專利名稱：以拓撲序列為特征的航跡相關方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種航跡相關方法，尤其涉及一種以拓撲序列為特征的航跡相關方 法，屬于多傳感器組網(wǎng)航跡相關領域。
背景技術：
多傳感器組網(wǎng)是提高傳感器探測能力的有效手段。在受到人為干擾和隨機干擾 時，通過組網(wǎng)可以避免因單個傳感器性能下降帶來的探測能力下降，達到體系對抗的目的。 由于多傳感器組網(wǎng)的巨大優(yōu)勢，在受到“四抗”嚴重威脅的雷達領域，組網(wǎng)已經(jīng)成為人們關 注的重點。雷達組網(wǎng)有兩種形式1)每個雷達獨立完成目標的檢測，輸出目標的位置狀態(tài) 信息，單個雷達負責部分區(qū)域的目標探測，這些區(qū)域可以人為地相互覆蓋，達到互補的目 的，在組網(wǎng)中心通過數(shù)據(jù)融合的方法把它們形成統(tǒng)一的狀態(tài)信息；2)每個雷達把目標探測 回波送到中心處理機，通過聯(lián)合檢測發(fā)現(xiàn)目標，輸出唯一的目標狀態(tài)信息。目前，第一種方 式是雷達組網(wǎng)的主流方式。多傳感器組網(wǎng)探測情況下，目標的狀態(tài)信息是存在大量冗余的。在提供給用戶 的探測結果中，必須把這些冗余的信息消除，給出一個全局唯一的目標狀態(tài)。該狀態(tài)不但 要具有唯一性，還應該結合了所有傳感器的探測信息，是一個優(yōu)化后的結果。消除冗余的 過程就是數(shù)據(jù)融合(data fusion)過程。要實現(xiàn)狀態(tài)信息的融合，首先需要判斷來自不 同雷達的目標狀態(tài)信息是否對應同一個目標，我們把這個判斷過程稱為航跡相關(track correlation)。航跡相關的效率和正確性是多傳感器組網(wǎng)應用中的核心問題。人們通過長期的研究，總結出統(tǒng)計相關法和模糊判別法兩大類方法，通過對航跡 歷史數(shù)據(jù)的分析得到目標關聯(lián)與否的判決。針對異類傳感器，特別是主動和被動傳感器間 的航跡關聯(lián)，人們也給出了一些方法。統(tǒng)計類方法以假設檢驗為基礎。當兩條不同傳感器的航跡屬于同一個目標時，它 們狀態(tài)的差異可以用高斯白噪聲來建模，從而構造檢驗子用于判斷假設是否符合。根據(jù)檢 驗子中樣點的累計次數(shù)和狀態(tài)是否具有相關性，可以把這類算法分為獨立相關、序貫相關 等不同方法。統(tǒng)計類算法概念清晰，但是在實際應用時，受航跡精度、雷達系統(tǒng)誤差、目標機 動等因素的影響，成功關聯(lián)概率不高。
模糊類方法以模糊數(shù)學方法對目標狀態(tài)進行建模，通過多個模糊函數(shù)的綜合，給 出最終的判決結果。該方法雖然可以引入多種屬性進行航跡相關決策，但是模糊參數(shù)的選 定具有很大的不確定性，嚴重影響了算法的實際應用。目前的組網(wǎng)系統(tǒng)中，航跡相關還是以統(tǒng)計類方法為主，同時結合目標的多種屬性， 輔助進行最終判決。通過觀察和實踐，我們發(fā)現(xiàn)目標鄰居的空間位置是一個很重要的屬性。 空中目標不會非常接近，也不會非常密集，出于安全性考慮它們的間距至少在100米以上。 按照一定規(guī)則，把每個目標的鄰居位置構造成一個數(shù)據(jù)集合，我們把它稱為拓撲序列。拓撲 序列結合目標位置可以唯一地表示一個目標的屬性。