基于二次預(yù)測(cè)處理的閉環(huán)跟蹤方法

魏文博，楊雪亞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽　合肥　230088）

基于二次預(yù)測(cè)處理的閉環(huán)跟蹤方法

魏文博，楊雪亞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽合肥230088）

研究了相控陣?yán)走_(dá)多任務(wù)時(shí)閉環(huán)跟蹤波束調(diào)度數(shù)據(jù)率不固定的問(wèn)題，提出一種基于二次預(yù)測(cè)處理的閉環(huán)跟蹤方法。該方法通過(guò)對(duì)前一時(shí)刻濾波結(jié)果進(jìn)行二次預(yù)測(cè)，降低了近距離伴飛或虛警點(diǎn)被關(guān)聯(lián)成跟蹤目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

相控陣?yán)走_(dá)；閉環(huán)跟蹤；二次預(yù)測(cè)

引言

自1956年美國(guó)首臺(tái)采用單脈沖技術(shù)的高精度跟蹤測(cè)量雷達(dá)成功研制以來(lái)，精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)領(lǐng)域，以及各類靶場(chǎng)武器測(cè)控系統(tǒng)［1］。多數(shù)常規(guī)跟蹤測(cè)量雷達(dá)采用反射面天線結(jié)合伺服轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)單個(gè)目標(biāo)實(shí)施連續(xù)高數(shù)率跟蹤，并提供高精度的多維測(cè)量數(shù)據(jù)。

隨著武器裝備新型測(cè)控任務(wù)不斷出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)測(cè)量逐漸成為靶場(chǎng)能力建設(shè)的迫切需求［2-3］。相控陣?yán)走_(dá)以快速的波束切換能力，具備對(duì)指定空域和多個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行搜索、確認(rèn)和跟蹤能力［4-5］。為充分利用時(shí)間能量資源，相控陣?yán)走_(dá)需要根據(jù)目標(biāo)數(shù)量、空域分布情況和關(guān)注程度，進(jìn)行跟蹤資源的自適應(yīng)編排，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)資源最大和最優(yōu)利用［5-7］。在相控陣?yán)走_(dá)多目標(biāo)跟蹤測(cè)量過(guò)程中，由于存在同時(shí)多個(gè)波束調(diào)度申請(qǐng)，因此需要根據(jù)目標(biāo)的重要程度對(duì)多個(gè)任務(wù)重新進(jìn)行編排。這將導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波束調(diào)度時(shí)間的精確控制存在較大難度。

本文結(jié)合相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)波束調(diào)度中存在的數(shù)據(jù)率不固定問(wèn)題，提出了一種基于二次預(yù)測(cè)的處理的閉環(huán)跟蹤方法，較好地解決了跟蹤數(shù)據(jù)率跳動(dòng)問(wèn)題，并獲得了較好效果。

1　信號(hào)模型

在跟蹤測(cè)量雷達(dá)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤過(guò)程中，可采用多種濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)參數(shù)的連續(xù)自動(dòng)跟蹤。這里以α-β-γ濾波器為例進(jìn)行說(shuō)明，閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)的特點(diǎn)設(shè)定跟蹤濾波器α、β和γ三個(gè)參數(shù)的大小，以達(dá)到最佳匹配目標(biāo)距離的變化特性，并能保持系統(tǒng)的跟蹤穩(wěn)定性［8］。

設(shè)xm為參數(shù)測(cè)量值分別為參數(shù)及速度和加速度預(yù)測(cè)值分別為參數(shù)及速度和加速度平滑濾波值，Δx為參數(shù)誤差，T為跟蹤數(shù)據(jù)周期，k為跟蹤時(shí)刻，則遞推方程如下：

平滑方程：

預(yù)測(cè)方程：

如果調(diào)度數(shù)據(jù)率不固定，即上式方程中前后幀時(shí)間間隔為Tt=T+ΔT，則式（5）變?yōu)椋?/p>

由于ΔT的隨機(jī)性，對(duì)下一跟蹤時(shí)刻的預(yù)測(cè)值將產(chǎn)生隨即誤差：

因而需要增大跟蹤時(shí)開窗范圍，這將增加近距離伴飛目標(biāo)或虛警點(diǎn)被關(guān)聯(lián)成跟蹤目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)和概率。

2　二次預(yù)測(cè)處理

雖然前一時(shí)刻對(duì)下一時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)無(wú)法得到調(diào)度的時(shí)間差，但根據(jù)實(shí)際調(diào)度時(shí)間可獲得精確的實(shí)際時(shí)間間隔。因此，可以利用實(shí)際調(diào)度的時(shí)間間隔由前一時(shí)刻的信息重新進(jìn)行預(yù)測(cè)，即二次預(yù)測(cè)，消除數(shù)據(jù)率跳動(dòng)帶來(lái)的預(yù)測(cè)累積誤差，具體流程如下：

