（信息与通信工程专业论文）雷达组网数据处理及其仿真研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着电子干扰技术的不断发展，单部雷达面临的威胁越来越大。雷达组网可 以充分利用各单部雷达的资源和信息融合优势，将多部不同体制、不同频段、不 同极化方式的雷达组成一个整体，极大提高了整体作战能力。本文对雷达组网关 键技术进行仿真，首先提出了一种改进的基于速度信息的航迹关联算法。随后建 立了雷达组网数据处理仿真模型。最后对雷达组网抗多假目标干扰能力进行分析， 并给出雷达组网设计的一些建议。 全文共分五章，各章内容简述如下： 第一章阐述了本文研究的背景需求与意义，对雷达组网数据处理的研究现状 进行系统总结，引出本文要解决的核心问题与研究思路。 第二章分析雷达组网航迹关联算法。首先介绍了航迹关联的基本知识，并列 举了几种典型的航迹关联算法。然后在此基础上提出了一种基于速度信息的航迹 关联算法。最后在同一场景下对以上几种算法进行了仿真分析，仿真结果验证了 本文所提算法的有效性。 第三章对雷达组网数据处理进行建模仿真。首先将目标分为弹道目标和空气 动力目标，分别对其进行跟踪滤波建模。然后对组网航迹关联算法建模，包括时 间空间配准建模和关联建模。最后对组网航迹融合算法建模。以上构成了雷达组 网数据处理的基本结构。 第四章对雷达组网抗多假目标干扰能力进行分析。首先介绍了多假目标干扰 原理并对其建模。然后对雷达组网抗多假目标干扰原理进行了阐述。最后通过设 定两种不同的多假目标干扰场景并仿真，对多假目标干扰的效果进行分析，并提 出了雷达组网布站设计的建议。 第五章对全文进行总结，归纳论文的主要工作和创新点，探讨了后继研究的 方向。 主题词：雷达组网；数据处理；航迹关联；速度关联；时间配准；空间配准；航 迹融合：多假目标干扰 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fe l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e s ( e c m ) t e c h n o l o g y , t h et h r e a t e n w h i c hs i n g l er a d a rf a c e di s g r o w i n gi n c r e a s i n g l y t h er a d a rn e t w o r kc a nf u l l yu s e r e s o u r c ea n da d v a n t a g eo fs i n g l er a d a r , a n ds y n t h e s i z ed i f f e r e n ts y s t e m ，d i f f e r e n tb a n d a n dd i f f e r e n tp o l a r i z a t i o n ，t h ec a m p a i g na b i l i t yo fr a d a rn e t w o r ki n c r e a s e sh u g e l y t h i s d i s s e r t a t i o ns i m u l a t e st h ek e yt e c h n i q u eo fr a d a rn e t w o r k a ni m p r o v e da s s o c i a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nv e l o c i t yi n f o r m a t i o ni si n t r o d u c e df i r s t l y , t h e nar a d a rn e t w o r kd a t a p r o c e s s i n gm o d e ti sb u i l t ，a tl a s t ，t h em u l t i p l ef a l s et a r g e tj a m m i n gc o u n t e r m e a s u r e s p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n ds o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e na b o u tr a d a rn e t w o r k t h i st h e s i sc o m p r i s e sf i v em a i nc h a p t e r s ，a n dc