基于分坐标滤波的隐身目标协同跟踪方法研究

王 馨，王明宇，万夕干

（1.空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051；2.中国人民解放军驻上海航天电子技术研究所军事代表室，上海 201109）

0 引言

随着新型隐身技术的广泛应用，旧有的雷达系统已难以满足现代空防战争的需要，研究和发展针对隐身目标的跟踪技术逐步成为现代雷达发展的重要方向。文献［1］用自适应滤波算法较好地处理了跟踪速度和跟踪误差精度的问题；文献［2-3］用检测前跟踪方法，通过非相干积累等技术提高了雷达的检测性能。但上述算法均未对隐身目标跟踪的连续性和稳定性进行分析。为此，本文基于典型隐身目标雷达散射截面（RCS）分布特性，讨论了VHF，X频段雷达的跟踪性能，并针对由于目标强起伏引起的跟踪中断、不稳定等问题，提出了一种基于分坐标滤波的数据融合算法。

1 问题描述

基于F-22飞机全金属缩比模型，不考虑表面涂层，在VHF，X两个典型频段用FEKO电磁仿真软件计算得到的前向静态RCS结果如图1所示［4］。

图1 F-22飞机全空域RCS仿真计算结果Fig.1 RCS simulation result of F-22plane in whole airspace

由图1可知：F-22飞机在高频段的RCS水平明显小于普通战斗机，并呈现明显的各向不一致性，其中机头方向隐身性能最好，并随方向变化强烈起伏；在VHF低频段，由于雷达探测波长接近目标外形结构尺寸，隐身效果变差，其RCS大幅增加，甚至超过普通战斗机，同时其各向不一致性和起伏也明显减弱，但存在较低频率的随角度起伏。基于上述静态RCS的计算结果，在雷达对RCS为1m2目标的额定发现距离R0＝300km（虚警概率Pf0＝10－6，发现概率Pd0＝0.5）的条件下，对航线1、2（飞行速度500m／s，高度10km，航路捷径20，100km）和航线 3、4（飞行速度 500m／s，高度10km，转弯半径10，50km）的VHF，X频段雷达的跟踪性能进行仿真计算，结果分别如图2、3所示。

由仿真结果可发现现象和规律如下：

a）VHF频段雷达的目标跟踪质量明显优于X频段雷达，即使在大航路捷径、目标大幅度机动的情况下，其跟踪距离、跟踪连续性均接近对常规目标的探测；

b）在对隐身目标跟踪过程中，VHF，X频段雷达均出现了跟踪中断，其中X频段雷达中断更频繁；

c）在目标机动飞行时，因其侧面暴露于雷达探测，RCS水平较头部明显增大，一定程度上利于目标的早发现，但难以形成连续跟踪。

综上，隐身目标在缩减其整体RCS水平，有效压缩高频段雷达作用距离的同时，其RCS的大幅快速起伏对雷达跟踪造成了严重影响，导致出现频繁的跟踪中断。

图2 直线飞行目标跟踪仿真结果Fig.2 Tracking simulation results for straight target

图3 直线飞行目标X频段跟踪误差Fig.3 Tracking error in X band for straight target

2 基于分坐标滤波的协同跟踪数据融合算法

图4 机动飞行目标VHF频段航迹跟踪仿真结果Fig.4 Tracking simulation results in VHF band for maneuvering target

图5 机动飞行目标X频段航迹跟踪仿真结果Fig.5 Tracking simulation results in X band for maneuvering target

分坐标滤波是指雷达利用直接测量得到的角度、距离、速度信息，分别进行各坐标的滤波处理，获取目标三位坐标跟踪信息。分坐标滤波的特点是与雷达坐标测量一一对应，可最大程度降低各坐标间的相互影响，即使某一坐标误差增大甚至完全丢失，也不影响其他坐标的跟踪。对隐身目标来讲，一般认为目标机动不是探测跟踪的核心问题，其主要矛盾集中在低信噪比、强起伏条件下的有限信息最佳利用，因此采用分坐标滤波处理更有优势［5］。

图6 机动飞行目标X频段跟踪误差Fig.6 Tracking error in X band for maneuvering target

从前述研究结果来看，对典型隐身目标，VHF频段雷达具有良好的探测能力，其探测距离、跟踪连续性与常规目标相当；X频段雷达的作用距离大幅度压缩，并存在严重的跟踪断续。在相近的雷达天线物理孔径条件下，VHF频段雷达的测量精度远低于X频段雷达。即探测能力好的雷达精度差，精度好的雷达探测能力不足，协同跟踪的出发点，正是基于VHF和X频段雷达能力的这种互补性［6］。

