VTS導航雷達中抑制遠距離隨機誤差的高精度靜態目標跟蹤方法

趙　航,姚　遠,崔威威,丁　春

(1.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室,南京 210003；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

VTS導航雷達中抑制遠距離隨機誤差的高精度靜態目標跟蹤方法

趙航1,姚遠2,崔威威2,丁春2

(1.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室,南京 210003；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

摘要：在VTS系統的應用中需要對錨區內停泊的目標進行監管。在港口或碼頭的水域內,錨區通常位于監管區域的遠端,雷達方位上的隨機誤差在傳遞到直角坐標時會使目標點跡在雷達站的切向方位上呈現搖擺的特點,并且錨區內的目標通常比較密集,所以VTS系統內的導航雷達在跟蹤遠區內的靜態目標時會面臨較大的困難。本文利用點跡雜波圖生成雷達監管區域內的靜態目標態勢,然后將靜態目標態勢和目標航跡分布進行關聯,并利用靜態目標態勢的位置信息對目標關聯數據進行修正,以提高對遠距離靜態目標的跟蹤精度。

關鍵詞:VTS；點跡雜波圖；靜態目標

0引言

錨區是在VTS系統監管水域中根據水深、地質、避風等條件選定的、專供船只拋錨停泊及船隊編組的地點。為了實時了解錨區內錨位上目標停靠的狀態,VTS系統需要對該類停靠的目標進行監控。由于目標在停靠狀態下船上的AIS信息上報的數據率較低或者AIS設備處于關閉狀態,無法及時反映目標的運動狀態,所以對于該類目標,VTS系統無法利用AIS信息來管理目標,只能依靠雷達跟蹤來實現對于目標的實時監管。錨區一般位于VTS系統監管水域的遠端。雷達方位上的隨機誤差在傳遞到直角坐標時會使目標點跡在雷達站的切向方位上呈現搖擺的特點,并且錨區內的目標通常相對比較密集,所以VTS系統內的導航雷達在跟蹤遠區內的靜態目標時會面臨較大的困難。

本文利用點跡雜波圖生成雷達監管區域內的靜態目標態勢,然后將靜態目標態勢和目標航跡分布進行關聯[1],并利用靜態目標態勢的位置信息對目標關聯數據進行修正,以提高對遠距離靜態目標的跟蹤精度。

1態勢和目標分布關聯技術

利用點跡雜波圖的結果對雷達監控區域內的目標點跡進行靜態篩選,挑選出每個掃描周期內屬于靜態目標的點跡,生成靜態目標的分布態勢,然后將雷達監控區域內的目標航跡數據與靜態目標的分布態勢作相關處理,生成航跡與態勢的對應關系。態勢和目標分布關聯技術的實現途徑如下:

(1) 點跡雜波圖生成靜態目標分布態勢

點跡雜波圖的基本理論為把在兩次或兩次以上相繼掃描中的點跡位移與已登記的雜波圖點的第一次位置(已測得)為中心的波門相比較。對雜波點或緩慢移動的目標來說,多次掃描中相繼進入的回波會保留在波門中,但對于快速目標來說只有少數幾次掃描回波仍保留在波門中。點跡雜波圖可以給出雷達覆蓋范圍內固定雜波的位置信息。

把點跡雜波圖篩選出來的每一個雷達周期的靜態目標點跡建立成為一個目標集合:

其中nA為點跡雜波圖篩選出來的靜態目標個數。

對于篩選出來的靜態目標的相對拓撲信息,當前選中的目標與其他目標之問的相對距離及與其他各目標連線相對于正北方向的夾角不會受到隨機誤差的影響,因而可以根據這些目標之間的拓撲信息量定義該目標相對拓撲向量[2]。

以當前選中的目標為坐標系的原點建立極坐標系,沿順時針方向劃分為M個象限,其他目標按照相對當前選中的目標的位置關系落入各象限內。將落入每一象限內的各目標與當前選中的目標間的歐氏距離分別求和,作為該象限的相對拓撲分量。

假設某一時刻,篩選出來的6個靜態目標分布如圖1所示,極坐標系以目標3為原點,沿順時針方向劃分為8個象限,則以目標3為極坐標系原點所建立的拓撲向量定義為

其中,拓撲向量的維數與極坐標劃分的象限個數一致,ρ表示目標之間的歐氏距離。

將篩選出來的靜態目標依次計算各自的拓撲向量,則靜態目標與各自的拓撲向量集合組成了靜態目標分布態勢。

圖1　拓撲向量生成示意圖

(2) 航跡數據生成目標分布

航跡數據生成的目標分布與點跡雜波圖生成靜態目標分布態勢的過程類似。為了減少計算量和降低相關處理的計算復雜度,先根據航跡數據中的速度信息完成航跡數據的篩選,把慢速(2～3 kn以下)目標篩選出來用于生成目標分布。