o n t e n tw i l lb es u m m a r i z e dl a t e ro n e b yo n e t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hi sb r i e f l ys p e c i f i e di nc h a p t e rl ， t h es t a t u so fr a d a rn e t w o r kd a t ap r o c e s s i n ga r es u m m e du pi n d e t a i l ，a n dt h ek e y p r o b l e ma n dr e s e a r c h i n gt h o u g h t sa r es h o r t l yp u tf o r w a r df o rt h el a t e ri n t e r p r e t a t i o n t r a c ka s s o c i a t i o na l g o r i t h mi sd i s c u s s e dr o u n d l yi nc h a p t e r2 a tt h eo u t s e t ，t h i s c h a p t e rs u m m a r i z e st h eb a s i ck n o w l e d g eo ft r a c ka s s o c i a t i o n t h e n ，i tb r i n g si na l l i m p r o v e da s s o c i a t i o na l g o r i t h mb a s e do nv e l o c i t yi n f o r m a t i o n a tl a s t , t h en e w a l g o r i t h m i s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la l g o r i t h m s t h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi si n d i c a t e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fr a d a rn e t w o r kd a t ap r o c e s s i n gi st h o r o u g h l y a n a l y z e d i n c h a p t e r3 t h i sc h a p t e r d i v i d e so b j e c t si n t ob a l l i s t i co b j e c ta n d a e r o d y n a m i c so b je c t ，a n dt r a c k i n gf i l t e ri s s e tu p t h e n ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft r a c k a s s o c i a t i o na l g o r i t h mi sb u i l t ，w h i c hi n c l u d e st i m ea l i g n m e n t ，s p a t i a lr e g i s t r a t i o na n d a s s o c i a t i o n a tl a s t ，t h em o d e lo ft r a c kf u s i o ni sb u i l t t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h er a d a r n e t w o r kd a t ap r o c e s s i n gi sc o n s t i t u t e d t h em u l t i p l ef a l s et a r g e tj a m m i n gc o u n t e r m e a s u r e sa b i t i t yi sa n a l y z e di nc h a p t e r4 t 1 1 et h e o r yo fm u l t i p l ef a l s et a r g e tja m m i n gi si n t r o d u c e df i r s t l y t h e n ，t h i sc h a p t e r e x p o u n d st