（控制理论与控制工程专业论文）基于stage软件的多传感器数据融合仿真平台的设计和实现.pdf

l 删f f f f | f | f j f f f i | f f | f f | f j | i 川f i i f y 19 0 9 2 0 7 。 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r a d e s i g n o fm u l t i s e n s o rd a t af u s i o n s i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do ns t a g e c a n d i d a t e ： w a n gy i m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f p e n gd o n g l i a n g d e c e m b e r ，2 0 10 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：王，益够 日期：矽玎年月夕日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 五益鳕 指剥雠：职屹 日期：矽多年月乡日 日期：出lf 年f 月( 垆日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着多传感器数据融合技术的发展，相应的理论及算法也越来越多。由于影 响数据融合效果的因素很多，仅靠研制人员进行定性评估是远远不够的，必须寻 找一种有效的方法进行定量评估。仿真技术便是利用计算机技术和仿真建模技 术，来对数据融合结果进行定量研究，即验证数据融合结果的可靠性或其它需要 验证的属性。因此，仿真平台在数据融合技术发展中具有极其重要的地位。但是， 目前已经相对成熟的理论和算法很多，任何一个仿真平台都不可能全部囊括。由 此可得，本文将要构建一个通用的多传感器数据融合仿真平台具有其特殊的使用 价值，其主要内容包括以下几个方面。 首先，在深刻理解s t a g e 软件的运行机理和体系结构的基础之上，结合 s t a g e 软件的优势和特点，对它进行二次开发，构建了多传感器数据融合仿真 平台的作战想定环境即仿真剧情，给目标跟踪算法提供了数据来源。 其次，采用结构化分析的软件设计方法，遵循功能模块化的原则来设计该仿 真平台，其中包括的主要功能模块有：剧情产生( s t a g e 软件提供) 、系统数据 管理、数据融合中心、数据通信、人机交互界面、性能评估。进而，本文根据各 个模块的功能要求加以说明和软件设计，其中在数据融合中心模块中本文详细描 述了目标跟踪算法的建模思想和扩展性的接口定义设计；在性能评估模块中本文 详细描述了性能评估软件指标的定义和提取，及该模块的软件设计和实现方法。 最后，仿真的实现。本文以雷达和红外目标跟踪算法为例子，测试和验证该 多传感器数据融合平台的性能，并证明其实用性、兼容性和扩展性。本文所用的 软件开发工具是s t a g e 软件和v i s u a lc 6 0 混合编程来实现该仿真平台的开发。 另外本文还测试了第三方提供的目标数据，进一步证明仿真平台的兼容性，也证 明了融合中心的目标跟踪算法建模和组件封装的重要意义提高其代码的重 用率。 关键字：数据融合，s t a g e ，性能评估，u m l ，c o m 组件 l 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r er e l e v a n t t h e o r i e sa n da l g o r i t h m sh a v eb e e np r o p o s e d t h e r e f o r e ，j u s td e p e n do nq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o ni s n o te n o u g h , a ne f f e c t i v eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nm e t h o ds h o u l db ef o n dd u et os om a n yf a c t o r s i n f l u e n c et h ed a t af u s i o nr e s u l t t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi n t e g r a t e sc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d