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有的航跡相關方法存在的缺陷，而提出一種相關性高的、以拓撲序列為特征的航跡相關方法。本發(fā)明的以拓撲序列為特征的航跡相關方法，包括如下內容I.構造單個傳感器的目標拓撲序列以單個傳感器的目標空間位置信息為基礎，形成每個參考目標的拓撲序列，每個 參考目標拓撲序列的形成過程為1)、計算鄰居到參考目標的位置差向量；2)、按方位角大小對步驟1)得到的位置差向量進行排序，排序結果即為該參考目 標的拓撲序列；II.對參考目標的拓撲序列進行匹配，匹配過程為1)、按照空間位置的相似性對不同傳感器形成的參考目標拓撲序列進行過濾，減 少非必要的拓撲匹配計算次數(shù)；2)、構造服從X 2分布的F統(tǒng)計量，在滿足預設置信度的前提下對參考目標拓撲序 列的相似性做出判斷；3)、在預先設定的角度調整范圍內，能通過F統(tǒng)計量檢測的拓撲序列即判斷為來 自同一個目標，輸出航跡相關結論，否則輸出航跡不相關結論。本發(fā)明提出的拓撲序列是目標航跡的全新屬性，結合目標絕對位置，可以構造出 用于識別目標的唯一屬性。以拓撲序列為特征的航跡相關方法與傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法和模糊方 法相比，能大幅提高航跡相關的正確識別率，而且利用拓撲序列構造的目標屬性具有較強 的魯棒性，能抵抗5°以內的角度系統(tǒng)誤差。


圖1為拓撲序列示意圖。圖2為拓撲序列旋轉示意圖。圖3為本發(fā)明的航跡相關方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明方法主要包括兩方面內容1)拓撲序列的構造；2)拓撲序列的匹配過程。 方法如下I.構造單個傳感器的目標拓撲序列以單個傳感器的目標空間位置信息為基礎，形成每個參考目標的拓撲序列，每個 參考目標拓撲序列的形成過程為1)、計算鄰居到參考目標的位置差向量；2)、按方位角大小對步驟1)得到的位置差向量進行排序，排序結果即為該參考目 標的拓撲序列；II.對參考目標的拓撲序列進行匹配，匹配過程為1)、按照空間位置的相似性對不同傳感器形成的參考目標拓撲序列進行過濾，減 少非必要的拓撲匹配計算次數(shù)；
空間位置的相似性是用ECEF坐標系中的距離作為檢驗依據(jù)，門限距離可變；2)、構造服從χ 2分布的F統(tǒng)計量，在滿足預設置信度的前提下對參考目標拓撲序列的相似性做出判斷；3)、根據(jù)角度微調機制，凡是在預先設定的角度調整范圍內，能通過F統(tǒng)計量檢測 的拓撲序列即判斷為來自同一個目標，輸出航跡相關結論，否則輸出航跡不相關結論。本發(fā)明的詳細內容及原理如下拓撲序列的構造。雷達提供的目標測量值是以雷達為坐標原點的局部坐標系中的 極坐標值，表示為 其中r是徑向距離，θ是相對于正北的方位角4是相對于過雷達站址的地球切 平面的高低角，k是采樣時刻，m是目標的編號，A是雷達的編號。由于隨機誤差的存在，假 設Sk,m,A的每個觀測量都是以真實值為均值的獨立高斯隨機變量，其方差是由雷達工作特性 決定的一個相對固定值，分別表示為Sθ, σ2》。把極坐標的測量值轉換成以雷達為坐標
原點的本地直角坐標系中的測量值向量Xk,m,A = (xk,m,A，yk,m,A，zk,m,A)T，其轉換公式如下
(1)
由于真實測量值遠大于隨機誤差，把(1)式按泰勒級數(shù)展開后，忽略高階項的影 響，則直角坐標值也是一個高斯隨機變量。它的均值是真實坐標值，方差可以表示為
