本發(fā)明涉及雷達(dá)仿真領(lǐng)域,特別涉及一種雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
相控陣?yán)走_(dá)是一種多功能、高性能的新型雷達(dá)系統(tǒng),主要能滿足以下兩類需求:作用距離遠(yuǎn),能發(fā)現(xiàn)和測(cè)量5000km外的目標(biāo);天線波束掃描要快,能跟蹤速度為20馬赫的目標(biāo),并縮短控制反應(yīng)時(shí)間,提高跟蹤速度;實(shí)現(xiàn)上述兩類需求,可采用下述兩類方式:第一類需求,可以通過加大天線面積和電波的發(fā)射功率,設(shè)計(jì)最佳信號(hào)波形,以及降低接收機(jī)噪聲來解決;第二類需求,機(jī)械掃描的常規(guī)雷達(dá)已不能勝任,需采用電掃描雷達(dá)波束指向系統(tǒng),這種系統(tǒng),在搜索和跟蹤目標(biāo)時(shí),整個(gè)天線系統(tǒng)可以固定不動(dòng),通過控制陣列天線中各個(gè)陣元的相位,便可得到所需要的天線方向圖和波束指向;相控陣?yán)走_(dá)從理論上滿足了作用距離遠(yuǎn)和反應(yīng)時(shí)間短、多目標(biāo)跟蹤的要求,正是因?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)的高效能、多功能,使得其系統(tǒng)十分復(fù)雜,仿真難度很大。同時(shí),相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)一樣,其發(fā)射分系統(tǒng)和接收分系統(tǒng)仍然是兩個(gè)基本分系統(tǒng):發(fā)射分系統(tǒng)發(fā)射天線陣;發(fā)射饋電系統(tǒng)(發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò));發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生及功率放大部分。接收分系統(tǒng)接收天線陣;接收機(jī)前端;接收波束形成網(wǎng)絡(luò);多路接收機(jī);信號(hào)處理機(jī);雷達(dá)終端設(shè)備。
相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)是一個(gè)非常靈活、復(fù)雜的系統(tǒng),要仿真這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的工作過程,面面俱到是不現(xiàn)實(shí)的,不可能做到和實(shí)際雷達(dá)設(shè)備一一對(duì)應(yīng),必須有所側(cè)重,有所取舍,抓住影響其處理結(jié)果的關(guān)鍵因素和關(guān)心的主要方面,在保證一定的可信度的條件下,通過把各個(gè)模塊的功能抽象化,融合后得到高效、可靠的仿真系統(tǒng)。
專利cn201410173557.5通過資源調(diào)度模塊產(chǎn)生當(dāng)前雷達(dá)事件;所述信號(hào)產(chǎn)生模塊執(zhí)行當(dāng)前雷達(dá)事件,并將形成的信號(hào)產(chǎn)生結(jié)果輸送到資源調(diào)度模塊;所述信號(hào)處理模塊從資源調(diào)度模塊獲取上個(gè)雷達(dá)事件的信號(hào)產(chǎn)生結(jié)果,處理所述信號(hào)產(chǎn)生結(jié)果,并將形成的信號(hào)處理結(jié)果輸送到資源調(diào)度模塊;所述的數(shù)據(jù)處理模塊從資源調(diào)度模塊獲取上個(gè)雷達(dá)事件的信號(hào)處理結(jié)果,處理所述的信號(hào)處理結(jié)果,并將處理結(jié)果輸送到調(diào)度模塊。利用openmp的并行計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算,通過消息傳遞接口傳遞消息。該方案雖然與本發(fā)明模塊架構(gòu)類似,但其僅僅說明了模塊間的聯(lián)系關(guān)系與簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)功能,未詳細(xì)說明實(shí)現(xiàn)原理及實(shí)現(xiàn)方案。
專利cn201310585730.8公開了仿真系統(tǒng)將系統(tǒng)框架劃分為一主體子系統(tǒng)——雷達(dá)工作臺(tái)仿真子系統(tǒng)和三個(gè)輔助子系統(tǒng)——仿真場(chǎng)景控制子系統(tǒng)、雷達(dá)主控計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)和雷達(dá)分析評(píng)估子系統(tǒng),其中,;仿真場(chǎng)景控制子系統(tǒng)主要由仿真參數(shù)裝訂模塊、1類目標(biāo)航跡生成模塊、2類目標(biāo)航跡生成模塊和3類目標(biāo)航跡生成模塊組成,為雷達(dá)工作臺(tái)仿真子系統(tǒng)提供輸入數(shù)據(jù)。然而該方案雖然并未公開如何實(shí)現(xiàn)有效的目標(biāo)跟蹤方案。