s i m u l a t i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g y , c a nd e a lw i t hd a t af u s i o nr e s u l tq u a n t i t a t i v e l yb yc h e c k i n gt h e r e l i a b i l i t yo ft h ed a t af u s i o nr e s u l to ro t h e ra t t r i b u t e s t h u sd a t af u s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fd a t af u s i o nt e c h n o l o g y b u ti ti s i m p o s s i b l ef o r r e l a t i v e l ym a t u r et h e o r i e sa n da l g o r i t h m sa r ei n c l u d e di na n ys i m u l a t i o np l a t f o r m t h e r e f o r e ，a g e n e r i cm u l t i s e n s o rd a t af u s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mb u i l ti nt h i sp a p e rh a sg r e a tv a l u e t h i sp a p e r i sm a i n l yc o n s i s t e db yt h r e ep a r t sa sf o l l o w i n g f i r s t l y , f u r t h e rd e v e l o p m e n to fs t a g es h o u l db em a d eb a s e do nd e e pu n d e r s t a n d i n go f o p e r a t i o nm e c h a n i s ma n ds y s t e ms t r u c t u r eo fs t a g e t h e naw a r f a r es u p p o s i t i o no fm u l t i s e n s o r d a t af u s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e d , t op r o v i d ed a t as o u r c e sf o rt a r g e tt r a c k i n ga l g o r i t h m s s e c o n d l y ，t h i ss i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e df o l l o w i n gt h ep r i n c i p l eo ff u n c t i o n a lm o d u l a r , a n du s es d m ( s t r u c t u r e dd e v e l o p i n gm e t h o d ) i t sm a i nf u n c t i o n a lm o d u l e si n c l u d es c e n a r i o g e n e r a t i o n ( p r o v i d e db ys t a g e ) ，s y s t e md a t am a n a g e m e n t , d a t af u s i o nc e n t e r , d a t a c o m m u n i c a t i o n , u i ( u s e ri n t e r f a c e ) a n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n e x p l a n a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n h a v eb e e nm a d ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fe a c hm o d u l e i nt h ep a r to fd a t af u s i o nc e n t e r m o d u l e ，t h em o d e