直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)設計

王 琳 強靜雅 黃 海

(陸軍航空兵學院陸軍航空兵研究所 北京 101121)

0 引言

武裝直升機是低空超低空戰(zhàn)場上重要的突擊力量，主要用于對地面裝甲、輕裝甲、步兵戰(zhàn)車目標以及低空范圍內(nèi)直升機、無人機目標實施攻擊。獲取精確一致的目標信息是實施火力打擊的前提。目前，武裝直升機主要通過火控雷達、光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等獲得目標信息。其中，火控雷達作用距離遠，搜索效率高，具備多目標跟蹤能力，但同時存在長時間開機易于暴露，目標識別能力相對較低等不足；光電系統(tǒng)探測識別精度高，隱蔽性好，但由于視場范圍有限，目標搜索效率相對較低；數(shù)據(jù)鏈和地理信息系統(tǒng)等外部數(shù)據(jù)難以直接用于機載火控系統(tǒng)進行目標瞄準，需要完成坐標轉(zhuǎn)換、時間對準等數(shù)據(jù)處理，才能實現(xiàn)與火控雷達、光電系統(tǒng)等配合使用。

多傳感器信息融合與管理控制是提高直升機綜合探測能力和戰(zhàn)場感知能力的有效手段。利用多傳感器信息融合技術，可以彌補單一傳感器在探測識別目標能力上的不足，為直升機平臺提供精確一致的目標數(shù)據(jù)。利用多傳感器管理控制技術，可實現(xiàn)火控雷達、光電系統(tǒng)等傳感器的協(xié)同配合，提高復雜環(huán)境下目標探測識別效率，縮短OODA作戰(zhàn)反應時間。

國內(nèi)有關學者在機載多源信息融合和傳感器管理控制方面開展了大量研究，文獻[1]結(jié)合航電系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)特點及信息融合需求，提出了基于修正JDL模型和數(shù)據(jù)融合樹的體系結(jié)構(gòu)設計思想。文獻[2]圍繞機載信息融合的典型需求和應用現(xiàn)狀，提出了適合未來作戰(zhàn)飛機的動態(tài)信息融合體系機構(gòu)，研究了時間空間配準及目標狀態(tài)估計的方法。文獻[3]提出了一種復雜戰(zhàn)場環(huán)境下機載雷達/紅外融合探測控制與跟蹤方法，給出了協(xié)同探測傳感器控制策略。以上成果為直升機多源信息融合研究提供了寶貴經(jīng)驗，開拓了研究思路。

本文針對直升機載多傳感器的性能特點和作戰(zhàn)過程低截獲的要求，設計了一種信息融合仿真系統(tǒng)，給出了傳感器協(xié)同探測的方法。該系統(tǒng)在融合處理火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的基礎上，利用融合后的目標信息引導光電系統(tǒng)進行協(xié)同探測，實現(xiàn)對目標的快速精確瞄準。該方法可提高直升機多源信息利用效率，降低火控雷達探測照射時間，獲得優(yōu)良的低截獲性能。

1 直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)

1.1 仿真系統(tǒng)組成和功能

直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)由火控雷達數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、直升機多源信息融合分系統(tǒng)、載機平臺數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算分系統(tǒng)和顯示模擬分系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)組成

直升機多源信息融合分系統(tǒng)用于目標信息融合處理、多目標威脅分析等?；鹂乩走_數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)用于生成雷達目標信息。數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)用于生成數(shù)據(jù)鏈的目標信息。地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)用于生成目標的地理位置信息。光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算分系統(tǒng)用于目標瞄準信息解算，計算目標瞄準線中心位置，并根據(jù)瞄準線偏差確定光學系統(tǒng)探測視場。載機平臺模擬分系統(tǒng)用于生成直升機運動數(shù)據(jù)。顯示分系統(tǒng)用于生成光電系統(tǒng)的目標探測與瞄準畫面。

1.2 仿真系統(tǒng)軟件框架

直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)由仿真系統(tǒng)總控模塊、數(shù)據(jù)生成模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及通信網(wǎng)絡等組成，如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)軟件框架

