直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)設(shè)計

王 琳 強靜雅 黃 海

(陸軍航空兵學院陸軍航空兵研究所 北京 101121)

0 引言

武裝直升機是低空超低空戰(zhàn)場上重要的突擊力量，主要用于對地面裝甲、輕裝甲、步兵戰(zhàn)車目標以及低空范圍內(nèi)直升機、無人機目標實施攻擊。獲取精確一致的目標信息是實施火力打擊的前提。目前，武裝直升機主要通過火控雷達、光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等獲得目標信息。其中，火控雷達作用距離遠，搜索效率高，具備多目標跟蹤能力，但同時存在長時間開機易于暴露，目標識別能力相對較低等不足；光電系統(tǒng)探測識別精度高，隱蔽性好，但由于視場范圍有限，目標搜索效率相對較低；數(shù)據(jù)鏈和地理信息系統(tǒng)等外部數(shù)據(jù)難以直接用于機載火控系統(tǒng)進行目標瞄準，需要完成坐標轉(zhuǎn)換、時間對準等數(shù)據(jù)處理，才能實現(xiàn)與火控雷達、光電系統(tǒng)等配合使用。

多傳感器信息融合與管理控制是提高直升機綜合探測能力和戰(zhàn)場感知能力的有效手段。利用多傳感器信息融合技術(shù)，可以彌補單一傳感器在探測識別目標能力上的不足，為直升機平臺提供精確一致的目標數(shù)據(jù)。利用多傳感器管理控制技術(shù)，可實現(xiàn)火控雷達、光電系統(tǒng)等傳感器的協(xié)同配合，提高復雜環(huán)境下目標探測識別效率，縮短OODA作戰(zhàn)反應(yīng)時間。

國內(nèi)有關(guān)學者在機載多源信息融合和傳感器管理控制方面開展了大量研究，文獻[1]結(jié)合航電系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)特點及信息融合需求，提出了基于修正JDL模型和數(shù)據(jù)融合樹的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思想。文獻[2]圍繞機載信息融合的典型需求和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了適合未來作戰(zhàn)飛機的動態(tài)信息融合體系機構(gòu)，研究了時間空間配準及目標狀態(tài)估計的方法。文獻[3]提出了一種復雜戰(zhàn)場環(huán)境下機載雷達/紅外融合探測控制與跟蹤方法，給出了協(xié)同探測傳感器控制策略。以上成果為直升機多源信息融合研究提供了寶貴經(jīng)驗，開拓了研究思路。

本文針對直升機載多傳感器的性能特點和作戰(zhàn)過程低截獲的要求，設(shè)計了一種信息融合仿真系統(tǒng)，給出了傳感器協(xié)同探測的方法。該系統(tǒng)在融合處理火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用融合后的目標信息引導光電系統(tǒng)進行協(xié)同探測，實現(xiàn)對目標的快速精確瞄準。該方法可提高直升機多源信息利用效率，降低火控雷達探測照射時間，獲得優(yōu)良的低截獲性能。

1 直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)

1.1 仿真系統(tǒng)組成和功能

直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)由火控雷達數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、直升機多源信息融合分系統(tǒng)、載機平臺數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)、光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算分系統(tǒng)和顯示模擬分系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)組成

直升機多源信息融合分系統(tǒng)用于目標信息融合處理、多目標威脅分析等。火控雷達數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)用于生成雷達目標信息。數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)用于生成數(shù)據(jù)鏈的目標信息。地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬分系統(tǒng)用于生成目標的地理位置信息。光電系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算分系統(tǒng)用于目標瞄準信息解算，計算目標瞄準線中心位置，并根據(jù)瞄準線偏差確定光學系統(tǒng)探測視場。載機平臺模擬分系統(tǒng)用于生成直升機運動數(shù)據(jù)。顯示分系統(tǒng)用于生成光電系統(tǒng)的目標探測與瞄準畫面。

1.2 仿真系統(tǒng)軟件框架

直升機多源信息融合仿真系統(tǒng)由仿真系統(tǒng)總控模塊、數(shù)據(jù)生成模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及通信網(wǎng)絡(luò)等組成，如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)軟件框架