(2) 按(1)式的轉換是一個非線性變換，所以直角坐標值的協(xié)方差矩陣不再是對角 陣。但是通過微分計算得到的互協(xié)方差非常小，在計算協(xié)方差時可以忽略從而減少計算量， 所以(2)式只列舉了對角元素的計算方法。ECEF(Earth Center Earth Fix，地心地固)直 角坐標系是以地球球心為原點的坐標系，χ軸過本初子午線，ζ軸指向正北。只有把雷達的 局部直角坐標系中的測量值轉換到公共的ECEF坐標系中，才能判斷兩部雷達跟蹤的航跡 是否在空間上接近，實現(xiàn)必要的過濾過程。轉換通過坐標系旋轉和平移來完成，公式為
(3)
(4)
其中R是目標的ECEF坐標向量，下標帶c的變量表示目標的ECEF坐標值，T是 旋轉矩陣，λ、ψ分別表示雷達站的經(jīng)度和緯度。向量L表示雷達站在ECEF坐標系中的坐 標，它可以用雷達站的經(jīng)度、緯度和高度計算得到，是一個常數(shù)。當目標坐標都轉換到ECEF坐標系內后，依據(jù)每個雷達在k時刻探測到的目標，我 們以任一目標為參考點，其它目標到參考點的距離差向量為成員，可以計算出每個目標的 拓撲。這個拓撲表示為一個向量序列，其中的每一個成員是鄰居到該目標參考點的ECEF距 離差向量，而且按方位角遞增順序排列。因為拓撲序列中的時刻相同，所以在后續(xù)的公式中不再包括時間變量k。假設 目標參考點t及其η個鄰居的ECEF坐標向量序列是{Xt，X1, X2. .. Xj，則拓撲序列{Pt,」， 1 ^ j ^ η} = { ，^-、，...，乂廠&丨，其中^‘表示雷達發(fā)現(xiàn)的參考目標點的第^‘個鄰居。 由(3)式的定義，每個向量成員可以表示為 其中A是雷達編號。顯然，Pt,」,Α與雷達的位置向量L無關，而且每個分量都是獨 立高斯變量的線性組合，協(xié)方差可以表示為 經(jīng)拓撲計算，每個目標都形成了與其對應的拓撲序列。目標空間位置過濾。目標的ECEF距離差小于規(guī)定的距離判決門限，即兩個目標應 該在空間上足夠接近。受雷達觀測系統(tǒng)誤差和隨機誤差的影響，這個門限設置應該能容納 一定的誤差，該門限是一個可以修改的值。不同雷達的目標，當它們的ECEF距離大于該門 限時，就判斷為相關失敗。通過位置過濾，可以大幅減少拓撲匹配的計算量。判決統(tǒng)計量F的構造。假設雷達A和B分別形成拓撲序列{Ptl,」,A，1 < j < η}和 {Pt2,j,B, 1 ^ j彡η}，tl和t2表示在不同雷達中的航跡編號，并且假設兩個拓撲序列的成員 個數(shù)相同。定義統(tǒng)計量 其中*是歸一化的拓撲距離，當tl和t2屬于同一個目標時，該統(tǒng)計量服從自由 度為3的χ 2分布。通過歸一化，使不同距離的鄰居對最終判決結果的貢獻相同。按照雷 達的工作過程，由于雷達對拓撲鄰居的檢測是在多次掃描中完成，而每次掃描的隨機誤差 彼此獨立，所以根據(jù)χ2分布的可加性，當拓撲序列完全匹配時，統(tǒng)計量 該統(tǒng)計量是服從自由度為3η的X2分布的隨機變量。所以在匹配拓撲序列時，首 先計算F統(tǒng)計量，然后根據(jù)預設的置信度α查表，確定拓撲距離差的門限，如果F小于該門 限就認為拓撲匹配，即拓撲序列匹配的目標被判斷為關聯(lián)航跡。針對鄰居個數(shù)的修正。每個雷達的覆蓋區(qū)域有限，對處于覆蓋邊緣的目標計算拓 撲序列時，可能出現(xiàn)拓撲序列的成員個數(shù)與有效范圍內真實鄰居個數(shù)的不同情況。