仿真系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法，建立軟件設計規(guī)范和約定，制訂接口控制協(xié)議，劃分軟件項目，分解軟件模塊，完成編碼、單元測試和仿真系統(tǒng)軟件綜合。根據(jù)直升機多源信息融合的需求，獨立開發(fā)數(shù)據(jù)生成模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、數(shù)據(jù)解算模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，各模塊之間通過內(nèi)存共享技術進行數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)軟件設計開發(fā)過程中，全面描述各模塊的功能與接口要求、模型和算法、運行時序、輸入/輸出要求等。

系統(tǒng)總控模塊是仿真系統(tǒng)的“總控臺”，它管理控制整個仿真系統(tǒng)的運行，啟動仿真流程，調(diào)用其它各模塊。系統(tǒng)總控模塊的主要功能有：

1)提供仿真系統(tǒng)統(tǒng)一的時鐘，同步處理軟件模塊的初始化；全系統(tǒng)流程控制，啟動仿真流程，調(diào)用其他各個模塊。

2)協(xié)調(diào)整個仿真系統(tǒng)的運作，完成數(shù)據(jù)生成模塊與數(shù)據(jù)融合模塊之間的通信控制，完成各個模塊運行的時序排列、輸入/輸出要求。

3)提供仿真系統(tǒng)人機交互界面，包括選擇與顯示仿真場景，設置火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)、直升機狀態(tài)、目標數(shù)量/狀態(tài)等參數(shù)，設置仿真次數(shù)，設定傳感器組合，啟動仿真運行，顯示仿真結(jié)果。

1.3 仿真系統(tǒng)運行流程

仿真系統(tǒng)采用VisualC++6.0和Matlab混合編程實現(xiàn)，運行環(huán)境為win7系統(tǒng)，總體運行流程如圖3所示。仿真系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)生成模塊模擬出目標數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)依次傳輸至融合模塊和解算模塊。數(shù)據(jù)通信基于TCP/IP協(xié)議，利用網(wǎng)絡套接字Socket實現(xiàn)，并通過VisualC++6.0提供的CSocket類完成通信處理。

圖3 仿真系統(tǒng)運行流程

仿真系統(tǒng)在軟件設計時充分考慮了用戶接口。其中，在數(shù)據(jù)生成模塊設計時，預留了各傳感器的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了模塊的通用性。傳感器的性能參數(shù)通過可編輯的屬性頁實現(xiàn)，并根據(jù)需要選擇和輸入?yún)?shù)，賦予合理的默認值。傳感器的目標航跡信息可以進行中斷設定，包括航跡中斷起止時間、航跡中斷可恢復最大間隔時間等。顯示設定通過可選擇復合框和可編輯對話框?qū)崿F(xiàn)。在數(shù)據(jù)融合模塊設計時，根據(jù)多目標的優(yōu)先級順序，利用通信網(wǎng)絡將目標融合數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。

2 數(shù)據(jù)生成模塊

數(shù)據(jù)生成模塊主要包括目標數(shù)據(jù)模擬、直升機數(shù)據(jù)模擬和傳感器數(shù)據(jù)模擬。

2.1 目標數(shù)據(jù)模擬

目標數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成每個目標的航跡數(shù)據(jù)(包括目標位置、速度、加速度)，根據(jù)設置的典型仿真場景，模擬目標的運動軌跡。每個目標參數(shù)相互獨立，目標航跡可以預先獨立設定，形成航路點文件保存，也可對其進行實時操作。

目標數(shù)據(jù)生成模塊由系統(tǒng)總控模塊調(diào)用，該模塊的輸入是目標數(shù)量、目標運動參數(shù)和仿真時間。目標運動模型主要有：勻速模型、勻加速模型、交互式多模型、當前統(tǒng)計運動模型等。模塊輸出是目標在每個仿真時刻的運動參數(shù)。

2.2 直升機數(shù)據(jù)模擬

1)直升機航跡信息模擬模塊

直升機航跡信息模擬模塊用于生成直升機的空間航跡數(shù)據(jù)(包括直升機位置、速度、加速度)，模擬直升機的運動軌跡。直升機航跡可任意設定，或采用預定航路點文件給出。

