李永祥，倪世道

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

敵我識(shí)別(IFF)系統(tǒng)是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的重要應(yīng)用之一，廣泛安裝于軍用飛機(jī)、艦艇，用于識(shí)別目標(biāo)敵我屬性。敵我識(shí)別信號(hào)是指敵我識(shí)別系統(tǒng)發(fā)出的詢問、應(yīng)答信號(hào)，以自動(dòng)鑒別目標(biāo)身份屬性。

敵我識(shí)別系統(tǒng)主要分為Mark體制和“口令”體制2類，工作機(jī)理基本一致，即：雷達(dá)IFF詢問機(jī)向目標(biāo)發(fā)出一組包含信息的脈沖，目標(biāo)收到后解析脈沖組含義，IFF應(yīng)答機(jī)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答脈沖組，IFF詢問機(jī)從目標(biāo)的應(yīng)答脈沖中提取信息，判別敵我。

本文主要針對(duì)Mark體制的敵我識(shí)別信號(hào)展開討論。Mark體制的敵我識(shí)別信號(hào)的工作模式如表1所示[1]。

表1 工作模式

Mark體制敵我識(shí)別信號(hào)工作模式中，對(duì)3/A模式的信號(hào)碼值能唯一標(biāo)識(shí)信號(hào)目標(biāo)身份，C模式信號(hào)碼值攜帶該信號(hào)目標(biāo)的當(dāng)前高度，而模式1、2、4、5(以下簡(jiǎn)稱“其它模式”)的信號(hào)采用軍用加密模式進(jìn)行傳輸。

基于敵我識(shí)別信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，可以采取協(xié)作式與非協(xié)作式2類[2]：

(1) 協(xié)作式敵我識(shí)別中,由詢問機(jī)發(fā)出無線電詢問信號(hào),目標(biāo)應(yīng)答機(jī)接收詢問信號(hào),判斷問詢信號(hào)的正確性，并給詢問機(jī)發(fā)送所請(qǐng)求的應(yīng)答信號(hào),詢問機(jī)對(duì)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行解碼，識(shí)別目標(biāo)的敵我屬性。

(2) 非協(xié)作式敵我識(shí)別,是將被識(shí)別目標(biāo)看作系統(tǒng)的外部環(huán)境,利用傳感器偵測(cè)敵我識(shí)別信號(hào)，對(duì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征(目標(biāo)二維投影的長(zhǎng)度、寬度、周長(zhǎng)和面積等)、統(tǒng)計(jì)特征(均值和均方偏差等)、空間特征(方向、位置、速度和距離等) 和輻射參數(shù)信號(hào)特征進(jìn)行觀測(cè),通過特定的算法,依靠系統(tǒng)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分類、特征匹配等綜合分析來確定目標(biāo)的敵我屬性。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 非協(xié)作式敵我識(shí)別

1 敵我識(shí)別目標(biāo)航跡處理

電子偵察裝備對(duì)敵我目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的過程采用非協(xié)作敵我識(shí)別方式?；谇岸藬澄易R(shí)別信號(hào)偵測(cè)傳感器，連續(xù)偵聽目標(biāo)空域，利用敵我識(shí)別信號(hào)對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行連續(xù)識(shí)別，最終形成目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即目標(biāo)航跡，是電子偵察裝備進(jìn)行敵我識(shí)別的主要方式之一。

敵我識(shí)別信號(hào)不攜帶位置信息(除了C模式碼值為目標(biāo)的高度信息)，無法直接用于目標(biāo)航跡處理，但是采用分布部署的多個(gè)傳感器偵測(cè)同一信號(hào)，運(yùn)用基于Chan氏和Taylor級(jí)數(shù)展開的協(xié)同定位算法[3]，能夠計(jì)算出信號(hào)發(fā)送時(shí)刻目標(biāo)的定位信息。同一敵我識(shí)別信號(hào)經(jīng)過多站協(xié)同偵測(cè)、信號(hào)比對(duì)與分選、信號(hào)比幅測(cè)向等信號(hào)處理過程后，形成同一信號(hào)的多個(gè)偵測(cè)信號(hào)；對(duì)多個(gè)偵測(cè)信號(hào)運(yùn)用協(xié)同定位算法，形成信號(hào)發(fā)送時(shí)刻目標(biāo)的定位信息?；谀繕?biāo)信號(hào)的定位信息可以完成后續(xù)的航跡起始、點(diǎn)航關(guān)聯(lián)、航跡濾波等處理過程，形成目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)庫。