l i n gi d e ao ft a r g e tt r a c k i n ga l g o r i t h m sa n dt h ed e f i n i t i o nd e s i g no fs c a l a b l e i n t e r f a c e sh a v eb e e nd e s c r i b e di nd e t a i l t h e ni np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o np a r t ，t h ed e f i n i t i o na n d e x t r a c t i o no fp e r f o r m a n c e sa n dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h i sm o d u l eh a v eb e e ni n t r o d u c e d a tl a s t ，s i m u l a t i o ni sc a r d e do u t r a d a ra n di n f r a r e dt a r g e tt r a c k i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e n t a k e na se x a m p l e si nt h i sp a p e rt ot e s ta n dv e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h em u l t i s e n s o rd a t af u s i o n p l a t f o r m ，a n dp r o v ei t sa v a i l a b i l i t y , c o m p a t i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l si nt h i sp a p e ra r es t a g ea n dv i s u a lc 6 0 t h et a r g e t sd a t a p r o v i d e db yt h et h i r dp a r t yh a v eb e e nt e s t e d i nt h i sp a p e r t h er e s u l t sh a v ef u r t h e rp r o v e dt h e c o m p a t i b i l i t yo f t h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n ds i g n i f i c a n c eo f t a r g e tt r a c k i n ga l g o r i t h m sm o d e l i n g a n dc o m p o n e n tp a c k a g i n gi nd a t af u s i o nc e n t e r - - i m p r o v i n gt h er e u s eo fi t sc o d e k e y w o r d s ：d a t af u s i o n ，s t a g e ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，u m l ，c o mc o m p o n e n t i i l 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 数据融合技术的意义2 1 2 1 仿真平台的提出3 1 2 2 性能评估技术研究的意义4 1 3 国内外研究历史及现状4 1 4 先进的仿真环境s t a g e 5 1 5 论文的主要内容。6 第2 章数据融合仿真平台的系统模型设计7 2 1 引言7 2 2s t a g e 剧情产生7 2 2 1s t a g e 仿真软件的体系结构8 2 2 2s t a g e 仿真软件的应用扩展接口9 2 3s t a g e 战情仿真软件在仿真平台支撑环境中的应用设计1 0 2 3 1s t a g e 战情仿真软件的使命任务1 0 2 3 2s t a g e 软件功能应用设计11 2 4 仿真平台的系统需求分析。