楊向鋒, 楊云川, 郭 磊

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一種魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法

楊向鋒, 楊云川, 郭 磊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

多目標(biāo)跟蹤是未來魚雷發(fā)展的重要方向之一, 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤的基本前提。魚雷多目標(biāo)跟蹤的過程表現(xiàn)為一個動基座時變過程, 本文利用魚雷導(dǎo)航定位和航行姿態(tài)參數(shù)以及魚雷檢測到的目標(biāo)信息, 通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)觀測空間配準(zhǔn), 通過在統(tǒng)一時鐘下實(shí)時計(jì)算采樣周期實(shí)現(xiàn)觀測時間配準(zhǔn)。利用目標(biāo)大地坐標(biāo)系3D坐標(biāo)和多普勒速度構(gòu)造4D坐標(biāo)系, 以模糊歸一化的4D歐氏距離作為關(guān)聯(lián)法則, 提出了一種適用于魚雷多目標(biāo)跟蹤的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法, 仿真試驗(yàn)證明了該方法能有效實(shí)現(xiàn)魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián), 具有一定的工程應(yīng)用價值。

魚雷; 多目標(biāo)跟蹤; 空間配準(zhǔn); 時間配準(zhǔn); 關(guān)聯(lián)法則

0 引言

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是多目標(biāo)跟蹤中最復(fù)雜的問題之一, 是實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤的基本前提。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理的正確與否直接影響跟蹤精度與航跡質(zhì)量, 錯誤的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)將導(dǎo)致正確航跡的丟失和錯誤航跡的劇增。典型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法包括: “最近鄰”法、航跡分裂法、概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法、聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法以及各種改進(jìn)的次優(yōu)聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法等。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)經(jīng)過多年的發(fā)展取得了許多成果, 但主要是應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)彈及聲納領(lǐng)域, 魚雷多目標(biāo)跟蹤及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法研究目前處于起步階段, 研究成果不多。

多目標(biāo)跟蹤是未來魚雷發(fā)展的重要方向之一, 其主要任務(wù)是通過對多目標(biāo)的多次觀測實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)軌跡及運(yùn)動參數(shù)的估計(jì)。

魚雷多目標(biāo)跟蹤屬于典型的“單傳感器多目標(biāo)跟蹤(single-sensor multiple-target tracking, SMT)”, 其數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)屬于動態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中的觀測與航跡關(guān)聯(lián), 需要將新觀測與已知目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián), 以確定新觀測是已知目標(biāo)當(dāng)前航跡、新目標(biāo)或者虛警。

本文主要研究主動聲自導(dǎo)魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題, 根據(jù)主動聲自導(dǎo)魚雷的多目標(biāo)特點(diǎn)和魚雷工作特點(diǎn), 提出了一種適用于工程且易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法, 較好地實(shí)現(xiàn)了魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

1 問題描述

1.1 魚雷多目標(biāo)特點(diǎn)

主動聲自導(dǎo)魚雷的主要打擊目標(biāo)是潛艇, 潛艇作戰(zhàn)一般是單艇隱蔽作戰(zhàn), 很少出現(xiàn)多艘潛艇編隊(duì)的情況。潛艇一般都裝備多種對抗魚雷的干擾器材, 包括懸浮式聲誘餌、自航式聲誘餌、自航或拖曳式尺度聲誘餌等。潛艇受到魚雷攻擊時, 在機(jī)動規(guī)避的同時會釋放各種對抗器材誘騙、干擾魚雷, 消耗魚雷航程達(dá)到逃生的目的, 因此魚雷攻擊潛艇時會出現(xiàn)潛艇與各種對抗器材共存的現(xiàn)象, 在一定時間及空間范圍內(nèi)表現(xiàn)為多目標(biāo)。潛艇在發(fā)現(xiàn)來襲魚雷時, 布放或釋放完對抗器材后, 會進(jìn)行機(jī)動規(guī)避, 到達(dá)安全距離后對抗器材才開機(jī)工作, 因此魚雷面對的多目標(biāo)在空間上是“稀疏”的, 而且各種對抗器材與潛艇一般向不同方向運(yùn)動, 不會出現(xiàn)航跡交叉現(xiàn)象。

1.2 魚雷工作特點(diǎn)

主動聲自導(dǎo)魚雷通過發(fā)射聲信號并接收目標(biāo)反射信號(對抗器材模擬的反射信號)對目標(biāo)進(jìn)行檢測和參量估計(jì), 獲得目標(biāo)相對的空間信息后進(jìn)行彈道機(jī)動, 實(shí)施目標(biāo)跟蹤。由此可見, 作為“傳感器”的魚雷一直處于高速機(jī)動狀態(tài)。在作戰(zhàn)過程中, 魚雷高速機(jī)動, 目標(biāo)同時也處于運(yùn)動中, 魚雷與目標(biāo)的相對位置不斷變化, 魚雷會根據(jù)與目標(biāo)的距離實(shí)時調(diào)整探測波形和檢測周期, 同時魚雷進(jìn)行彈道機(jī)動時需要一定的時間實(shí)現(xiàn), 最終導(dǎo)致魚雷的觀測周期處于變化之中。綜合以上兩方面的因素, 魚雷跟蹤目標(biāo)的過程表現(xiàn)為一個動基座時變過程。