敵我識(shí)別目標(biāo)航跡處理過程如圖2所示。

圖2 敵我識(shí)別目標(biāo)航跡處理

但是，由于敵我識(shí)別目標(biāo)會(huì)發(fā)射不同工作模式的信號(hào)，而且群目標(biāo)會(huì)以多種模式交替工作，會(huì)造成信號(hào)點(diǎn)跡攜帶的信號(hào)匹配特性不一致，目標(biāo)位置信號(hào)的精度和數(shù)據(jù)率不穩(wěn)定，直接使用該點(diǎn)跡進(jìn)行航跡處理會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)航跡的起始、關(guān)聯(lián)都出現(xiàn)錯(cuò)誤，容易造成斷批、混批等問題。

就敵我識(shí)別信號(hào)的航跡處理來說，其具有定位數(shù)據(jù)率高的特點(diǎn)，每秒15個(gè)以上的定位點(diǎn)碼字(不同模式)并不完全相同，在定位精度一定的情況下，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡起始、關(guān)聯(lián)、保持、消失、編批等，首先要解決的問題是要判斷這些定位數(shù)據(jù)是來自同一目標(biāo)還是不同目標(biāo)。

因此，在進(jìn)行航跡處理之前，基于點(diǎn)跡屬性信息對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行預(yù)處理，盡量將同一采樣周期中屬于同一目標(biāo)的點(diǎn)跡信息進(jìn)行歸類、凝聚，能夠極大地提高航跡處理的效率及精確性，降低斷批、混批等問題的發(fā)生。

2 點(diǎn)跡處理

2.1 點(diǎn)跡屬性

由多個(gè)傳感器對(duì)同一敵我識(shí)別信號(hào)進(jìn)行偵測(cè)得到的多個(gè)信號(hào)采用協(xié)同定位算法[3]能夠得到目標(biāo)點(diǎn)跡信息，作為航跡處理的輸入。目標(biāo)點(diǎn)跡以下屬性可能用于后續(xù)的航跡處理：

(1) 模式信息：該點(diǎn)跡是對(duì)應(yīng)的原始敵我識(shí)別信號(hào)的工作模式，包括1、2、3/A，C，4，5等幾種。需要強(qiáng)調(diào)的是，信號(hào)分選過程無法將3/A模式與C模式的敵我識(shí)別信號(hào)區(qū)分開，因此3/A模式與C模式的點(diǎn)跡無法直接區(qū)分其模式。

(2) 定位信息：通過多站協(xié)同時(shí)差定位算法計(jì)算得到的在信號(hào)發(fā)送時(shí)刻的目標(biāo)點(diǎn)跡位置信息。

(3) 碼值信息：對(duì)于3/A模式及C模式點(diǎn)跡，對(duì)應(yīng)的原始敵我識(shí)別信號(hào)的碼值信息具有明確的意義，即3/A模式碼值唯一標(biāo)識(shí)目標(biāo)身份，C模式碼值標(biāo)識(shí)目標(biāo)高度信息。

(4) 航速航向信息：目標(biāo)點(diǎn)跡的航速航向信息用于航跡處理過程中的外推過程。

為了最大程度地利用點(diǎn)跡模式及碼值信息，提高處理精度及效率，需要區(qū)分3/A模式點(diǎn)跡與C模式點(diǎn)跡，并盡可能地將其它模式點(diǎn)跡與A模式點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)。針對(duì)敵我識(shí)別信號(hào)發(fā)射周期不固定的特點(diǎn)，點(diǎn)跡處理過程按照固定的采樣周期進(jìn)行。該采樣周期大小可以根據(jù)數(shù)據(jù)率及精確度要求進(jìn)行調(diào)整。點(diǎn)跡處理流程涉及到的關(guān)鍵步驟是：

(1) 點(diǎn)跡預(yù)處理：區(qū)分同一采樣周期中3/A模式點(diǎn)跡與C模式點(diǎn)跡；

(2) 綜合隸屬度計(jì)算：計(jì)算C碼點(diǎn)跡及其它模式點(diǎn)跡的綜合隸屬度，指導(dǎo)后期的點(diǎn)跡凝聚；

(3) 目標(biāo)點(diǎn)跡凝聚：將一個(gè)采樣周期中的點(diǎn)跡，按照綜合隸屬度形成以A碼點(diǎn)跡及其它點(diǎn)跡的集合，然后對(duì)這些點(diǎn)跡集合分別進(jìn)行凝聚，形成多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)跡，用于后面的航跡起始、關(guān)聯(lián)等過程。

