測控雷達的目標跟蹤與定位研究

葛明勇

摘 要:近年來民用和軍事上對測控雷達的目標定位與跟蹤的精準度要求越來越高,因此對多目標的時時跟蹤成為了科研人員的關(guān)注焦點,對數(shù)據(jù)的處理和捕捉目標的快速性也作為評判跟蹤算法的主要目標。

關(guān)鍵詞:雷達跟蹤數(shù)據(jù)處理目標定位

中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0013-01

1 緒論

1.1 研究背景

測控雷達的目標跟蹤和定位實質(zhì)上就是對目標狀態(tài)的實時跟蹤濾波問題,簡單些說,就是根據(jù)我們需要從傳感器上獲得的目標量測數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過固定的算法對目標物體進行定位。目前在軍事和民用領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用,所以目標定位與跟蹤必須要可靠而精準。在國防領(lǐng)域,目標跟蹤技術(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、機器人的障礙躲避等。因此測控雷達在目標跟蹤與定位在國計民生的生活生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。

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

1.2 測控雷達的目標跟蹤定位的國際發(fā)展現(xiàn)狀

目前國際上應(yīng)用在測控雷達上的技術(shù)主要有以下4個:(1)超高性能多核計算機應(yīng)用在對待捕捉目標的探測上基本實現(xiàn)了測控雷達的自動化智能化,對技術(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,測控雷達具有了更為完善和自適應(yīng)自學習的自動檢測故障功能。(4)測控雷達系統(tǒng)和衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)的配合使用,使得雷達的抗干擾性能和自動化水平顯著提高,這樣即可以屏蔽其他干擾信號又能防止敵方偵聽、截獲、干擾和他人破壞。

2 針對多目標的跟蹤與定位方法研究

當捕捉目標多個時,或許其中有幾個目標都在運動,這樣要做到時時跟蹤就必須采用機動檢測的跟蹤算法。多目標跟蹤技術(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,一旦機動信息被檢測到,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,基于此計算出新的模型。再由非機動檢測器檢測機動消除并轉(zhuǎn)換到原來的模型。該算法只關(guān)注目標的現(xiàn)時動態(tài),得到的定位信息和過去的狀態(tài)沒有任何關(guān)系,因此對動態(tài)的目標監(jiān)測具有較好的性能。

機動檢測的跟蹤算法的基本思想是機動的發(fā)生會改變原來我們已經(jīng)建立的模型,因而會造成目標狀態(tài)的預(yù)估計值偏離了固有狀態(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運動的殘差變化來預(yù)測目標是否發(fā)生機動或機動結(jié)束,基于以上觀察,我們在進一步對調(diào)整跟蹤算法,即進行噪聲方差時刻調(diào)整或模型時時轉(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),以便能實現(xiàn)更好地跟蹤目標。

3 測控雷達的數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的雷達采用數(shù)字計算機完成數(shù)據(jù)的處理操作。我們利用參數(shù)估計的技術(shù)可以實現(xiàn)對雷達測量值進行目標的具體位置、速度、加速度等運動參數(shù)進行全面估計;形成各種關(guān)于目標物體的數(shù)據(jù)信息;估計目標物體的預(yù)計位置、攻擊目標、顏色狀態(tài)以及下一狀態(tài)。測控雷達數(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.坐標變換4.跟蹤濾波器的處理5.目標航跡處理。

(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一制式

我們知道測控雷達探測到的數(shù)據(jù)形式模擬量居多,但是計算機只能處理數(shù)字量,因此模擬量經(jīng)接收系統(tǒng)處理后方可進入計算機。雷達對測量到的數(shù)據(jù)的存儲采用統(tǒng)一的格式,首先要對測量到的數(shù)據(jù)編程為若干個單元,每個單元只能接收固定時間點測量到的數(shù)據(jù)。雷達數(shù)據(jù)字作為數(shù)據(jù)統(tǒng)一制式的原始量,編號后即送入計算機存儲器內(nèi)的固定存儲位置。

(2)數(shù)據(jù)校正

數(shù)據(jù)校正主要用到的數(shù)學理論知識是數(shù)據(jù)的無偏估計和插值法補償校正。為保證測控雷達測量的數(shù)據(jù)準確無誤,我們需要預(yù)先把一批校正補償輔助數(shù)據(jù)存儲于計算機中。當雷達工作時,根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)尋找校正量的存儲地址,最后用插值法對測控雷達測量值進行校正和補償,這樣可以做到數(shù)據(jù)的精確。

(3)坐標變換

眾所周知,在數(shù)學計算中如果目標運動方程極其復(fù)雜,可以通過選擇合適的坐標系將其簡化,并且有利于數(shù)據(jù)的進一步計算處理。雷達測量數(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。他測量出的大部分數(shù)據(jù)是以球坐標系為基礎(chǔ)的,如方位、距離和狀態(tài)等。有時為了簡化計算我們需要將球坐標中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標系中,直角坐標系也是我們的首選坐標系。例如,在球坐標系中觀察到目標物體的加速度具有在幾何分量的合成不能代表目標在慣性空間的運動特征。若數(shù)據(jù)處理也在雷達球坐標系中進行,會由于高階導(dǎo)數(shù)和視在角加速度的存在導(dǎo)致測控雷達數(shù)據(jù)的處理復(fù)雜化,或者產(chǎn)生較大的誤差。對測量數(shù)據(jù)的精準度影響較大。

(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,估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。對物體位置的,包含噪聲的觀察序列預(yù)測出物體的坐標位置及速度.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,測控雷達系統(tǒng)必須采用高效率的濾波器。

跟蹤濾波器根據(jù)雷達的測量值時時估計目標速度、方位等運動參數(shù)信息并運用迭代關(guān)系式推算出目標的下一時刻的位置和方位。這個預(yù)算值可以作為和實測值進行比較的依據(jù),以便對目標物體運動狀態(tài)突變作出相應(yīng)。

4 結(jié)語

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)在多目標的時時跟蹤較之過去有了很大改善,定位方法日益更新,而且捕捉目標的反應(yīng)速度也大大增強。目前雷達系統(tǒng)多采用多雷達協(xié)同工作,對一個測量目標做到精準定位和跟蹤,設(shè)置在不同地點的若干部雷達組成雷達網(wǎng),各站在對目標進行監(jiān)測時的測量方位、分辨率、側(cè)重點及作用等不盡相同。總體上測控雷達系統(tǒng)向著自動化智能化方向大步邁進。

參考文獻

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