試析多源情報(bào)信息航跡融合處理模式

張范軍 胥 剛

（1.中國(guó)人民解放軍91001部隊(duì)，北京 100841；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇南京 210023）

0 引言

由于信息來(lái)源的多樣性，在信息處理中必然會(huì)遇到許多新的問(wèn)題，如多個(gè)相同或不同類(lèi)別的探測(cè)器無(wú)法提供全面的方向測(cè)量，需要同時(shí)處理不同速度的信息源，存在信息格式不同、傳感器測(cè)量精度差異、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。如何將現(xiàn)有情報(bào)源的各種特征與新類(lèi)型的情報(bào)源進(jìn)行融合，運(yùn)用到飛行指揮系統(tǒng)中，建立起監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的綜合空情，成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

1 飛行系統(tǒng)情報(bào)系統(tǒng)處理中的常見(jiàn)問(wèn)題

飛行系統(tǒng)主要用于機(jī)場(chǎng)設(shè)施和飛機(jī)停放時(shí)的監(jiān)控和指揮。機(jī)場(chǎng)安保工作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)全景和重要區(qū)域的自動(dòng)視頻監(jiān)控，使管理者能夠及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的狀況，從而增強(qiáng)對(duì)突發(fā)事件的預(yù)防[1]。在飛行指揮中，可為指揮人員提供直觀的視頻動(dòng)態(tài)，保證指揮及時(shí)準(zhǔn)確。特別是在飛機(jī)發(fā)生空中故障或因天氣惡化、能見(jiàn)度低急劇減速時(shí)，可以有效指導(dǎo)降落和減速工作。在飛行指揮信息系統(tǒng)中，一旦信息系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，將會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。在降落過(guò)程中，指揮人員可以通過(guò)情報(bào)系統(tǒng)查看飛機(jī)的狀態(tài)、脫離滑行、是否放下起落架等，以指導(dǎo)駕駛員進(jìn)行修正。傳統(tǒng)情報(bào)處理模式在測(cè)量精度和時(shí)間精度方面都存在著一定的缺陷，難以適應(yīng)航空安全的需要，這些問(wèn)題促進(jìn)了多源情報(bào)信息航跡融合處理模式的產(chǎn)生。

2 建立多源情報(bào)信息航跡融合處理模式的重要性

在飛行系統(tǒng)情報(bào)系統(tǒng)中，多源信息的應(yīng)用一直是航空情報(bào)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。不同類(lèi)型的資料，其情報(bào)資料的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。在航空情報(bào)領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)對(duì)航空情報(bào)的綜合評(píng)價(jià)，必須根據(jù)不同的研究目標(biāo)，選擇多種數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，以達(dá)到更科學(xué)、更客觀的效果。另外，隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，多源信息融合技術(shù)和手段已不再局限于數(shù)據(jù)類(lèi)型的融合，而是更加注重融合的深度和方式。融合處理模式基于信息融合技術(shù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位、多維的觀察，獲取了海量的、相輔相成的信息，利用目標(biāo)追蹤技術(shù)，可以估算出目標(biāo)的位置、速度、特征和未來(lái)的狀態(tài)[2]。多個(gè)傳感器的航跡生成系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)很多，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的生存性，系統(tǒng)充分利用了多個(gè)傳感器所獲得的冗余信息，在某些局部平臺(tái)受到干擾或發(fā)生故障的情況下，該系統(tǒng)不會(huì)徹底停機(jī)，仍然能夠正常工作；系統(tǒng)的覆蓋面積充分拓展，通過(guò)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作空間進(jìn)行交叉覆蓋，使一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)到其他節(jié)點(diǎn)不能監(jiān)控的區(qū)域，從而提高了空間覆蓋的能力；由于各傳感器的工作時(shí)間存在差異，因而能夠充分利用時(shí)間上的互補(bǔ)信息，提高整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)域性能；為了提高跟蹤精度，各個(gè)傳感器對(duì)各個(gè)方向的檢測(cè)準(zhǔn)確度也有一定的差異，通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的冗余信息，可以提高系統(tǒng)的多維分辨率，提高整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度。采用分布式的系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的靈活選擇，降低成本。多平臺(tái)多傳感器產(chǎn)生軌跡是通過(guò)多個(gè)不同的數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的追蹤，通過(guò)多個(gè)不同的傳感器對(duì)多個(gè)不同的平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)單個(gè)平臺(tái)進(jìn)行跟蹤，從而獲得目標(biāo)的局部軌跡。利用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，將各平臺(tái)的飛行軌跡發(fā)送到預(yù)定的融合中心。融合中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)、融合等一系列的處理，最終形成被觀察對(duì)象的系統(tǒng)軌跡，從而獲得目標(biāo)跟蹤的全局結(jié)果。