1）由目標(biāo)點(diǎn)跡帶回的實(shí)際調(diào)度時(shí)間信息，更新前一時(shí)刻tk-1對(duì)實(shí)際調(diào)度時(shí)刻tk的預(yù)測(cè)值，并由前一時(shí)刻的目標(biāo)信息重新對(duì)實(shí)際調(diào)度時(shí)刻tk進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括監(jiān)視濾波器的二次預(yù)測(cè)和工作濾波器的二次預(yù)測(cè)。

2）對(duì)監(jiān)視濾波器做完二次預(yù)測(cè)之后，更新目標(biāo)的預(yù)測(cè)加速度、預(yù)測(cè)方位和俯仰加速度等信息。

3）由監(jiān)視濾波器的二次預(yù)測(cè)的加速度等信息確定目標(biāo)的狀態(tài)，進(jìn)行濾波器狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

4）利用工作濾波器的二次預(yù)測(cè)值及當(dāng)前實(shí)際量測(cè)值，進(jìn)行閉環(huán)跟蹤點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)和濾波處理，并對(duì)后一時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測(cè)（實(shí)際上在后一時(shí)刻tk-1閉環(huán)跟蹤開始之前當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)值會(huì)被替換掉）。

5）同樣地，對(duì)監(jiān)視濾波器重復(fù)4）步驟。

二次預(yù)測(cè)的流程框圖如圖1所示。

圖1　二次預(yù)測(cè)處理框圖

二次預(yù)測(cè)的方法雖然不會(huì)改變波束調(diào)度的信息，但通過(guò)二次預(yù)測(cè)可以改善閉環(huán)跟蹤點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)時(shí)的預(yù)測(cè)點(diǎn)位置精度，收窄關(guān)聯(lián)窗的大小，尤其是距離。

3　計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果

以某雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，給出閉環(huán)跟蹤實(shí)時(shí)處理結(jié)果，其中跟蹤數(shù)據(jù)率為2Hz，理論調(diào)度周期是500ms。圖2是實(shí)際調(diào)度時(shí)間間隔和理論調(diào)度周期的差別，可見(jiàn)，時(shí)間誤差在幾十毫秒至數(shù)百毫秒不等，而時(shí)間誤差在當(dāng)前時(shí)刻是未知的，做濾波和預(yù)測(cè)時(shí)仍然按照500ms的理論數(shù)據(jù)率進(jìn)行處理，必然導(dǎo)致預(yù)測(cè)值存在較大的波動(dòng)。圖3給出了常規(guī)處理和二次預(yù)測(cè)處理的距離關(guān)聯(lián)誤差，由于調(diào)度時(shí)間誤差起伏較大，導(dǎo)致當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量值和前一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)值之間的差別跳動(dòng)很大，而使用二次預(yù)測(cè)處理之后，兩者之間的誤差和波動(dòng)明顯減小，因此可以將開窗距離門減小，降低了虛警概率，提高雷達(dá)對(duì)導(dǎo)彈試驗(yàn)中頭體分離的識(shí)別度。

圖2　調(diào)度時(shí)間誤差

圖3　改進(jìn)前后效果對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于二次預(yù)測(cè)的閉環(huán)跟蹤處理方法，由當(dāng)前時(shí)刻得到的調(diào)度時(shí)間差再進(jìn)行一次預(yù)測(cè)處理，解決了調(diào)度時(shí)間不固定引起的預(yù)測(cè)誤差大的問(wèn)題，提高了真實(shí)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)成功率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性。

［1］王德純.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］沈榮駿.我國(guó)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展回顧及未來(lái)工作建議［J］.飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2009（3）:1-2.

［3］房鴻瑞.導(dǎo)彈航天測(cè)控新技術(shù)管窺［J］.遙測(cè)遙控，2007（3）:1-8.

［4］張光義.空間探測(cè)相控陣?yán)走_(dá)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［5］付林，唐霜天，劉春艷.多功能相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)資源管理與調(diào)度技術(shù)［J］.雷達(dá)與對(duì)抗，2009（1）:7-8.

［6］侯澤欣.多功能相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度理論與方法［D］.北京:中國(guó)艦船研究院，2013.

［7］毛依娜.相控陣?yán)走_(dá)在跟蹤模式下的資源管理及任務(wù)調(diào)度研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011.

［8］何友.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

（編輯：王佳藝）

Close-Loop Tracking Method Based on Second-Prediction

Wei Wenbo，Yang Xueya
（China Electronic Science and Technology Group 38 Institute Research Institute，Hefei Anhui230088）

Phased array radar is studied whenmultitasking closed-loop tracking data rate is not fixed beam scheduling problem，in this paper，a closed-loop tracking method based on quadratic prediction processing.The moment before the method based on quadratic prediction filtering results，reducing the close companion flies or false alarm pointswere correlated to the risk of tracking target.

phased array radar；close-loop tracking；second-prediction

TN958.92

A

2095-0748（2016）11-0025-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.10

2016-04-22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”項(xiàng)目（No.2014AA7052010）

魏文博（1979—），男，陜西寶雞人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)總體設(shè)計(jì)及反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)技術(shù)；楊雪亞（1984—），男，安徽阜陽(yáng)人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理和陣列信號(hào)處理。