基于測(cè)角精度的多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配方法*

楊增學(xué)，雷 灝，張治政，王維強(qiáng)

(華陰兵器試驗(yàn)中心， 陜西華陰 714200)

0 引言

常規(guī)武器導(dǎo)彈、火箭彈、子母彈等試驗(yàn)中連發(fā)齊射多目標(biāo)彈道[1]的實(shí)時(shí)交會(huì)處理結(jié)果，對(duì)評(píng)估武器系統(tǒng)性能，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)測(cè)試、試驗(yàn)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)輔助決策等均有重要作用及意義。其中，同名點(diǎn)匹配[2]是多目標(biāo)彈道實(shí)時(shí)交會(huì)處理的重要組成部分。

現(xiàn)有的多目標(biāo)同名點(diǎn)匹配算法模型基于空間異面直線距離。在多目標(biāo)試驗(yàn)測(cè)量中，由于光學(xué)設(shè)備測(cè)試布站對(duì)稱性差和測(cè)量目標(biāo)距遠(yuǎn)近的不同，給異面直線距離設(shè)定合適閾值較困難，導(dǎo)致多目標(biāo)交會(huì)匹配算法適應(yīng)性不強(qiáng)和實(shí)時(shí)性較差。因此，提出一種新的基于測(cè)角精度[3]的多目標(biāo)光學(xué)測(cè)量實(shí)時(shí)交會(huì)匹配方法，該方法以測(cè)角精度為基礎(chǔ)，通過(guò)雙站交會(huì)、多站驗(yàn)證篩選，有效地提高多目標(biāo)光學(xué)測(cè)量處理的自適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

1 基于測(cè)角精度的多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配算法

1.1 算法原理

1.2 模型建立

設(shè)發(fā)射坐標(biāo)系[4]為O-XYZ，測(cè)量站址O1、O2坐標(biāo)為(X01，Y01，Z01)(X02，Y02，Z02)，目標(biāo)T相對(duì)于O1、O2的方位角和俯仰角分別為A1、E1,A2、E2；O1T1與O1O2的夾角為φ1,O2T2與O1O2的夾角為φ2,O1T1與O2T2的夾角為φ12；O1O2的空間距離為Bl。設(shè)異面直線O1T1、O2T2的公垂線為r,T1、T2分別為兩條異面直線與其公垂線的交點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)，如圖1所示。

圖1 光測(cè)設(shè)備雙站異面交會(huì)[5]示意圖

1)求取異面直線公垂線之間的距離

根據(jù)空間解析幾何理論，可得異面直線公垂線之間的距離為：

r=((X2-X1+R2cosA2cosE2-R1cosA1cosE1)2+ (Y2-Y1+R2sinE2-R1sinE1)2+ (Z2-Z1+R2sinA2cosE2-R1sinA1cosE1)2)1/2

(1)

2)建立測(cè)量精度與測(cè)角精度、測(cè)量目標(biāo)距離的數(shù)學(xué)模型

由于光學(xué)設(shè)備測(cè)量誤差的存在，各測(cè)站計(jì)算出測(cè)量得到的方位、俯仰角后，相當(dāng)于由該站光學(xué)鏡頭中心Oi引出一條指向目標(biāo)的射線OiTi，如圖2所示。

圖2 測(cè)量精度與測(cè)角精度、測(cè)量目標(biāo)距離的關(guān)系

(2)

式中σri=Ri·σγi。

3)確定目標(biāo)與兩射線公垂線的位置關(guān)系

對(duì)于雙站交會(huì)測(cè)量，測(cè)量設(shè)備中心與目標(biāo)構(gòu)成有一定誤差的兩條射線，T點(diǎn)是關(guān)于r1、r2兩個(gè)獨(dú)立變量的二維分布，則目標(biāo)T點(diǎn)對(duì)(r1、r2)對(duì)應(yīng)的似然函數(shù)R(r1、r2)為：

(3)

根據(jù)最大似然估計(jì)理論，目標(biāo)T最有可能落在使似然函數(shù)極大的位置上，目標(biāo)T的最優(yōu)估計(jì)為異面直線R1、R2距離和最小的點(diǎn)，即目標(biāo)T的最優(yōu)估計(jì)在R1、R2的公垂線上。

4)計(jì)算r1、r2的值

由于O1T1和O2T2的公垂線r是唯一確定，當(dāng)μ=0時(shí)，可得似然函數(shù)R(r1、r2)為：

(4)

由上分析可得，基于測(cè)角精度的多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配算法模型為：

(5)

X1、Y1、Z1為測(cè)站O1在發(fā)射坐標(biāo)系中坐標(biāo)；X2、Y2、Z2為測(cè)站O2在發(fā)射坐標(biāo)系中坐標(biāo)；A1、E1為測(cè)站O1的測(cè)角信息方位角、俯仰角；A2、E2為測(cè)站O2的測(cè)角信息方位角、俯仰角。

