多平臺數據融合精度模擬試驗方法研究

張富強

(解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066000)

現代化戰爭中水面艦艇很少單獨執行作戰任務,往往是一個或多個編隊合同或與其他兵種聯合作戰。編隊內多平臺傳感器的數據融合提供了更為準確和完整的戰場態勢[1-3]。由于平臺數量、信息源類型的增多,多平臺數據融合精度的試驗方法與單平臺數據融合精度試驗方法有較大不同。多平臺數據融合精度試驗一般采用實兵試驗或模擬試驗的方法:實兵試驗方法因動用兵力規模大,組織實施較為困難、試驗效費比較低;常規模擬試驗方法存在態勢模擬逼真度不夠,難以形成有效試驗結論的問題。為了解決以上問題,本文提出了基于歷史實測數據的多平臺數據融合精度試驗方法,將實測歷史數據進行二次開發處理后應用于數據融合精度試驗,既提高了模擬逼真度,又減少兵力消耗和試驗費用。

1 基于歷史實測數據的多平臺數據融合精度試驗基本原理

在以往單平臺實兵數據融合精度試驗中積累了大量實測數據,這些數據作為多平臺融合數據的前端輸入,在流程上有一定延續性,在數據類型上也有一定的相似性[3-4],通過二次開發處理后應用于多平臺數據融合精度試驗,可大幅增加試驗樣本量,減少動用兵力規模,提高試驗效益。

由于不同試驗航次的歷史數據存在時空不一致、目標不同的問題,無法直接利用,需對實測歷史數據進行處理,分類提取出標準化的誤差因素存入數據庫。試驗過程中,首先進行試驗設計,生成模擬劇情。在統一時間基準下,根據劇情設定從數據庫中選擇相應的誤差因素,進行組合后疊加到模擬的劇情態勢中,形成多平臺數據融合精度試驗的輸入數據,根據選擇的傳輸時延向實裝系統延時發送。模擬的劇情態勢在合成實測誤差因素信息后,與實際態勢相比,逼真度極大提高,進而可代替實兵試驗測量數據進行試驗。

實測數據的誤差因素提取以及與模擬態勢的誤差合成是這一方法的關鍵內容。經分析,多平臺融合數據的誤差主要有信息源誤差(來源傳感器誤差或平臺融合誤差)、平臺導航位置誤差、通信鏈路傳輸時延等影響因素組成。誤差提取就是要把這些誤差影響因素分類提取出來,形成規范的誤差因素數據存入數據庫。在模擬試驗過程中,根據需要從數據庫中讀取多個航次的誤差因素數據,根據試驗劇情進行組合,按實際的信息流程和時序關系合成到模擬的態勢中。

2 多平臺數據融合精度模擬試驗信息流程

基于歷史實測數據的多平臺數據融合精度模擬試驗的信息流程主要包括歷史數據預處理、模擬態勢生成和輸入實裝試驗三部分。

第一部分對實測的歷史數據進行預處理包括測量值和真值的坐標變換、時間對準和誤差因素提取、存庫等步驟,最終形成標準化的誤差因素數據用于后續模擬試驗;第二部分首先生成試驗劇情,用統一的劇情驅動各模擬器生成時統信息、平臺導航信息、模擬態勢信息,然后進行時空統一和信息合成,將實測歷史數據的誤差因素信息合成到模擬態勢上形成試驗態勢輸入到實裝系統;第三部分實裝系統接收試驗態勢后進行數據融合處理,最終形成綜合態勢。試驗過程中記錄試驗態勢和融合形成的綜合態勢,用于多平臺數據融合精度的計算分析。

試驗過程中信息流程如圖1所示。

3 模擬試驗環境構建

為了在實驗室中開展多平臺數據融合精度的模擬試驗,需要構建模擬試驗環境。模擬試驗環境主要由歷史數據預處理、試驗劇情模擬、平臺信息模擬、數據錄取處理等四部分組成。

歷史數據預處理系統負責對實測的歷史數據進行二次開發處理,分類提取標準化的誤差因素信息并存入數據庫。

試驗劇情模擬系統負責模擬試驗用例生成試驗所需的時統信息、導航信息、試驗劇情等數據,并對試驗進程進行控制。

平臺信息模擬系統負責根據模擬的試驗劇情生成平臺導航信息和合成誤差信息的目標態勢數據,并通過接口設備將試驗態勢按時序注入實裝系統。

數據錄取處理系統負責試驗數據錄取、坐標轉換、時間對準、精度計算,輔助進行誤差曲線分析等。

模擬試驗環境組成結構如圖2所示。

4 多平臺數據融合精度模擬試驗方法

4.1 數據預處理

選擇多個航次動態試驗實測數據分別提取誤差并存入數據庫。主要分為信息源誤差、平臺導航位置誤差、通信鏈路傳輸時延。

1)信息源誤差提取

信息源誤差主要是傳感器誤差和平臺融合誤差。二者數據類型和處理方法相同,以下以傳感器誤差為例進行描述。實測數據包括傳感器和真值測量設備測量的目標相對測量平臺的極坐標數據(目標距離、方位、仰角),分別作為測量值和真值。采用線性插值或運動狀態向量函數插值方法[5]進行時間對準,計算測量值對應時刻目標位置的真值。然后計算一次差和系統差。設某一時刻目標相對平臺的距離測量值為R(i),真值為R真(i),其一次差為