h et h e o r yo ft h em u l t i p l ef a l s et a r g e tj a m m i n gc o u n t e r m e a s u r e sa b i l i t y a t l a s t ，t w od i f f e r e n tm u l t i p l ef a l s et a r g e tj a m m i n gs c e n e sa r ep r o p o s e d ，t h ep e r f o r m a n c e o ft h em u l t i p l ef a l s et a r g e tja m m i n ga r ea n a l y z e da n ds o m es u g g e s t i o n sa b o u tt h er a d a r n e t w o r kd e s i g ns c h e m ea r eg i v e n i nc o n c l u s i o n ，c h a p t e r5s u m m a r i z e st h ew h o l ed i s s e r t a t i o np a r t i c u l a r l yi nt h e m a i nw o r ka n di n n o v a t i o nf a c e t s ，a n dt h e no f f e r ss e v e r a ls u g g e s t i o n sf o r t h es u c c e e d i n g r e s e a r c h k e yw o r d s ：r a d a rn e t w o r k ；d a t ap r o c e s s i n g ；t r a c ka s s o c i a t i o n ；v e l o c i t y a s s o c i a t i o n ；t i m ea l i g n m e n t ；s p a t i a lr e g i s t r a t i o n ；t r a c kf u s i o n ；m u l t i p l ef a l s et a r g e t j a m m i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 文章结构图4 图2 1 航迹关联示意6 图2 2 航迹关联选择流程图9 图2 3 基于速度信息的航迹关联双门限算法计算流程图10 图2 4 战情1 场景图1 1 图2 5 战情2 场景图1 2 图2 6 两部雷达对目标的探测效果图1 2 图2 7 两部雷达航迹关联图1 3 图2 8 两部雷达的速度关联图1 3 图2 9 战情2 航迹距离关联图1 4 图3 1 分布式雷达组网数据处理流程图1 6 图3 2 弹道目标跟踪建模仿真流程1 7 图3 3 弹道目标跟踪滤波战情l9 图3 4 观测及滤波误差图l9 图3 5 仿真过程基本流程图2 3 图3 6 目标的位置变化及观测滤波图2 3 图3 7 目标探测误差及速度误差图2 4 图3 8 点迹一点迹互联流程图2 5 图3 9 点迹一航迹互联流程图2 6 图3 1 0 航迹关联仿真流程一2 7 图3 1 1 时间配准示意图一2 8 图3 1 2 空间配准示意图2 8 图3 1 3 雷达站极坐标系一2 9 图3 1 4 航迹关联仿真流程图一3 0 图3 1 5 关联具体流程3 0 图3 1 6 步骤三仿真流程一3 l 图3 1 7 融合过程示意图3 2 图3 18 航迹融合仿真图3 3 图4 1 距离向多假目标干扰图3 4 图4 2 方位向多假目标干扰示意图3 5 图4 3 多假目标干扰效果图3 6 图4 4 雷达站探测目标及多假目标干扰过程3 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 5 假目标门限关联示意3 8 图4 6 战情1 示意图3 9 图4 7 战情2 示意图4 l 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 各种航迹关联算法比较1 4 表4 1 三部雷达参数3 9 表4 2 战情l 组网探测航迹结果表4 0 表4 3 雷达站参数详情4 l 表4 4 战情2 组网探测航迹结果表4 2 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 重达玺圈数量矬翌区基笾真堑壅 学位论文作者签名：型二! 