传感器数据融合仿真测试平台的设计与实现

2014-03-13惠黎明

电子科技 2014年5期

惠黎明

(中国电子科技集团公司第27 研究所测控部，河南郑州 450047)

在现代战争中，仅依靠单传感器提供的信息已无法满足作战需要，需运用多传感器提供观测数据，实时进行目标发现、优化综合处理，来获取状态估计、目标属性、行为意图态势评估、威胁分析和辅助决策等作战信息［1］，多传感器数据融合技术随之得到了迅速发展。

随着对数据融合研究的不断深入，大量新的数据融合算法［2－4］不断涌现，如何方便地比较、评价这些算法是一个必须解决的实际问题［5－7］。任何先进的军事技术，在转化为战斗力之前都要经过大量的科学实验和评估测试，实际测试过程中提供真实的作战环境是不现实的，而仿真环境为系统测试及性能评估提供了一种经济而有效的手段，其优点是可提供相同环境对系统进行反复测试以及系统在不同条件下的性能测试。另外，对于复杂的数据融合系统设计，需要系统的分析方法和相应的设计工具对其性能进行分析和评估。

由于数据融合过程涉及的不确定因素过多，其效能评估一直未得到有效地解决，为使多传感器数据融合技术得到更好地发展，研制可供数据融合算法开发用户使用的一种开放、高性能、伸缩性强的多传感器数据融合仿真测试平台具有特殊的实用价值。

1 平台构建

1.1 平台构成

对信息融合系统进行评估的前提是能够驱动信息融合系统运行，并对其进行采样，获取评估指标所需要的样本数据。这个驱动融合系统运行并获取样本数据的过程就是测试的过程［9］。

为满足测试评估的需求，多传感器数据融合性能仿真测试平台采用分布式系统结构，由仿真支撑系统、被测融合系统和评估系统3 部分组成。其中，仿真支撑系统包括想定编辑器、运行控制器、信源模拟器、Agent 引擎、环境模拟器、数据采集器、综合态势显示、导航模拟器、资源管理器和测试网关。仿真支撑系统与评估系统与以仿真网交换机相连，构成仿真测试环境局域网。被测融合系统作为一个黑盒进行测试，独立于仿真支撑系统和评估系统，与融合网络交换机相连，形成被测试融合局域网。仿真测试环境局域网与被测试融合局域网通过测试网关相连，构成一个完整的系统，其结构如图1 所示。

1.2 工作原理

仿真测试平台工作分两个阶段:实时仿真阶段和事后评估阶段，工作原理如图2 所示。

图1 仿真测试平台结构图

图2 仿真测试平台原理图

在实时仿真阶段，主要运行仿真系统和被测融合系统。剧情生成器按照预先编辑好的想定文件设定的态势和控制逻辑产生目标真值信息;信源模拟器接收剧情生成器产生的目标真值数据，按照探测模型模拟目标发现、目标跟踪，并输出探测点迹或跟踪航迹信息;融合软件对接收到的多源信息进行融合处理，生成融合信息。剧情生成器、信源模拟器、融合系统的输出数据被数据采集器所捕获，并存储到数据库。

在事后评估阶段，评估软件从数据库中获取剧情生成器、信源模拟器和融合系统的输出，建立评估体系，采用特定的评估模型，对参与测试的融合系统的性能指标进行评估，生成评估报告。

1.3 平台功能

1.3.1 想定编辑器

在地理信息系统、图形标绘系统的支持下，完成信息融合测试所需的各类测试想定的编辑和管理，对想定基本信息、平台管理与规划、兵力分布、环境因素、大批量目标生成、计算资源分配等进行定义，生成相应的基于XML 的仿真脚本文件，以驱动仿真试验运行。编辑器应具备如下功能:(1)图形化标绘和编辑功能，结合军标库在地图显示界面上进行仿真试验要素的部署、设置和编辑等操作。(2)具备分层递阶的仿真实体属性编辑功能及基本度量与区域分析功能。(3)具备基本绘图操作功能，支持态势图的放大、缩小、平移和地图导航。(4)具备仿真脚本文件生成功能，为仿真模型运行提供重要的数据来源，支持仿真系统运行初始化。(5)具备仿真脚本文件存储、编辑、读取功能。

1.3.2 运行控制器

运行控制器作为数据融合仿真测试平台最重要的支撑条件，应当具备:

(1)信息初始化功能。在仿真运行之前，根据仿真脚本文件按照各仿真实体的类型划分至各仿真成员，生成各仿真成员的初始化信息，并对信息进行分发。

(2)仿真支撑数据生成功能。能够按照想定文件设定的态势和控制逻辑，生成战场敌我各类目标及我方平台、目标真值数据等。

(3)仿真运行监控功能。提供综合态势显示界面，仿真运行过程中实时监视仿真试验运行状况和试验态势情况，并根据控制需求，完成对控制仿真过程的开始、暂停、继续、结束等控制操作。

1.3.3 信源模拟器和Agent 引擎

信源作为融合系统的数据输入，一般包括雷达、声纳、红外、光电和电子侦察等信息探测设备，信源模拟器就是对这些设备进行模拟仿真，以驱动融合系统的运行。信源模拟器输出特性的真实程度决定了融合系统算法的正确性和有效性，遵循这一原则，在本平台中的各类信源模拟器以纯数字仿真形式，以实际装备为模拟对象，采用与实际装备一致的数据处理模型，尽量保持实装设备的输出特性。