1 3 2 4 1 需求分析的提出1 4 2 4 2 系统需求分析1 4 2 5 基于u m l 的系统模型设计1 7 2 5 1u m l 建模语言概述17 2 5 2 系统静态结构建模18 2 5 3 系统动态行为建模2 0 2 6 本章小结2 1 第3 章数据融合算法的建模及封装2 2 3 1 引言2 2 i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 2d e v s 模型描述2 2 3 2 1d v e s 模型定义2 2 3 3c o m 技术2 3 3 3 1c o m 的对象2 3 3 3 2c o m 的接口2 4 3 3 3c o m 的实现2 5 3 4 算法模型开发2 7 3 4 1 算法模型的d e v s 形式化描述2 7 3 4 2d e v s 模型到u m l 模型的映射2 8 3 5 算法组件封装3 0 3 6 小结3 2 第4 章数据融合算法性能评估的方法及平台设计。3 3 4 1 引言3 3 4 2 性能评估3 3 4 2 1 性能评估指标定义3 4 4 2 2 性能评估指标提取3 6 4 3 性能评估平台3 7 4 3 1 评估平台的输入输出3 7 4 3 2 评估平台功能模块3 7 4 3 3 功能模块软件的实现3 8 4 4 小结3 9 第5 章数据融合仿真平台的实现及仿真分析4 0 5 1 引言4 0 5 2 平台功能的软件实现4 0 5 2 1 作战想定环境模块4 0 5 2 2s t a g e 软件与数据融合平台的通信技术4 3 5 2 3 人机界面操作实现4 5 5 3 系统数据管理的实现4 5 5 3 1 数据库访问技术4 6 5 3 2 数据查询与管理4 7 5 4 仿真实现4 8 5 4 1 红外和雷达算法仿真测试及评估4 8 5 4 2 多机动目标数据融合算法5 0 i v l 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 5 小结。5 2 第6 章总结与展望一5 3 6 1 总结一5 3 6 2 展望5 3 致谢5 5 参考文献5 6 附勇毛5 9 v l 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着科学技术的日新月异，新型精密传感器的不断出现，以及信号检测技术、 计算机电子技术、复杂网络通信技术、神经网络技术等相关技术的快速发展，同 时多传感器系统不停地更新换代，并能够应用于各种各样复杂环境之中。在这些 多传感器系统中，因信息具有多种特征，如表现形式的多样性、数量的巨大性、 关系的复杂性，以及要求信息处理的及时性、可靠性和准确性等等，都已经远远 超过人脑的信息综合处理能力。因此，这就必须采用计算机技术，把若干传感器 的信息在一定的准则下加以全面分析和优化综合来完成所需的估计与决策 数据融合技术i l j 。 在军事上，数据融合的定义为一种关联、估计及合并多传感器探测数据的计 算过程，其目的是为了获取较为精确的目标运动状态和属性，进而全方位、多角 度地分析整个战场态势1 2 j 。从数据融合技术的功能来看，该定义把数据融合技术 的几个重要内容进行了详细地描述：首先，在不同层次的数据融合阶段，分析和 估计不同信息的处理任务，其中不同级别的抽象信息单元就表示不同层次：其次， 状态推测、目标属性( 敌、我、友) 、数据关联、信息归类及目标检测，这些属 于数据融合技术范畴之内；最后，数据融合的信息显示包括低级别的状态和身份 估计，以及高级别的战场态势估计。因此，融合即技术人员综合处理多源的信息 和数据，从而得到更加精确地结果。 近年来，不论在军用领域，还是在民用范围内，多传感器数据融合技术都引 起了广泛的关注。由于数据融合过程包括复杂的技术因素，同时包括大量的不确 定因数、环境因素和认为因素，仅靠研究人员进行定性评估是不完整的，应该研 制一种有效的方法进行定量评估。仿真技术即计算机建模技术，完成数据融合算 法结果的定量分析，即检验算法的稳定性和实用性或者其他属性。因此，多传感 器数据融合算法仿真平台( 以下简称：数据融合仿真平台) 在数据融合技术发展 具有极其重要的地位。但是，由于目前比较成熟的理论算法很多，所以，设计一 个通用、易扩展、开放的仿真平台具有其实际意义。在工程使用方面，仿真平台 的性能评估也是当前多传感器数据融合技术领域的一个热点问题，国内外对这方 面的研究也处于初级阶段p 刮。 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 数据融合技术的意义 数据融合技术是按照一定的法则和方式处理来自多信息源的信息，以及数据 库、知识库和人类本身的相关信息；从而形成一个表示架构，这种架构可得到比 使用单个传感器的信息更加的准确度，更加丰富的内容和更加合理的答案的一种 技术。从军事角度来看，数据融合技术主要是对来自若干传感器的数据进行检测、 配准、互联、组合和估计等各个不同层次的处理，从而提高目标状态、身份估计 的精度，适时完整地评价战场态势和威胁的重要程度。