一種基于網絡中心戰的航跡融合合成方法

巴宏欣，何心怡，蔣 嶸

(1.空軍指揮學院，北京100097;2.海軍裝備研究院，北京100161;3.后勤指揮學院，北京100858)

0 引言

在網絡中心戰環境下，網絡是由空間上分散的平臺組成，要求其整體探測范圍為各平臺傳感器探測范圍之和才能充分發揮網絡中心戰的作戰效果。傳統的數據融合系統，無論是雷達情報組網系統，還是平臺上多傳感器融合系統，為得到目標的系統融合航跡，一般要求各傳感器在空間上的觀測區是重疊的［1］。而在網絡中心戰環境下，必須考慮各平臺傳感器之間在探測空間完全獨立的情況，需要對不同探測區的目標航跡進行接續來實現對目標的接力跟蹤，因此傳統的數據融合方法應考慮如何在網絡中心戰的環境下應用。此外，即使各平臺傳感器的探測區重疊，但由于惡劣的作戰環境 (如敵方電子對抗干擾、外部大氣環境條件等)、傳感器存在探測盲區、傳感器故障等原因，會導致某個或某幾個傳感器對目標的觀測存在盲區或航跡缺失的情況發生，此時需要使用網絡內其他傳感器的數據填補空白，來生成全局穩定的航跡［2］。

在網絡中心戰中，單一合成空情態勢主要依靠雷達對目標的探測數據生成的，其他傳感器數據為輔助。所以本文以雷達為例進行研究，其他傳感器的數據融合處理可依此類推。

1 基于網絡中心戰的航跡融合合成方法的基本框架

在網絡中心戰環境下，由各個平臺雷達組成的雷達探測網中，探測數據之間的關系，可從探測區的角度作如下劃分 (見圖1):

1)各雷達公共探測區內的探測數據。圖1中公共探測區為雷達A與雷達B探測區的交集，為雷達A和雷達B對目標的共同跟蹤區域。

2)各雷達非公共探測區的探測數據。圖1中非公共探測區為雷達A與雷達B探測區的交集之外的區域，為雷達A或雷達B對目標的獨立跟蹤區域。

3)各雷達獨立探測區內的探測數據。圖1中獨立探測區為雷達C的探測區，與其他雷達的探測區相互獨立，無任何交集。

根據以上劃分，傳感器對目標探測數據的輸出情況有如下3種:

1)情況1，分析公共探測區內的探測數據，可以劃分為:①各雷達在相同的探測區內，且目標點皆可探測。這種情況是最理想的狀況。②各雷達在相同的探測區內，但由于某種原因，使得某個或某幾個雷達對目標的觀測只能得到部分探測信息或處于盲區。這種情況是最常見的。此時需要采用其他雷達的觀測數據填補空白。③各雷達在相同的探測區內，目標點皆未探測到。這種情況是最惡劣的。

圖1 雷達探測區之間的關系Fig.1 The relationship of radar detection coverage

2)情況2，分析非公共探測區的探測數據，可以看出，該部分數據為單個雷達獨立對目標的跟蹤數據，可以視為“情況1”的特例。

3)情況3，分析獨立探測區的數據，如雷達C的探測數據，如果要形成連續的目標航跡，則需要與之前的雷達探測數據所形成的目標航跡進行航跡接續，才能完成對目標的接力跟蹤。

每個作戰平臺的本地傳感器采用自己的探測數據進行初始化、航跡起始和關聯濾波來跟蹤目標，經本地傳感器跟蹤器確定屬于有效航跡的關聯測量報告(AssociatedMeasurement Report，AMR)和非關聯測量報告 (可能是新目標)以及創建新航跡報告，由P2P對等通信網絡傳送到其他作戰平臺。

在本作戰平臺的融合中心，首先將所有測量報告數據進行時間對準和坐標變換，使其具有公共的時空坐標系。再根據變換后的各數據之間的位置關系，判斷其是否處于獨立探測區。如不處于獨立探測區，則用本文提出的方法進行航跡的融合/互補/延續，以實現對目標的融合/互補/獨立跟蹤;如果處于獨立探測區，則需要對不同探測區內的目標航跡進行接續，以實現對目標的接力跟蹤。圖2為基于網絡中心戰的航跡融合合成的基本框架。

圖2 基于網絡中心戰的航跡融合合成的基本框架Fig.2 The basic frame of track fusion＆combination based on NCW