墅 日期：沙丫年1 1 月怦目 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：浞一；! ；k 作者指导教师签名： 日期：沙矿年1 1 月f 7 日 日期：寸年，月f 争目 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着技术的进步，雷达的性能经受了严峻的考验。强大的欺骗性、压制性电 子干扰使雷达迷盲、性能降低或者完全失效。据报道，国外新型多功能综合干扰 飞机已经把电子侦察、告警和干扰有机地结合在一起，通过计算机分析、判断、 决策，大大提高了干扰的效能，雷达的效能被大大降低【l j 。单部雷达已经很难应对 越来越复杂的电磁环境。 雷达组网，是指通过将多部不同体制、不同频段、不同工作模式、不同极化 方式的雷达或者无源侦察装备适当布站，借助通信手段链接成网，并由中心站统 一调配，从而形成的一个有机整体。网内各雷达和雷达对抗侦察装备的信息( 原 始信号、点迹、航迹等) 由中心站收集，综合处理后形成雷达网覆盖范围内的情 报信息，并按照战争态势的变化自适应地调整网内各雷达的工作状态，发挥各个 雷达和雷达对抗侦察装备的优势，从而完成整个覆盖范围内的探测、定位和跟踪 等任务2 1 。 现代干扰技术还没有发展到对雷达组网系统实施有效的欺骗性干扰 i 】，针对单 部雷达的欺骗干扰，无法对整个雷达组网产生有效影响。对整个雷达网进行干扰， 要求干扰机具有极高的信号侦察、分选能力以及较高的干扰功率，这往往是很难 达到的，因此雷达组网具有较好的抗干扰能力。 从数据处理的方式来分，雷达组网分为集中式和分布式。分布式雷达组网， 是指组网中的每部雷达都有各自的处理器，通过预处理产生目标跟踪航迹，汇总 至融合中心，由融合中心进行时间空间配准、航迹关联和航迹融合，最终生成目 标的航迹【3 】。和集中式雷达组网相比，分布式雷达组网具有系统可靠性高、各站与 融合中心通信量小等优点。 规模较大的雷达组网系统，尤其是多部不同体制、不同频段的雷达组网，一 般采用分布式结构，可以充分利用子雷达站，节约通信资源，有效的提高雷达网 整体性能。本文重点对分布式雷达组网进行研究，对整个雷达网数据处理流程建 模仿真，并对雷达组网抗干扰能力进行分析。 本文从现实需求出发，立足于提高现有体制组网的性能，研究了雷达组网数 据处理仿真流程，通过设置典型场景对其抗干扰能力进行评估。论文的研究成果 可为应对外军雷达组网系统提供理论基础，同时为我国雷达组网系统提供良好的 技术储备。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 研究现状 。雷达组网在高科技的局部战争中发挥了重要的作用，这一点可以从海湾战争 中看出。据外刊报道，海湾战争中多国部队至少调集t 3 7 架预警飞机( 其中美国空 军预警飞机e 3 c 5 架，美国海军预警飞机2 4 架，沙特空军预警飞机5 架，英国派驻 阿曼的“猎迷预警飞机3 架) 组成了史无前例的战区部署的最庞大、最严密的空基 预警雷达网，不仅覆盖了伊拉克全境，而且覆盖了多国部队全部展开区域( 包含波 斯湾、阿拉伯海、红海和部分地中海水域) ，在争夺制空权的斗争中，经受了实战 的考验，取得了明显的优势，证明该雷达网性能是良好的l 】j 。 国外较早就开始研究雷达组网的问题。通过对雷达网特性【4 6 】、系统误差校正 【7 - 9 1 、探测性能 1 0 - t 3 、数据融合【1 4 1 7 1 等技术进行较为深入的研究，在理论上构成了 雷达组网的基本结构。本节仅对航迹关联和数据融合两方面的算法发展过程进行 简要介绍。 国外对航迹关联算法的研究比较成熟。1 9 7 1 年，s i n g e r 和k a n y u c k 首先提出航 迹关联问题，给出了加权统计距离检验法【1 9 1 ，之后，b a r - s h a l o m y 年l ：i f o r t m a n n t e 直接在加权法的基础上提出了修正的加权统计距离检验法【2 0 】，当过程噪声较大时， 修正法较加权法的性能有所改善【2 1 1 。 数据融合方面，1 9 7 3 年，美国有关机构在国防部的资助下开展了声纳信号理 解系统的研究；信息融合技术在该系统中得到了最早的体现，之后信息融合的研 究在全世界范围内蓬勃发展。美国于1 9 8 4 年成立了数据融合专家组，专门指导有 关技术的系统性研究，1 9 8 8 年，美国国防部将多传感器信息融合列为2 0 世纪9 0 年 代重点开发的2 0 项关键技术之一，从1 9 9 2 年起，每年都投入大量资金用于多传感 器融合技术的研究，1 9 9 8 年，成立了国际信息融合学会( i s i f , i n t e r n a t i o n a ls o c i e t y o f i n f o r m a t i o nf u s i o n ) ，总部设在美国，每年举行一次信息融合国际学术大会。