1.3 魚雷觀測的空間配準(zhǔn)

基座運(yùn)動導(dǎo)致魚雷的多次觀測參考系不同, 必須將多次觀測置于同一個空間坐標(biāo)系才能進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

圖1 魚雷直角坐標(biāo)系

由幾何關(guān)系知, 魚雷坐標(biāo)系的坐標(biāo)計(jì)算公式

定義為大地坐標(biāo)系, 原點(diǎn)為發(fā)射點(diǎn),軸垂直向上,軸為發(fā)射方向,軸垂直于平面并符合右手坐標(biāo)系; 魚雷作為一個具有6自由度的剛體, 其坐標(biāo)系相對于大地坐標(biāo)系的位置就由6個坐標(biāo)來確定, 即魚雷坐標(biāo)系原點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和魚雷坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的3個夾角。3個角度分別表示魚雷的偏航角、俯仰角和橫滾角, 偏航角從尾部看向左為正, 俯仰角從尾部看向上為正, 橫滾角從尾部看向右為正。

魚雷坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系如圖2所示。

圖2 魚雷坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系

由幾何關(guān)系可知, 魚雷坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣為

(3)

1.4 魚雷觀測的時間配準(zhǔn)

魚雷攻擊目標(biāo)的過程是一個時變過程, 相鄰兩次檢測之間可能存在魚雷彈道的機(jī)動過程, 同時根據(jù)魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)配置可能存在檢測周期調(diào)整。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)需要將當(dāng)前觀測值與航跡的預(yù)測值進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算, 如果使用上一次觀測時間間隔進(jìn)行航跡預(yù)測, 而本次觀測時間間隔不同于上次的觀測時間間隔, 就會出現(xiàn)時間失配問題, 導(dǎo)致關(guān)聯(lián)錯誤。

魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)可以在統(tǒng)一時鐘下提供每次檢測的精確時間, 觀測時間間隔可以通過相鄰兩次觀測的時間進(jìn)行實(shí)時計(jì)算, 即

2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法

“最近鄰”法計(jì)算量少, 易于工程實(shí)現(xiàn), 但是太依賴于關(guān)聯(lián)波門, 波門設(shè)計(jì)依賴于觀測誤差、觀測周期、觀測距離、目標(biāo)機(jī)動性和預(yù)測誤差等, 一個合理的關(guān)聯(lián)波門并不容易獲得。概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法適用于單目標(biāo)跟蹤問題, 假設(shè)所有的回波都可能源于目標(biāo), 只是概率不同。航跡分裂法和聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法綜合考慮了落入波門內(nèi)的所有點(diǎn)跡, 根據(jù)新點(diǎn)跡進(jìn)行航跡分裂或計(jì)算不同排列組合的聯(lián)合概率, 其優(yōu)勢在于密集多目標(biāo)處理, 但是兩種方法都存在模型復(fù)雜且計(jì)算量大的特點(diǎn), 難以應(yīng)用于計(jì)算資源有限的魚雷。

本文根據(jù)魚雷多目標(biāo)“稀疏”及不交叉的特點(diǎn), 提出一種適用于魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法。

對主動聲自導(dǎo)魚雷而言, 除了可以獲得目標(biāo)在大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)以外, 還可以獲得目標(biāo)的多普勒速度(多普勒頻移)。對真實(shí)目標(biāo)而言, 多普勒速度反映了魚雷與目標(biāo)相對速度關(guān)系。對干擾器材而言, 多普勒速度很可能是通過人工設(shè)定的方式施加到模擬反射回波中, 即使是自航式對抗器材, 其速度與真實(shí)目標(biāo)也存在差異。因此短時間內(nèi)同一個目標(biāo)的多普勒速度具有一定的一致性, 不同目標(biāo)的多普勒速度具有一定的差異性。

當(dāng)多目標(biāo)在空間相距較遠(yuǎn)時, 關(guān)聯(lián)法則中起主要作用的為多目標(biāo)的位置信息, 當(dāng)多目標(biāo)在空間相距較近或者在目標(biāo)附近位置出現(xiàn)虛警時, 多目標(biāo)位置信息出現(xiàn)模糊, 此時多普勒分量將有效提高數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的性能, 降低錯誤關(guān)聯(lián)的可能。

獲得關(guān)聯(lián)矩陣后開始進(jìn)行配對處理, 在關(guān)聯(lián)矩陣中搜索最大關(guān)聯(lián)值, 判斷, 滿足則第號航跡與第號點(diǎn)跡的關(guān)聯(lián), 然后刪除關(guān)聯(lián)矩陣的第行與第列, 繼續(xù)對其他可能存在的關(guān)聯(lián)進(jìn)行搜索, 直至關(guān)聯(lián)矩陣元素為空; 不滿足則說明該關(guān)聯(lián)矩陣中不存在關(guān)聯(lián)的點(diǎn)跡和航跡, 直接結(jié)束搜索。完成搜索后, 要進(jìn)一步對未關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)跡和航跡進(jìn)行處理, 未關(guān)聯(lián)成功的點(diǎn)跡按新目標(biāo)對待, 未關(guān)聯(lián)成功的航跡進(jìn)行航跡保持, 即以預(yù)測值作為觀測值進(jìn)行航跡更新。