該模塊的輸入是直升機平臺的機動性能參數(shù)和仿真時間。直升機運動模型主要包括勻速模型、勻加速模型、圓周運動模型、交互式多模型、當前統(tǒng)計運動模型等。模塊輸出為直升機在每個仿真時刻的運動參數(shù)。

2)直升機慣導數(shù)據(jù)模擬模塊

直升機慣導數(shù)據(jù)模擬模塊是以生成的直升機航跡信息為基礎，綜合考慮慣導系統(tǒng)的位置誤差和角度誤差，疊加生成直升機的慣導數(shù)據(jù)，包括直升機位置(經(jīng)度、緯度、高度)、速度矢量、飛行姿態(tài)(方位角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角)數(shù)據(jù)等。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)模擬

根據(jù)系統(tǒng)總控模塊選定的仿真場景，以及設置的傳感器參數(shù)進行加噪加雜處理，實現(xiàn)火控雷達、光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈的目標數(shù)據(jù)模擬。

1)火控雷達數(shù)據(jù)模擬模塊

火控雷達數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成雷達測量數(shù)據(jù)；該模塊的輸入是目標數(shù)據(jù)模擬模塊生成的目標數(shù)據(jù)，輸出是每個時刻目標在火控雷達坐標系中的距離、角度(方位角、俯仰角)、速度等參數(shù)。該模塊中加入了正態(tài)分布和瑞利分布噪聲來模擬雷達探測目標的隨機噪聲，以此提高數(shù)據(jù)仿真的逼真度。

2)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬模塊

數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成數(shù)據(jù)鏈提供的信息，該信息包含了數(shù)據(jù)率和傳輸延遲，暫不考慮數(shù)據(jù)丟包。其中，數(shù)據(jù)鏈的精度和數(shù)據(jù)率由提供目標數(shù)據(jù)的平臺和通信網(wǎng)絡決定；傳輸延遲由數(shù)據(jù)包發(fā)送和到達時間確定。

3)地理信息數(shù)據(jù)模擬模塊

地理信息數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成目標在大地坐標系統(tǒng)下的參數(shù)信息，包括目標的經(jīng)度、緯度、高度。

3 數(shù)據(jù)融合模塊

數(shù)據(jù)融合模塊是仿真系統(tǒng)的核心，它接收火控雷達、數(shù)據(jù)鏈和地理信息系統(tǒng)等目標數(shù)據(jù)，先進行坐標轉(zhuǎn)換、時間對準等數(shù)據(jù)預處理，再進行航跡融合。

3.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理是多源信息融合的基礎，直升機平臺不僅要融合機載傳感器的數(shù)據(jù)，還要融合其它平臺利用數(shù)據(jù)鏈等傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有不同的采樣間隔、數(shù)據(jù)格式、觀測坐標系，需要對其進行坐標轉(zhuǎn)換、時間對準、延遲外推等預處理。

1)坐標轉(zhuǎn)換

直升機載火控雷達、光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等都是基于各自的觀測坐標系。實現(xiàn)信息融合前，必須將不同坐標系的觀測值轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一參考坐標系。仿真系統(tǒng)中采用的坐標轉(zhuǎn)換關系如圖4所示，坐標轉(zhuǎn)換采用齊次坐標轉(zhuǎn)換方法進行，先坐標系轉(zhuǎn)換，后坐標平移。

圖4 坐標轉(zhuǎn)換示意圖

2)時間對準

由于各傳感器上報數(shù)據(jù)的起始時間及數(shù)據(jù)率不同，在數(shù)據(jù)融合前，仿真系統(tǒng)主要采用最小二乘、內(nèi)插外推、拉格朗日二次插值等[4]方法，將不同時刻的傳感器數(shù)據(jù)進行時間對準。

3)狀態(tài)延遲外推

由于通信傳輸原因，數(shù)據(jù)鏈的目標數(shù)據(jù)存在延遲，仿真系統(tǒng)采用“目標觀測補償”的方法，虛擬產(chǎn)生目標量測值，在卡爾曼濾波算法的基礎上，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲的外推補償。設數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲時間為td，虛擬產(chǎn)生的目標量測補償值為

(1)

