一種基于地面目標機動特性的航跡處理方法

朱廣毓 涂婷 韋成

摘要：本文從實際工程應用出發，簡要分析了地面目標的機動性運動特征，描述了兩種航跡起始方法，將臨時航跡、航跡質量應用到邏輯比較法中，更適應復雜環境下地面目標航跡的處理流程，有效地解決波門內干擾目標的影響。最后針對實際試驗過程中遇到的問題，總結出準確計算穩定航跡的方位、距離、運動機動特性的處理方法，得到了理想的航跡跟蹤效果。

關鍵詞：多普勒速率；航跡起始；航跡質量；航跡相關

中圖分類號：TB5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0064-02

1 引言

雷達航跡處理目的是將檢測到的雜亂無章的目標點跡按照一定的要求進行關聯，是雷達數據處理中非常重要的一個環節，它具有實時性、準確性和高效性三個基本特征。在對地面目標的偵察過程中，如何在很短的時間內排除干擾目標的影響，及時準確地建立航跡，直接關系到雷達的使用效果。

本文以常見的脈沖雷達為基礎，從地面目標的機動性運動特征入手，通過對航跡質量進行管理，系統性分析航跡起始與相關過程的算法優劣性，結合實際工程實際提出一種航跡改良算法，進而得到更加準確的目標位置信息。

2 地面目標的機動性運動特征

雷達量測值為地面目標的距離和方位信息，當采用極坐標系（距離-方位）作為跟蹤坐標系時，直角坐標系內的勻速直線運動[1]（徑向運動除外）的目標表象的運動特性則是帶有加速度的機動運動。為了消除此偽加速度的影響，我們在距離、方位角方向均采用有加速度擾動的目標機動模型，該模型描述如下：

Dk、Vk、分別表示k時刻的目標距離、多普勒速率（徑向速度）及徑向加速度；θk、、分別表示k時刻的目標角速度、方位角速度及方位加速度。

3 航跡質量管理

地面目標的機動與繁多反映出來的特性表明，地面航跡的起始和相關過程會比較頻繁。為了更好地管理航跡，在論證過程中采用航跡“質量”的概念。它一定程度反映出航跡的一個穩定狀態。

一般地，設定質量管理流程如下：

當航跡起始時，航跡處于不穩定的狀態，我們設置其初始質量為3；

在航跡相關處理的過程中，每與新的量測值相關成功后，質量加1；

當質量為6時，則認為該航跡為穩定航跡；

在一定的時間間隔內相關失敗后，質量減1；

當航跡質量減為1時，航跡跟蹤失敗，系統自動刪除該航跡。

4 航跡起始與相關過程

在雷達數據處理中，首先要建立目標航跡。如果航跡起始不正確，有可能航跡在第一時間就出現巨大偏差。航跡起始是航跡處理的難點問題，由于地面目標繁多、機動性強、易被遮擋影響探測概率等特征，雷達的探測能力差且目標和雜波的出現并沒有真正的統計規律。

4.1 直觀法

所有航跡起始算法里計算量最小的是直觀法。它是根據物體的運動規律提出的：對于同一個運動物體而言，其運動速度、加速度應該介于最大值和最小值之間，不同類型的物體有不同的運動速度、加速度最大值和最小值。假設vi（i=1，2，…，N）是N次目標的量測速度值。如果這N個周期中有M個周期的量測值符合下面兩條規則，那么直觀法就認為一條航跡起始成功。

這種方法相對來說波門限制較少，但受到雜波等干擾目標的影響巨大，容易出現誤跟的現象，一般僅用于仿真模擬或無背景雜波干擾的環境下的航跡起始[2]。

4.2 邏輯比較法

邏輯法和直觀法有相似的部分，都在N個掃描周期中若正確檢測到量測的次數大于等于M，則航跡起始成功，若時間窗內滿足檢測門限的數目不夠時，則將時間窗后移[3]。兩者的不同之處在于波門的設置，直觀法僅用速度和加速度作為航跡起始時的波門限制，采用的只是一些經驗上的判決；邏輯法通過預測目標點的下一時刻的位置和設置相關波門來判斷航跡是否存在。具體處理流程如下：

（1）將第一次掃描周期的量測目標作為可能航跡，建立初始波門。

（2）將第二次掃描周期的量測點，通過直觀法，建立候選的航跡，初始化質量均為3，對每一個候選的航跡目標，利用一階多項式外推的方法，建立橢圓波門。

（3）將第三次掃描周期的量測目標進行分類：滿足橢圓波門內的量測目標，建立臨時航跡，如果滿足條件的觀測超過一個，則此候選目標航跡分裂為多個航跡，匹配后，這些航跡的質量均加1；若沒有滿足橢圓波門內的量測目標，利用直線外推的預測值代替，建立一個臨時航跡，該臨時航跡質量減1，如果連續2次均沒有量測目標匹配，那么刪除該臨時航跡。

（4）連續進行（2），（3）步處理，當航跡質量為6時認為該航跡為穩定航跡。

（5）在每次掃描中，落入相關波門中但并未被關聯的點跡與未落入波門的點跡作為新的航跡頭，轉（1）。

整個數據處理流程如圖1所示。

5 提高機動目標航跡預測位置精度

邏輯法作為一種航跡起始方法，也可以作為航跡與量測點匹配過程中處理流程。但在真實試驗場景下，由于多普勒雷達[4]的波束寬度的影響，在觀測目標時，方位上的誤差受和差波束的影響，方位測量值的隨機誤差較大，尤其量測近距離的目標，有時目標作接近直線運動時，測量值則顯示目標在方位上誤差就很大。采用直線外推的方法來測量，很容易出現航跡跟丟、匹配不到的現象。

如圖2所示，起始點為一個穩定跟蹤的航跡目標，假設該航跡的真實運動軌跡如黃色虛線所示，黑色為量測目標點，紅色為匹配后直線外推的目標預測點，如果沿直線外推，則在第三次探測時量測目標就落入到波門以外，此時航跡跟蹤目標丟失。

由此可見，簡單的直線外推方法僅僅能大致預測到目標的距離信息，并不能完全正確的預測目標的運動方向。如何計算目標的運動方向，預測出更準確的目標位置信息，在航跡匹配過程中顯得尤為關鍵。

由于航跡起始時，關聯的量測值較少，無法準確預測航跡位置，但當航跡連續成功匹配5次即目標進入穩定跟蹤狀態后，可以通過以下方法準確計算目標的運動狀態。

6 結語

本文從地面目標機動性運動特征出發，分析了航跡起始與航跡相關的處理流程，結合真實試驗場景中航跡丟失情況總結出一種精確預測目標的距離、方位的方法。可以降低航跡丟失概率，提高航跡預測精準度。能夠顯著提高復雜環境下雷達對機動運動目標的航跡質量，保證了雷達對目標的穩定、持續、實時跟蹤，具有很強的工程應用前景。

參考文獻

[1]羅鵬飛，張文明.一種多目標跟蹤航跡起始新算法及其性能評估[J].國防科技大學學報，1999，21（6）：51-54.

[2]蘇峰，王國宏，何友等.修正的邏輯航跡起始算法[J].現代防御技術，2004，32（5）：66-68.

[3]張喆，樊曉光，李建勛.基于M/N邏輯和一步延遲的航跡起始方法[J].計算機工程，2011，37（10）：234-236.

[4]丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達原理（第四版）[M].北京：電子工業出版社，2009.