(8)

在實(shí)際工程應(yīng)用中, 要對航跡數(shù)和點(diǎn)跡數(shù)進(jìn)行限定, 對于魚雷多目標(biāo)跟蹤而言, 一般取即可。點(diǎn)跡數(shù)達(dá)到上限時可按一定規(guī)則(如幅值)選取前10個點(diǎn)跡, 當(dāng)航跡數(shù)達(dá)到上限時, 新目標(biāo)做刪除處理。航跡連續(xù)3拍以上無關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡時航跡終止。

3 仿真試驗(yàn)與分析

假設(shè)魚雷總是能可靠檢測到目標(biāo)及各種對抗器材, 無虛警或漏檢。仿真場景為魚雷以 20 m/s沿軸直行, 水平面(平面)內(nèi)共有3個航跡無交叉的目標(biāo), 1號為懸浮式聲誘餌, 2號為潛艇, 3號為自航式聲誘餌, 目標(biāo)均等效為點(diǎn)目標(biāo), 目標(biāo)初始位置及狀態(tài)參數(shù)見表1, 其中表示多普勒速度。

表1 目標(biāo)初始位置及狀態(tài)參數(shù)

仿真場景模擬了魚雷典型多目標(biāo)態(tài)勢, 目標(biāo)發(fā)現(xiàn)來襲魚雷后先在航路布放一個懸浮式聲誘餌, 一段時間后布放一個自航式聲誘餌沿原航路運(yùn)動, 目標(biāo)機(jī)動規(guī)避, 此時目標(biāo)與2個對抗器材共存, 對魚雷而言表現(xiàn)為多目標(biāo)。懸浮式聲誘餌多普勒為設(shè)定值為6 m/s, 目標(biāo)和自航式聲誘餌多普勒為理論值。

數(shù)據(jù)樣本為理論計(jì)算值加入高斯白噪聲合成。采樣間隔為3 s加入方差為0.5 s高斯白噪聲, 模擬觀測時變; 目標(biāo)坐標(biāo)觀測值根據(jù)采樣間隔計(jì)算得到的理論值加入方差為10 m的高斯白噪聲, 多普勒速度加入方差為0.5 m/s的高斯白噪聲, 模擬觀測誤差。計(jì)算關(guān)聯(lián)值時取,, 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)門限。仿真結(jié)果如圖3~4所示。

圖3 多目標(biāo)航跡濾波結(jié)果

仿真結(jié)果表明, 3個目標(biāo)經(jīng)過多目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后形成3條航跡, 關(guān)聯(lián)的航跡與點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)值收斂較好, 非關(guān)聯(lián)的航跡與點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)值等呈發(fā)散狀態(tài), 二者區(qū)別明顯, 關(guān)聯(lián)門限易于選取, 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果正確, 方法有效。

圖4 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文分析了主動聲自導(dǎo)魚雷工作特點(diǎn)及其多目標(biāo)特點(diǎn), 提出了一種適用于工程且易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法, 首次實(shí)現(xiàn)了魚雷多目標(biāo)跟蹤的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián), 仿真試驗(yàn)初步證明了該方法的有效性, 具有一定的工程應(yīng)用價值。本文是對魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的初步探討, 為魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)提供了一個思路, 而實(shí)際工程中不可避免的存在虛警、漏檢等問題, 同時在航跡起始階段預(yù)測誤差較大, 因此魚雷多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯: 楊力軍）

A Data Association Method for Torpedo Multiple-Target Tracking

YANG Xiang-feng, YANG Yun-chuan, GUO Lei

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Multiple-target tracking is one of the important aims in torpedo development, while data association is a basic for the multiple-target tracking. The torpedo multiple-target tracking process registers as a time-varying process of moving base. In this paper, the parameters of localization and running attitude from torpedo navigation system, as well as the target information detected by a torpedo, are utilized to achieve spatial registration via coordinate transformation. The sampling time is calculated in real time and same clock to achieve temporal registration. The Doppler velocity and the geodetic coordinates of target are used to construct four-dimensional data association coordinates. Normalized fuzzy Euclidean-distance is taken as an association rules. So a data association method for torpedo multiple-target tracking is proposed. Simulation result shows the validity of the proposed method.

torpedo; multiple-target tracking; spatial registration; temporal registration; association rules

TJ630.34; TN911.72

A

1673-1948(2012)06-0414-05

2012-02-04;

2012-03-06.

楊向鋒(1978-), 男, 碩士, 高級工程師, 研究方向?yàn)樗曅盘柵c信息處理, 水下目標(biāo)識別, 跟蹤及水聲反對抗.