从该定义上可以看出，这 样操作的优势在于利用不同性能传感器的共同特点或者联合操作，来提高该数据 融合系统的效率【7 。10 。 多信息源的数据融合，实际上是模拟人脑综合处理复杂问题的一种技术。在 过程进化中，人类或者其它动物依靠多种感官来综合处理环境因素来提高其生存 能力。例如，如何提高对食物的新鲜程度及其质量判断的可靠性，仅仅依靠单一 的视觉或触觉来判断是远远不够的，必须综合利用视觉、触觉及味觉，才能做出 准确的判断。同样的，在丛林中，某个人无法看到草木背后的情况是，听觉或嗅 觉就会发挥其作用，提高人的警觉性，采取相应的手段来保护自己。因此，数据 融合在一定程度上就是模拟人类和动物行为的一种功能，能够比较准备地分析和 估计生存环境的状态，大大提高人类的防御力和生产效率。 在多传感器数据融合系统中，模糊的或者精确的、非时变的或者时变的、连 续的或者断续的、互斥的或者互补的、同步的或者异步的等等信息，这些信：息特 点都是由各种不同类型的传感器提供的。因此，多传感器数据融合系统，比较这 些传感器所提供的信息特点，通过对其观测数据的精确分析和有效利用，把它们 在时空( 即时间和空间) 变化上的差异和互补数据按照一定方式组合起来，来提 取对观测对象的一致性解释或描述，同时得到新的融合结果。 因此，多传感器数据融合系统相比较单传感器系统，主要具有以下特性： ( 1 ) 提高系统的生存性能：在几个不同传感器组成的传感器网络中，可能 某个传感器出现故障不能正常使用，或者受到外界环境的影响比较大，或者受限 于探测范围或检测精度，以至于目标没有被它发现，在一般情况下，该传感器网 络中至少有一个能够正常工作的传感器提供探测信息，增加了该系统的检测概 率，提高了该系统的稳定性，降低了该系统的故障率，保证该系统能够长时间连 续工作。 ( 2 ) 扩展了空间探测范围：增强系统的监视能力和检测概率主要因为每个 传感器探测范围总是有限，所以把各个传感器布置在不同空间的位置，可以扩大 系统作用区域，扩展传感器的空间覆盖面。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 延长了传感器作用时间：因此在某段时间区间上某个目标可能会被某 些传感器探测，或者不能，但是对于整个系统来说，总有某个传感器能够探测到 该目标，所以多传感器系统能够提高其检测概率。 ( 4 ) 提高了可信度。同一目标或事件被多个传感器确认，因而大大提高融 合系统的可信度。 ( 5 ) 提高信息的清晰度：综合各个传感器的信息特点增加目标的确定性。 ( 6 ) 传感器探测性能优化：精确分析被测物的各项量测数据，有效的提高 探测的准确率。 ( 7 ) 强了传感器作用区域的目标识别能力，多传感器系统和单传感器系统 相比较，前者的综合目标识别能力显示优于后者，且能够较准确预测目标的下一 步运动状态和操作行为。 ( 8 ) 增加了测量空间的维数：能够让整个系统提高抗电子干扰能力和减少 环境影响因素，增强敌我行动中的战斗力，不易受到对方的破坏。 ( 9 ) 改进了系统的可靠性：多个传感器相互合作，使得系统性能稳定可靠。 1 2 1 仿真平台的提出 为了体现仿真平台的作用和意义，开发者必须以数据融合技术的特点及其发 展趋势为立足点，在全面认识和深刻理解数据融合问题的基础上，利用软件设计 思想来构建仿真平刽1 2 j 。 首先，面向对象性是数据融合技术的本身特性。即，研究应该具有针对性， 在对特定应用领域的特定问题上设计出相应的融合系统。如，同样是研究目标识 别问题，陆、海、空三种环境中的融合系统间一定会存在差异。也就是，该仿真 平台能够实现功能模块化的特点。其次随着对数据融合研究的不断深入，新的理 论和算法将不断出现，同时新的研究成果将模块化加入到仿真平台中，这样体现 了该仿真平台具有良好的扩展性。为了提高数据融合算法仿真效果逼真度，我们 在剧情产生模块上是利用s t a g e 战情软件。该款软件能够根据用户的要求设置 融合算法所需要的仿真环境、目标航迹、雷达模型，同时解决了多平台之间数据 通信问题。 数据融合技术研究过程中需要处理大量的信息，单靠简单的人为计算和管理 是远远达不到融合的信息处理要求。因此，信息存储、访问、管理将是仿真平台 的重要组成部分。在仿真平台中，以数据流的流向软件思想设计整体结构，即各 个模块之间以数据单位作为连接点，同时处理数据共享和数据储存成为仿真平台 设计中的难点问题之一。 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 性能评估技术研究的意义 近几年来，不论在理论研究还是实际应用方面，多传感器数据融合都取得长 足的进步。目前对融合算法的性能评估技术的研究并不广泛，但是性能评估是仿 真平台非常重要的组成部分。性能评估可以分析在一定战场环境下融合算法所能 达到的性能，进而选择最优的设计方案，还可以反过来设计和验证满足融合算法 性能要求的理论参数。