3 多源情報(bào)信息航跡融合處理模式建立及效果分析

3.1 模式建立

信息融合技術(shù)以多個(gè)傳感器為硬件基礎(chǔ)，每個(gè)傳感器都能獨(dú)立地觀察目標(biāo)，通過(guò)信息融合技術(shù)將所獲得的大量冗余性信息進(jìn)行融合，最終形成一個(gè)統(tǒng)一的、全面的、準(zhǔn)確的、全方位的描述。該方法具有較高的可靠性和科學(xué)性。基于傳統(tǒng)的信息融合模型和一般的體系結(jié)構(gòu)，多傳感器目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了一些改善。在多平臺(tái)上，各個(gè)平臺(tái)在獲得觀察數(shù)據(jù)后，分別對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行濾波和跟蹤，獲得局部跟蹤軌跡，并將其傳送到融合中心。在融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合之前，必須經(jīng)過(guò)時(shí)間和空間的匹配，以確保系統(tǒng)的精確性和高效性。

在分析影響目標(biāo)處理準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，在多源情報(bào)信息中加入時(shí)空對(duì)準(zhǔn)、交會(huì)處理、目標(biāo)關(guān)聯(lián)和平滑處理等多種融合處理技術(shù)，以達(dá)到早期發(fā)現(xiàn)和持續(xù)跟蹤目標(biāo)的目的，及早提供目標(biāo)信息，為精確跟蹤測(cè)量裝置提供目標(biāo)指導(dǎo)信息，為高效操作、實(shí)現(xiàn)顯示軟件和指令導(dǎo)航軟件的功能提供了有力的支持[3]。在本地平臺(tái)上，每個(gè)傳感器都可以獨(dú)立地觀察目標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)級(jí)的時(shí)間和空間上的校準(zhǔn)，利用每個(gè)傳感器的觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和追蹤，產(chǎn)生相應(yīng)的跟蹤軌跡，由本地平臺(tái)進(jìn)行多條航跡的關(guān)聯(lián)運(yùn)算，并將多條航跡合并到一起。

每個(gè)平臺(tái)單獨(dú)觀察一個(gè)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)濾波處理產(chǎn)生局部航跡，向系統(tǒng)中心傳送本地的航跡，在系統(tǒng)中心接收到本地的數(shù)據(jù)后，對(duì)航跡進(jìn)行定位，再進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)的跟蹤，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)處理周期和報(bào)告的時(shí)間都不一樣，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析出現(xiàn)了錯(cuò)誤[4]。在融合過(guò)程中得到的各個(gè)區(qū)域航跡被預(yù)測(cè)到下一個(gè)融合時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)算法進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而有效地避免了由于飛行時(shí)間不一致引起的錯(cuò)誤。在完成了相關(guān)判別后，融合中心對(duì)多個(gè)被識(shí)別為相同的航跡進(jìn)行分步融合，并分別對(duì)非相關(guān)的目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立的處理，獲得了系統(tǒng)的航跡。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