ΔR(i)=R(i)-R真(i)

(1)

系統差為

(2)

計算距離誤差影響因素

ΔR′(i)=ΔR(i)-μ

(3)

方位、仰角誤差影響因素按相同方法進行處理。

2)平臺導航位置誤差提取

實測數據包括平臺導航設備和真值設備測量的平臺地理坐標數據(經度、緯度、高度),分別作為測量值和真值。采用線性插值方法或運動狀態向量函數插值方法[5]進行時間對準后,參照文獻[6]的方法計算某一時刻測量值相對真值的距離和方位,作為平臺位置誤差影響因素。

3)通信鏈路傳輸時延提取

通信鏈路傳輸時延需要從多平臺信息互通試驗或通信設備單機試驗的實測數據中提取。在多個平臺時間一致的前提下,從某一航次試驗錄取的數據報文中提取某一數據報文的錄取時間T′(i)和產生時間T(i),計算傳輸時延：

ΔT=T′(i)-T(i)

(4)

4.2 試驗態勢生成

試驗開始前首先要根據試驗目的及實裝的特點設計符合實際使用的試驗用例。劇情模擬設備根據設計的試驗用例模擬生成統一時間基準和試驗劇情驅動各模擬器運行。各模擬器在統一時間基準下,按時序生成導航數據、模擬態勢等數據,并隨目標運動合成預先設定的誤差信息。在模擬的目標態勢數據(相對測量平臺的極坐標數據)上疊加距離、方位、仰角等參數的系統差(根據試驗劇情設定)和誤差影響因素,在模擬平臺導航數據(平臺位置地理坐標數據)上疊加位置誤差影響因素,根據平臺導航數據將目標態勢數據轉換為地理坐標數據，形成模擬的試驗態勢，根據選擇的傳輸時延向實裝系統延時發送。實裝系統在試驗劇情和試驗態勢驅動下，按實際流程進行數據融合處理，形成綜合態勢。為了增加試驗樣本量，還可以有針對性地將各類要素互相組合,設置多種試驗態勢,反復試驗,不斷提高試驗結果的置信度。

4.3 試驗數據錄取

試驗過程中主要記錄模擬的各平臺及目標的位置數據,各平臺導航數據、傳感器探測目標數據、單平臺融合目標數據、多平臺融合后目標數據等。各平臺及目標的位置數據事后經插值處理、坐標轉換、相對位置計算等處理,形成目標相對各平臺的距離、方位、仰角、航向和航速等數據作為真值;各平臺導航數據提供平臺的實時位置和姿態信息,用于計算目標相對各平臺的距離、方位、仰角等數據。多平臺融合后目標數據提供目標距離、方位、仰角等作為測量值。

4.4 試驗數據處理

試驗結束后將記錄的試驗數據經坐標轉換、時間對準、精度計算分析等處理得到多平臺數據融合精度。

由于所記錄的數據采用不同的坐標系:地理坐標系和站心坐標系，為了計算方便,需要將各類數據時間先后為序,進行坐標轉換到統一坐標系。

試驗中目標運動軌跡是時間的函數,但不知道其具體形式,只是通過觀測和計算,得到某一時刻的目標空間坐標位置,從這些數據中不能直接得到其他時刻和目標坐標,更不能直接得到任意時刻的目標運動速度和其他運動參數。為便于使用,需要對原始數據進行插值處理。對于勻速直線運動的目標可采用線性插值方法。因目標軌跡是光滑的連續直線,理論上逼近連續函數的結果,可達到所要求的精度;對于非勻速直線運動的目標可采用運動狀態向量函數插值方法[7],根據已知的目標動態信息計算目標運動向量參數,建立目標運動狀態插值模型,從而對任意給定時刻的目標動態信息進行插值,求解任意給定時刻的目標位置。

經過坐標轉換和插值處理,測量值和真值的時空已統一,可以進行精度統計分析。為了觀察數據的平穩度,描繪出一次差曲線,以等間隔時間為X軸,一次差數據為Y軸,在同一坐標系中,同時繪出多個來源的一次差曲線，以便對試驗數據進行直觀分析。

4.5 融合精度評估

數據融合精度指標是考核融合系統性能的一個主要指標,通常條件下,要求目標融合精度不低于任一信息源數據精度,即σ融合≤min(σ1,σ2)。文獻[7]提出了基于目標空間距離誤差統計的融合航跡精度評估方法,該方法是統計目標態勢測量值與真值的空間距離的原點矩方根,通過對比信息源與融合的原點矩方根,確定目標融合精度是否合格。

(5)

某一航次目標空間距離誤差序列的原點矩方根作為該航次的融合精度。該航次包含的時刻分別為t1,t2,…,tn,其對應的空間距離誤差為Δd1,Δd2,…,Δdn,則目標融合精度為

(6)

5 結束語

本文提出了對大量的歷史數據進行二次開發,用于多平臺數據融合精度試驗的方法,設計了模擬試驗環境的架構,分析了模擬態勢合成實測誤差因素的模擬試驗方法的流程。這種試驗方法具有操作方便、態勢設置靈活、數據逼真度高等特點,可極大地節省兵力,提高試驗效益。