研究性能评估对融合算法的参数优化，仿真平台的功能优 化，乃至于精确数据感知都有十分重要的意义【l 孓巧j 。 在多传感器数据融合目标跟踪领域，除了若干种系统结构可供选择之外，还 有许多目标跟踪算法提供给设计者选用。不同的处理结构和不同的融合算法都有 自身的优缺点。如何根据要求进行挑选，是每个开发人员都应该认真思考的问题。 如果融合算法使用现场试验的方式，除了将消耗大量的人力、物力合财力之外， 还有自然环境因素的限制，测试周期过长等问题，而仿真测试平台能够克服上述 缺点，慢慢成为多传感器数据融合技术研究领域的有效手段。 1 3 国内外研究历史及现状 2 0 世纪7 0 年代初，国外许多研究机构开始涉足于数据融合技术领域。与此 同时，美国开始展开某些传感器技术领域的研究，如在国防部资助下的声纳信号 理解系统。从那一刻开始，数据融合技术不仅仅在应用于c 4 i s r 系统，同时也 作用于各种技术领域，如工业过程控制、天气预测、深海油井探测、交通运营监 督等等，这些相关领域都是应用多传感器来采集各种信息。2 0 世纪7 0 年代末， 基于多传感器信息综合意义的融合一词己被收录到公开出版的技术文献之中。从 8 0 年代开始，科学技术的更新换代更加迅速，多传感器技术也不例外。随着研 究项目资本的大量投入，多传感器技术在许多领域变得越来越重要，尤其在军事 方面：c 4 i s r 系统的数据融合处理模式被彻底改变的重要标志是发明和改良精确 度超高的、攻击范围超远的武器；作战人员必须提高对敌我双方各种武器装备系 统的认识，因此，他们得依靠多传感器采集更加详尽的数据，做出准确的应对措 施。为此，c 4 i s r 系统的数据融合技术已经成为当今数据融合军事研究工作核心 部分。从8 0 年末起，数据融合技术被美国国防部推举为几十项重点研究开发项 目中的其中一项，并且属于在优先考虑发展之列。期间美国从海湾战争中发现了 数据融合技术的巨大潜力，因此，在这之后，对于集成自动化信息处理技术研究 显得尤为重视。到了2 0 世纪末，美国己将数据融合技术应用于各大技术领域， 数亿美元的经费被投入到该项技术研究，使得美国在科索沃战争中，以及在伊拉 4 杭州电予科技大学硕士学位论文 克战争中发挥了巨大的重要，收益颇大。 8 0 年代末，国内才出现有关于数据融合技术研究的相关报道，所以国内起 步比较晚。在最初研究的阶段，多目标跟踪技术是技术人员的研究重点，而从 1 9 9 0 年开始，国内才掀起了研究数据融合技术领域的热潮。在社会各界及政府 部门的资助一下，一些高等院校和研究机构才意识到进入数据融合这项技术领 域。之后，国内理论研究成果不断地涌现，使得数据融合技术演变成在国内受到 众多关注的关键技术同时研究人员慢慢地把该项技术投入到实际的应用当中去， 有相当一批综合处理能力的多传感器数据融合系统应用于国内军事领域。随着理 论研究的不断深入，新一代c 4 i s r 系统也将逐步向多传感器数据融合方向发展。 1 4 先进的仿真环境s t a g e s t a g e ( s c e n a r i ot o o l k i ta n dg e n e r a t i o ne n v i r o n m e n t ) 是加拿大e n g e n u i t y 科技公司推出用于国防和航空航天领域的先进的作战想定和作战环境生成工具， 是能够满足d i s 体系结构的复杂作战仿真软件。 s t a g e 软件是一款操作简单、功能完备、性能稳定的开发工具，它的特点 之一就是专门用于创建人工环境并使其应用技术水平领先于同类型的仿真软件。 其中飞机( 如战斗机) 、船舶、潜艇、坦克、武装装备( 如导弹) 和其它目标( 如 雷达基站) ，这些都是s t a g e 软件所创建的用户所需的环境内容。同时，通过战 略战术演练安排( 如监控、指挥、通信) 的交互作用，用户可以使用该可视化交 互图形界面的方式模拟高额的实战环境其所需器材和场景，使其减少开发成本， 缩短开发时间，创建一个可复用的仿真系统，并设置其交互作战场景【2 2 之7 1 。该作 战场景包括目标实体动态行为、地面基站定位、想定环境属性等等，被视为仿真 系统的剧情产生。总而言之，s t a g e 软件为用户提供了集成设计用户特定模型， 能够完成模型制造、自动代码生成和实时仿真等功能。 s t a g e 软件的功能特点之一就是可视化图形用户界面给用户提供了便利的 数据信息输入操作，则可完成用户特定要求的作战想定环境。在仿真系统创建过 程中，s t a g e 软件产生的数据信息( 如战情信息、仿真控制、实时观察目标数 据等) 都由它设计存相应窗口和菜单操作之内。s t a g e 软件还提供了脚本语言 来控制仿真过程的目标实体行为及模拟环境因素对仿真目标的影响。 