主被动雷达导引头角度测量信息融合方法研究*

任宏光,石润龙,陈安娜

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

0 引言

未来战争的主要形态是以网络为中心的战争体系,发展空中远程攻击武器,摧毁预警机、运输机等高价值大型目标,破坏其信息节点和物资节点,瓦解其作战体系,是取得未来战争胜利的重要保证。为兼容远距探测和精确测量,导引头多采用主被动复合雷达导引头。被动雷达分系统具有远距探测、隐蔽性强的优点,可有效增加导引系统的作用距离,提高主动雷达分系统的中末交接能力,但测量精度低、抗雷达关机能力较弱;主动雷达分系统具备高测量精度、作战灵活的特点,可实现对高机动目标的精确打击。两者相互配合,互补长短,成为精确制导技术发展的必然方向[1-3]。如何有效地将多传感器的测量信息进行融合,进而提高导引头的测量精度和作战性能是主被动复合雷达导引头研究的主要内容之一。

1 信息融合技术

雷达信息融合通常可以在两个层面上实现:1)目标信息融合(特征层);2)目标信号融合(信号层)。特征层主要融合处理不同探测源的检测结果,即不同探测源分别对目标参数进行测量或估计后,再对结果进行融合处理,以提高目标测量或估计参数的精度,保证导引头跟踪过程不受假目标、杂波或干扰的影响。信号层主要将不同探测源的回波信号进行融合处理,增加目标分辨率,提高系统检测概率。

数据融合方法通常也包含两大类:1)将不同探测源的检测结果直接加权融合,其中权系数的选择是主要难点;2)计算不同探测源检测结果的统计特性,根据其统计特性进行数据融合,基于方差的数据融合算法即是其常用的一种,该算法采用最小方差的方式加权得到融合数据,并用融合后的数据滤波,由于只需一组滤波器,其计算量相对较小,同时目标信息量没有损失。

多传感器数据融合结构包括集中式融合和分布式融合,前者融合过程基于量测数据层面进行,后者基于状态估计层面进行。融合中心在某时刻可以获得多个量测点迹或状态估计结果,数据关联算法实现多个点迹/状态估计之间的两两配对,数据融合算法和目标跟踪算法充分利用多平台的量测信息/状态估计以获得更优的目标估计结果和跟踪效果。

主动雷达分系统可获得目标的距离、角度和速度三维信息,被动雷达分系统只能获得目标的角度信息,考虑到系统实现的难易程度以及主被动雷达分系统工作体制的差异性,主被动复合雷达导引头适宜在目标信息融合层面进行处理。此外,被动雷达分系统获得的量测数据仅为目标角度信息,不能充分利用测量信息进行目标的状态估计,因此系统更适用于集中式融合结构,即导引头各分系统仅实现基于量测点迹的数据融合算法,而由飞行控制组件进行最终的状态估计和滤波。

文中对主被动雷达导引头角度测量信息融合过程中采用的空间配准、数据关联和融合算法进行阐述。

2 空间配准

主被动雷达分系统在各自建立的坐标系中对目标进行测量,被动雷达分系统采用共形阵天线,测量信息位于弹体坐标系,而主动雷达分系统测量坐标系为天线坐标系,在数据融合之前需要进行空间配准,将所有测量信息变换到同一坐标系进行处理。而弹目运动状态方程一般建立在固定坐标系中,为便于得到目标视线角信息,一般将测量信息转换到地面坐标系中。

2.1 坐标系定义

由于导弹飞行距离较短,可不考虑地球曲率和自转影响,相关的直角坐标坐标系主要有:发射点地面坐标系、弹体坐标系、天线坐标系等。

2.1.1 发射点地面坐标系oxdydzd

发射点地面坐标系定义为北天东坐标系,其原点在飞机质心正下方的地球表面投影点,x轴在当地水平面内指向正北,y轴在当地水平面内指向天向,z轴按照右手定则确定在当地水平面内指向正东,坐标系代号为oxdydzd,d代表地面。

2.1.2 弹体坐标系oxbybzb

导弹弹体坐标系oxbybzb定义为:原点为导弹质心o,x轴定义为与导弹纵轴重合,y轴在导弹纵向对称面向上并与x轴正交,z轴按照右手定则确定。

2.1.3 天线坐标系oxayaza

天线坐标系oxayaza定义为:原点位于天线的旋转中心,天线波束方向为x轴方向,向前为正,初始位置与弹体坐标系一致。由于天线旋转中心与弹体质心相对距离通常在2 m左右,与作用距离相比很小,故将天线坐标系原点平移与质心重合不会导致太大误差,如图1所示。

图1 弹体坐标系和天线坐标系

2.2 坐标系的转换

2.2.1 天线坐标系与弹体坐标系

对于空间某目标点,初始天线坐标系仅需要先绕y轴旋转方位框架角σ,再绕z轴旋转俯仰框架角λ,就可以让其波束x轴指向目标点。因此,天线坐标系与弹体坐标系之间的转换关系主要由方位框架角σ和俯仰框架角λ两个框架角确定,其转换关系如下:

2.2.2 弹体坐标系与地面坐标系

弹体坐标系与地面坐标系的关系由3个欧拉角确定,分别为偏航角ψ,俯仰角θ,横滚角γ,其转换关系为:

2.3 空间配准方法

当导引头捕获目标的时候,导弹主动雷达分系统能获取的信息为天线坐标系下的失调角测量值、天线相对于弹体的框架角,被动分系统能获取的信息为弹体坐标系下的目标视线角度测量值,以及惯导系统测得的弹体姿态角。

天线坐标系下导引头的方位失调角和俯仰失调角测量数据分别为ε和η,定义如图2所示。

通过球-直坐标系转换,可知天线坐标系下的弹目视线测量值单位矢量为Z:

若将该向量转到地面坐标系中,需先由天线坐标系转至弹体坐标系,最后根据姿态四元数矩阵将其转到地面坐标系,即:

其中Adb、Aba分别可由Abd、Aab求逆得到。

被动雷达分系统的角度信息基于弹体坐标系测量,可直接由弹体坐标系到地面坐标系的转换矩阵直接得到。

3 数据关联算法

基于卡方检测的关联算法用于实现点迹与点迹之间的配对,用于判断配准好的传感器量测是否来自于同一观测目标[4]。

假设两传感器同时对目标的方位角度以及俯仰角度进行量测,量测噪声为零均值高斯白噪声:

建立如下假设检验:

当H0成立时,存在:

构造统计量:

该统计量服从自由度为2的χ2分布,则H0成立的条件为:

其中β为将两个不同目标的观测值误判为同一目标的概率。

主被动雷达分系统检测同一目标,被动雷达分系统存在错误的观测值,设两个不同目标观测值误判为同一目标的概率为0.1,10个采样周期内的点迹关联效果仿真见图3。可以看出,该算法可以正确关联主被动雷达分系统对同一目标的观测值。

图3 主被动雷达分系统观测点关联仿真图

当数据关联的结果显示同一时刻的两个观测值来自不同目标时,还存在一种可能性,即导引系统受到了角度欺骗的干扰。当主动雷达分系统工作频率与被动雷达分系统目标信号源频率存在较大差异时,利用被动雷达对目标信号特征的先验知识,以及主动雷达接收回波信息特征,有利于系统判断是否存在角度欺骗干扰,并确定真正的目标来波方向,实现抗角度欺骗干扰的目的。

4 数据融合算法

经空间配准和数据关联确认为来自同一目标的两套角度测量信息,需要采用合适的数据融合算法进行融合处理,以得到具有更优测量精度的测量信息。基于复合量测点迹的数据融合方法根据不同传感器的量测精度,将各传感器对同一目标的量测数据进行加权求和,形成复合量测点迹。

则加权融合后的目标方位测量信息变量为:

Y=ω1φ1+ω2φ2

式中,ω1和ω2为不同测量信息的加权因子。

融合后的测量方差为:

根据方差最小化原则,σ2应趋于0,即加权因子需满足下式:

ω1+ω2=1

求解可得[5]:

因此,通过数据关联算法验证后来自同一目标的两个量测点迹,可以按照下式形成复合点迹:

对应的观测噪声方差为:

建立仿真场景[6],主被动雷达对机动目标进行探测跟踪,采样周期为0.1 s。采用基于复合量测点迹的融合算法对主被动雷达的量测信息进行融合,并采用基于交互多模型的EKF算法(IMM-EKF)对目标进行跟踪[7-8]。图4给出了导弹、目标的运动航迹仿真结果。图5给出了采用复合量测点迹数据融合算法和主动雷达单独滤波的均方根误差曲线,蓝色曲线为复合量测滤波的估计均方误差,红色曲线为主动雷达量测单独滤波的估计均方误差,可见,复合量测点迹滤波算法比主动雷达量测数据单独滤波算法的跟踪精度更高。

图4 运动航迹及量测值

图5 复合量测滤波与主动雷达量测单独滤波RMSE比较图

5 主被动雷达角度信息融合总体方案

通过对主动雷达分系统和被动雷达分系统的角度测量信息进行关联融合,可以提高系统的测量品质,另一方面,两套测量体系又相互独立,需要根据具体情况实时确定整个系统的融合方案。图6给出了主被动雷达导引头角度信息融合总体方案流程图。

融合系统接收主被动雷达分系统的量测数据,当两个分系统都有量测数据时,逐步进行空间配准、数据关联和数据融合,对数据关联不成功的点迹进行角度欺骗干扰判断与识别对抗;当只有一个分系统具有量测数据时,直接采用该量测值;当两个分系统均无量测数据时,输出角度测量信息不可信标志。最终的融合角度信息和不可信标志输出给飞行控制组件进行滤波与估计。

图6 主被动角度信息融合流程图

6 结论

主被动雷达复合导引头拥有主动雷达导引头和被动雷达导引头的优点,可以明显提高导弹的作战效能和生存能力。文中对主被动测量分系统得到的两套角度量测信息的融合技术进行了研究,根据主动雷达分系统和被动雷达分系统的实际工作特点和差异,提出基于目标信息特征层的集中式融合结构,详细阐述了融合过程中的空间配准、数据关联和数据融合方法。仿真显示数据关联和融合算法有效,融合后的点迹滤波比主动雷达量测数据单独滤波的跟踪精度更高。最后,提出了主被动信息联合抗角度欺骗干扰的思路,给出了总体的融合流程图。