張艷艷 董普靠 高 恒

(西安電子工程研究所 710100)

1 引言

在雷達組網系統(tǒng)中，分布在不同平臺的不同類型、不同精度傳感器，由于其所在位置各不相同，選取的觀測坐標系不一樣，加上傳感器的采樣頻率也有很大差別，因此，即使是對同一個目標進行觀測，各傳感器所得到的目標觀測數據也會有很大的差別。所以，在進行多傳感器信息融合時，首先要做的工作是把從不同平臺不同傳感器獲得的目標觀測數據進行時空對準，即把從不同平臺不同傳感器獲得的目標觀測數據轉換到統(tǒng)一坐標系下，并統(tǒng)一量測單位，在空間和時間上進行統(tǒng)一［1］。為統(tǒng)一空間坐標，需要將各雷達站上報給融合中心的目標位置信息進行坐標轉換，轉換到以融合中心為坐標原點的坐標系中。為統(tǒng)一時間，各站及融合中心均以GPS授時信號或北斗授時信號為基準，使信息系統(tǒng)內所有的計算機保持時間同步，并且令觀測信息附帶時間標示以便于時間對準，但這樣做并不能保證各站所發(fā)送的觀測數據在時間上的一致性，再加上信息傳輸過程中的時延，融合中心的目標數據常常是不同步的［2］;另外，在多目標的情況下，由于各雷達的數據流源于多個不同的目標，即使各雷達的觀測時刻相同，也仍然需要時間對準。只有當各雷達在同一時刻所提供的是同一目標的數據，才能認為時間對準了［3］。故在進行數據融合處理之前必須先對其進行空間校正和時間校正。

空間對準和時間對準技術是組網雷達數據融合的預處理過程?？臻g對準是通過選擇一個基準坐標系，把來自不同平臺的多傳感器數據都統(tǒng)一到該坐標系下［1］。時間對準通過外推和內插等處理手段，將目標觀測坐標值轉換到融合中心的時間坐標上來，或將數據的采樣周期調整到統(tǒng)一的時間尺度上。需要說明的是，本文所述空間對準和時間對準技術適用于分布式數據融合系統(tǒng)結構。

2 空間對準技術

空間對準中涉及的參考坐標系較多，相互之間的轉換關系復雜，為此，必須首先明確有關坐標系的建立及它們之間的相互關系。

2.1 坐標系［4］

地心大地坐標系:地球橢球中心與地球質心O重合，橢球的短軸與地球自轉軸相吻合，大地緯度φ為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角;大地經度J 為過地面點的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角;大地高H 為地面點沿橢球法線到橢球面的高度;如圖1 所示。任意一目標點P 在地心大地坐標系中的坐標可表示為P(φ，J，H)。GPS 測量系統(tǒng)給出的位置坐標值使用此坐標系。

圖1 地心空間直角坐標系與地心大地坐標系

地心空間直角坐標系:在參考橢球體內建立的坐標系Oxyz，它的原點在橢球中心O，z 軸與橢球短軸重合，x 軸與橢球赤道面和起始大地子午面的交線重合，y 軸與xz 平面正交，指向東方。x、y、z 軸構成右手系，點p 的地心直角坐標系用(x，y，z)表示，見圖1。

雷達直角坐標系:以雷達天線回轉中心(天線基座平面內)為原點OR;建立地理直角坐標系ORXRYRZR，XR軸沿OR所在經度線指北，YR軸沿OR所在緯度線指東，垂直于天線基座平面向上為ZR軸正方向，構成左手坐標系，如圖2 所示，任意一目標點T 在雷達直角坐標系中的坐標為T(xR，yR，zR)。需要說明的是本文所采用的雷達坐標系為左手直角坐標系。

雷達球坐標系:如圖2 所示，假設任意目標點為T，以雷達天線回轉中心(天線基座平面內)為原點OR(即以雷達直角坐標系的原點為原點);ORT 在XRORYR平面上的投影與雷達直角坐標系的XR軸的夾角αR為方位角(順時針方向為正);ORT 與XRORYR平面的夾角βR為俯仰角(向上為正);目標點T 與原點OR的徑向長度為距離RR;任意一目標點T 在雷達球坐標系中的坐標可表示為T(RR，αR，βR)。雷達直接測得目標位置信息為雷達球坐標系下的坐標。

