基于測角精度的多目標實時交會匹配方法*

楊增學，雷 灝，張治政，王維強

(華陰兵器試驗中心， 陜西華陰 714200)

0 引言

常規武器導彈、火箭彈、子母彈等試驗中連發齊射多目標彈道[1]的實時交會處理結果，對評估武器系統性能，動態組網測試、試驗態勢監測、試驗輔助決策等均有重要作用及意義。其中，同名點匹配[2]是多目標彈道實時交會處理的重要組成部分。

現有的多目標同名點匹配算法模型基于空間異面直線距離。在多目標試驗測量中，由于光學設備測試布站對稱性差和測量目標距遠近的不同，給異面直線距離設定合適閾值較困難，導致多目標交會匹配算法適應性不強和實時性較差。因此，提出一種新的基于測角精度[3]的多目標光學測量實時交會匹配方法，該方法以測角精度為基礎，通過雙站交會、多站驗證篩選，有效地提高多目標光學測量處理的自適應性、實時性、準確性和可靠性。

1 基于測角精度的多目標實時交會匹配算法

1.1 算法原理

1.2 模型建立

設發射坐標系[4]為O-XYZ，測量站址O1、O2坐標為(X01，Y01，Z01)(X02，Y02，Z02)，目標T相對于O1、O2的方位角和俯仰角分別為A1、E1,A2、E2；O1T1與O1O2的夾角為φ1,O2T2與O1O2的夾角為φ2,O1T1與O2T2的夾角為φ12；O1O2的空間距離為Bl。設異面直線O1T1、O2T2的公垂線為r,T1、T2分別為兩條異面直線與其公垂線的交點，其坐標分別為(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)，如圖1所示。

圖1 光測設備雙站異面交會[5]示意圖

1)求取異面直線公垂線之間的距離

根據空間解析幾何理論，可得異面直線公垂線之間的距離為：

r=((X2-X1+R2cosA2cosE2-R1cosA1cosE1)2+ (Y2-Y1+R2sinE2-R1sinE1)2+ (Z2-Z1+R2sinA2cosE2-R1sinA1cosE1)2)1/2

(1)

2)建立測量精度與測角精度、測量目標距離的數學模型

由于光學設備測量誤差的存在，各測站計算出測量得到的方位、俯仰角后，相當于由該站光學鏡頭中心Oi引出一條指向目標的射線OiTi，如圖2所示。

圖2 測量精度與測角精度、測量目標距離的關系

(2)

式中σri=Ri·σγi。

3)確定目標與兩射線公垂線的位置關系

對于雙站交會測量，測量設備中心與目標構成有一定誤差的兩條射線，T點是關于r1、r2兩個獨立變量的二維分布，則目標T點對(r1、r2)對應的似然函數R(r1、r2)為：

(3)

根據最大似然估計理論，目標T最有可能落在使似然函數極大的位置上，目標T的最優估計為異面直線R1、R2距離和最小的點，即目標T的最優估計在R1、R2的公垂線上。

4)計算r1、r2的值

由于O1T1和O2T2的公垂線r是唯一確定，當μ=0時，可得似然函數R(r1、r2)為：

(4)

由上分析可得，基于測角精度的多目標實時交會匹配算法模型為：

(5)

X1、Y1、Z1為測站O1在發射坐標系中坐標；X2、Y2、Z2為測站O2在發射坐標系中坐標；A1、E1為測站O1的測角信息方位角、俯仰角；A2、E2為測站O2的測角信息方位角、俯仰角。

1.3 算法流程

多目標光學實時交會匹配算法流程為：

Step1:取測站O1、O2同一幀測量所有目標像點進行排列組合，構成序列目標像點對。設同一幀測站O1拍攝m個目標像點，測站O2拍攝n個目標像點，經組合后形成m×n個目標像點對。

Step3:刪除所有沒標注的目標像點。

Step4:重復Step1至Step3直到所有幀目標測量點彈道識別完成。

1.4 算法應用

在多目標實時交會處理中，我們通常采用三個或多個測量站進行交會處理，然后用另外幾個測量站數據進行篩選的測量方法。在篩選過程中采用相應設備測角精度指標進行多目標同名點匹配處理，剔除初步交會處理產生的假目標，獲得最終的真目標相關數據。實時交會處理流程如圖3所示。

圖3 多目標實時交會處理流程

2 試驗驗證

為了驗證文中提出的基于測角精度的多目標實時交會匹配算法魯棒性、實時性和可靠性，采用VC++6.0軟件開發工具，研發了多目標實時交會處理軟件進行驗證。

1)地面布設20個發光目標模擬試驗驗證

該模擬試驗采用在地面上布設20個目標，利用3個測量站進行模擬測量。首先1#和2#測量站進行多目標交會匹配初步篩選，然后將其結果投影到3#測量站進行多目標交會匹配精細篩選，初步獲得最終的多目標交會匹配結果。

圖4 交會匹配初步篩選結果

圖5 交會匹配精細篩選結果

初步篩選和精細篩選結果分別如圖4、圖5所示，通過上述兩次應用基于測角精度的多目標交會匹配算法篩選以后，從測量目標210個中有效識別出21個目標，覆蓋了全部20個模擬目標，表明該算法適應性好、準確度高。通過后續的多目標彈道識別方法，對于21個目標再進行彈道識別處理便可以剔出多余的一個假目標，最終可得地面模擬20個多目標交會匹配最終結果與實際真值數據一致。

2)某型多管火箭彈7連發試驗驗證

在某型多管火箭炮連發齊射試驗時，采用某型紅外彈道相機對7連發火箭彈目標進行跟蹤測量，其左右站彈道識別情況如圖6所示。由圖6可以看出，針對某型火箭彈7連發多目標彈道出現斷點和交叉的情況，多目標彈道實時識別準確、有效和可靠。

圖6 某型多管火箭彈7連發目標跟蹤測量左右站彈道實時識別情況

3 結論

1)針對火箭、導彈、子母彈等連發齊射多目標光學測量實時交會處理中現有多目標交會匹配算法適應性不強和實時性較差的問題，提出了基于測角精度的多目標光學測量實時交會匹配新方法，建立了多目標實時交會匹配算法模型，有效地提高了多目標光學測量實時處理能力。

2)通過試驗驗證，基于測角精度的多目標實時交會匹配方法，可以有效提升多目標光學測量處理的自適應性、實時性、準確性和可靠性，特別適用于火箭、導彈等武器系統連發齊射實時評估綜合毀傷效能、試驗態勢監測和試驗輔助決策。