基于VHF频段雷达和X频段雷达各1部，构建的多雷达协同跟踪系统如图7所示。工作原理如下：先用VHF频段雷达发现目标并进行边跟踪边搜索（TAS）或边扫描边跟踪（TWS），测得的目标航迹数据实时传送到X频段雷达，控制TAS波束照射目标。一般情况下，VHF频段雷达的角度测量精度为0.5°，只要X频段雷达的波束宽度达到1.5°，即可保证以99%以上的概率有效覆盖目标。该过程在VHF频段雷达发现目标后一直持续，确保目标始终处于X频段雷达的波束照射范围内。在X频段雷达没有发现有效目标点迹的情况下，其TAS跟踪器按VHF频段雷达给出的目标点迹闭合，一旦未发现有效目标点迹，则进行融合处理。这样即使X频段雷达发现的目标点迹稀疏或不连续，其TAS跟踪仍是连续的，只是精度受到一定影响。

此跟踪模式的最大特点是充分利用VHF，X频段雷达的观测信息，有效提高X频段雷达的作用距离和跟踪连续性和稳定性，且仅需占用目标TAS目标跟踪通道1个，其资源占用率通常小于1%。因此，该模式的资源利用效率较常规点迹融合更高，更适于采用TAS跟踪的高频段跟踪雷达。当有2部以上雷达时，上述方法同样适用。

3 仿真

在前文的4种典型航线和雷达威力条件下，假定两部雷达同地部署、同步探测，忽略通信传输时延的影响，VHF，X波段雷达的角度、距离测量误差分别为0.5°／150m，0.2°／20m，基于分坐标熵权 α-β滤波的协同跟踪数据融合算法的处理结果分别如图8～11所示。

图8 X波段雷达对直线飞行目标的协同跟踪输出航迹Fig.8 Tracking simulation results for straight target of X band radar

图9 X波段雷达对直线飞行目标的协同跟踪误差Fig.9 Tracking error for straight target of X band radar

图10 X波段雷达对机动飞行目标的协同跟踪航迹输出Fig.10 Tracking simulation results for maneuvering target of X band radar

图11 X波段雷达对机动飞行目标的协同跟踪误差Fig.11 Tracking error for maneuvering target of X band radar

由图8～11可知：采用协同跟踪数据融合处理后，X波段雷达最远稳定跟踪距离分别由90，110，95，75km 提高到300，285，370，175km，跟踪连续性、稳定性也明显改善；从其距离跟踪误差变化趋势来看，在跟踪前段，由于主要依靠VHF的目标点迹，跟踪误差较大；随着距离逐渐变近，X波段出现了零散的目标点迹，跟踪误差开始逐步收敛；在近距离段，X波段的目标点迹连续，跟踪误差收敛到正常水平，整体跟踪质量得到了明显提高。

4 结束语

在反隐身问题上，组网雷达系统本质上是一种资源的高效综合平台，可在更广阔的空间内寻求反隐身技术与策略的最佳组合。本文提出了一种基于分坐标滤波的协同跟踪数据融合方法，研究表明：该方法在不增加雷达资源需求的前提下，可有效提高X频段雷达的目标跟踪距离，以及跟踪连续性和稳定性，为实现对隐身目标的连续跟踪和拦截创造有利条件。

［1］ 黄 鹤，张会生，许家栋.一种改进的α－β-γ滤波跟踪算法［J］.火力与指挥控制，2008，33（1）：94-96.

［2］ TONISSEN S M，EVANS R J.Performance of dynamic programming techniques for track before detect［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1996，32（4）：1440-1451.

［3］ JOHNSTON L A，KRISHNAMURTHY V.Performance analysis of a dynamic programming track before detect algorithm［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2002，38（1）：228-242.

［4］ 童创明.计算电磁学快速方法［M］.西安：西北工业大学出版社，2010.

［5］ 杨万海.空中目标分坐标滤波与参数航迹融合技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［6］ 李 伟，柯 涛.雷达组网反隐身可行性仿真分析［J］.舰船电子对抗，2010，33（5）：83-86.