以雷达模拟器为例，在本平台中的雷达模拟器根据环境及目标特性、实装雷达的战术技术指标等模拟从雷达接收目标回波至输出雷达凝聚点迹/航迹整个探测过程。为增加雷达模拟器的真实性，雷达模拟器具备在生成的点迹和航迹数据中叠加系统误差和随机误差功能以及对自然杂波、干扰杂波模拟功能。具体如图3 所示。

图3 雷达模拟器信息框图

雷达模拟器接收剧情生成器发送的目标真值信息、时统信息以及导航模拟器发送的平台信息实时计算生成目标点迹，根据剧情配置区域环境信息、障碍物信息生成海杂波、云雨杂波点迹信息，根据雷达干扰模拟器发送的雷达干扰信息生成雷达干扰点迹;点迹生成后，进行点迹凝聚、航迹关联、航迹滤波、航迹起始及航迹管理等处理，生成雷达目标航迹，最终对外输出雷达点迹或航迹数据。

在本平台中，Agent 引擎为系统一大特点，与所有的信源模拟器一起封装在一个目录下，可根据需要部署在多台计算机内，由Agent 引擎根据指令自动调用运行。仿真测试开始时，Agent 引擎接收剧情生成器发送的仿真测试信息，并根据择报文中的IP 地址、节点号、模拟器名称和信源号启动相应计算机内的信源模拟器;测试结束后，Agent 引擎接收结束控制报文，自动关闭信源模拟器。

(1)环境模拟器。环境包括地理、气象和水文环境。在图形界面上规划环境区域的粒度，将指定范围的区域按设定的行列数划分成多个环境区域，每个环境区域可以有不同的环境设定信息。将设置的环境信息保存至想定的脚本文件。仿真运行时，根据想定脚本文件划分的气象水文仿真区域，以区域内气象水文初始参数为基准，按照规划的气象与水文变化参数，计算更新区域内气象水文各指标参数值，生成各区域气象信息和气象水文信息。

(2)导航模拟器。导航模拟器模拟实时接收剧情生成器发送的目标真值信息，产生我方各传感器承载平台的导航数据，包括平台位置、速度、姿态角等信息。同时根据剧情生成器发送的导航参数配置信息，对平台导航数据叠加导航系统误差和随机误差。

(3)数据采集器。数据采集器实时接收剧情生成器、各信源模拟器、环境模拟器、导航模拟器、各融合系统产生的目标真值数据、信源模拟器点迹/航迹数据、环境数据、导航模拟数据、融合航迹数据及各类控制指令，并实时存储到数据库。

(4)测试网关。测试网关主要完成仿真测试局域网和被测融合局域网之间实时数据报文格式转换、有效控制数据的转发，实现数据隔离。

(5)资源管理器。在数据库服务器和Web 服务器的支撑下提供基于Web 页面的数据管理，包含系统管理、数据库管理、测试数据管理等功能，其中:1)系统管理包括系统用户管理、融合单位管理、权限管理、日志管理;2)数据库管理包括数据库用户及权限的管理、数据库的创建与维护、数据的备份与恢复;3)测试数据管理主要完成各类仿真测试数据及评估结果的查询并图形或表格等形式直观显示、导出。

(6)综合态势显示。子系统将目标数据叠加在地理信息系统上以二维态势图的方式显示。目标数据可以在信息融合结果、目标真值数据与信源模拟器探测数据间切换，分别显示或叠加显示融合态势、真值态势与模拟器态势。主要包括数据接收解析、态势显示、态势回放等功能。

数据接收解析模块主要完成接收并解析剧情生成器、信源模拟器、融合系统等发送的相关态势数据。态势图形显示模块将剧情态势、传感器输出态势和融合输出态势以及目标的ID/批号以二维态势图的方式叠加显示;以曲线、列表的形式显示接收到的剧情、信源模拟器、融合系统相关数据信息。态势回放模块完成态势数据存储，测试结束后对态势记录数据进行回放显示，便于测试结束后态势的再现和分析。

(7)评估系统。在仿真结束后，评估系统从单项指标和综合指标两个方面对融合系统进行评估，将评估结果保持至数据库。评估系统可同时对多个融合系统进行评估，对每一个单项指标进行对比分析，综合判断各家融合算法的优劣。评估系统可支持对参与信息融合的信源模拟器进行单项和综合指标评估，对比分析信源模拟器和融合系统性能。

单项指标包括融合精度指标、相关性指标和处理能力指标3 个方面对融合系统进行评估，各单项指标按分配的权重信息进行综合处理，构成综合指标。其中:1)精度指标包括融合航迹经度、纬度、高度、速度、航向以及距离精度。2)相关性指标包括正确航迹率、虚情率和漏情率。3)处理能力指标包括数据更新率、跟踪连续性、处理反应时间。

2 系统特点

本仿真测试平台具有以下特点:(1)平台的多源性。本平台能够同时支持多种信源模拟器，在仿真测试过程中各模拟器可根据需要灵活配置。(2)战场环境仿真的真实性。本平台能够提供复杂的海战场环境仿真，包括电磁的、海况的、气象的;提供复杂的目标环境仿真，包括机动的、密集的、空中/水面/水下的。(3)融合方式的可选择性。可根据需要对数据融合方式进行设置:点迹数据融合、航迹数据融合或点迹/航迹混合融合。(4)平台的可扩充性。本平台可灵活的增加或减少信源模拟器及融合系统，实现系统的“即插即用”。(5)评估的灵活性。具备完整的评估体系，支持对一个或多个融合系统性能的评估;支持对参与测试的信源模拟器性能进行评估。