更重要的是，用户能够利用s t a g e 软件的核心工具( 图形数据结构编辑器 和资料库) 补充其产品的其它功能。用户可以为新增加的实体类型设置参数，同 时也可以为已有的实体目标增加参数。为了完全控制实体目标的仿真行为，用户 需要把编写的仿真模型集成到s t a g e 自己的仿真程序中。同样可以扩充脚本语 言。数据库编辑器( d e ) 是s t a g e 软件的一个图形库，它可以根据用户的实际 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 功能需求在数据编辑器在增加相应的功能。当产生场景和进行运行时， s t a g e d e 在线控制和监察的图形用户界面。 总而言之，战情仿真软件s t a g e ( s c e n a r i ot o o l k i ta n dg e n e r a t i o n e n v i r o n m e m ) 是一款能够完全独立支持用户仿真系统的剧情产生软件。s t a g e 软件具有的特点和优点：如开放性的接口易于用户扩展其功能，降低编程难度， 增加程序设计效率。 1 5 论文的主要内容 基于s t a g e 软件多传感器数据融合平台的主要功能包括三个部分，第一、 剧情产生，即在s t a g e 软件上进行二次开发，给数据融合仿真平台的提供数据 来源，第二、数据融合平台对目标跟踪算法的试验，并实现实时跟踪目标，第三、 对试验的算法进行性能评估。本文首先建立整个系统的仿真模型，并以此为基础 细化分析系统的各个功能模块的作用及模型设计思想，最后给仿真的结果及对其 进行性能分析。论文各章安排如下： 第l 章描述了数据融合技术的意义，国内外的研究现状，以此本课题研究数 据融合仿真平台的提出及性能评估指标的研究意义。 第2 章描述了数据融合仿真平台的系统模型设计，首先分析s t a g e 软件的 运行机理及体系结构，并分析在该平台中s t a g e 软件的使命任务和应用设计； 然后分析数据融合仿真平台在v i s u a lc 6 0 开发环境支持下的系统模型的设计， 平台功能模块的提出，利用u m l 建模技术描述整个平台的内部结构及设计流程。 第3 章描述了数据融合仿真平台的核心模块数据融合算法的建模和封装即 融合中心的建模。首先利用d e v s 模型对u m l 映射关系对算法进行分析、层次 建模，然后把这些关系都封装在c o m 组件中，只给用户提供公共的接口，方便 平台的扩展及调用。 第4 章描述了数据融合系统的性能评估指标体系，并提取了适合本文所设计 的数据融合仿真平台的评估指标。性能评估平台作为数据融合平台的评估模块， 主要实现对数据融合算法的性能分析，对仿真试验中数据的管理。 第5 章描述数据融合平台其它关键模块功能的实现，如作战想定环境、系统 数据管理、数据通信、人机交互界面。以雷达和红外目标跟踪算法和多机动目标 跟踪算法为例，来验证数据融合平台的有效性、通用性、实效性，并分析其目标 跟踪算法的性能。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章数据融合仿真平台的系统模型设计 在多传感器数据融合技术研究的背景下，本文将要设计的多传感器数据融合 仿真平台是一个复杂的系统，其特点是组成部分多、需处理的信息量大、融合算 法和评估算法多、系统内数据流呈现交互性和放射性。除了上述特点后，该数据 融合仿真平台在数据融合过程中实时性强、数据处理快速、可靠、稳定。同时设 计平台应遵循以下原则： ( 1 ) 系统模块化：为了降低出错几率，将该仿真平台根据功能分成不同的 模块，并数据流作为桥梁将各个功能组合成一个完整的系统； ( 2 ) 扩充性强：该平台能够兼容新增加的融合算法模块； ( 3 ) 可选择性：用户根据仿真环境选择融合算法，实现算法验证； ( 4 ) 易维护：系统结构清晰，功能模块分明，所以易于维护； ( 5 ) 可视化界面操作：良好人机交互界面，方便用户操作； ( 6 ) 数据库管理：该平台实现了良好的数据管理、存储及访问。 因此，本文所研究的课题是基于多传感器数据融合技术的基本原理和工作方 式及利用先进仿真工具s t a g e 软件来构建多传感器数据融合仿真平台及性 能评估。该系统主要内容组成部分：s t a g e 仿真环境、数据融合仿真平台、性 能评估。本文采用s t a g e 和v i s u a lc6 0 混合编程技术来构建和设计一种结构 清晰、操作简单、功能完备的多传感器数据容仿真平台。该仿真平台的整体系统 结构图2 1 ，即图中各个模块是本文的工作任务。 2 2s t a g e 剧情产生 图2 1 系统结构图 s t a g e 剧情产生是仿真平台的重要组成部分，属于系统仿真的范畴之中。 