1.3 算法流程

多目標(biāo)光學(xué)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配算法流程為：

Step1:取測(cè)站O1、O2同一幀測(cè)量所有目標(biāo)像點(diǎn)進(jìn)行排列組合，構(gòu)成序列目標(biāo)像點(diǎn)對(duì)。設(shè)同一幀測(cè)站O1拍攝m個(gè)目標(biāo)像點(diǎn)，測(cè)站O2拍攝n個(gè)目標(biāo)像點(diǎn)，經(jīng)組合后形成m×n個(gè)目標(biāo)像點(diǎn)對(duì)。

Step3:刪除所有沒(méi)標(biāo)注的目標(biāo)像點(diǎn)。

Step4:重復(fù)Step1至Step3直到所有幀目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)彈道識(shí)別完成。

1.4 算法應(yīng)用

在多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)處理中，我們通常采用三個(gè)或多個(gè)測(cè)量站進(jìn)行交會(huì)處理，然后用另外幾個(gè)測(cè)量站數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選的測(cè)量方法。在篩選過(guò)程中采用相應(yīng)設(shè)備測(cè)角精度指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)同名點(diǎn)匹配處理，剔除初步交會(huì)處理產(chǎn)生的假目標(biāo)，獲得最終的真目標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)交會(huì)處理流程如圖3所示。

圖3 多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)處理流程

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中提出的基于測(cè)角精度的多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配算法魯棒性、實(shí)時(shí)性和可靠性，采用VC++6.0軟件開發(fā)工具，研發(fā)了多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)處理軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

1)地面布設(shè)20個(gè)發(fā)光目標(biāo)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

該模擬試驗(yàn)采用在地面上布設(shè)20個(gè)目標(biāo)，利用3個(gè)測(cè)量站進(jìn)行模擬測(cè)量。首先1#和2#測(cè)量站進(jìn)行多目標(biāo)交會(huì)匹配初步篩選，然后將其結(jié)果投影到3#測(cè)量站進(jìn)行多目標(biāo)交會(huì)匹配精細(xì)篩選，初步獲得最終的多目標(biāo)交會(huì)匹配結(jié)果。

圖4 交會(huì)匹配初步篩選結(jié)果

圖5 交會(huì)匹配精細(xì)篩選結(jié)果

初步篩選和精細(xì)篩選結(jié)果分別如圖4、圖5所示，通過(guò)上述兩次應(yīng)用基于測(cè)角精度的多目標(biāo)交會(huì)匹配算法篩選以后，從測(cè)量目標(biāo)210個(gè)中有效識(shí)別出21個(gè)目標(biāo)，覆蓋了全部20個(gè)模擬目標(biāo)，表明該算法適應(yīng)性好、準(zhǔn)確度高。通過(guò)后續(xù)的多目標(biāo)彈道識(shí)別方法，對(duì)于21個(gè)目標(biāo)再進(jìn)行彈道識(shí)別處理便可以剔出多余的一個(gè)假目標(biāo)，最終可得地面模擬20個(gè)多目標(biāo)交會(huì)匹配最終結(jié)果與實(shí)際真值數(shù)據(jù)一致。

2)某型多管火箭彈7連發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證

在某型多管火箭炮連發(fā)齊射試驗(yàn)時(shí)，采用某型紅外彈道相機(jī)對(duì)7連發(fā)火箭彈目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，其左右站彈道識(shí)別情況如圖6所示。由圖6可以看出，針對(duì)某型火箭彈7連發(fā)多目標(biāo)彈道出現(xiàn)斷點(diǎn)和交叉的情況，多目標(biāo)彈道實(shí)時(shí)識(shí)別準(zhǔn)確、有效和可靠。

圖6 某型多管火箭彈7連發(fā)目標(biāo)跟蹤測(cè)量左右站彈道實(shí)時(shí)識(shí)別情況

3 結(jié)論

1)針對(duì)火箭、導(dǎo)彈、子母彈等連發(fā)齊射多目標(biāo)光學(xué)測(cè)量實(shí)時(shí)交會(huì)處理中現(xiàn)有多目標(biāo)交會(huì)匹配算法適應(yīng)性不強(qiáng)和實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，提出了基于測(cè)角精度的多目標(biāo)光學(xué)測(cè)量實(shí)時(shí)交會(huì)匹配新方法，建立了多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配算法模型，有效地提高了多目標(biāo)光學(xué)測(cè)量實(shí)時(shí)處理能力。

2)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于測(cè)角精度的多目標(biāo)實(shí)時(shí)交會(huì)匹配方法，可以有效提升多目標(biāo)光學(xué)測(cè)量處理的自適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性，特別適用于火箭、導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)連發(fā)齊射實(shí)時(shí)評(píng)估綜合毀傷效能、試驗(yàn)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)輔助決策。