多傳感器協同定位技術研究

萬 華

（中國電子科技集團公司38所，合肥230088）

0 引 言

單一傳感器具有因自身特性所決定的局限性，在新一代作戰系統中依靠單傳感器所提供的探測信息已難以滿足作戰需求，而綜合運用多傳感器提供的不同維度的觀測數據，不僅擴展了系統探測范圍，改善了探測性能和空間分辨能力，而且降低了目標信息的模糊度，提升了系統探測的可信度［1］。

由多傳感器構成的分布式探測系統具有網絡化協同探測能力，對目標的發現性能、定位精度和識別能力等方面均具有明顯改善。其基于實時數據交換、信息網絡共享和協同處理，將多傳感器探測網整合為統一有機的整體，從而協調一致地完成各項探測任務。

協同定位技術是多傳感器協同探測的關鍵技術，是提升探測系統信息質量的重要手段。其基本思想就是利用各傳感器的探測特點，通過資源管控和任務調度，實現多個傳感器對同一目標的協同交叉定位。

1 協同定位的基本概念

多傳感器協同定位對應的多個協同探測節點既可以是同類傳感器，也可以是異類傳感器；既可以是單一的地基平臺，也可以是地基、海基、空基、天基等多種平臺；既可以是有源傳感器，也可以是無源傳感器。針對不同的探測任務背景和作戰需求，需要明確探測系統的不同傳感器組合，如有源雷達、無源雷達、光電、紅外、聲探測傳感器等。

下面，以雷達和光電傳感器為例，具體闡述協同定位的基本概念。

雷達光電協同定位就是利用雷達和光電傳感器對目標協同探測所提供的量測信息組合，獲得對目標的精確位置估計。由于雷達測距精度高，光電測角精度高，因而雷達、光電協同定位不僅克服了雷達橫向距離誤差大的弱點，而且克服了光電傳感器因僅能測角而帶來的探測不確定性的問題，其基本概念見圖1。

圖1 雷達光電協同定位基本概念示意圖

類似地，基于探測系統內的多種傳感器對目標的協同定位，可以利用不同傳感器所提供的多維量測信息和冗余信息，充分發揮各種傳感器的量測優勢，實現異類傳感器優勢互補。

2 多傳感器協同定位技術

2.1 處理流程

多傳感器協同定位，需要通過管理探測系統內多部傳感器的各類資源和探測任務，對各傳感器實行統一波束調度和合理資源分配［2］，利用多傳感器探測到的點跡數據，完成對目標的空時同步對齊處理、數據關聯［3］和協同位置估計，其處理流程見圖2。

由于各傳感器具有各自覆蓋空域內的搜索、跟蹤等探測任務，為了實現對重疊區內目標的協同探測和定位，要對多部傳感器的工作時間、掃描空間等資源進行統一規劃、管理和分配，合理安排其搜索方式與跟蹤方式之間的時間交替，統籌分配多傳感器的能量資源，對各傳感器的工作模式、波束指向、波束駐留時間、搜索數據率、跟蹤數據率等進行編排和調度，進而實現多傳感器對重疊探測區域目標的協同探測。因此，多傳感器協同定位處理的實現前提就是要基于資源調度來完成各傳感器之間的空時對準和同步。

圖2 多傳感器協同定位處理流程

2.2 協同定位算法

針對不同的傳感器組合形式，有不同的協同定位算法，常用的算法有最小二乘、加權最小二乘、極大似然估計、幾何定位法、測量子集優化定位算法等［4－7］，其中，工程實踐中最常用的算法就是加權最小二乘協同定位算法。

假定n個傳感器對目標進行協同探測，第i個傳感器的位置坐標為 （xi，yi，zi），目標的位置坐標為（x，y，z），第i個傳感器對目標的測量值為Zi，測量誤差協方差矩陣為Ri。

若第i個傳感器為雷達或聲探測系統，則其測量值Zi和測量誤差協方差矩陣Ri為：

若第i個傳感器為光電或紅外傳感器，則其測量值Zi和測量誤差協方差矩陣Ri為：

式中：r為距離量測信息；θ為方位量測信息；φ為仰角量測信息。

由于傳感器量測是在各自的球坐標系下獲得的，進行協同定位時，首先將所有量測經過坐標轉換，統一到公共坐標系下。各傳感器在公共坐標系下的測量值和相應的協方差為Zoi和Pi，利用加權最小二乘協同定位算法［4］，對目標的位置估計如下：

2.3 協同定位精度

協同定位精度不僅和參與協同探測的不同傳感器自身量測特性有關，還和傳感器、目標位置等幾何分布有關［7－8］。為了描述定位誤差與幾何的關系，定義定位精度的幾何稀釋（GDOP），GDOP描述了定位誤差的三維幾何分布，用下式表達［7］：

若各測量子集之間互不相關，且不考慮站址誤差的影響，加權最小二乘協同定位的誤差協方差矩陣為：

類似地，HDOP描述了定位誤差在水平面的兩維幾何分布，用下式表示：

3 協同試驗及精度分析

由雷達、光電和聲探測裝備構成的多傳感器探測試驗系統對起飛的民航飛機進行了協同探測試驗。前置部署于機場的聲探測裝備提供目標的預警信息，雷達在雜波區及時形成目標航跡，為光電提供目標指示信息。多傳感器協同探測結果如圖3所示。

圖3 多傳感器協同探測情況

通過雷達、聲、光電不同手段的異類多傳感器實現了對目標的高精度協同探測，統計整條航路探測精度，多傳感器協同定位水平精度比單傳感器探測精度提升了2倍以上。協同定位精度與單雷達定位精度對比如圖4所示。

圖4 協同定位與單雷達定位精度對比

4 結束語

多傳感器協同定位技術基于多傳感器的不同量測特性，綜合利用多維量測信息和冗余信息，可以獲得比任何一部單傳感器更加準確、連續的探測信息，實現異類傳感器優勢互補，促使探測效能倍增。因此，多傳感器協同定位技術正受到越來越廣泛的關注，在預警探測領域具有廣闊的應用前景。與此相關的多傳感器優化部署、資源管控、任務規劃與管理、系統誤差校正、多目標數據關聯技術、高精度時空一致性技術等也是有待深入研究的技術方向。

［1］何友，王國宏，陸大金，等.多傳感器信息融合及應用［M］.北京：電子工業出版社，2000.

［2］王新民，李樂堯，顧曉婕，等.傳感器組網資源管理技術及系統仿真平臺［J］.測控技術，2012，31（6）：6－9.

［3］孫俊生，王建民，王維鋒.多傳感器多目標聯合概率數據關聯研究［J］.無線電工程，2009，39（11）：19－21.

［4］費利那 A，斯塔德F A.雷達數據處理［M］.匡永勝，張祖稷譯.北京：國防工業出版社，1988.

［5］葛建軍.傳感器網絡及其目標幾何定位方法［J］.雷達科學與技術，2009，7（2）：81－84.

［6］夏軍成，王春波，倪天權.多艦協同定位技術的算法［J］.艦船電子對抗，2008，31（3）：71－73.

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［8］劉方正，祁建清.三維空間定位精度分析通用模型［J］.計算機工程，2012，38（3）：284－286.