測控雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤與定位研究

葛明勇

摘 要:近年來民用和軍事上對(duì)測控雷達(dá)的目標(biāo)定位與跟蹤的精準(zhǔn)度要求越來越高,因此對(duì)多目標(biāo)的時(shí)時(shí)跟蹤成為了科研人員的關(guān)注焦點(diǎn),對(duì)數(shù)據(jù)的處理和捕捉目標(biāo)的快速性也作為評(píng)判跟蹤算法的主要目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:雷達(dá)跟蹤數(shù)據(jù)處理目標(biāo)定位

中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(c)-0013-01

1 緒論

1.1 研究背景

測控雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤和定位實(shí)質(zhì)上就是對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤濾波問題,簡單些說,就是根據(jù)我們需要從傳感器上獲得的目標(biāo)量測數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過固定的算法對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行定位。目前在軍事和民用領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用,所以目標(biāo)定位與跟蹤必須要可靠而精準(zhǔn)。在國防領(lǐng)域,目標(biāo)跟蹤技術(shù)可用于探測敵方導(dǎo)彈駛向、跟蹤敵方艦船和監(jiān)測國家特殊工作人員的地理位置等。在民用方面,目標(biāo)跟蹤與定位則用于無人駕駛自用車的跟蹤、城市的交通管制、機(jī)器人的障礙躲避等。因此測控雷達(dá)在目標(biāo)跟蹤與定位在國計(jì)民生的生活生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。

目前測控雷達(dá)方面的科研人員的主要研究方向集中在機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤問題上。機(jī)動(dòng)目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)時(shí),它的飛行速度、飛行方向、飛行弧線半徑等參數(shù)隨時(shí)隨地在變化,而且在目標(biāo)移動(dòng)的過程中會(huì)有很多來自其他物體的干擾,因此必須采用更為優(yōu)越的雷達(dá)跟蹤技術(shù),同時(shí)它考驗(yàn)了測控雷達(dá)的性能。在軍事和民用領(lǐng)域上需要對(duì)目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)做到時(shí)時(shí)跟蹤和控制,這就要求了雷達(dá)目標(biāo)跟蹤的連續(xù)性和雷達(dá)反饋數(shù)據(jù)的完整性要高。除此之外對(duì)迅速的反應(yīng)捕捉目標(biāo)、多目標(biāo)跟蹤、反饋數(shù)據(jù)的處理、捕捉目標(biāo)的定位方法等要求越來越高。應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的測控雷達(dá)還應(yīng)具備探測隱形飛機(jī)這樣的小雷達(dá)散射截面目標(biāo)的能力。

1.2 測控雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤定位的國際發(fā)展現(xiàn)狀

目前國際上應(yīng)用在測控雷達(dá)上的技術(shù)主要有以下4個(gè):(1)超高性能多核計(jì)算機(jī)應(yīng)用在對(duì)待捕捉目標(biāo)的探測上基本實(shí)現(xiàn)了測控雷達(dá)的自動(dòng)化智能化,對(duì)技術(shù)人員和操作人員需求量減少,以至于成為無人值守體狀態(tài)。(2)采用先進(jìn)的收發(fā)裝置使得監(jiān)測到的數(shù)據(jù)十分可靠,而且設(shè)備維修和更換方便。(3)在可靠性方面,測控雷達(dá)具有了更為完善和自適應(yīng)自學(xué)習(xí)的自動(dòng)檢測故障功能。(4)測控雷達(dá)系統(tǒng)和衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)的配合使用,使得雷達(dá)的抗干擾性能和自動(dòng)化水平顯著提高,這樣即可以屏蔽其他干擾信號(hào)又能防止敵方偵聽、截獲、干擾和他人破壞。

2 針對(duì)多目標(biāo)的跟蹤與定位方法研究

當(dāng)捕捉目標(biāo)多個(gè)時(shí),或許其中有幾個(gè)目標(biāo)都在運(yùn)動(dòng),這樣要做到時(shí)時(shí)跟蹤就必須采用機(jī)動(dòng)檢測的跟蹤算法。多目標(biāo)跟蹤技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用,如防御敵方導(dǎo)彈,海陸空三方面探測和空中交通秩序梳理等。

檢測手段采用平均信息法,一旦機(jī)動(dòng)信息被檢測到,濾波器就要使用更高維數(shù)的狀態(tài)量測,新的狀態(tài)量被附加上,基于此計(jì)算出新的模型。再由非機(jī)動(dòng)檢測器檢測機(jī)動(dòng)消除并轉(zhuǎn)換到原來的模型。該算法只關(guān)注目標(biāo)的現(xiàn)時(shí)動(dòng)態(tài),得到的定位信息和過去的狀態(tài)沒有任何關(guān)系,因此對(duì)動(dòng)態(tài)的目標(biāo)監(jiān)測具有較好的性能。