至此， 多传感器信息融合技术开始由零星的分散研究转变为一个独立的研究领域瞄j 。 实际应用中，国外也早已将雷达组网技术应用于实际，一些军事强国已经实 现或者部分实现了雷达组网的应用，通过建立雷达组网系统，提高了雷达的作战 能力。俄罗斯部署在莫斯科周围的“橡皮套鞋”反弹道导弹系统是雷达组网的一个典 型例子。该雷达组网由三部分组成：7 部“鸡笼”远程警戒雷达、6 部“狗窝”远程目标 精密跟踪识别雷达和1 3 部导弹阵地雷达。美国的导弹防御系统也是雷达组网中较 为典型和成熟的。 国内对雷达组网方面的研究工作起步较晚，但也受到极高的关注，在理论方 面已经有一些文章发表。具体有以下几个方面：( 1 ) 多目标跟踪技术研究 2 3 - 2 4 1 ；( 2 ) 时间、空间配准技术研究【2 5 2 7 】：( 3 ) 雷达组网数据关联算法【2 8 3 1 】；( 4 ) 组网信息融合 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 技术 3 2 - 35 1 。( 5 ) 雷达网抗干扰技术3 6 。4 0 1 。陈永光老师在2 0 0 6 年还出版了一本关于雷 达组网的专著，其中比较全面、详细的分析了雷达组网的相关问题。 国内虽然在组网航迹关联方面起步较晚，但也提出了一些新的航迹关联算法。 海军工程大学的何友老师研究非常深入，提出了统计双门限、k 近邻域等航迹关 联算法，通过和已有的航迹关联算法进行仿真比较，验证了算法的性能。实践表 明提出的几种算法对航迹关联正确率均有所改善。 大约在8 0 年代末期，国内开始了对数据融合技术方面的研究，出现了关于信 息融合技术研究的报告。进入9 0 年代后，一些高校和研究所开始从事这一技术的 研究工作，出现了一些理论研究成果。工程应用上，对多传感器目标识别、定位 跟踪等同类信息融合的系统已经进行了研究与开发。 国内对雷达组网的应用研究起步较晚，但近几年也做了一些试验，并逐渐开 始应用于实际系统。 如何建立有效的雷达组网系统，提高雷达作战效率，这也是本文研究雷达组 网数据处理的目的所在。 1 3 本文结构 雷达组网关键技术的研究，为我军自主建立雷达组网系统，提高在电子战作 战条件下的能力，以及加深对外军雷达组网的认识提供了理论基础。 本文主要研究雷达组网的数据处理技术，对其进行仿真建模，通过对典型场 景的仿真，用来实现对组网抗多假目标干扰能力的分析。研究具有理论与实践意 义，具有较强的创新性。 论文分为五章，主体包括三部分：雷达组网航迹关联算法研究、雷达组网数 据处理建模仿真研究和雷达组网抗多假目标干扰能力分析。这三部分具有较强的 逻辑性：改进的航迹关联算法的提出，为数据处理建模的仿真提供了更好的算法 基础；雷达组网数据处理的建模，也为抗多假目标干扰能力的分析提供了平台； 抗多假目标干扰能力的分析，为组网系统的设计、雷达的选取等提供了理论和仿 真依据。 为了对论文有更清楚的认识，将论文的主要部分以图表的形式表现出来，具 体研究内容结构框图如图1 1 所示。 各章的内容安排如下： 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 针对航迹关联算法进行分析 扩展到雷达网整体仿真研究 提出问题与需求 分析已有算法 提出改进的算法 一，分析比较算法 rp 目标跟踪滤波 喜 航迹关联 航迹融合 对建成的仿真模型进行抗干扰分析 总结并展望 图1 1 文苹结构图 第一章绪论。首先阐述了本文研究的背景需求与意义，然后对雷达组网技术， 特别是数据关联和信息融合技术的研究现状进行系统总结，提出文章的研究思路： 首先提出了一种改进的航迹关联算法，然后对雷达组网数据处理进行建模仿真， 最终对雷达组网抗多假目标干扰能力进行分析研究。 第二章对雷达组网的航迹关联算法进行研究。首先简要介绍了航迹关联算法 的基础知识。然后提出了几种典型的航迹关联算法，介绍其基本原理，在此基础 上提出了一种改进的基于速度信息的航迹关联双门限算法，对其进行理论上的研 究分析，最终通过仿真验证了该算法的有效性。 第三章对雷达组网数据处理进行建模仿真。主要分为目标跟踪滤波、航迹关 联和航迹融合这三部分进行仿真研究。目标跟踪滤波中，根据目标运动模型的不 同，分为弹道目标和空气动力目标，并采用不同的滤波跟踪算法进行仿真分析。 航迹关联建模仿真对组网融合中心航迹关联过程进行仿真研究，设置典型战情进 行仿真，以验证其有效性。航迹融合仿真是对航迹关联后的目标航迹融合，提高 了对目标的探测精度。本文采用的是航迹加权平均融合算法，通过仿真验证该算 法的有效性。 第四章在第三章的基础上，分析了多假目标干扰对雷达组网的干扰性能。