一種基于lse（最小方差估計）的ads與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法
【專利摘要】本發(fā)明屬于對空射擊管理中的信息處理【技術領域】，具體涉及一種對空射擊管理中的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法，包括對空中單目標和多目標的系統(tǒng)誤差配準算法。空中單目標系統(tǒng)誤差配準算法包括以下兩個步驟：a）應用分布式多傳感器接收數(shù)據(jù)進行處理；b）并將數(shù)據(jù)發(fā)送至融合中心，根據(jù)各傳感器節(jié)點的航跡數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、時間對準、空間對準、航跡相關和數(shù)據(jù)合成，獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計?？罩卸嗄繕讼到y(tǒng)誤差配準算法結合空中多目標的識別，完成對多目標的系統(tǒng)誤差估計及測量數(shù)據(jù)整合。本發(fā)明的有益效果：能有效校準系統(tǒng)誤差，監(jiān)視精度高，關聯(lián)由不同雷達和ADS探測到的屬于同一目標的航跡，融合多雷達數(shù)據(jù)并進一步融合ADS數(shù)據(jù)，對空中目標進行準確識別、高精度定位與跟蹤，實現(xiàn)統(tǒng)一化、準確化管理。
【專利說明】一種基于LSE (最小方差估計)的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于對空射擊管理中的信息處理【技術領域】，具體涉及一種對空射擊管理中的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法。
【背景技術】
[0002]在對空射擊活動管理的初期，由于進行對空射擊活動的單位少，作業(yè)不頻繁，航空運輸總量不大，對空域使用的要求不高，對空射擊活動與航空運輸?shù)目傮w矛盾沖突并不明顯。進入新世紀后，隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，航空運輸和國防建設發(fā)展迅速，航空運輸總量增長迅猛，軍事飛行范圍不斷擴大；同時，對空射擊活動需求也在不斷增加，在戰(zhàn)備訓練、科研任務、空天發(fā)射等原有對空射擊活動的基礎上又增加了人工影響天氣活動，并且各類活動越來越頻繁，對空射擊活動與航空運輸?shù)拿軟_突加劇。在此情況下，對空管理系統(tǒng)可有效的化解矛盾沖突。
[0003]對空射擊管理系統(tǒng)作為管理對空射擊的信息系統(tǒng)擔負著重要的職能。各級對空射擊管理系統(tǒng)主要由對空射擊空域管理、對空射擊安全監(jiān)控、對空射擊信息服務三部分功能組成。該系統(tǒng)為相關的科研試驗、軍事訓練和衛(wèi)星發(fā)射等單位以及各級空管部門提供比較完善的對空射擊管理手段，進一步規(guī)范對空射擊作業(yè)活動的申請、審批和實施流程，加強各級對空射擊空域使用管理部門與對空射擊組織管理單位的協(xié)調(diào)配合和監(jiān)控監(jiān)視能力，保證對空射擊訓練、演習、科研、試驗等活動的順利實施，提聞各種對空射擊訓練和車事科學試驗水平,最大限度的降低對空射擊活動對航空運輸?shù)挠绊憽?br> [0004]管制部門的根本目的是使航線上的飛機安全、有效和有計劃的在空域中飛行，管制員需要對管制空域內(nèi)飛行器的飛行動態(tài)進行實時監(jiān)視。實施空中交通監(jiān)視有兩種主要方法:一是雷達監(jiān)視，二是國際民航組織的未來空中航行系統(tǒng)(FANS)專門委員會推薦采用的自動相關監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance,以下簡稱ADS)。但是,雷達系統(tǒng)具有很多局限性:雷達波束的直線傳播形成了大量雷達盲區(qū)；無法覆蓋海洋和荒漠等地區(qū)；無法獲得飛行器的計劃航線、速度等態(tài)勢數(shù)據(jù)，限制了跟蹤精度的提高和短期沖突檢測告警的能力。發(fā)展中的ADS借助導航衛(wèi)星和通信衛(wèi)星不僅可以實現(xiàn)對飛行器的整個飛行階段進行連續(xù)的無間斷的監(jiān)視，還可以提高監(jiān)視的可靠性和精度，尤其適合海洋和荒漠等地區(qū)使用。由于ADS的機載設備和地面設備建設費用比雷達低一個數(shù)量級。因此，ADS有良好的開發(fā)應用前景。
[0005]但是，如果將ADS作為唯一的監(jiān)視手段，一旦導航系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將導致監(jiān)視功能的喪失。因此，雷達監(jiān)視和ADS監(jiān)視將在相當長的時間內(nèi)共存。如何將ADS數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)有效的融合在一起，最大限度地發(fā)揮它們的綜合效力，提高監(jiān)視精度，是一個亟待解決的問題。
