一種基于地面目標(biāo)機(jī)動(dòng)特性的航跡處理方法

朱廣毓 涂婷 韋成

摘要：本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，簡(jiǎn)要分析了地面目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)特征，描述了兩種航跡起始方法，將臨時(shí)航跡、航跡質(zhì)量應(yīng)用到邏輯比較法中，更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下地面目標(biāo)航跡的處理流程，有效地解決波門(mén)內(nèi)干擾目標(biāo)的影響。最后針對(duì)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，總結(jié)出準(zhǔn)確計(jì)算穩(wěn)定航跡的方位、距離、運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng)特性的處理方法，得到了理想的航跡跟蹤效果。

關(guān)鍵詞：多普勒速率；航跡起始；航跡質(zhì)量；航跡相關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）05-0064-02

1 引言

雷達(dá)航跡處理目的是將檢測(cè)到的雜亂無(wú)章的目標(biāo)點(diǎn)跡按照一定的要求進(jìn)行關(guān)聯(lián)，是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和高效性三個(gè)基本特征。在對(duì)地面目標(biāo)的偵察過(guò)程中，如何在很短的時(shí)間內(nèi)排除干擾目標(biāo)的影響，及時(shí)準(zhǔn)確地建立航跡，直接關(guān)系到雷達(dá)的使用效果。

本文以常見(jiàn)的脈沖雷達(dá)為基礎(chǔ)，從地面目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)特征入手，通過(guò)對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行管理，系統(tǒng)性分析航跡起始與相關(guān)過(guò)程的算法優(yōu)劣性，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)際提出一種航跡改良算法，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的目標(biāo)位置信息。

2 地面目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)特征

雷達(dá)量測(cè)值為地面目標(biāo)的距離和方位信息，當(dāng)采用極坐標(biāo)系（距離-方位）作為跟蹤坐標(biāo)系時(shí)，直角坐標(biāo)系內(nèi)的勻速直線運(yùn)動(dòng)[1]（徑向運(yùn)動(dòng)除外）的目標(biāo)表象的運(yùn)動(dòng)特性則是帶有加速度的機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為了消除此偽加速度的影響，我們?cè)诰嚯x、方位角方向均采用有加速度擾動(dòng)的目標(biāo)機(jī)動(dòng)模型，該模型描述如下：

Dk、Vk、分別表示k時(shí)刻的目標(biāo)距離、多普勒速率（徑向速度）及徑向加速度；θk、、分別表示k時(shí)刻的目標(biāo)角速度、方位角速度及方位加速度。

3 航跡質(zhì)量管理

地面目標(biāo)的機(jī)動(dòng)與繁多反映出來(lái)的特性表明，地面航跡的起始和相關(guān)過(guò)程會(huì)比較頻繁。為了更好地管理航跡，在論證過(guò)程中采用航跡“質(zhì)量”的概念。它一定程度反映出航跡的一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

一般地，設(shè)定質(zhì)量管理流程如下：

當(dāng)航跡起始時(shí)，航跡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，我們?cè)O(shè)置其初始質(zhì)量為3；

在航跡相關(guān)處理的過(guò)程中，每與新的量測(cè)值相關(guān)成功后，質(zhì)量加1；

當(dāng)質(zhì)量為6時(shí)，則認(rèn)為該航跡為穩(wěn)定航跡；

在一定的時(shí)間間隔內(nèi)相關(guān)失敗后，質(zhì)量減1；

當(dāng)航跡質(zhì)量減為1時(shí)，航跡跟蹤失敗，系統(tǒng)自動(dòng)刪除該航跡。

4 航跡起始與相關(guān)過(guò)程

在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中，首先要建立目標(biāo)航跡。如果航跡起始不正確，有可能航跡在第一時(shí)間就出現(xiàn)巨大偏差。航跡起始是航跡處理的難點(diǎn)問(wèn)題，由于地面目標(biāo)繁多、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、易被遮擋影響探測(cè)概率等特征，雷達(dá)的探測(cè)能力差且目標(biāo)和雜波的出現(xiàn)并沒(méi)有真正的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

4.1 直觀法

所有航跡起始算法里計(jì)算量最小的是直觀法。它是根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提出的：對(duì)于同一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體而言，其運(yùn)動(dòng)速度、加速度應(yīng)該介于最大值和最小值之間，不同類(lèi)型的物體有不同的運(yùn)動(dòng)速度、加速度最大值和最小值。假設(shè)vi（i=1，2，…，N）是N次目標(biāo)的量測(cè)速度值。如果這N個(gè)周期中有M個(gè)周期的量測(cè)值符合下面兩條規(guī)則，那么直觀法就認(rèn)為一條航跡起始成功。

