一种雷达航迹融合技术的设计原理及实现

于振华，熊美英

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种雷达航迹融合技术的设计原理及实现

于振华，熊美英

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

介绍了一种雷达航迹融合技术的设计原理和实现方法，该技术可对多部雷达航迹数据进行融合处理，完成多目标的数据预处理、航迹相关、航迹融合和对外发送等任务，实现了多通道多批次目标的融合，调整后可以适应多部雷达系统的组网融合。

航迹融合；航迹相关；滤波；数据预处理

0 引 言

雷达航迹融合就是把多个相同或不同类型的雷达所提供的目标航迹数据进行综合处理，完成对多源航迹数据的自动检测、关联、相关、组合和估计等处理，消除数据之间的冗余和矛盾，对所有数据进行互补处理，形成对环境的相对完整一致的感知描述，从而提高整个系统决策的快速性和正确性，提高状态和身份估计的精度以及对战场态势和威胁的重要程度进行适时完整的评价。

雷达航迹融合相对于单雷达目标捕获和跟踪来说不仅能够扩大捕捉和跟踪空间和时间覆盖范围，还可以降低信息模糊度，提高可靠度、可信度和测量精度，获得更高质量的信息，达到多雷达优势互补的效果，故多雷达航迹融合技术广泛应用于军用电子领域。

本雷达航迹融合处理技术对多部雷达航迹数据进行融合处理，完成多目标的数据预处理、航迹相关、航迹融合和对外发送等功能，实现了多通道多批次目标的融合，调整后可以适应多部任意型号雷达系统的组网融合，软件采用C、C++高级语言编程编写，硬件平台可以根据实际需要进行选择，比如DSP、PowerPC、PC104微型计算机等都可以作为该技术实现的硬件平台，下面主要以2部雷达的航迹融合为例介绍该技术设计的具体实现。

1 技术设计原理及具体实现

1.1 设计原理及框图

该雷达航迹融合原理为：通过硬件平台的网卡接收来自各个雷达通过网络发来的目标航迹数据，首先读取预存的融合后的航迹数据库缓冲区，对收到的新航迹数据进行时间和空间对准处理；然后找出同一批目标的多部雷达的航迹点，进行实时航迹相关、内插、加权、平滑滤波、外推和参数计算处理；最后进行威胁等级排序，通过网络把航迹融合处理按照规定的报文格式输出，同时把融合后的航迹数据存入相应的融合航迹数据库。对每次接收到的航迹点数据，先用已有的融合航迹数据库中的融合航迹进行同一批目标的搜寻。搜寻到新的航迹点和另外雷达航迹的外推、内插相关点后，就把多航迹点进行加权，更新当前雷达的航迹点；当接收的航迹点不能和本雷达的融合航迹进行融合时，就和其他雷达融合航迹进行融合，相关上就保存下来，等待另一部雷达到达后与另一部雷达的融合航迹进行融合处理，剩余航迹点作为单机航迹，建立初始融合航迹输出，同时存入融合航迹数据库，对融合航迹按照威胁等级排序处理后以网络方式送出。一种雷达航迹融合技术的设计原理及实现如图1所示。

图1 航迹融合处理技术工作原理框图

1.2 具体实现

1．2．1 各雷达误差对准

在实际设计多雷达融合系统时，为获得完整、准确和实时的目标状态，需要对各雷达进行误差对准处理。

雷达的对准是指多雷达数据“无误差”转换时所需要的处理过程，一般主要包括时间对准和空间对准：

(1) 时间对准

(a) 各雷达的时间基点一致性问题，即系统“时间同步”问题，各雷达系统通常采用统一的时统设备进行时间同步。

(b) 各雷达由于探测周期不同所引起的对目标数据采样时刻不一致的问题，即“时间配准”问题，在进行融合处理时要根据每个雷达系统实际的探测周期对录到的数据进行相应内插或外推处理，方法如下：

假设tki-1，tki，tki+1时刻测量数据为zi-1，zi，zi+1。通常采样时间是等间隔的，即tki+1-tki=tki-tki-1=h。假设计算插值点时刻ti且ti=tki+τh的值，则运用Lagrange三点插值法计算出ti时刻的测量值为：

(2) 空间对准

所谓空间对准，就是借助于多雷达系统对空间共同目标的量测，对雷达系统的偏差进行估计和补偿。由于同一平台内采用的坐标系有可能是不同的，雷达的坐标原点也不同，所以在进行航迹融合之前，也需要将不同雷达的观测数据转换到同一坐标原点、统一坐标系进行系统误差修正。在进行航迹运算时各系统通常会采用极坐标系和直角坐标系，假设点P在空间极坐标系中的目标位置记为(r，φ，θ)，在直角坐标系中的坐标位置记为(x，y，z)，则极坐标系与直角坐标系之间的变换关系为[1]：

极坐标系转化为直角坐标系:

(2)

直角坐标系转化为极坐标系:

(3)