在該數(shù)據(jù)融合模式中，處理程序由下列級(jí)別組成：第一層次為目標(biāo)評(píng)價(jià)，包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、位置估計(jì)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)、識(shí)別參數(shù)估計(jì)等。第一階段是信息融合中最基本的一步，它的處理結(jié)果將成為信息融合的基本信息。其中，多源數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)是將原來(lái)由各個(gè)傳感器平臺(tái)所獲取的時(shí)空非同步信息，按統(tǒng)一的空間坐標(biāo)和時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)，為以后的處理提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將不同來(lái)源的信息歸類(lèi)到相同的對(duì)象，將這些信息進(jìn)行合并和融合；第二層次是形勢(shì)評(píng)估，它是對(duì)整個(gè)戰(zhàn)斗形勢(shì)的抽象和評(píng)價(jià)。根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)上敵我雙方的情報(bào)，結(jié)合周?chē)那闆r，對(duì)敵人的戰(zhàn)場(chǎng)情況、戰(zhàn)斗力分布、戰(zhàn)術(shù)意圖等進(jìn)行全面的分析，從理論上分析各種假設(shè)的可能性，為作戰(zhàn)決策提供依據(jù)，并據(jù)此制定相應(yīng)的對(duì)策；第三層次為影響評(píng)價(jià)，將目前的總體形勢(shì)與將來(lái)的狀況進(jìn)行映射，對(duì)所關(guān)心目標(biāo)的未來(lái)狀況和行為趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)形勢(shì)的有效分析。在軍事上，對(duì)敵我雙方的行動(dòng)傾向進(jìn)行估算，對(duì)其發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)和估算，可以起到提供情報(bào)的作用，以便進(jìn)行支援和部署；第四層次是流程評(píng)價(jià)，該流程位于較高層次。通過(guò)建立一套系統(tǒng)的最優(yōu)指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行資源配置，以達(dá)到滿足實(shí)時(shí)性和精確度的要求。

3.2 效果分析

格式轉(zhuǎn)換及修正誤差功能是將所獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并利用錯(cuò)誤校正方法校正位置的誤差，使多源數(shù)據(jù)的相關(guān)處理成為可能。格式轉(zhuǎn)換及糾錯(cuò)功能是將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并利用錯(cuò)誤校正方法校正位置的誤差，從而使多源數(shù)據(jù)得到相應(yīng)處理。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理功能是根據(jù)設(shè)置的準(zhǔn)則，對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，對(duì)錯(cuò)誤校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)[5]。根據(jù)目標(biāo)位置、次碼、呼號(hào)等信息，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和綜合判定，確定不同來(lái)源的數(shù)據(jù)與目標(biāo)之間的聯(lián)系。

目標(biāo)狀態(tài)評(píng)估功能可以對(duì)目標(biāo)的當(dāng)前位置進(jìn)行估算。根據(jù)任務(wù)類(lèi)型、信息來(lái)源、目標(biāo)能力等因素，采用卡爾曼濾波或多源定位的方法估算目標(biāo)的位置。例如，在跟蹤監(jiān)控的情況下，選用卡爾曼濾波器和多源定位技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位；在多機(jī)對(duì)抗任務(wù)中，利用主站的實(shí)測(cè)資料，根據(jù)相關(guān)關(guān)系和信息來(lái)源的特性，估算出目標(biāo)的位置[6]。目標(biāo)信息服務(wù)是指根據(jù)特定的格式和內(nèi)容，根據(jù)用戶的個(gè)性化要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息的服務(wù)。情報(bào)業(yè)務(wù)主要是為目標(biāo)的情況監(jiān)控提供信息支撐。

針對(duì)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合特性，結(jié)合飛行測(cè)試的實(shí)際，對(duì)目前的飛行指揮系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，選擇混合多傳感器的航跡融合方式，利用傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取更豐富、更精確的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并將全部信息用平面顯示器和多功能顯示器顯示出來(lái)，從而為指揮員提供更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、及時(shí)的導(dǎo)航信息。在飛行指揮時(shí)，指揮員會(huì)通過(guò)觀看顯示器，將目標(biāo)的身份、高度、速度矢量和其他相關(guān)信息顯示出來(lái)，同時(shí)還顯示了觀察到的不同機(jī)動(dòng)路徑和預(yù)期結(jié)果，以便按照指令對(duì)指揮系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，并對(duì)飛行環(huán)境產(chǎn)生影響，對(duì)原來(lái)的航線進(jìn)行修正[7]。同時(shí)，可以將規(guī)劃行為和程序?qū)肭闆r數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)合成推理進(jìn)行支持。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)科技發(fā)展的需要，將時(shí)空對(duì)準(zhǔn)、交會(huì)處理、目標(biāo)關(guān)聯(lián)、平滑等各種信息融合處理技術(shù)運(yùn)用于航空指揮系統(tǒng)，使其能夠獲得更為實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、完整的空中態(tài)勢(shì)，并從根本上改進(jìn)原有的軟件功能，解決了以往對(duì)低 RCS 目標(biāo)監(jiān)測(cè)不足的問(wèn)題，改進(jìn)了對(duì)多源信息的處理流程，能夠讓飛行指揮系統(tǒng)在處理情報(bào)信息方面有更高水平的作用。