專利cn201110460669.5公開了一種通用的雷達(dá)仿真系統(tǒng)及其仿真應(yīng)用方法,通過層次化的雷達(dá)仿真組件模型庫,以促進(jìn)雷達(dá)仿真組件的管理、查詢與重用。其中,分系統(tǒng)模型層用于描述雷達(dá)仿真應(yīng)用系統(tǒng)的功能,并包括目標(biāo)與環(huán)境特性模型分系統(tǒng)、雷達(dá)裝備模型分系統(tǒng)以及評(píng)估模型分系統(tǒng);對(duì)象模型層有若干對(duì)象模型,而且如目標(biāo)與環(huán)境特性模型分系統(tǒng)的對(duì)象模型組成有:目標(biāo)特性對(duì)象模型、環(huán)境特性對(duì)象模型、雜波信號(hào)對(duì)象模型以及干擾信號(hào)對(duì)象模型。但只是涉及到了目標(biāo)特性對(duì)象模型、環(huán)境特性對(duì)象模型、雜波信號(hào)對(duì)象模型以及干擾信號(hào)對(duì)象模型,具體的仿真方式并沒有公開。
文獻(xiàn)《相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真模型研究》(李欽富、許小劍,《中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》,2007(3):239-243)公開了一種常用架構(gòu)的雷達(dá)仿真系統(tǒng),然而該系統(tǒng)并未具體描述仿真方法,同時(shí)其目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法采用常規(guī)的探測(cè)概率計(jì)算模型,誤差較大,目標(biāo)發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確度較低。
綜上所述,現(xiàn)有的雷達(dá)仿真系統(tǒng)目標(biāo)航跡預(yù)測(cè)與跟蹤能力較差,不能準(zhǔn)確得到目標(biāo)的飛行軌跡,誤差較大,對(duì)后續(xù)目標(biāo)處理造成很大的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足,提供一種能夠較準(zhǔn)確得到目標(biāo)的飛行軌跡,誤差較小的雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法及系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法,包括以下步驟:
s1、對(duì)雷達(dá)探測(cè)空域劃分為多個(gè)扇區(qū),檢測(cè)初始扇區(qū)的探測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行記錄探測(cè)信息,將所述探測(cè)信息生成舊航跡列表,將前一次得到的探測(cè)點(diǎn)作為舊航跡列表;
s2、所述舊航跡列表中的探測(cè)信息中滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成動(dòng)態(tài)航跡列表,將不滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成自由航跡列表;
s3、判斷所述動(dòng)態(tài)航跡列表、自由航跡列表是否完成卡爾曼濾波初始化,若是,則進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測(cè);
s4、根據(jù)所述航跡列表計(jì)算空間統(tǒng)計(jì)距離并生成矩陣,選擇空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,得到目標(biāo)航跡。
進(jìn)一步地,所述探測(cè)信息為俯仰角、方位角、斜距值。
進(jìn)一步地,所述步驟s3還包括,判斷所述動(dòng)態(tài)航跡列表、自由航跡列表是否完成卡爾曼濾波初始化,若否,則直接執(zhí)行所述步驟s4。
進(jìn)一步地,將所述步驟s4得到的目標(biāo)航跡作為下次航跡預(yù)測(cè)的舊航跡。