通 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 过设置两种典型战情，仿真分析了雷达组网的抗多假目标干扰能力，为雷达组网 的布站、雷达站的选取提供依据。 第五章对全文进行总结，归纳论文主要工作，探讨了后继研究的方向。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章雷达组网航迹关联算法研究 分布式雷达组网中，单部雷达对目标进行跟踪滤波生成航迹后，送至融合中 心进行航迹关联。 航迹关联需要对多部雷达生成的本地航迹进行处理，将不同雷达对同一目标 所生成的航迹进行关联，以进行下一步航迹融合过程。另外，在存在有源干扰的 情况下，还要能够及时、准确的分辨出真实目标与假目标。因此，关联算法的性 能，将直接影响到雷达组网探测目标的能力以及处理速度。 2 1 雷达组网航迹关联算法概述 在分布式雷达组网中，单站雷达各自完成观测一观测和观测一航迹互联过程， 再将各自生成的航迹送入融合中心。不同的雷达送出的航迹可能来自于同一目标， 融合中心的任务首先就是进行航迹关联，之后将关联上的航迹进行航迹融合【1 1 ，见 图2 1 。 各雷达送入的航迹、 航迹关联， 关联后的目标航迹7 图2 1 航迹关联示意 在航迹间相距很远且没有干扰的情况下，航迹关联的问题比较简单。但是当 出现航迹密集、交叉、干扰等复杂情况时，航迹关联的难度将会大大提高。 目前文献中出现的航迹关联算法通常分为两类：一类是基于统计的方法；另 一类是基于模糊数学的方法。 基于统计的方法，具有系统参数设置简单、直观、简易、适合于工程应用等 优点。但是当系统包含有较大的导航、传感器校准及转换和延迟误差时，有时统 计方法显得力不从心。 基于模糊数学的方法，不但适合于密集目标环境，而且也适用于较大的导航、 校准、转换与传输误差的系统，但是模糊法最大的缺点是系统参数设置复杂【3 2 1 。 本文主要针对基于统计的方法进行研究，并且在已有算法的基础上，提出改 进的关联算法。通过对该算法进行仿真，证明其有效性。 本章中，假定送至融合中心的所有航迹都已经在相同的坐标系里，并且各雷 达同步采样。在3 2 1 节中，将会对时间、空间配准进行详细介绍，在此不再讨论。 2 2 几种典型的关联算法 为了下一步算法讨论的方便，引入一些基本表示和描述方法。设定雷达站1 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和2 ，以雷达站l 的直角坐标系为融合中心位置。雷达站l 、2 的航迹号集合分别 为u = ( 1 ，2 ，h ) 和= 1 ，2 ，玎：) 。雷达站i ( i 1 ，2 ) 在时刻f 对第个航迹的滤波 值为科( f ) ，估计误差协方差为p ( t ) 。假设送入融合中心的航迹已经过时间、空 问配准。 2 2 1 加权航迹关联算法 文献 3 2 1 对加权法进行了研究。假定两雷达站对同一目标的状态估计误差是统 计独立的。设凰和q 是下列事件( f u ，j ) ： 吼：篝( z o 和霹( i z ) 是同一目标的航迹估计； q ：科( z o 和霹( z t ) 不是同一目标的航迹估计。 一般来说，设定两节点对同一目标的状态估计误差是统计独立的，也就是说， 两节点对同一目标的估计误差富( z ) 和爱( ，) 是统计独立的随机向量，即： c ”= e 叩( 沪誓( ，) 】 墨( 沪剧( 例7 ) = 写1 ( ，iz ) + 爿( ziz ) 、。 式中的研司( 7 ) 和研霹( 纠等于0 ，日( ，i ，) 和掣( zd 分别是雷达l 、2 在z 时刻 对目标i 、，的状态估计误差协方差。 使用的检验统计量为： a v ( t ) = ( f ) 一掣( f ) 】i 日1 ( f ) + 爿( f ) - l 掣( f ) 一剧( f ) ( 2 2 ) ( f ) 服从，z ，自由度的工2 的分布，这里? l x 是状态估计向量的维数。 如果 ( f ) 6 ；i u ，j ( 2 3 ) 加权法的原理就是：如果( f ) 低于使用z 2 分布获得的某一门限，即判决雷达 站1 的航迹i 和雷达站2 的航迹，关联。 由于是对状态估计误差的统计加权，当出现目标较多或者航迹分叉的战情时， 加权法会出现错、漏关联的情况。所以，文献 4 1 提出了9 2 i - j 限航迹关联算法。 2 2 2 统计双门限航迹关联算法 雷达自动检测理论中有一种称作双门限检测【4 2 1 的信号处理方法。所以借用该思 想，文献 4 1 提出了双门限航迹关联算法。 所谓双门限航迹关联是指对于来自两个局部节点的尺个估计误差样本，首先 逐个基于z 2 分布门限进行假设检验，若判为接受风，则计数器加l ，否则计数器 值不变。 