仿真系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法，建立軟件設(shè)計規(guī)范和約定，制訂接口控制協(xié)議，劃分軟件項目，分解軟件模塊，完成編碼、單元測試和仿真系統(tǒng)軟件綜合。根據(jù)直升機多源信息融合的需求，獨立開發(fā)數(shù)據(jù)生成模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、數(shù)據(jù)解算模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，各模塊之間通過內(nèi)存共享技術(shù)進行數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)過程中，全面描述各模塊的功能與接口要求、模型和算法、運行時序、輸入/輸出要求等。

系統(tǒng)總控模塊是仿真系統(tǒng)的“總控臺”，它管理控制整個仿真系統(tǒng)的運行，啟動仿真流程，調(diào)用其它各模塊。系統(tǒng)總控模塊的主要功能有：

1)提供仿真系統(tǒng)統(tǒng)一的時鐘，同步處理軟件模塊的初始化；全系統(tǒng)流程控制，啟動仿真流程，調(diào)用其他各個模塊。

2)協(xié)調(diào)整個仿真系統(tǒng)的運作，完成數(shù)據(jù)生成模塊與數(shù)據(jù)融合模塊之間的通信控制，完成各個模塊運行的時序排列、輸入/輸出要求。

3)提供仿真系統(tǒng)人機交互界面，包括選擇與顯示仿真場景，設(shè)置火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)、直升機狀態(tài)、目標數(shù)量/狀態(tài)等參數(shù)，設(shè)置仿真次數(shù)，設(shè)定傳感器組合，啟動仿真運行，顯示仿真結(jié)果。

1.3 仿真系統(tǒng)運行流程

仿真系統(tǒng)采用VisualC++6.0和Matlab混合編程實現(xiàn)，運行環(huán)境為win7系統(tǒng)，總體運行流程如圖3所示。仿真系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)生成模塊模擬出目標數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)依次傳輸至融合模塊和解算模塊。數(shù)據(jù)通信基于TCP/IP協(xié)議，利用網(wǎng)絡(luò)套接字Socket實現(xiàn)，并通過VisualC++6.0提供的CSocket類完成通信處理。

圖3 仿真系統(tǒng)運行流程

仿真系統(tǒng)在軟件設(shè)計時充分考慮了用戶接口。其中，在數(shù)據(jù)生成模塊設(shè)計時，預留了各傳感器的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了模塊的通用性。傳感器的性能參數(shù)通過可編輯的屬性頁實現(xiàn)，并根據(jù)需要選擇和輸入?yún)?shù)，賦予合理的默認值。傳感器的目標航跡信息可以進行中斷設(shè)定，包括航跡中斷起止時間、航跡中斷可恢復最大間隔時間等。顯示設(shè)定通過可選擇復合框和可編輯對話框?qū)崿F(xiàn)。在數(shù)據(jù)融合模塊設(shè)計時，根據(jù)多目標的優(yōu)先級順序，利用通信網(wǎng)絡(luò)將目標融合數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。

2 數(shù)據(jù)生成模塊

數(shù)據(jù)生成模塊主要包括目標數(shù)據(jù)模擬、直升機數(shù)據(jù)模擬和傳感器數(shù)據(jù)模擬。

2.1 目標數(shù)據(jù)模擬

目標數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成每個目標的航跡數(shù)據(jù)(包括目標位置、速度、加速度)，根據(jù)設(shè)置的典型仿真場景，模擬目標的運動軌跡。每個目標參數(shù)相互獨立，目標航跡可以預先獨立設(shè)定，形成航路點文件保存，也可對其進行實時操作。

目標數(shù)據(jù)生成模塊由系統(tǒng)總控模塊調(diào)用，該模塊的輸入是目標數(shù)量、目標運動參數(shù)和仿真時間。目標運動模型主要有：勻速模型、勻加速模型、交互式多模型、當前統(tǒng)計運動模型等。模塊輸出是目標在每個仿真時刻的運動參數(shù)。

2.2 直升機數(shù)據(jù)模擬

1)直升機航跡信息模擬模塊

直升機航跡信息模擬模塊用于生成直升機的空間航跡數(shù)據(jù)(包括直升機位置、速度、加速度)，模擬直升機的運動軌跡。直升機航跡可任意設(shè)定，或采用預定航路點文件給出。