另外，雷達檢測存在漏檢和虛警的情況，這時也會出現(xiàn)拓撲序列中成員個數(shù)不一致的情況。所以，對 k時刻不同雷達的拓撲序列進行匹配時要采用更健壯的規(guī)則。假設兩部雷達關于某參考點 的拓撲序列中的成員個數(shù)分別是nA、nB，它們不一定相等。首先判斷拓撲成員數(shù)量是否接近。令(8)式(8)表示成員數(shù)量相差的比例。如果diff > β就不再繼續(xù)判決，然后判斷拓 撲成員的組合門限。對拓撲成員按方位角接近原則進行組合，判斷角度接近的門限設置為 雷達的隨機角度誤差(例如5° )，組合成功的成員數(shù)稱為公共成員數(shù)，用M表示。令N = min(nA, nB)表示兩個拓撲序列的最大公共成員數(shù)，當M < YN就不再繼續(xù)判決。β、γ均 為統(tǒng)計量F的置信度。經(jīng)成功組合的成員序列作為有效鄰居集合，參加F統(tǒng)計量的計算和 判決。針對角度隨機誤差的修正。在實際觀測中，可能會有多個目標出現(xiàn)在非常接近的 方位角上，受隨機觀測誤差的影響，排列順序將具有一定的隨機性，導致計算F統(tǒng)計量時偏 差太大。我們把存在隨機排列可能的成員稱為模糊排列成員?？罩心繕送哂幸欢ǖ拈g距，在方位角接近時，徑向距離會相差較大，所以在匹 配拓撲序列時，應該對拓撲成員的對應關系進行局部微調。定義模糊角度校正區(qū)間△，其值 與雷達的隨機角度誤差相近，按該角度區(qū)間順序掃描拓撲序列，其中第η’次掃描到的角度 集合可以表示為θη, = {θ |η' Δ < θ ^ (n' +1) Δ}，遍歷該角度集合中的成員組合
cooes] 角度集合中拓撲成員是1時，結束組合測試。按(9)式獲取距離偏差最小的拓撲 成員排列后，將該對應關系作為最終的成員對應關系。由于模糊排列成員的數(shù)量較少，大多數(shù)情況下一個角度集合中只有一個拓撲成 員，所以逐個測試并不會過多增加計算量。通過多次仿真，發(fā)現(xiàn)調整模糊排列成員的順序對 提高關聯(lián)成功率非常有效。針對角度系統(tǒng)誤差的修正。受天氣、設備老化、系統(tǒng)安裝等因素的影響，雷達的觀 測量往往存在固定的偏差，即角度系統(tǒng)誤差，該偏差表示為S。角度系統(tǒng)誤差反映在拓撲序 列中，就是每個拓撲成員的方位角會增添一個固定的值，或正或負，引起拓撲圖的旋轉。每 個雷達的系統(tǒng)誤差不同，所以在做拓撲匹配時，潛在的角度偏差會高達2 δ。為了抵御系統(tǒng)誤差的影響，應該在士 δ的范圍內人為地給拓撲序列添加角度偏 差進行修正，然后用修正后的拓撲序列進行拓撲匹配。徑向系統(tǒng)誤差對拓撲序列的影響較 小，我們不做考慮。圖1為拓撲序列示意圖。參考圖1，在每個傳感器的目標數(shù)據(jù)集合中，以參考目標 為中心，針對計算10公里范圍內鄰居的位置信息，計算目標拓撲序列。拓撲序列是一個向 量序列，以方位角的大小排序，從0°方位角開始排列，直到360°。圖2為拓撲序列旋轉示意圖。參考圖2，這也是雷達角度系統(tǒng)誤差修正的示意圖。 存在角度系統(tǒng)誤差的雷達Α、Β形成的拓撲序列，通過旋轉A的拓撲序列，可以實現(xiàn)拓撲序列 的完全匹配。任何一次角度修正后能拓撲測試成功，都表明航跡關聯(lián)成功，同時也附帶估計 出了粗略的系統(tǒng)角度誤差。具體的參數(shù)設置為目標的距離門限為10公里；統(tǒng)計量F的置信度α設置為95% ； β為0. 5 ； γ為0. 8 ；模糊角度校正區(qū)間Δ為5° ；角度系統(tǒng)誤差δ 為 10°。