這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)波門(mén)限制較少，但受到雜波等干擾目標(biāo)的影響巨大，容易出現(xiàn)誤跟的現(xiàn)象，一般僅用于仿真模擬或無(wú)背景雜波干擾的環(huán)境下的航跡起始[2]。

4.2 邏輯比較法

邏輯法和直觀法有相似的部分，都在N個(gè)掃描周期中若正確檢測(cè)到量測(cè)的次數(shù)大于等于M，則航跡起始成功，若時(shí)間窗內(nèi)滿足檢測(cè)門(mén)限的數(shù)目不夠時(shí)，則將時(shí)間窗后移[3]。兩者的不同之處在于波門(mén)的設(shè)置，直觀法僅用速度和加速度作為航跡起始時(shí)的波門(mén)限制，采用的只是一些經(jīng)驗(yàn)上的判決；邏輯法通過(guò)預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的下一時(shí)刻的位置和設(shè)置相關(guān)波門(mén)來(lái)判斷航跡是否存在。具體處理流程如下：

（1）將第一次掃描周期的量測(cè)目標(biāo)作為可能航跡，建立初始波門(mén)。

（2）將第二次掃描周期的量測(cè)點(diǎn)，通過(guò)直觀法，建立候選的航跡，初始化質(zhì)量均為3，對(duì)每一個(gè)候選的航跡目標(biāo)，利用一階多項(xiàng)式外推的方法，建立橢圓波門(mén)。

（3）將第三次掃描周期的量測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)：滿足橢圓波門(mén)內(nèi)的量測(cè)目標(biāo)，建立臨時(shí)航跡，如果滿足條件的觀測(cè)超過(guò)一個(gè)，則此候選目標(biāo)航跡分裂為多個(gè)航跡，匹配后，這些航跡的質(zhì)量均加1；若沒(méi)有滿足橢圓波門(mén)內(nèi)的量測(cè)目標(biāo)，利用直線外推的預(yù)測(cè)值代替，建立一個(gè)臨時(shí)航跡，該臨時(shí)航跡質(zhì)量減1，如果連續(xù)2次均沒(méi)有量測(cè)目標(biāo)匹配，那么刪除該臨時(shí)航跡。

（4）連續(xù)進(jìn)行（2），（3）步處理，當(dāng)航跡質(zhì)量為6時(shí)認(rèn)為該航跡為穩(wěn)定航跡。

（5）在每次掃描中，落入相關(guān)波門(mén)中但并未被關(guān)聯(lián)的點(diǎn)跡與未落入波門(mén)的點(diǎn)跡作為新的航跡頭，轉(zhuǎn)（1）。

整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

5 提高機(jī)動(dòng)目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)位置精度

邏輯法作為一種航跡起始方法，也可以作為航跡與量測(cè)點(diǎn)匹配過(guò)程中處理流程。但在真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)景下，由于多普勒雷達(dá)[4]的波束寬度的影響，在觀測(cè)目標(biāo)時(shí)，方位上的誤差受和差波束的影響，方位測(cè)量值的隨機(jī)誤差較大，尤其量測(cè)近距離的目標(biāo)，有時(shí)目標(biāo)作接近直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量值則顯示目標(biāo)在方位上誤差就很大。采用直線外推的方法來(lái)測(cè)量，很容易出現(xiàn)航跡跟丟、匹配不到的現(xiàn)象。

如圖2所示，起始點(diǎn)為一個(gè)穩(wěn)定跟蹤的航跡目標(biāo)，假設(shè)該航跡的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡如黃色虛線所示，黑色為量測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，紅色為匹配后直線外推的目標(biāo)預(yù)測(cè)點(diǎn)，如果沿直線外推，則在第三次探測(cè)時(shí)量測(cè)目標(biāo)就落入到波門(mén)以外，此時(shí)航跡跟蹤目標(biāo)丟失。

由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單的直線外推方法僅僅能大致預(yù)測(cè)到目標(biāo)的距離信息，并不能完全正確的預(yù)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向。如何計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，預(yù)測(cè)出更準(zhǔn)確的目標(biāo)位置信息，在航跡匹配過(guò)程中顯得尤為關(guān)鍵。

由于航跡起始時(shí)，關(guān)聯(lián)的量測(cè)值較少，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)航跡位置，但當(dāng)航跡連續(xù)成功匹配5次即目標(biāo)進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)后，可以通過(guò)以下方法準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從地面目標(biāo)機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)特征出發(fā)，分析了航跡起始與航跡相關(guān)的處理流程，結(jié)合真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)景中航跡丟失情況總結(jié)出一種精確預(yù)測(cè)目標(biāo)的距離、方位的方法。可以降低航跡丟失概率，提高航跡預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度。能夠顯著提高復(fù)雜環(huán)境下雷達(dá)對(duì)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航跡質(zhì)量，保證了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定、持續(xù)、實(shí)時(shí)跟蹤，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[4]丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達(dá)原理（第四版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.