本發(fā)明同時(shí)提供一種雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤系統(tǒng),包括舊航跡列表生成模塊,用于對(duì)雷達(dá)探測(cè)空域劃分為多個(gè)扇區(qū),檢測(cè)初始扇區(qū)的探測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行記錄探測(cè)信息,將所述探測(cè)信息生成舊航跡列表,將前一次得到的探測(cè)點(diǎn)作為舊航跡列表;動(dòng)態(tài)航跡列表生成模塊,用于將所述舊航跡列表中的探測(cè)信息中滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成動(dòng)態(tài)航跡列表;自由航跡列表生成模塊,用于將所述舊航跡列表中的探測(cè)信息中不滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成自由航跡列表;卡爾曼濾波預(yù)測(cè)模塊,用于將完成卡爾曼濾波初始化的所述動(dòng)態(tài)航跡列表、自由航跡列表進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測(cè);目標(biāo)航跡生成模塊,用于所述航跡列表計(jì)算空間統(tǒng)計(jì)距離并生成矩陣,選擇空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,得到目標(biāo)航跡。
進(jìn)一步地,所述探測(cè)信息為俯仰角、方位角、斜距值。
進(jìn)一步地,將所述目標(biāo)航跡生成模塊得到的目標(biāo)航跡作為下次航跡預(yù)測(cè)的舊航跡。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法對(duì)雷達(dá)探測(cè)空域進(jìn)行劃分,并通過生成動(dòng)態(tài)航跡列表與自由航跡列表的方式選擇航跡列表中空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,得到目標(biāo)航跡,通過本發(fā)明的方法得到的目標(biāo)飛行軌跡較為準(zhǔn)確,誤差較小。
附圖說明
圖1所示為本發(fā)明的雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法流程圖。
圖2所示為本發(fā)明的雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法的具體實(shí)現(xiàn)流程圖。
圖3所示為本發(fā)明的雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤系統(tǒng)模塊框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例,凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1:
一種雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法,參看圖1,包括以下步驟:
s1、對(duì)雷達(dá)探測(cè)空域劃分為多個(gè)扇區(qū),檢測(cè)初始扇區(qū)的探測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行記錄探測(cè)信息,將所述探測(cè)信息生成舊航跡列表,將前一次得到的探測(cè)點(diǎn)作為舊航跡列表;
s2、所述舊航跡列表中的探測(cè)信息中滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成動(dòng)態(tài)航跡列表,將不滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成自由航跡列表;
s3、判斷所述動(dòng)態(tài)航跡列表、自由航跡列表是否完成卡爾曼濾波初始化,若是,則進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測(cè);
s4、根據(jù)所述航跡列表計(jì)算空間統(tǒng)計(jì)距離并生成矩陣,選擇空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,得到目標(biāo)航跡。
所述探測(cè)信息為俯仰角、方位角、斜距值。
所述步驟s3還包括,判斷所述動(dòng)態(tài)航跡列表、自由航跡列表是否完成卡爾曼濾波初始化,若否,則直接執(zhí)行所述步驟s4。
將所述步驟s4得到的目標(biāo)航跡作為下次航跡預(yù)測(cè)的舊航跡。
在一個(gè)具體實(shí)施方式中,參看圖2,本發(fā)明采用最近鄰法進(jìn)行計(jì)算,選擇使“統(tǒng)計(jì)距離”最小的檢測(cè)點(diǎn)跡作為目標(biāo)的配對(duì)點(diǎn)跡。