機(jī)動(dòng)檢測的跟蹤算法的基本思想是機(jī)動(dòng)的發(fā)生會(huì)改變?cè)瓉砦覀円呀?jīng)建立的模型,因而會(huì)造成目標(biāo)狀態(tài)的預(yù)估計(jì)值偏離了固有狀態(tài),濾波殘差特性發(fā)生變化。因此,技術(shù)人員可以通過觀測目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的殘差變化來預(yù)測目標(biāo)是否發(fā)生機(jī)動(dòng)或機(jī)動(dòng)結(jié)束,基于以上觀察,我們?cè)谶M(jìn)一步對(duì)調(diào)整跟蹤算法,即進(jìn)行噪聲方差時(shí)刻調(diào)整或模型時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,通過按照某一算法去調(diào)整濾波增益和濾波器的結(jié)構(gòu),以便能實(shí)現(xiàn)更好地跟蹤目標(biāo)。

3 測控雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的雷達(dá)采用數(shù)字計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理操作。我們利用參數(shù)估計(jì)的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)測量值進(jìn)行目標(biāo)的具體位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行全面估計(jì);形成各種關(guān)于目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息;估計(jì)目標(biāo)物體的預(yù)計(jì)位置、攻擊目標(biāo)、顏色狀態(tài)以及下一狀態(tài)。測控雷達(dá)數(shù)據(jù)處理步驟分為以下五部分:1.數(shù)據(jù)格式化2.數(shù)據(jù)的校正3.坐標(biāo)變換4.跟蹤濾波器的處理5.目標(biāo)航跡處理。

(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一制式

我們知道測控雷達(dá)探測到的數(shù)據(jù)形式模擬量居多,但是計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量,因此模擬量經(jīng)接收系統(tǒng)處理后方可進(jìn)入計(jì)算機(jī)。雷達(dá)對(duì)測量到的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用統(tǒng)一的格式,首先要對(duì)測量到的數(shù)據(jù)編程為若干個(gè)單元,每個(gè)單元只能接收固定時(shí)間點(diǎn)測量到的數(shù)據(jù)。雷達(dá)數(shù)據(jù)字作為數(shù)據(jù)統(tǒng)一制式的原始量,編號(hào)后即送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的固定存儲(chǔ)位置。

(2)數(shù)據(jù)校正

數(shù)據(jù)校正主要用到的數(shù)學(xué)理論知識(shí)是數(shù)據(jù)的無偏估計(jì)和插值法補(bǔ)償校正。為保證測控雷達(dá)測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤,我們需要預(yù)先把一批校正補(bǔ)償輔助數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。當(dāng)雷達(dá)工作時(shí),根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)尋找校正量的存儲(chǔ)地址,最后用插值法對(duì)測控雷達(dá)測量值進(jìn)行校正和補(bǔ)償,這樣可以做到數(shù)據(jù)的精確。

(3)坐標(biāo)變換

眾所周知,在數(shù)學(xué)計(jì)算中如果目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程極其復(fù)雜,可以通過選擇合適的坐標(biāo)系將其簡化,并且有利于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步計(jì)算處理。雷達(dá)測量數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)主要依靠的而且必不可少的設(shè)備是天線。他測量出的大部分?jǐn)?shù)據(jù)是以球坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的,如方位、距離和狀態(tài)等。有時(shí)為了簡化計(jì)算我們需要將球坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中,直角坐標(biāo)系也是我們的首選坐標(biāo)系。例如,在球坐標(biāo)系中觀察到目標(biāo)物體的加速度具有在幾何分量的合成不能代表目標(biāo)在慣性空間的運(yùn)動(dòng)特征。若數(shù)據(jù)處理也在雷達(dá)球坐標(biāo)系中進(jìn)行,會(huì)由于高階導(dǎo)數(shù)和視在角加速度的存在導(dǎo)致測控雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理復(fù)雜化,或者產(chǎn)生較大的誤差。對(duì)測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度影響較大。

(4)跟蹤濾波器的數(shù)據(jù)處理

高效率的遞歸濾波器能夠從一系列的不完全包含噪聲的測量中,估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。對(duì)物體位置的,包含噪聲的觀察序列預(yù)測出物體的坐標(biāo)位置及速度.在很多工程應(yīng)用中都可以找到它的身影.跟蹤濾波器是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心裝置,為了做到數(shù)據(jù)精確獲取,測控雷達(dá)系統(tǒng)必須采用高效率的濾波器。

跟蹤濾波器根據(jù)雷達(dá)的測量值時(shí)時(shí)估計(jì)目標(biāo)速度、方位等運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息并運(yùn)用迭代關(guān)系式推算出目標(biāo)的下一時(shí)刻的位置和方位。這個(gè)預(yù)算值可以作為和實(shí)測值進(jìn)行比較的依據(jù),以便對(duì)目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)突變作出相應(yīng)。

4 結(jié)語

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)在多目標(biāo)的時(shí)時(shí)跟蹤較之過去有了很大改善,定位方法日益更新,而且捕捉目標(biāo)的反應(yīng)速度也大大增強(qiáng)。目前雷達(dá)系統(tǒng)多采用多雷達(dá)協(xié)同工作,對(duì)一個(gè)測量目標(biāo)做到精準(zhǔn)定位和跟蹤,設(shè)置在不同地點(diǎn)的若干部雷達(dá)組成雷達(dá)網(wǎng),各站在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)的測量方位、分辨率、側(cè)重點(diǎn)及作用等不盡相同。總體上測控雷達(dá)系統(tǒng)向著自動(dòng)化智能化方向大步邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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