將篩選出來的慢速目標依次計算各自的拓撲向量,則篩選出來的慢速目標與各自的拓撲向量集合生成了航跡數據的目標分布。

(3) 航跡與態勢的相關處理

對k時刻點跡雜波圖篩選出來的m個靜態目標和航跡數據篩選出來的n個慢速目標可以構建以下的模糊關聯矩陣。

其中fij(k)表示第i個靜態目標與第j個慢速目標的拓撲向量之間的相關系數大小。航跡與態勢的相關判別采用雙門限準則[3],選取正整數I和R,k=1,2,…,R。若目標i,j關聯成功,則設定mij(k)=mij(k-1)+1,mij(0)=0,且Dij′(k)=Dij′(k-1)+1,j′≠j,Di,j(k)=Di′,j(k-1)+1,i′,≠i。否則置F(k)中所有元素對應的Dij(k)=Dij(k-1)+1。其中,mij(k)和Dij(k)分別定義為航跡對準關聯和脫離質量。在每次計算fij(k)之前,需要判斷若Dij(k-1)>R-I,則fij(k)=0。若在R次對準關聯檢驗后,有mij(R)≥I,則認為航跡i與j形成固定關聯,并停止對它們進行后續的關聯檢驗,認定第i個靜態目標與第j個慢速目標相關。

2靜態目標高精度跟蹤技術

在完成了點跡雜波圖篩選出來的m個靜態目標和航跡數據篩選出來的n個慢速目標的相關處理之后,根據相關的結果可以獲取慢速航跡與靜態目標的一一對應關系。由于點跡雜波圖在維護過程中采用的是一種類似于掃描周期間反饋的方式,可以有效抑制由于隨機誤差帶來的點跡搖擺特性。當慢速目標與點跡雜波圖篩選出的靜態目標產生對應關系后,將慢速目標在每個雷達掃描周期內的有效關聯點跡由點跡雜波圖作過掃描周期間反饋后的點跡替代。

周期間反饋式積累的公式為

對成功相關的靜態或者慢速目標凝聚的雷達點跡作周期間反饋式積累,可以有效地改善由于隨機誤差所帶來的影響,提高雷達凝聚點跡的位置精度。

當目標從錨區內的泊位上解纜起錨時,并當目標移出點跡雜波圖維護的關聯范圍后,則該位置的點跡雜波圖就無法繼續更新。當慢速目標無法找到相應作過滑窗積累的點跡雜波圖點跡時,就自動使用其自身關聯到的雷達點跡。所以,以上提及的相應技術既能保證靜態目標的穩定跟蹤,又可以及時響應目標由靜轉動的運動狀態變化。

3工程應用效果

在連云港VTS項目現場驗收的測試中,選中距離雷達12km左右的浮標作為靜態測試的目標。將DGPS放置在浮標上用來采集靜態目標的真值。圖2、圖3所示為雷達點跡和雷達跟蹤生成的航跡效果圖,圖中實心圓點表示雷達凝聚的目標點跡,空心圓圈表示雷達跟蹤生成的航跡。

根據DGPS采集的真值計算采用穩定跟蹤技術前后,靜態目標跟蹤精度,計算結果如表1所示。

表1

方位精度(°)距離精度(m)穩定跟蹤技術0.02369.255非穩定跟蹤技術0.043514.238

4結束語

為了解決雷達隨機誤差在遠距離上對目標點跡在雷達站切向方位上帶來的影響,本文利用點跡雜波圖生成雷達監管區域內的靜態目標態勢,然后將靜態目標態勢和目標航跡分布進行關聯,實現對遠距離靜態目標的高精度跟蹤,并且附加說明了該技術在實現靜態目標穩定跟蹤的同時不會影響對目標由靜態轉為動態時的跟蹤性能。文中提及相應技術已經成功地應用到了海事VTS的多個系統中,并通過了連云港、靖江VTS系統的現場驗收。

參考文獻:

[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,2007.

[2]楊哲,韓崇昭,李晨,等.基于目標之間拓撲信息的數據關聯方法[J].系統仿真學報,2008,20(9).

[3]宋強,熊偉,馬強.基于目標不變信息量的模糊航跡對準關聯算法[J].系統工程和電子技術,2011(1).

A high-precision static target tracking method of suppressing

remote random errors for VTS navigation radar

ZHAO Hang1, YAO Yuan2, CUI Wei-wei2, DING Chun2

(1.Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The targets berthed in the anchorage area are required to be supervised in the application of the VTS system. The anchorage area is usually located in the remote area of the supervision zone in the waters of the harbor or the dock. When the random errors in radar azimuth are sent to the rectangular coordinates, the plot swing shall occur in the tangential direction at the radar station. Usually, the targets in the anchorage area are very dense. Therefore, the navigation radar in the VTS system is faced with a difficult problem in tracking the static targets in the remote area. The static target situation in the supervision zone is generated by utilizing the plot clutter map, and then the static target situation and the target track distribution are correlated. Moreover, the correlated target data are corrected according to the location information of the static target situation to improve the tracking precision of the static targets.

Keywords:VTS; plot clutter map; static target

中圖分類號:TN957.51

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0015-03

作者簡介:趙航(1989-),男,助理工程師,研究方向:雷達工程；姚遠(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達數據處理；崔威威(1987-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達數據處理；丁春(1983-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達數據處理。

收稿日期:2015-05-30;修回日期:2015-06-10