组网雷达时空对准方法

2013-10-21张艳艳董普靠

火控雷达技术 2013年2期

张艳艳董普靠高恒

(西安电子工程研究所 710100)

1 引言

在雷达组网系统中，分布在不同平台的不同类型、不同精度传感器，由于其所在位置各不相同，选取的观测坐标系不一样，加上传感器的采样频率也有很大差别，因此，即使是对同一个目标进行观测，各传感器所得到的目标观测数据也会有很大的差别。所以，在进行多传感器信息融合时，首先要做的工作是把从不同平台不同传感器获得的目标观测数据进行时空对准，即把从不同平台不同传感器获得的目标观测数据转换到统一坐标系下，并统一量测单位，在空间和时间上进行统一［1］。为统一空间坐标，需要将各雷达站上报给融合中心的目标位置信息进行坐标转换，转换到以融合中心为坐标原点的坐标系中。为统一时间，各站及融合中心均以GPS授时信号或北斗授时信号为基准，使信息系统内所有的计算机保持时间同步，并且令观测信息附带时间标示以便于时间对准，但这样做并不能保证各站所发送的观测数据在时间上的一致性，再加上信息传输过程中的时延，融合中心的目标数据常常是不同步的［2］;另外，在多目标的情况下，由于各雷达的数据流源于多个不同的目标，即使各雷达的观测时刻相同，也仍然需要时间对准。只有当各雷达在同一时刻所提供的是同一目标的数据，才能认为时间对准了［3］。故在进行数据融合处理之前必须先对其进行空间校正和时间校正。

空间对准和时间对准技术是组网雷达数据融合的预处理过程。空间对准是通过选择一个基准坐标系，把来自不同平台的多传感器数据都统一到该坐标系下［1］。时间对准通过外推和内插等处理手段，将目标观测坐标值转换到融合中心的时间坐标上来，或将数据的采样周期调整到统一的时间尺度上。需要说明的是，本文所述空间对准和时间对准技术适用于分布式数据融合系统结构。

2 空间对准技术

空间对准中涉及的参考坐标系较多，相互之间的转换关系复杂，为此，必须首先明确有关坐标系的建立及它们之间的相互关系。

2.1 坐标系［4］

地心大地坐标系:地球椭球中心与地球质心O重合，椭球的短轴与地球自转轴相吻合，大地纬度φ为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角;大地经度J 为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角;大地高H 为地面点沿椭球法线到椭球面的高度;如图1 所示。任意一目标点P 在地心大地坐标系中的坐标可表示为P(φ，J，H)。GPS 测量系统给出的位置坐标值使用此坐标系。

图1 地心空间直角坐标系与地心大地坐标系

地心空间直角坐标系:在参考椭球体内建立的坐标系Oxyz，它的原点在椭球中心O，z 轴与椭球短轴重合，x 轴与椭球赤道面和起始大地子午面的交线重合，y 轴与xz 平面正交，指向东方。x、y、z 轴构成右手系，点p 的地心直角坐标系用(x，y，z)表示，见图1。

雷达直角坐标系:以雷达天线回转中心(天线基座平面内)为原点OR;建立地理直角坐标系ORXRYRZR，XR轴沿OR所在经度线指北，YR轴沿OR所在纬度线指东，垂直于天线基座平面向上为ZR轴正方向，构成左手坐标系，如图2 所示，任意一目标点T 在雷达直角坐标系中的坐标为T(xR，yR，zR)。需要说明的是本文所采用的雷达坐标系为左手直角坐标系。

雷达球坐标系:如图2 所示，假设任意目标点为T，以雷达天线回转中心(天线基座平面内)为原点OR(即以雷达直角坐标系的原点为原点);ORT 在XRORYR平面上的投影与雷达直角坐标系的XR轴的夹角αR为方位角(顺时针方向为正);ORT 与XRORYR平面的夹角βR为俯仰角(向上为正);目标点T 与原点OR的径向长度为距离RR;任意一目标点T 在雷达球坐标系中的坐标可表示为T(RR，αR，βR)。雷达直接测得目标位置信息为雷达球坐标系下的坐标。

图2 雷达坐标系

2.2 坐标转换

空间对准在地心空间直角坐标系中进行，首先获得雷达站在地心大地坐标系中的坐标，将雷达站所观测数据由球坐标形式转换为该雷达站为中心的直角坐标系下，再借助地心空间直角坐标系进一步转换到融合中心直角坐标系下，从而完成所需的坐标转换。

各雷达站利用GPS 测量仪获取本站的位置信息，包括大地经纬度高(φ0，J0，H0)，融合中心的位置信息为(φ1，J1，H1)，利用地心大地坐标系和地心空间直角坐标系之间的坐标变换获得雷达站的地心空间直角坐标系坐标(x0，y0，z0)，具体变换如公式(1)所示。

其中，N 为所选定的地球椭球体的卯酉圈曲率半径，且

a 为地球长半径，a=6378137m;e 为椭球第一偏心率，e2=0.00669437999013 。

各雷达站观测的目标坐标为球坐标(obj_radar_R，obj_radar_A，obj_radar_E)，该坐标值可直接转换为直角坐标(obj_radar_x，obj_ radar_y，obj_ radar_z)，接着通过在地心空间直角坐标系的变换，获得目标在地心空间直角坐标系下的坐标值(obj_earth_x，obj_earth_y，obj_earth_z)，具体转换:

同理，利用融合中心的经纬高位置信息可获得融合中心的地心空间直角坐标(x1，y1，z1)，接着将目标在地心空间直角坐标系下的坐标变换至融合中心坐标系下的坐标，具体变换如公式(4)所示。

至此，已经完成了不同雷达站观测数据到融合中心的坐标变换，即完成了数据的空间对准。

3 时间对准技术

时间对准是指在某一时间片内，对各传感器采集的该时间片内的目标观测数据进行内插或外推，使其对准到同一时间点上，也就是进行时间的对齐处理。本文提出的权值自适应时间对准技术采用插值同航迹外推相结合的方法，通过相应计算获得融合中心系统航迹滤波估计同各站局部航迹的统计距离，然后根据统计距离的大小自适应获得各自的权值，并以该权值作为时间对准的依据。该方法同系统形成闭环处理，具有较高的精度;同时该方法具有较好的实时性，能在各雷达站目标数据信息到达融合中心后及时进行时间对准，为后期目标合并、目标关联、跟踪、特征提取提供对准后的目标信息。权值自适应时间对准技术包括初步时间对准和二次时间对准。

3.1 初步时间对准

在组网雷达系统中，各雷达天线扫描周期可能不相同，致使各雷达输出至数据融合中心的局部航迹的频率不一致，此时如何选取数据融合的处理周期至关重要，周期太小，导致扫描周期大的雷达所观测的数据不能及时到达融合中心，从而降低融合精度，周期太大，融合中心发现目标的速率又太慢。

本文所述数据融合技术在综合考虑以上因素的前提下以组网雷达系统某一指定雷达天线扫描周期作为处理周期的。由于数据融合处理按照方位区的先后顺序进行的，初步时间对准也按方位区先后顺序进行，用于完成局部航迹和系统航迹的初次配对，具体流程图如图3 所示。在融合处理进行到当前方位区的时候，对于该方位区的局部航迹，如果该方位区内系统航迹未建立，则建立系统航迹;如果系统航迹已建立，就把当前方位区的系统航迹预测到当前局部航迹的时刻，预测公式如下:

其中，F 是单位矩阵;Tdyn是航迹预测时间，即为局部航迹的时间和系统航迹时间的差值;

图3 初步时间对准流程图

在系统航迹和局部航迹关联前，确定一阈值数值M，该值与目标的机动性有关，机动性越高，M 越大，反之越小。由于系统航迹关联的局部航迹不止一条，需要在阈值M 内进行更小的划分，即进行多级波门的划定，根据此波门确定自适应时间对准的权值。

系统航迹预测后，计算系统航迹的外推位置和局部航迹当前位置之间的欧氏距离，将该欧氏距离与事先确定的阈值M 相比较，若该欧氏距离大于M，说明该局部航迹和系统航迹关联失败，否则欧氏距离小于M，说明该局部航迹和系统航迹关联成功;记录关联成功局部航迹批号和关联波门号，等待后续处理。

在查找完本方位区所有的局部航迹后，若只有一个欧氏距离小于M，则说明本次融合过程有一条局部航迹和系统航迹关联;若有多个欧氏距离小于M，则说明有多条局部航迹和系统航迹关联。

3.2 二次时间对准

二次时间对准在初次时间对准的基础上，主要完成精确配对。二次对准是在初次时间对准工作滞后几个方位区进行的，此时已经查找完在本次融合过程中所有和系统航迹相关的局部航迹。当数据融合进行到当前方位区时，首先，查找和该系统航迹相关的局部航迹的批号及相关的波门值，接着查找该局部航迹，并把局部航迹按照局部航迹本身的速度预测到当前时刻;如果有多条局部航迹和系统航迹相关，则查找到所有的相关局部航迹，并进行预测。最后再根据各局部航迹的波门门限进行权值自适应融合处理，融合采用的是线性加权求平均的方法，具体公式如下:

其中，S 为经过融合后的点迹的距离、方位或俯仰值，Si为各局部航迹的距离、方位或俯仰值，Ki为局部航迹圈入波门的波门系数。

这里所介绍的时间对准方法在完成时间对准的同时，实现了系统航迹和局部航迹的相关，从而为后续的多站多目标跟踪奠定基础。

4 实测数据的分析

对某三部雷达A、B 和C 的实测数据先经过空间对准，接着采用基于自适应权值的时间对准算法，最后进行进一步数据融合处理，处理的分析结果见下表1。

表1 利用权值自适应时间对准技术的数据融合精度分析

表中给出了单雷达站和采用本文提出的时空对准算法融合处理后目标航迹的距离、方位和俯仰精度，结果表明，经过空间对准和权值自适应时间对准后，目标航迹的距离、方位和俯仰精度均高于单部站的雷达精度。在完成空间对准的基础上，自适应权值时间对准算法能够较好地实现对来自不同雷达站的局部航迹数据进行时间对准，并且能提高航迹的准确性和可靠性。