本發(fā)明的方法流程如圖3所示。利用拓撲序列進行航跡相關的運行流程如下(1)在每個傳感器的目標狀態(tài)數(shù)據(jù)集合中，根據(jù)公式(5)計算每個目標的拓撲序 列； (2)在計算拓撲序列的同時，根據(jù)公式(6)計算對應的狀態(tài)方差值；(3)根據(jù)目標的ECEF距離判斷空間相鄰性，對距離超過10公里的目標直接判斷為 不相關；(4)判斷拓撲序列成員的個數(shù)，對數(shù)量差距較大的拓撲序列不進行匹配；(5)初始化角度的步進參數(shù)，為角度系統(tǒng)誤差的搜索做準備；(6)組合拓撲成員；(7)根據(jù)公式(7)計算統(tǒng)計量F，進行拓撲序列的匹配，如果匹配成功，判斷目標相 關，退出算法；如果匹配不成功，轉步驟(8)；(8)微調旋轉角度，如果沒有超過調整范圍轉入步驟(7)，否則轉入步驟(9)；(9)微調角度系統(tǒng)誤差，如果沒有超過調整范圍轉入步驟(6)，否則判斷目標不相 關，退出算法。
權利要求
一種以拓撲序列為特征的航跡相關方法，其特征在于包括如下內容I.構造單個傳感器的目標拓撲序列以單個傳感器的目標空間位置信息為基礎，形成每個參考目標的拓撲序列，每個參考目標拓撲序列的形成過程為1)、計算鄰居到參考目標的位置差向量；2)、按方位角大小對步驟1)得到的位置差向量進行排序，排序結果即為該參考目標的拓撲序列；II.對參考目標的拓撲序列進行匹配，匹配過程為1)、按照空間位置的相似性對不同傳感器形成的參考目標拓撲序列進行過濾，減少非必要的拓撲匹配計算次數(shù)；2)、構造服從χ2分布的F統(tǒng)計量，在滿足預設置信度的前提下對參考目標拓撲序列的相似性做出判斷；3)、在預先設定的角度調整范圍內，能通過F統(tǒng)計量檢測的拓撲序列即判斷為來自同一個目標，輸出航跡相關結論，否則輸出航跡不相關結論。
2.根據(jù)權利要求1所述的以拓撲序列為特征的航跡相關方法，其特征在于所述空間 位置的相似性是用ECEF坐標系中的距離作為檢驗依據(jù)，門限距離可變。
3.根據(jù)權利要求1所述的以拓撲序列為特征的航跡相關方法，其特征在于所述F統(tǒng) 計量表示為 F=∑FJ. n為參考目標的鄰居數(shù)，j為參考目標鄰居的編號； 該統(tǒng)計量是服從自由度為3n的x 2分布的隨機變量。
4.根據(jù)權利要求1所述的以拓撲序列為特征的航跡相關方法，其特征在于所述步驟 II的步驟3)中引入了角度微調機制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以拓撲序列為特征的航跡相關方法，包括單個傳感器的目標拓撲序列構造及多傳感器拓撲序列匹配過程，屬于多傳感器組網(wǎng)航跡相關領域。該方法首先以單個傳感器的目標位置數(shù)據(jù)集合為基礎，形成每個目標的拓撲序列，然后按照空間位置的相似性對每個傳感器的拓撲序列進行過濾，構造服從χ2分布的F統(tǒng)計量，最后經(jīng)過角度微調，把能滿足統(tǒng)計檢驗的拓撲序列判斷為來自同一個目標。本發(fā)明方法選擇拓撲序列作為識別目標的狀態(tài)變量，具有很好的精確性和較強的魯棒性，相關性能較高。
文檔編號G01S7/02GK101839973SQ20101014096
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權日2010年4月7日
發(fā)明者任姝婕, 吳澤民, 張娟, 王海 申請人:中國人民解放軍理工大學