[0006]在監(jiān)視系統(tǒng)中，目標的相對位置和方位十分重要。當監(jiān)視源為單數(shù)據(jù)源時，其距離和方位的偏差對所有飛行器的作用一樣，對性能沒有影響。但是，當具有覆蓋范圍互有重疊的兩個或兩個以上數(shù)據(jù)源時，要求對同一目標的不同數(shù)據(jù)進行空間迭合，這就需要對各數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進行校準。在對空射擊管理系統(tǒng)中，要處理ADS數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)，首先要將這兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系中，而直接的坐標轉(zhuǎn)換將由于系統(tǒng)誤差的存在而使結果產(chǎn)生較大的偏差。
[0007]ADS和雷達系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因十分復雜，包括雷達轉(zhuǎn)軸偏移、安裝平臺傾斜、內(nèi)部電器元件老化及電磁環(huán)境影響等，造成其大小隨著距離和方位的不同而變化。這些系統(tǒng)誤差不僅會直接影響到目標跟蹤精度，而且還可能導致ADS數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)對同一目標的相關失敗，導致錯誤的數(shù)據(jù)融合，不能生成正確的系統(tǒng)航跡。因此，誤差校準在整個數(shù)據(jù)融合模型中有著極其重要的地位。
[0008]由于ADS數(shù)據(jù)的特殊性，ADS與雷達系統(tǒng)誤差校準不同于傳統(tǒng)的多雷達系統(tǒng)誤差校準，因此迫切需要尋找一種新的能有效校準ADS與雷達系統(tǒng)誤差的算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種對空射擊管理中的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法，并將該配準算法與多源監(jiān)視信息目標判定算法相結合，實現(xiàn)空中目標的準確識別、高精度定位與跟蹤，從而為后續(xù)的導航、預警、戰(zhàn)略指揮或戰(zhàn)略防御等軍事行為提供可靠的決策。
[0010]所述誤差配準包括系統(tǒng)誤差估計、誤差修正等步驟，其中關鍵環(huán)節(jié)是系統(tǒng)誤差估計。
[0011]一種對空射擊管理中的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法，包括以下兩個步驟，a)處理步驟:應用分布式多傳感器接收數(shù)據(jù)進行處理，篩選出有用數(shù)據(jù)；b)數(shù)據(jù)融合:將ADS和雷達對多個目標的測量數(shù)據(jù)發(fā)送至融合中心，構造方程組，通過最小平方估計(LSE)獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計值。
[0012]所述“接收數(shù)據(jù)”包括雷達測量數(shù)據(jù)和ADS測量數(shù)據(jù)。
[0013]進一步地，所述步驟a)中的數(shù)據(jù)處理，包括篩選有用數(shù)據(jù)和產(chǎn)生局部的多目標跟蹤航跡；
[0014]進一步地，所述步驟b)的融合中心根據(jù)各個傳感器節(jié)點的航跡數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、時間對準、空間對準、航跡相關和數(shù)據(jù)合成，進一步地，利用ADS和雷達對同一組目標的測量值構造方程組，求最小平方解，即可獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計。
[0015]所述“測量值”包括:ADS測得的目標大地經(jīng)度、目標大地緯度、目標海拔高度和雷達測得的目標斜距、目標方位角、目標海拔高度。
[0016]本發(fā)明的有益效果:能有效校準系統(tǒng)誤差，監(jiān)視精度高，關聯(lián)由不同雷達和ADS探測到的屬于同一目標的航跡，融合多雷達數(shù)據(jù)并進一步融合ADS數(shù)據(jù)，對空中目標進行準確識別、高精度定位與跟蹤，實現(xiàn)統(tǒng)一化、準確化管理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為對空射擊管理主要業(yè)務功能模塊示意圖；
[0018]圖2為數(shù)據(jù)融合的基本處理流程?！揪唧w實施方式】
[0019]如圖1所示，多源監(jiān)視信息多目標融合算法包含在航管雷達數(shù)據(jù)處理模塊中，是監(jiān)視信息數(shù)據(jù)能在系統(tǒng)屏幕上正確顯示的關鍵。下面將結合附圖和具體實施例對該發(fā)明進行進一步的具體說明。