2.2 A/C碼點(diǎn)區(qū)分

A碼值表示目標(biāo)的身份，對(duì)于同一目標(biāo)，A碼值保持不變，而C碼值表示目標(biāo)的高度，會(huì)發(fā)生變化。在目標(biāo)航跡處理時(shí)這2類信息可以作為航跡起始及凝聚很重要的依據(jù)。但是由于A碼與C碼在信號(hào)解碼及信息解譯時(shí)無法區(qū)別，因此在航跡處理之前必須首先區(qū)分A碼點(diǎn)與C碼點(diǎn)。A/C碼點(diǎn)區(qū)分采用以下過程：

(1) 設(shè)定1個(gè)時(shí)間窗口，寬度為3個(gè)采樣周期；從第1個(gè)采樣周期開始，取3個(gè)采樣周期內(nèi)所有A/C碼點(diǎn)；

(2) 比較時(shí)間窗口內(nèi)所有A/C碼點(diǎn)，如果存在多個(gè)點(diǎn)的碼值相同，則這些碼點(diǎn)為A碼點(diǎn)跡，其它點(diǎn)跡待定；

(3) 設(shè)定時(shí)間窗口內(nèi)第1個(gè)采樣周期中未標(biāo)記的點(diǎn)為C點(diǎn)；

(4) 將時(shí)間窗口向后移動(dòng)1個(gè)采樣周期，取窗口內(nèi)最后一個(gè)采樣周期中的A/C碼點(diǎn)，如果存在與前2個(gè)周期中的點(diǎn)碼值相同，則這些點(diǎn)都標(biāo)記為A碼點(diǎn)，其它點(diǎn)待定。

(5) 重復(fù)過程(3)與(4)，直到停止或后續(xù)無信號(hào)采樣。將所有未標(biāo)記點(diǎn)記為C點(diǎn)。

A/C碼區(qū)分過程如所圖3所示。

圖3 A/C碼點(diǎn)區(qū)分過程

通過上述過程，能夠?qū)⒚總€(gè)掃描周期中的A碼點(diǎn)與C碼點(diǎn)區(qū)分開來，A碼點(diǎn)可以直接用于航跡起始，C碼點(diǎn)需要(與其它模式的點(diǎn)跡一樣)計(jì)算綜合隸屬度。

2.3 綜合隸屬度計(jì)算

綜合隸屬度(MS)是一個(gè)采樣周期中C碼點(diǎn)跡或其它模式碼點(diǎn)跡的屬性，表征了該點(diǎn)與同一采樣周期內(nèi)某個(gè)A碼點(diǎn)或某個(gè)穩(wěn)定航跡是屬于同一個(gè)目標(biāo)的可能性。

A碼點(diǎn)跡與一條穩(wěn)定航跡相對(duì)應(yīng)，而且在一個(gè)采樣周期內(nèi)可能沒有A碼點(diǎn)跡。對(duì)每個(gè)C碼點(diǎn)或其它模式碼點(diǎn)都有綜合隸屬度與每個(gè)穩(wěn)定航跡對(duì)應(yīng)。

與綜合隸屬度的計(jì)算有關(guān)的碼點(diǎn)屬性及其影響權(quán)值為：碼點(diǎn)的距離信息(w1)；碼點(diǎn)高度信息(w2,C碼的高度值取碼值)；碼點(diǎn)航速(w3)；碼點(diǎn)航向(w4)；碼點(diǎn)測(cè)向值(w5)。

以下給出了綜合隸屬度MS的計(jì)算過程：

(1) 取當(dāng)前采樣周期T中的每個(gè)碼點(diǎn)P；

(2) 對(duì)每一條穩(wěn)定航跡i，其上一采樣周期航跡點(diǎn)為D；

(3) 按照以下公式計(jì)算MP[i]：

(1)