首先進(jìn)行“粗關(guān)聯(lián)”,得到相同或相鄰扇區(qū)(對(duì)空域的劃分,按照俯仰角、方位角進(jìn)行劃分)內(nèi)的兩個(gè)航跡列表,按先后順序分別把兩個(gè)列表里的所有航跡與所有檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行配對(duì),并將點(diǎn)跡——航跡之間的統(tǒng)計(jì)距離(斜距差或空間統(tǒng)計(jì)距離)作為關(guān)聯(lián)的基本依據(jù)。
設(shè)雷達(dá)探測(cè)空域按照俯仰角、方位角進(jìn)行劃分(陣面直角坐標(biāo)系),可分為n個(gè)扇區(qū),第i個(gè)扇區(qū)的俯仰角或方位角范圍為
t1時(shí)刻為雷達(dá)開啟工作的起始時(shí)刻,即為雷達(dá)工作首次探測(cè)后生成結(jié)果的時(shí)刻;
此時(shí),i=1扇區(qū),探測(cè)到
在t1時(shí)刻,無舊航跡列表,即生成
表1
i=2扇區(qū),探測(cè)到
第一步:粗關(guān)聯(lián)
設(shè)ti時(shí)刻(i>1),雷達(dá)掃描到第k個(gè)扇區(qū),則第k個(gè)扇區(qū)的粗關(guān)聯(lián)扇區(qū)有8個(gè),依次為:
提取舊航跡列表,判斷舊航跡列表ti-1時(shí)刻各航跡點(diǎn)的
表2
同時(shí)將
表3
第二步:計(jì)算空間統(tǒng)計(jì)距離,
經(jīng)過上述過程,得到動(dòng)態(tài)航跡列表與自由點(diǎn)航跡列表,是進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)計(jì)算的條件,以下開始計(jì)算航跡關(guān)聯(lián),主要計(jì)算過程可以分為兩部分:
若航跡已完成kalman濾波器的初始化,則先按當(dāng)前仿真時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè),得到目標(biāo)預(yù)測(cè)位置,在計(jì)算與所有點(diǎn)跡觀測(cè)位置的空間統(tǒng)計(jì)距離
若航跡還未建立kalman濾波,則直接用該航跡最近一次觀測(cè)位置計(jì)算與所有點(diǎn)跡的空間統(tǒng)計(jì)距離
空間統(tǒng)計(jì)距離公式:
第三步:選擇空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,
遍歷整個(gè)矩陣
重復(fù)上一步驟操作,直到
本發(fā)明的雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤方法對(duì)雷達(dá)探測(cè)空域進(jìn)行劃分,并通過生成動(dòng)態(tài)航跡列表與自由航跡列表的方式選擇航跡列表中空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,得到目標(biāo)航跡,通過本發(fā)明的方法得到的目標(biāo)飛行軌跡較為準(zhǔn)確,誤差較小。
具體的,本發(fā)明采用的卡爾曼濾波算法描述如下:
狀態(tài)空間模型描述的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)
y(k)=hx(k)+v(k)觀測(cè)方程
x(k):為系統(tǒng)在時(shí)刻k的狀態(tài);
y(k):對(duì)應(yīng)狀態(tài)的觀測(cè)信號(hào);
w(k):輸入的高斯白噪聲,其方差為q;
v(k):觀測(cè)噪聲,若是高斯白噪聲,其方差為r;
γ:噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣;
h:觀測(cè)矩陣;
卡爾曼濾波問題:基于觀測(cè)信號(hào){y(1)、y(2)、…、y(k)},求狀態(tài)x(j)的線性最小方差估計(jì)值
當(dāng)j=k時(shí),
當(dāng)j>k時(shí),
當(dāng)j<k時(shí),
遞推卡爾曼濾波器如下:
狀態(tài)一步預(yù)測(cè):
(上式根據(jù)k-1時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)預(yù)測(cè)k時(shí)刻狀態(tài)的辦法)
狀態(tài)更新:
濾波增益矩陣:k(k+1)=p(k+1|k)ht[hp(k+1|k)ht+r]-1
一步預(yù)測(cè)協(xié)方差陣:
(上式對(duì)預(yù)測(cè)質(zhì)量?jī)?yōu)劣進(jìn)行定量描述)
協(xié)方差陣更新:p(k+1|k+1)=[in-k(k+1)h]p(k+1|k)
本狀態(tài)方程描述,采用勻加速模式,即:
則:
可得:
其中,u(k)為動(dòng)力系統(tǒng)的控制信號(hào),w(k)為大氣環(huán)境對(duì)機(jī)體引起的隨機(jī)加速度,假設(shè)是零均值、方差為
y(k)=[100]x(k)+v(k)
即得:
h=[100]
則目標(biāo)跟蹤卡爾曼濾波問題為:基于觀測(cè)數(shù)據(jù)(y(1),y(2),…,y(k)),得到目標(biāo)在k+1時(shí)刻的位置
即:
因?yàn)椋?/p>
p(k-1|k-1)=[in-k(k-1)h]p(k-1|k-2)
所以:
in為單位矩陣。
因?yàn)椋?/p>
k(k-1)=p(k-1|k-2)ht[hp(k-1|k-2)ht+r]-1
可得:
應(yīng)用于本發(fā)明中的表述為,
輸入量:
y(k):觀測(cè)信號(hào),在本函數(shù)中,觀測(cè)信號(hào)包括斜距、俯仰角、方位角等,本輸入量需要按照仿真步長(zhǎng),每仿真一步,需要輸入一個(gè)數(shù)據(jù);
參變量:
q:狀態(tài)方程中高斯白噪聲方差,服從正態(tài)分布,即可給定初始值為1;
r:觀測(cè)方程中噪聲方差,在此假定設(shè)為高斯白噪聲,服從正態(tài)分布,即可給定初始值為1;
其中t0為時(shí)間的變化量,可理解為仿真步長(zhǎng)。
γ:噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣,由
h:觀測(cè)矩陣,h=[100];
in:?jiǎn)挝痪仃嚕?imgfile="dest_path_gda0001275506810000132.gif"wi="254"he="191"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>
輸出量:
p(k+1|k):狀態(tài)一步預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣,若狀態(tài)方程是用(距離、速度、加速度)來描述,則p(k+1|k)即為斜距一步預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣,若狀態(tài)方程是用(角度、角速度、角加速度)來描述,則p(k+1|k)即為俯仰角或方位角一步預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣;
p(k+1|k+1):狀態(tài)協(xié)方差矩陣,若狀態(tài)方程是用(距離、速度、加速度)來描述,則p(k+1|k+1)即為斜距預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣,若狀態(tài)方程是用(角度、角速度、角加速度)來描述,則p(k+1|k+1)即為俯仰角或方位角預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣。
本發(fā)明同時(shí)提供一種雷達(dá)仿真目標(biāo)航跡跟蹤系統(tǒng),參看圖3,包括舊航跡列表生成模塊1,用于對(duì)雷達(dá)探測(cè)空域劃分為多個(gè)扇區(qū),檢測(cè)初始扇區(qū)的探測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行記錄探測(cè)信息,將所述探測(cè)信息生成舊航跡列表,將前一次得到的探測(cè)點(diǎn)作為舊航跡列表;動(dòng)態(tài)航跡列表生成模塊2,用于將所述舊航跡列表中的探測(cè)信息中滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成動(dòng)態(tài)航跡列表;自由航跡列表生成模塊3,用于將所述舊航跡列表中的探測(cè)信息中不滿足預(yù)定條件的點(diǎn)生成自由航跡列表;卡爾曼濾波預(yù)測(cè)模塊4,用于將完成卡爾曼濾波初始化的所述動(dòng)態(tài)航跡列表、自由航跡列表進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測(cè);目標(biāo)航跡生成模塊5,用于所述航跡列表計(jì)算空間統(tǒng)計(jì)距離并生成矩陣,選擇空間統(tǒng)計(jì)距離矩陣最小值,得到目標(biāo)航跡。
所述探測(cè)信息為俯仰角、方位角、斜距值。
將所述目標(biāo)航跡生成模塊得到的目標(biāo)航跡作為下次航跡預(yù)測(cè)的舊航跡。
上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說明,但本發(fā)明并不限制于上述實(shí)施方式,在不脫離本申請(qǐng)的權(quán)利要求的精神和范圍情況下,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出各種修改或改型。