基于電子雷達通信的追蹤目標精度優化改進

歐仁俠， 張華磊， 陳洪斌， 鄧 芳

(1.吉林醫藥學院,生物醫學工程學院,吉林 吉林 132013; 2.中國人民解放軍93057部隊，吉林 吉林 132102; 3.湖北第二師范學院 計算機學院，武漢 430025)

基于電子雷達通信的追蹤目標精度優化改進

歐仁俠1， 張華磊2， 陳洪斌1， 鄧 芳3

(1.吉林醫藥學院,生物醫學工程學院,吉林 吉林 132013; 2.中國人民解放軍93057部隊，吉林 吉林 132102; 3.湖北第二師范學院 計算機學院，武漢 430025)

在無需傳感器系統中實現了工作性能良好、精準時間的航跡關聯雷達通信，采用Bar Shalom-Campo航跡融合算法優化設計了無反饋形式的分布式航跡融合。理論分析表明，算法能夠通過先驗信息，實現運算量以及運算難度的降低。實驗結果得到：改進的算法的雷達通信過程中誤差明顯小于單個傳感器的誤差；優化的航跡融合算法與單一雷達的濾波相比能夠顯著提高定位精度，定位性能有了明顯的改進；優化算法后的系統能夠達到多傳感融合改進目標定位。這一研究對最大程度的優化系統的工作能力具有明顯的理論和實踐應用價值。

雷達通信； 追蹤目標； 濾波； 傳感器

0 引 言

隨著當前計算機雷達通信的飛速發展，目標定位的研究已經集成了電子、通信、信息技術等多學科融合。在一個區域內的多臺傳感器通過網絡的形式，將其數據進行聯網共享，這種信息融合技術是當今世界各國很多科研者競相研究的熱門課題[1]。最先研究該技術并且進行應用的國家是美國，在這個領域上一直占據著領頭羊的位置。此外，英國也出現了較為領先的成果，如DFF信息融合技術。雖然我國也開始在該領域著手研究。經過一定時間的積累，但是和世界其他國家相比，我國在這方面的研究還有很長一段路要走[2-3]，還需繼續在理論以及實際應用方面做更加深層次的研究，進而達到世界領先水平。多個傳感器在分布式形式下，整個系統需要進行信息融合中的最核心的部分是航跡關聯，該部分具有較大的實際價值。有關學者對航跡關聯課題的理論做了很多的研究和分析工作[4]。Singer團隊率先提出了加權航跡的概念，而最近領域法則是由Kosaka課題組率先提出的，而空間與時間進行結合的方式則率先由中科院課題組提出[5-6]。如果將系統采用不同框架劃分，常將航跡關聯分成集中式和分布式2種。在集中式的航跡關聯中，因為傳感器以及其到融合系統樞紐中心的通信寬帶會有制約，同時要求融合中心的傳感器系統具有較強的工作性能，所以這種方式實用性不強。然而，分布式方法一般是先把某些傳感器處理好一部分計算以及信息數據，再把數據進行壓縮傳送到中心，這樣該方式的實用性較強。由此可見，分布式方式的航跡關聯是人們常常采用的方式[7-9]。在分布式的雷達系統里，航跡關聯在系統中處于很重要的位置，有著較為明顯的實用價值。本文基于這一背景，進行了分布式航跡融合算法的改進設計及實驗分析，這一研究對最大程度的優化系統具有明顯的理論和應用價值。

1 算法優化的設計

在分布式系統中，任意一個傳感器都先自身做數據處理，然后把部分航跡傳輸到中心作處理。

1.1 融合算法設計

1.1.1 凸組合的航跡融合

(1)

經過融合以后的誤差協方差為

(2)

這樣可以將其推廣，得

(3)

(4)

1.1.2 Bar Shalom融合算法

Bar Shalom課題組提出以下的航跡狀態的估計：

(5)

則Dij的協方差陣為

(6)

式中，Pij、Pji，通過K濾波估計，則有：

(7)

進而得

(8)

這就是Bar Shalom的航跡融合算法，他對簡單凸組合有了一定的考慮，本算法也結合考慮了這一模型。

1.2 無反饋的最優算法設計

若存在N個傳感器都在追蹤一個目標，且存在一個k時刻，則該時刻的目標運動以及量測方程能有如下表述：

(11)

進而，可以推導

(12)

式中,vk滿足

(13)

在預測通報以及更新上能夠遞推運算得到協方差陣的逆陣，即是信息卡爾曼濾波器。通過上述模型類推，可以得到k時刻方程為

(14)

式(14)兩邊相乘，得

(15)

依照上式有

(16)