其中，xk+1為目標狀態(tài)，zk+1|k為k+1時刻的目標觀測值，zk+td|k為延遲外推后的目標觀測值。

3.2 航跡融合

直升機多源信息融合采用分布式融合結(jié)構(gòu)，首先由各傳感器形成目標的航跡信息，在航跡關聯(lián)基礎上，對分布式航跡數(shù)據(jù)進行融合。根據(jù)各傳感器的目標航跡信息是否同步，分為航跡同步融合和航跡異步融合[5]。

1)航跡同步融合

航跡同步融合是以火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等傳感器的局部狀態(tài)估計為基礎，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)融合處理。由于在相同的戰(zhàn)場環(huán)境下，火控雷達、數(shù)據(jù)鏈等多傳感器之間的量測噪聲存在相關性，從而對航跡融合精度產(chǎn)生影響，因此在仿真系統(tǒng)的軟件算法設計中，重點引入噪聲不相關和噪聲相關兩種融合算法[6]。這兩種方法均等價于集中式融合算法，航跡融合估計的結(jié)果是最小均方根意義下的。其中，噪聲相關的融合算法可適用于噪聲相關程度高的作戰(zhàn)環(huán)境，能夠提高火控雷達、數(shù)據(jù)鏈等數(shù)據(jù)的融合精度。

2)航跡異步融合

由于火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等傳感器數(shù)據(jù)不同步，以及數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲等問題，無法進行航跡同步融合。為此，在仿真系統(tǒng)的軟件算法設計中，引入可應用于工程實踐的航跡異步融合算法，并采用集中式、分布式、實時更新的三種異步融合策略[7]來解決各傳感器不同采樣速率和數(shù)據(jù)處理周期的問題。

4 數(shù)據(jù)處理與顯示模塊

4.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要用于接收數(shù)據(jù)融合模塊的信息，進行目標瞄準線解算，然后將計算的目標瞄準線與真實目標線進行對比，以此確定目標瞄準線方位和俯仰角度偏差[8]，如圖5所示。模塊輸入是目標位置、直升機位置和姿態(tài)參數(shù)，模塊輸出是光電系統(tǒng)目標瞄準線的方位角和俯仰角。

圖5 目標瞄準線角度偏差示意圖

光電系統(tǒng)目標瞄準線角度偏差計算方法如下：

步驟1：目標瞄準線計算。根據(jù)融合后的目標數(shù)據(jù)與直升機的空間位置關系，計算光電系統(tǒng)目標瞄準線的方位角和俯仰角。

步驟2：目標瞄準線偏差計算。將計算的目標瞄準線與真實目標線進行對比，分別計算方位角和俯仰角的目標瞄準線偏差。

步驟3：迭代計算。仿真系統(tǒng)設置了隨機誤差，采用蒙特卡洛統(tǒng)計試驗法，計算目標瞄準線偏差均值。

4.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊主要用于顯示光電系統(tǒng)的目標瞄準線和探測視場，以及目標的顯示位置。根據(jù)計算目標瞄準線與真實目標瞄準線的偏差大小，存在四類典型情形：一是目標位于光學系統(tǒng)小視場內(nèi)；二是目標位于光學系統(tǒng)中視場內(nèi)；三是目標位于在光學系統(tǒng)大視場內(nèi)；四是目標位于在光學系統(tǒng)大視場外。光電系統(tǒng)需要根據(jù)計算的目標瞄準線偏差，合理確定視場中心和視場范圍，實現(xiàn)對目標的快速精確瞄準。

5 結(jié)束語

本文針對直升機多源信息融合的需求，設計了一種信息融合仿真系統(tǒng)，并給出了傳感器協(xié)同探測的方法。該系統(tǒng)在融合處理火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的基礎上，利用融合后的目標信息，引導光電系統(tǒng)進行協(xié)同探測，實現(xiàn)對目標的快速精確瞄準。利用提出的方法可以提高直升機多源信息利用效率，降低火控雷達探測照射時間，獲得優(yōu)良的低截獲性能，研究成果可為開展直升機多源信息融合技術研究提供參考。由于火控雷達作用距離遠，在協(xié)同探測時還要考慮雷達以及數(shù)據(jù)鏈提供數(shù)據(jù)與光電系統(tǒng)探測距離匹配性的問題。