該模塊的輸入是直升機平臺的機動性能參數(shù)和仿真時間。直升機運動模型主要包括勻速模型、勻加速模型、圓周運動模型、交互式多模型、當前統(tǒng)計運動模型等。模塊輸出為直升機在每個仿真時刻的運動參數(shù)。

2)直升機慣導數(shù)據(jù)模擬模塊

直升機慣導數(shù)據(jù)模擬模塊是以生成的直升機航跡信息為基礎(chǔ)，綜合考慮慣導系統(tǒng)的位置誤差和角度誤差，疊加生成直升機的慣導數(shù)據(jù)，包括直升機位置(經(jīng)度、緯度、高度)、速度矢量、飛行姿態(tài)(方位角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角)數(shù)據(jù)等。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)模擬

根據(jù)系統(tǒng)總控模塊選定的仿真場景，以及設(shè)置的傳感器參數(shù)進行加噪加雜處理，實現(xiàn)火控雷達、光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈的目標數(shù)據(jù)模擬。

1)火控雷達數(shù)據(jù)模擬模塊

火控雷達數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成雷達測量數(shù)據(jù)；該模塊的輸入是目標數(shù)據(jù)模擬模塊生成的目標數(shù)據(jù)，輸出是每個時刻目標在火控雷達坐標系中的距離、角度(方位角、俯仰角)、速度等參數(shù)。該模塊中加入了正態(tài)分布和瑞利分布噪聲來模擬雷達探測目標的隨機噪聲，以此提高數(shù)據(jù)仿真的逼真度。

2)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬模塊

數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成數(shù)據(jù)鏈提供的信息，該信息包含了數(shù)據(jù)率和傳輸延遲，暫不考慮數(shù)據(jù)丟包。其中，數(shù)據(jù)鏈的精度和數(shù)據(jù)率由提供目標數(shù)據(jù)的平臺和通信網(wǎng)絡(luò)決定；傳輸延遲由數(shù)據(jù)包發(fā)送和到達時間確定。

3)地理信息數(shù)據(jù)模擬模塊

地理信息數(shù)據(jù)模擬模塊用于生成目標在大地坐標系統(tǒng)下的參數(shù)信息，包括目標的經(jīng)度、緯度、高度。

3 數(shù)據(jù)融合模塊

數(shù)據(jù)融合模塊是仿真系統(tǒng)的核心，它接收火控雷達、數(shù)據(jù)鏈和地理信息系統(tǒng)等目標數(shù)據(jù)，先進行坐標轉(zhuǎn)換、時間對準等數(shù)據(jù)預處理，再進行航跡融合。

3.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理是多源信息融合的基礎(chǔ)，直升機平臺不僅要融合機載傳感器的數(shù)據(jù)，還要融合其它平臺利用數(shù)據(jù)鏈等傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有不同的采樣間隔、數(shù)據(jù)格式、觀測坐標系，需要對其進行坐標轉(zhuǎn)換、時間對準、延遲外推等預處理。

1)坐標轉(zhuǎn)換

直升機載火控雷達、光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等都是基于各自的觀測坐標系。實現(xiàn)信息融合前，必須將不同坐標系的觀測值轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一參考坐標系。仿真系統(tǒng)中采用的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示，坐標轉(zhuǎn)換采用齊次坐標轉(zhuǎn)換方法進行，先坐標系轉(zhuǎn)換，后坐標平移。

圖4 坐標轉(zhuǎn)換示意圖

2)時間對準

由于各傳感器上報數(shù)據(jù)的起始時間及數(shù)據(jù)率不同，在數(shù)據(jù)融合前，仿真系統(tǒng)主要采用最小二乘、內(nèi)插外推、拉格朗日二次插值等[4]方法，將不同時刻的傳感器數(shù)據(jù)進行時間對準。

3)狀態(tài)延遲外推

由于通信傳輸原因，數(shù)據(jù)鏈的目標數(shù)據(jù)存在延遲，仿真系統(tǒng)采用“目標觀測補償”的方法，虛擬產(chǎn)生目標量測值，在卡爾曼濾波算法的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲的外推補償。設(shè)數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲時間為td，虛擬產(chǎn)生的目標量測補償值為

(1)