式中：V1為P點(diǎn)相對(duì)D點(diǎn)的距離偏差率；V2為P點(diǎn)相對(duì)D點(diǎn)的高度偏差率；V3為P點(diǎn)相對(duì)D點(diǎn)的航速偏差率；V4為P點(diǎn)相對(duì)D點(diǎn)的航向偏差率；V5為P點(diǎn)相對(duì)D點(diǎn)的測(cè)向偏差率。

(4) 計(jì)算出P點(diǎn)針對(duì)每個(gè)航跡i的MP[i]值后，對(duì)MP數(shù)組歸一化處理；

(5) 取MP[i]=1-MP[i];

(6) 對(duì)于3/A碼點(diǎn)，如果其與已有航跡i的關(guān)鍵值相同，則其M[i]取100%，其它分量置0；

在計(jì)算綜合隸屬度時(shí)采用的各類因素的影響權(quán)值根據(jù)前端設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。綜合隸屬度從一定程度上表征了其它模式點(diǎn)屬于某個(gè)穩(wěn)定航跡在當(dāng)前采樣周期內(nèi)的偵測(cè)點(diǎn)的可能性，綜合隸屬度越高，該模式點(diǎn)跡屬于航跡目標(biāo)的概率越大。

2.4 點(diǎn)跡凝聚

點(diǎn)跡凝聚按與點(diǎn)跡預(yù)處理相同的采樣周期進(jìn)行，每個(gè)采樣周期完成點(diǎn)處理后，根據(jù)點(diǎn)跡的綜合隸屬度，可以將每個(gè)采樣周期的點(diǎn)跡分成3類點(diǎn)跡群，如圖4所示。

(1) A碼點(diǎn)跡群：每個(gè)A碼點(diǎn)跡及對(duì)該A碼點(diǎn)(或相對(duì)應(yīng)的航跡)的綜合隸屬度大于門限的其它模式點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)A碼點(diǎn)跡群；

(2) 混合模式點(diǎn)跡群：對(duì)某個(gè)航跡的綜合隸屬度都大于門限的所有其它模式點(diǎn)跡構(gòu)成一個(gè)混合模式點(diǎn)跡群；

(3) 其它點(diǎn)跡群：由不屬于A碼點(diǎn)跡群及混合點(diǎn)跡群的點(diǎn)跡構(gòu)成。

圖4 采樣周期內(nèi)的點(diǎn)跡分類

每個(gè)A碼點(diǎn)跡群或混合模式點(diǎn)跡群中的點(diǎn)跡，分別屬于同一個(gè)敵我識(shí)別目標(biāo)，因此可以將每個(gè)A碼點(diǎn)跡群或混合模式點(diǎn)跡群?jiǎn)为?dú)進(jìn)行凝聚，形成該采樣周期內(nèi)某個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的航跡點(diǎn)，稱為確定點(diǎn)跡。

如果將A碼點(diǎn)看成是綜合隸屬度為100%的碼點(diǎn)，則A碼點(diǎn)跡群與混合模式點(diǎn)跡群都可以采用基于綜合隸屬度的質(zhì)量中心算法進(jìn)行凝聚，即：

(2)

式中：Bz為點(diǎn)跡群凝聚后的點(diǎn)跡定位信息；Bi為點(diǎn)跡群中第i個(gè)點(diǎn)跡的定位信息；MBi為點(diǎn)跡群中第i個(gè)點(diǎn)跡針對(duì)當(dāng)前A碼點(diǎn)或航跡關(guān)鍵碼值的綜合隸屬度。

其它點(diǎn)跡群中的點(diǎn)跡不做凝聚，直接進(jìn)行后續(xù)的起始與關(guān)聯(lián)。

3 航跡起始與關(guān)聯(lián)

經(jīng)過點(diǎn)跡凝聚后，目標(biāo)點(diǎn)跡分成2類：與目標(biāo)關(guān)聯(lián)的確定點(diǎn)跡；未進(jìn)行凝聚的其它點(diǎn)跡群中的點(diǎn)跡，簡(jiǎn)稱其它點(diǎn)跡。

敵我識(shí)別信號(hào)目標(biāo)航跡起始與關(guān)聯(lián)采用“窮舉法暫時(shí)航跡全自動(dòng)相關(guān)”準(zhǔn)則，把連續(xù)2個(gè)采樣周期間能配對(duì)的點(diǎn)跡全部形成暫時(shí)航跡。