圖2 雷達坐標系

2.2 坐標轉換

空間對準在地心空間直角坐標系中進行，首先獲得雷達站在地心大地坐標系中的坐標，將雷達站所觀測數據由球坐標形式轉換為該雷達站為中心的直角坐標系下，再借助地心空間直角坐標系進一步轉換到融合中心直角坐標系下，從而完成所需的坐標轉換。

各雷達站利用GPS 測量儀獲取本站的位置信息，包括大地經緯度高(φ0，J0，H0)，融合中心的位置信息為(φ1，J1，H1)，利用地心大地坐標系和地心空間直角坐標系之間的坐標變換獲得雷達站的地心空間直角坐標系坐標(x0，y0，z0)，具體變換如公式(1)所示。

其中，N 為所選定的地球橢球體的卯酉圈曲率半徑，且

a 為地球長半徑，a=6378137m;e 為橢球第一偏心率，e2=0.00669437999013 。

各雷達站觀測的目標坐標為球坐標(obj_radar_R，obj_radar_A，obj_radar_E)，該坐標值可直接轉換為直角坐標(obj_radar_x，obj_ radar_y，obj_ radar_z)，接著通過在地心空間直角坐標系的變換，獲得目標在地心空間直角坐標系下的坐標值(obj_earth_x，obj_earth_y，obj_earth_z)，具體轉換:

同理，利用融合中心的經緯高位置信息可獲得融合中心的地心空間直角坐標(x1，y1，z1)，接著將目標在地心空間直角坐標系下的坐標變換至融合中心坐標系下的坐標，具體變換如公式(4)所示。

至此，已經完成了不同雷達站觀測數據到融合中心的坐標變換，即完成了數據的空間對準。

3 時間對準技術

時間對準是指在某一時間片內，對各傳感器采集的該時間片內的目標觀測數據進行內插或外推，使其對準到同一時間點上，也就是進行時間的對齊處理。本文提出的權值自適應時間對準技術采用插值同航跡外推相結合的方法，通過相應計算獲得融合中心系統(tǒng)航跡濾波估計同各站局部航跡的統(tǒng)計距離，然后根據統(tǒng)計距離的大小自適應獲得各自的權值，并以該權值作為時間對準的依據。該方法同系統(tǒng)形成閉環(huán)處理，具有較高的精度;同時該方法具有較好的實時性，能在各雷達站目標數據信息到達融合中心后及時進行時間對準，為后期目標合并、目標關聯(lián)、跟蹤、特征提取提供對準后的目標信息。權值自適應時間對準技術包括初步時間對準和二次時間對準。

3.1 初步時間對準

在組網雷達系統(tǒng)中，各雷達天線掃描周期可能不相同，致使各雷達輸出至數據融合中心的局部航跡的頻率不一致，此時如何選取數據融合的處理周期至關重要，周期太小，導致掃描周期大的雷達所觀測的數據不能及時到達融合中心，從而降低融合精度，周期太大，融合中心發(fā)現(xiàn)目標的速率又太慢。

本文所述數據融合技術在綜合考慮以上因素的前提下以組網雷達系統(tǒng)某一指定雷達天線掃描周期作為處理周期的。由于數據融合處理按照方位區(qū)的先后順序進行的，初步時間對準也按方位區(qū)先后順序進行，用于完成局部航跡和系統(tǒng)航跡的初次配對，具體流程圖如圖3 所示。在融合處理進行到當前方位區(qū)的時候，對于該方位區(qū)的局部航跡，如果該方位區(qū)內系統(tǒng)航跡未建立，則建立系統(tǒng)航跡;如果系統(tǒng)航跡已建立，就把當前方位區(qū)的系統(tǒng)航跡預測到當前局部航跡的時刻，預測公式如下:

其中，F(xiàn) 是單位矩陣;Tdyn是航跡預測時間，即為局部航跡的時間和系統(tǒng)航跡時間的差值;