2 基于網絡中心戰的航跡融合合成算法

針對圖2中基于網絡中心戰的航跡融合與合成的基本框架，本文提出了各平臺傳感器探測區域重疊時，航跡的融合與合成基本算法。該算法涵蓋了各平臺傳感器輸出完整航跡和航跡缺失的情況，將航跡融合與互補跟蹤納入統一的融合框架內。而傳感器在非重疊區域對目標的跟蹤，可以視其為一個特例情況，不再另行研究。

數學建模及具體的算法描述如下:

有n個傳感器部署在不同作戰平臺，對同一目標進行觀測，設k時刻第i個傳感器的關聯測量報告AMR為zi(k)，則該傳感器的觀測方程為

第1步:建立估計值的表達式

第2步，求加權系數。估計誤差方差為

設指標函數為

求指標函數的極值，得

此時，估計誤差的方差為

該方法使估計誤差方差最小，為最小方差估計。由此所求得的融合觀測值最接近目標點的真值，即

上述情況是最理想的情況，即k時刻不同作戰平臺上的n個傳感器都檢測到目標點，并將關聯測量報告AMR實時傳輸到各平臺的融合中心，此時可實現航跡融合。但實際情況更多的是在k時刻，因為某些原因 (如某1個或幾個傳感器受到干擾、遇到壞天氣或故障等原因)，n個傳感器中只有部分傳感器能檢測到目標，在此情況下，一部分作戰平臺需采用其他作戰平臺傳感器的AMR數據來實現航跡互補，此時，式(7)將改寫為

其中Ai(k)為開關函數，有

于是，wi(k)也成為時變函數，有

估計誤差協方差為

可見，wi(k)是隨著輸出有效數據的傳感器數量變化而變化的，并且式(8)涵蓋了航跡重合和航跡互補的2種情況。

極端情況是沒有任何傳感器檢測到目標，此時，不宜用式(8)來求取Z^(k)，則各平臺的融合中心可采用其系統航跡的預測值來做目標狀態更新。

第3步，濾波跟蹤。使用Z^(k)對融合中心的系統航跡進行目標狀態更新，其卡爾曼濾波方程 (即線性最小方差遞推估值公式)為:

3 仿真試驗

設有配置在不同作戰平臺上的A和B兩部雷達，組網協同跟蹤1個目標。2部雷達同步采樣，采樣周期為T=1 s，假設x軸和y軸的位置測量是不相關的。觀測噪聲誤差協方差皆為σ2=(100 m)2。由作戰平臺的融合中心完成空間和時間的配準，跟蹤濾波在直角坐標系中完成。目標的飛行速度是850 m/s，跟蹤時間T=60 s。其中雷達A觀測到目標的飛行時間是0～15 s和35～60 s，其中16～34 s由于受到干擾而對目標失跟;雷達B觀測目標的飛行時間是0～33 s和50～60 s，其中34～49 s因回波強度不夠而無法探測到目標。

圖3為雷達A對目標的探測數據 (測量關聯報告)，圖4為雷達B對目標的探測數據 (測量關聯報告)。圖5為系統對雷達A與B的探測數據的融合合成結果。可以看出，若只有單個雷達觀測時，會出現大段航跡缺失的現象，無法完成對目標的持續跟蹤。但若將A、B兩部雷達的航跡進行互補融合處理，則可以實現對目標的持續跟蹤。

圖5 融合合成后形成的互補目標航跡Fig.5 The complementary track after fused and combined

4 結語

本文在研究網絡中心戰和傳統的信息融合方法技術的基礎上，提出適用于網絡中心戰航跡融合合成的基本框架及其基本算法。理論分析和仿真試驗結果表明，本文提出的算法可較好地實現網絡中心戰環境下對目標的持續跟蹤，在航跡缺失的情況下實現航跡互補，非缺失的情況下提高了航跡的融合精度。

［1］宗華，宗成閣，朱榮花，等.一種基于協同作戰能力的航跡合成方法［J］.系統工程與電子技術，2007，29(11):1842-1846 ZONG Hua，ZONG Cheng-ge，ZHU Rong-hua，et al.Composite tracking approach based on the cooperative engagementcapability［J］.SystemsEngineering and Electronics，2007，29(11):1842-1846.

［2］權太范.目標跟蹤新理論與技術［M］.北京:國防工業出版社，2009.