其中，xk+1為目標狀態(tài)，zk+1|k為k+1時刻的目標觀測值，zk+td|k為延遲外推后的目標觀測值。

3.2 航跡融合

直升機多源信息融合采用分布式融合結(jié)構(gòu)，首先由各傳感器形成目標的航跡信息，在航跡關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上，對分布式航跡數(shù)據(jù)進行融合。根據(jù)各傳感器的目標航跡信息是否同步，分為航跡同步融合和航跡異步融合[5]。

1)航跡同步融合

航跡同步融合是以火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等傳感器的局部狀態(tài)估計為基礎(chǔ)，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)融合處理。由于在相同的戰(zhàn)場環(huán)境下，火控雷達、數(shù)據(jù)鏈等多傳感器之間的量測噪聲存在相關(guān)性，從而對航跡融合精度產(chǎn)生影響，因此在仿真系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計中，重點引入噪聲不相關(guān)和噪聲相關(guān)兩種融合算法[6]。這兩種方法均等價于集中式融合算法，航跡融合估計的結(jié)果是最小均方根意義下的。其中，噪聲相關(guān)的融合算法可適用于噪聲相關(guān)程度高的作戰(zhàn)環(huán)境，能夠提高火控雷達、數(shù)據(jù)鏈等數(shù)據(jù)的融合精度。

2)航跡異步融合

由于火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等傳感器數(shù)據(jù)不同步，以及數(shù)據(jù)鏈傳輸延遲等問題，無法進行航跡同步融合。為此，在仿真系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計中，引入可應(yīng)用于工程實踐的航跡異步融合算法，并采用集中式、分布式、實時更新的三種異步融合策略[7]來解決各傳感器不同采樣速率和數(shù)據(jù)處理周期的問題。

4 數(shù)據(jù)處理與顯示模塊

4.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要用于接收數(shù)據(jù)融合模塊的信息，進行目標瞄準線解算，然后將計算的目標瞄準線與真實目標線進行對比，以此確定目標瞄準線方位和俯仰角度偏差[8]，如圖5所示。模塊輸入是目標位置、直升機位置和姿態(tài)參數(shù)，模塊輸出是光電系統(tǒng)目標瞄準線的方位角和俯仰角。

圖5 目標瞄準線角度偏差示意圖

光電系統(tǒng)目標瞄準線角度偏差計算方法如下：

步驟1：目標瞄準線計算。根據(jù)融合后的目標數(shù)據(jù)與直升機的空間位置關(guān)系，計算光電系統(tǒng)目標瞄準線的方位角和俯仰角。

步驟2：目標瞄準線偏差計算。將計算的目標瞄準線與真實目標線進行對比，分別計算方位角和俯仰角的目標瞄準線偏差。

步驟3：迭代計算。仿真系統(tǒng)設(shè)置了隨機誤差，采用蒙特卡洛統(tǒng)計試驗法，計算目標瞄準線偏差均值。

4.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊主要用于顯示光電系統(tǒng)的目標瞄準線和探測視場，以及目標的顯示位置。根據(jù)計算目標瞄準線與真實目標瞄準線的偏差大小，存在四類典型情形：一是目標位于光學系統(tǒng)小視場內(nèi)；二是目標位于光學系統(tǒng)中視場內(nèi)；三是目標位于在光學系統(tǒng)大視場內(nèi)；四是目標位于在光學系統(tǒng)大視場外。光電系統(tǒng)需要根據(jù)計算的目標瞄準線偏差，合理確定視場中心和視場范圍，實現(xiàn)對目標的快速精確瞄準。

5 結(jié)束語

本文針對直升機多源信息融合的需求，設(shè)計了一種信息融合仿真系統(tǒng)，并給出了傳感器協(xié)同探測的方法。該系統(tǒng)在融合處理火控雷達、數(shù)據(jù)鏈、地理信息系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用融合后的目標信息，引導光電系統(tǒng)進行協(xié)同探測，實現(xiàn)對目標的快速精確瞄準。利用提出的方法可以提高直升機多源信息利用效率，降低火控雷達探測照射時間，獲得優(yōu)良的低截獲性能，研究成果可為開展直升機多源信息融合技術(shù)研究提供參考。由于火控雷達作用距離遠，在協(xié)同探測時還要考慮雷達以及數(shù)據(jù)鏈提供數(shù)據(jù)與光電系統(tǒng)探測距離匹配性的問題。