圖3 初步時間對準流程圖

在系統(tǒng)航跡和局部航跡關聯(lián)前，確定一閾值數值M，該值與目標的機動性有關，機動性越高，M 越大，反之越小。由于系統(tǒng)航跡關聯(lián)的局部航跡不止一條，需要在閾值M 內進行更小的劃分，即進行多級波門的劃定，根據此波門確定自適應時間對準的權值。

系統(tǒng)航跡預測后，計算系統(tǒng)航跡的外推位置和局部航跡當前位置之間的歐氏距離，將該歐氏距離與事先確定的閾值M 相比較，若該歐氏距離大于M，說明該局部航跡和系統(tǒng)航跡關聯(lián)失敗，否則歐氏距離小于M，說明該局部航跡和系統(tǒng)航跡關聯(lián)成功;記錄關聯(lián)成功局部航跡批號和關聯(lián)波門號，等待后續(xù)處理。

在查找完本方位區(qū)所有的局部航跡后，若只有一個歐氏距離小于M，則說明本次融合過程有一條局部航跡和系統(tǒng)航跡關聯(lián);若有多個歐氏距離小于M，則說明有多條局部航跡和系統(tǒng)航跡關聯(lián)。

3.2 二次時間對準

二次時間對準在初次時間對準的基礎上，主要完成精確配對。二次對準是在初次時間對準工作滯后幾個方位區(qū)進行的，此時已經查找完在本次融合過程中所有和系統(tǒng)航跡相關的局部航跡。當數據融合進行到當前方位區(qū)時，首先，查找和該系統(tǒng)航跡相關的局部航跡的批號及相關的波門值，接著查找該局部航跡，并把局部航跡按照局部航跡本身的速度預測到當前時刻;如果有多條局部航跡和系統(tǒng)航跡相關，則查找到所有的相關局部航跡，并進行預測。最后再根據各局部航跡的波門門限進行權值自適應融合處理，融合采用的是線性加權求平均的方法，具體公式如下:

其中，S 為經過融合后的點跡的距離、方位或俯仰值，Si為各局部航跡的距離、方位或俯仰值，Ki為局部航跡圈入波門的波門系數。

這里所介紹的時間對準方法在完成時間對準的同時，實現(xiàn)了系統(tǒng)航跡和局部航跡的相關，從而為后續(xù)的多站多目標跟蹤奠定基礎。

4 實測數據的分析

對某三部雷達A、B 和C 的實測數據先經過空間對準，接著采用基于自適應權值的時間對準算法，最后進行進一步數據融合處理，處理的分析結果見下表1。

表1 利用權值自適應時間對準技術的數據融合精度分析

表中給出了單雷達站和采用本文提出的時空對準算法融合處理后目標航跡的距離、方位和俯仰精度，結果表明，經過空間對準和權值自適應時間對準后，目標航跡的距離、方位和俯仰精度均高于單部站的雷達精度。在完成空間對準的基礎上，自適應權值時間對準算法能夠較好地實現(xiàn)對來自不同雷達站的局部航跡數據進行時間對準，并且能提高航跡的準確性和可靠性。

5 結束語

對各雷達站數據進行時空對準是雷達組網系統(tǒng)進行數據融合的前提。文中分別對各雷達站數據進行空間對準和時間對準，實現(xiàn)了各雷達提供的觀測數據空間和時間上的統(tǒng)一，較好地解決了組網雷達中數據的時空不同步問題。該方法為組網雷達數據進一步融合處理打下良好的基礎，可在實際工作中推廣應用。

［1］林華.多傳感器數據融合中的數據預處理技術［J］.海軍工程大學學報，2002 (3) ：33-35.

［2］陳嫣，多平臺多傳感器數據融合中的時間一致［J］，火力與指揮控制，2007，11(32) ：71-73.

［3］嚴朝譯.系統(tǒng)誤差校正中的時間對準問題研究［J］.電子對抗技術，2003，12(2) ：13-17.

［4］徐紹銓，吳祖仰，大地測量學［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社，1996.