的各種情報信息進行指揮決策,大幅減輕了工作強度,提高了決策效率。

4結(jié)束語

多傳感器航跡融合技術(shù)是指揮自動化系統(tǒng)中重要的信息處理技術(shù),本文對多傳感器航跡融合技術(shù)對指揮自動化能力的提升,多傳感器航跡融合技術(shù)的信息處理流程和多傳感器航跡融合技術(shù)在對海指揮自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用做了介紹和研究,并通過濾波技術(shù)實現(xiàn)對融合后航跡的平滑處理,經(jīng)實際數(shù)據(jù)驗證,取得了較好的融合效果,對指揮自動化系統(tǒng)的能力有明顯提升。

參考文獻

[1]郝潤澤,楊瑞朋.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究現(xiàn)狀及軍事應(yīng)用[J].武器裝備自動化,2007,26(4):16-23.

[2]喬向東,李濤.多傳感器航跡融合綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009,31(2):245-250.

[3]劉炯明.數(shù)據(jù)融合及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.

[4]吳顯亮,官慧峰,尹良澤.多雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與航跡預(yù)測[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)知,2010,40(15):160-173.

[5]李佑祿,霍文軍,王浩,等.雷達指揮自動化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007,18(4):111-115.

[6]單連平,王亞,吳維元.指揮自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].指揮控制與仿真,2007,29(3):1-5.

[7]李德毅,曾占平.發(fā)展中的指揮自動化[M].北京:解放軍出版社,2004.

[8]趙維康,那丹彤,孫德軼.指揮自動化信息融合測試評估系統(tǒng)的設(shè)計[J].氣象水文海洋儀器,2008(2):26-34.

[9]楊俊強,毛征,張志,等.雷達航跡融合算法驗證系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2009,28(11):63-66.

[10]邵偉,孟秋池,龔丹丹.多傳感器數(shù)據(jù)融合與航跡預(yù)測[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)知,2010,40(15):151-159.

[11]徐毓,金以慧.多傳感器異步關(guān)聯(lián)航跡的融合[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(11):1318-1340.

[12]田雪怡,李一兵,李志剛.航跡融合算法在多傳感器融合中的應(yīng)用[J].計算機仿真,2012,29(1):53-56.

[13]于海霞.AIS與雷達數(shù)據(jù)融合方法的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2006.

[14]劉健波,王運鋒.分布式雷達航跡融合關(guān)鍵技術(shù)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版,2006,38(6):119-122.

中圖分類號TP212.4

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-083-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.021

作者簡介:楊歐(1978—),男,工程師。研究方向:指揮自動化,信息融合。

收稿日期:2015- 07- 13