這樣，得到優化算法狀態估計方程和全局估計誤差協方差分別為：

(18)

分析上述模型過程可以發現該算法通過先驗信息，不需要求出差協方差，這樣就很大程度上降低了運算量以及運算難度。另外，此算法基于量測擴維，采用矩陣變化得到的，將其應用在全局是最佳選擇。

2 實驗分析

圖1給出了實驗模型的傳感器觀測航跡的位置信息。

圖1 實驗模型的傳感器觀測航跡

2.1 勻速飛行的航路的實驗

首先，對勻速飛行的航路進行分析， 實驗環境如下：在1 km高空，分別采用20、100 m/s，時間為50 s，圖2所示為勻速仿真對比數據結果。

圖2 勻速條件下算法的后速度均方誤差對比

2.2 勻加速飛行的航路的實驗

目標在距離參考原點長3 km、寬4 km、高1 km處的方位開始飛行，并且用20、100 m/s，跟蹤為50 s，在X軸以-10 m/s的加速度變化，圖3～5所示為勻加速仿真對比數據結果。

圖3 勻速條件下算法的后位置均方誤差對比

圖4 勻加速條件下算法的后速度均方誤差對比

圖5 勻加速條件下算法的后位置均方誤差對比

2.3 上仰機動飛行實驗

目標在距離參考原點長3 km，寬4 km，高1 km處的方位開始飛行，并且在開始的1～15 s的時間段按20、100 m/s，在15～34 s按0.17 rad/s發射轉動，接下來-20、100 m/s勻速，圖6、7所示為上仰機動飛行的仿真對比數據結果。

圖6 上仰機動條件下算法的后速度均方誤差對比

圖7 上仰機動條件下算法的后位置均方誤差對比

實驗結果分析：在上述3種目標飛行的的測量誤差范圍內，本文進行50次的蒙特卡洛仿真實驗。由仿真實驗最終的結果明顯的能夠觀察到，在基于無反饋最佳方式的分布式背景下，航跡融合算法比單個雷達I mm濾波很明顯在追蹤目標的精度上得到了提升，并且優化了系統的運行性能。另外，不管是在機動還是沒有機動的飛行航路里，都可以滿足預想的需求，還驗證了多個傳感器融合系統能夠提高追蹤目標的精度，在實際應用中，起到了很好的支撐作用。

3 結 語

如果航跡自身距離比較大，又沒有干擾發生的時，對航跡關聯就較為容易操作。一旦出現航跡比較多，目標也多，同時又有多種干擾如噪聲、雜波等的情況下，要對航跡進行關聯，就比較困難。另外，各傳感器又回存在距離、位置等因素的綜合不均衡，一些誤差如方位、目標位置誤差、坐標轉換誤差等其他情況造成的影響，關聯問題的難度會更加復雜。為解決關聯存在的問題，本文通過利用分布式融合算法，對在無反饋的背景下，對幾條航路做了融合處理，經過50次的蒙特卡洛仿真實驗結果，可以驗證該算法成功實現了預想中的融合精度要求。隨著科技的發展，系統處理器工作的能力一定會更強，在實際應用時，可以結合精度要求，選取更加合理精確的算法方案，可最大程度上優化系統的工作能力。

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Improvement of Accuracy of Electronic Radar Communication in Tracking Target

OURenxia1,ZHANGHualei2,CHENHongbin1,DENGFang3

(1. School of Biomedical Engineering, Jinlin Medical College, Jilin 132013, Jilin, China; 2. The 93057 Troops of Chinese People’s Liberation Army, Jilin 132102, Jilin, China; 3. College of Computer, Hubei University of Education, Wuhan 430025, China)

In this paper, we implement a system which has no sensor, and shows good work performance in radar communication. The Bar Shalom-Campo track fusion algorithm is applied to optimize the design of distributed track melting, and is without feedback. Theory analysis shows that the algorithm can reduce the computational cost and the operation difficulty by a priori information. The experimental results indicate that the error of improved algorithm is much smaller than a single sensor in the process of radar communication. Furthermore, compared with single radar IMM filtering the optimization of track fusion algorithm can significantly improve the positioning accuracy. The optimization algorithm used in the system can achieve multiple sensor fusion target improvement. This study has significant theoretical and practical value to the optimization of system work ability.

radar communication; track targets; filtering; sensors

2016-04-05

國家自然科學基金項目(514061)

歐仁俠(1980-)，女，吉林農安人，碩士，講師，主要從事電子、通信及信息處理研究。

Tel.:15044216395;E-mail:15044216395@qq.com

1006-7167(2017)02-0117-04