第7 页 困防科学技术大学研究生院硕士学位论文 选用式( 2 2 ) ) j h 权法的检验统计量，逐点计算如下： 口。( f ) = 【一0 ) 一捌( f ) 】。 爿( f ) + 爿o ) 1 倒( f ) 一x i ( t ) 】( 2 4 ) 其中，t = 1 ，2 ，r 。当： a , j ( t ) 8 ；i u ，j u _ 2 ( 2 5 ) 时，那么计数器加l 。 然后把计数器所计之值与指定的数三进行比较，若计数器的输出大于或等于 l ，则判为同一航迹，否则判为不关联航迹。 统计双门限航迹关联算法与加权法相比，利用二次门限法，使得漏关联现象和 交叉、分岔航迹的错关联现象大大降低。提高了关联质量，但同时提高了模型的 设计要求。 2 2 3 最近邻域航迹关联算法 最近邻域航迹关联算法也是一种基本的航迹关联算法【3 2 】，并且工程应用中也较 为多见，单部雷达航迹关联中也经常使用最近邻航迹关联( n n ) 算法。 x ”( z ) = 卅( 1 1 ) 一x i ( 1 t ) ，。、 = u i ) ( 1 ，耽( 2 ，) ，( 刀，明； f u ，_ ， 、 上式中，n 是状态估计的维数。设定阈值矢量为e = ( q ，e 2 9o ，巳) 。最近邻域航 迹关联准则是：如果( iu o ( 1 ，引 e 1 ) o ( i ( 2 ，引 万i h o ) = 口 ( 2 1 0 ) 口为显著水平，通常取0 0 5 、0 0 1 或o 1 等。如果c e o ( t ) 低于门限，即判决雷达站1 的航迹f 和雷达站2 的航迹关联。 通过粗关联，利用距离维信息，直接剔除距离较远的航迹，减小航迹精关联的 运算次数。同时，粗、精关联分别对距离和速度信息进行了处理，可以有效的针 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 对多种特殊的航迹情况。 对该算法进行航迹质量设计，设定关联质量m 打( 尼) ，具体理论参考2 3 节。 m ( 七) = 聊，( 尼- 1 ) + m ( k ) ( 2 1 1 ) 两航迹进行关联时，当m ；，( 七) = 6 时，则就默认两航迹关联成功，在后续的关 联检验中，不再对其进行航迹关联，直接进入数据融合阶段。 门限的设定可能会导致多条航迹同时关联上同一航迹，此时面临着航迹多义 性的问题。本算法中取位置距离平均值最小的航迹为关联对。 j = m i n ( 愀叫i ) ( 2 1 2 ) 2 n i ( 己怖【o w 【z - 式( 2 1 2 ) e 尸，x , j q ) 为两航迹在，时刻的位置差。 2 5 仿真结果及分析 为了检验基于速度信息的航迹关联双门限算法的性能，在战情相同的条件下， 对加权航迹关联算法、统计双门限航迹关联算法和基于速度信息的航迹关联双门 限算法进行仿真，由于仿真环境和战情相同，这三种算法的仿真结果具有充分的 可比性。 现假定战情如下，目标l 和目标2 在空中飞行，目标l 在y 方向初始速度为 0m s ，加速度为1 0m s 2 ，x 方向上速度为2 0m s ；目标2 在y 方向上速度与目 标l 相同，其他方向无速度分量。在第2 5 0 s 两目标航迹发生交叉，两部雷达站部 署位置如图2 4 。 两部雷达为典型的相控阵雷达，该仿真所用的程序设计语言是w i n d o w s 环境 下的m a t l a b 。 图2 4 战情1 场景图 为了更好的比较以上三种算法，在上述雷达布站条件下简化战情，设定战情2 ： 改变目标1 的速度信息，使得目标l 和目标2 同时平行飞行，其余条件不变。 第11 页 i 擎 ”“目靓1 。“ l i ”“。一；斋：1 “ 圉2 6 两部雷达对目标的探测效果图 跟踪滤波过程仿真完毕后，两部雷达分别对目标1 、2 产生航迹送人融合中心， 为下一步航迹关联提供数据。 由于战情2 较简单，在此不再赘述，以下以战情1 为例进行分析。 加权航迹关联算法和统计职门限航迹关联算法对检验统计量q ( r ) 的计算方法 一致均为： ( f ) = 【墨( f ) 一删( f ) 只( f ) + 爿( f ) h ( f ) 一捌( f ) ( 21 3 ) 利用上式求出目标l 的检验统计量，其中，细实线为雷达l 对目标1 的量测值 与雷达2 对目标2 的量测值关联而成，粗虚线为目标1 在两部雷达的量测值关联 而成。 第】2 页 删 二jjip 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 距离航迹关联示意 图2 7 两部雷达航迹关联图 整个关联过程中，粗虚线表示两部雷达对同一目标的航迹关联值，所以比较平 稳，并且基本符合门限：细实线是两部雷达对不同目标的航迹关联值，所以值远 超过门限。