1.2.2 对由不同雷达提供的航迹进行互联融合

(1) 融合航迹起始

航迹起始是航迹融合的关键步骤，是多目标数据融合的首要问题，主要通过设定相关波门的形状和大小来确定相关的区域，以及运用航迹起始算法来判断单机航迹之间是否存在关联。

融合航迹起始时，先对接收到的航迹点数据与融合航迹数据库中的航迹进行实时航迹点相关，相关波门依据航迹质量、运动参数及各雷达的测量误差来设定，然后依据航迹的批号、距离、方位、速度、航向等参数找出同一批目标的多部雷达的航迹点。

(2) 融合航迹滤波

本航迹融合技术的滤波算法采用卡尔曼滤波[2]，卡尔曼滤波适用于有限观测间隔的非平稳问题，可用于计算机计算的递推算法。作为线性时变系统的一种线性无偏最小均方误差估计，它具有时变结构和较强的适应能力，适于实时处理。另外，卡尔曼滤波能在估计的同时给出估计的误差方差，对火控系统来说非常有用。由于卡尔曼滤波算法具有良好的跟踪性能和适合计算机处理的迭代性能，因此被广泛应用于各种跟踪系统。

(a) 滤波方程：

(4)

式中：A为系统转移矩阵；C为观测矩阵；W为系统噪声；K为系统增益；X为输入信号。

(b) 观测方程：

Y(k+1)=CS(k+1)+N(k+1)

(5)

(c) 增益方程：

K(k)=P(k/(k-1))CT[CP(k/(k-1))CT+R]-1

(6)

P(k/(k-1))=AP((k-1)/(k-1))AT+Q

(7)

P(k)=(I-K(k)C)P(k/(k-1))

(8)

式中：R(k)=E[n(k)nT(k)]，为观测协方差矩阵；P(k)=E[e(k)dT(k)]，为误差协方差矩阵。

(3) 融合航迹的内插及加权

由于多部雷达送来的航迹点时间并不一定相同，处理前必须将他们对齐到同一个时刻，这样不同雷达送来的航迹点在进行处理时才具有可比性，因此对另一部雷达则要按时间要求进行外推某个时刻的航迹点，也称为航迹的外推(或称内插)数据点。由于多部雷达建航过程会有所不同，有的航迹建立得比较理想，而且质量高，有的航迹可能会出现偏航、断航等情况，因此在融合时需要根据不同的情况进行线性加权。

(4) 融合航迹的威胁等级判断

对于作战而言，威胁等级高的目标需要高度关注，因此在航迹融合处理的同时需要将发现目标的威胁等级计算出来，使得指控台能迅速准确地发出相应的命令。

(5) 融合航迹的跟踪终结

在多目标跟踪的航迹融合处理中，应及时发现已经消亡的航迹，释放资源供新目标的起始使用，可采用航迹质量的管理来判断当前融合航迹是否应当终结[3]，当融合航迹质量低于一定数值时，将该条融合航迹撤销。融合航迹质量的变化依据其在生存的过程中录取相关航迹点的情况进行变化。当录取到航迹点时，航迹质量增加；当没有录取到航迹点时，航迹质量就下降。

本设计的融合效果具体如图2、图3和图4所示，对2部雷达全方位的运动目标进行融合。

图2 一部雷达的航迹数据

图3 另一部雷达的航迹数据

图2为一部雷达的航迹数据，盲区在240°～270°范围内，图3为另一部雷达的航迹数据，盲区在60°～90°范围内，图4为融合后输出的航迹数据。从中可以看出，该处理技术能够对2部雷达的目标进行融合，在目标进入一部雷达盲区后用另一部雷达的航迹数据进行补充，保证目标不断航，在覆盖区时对2部雷达数据进行加权融合，提高目标的精度和数据率。

图4 2部雷达融合后输出的航迹数据

3 结束语

该融合处理技术已应用于某项目的航迹融合处理中，对多部雷达公共区的航迹数据进行融合，对盲区的航迹数据进行相互补充，融合后进行多目标的完整跟踪，各种技术指标均满足要求，该技术对其它系统的航迹融合设计和实现具有一定的借鉴意义。

[1] 何友，修建娟，张晶炜，等.雷达数据处理及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 何友，王国宏，彭应宁.多传感器信息融合及应用[M].北京：电子工业出版社，2000.

[3] 夏佩伦.目标跟踪与信息融合[M].北京：国防工业出版社，2010.

Design Theory and Realization of A Radar Track Fusion Technology

YU Zhen-hua,XIONG Mei-ying

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces the design theory and realization method of a radar track fusion technology.The technology can perform the fusion processing to track data of multiple radars,completes the tasks such as multi-target data pre-processing,track correlation,track fusion and external transmitting and so on,realizes the fusion of multi-channel and multi-batch targets,can adopt the netted fusion of multi-radar system after being adjusted.

track fusion;track correlation;filtering;data pre-processing

2015-07-08

TN957.52

A

CN32-1413(2015)04-0036-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.010