该技术具有的功能：模拟作战环境、实时描绘出整个战场的综合态势、为作战部 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 队及时和准确地做出决策提供重要的依据。由于其优点有操作性强、重复利用率 高、机动性强、安全性高、及经济性低廉，并且克服了现场实验代价高、周期长， 易受外界自然环境和空域场地条件限制的缺点，使其在应用领域越来越普遍。本 节将根据s t a g e 的特点，详细描述其在仿真平台的作用及功能设计。 2 2 1s t a g e 仿真软件的体系结构 s t a g e 由以下三个主要部件组成 2 8 , 2 9 】，如图2 2 所示： ( 1 ) 数据库编辑器( d e - - d a t a b a s ee d i t o r ) ： ( 2 ) 仿真引擎( s i m - - s i m u l a t i o n ) ： ( 3 ) 开发工具包( d k - - d e v e l o p m e n t k i t ) 。 图2 2s t a g e 体系结构图 数据库编辑器：它是用户增加、访问和完善s t a g e 功能的必备工具。设置 p r o f i l e 、作战想定环境、仿真行为控制和战场环境显示窗口s a d ( s i t u a t i o n a w a r e n e s sd i s p l a y ) ，这些都是数据库编辑器的功能。在剧情产生设计阶段，通 过调配、存储、引用在作战数据库里的各种实体模型，如海洋、传感器、平台等 等，可以构建用户所需要的各种实体模型；在剧情仿真阶段，整个剧情的想定环 境由s i m 初始化并启动，同时观察演示过程中目标状态行为由s a d 完成。因此， s a d 的功能特点之一就是观察整个仿真过程的想定和目标的数据信息。同时在 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 d e 中，用户还可以设计、修改或者增加实体模型，来满足用户的特殊要求。 仿真引擎s i m ：它是s t a g e 仿真软件的核心部件。s i m 包括一个仿真引擎 和多个模拟实体各种行为的仿真模型。s i m 通过运行人工合成作战场景使其淋漓 尽致地表现真实环境，让仿真结果更有说服力；d e 与s i m 交互传递信息可以能 够及时得到整个仿真场景及目标的仿真结果，也可以根据演示的战场态势，对目 标实体的行为做出对应的措施；通过以太网或共享内存( s h a r e dm e m o r y ) ，外部 仿真平台可以接收到想定环境及其内部目标实体的状态信息，这是s t a g e 软件 利用s i m 实现数据通信的主要手段。 仿真引擎s i m 主要包括以下几个组件： ( 1 ) 实时控制器( i 玎c ，r e a lt i m ec o n t r o l l e r ) 。 ( 2 ) 模型管理器( m o d e lm a n a g e r ) ； ( 3 ) 实体管理器( e m i t ym a n a g e r ) ( 4 ) 作战场景管理器( s c e n a r i om a n a g e r ) 其中模型管理器主要由物理环境模型、实体仿真模型、系统管理模型三大类。 物理环境模型包括水文气象模型和碰撞模型；实体仿真模型包括机动模型、传感 器模型、电子干扰模型、动力模型等等；系统模型包括平台模型、毁伤模型等， 同时并行运行是模型管理器的一大特点，让s t a g e 能够在若干个c p u 的计算机 上提高效率：为每个可用的c p u 创建线程；同步机制能够获得c p u 的最好的性 能。 开发工具包( d k ) ：s t a g e 战情仿真软件许可用户在开发工具包的操作权 限范围非常大，除了允许用户在s i m 、d e 及作战数据库中已有的功能之外，用 户还可以根据需求扩充s t a g e 的各种功能。因为该工具包由界面开发接口( d i ) 和程序员工具包。 2 2 2s t a g e 仿真软件的应用扩展接口 实体( e n t i t y ) 这个概念的基础之上完成s t a g e 仿真软件的仿真。实体可以 是飞行目标单位，也可以是武器系统或者单一武器。在仿真准备前期，用户需要 创建平台模型，根据需求填充实体信息，最后设计仿真环境。但是在用户使用平 台模型之前，为了能够满足用户的所有需求，因此，必须对s t a g e 的s i m 、与 外部进程通信等方面功能的扩展。 s t a g e 仿真软件的中心枢纽是s i m ，调度作战环境的整个仿真过程。扩展 s i m 的方式：用户模块嵌到s i m 中，用户函数嵌到实体模型中。上一节已经详 细介绍了s i m 的主要组成部件，及其每个部件的作用，但是关键在于这些部件 如何系统的工作被用户模块和用户函数合理调用。仿真引擎s i