但由于在2 5 0 s 左右时，两目标将会相遇，图2 7 中该时间段关联值产 生了交叉，容易出现错关联。这说明了在航迹交叉处，采用距离进行航迹关联的 效果将会降低。 同一场景下，采用本文提出的基于速度信息的航迹关联算法，如图2 8 。因为 两目标在速度维上存在差异，且整个仿真过程不会出现速度矢量交叉，那么在2 5 0 s 处，速度矢量的关联值有显著差别，在进行航迹关联时，将不会受到目标相遇带 来的影响。 图2 8 两部雷达的速度关联图 战情2 中，采用加权航迹算法，生成的距离关联值如图2 9 所示，基本效果较 好，采用改进的航迹关联算法时，通过距离就可以有效的进行航迹关联。在此不 再赘述。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 9 战情2 航迹距离关联图 为了验证本文提出的算法有效性，现对加权航迹关联算法、统计双门限航迹 关联算法和基于速度信息的航迹关联算法在上述战情条件下进行1 0 0 0 次蒙特卡罗 仿真。仿真过程中，目标航迹保持不变，雷达在每次仿真过程中都会重新对目标 进行跟踪滤波，送至融合中心进行关联处理。通过仿真，得出表2 。1 结论： 表2 1 各种航迹关联算法比较 战情l战情2 航迹算法 关联正确率关联正确率 适应环境， 加权法 0 4 2 30 7 6 7 稀疏目标 双门限法 0 6 1 60 7 6 2 密集目标交叉目标一 速度关联法 0 7 2 30 7 5 7 交叉目标 对表2 ，1 结论进行分析，本文战情l 条件下，因为两目标有交叉过程，那么加 权航迹关联算法的关联性能将会降低，出现错、漏关联航迹；相比之下，统计双 门限航迹关联算法受目标交叉的影响小于加权法。目标l 和目标2 的速度矢量始 终不同，本文提出的改进算法可以有效的保持航迹关联的性能，效果较前两种算 法要好。 战情2 条件下，目标1 和2 始终保持一定的距离，那么加权航迹关联算法和 统计双门限航迹关联算法的关联正确率都有提高，速度关联法通过距离粗关联， 基本可以实现航迹关联功能，不需要进行速度维关联，在稀疏目标的条件下，三 种算法的性能较相似。 本文设定的场景中，由于航迹数较少，所以统计双门限法相对加权法的优势并 未完全显示。出现交叉航迹时，加权法和统计双门限法的正确关联率均有所下降， 而速度关联法的正确关联率基本保持不变，说明了在该场景下，速度关联法是有 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 效的。 基于速度信息的航迹关联算法仍存在不足之处，对距离的粗关联，只能剔除距 离相差很远的航迹。当面对密集目标时，那么粗关联的效果会大大降低，同时就 会影响整个算法的性能，这也需要在下一步工作中进行研究。 第1 5 页 围防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章雷达组网数据处理建模仿真研究 分布式雷达组网中，各雷达对目标进行跟踪滤波，并将生成的航迹送至融合 中心，由融合中心进行航迹关联及航迹融合，具体过程如图3 1 ： 航迹关联信息 航迹融合信息 图3 1 分布式雷达组网数据处理流程图 本章将对分布式雷达组网的数据处理过程进行建模仿真，用来模拟实现整个 分布式雷达组网的工作过程。 3 1 目标跟踪滤波建模仿真研究 目标类型主要分为弹道目标和空气动力目标。弹道目标有较明确的运动方程， 常用的跟踪算法有扩展k a l m a n 算法、不敏k a l m a n 算法和q d 滤波算法。相t 匕之下， 空气动力目标的运动具有较强的不确定性。常用的跟踪算法主要有：辛格( s i n g e r ) 算法、“当前统计模型”算法、输入估计( i e ) 算法、变维滤波( v d ) 算法和交互 多模( i m m ) 算法等 4 3 】。 下面两节分别对弹道目标和空气动力目标的常用算法进行介绍，并对本文采 用的跟踪算法进行仿真。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 3 1 1 弹道目标跟踪滤波建模仿真 弹道导弹从发射点到落点，整个轨迹根据运动过程中的受力情况，可将其分 为助推段、自由段和再入段，本文主要研究自由段的弹道导弹跟踪。该阶段导弹 在大气层外运动，空气阻力和其它摄动力可以忽略，仅考虑地球引力作用。通常 来说导弹飞行平稳，仅有些先进的导弹可以进行些小的机动。本文假设弹道导弹 在中段时没有机动。 本文利用已有弹道轨迹，模拟雷达对其进行跟踪滤波仿真，采用的是扩展 k a l m a n 滤波算法。具体仿真流程如图3 2