[0020]在對空射擊管理系統(tǒng)中，多目標源的監(jiān)視信息融合按照傳感器系統(tǒng)的信息流形式和綜合處理層次分類，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結構模型主要有四種，即集中式、分布式、混合式和多級式。其中分布式結構在軍事信息系統(tǒng)中得到廣泛應用。在分布式多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，各傳感器都有自己的處理系統(tǒng)，每個傳感器的檢測報告在進入融合以前，先由它自己的處理系統(tǒng)進行處理，產(chǎn)生局部的多目標跟蹤航跡，然后將處理后的信息送至融合中心。融合中心根據(jù)各傳感器節(jié)點的航跡數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、時間對準、空間對準、航跡相關和數(shù)據(jù)合成，獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計，其基本處理流程如圖2所示。
[0021]所述“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”指通過ADS和雷達對同一組目標進行測量，將兩者測得的位置矢量轉(zhuǎn)換到中心坐標系后根據(jù)它們的矢量差構造方程組解出雷達的系統(tǒng)誤差從而完成配準。
[0022]所述“時間對準”和“空間對準”指各雷達和ADS沒有統(tǒng)一時間基準，所測得的目標位置數(shù)據(jù)也都是在各自本地坐標系中，為了對各路雷達和ADS數(shù)據(jù)進行融合就必須把各雷達和ADS的時間和空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的時空坐標系中。
[0023]所述“航跡相關”指將由不同雷達和ADS探測到的屬于同一目標的航跡關聯(lián)起來。各雷達航跡可根據(jù)雷達航跡數(shù)據(jù)中的航跡號和飛機的3/A模式代碼進行匹配，進而與對應的飛行計劃相關聯(lián)，這樣就可以再根據(jù)ADS數(shù)據(jù)中的飛機尾號與ADS航跡關聯(lián)起來了。航跡相關配對還要負責解決雷達航跡數(shù)據(jù)的有效性檢驗，以此監(jiān)測發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤的雷達。
[0024]所述“數(shù)據(jù)合成”指經(jīng)過相關配對并已轉(zhuǎn)換到時空坐標系中的各雷達和ADS航跡，根據(jù)各自狀態(tài)矢量的協(xié)方差數(shù)據(jù)，就可以以加權融合的方式構造目標的多雷達系統(tǒng)航跡和ADS與多雷達中央系統(tǒng)航跡了。
[0025]在本發(fā)明中，對于單一目標，采用基于最小平方估計(LSE)準則的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法進行數(shù)據(jù)融合。
[0026]基于最小平方估計(LSE)準則的ADS與雷達的系統(tǒng)誤差配準算法的基本原理是:以現(xiàn)有多雷達系統(tǒng)中的誤差配準方法為基礎，充分考慮引入ADS后新老融合模型的異同，利用ADS和雷達對同一組目標的測量值構造方程組，并求其最小平方解的方法，獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計，通過實驗驗證和實際應用，該方法對消除ADS與雷達融合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源系統(tǒng)誤差能起到有效作用。
[0027]對空射擊管理項目引接了 ADS信息和雷達信息，兩類數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差配準是多源數(shù)據(jù)融合處理中的一個關鍵問題，在系統(tǒng)中采用基于最小平方估計(LSE)準則的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法，以現(xiàn)有多雷達系統(tǒng)中的誤差配準方法為基礎，充分考慮引入ADS后新老融合模型的異同，利用ADS和雷達對同一組目標的測量值構造方程組，并求其最小平方解的方法，獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計，通過實驗驗證和實際應用該方法，對消除ADS與雷達融合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源系統(tǒng)誤差能起到有效作用，其方法如下:
[0028](l)WGS-84 坐標系
[0029]WGS-84坐標系是一種國際上采用的地心坐標系，坐標原點為地球質(zhì)心,其地心空間直角坐標系的Z軸指向國際時間局(BIH) 1984.0定義的協(xié)議地極(CTP)方向，X軸指向(BIH) 1984.0的協(xié)議子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手坐標系，這是一個國際協(xié)議地球參考系統(tǒng)(ITRS)，是目前國際上統(tǒng)一采用的大地坐標系，全稱是世界大地坐標系-84 (World Geodical System-84),它是一個地心坐標系，由美國國防部制圖局建立于1987年，取代了當時GPS所采用的WGS-72坐標系統(tǒng)而成為目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)。GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標系統(tǒng)。
[0030](2) GPS坐標系變換原理
[0031]GPS測量的一個顯著特點就是它所得到的是WGS-84下的經(jīng)緯度和大地高，而用戶所要求的往往是1954年北京坐標或獨立坐標，他們之間的變換遵循下列流程，如說明書附圖1所示。
[0032]設N為WGS-84大地水準面高；e為橢球第一偏心率；
【權利要求】
1.一種新的基于LSE的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準算法，所述算法是用于多源目標的系統(tǒng)誤差配準算法，其中監(jiān)視源包含ADS和雷達；其特征在于，所述算法是利用ADS和雷達對同一組中目標的測量值構造方程組，并求其最小平方解的方法，獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計。
2.根據(jù)權利要求1中所述的誤差配準算法，其特征在于，所述算法包含以下兩個步驟: 1)處理步驟:應用分布式多傳感器接收數(shù)據(jù)進行處理，篩選出有用數(shù)據(jù)； 2)數(shù)據(jù)融合:將ADS和雷達對目標的測量數(shù)據(jù)發(fā)送至融合中心，構造方程組，通過最小平方估計(LSE)獲得系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計值。
3.根據(jù)權利要求1所述的誤差配準算法，其特征在于，所述步驟I)中具體包括應用分布式多傳感器接收數(shù)據(jù)進行處理，包括篩選有用數(shù)據(jù)和產(chǎn)生局部的多目標跟蹤航跡。
4.根據(jù)權利要求1所述的空中單個目標的系統(tǒng)誤差配準算法，其特征在于:所述的步驟2)中的數(shù)據(jù)融合是通過融合中心根據(jù)各個傳感器節(jié)點的航跡數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、時間對準、空間對準、航跡相關和數(shù)據(jù)合成。
5.一種空中多目標的數(shù)據(jù)測量方法，其特征在于，所述方法包括權利要求1-4之一所述的誤差配準算法。
6.根據(jù)權利要求5所述的數(shù)據(jù)測量方法，其特征在于，所述測量方法在進行LSE的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準前還包括空中多目標的識別的步驟。
7.根據(jù)權利要求6所述的數(shù)據(jù)測量方法，其特征在于，所述空中多目標的識別采用基于SVM的多源監(jiān)視信息目標判定算法，包括利用基于SVM的“一對多”方法對空中目標進行粗分類和利用基于SVM的糾錯碼對空中目標進行精分類，具體為: 1)給出空中目標的粗分類原則，并提取空中目標對于該原則的特征； 2)基于SVM“一對多”多分類法，根據(jù)粗分類的類別數(shù)N，構造N個兩類分類器； 3)將提取的特征分別代入N個兩類分類器，得到輸出向量，確定待識別目標所屬粗分類的大類別； 4)給出空中目標的精分類原則，并提取空中目標對于該原則的特征； 5)根據(jù)各個粗分類的類別所包含的具體類別數(shù)目K，給出合適的糾錯碼矩陣Qkxs，其中K為行數(shù)，即類別數(shù)，S為列數(shù)，即二進制碼字符串的bit數(shù)，S需滿足條件:1gf < 5 < 2Α?.—9 6)利用SVM對給定的樣本進行訓練，得到S個碼位分類器，獲得支持向量機模型； 7)輸入待識別目標特征，得到S個碼位分類器的輸出向量f(X)； 8)用訓練好的模型進行預測，計算f(X)和各類別碼的漢明距d，依據(jù)最小原則確定待識別目標所屬具體類別。
8.根據(jù)權利要求6所述的數(shù)據(jù)測量方法，其特征在于，所述粗分類特征包括空中目標的目標高度、飛行速度、航跡方位角；所述精分類按照空中目標的最大航程和最大作戰(zhàn)半徑。
9.根據(jù)權利要求6所述的數(shù)據(jù)測量方法，其特征在于，所述測量方法在進行基于LSE的ADS與雷達信息系統(tǒng)誤差配準后還包括測量數(shù)據(jù)整合，具體包括根據(jù)具體軍事行為的要求，篩選多個監(jiān)視源測得的有用數(shù)據(jù)，融合后可將其儲存、在移動終端上顯示或傳遞給下級關聯(lián)系統(tǒng)及設備，用于后續(xù) 的目標跟蹤、導航、預警、威脅判斷或者決策輔助等環(huán)節(jié)。
【文檔編號】G01S7/40GK104007426SQ201410208375
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】湯錦輝, 陸巖, 方雷, 程曉航, 李靜, 鄭娜, 邵欣, 劉曉麗, 朱立彬, 韓穎 申請人:中國人民解放軍空軍裝備研究院雷達與電子對抗研究所