在暫時(shí)航跡建立時(shí)，如果下一采樣周期已經(jīng)存在與穩(wěn)定航跡相對(duì)應(yīng)的確定點(diǎn)跡，則已經(jīng)建立的暫時(shí)航跡不再向下一采樣周期延伸；如果連續(xù)2個(gè)采樣周期都是確定點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)，則該暫時(shí)航跡為穩(wěn)定航跡，否則按照以下步驟進(jìn)行：

(1) 計(jì)算穩(wěn)定航跡的3個(gè)門限：距離相關(guān)門限，航速相關(guān)門限，航向相關(guān)門限[4]；

(2) 每個(gè)點(diǎn)跡在附近找下一采樣周期其它點(diǎn)跡配對(duì)形成暫時(shí)航跡；

(3) 窮舉門限內(nèi)所有暫時(shí)航跡對(duì)，到第3個(gè)采樣周期，再根據(jù)距離變化穩(wěn)定性查找第3個(gè)采樣周期暫時(shí)航跡相關(guān)其它點(diǎn)跡；

(4) 繼續(xù)(3)，直到找到相應(yīng)的確定點(diǎn)跡或暫時(shí)航跡已經(jīng)向前查找了5個(gè)采樣周期；

(5) 計(jì)算每個(gè)暫時(shí)航跡的2個(gè)采樣周期之間的距離、航速及航向，如果都在置信度高的相關(guān)門限內(nèi)，則該暫時(shí)航跡為第(2)步所關(guān)聯(lián)的其它模式點(diǎn)跡與相應(yīng)的穩(wěn)定航跡關(guān)聯(lián)。

點(diǎn)跡多航跡假設(shè)相關(guān)過程如圖5所示。

圖5 點(diǎn)跡多航跡假設(shè)相關(guān)

圖5中的每種連線都是一條暫時(shí)航跡，每個(gè)點(diǎn)都和上一采樣周期距離接近的點(diǎn)連接成暫時(shí)航跡，對(duì)于圖5中B、C、D 3種情況，只有粗實(shí)連線的暫時(shí)航跡滿足距離變化率穩(wěn)定且偏差最小，形成穩(wěn)定航跡。理論上窮舉個(gè)數(shù)越多越好，但受計(jì)算機(jī)緩區(qū)大小和計(jì)算能力限制，目前的技術(shù)條件下，建議窮舉個(gè)數(shù)不超過5個(gè)采樣周期。

將本文提出的敵我識(shí)別目標(biāo)航跡處理技術(shù)應(yīng)用于某型敵我識(shí)別偵察定位裝備，對(duì)多批次目標(biāo)(其中2架編隊(duì)飛行)的飛機(jī)進(jìn)行多站協(xié)同偵測(cè)、跟蹤定位并航跡處理，能夠形成穩(wěn)定的目標(biāo)航跡，如圖6所示，表明該技術(shù)能夠明顯提高航跡處理的效率及精確性，解決航跡處理中的斷批、混批等問題的發(fā)生。

4 結(jié)束語

針對(duì)敵我識(shí)別目標(biāo)航跡處理過程中可能出現(xiàn)的斷批、合批問題，本文在分析敵我識(shí)別信號(hào)工作模式的基礎(chǔ)上，首先對(duì)敵我識(shí)別目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行預(yù)處理，區(qū)分采樣周期內(nèi)點(diǎn)跡中的3/A與C模式點(diǎn)，并針對(duì)其它模式點(diǎn)跡計(jì)算與每條穩(wěn)定航跡相對(duì)應(yīng)的綜合隸屬度，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚與航跡的起始與關(guān)聯(lián)。

圖6 敵我識(shí)別目標(biāo)航跡處理結(jié)果

在后續(xù)研究中，還需要從以下2個(gè)方面深入：

(1) 綜合隸屬度的計(jì)算維度：本文中綜合隸屬度的計(jì)算采取的依據(jù)包括點(diǎn)跡的航速航向、距離及高度等，而且假設(shè)每個(gè)維度對(duì)綜合隸屬度的影響是均衡的。后續(xù)研究將在此基礎(chǔ)上，對(duì)各維度進(jìn)行細(xì)分，區(qū)分不同維度的影響程度，使綜合隸屬度更貼近實(shí)際情況。

(2) 敵我識(shí)別信號(hào)特征的應(yīng)用：不同目標(biāo)的敵我識(shí)別信號(hào)具有各自的細(xì)微特征，在航跡處理過程中如果引入這些特征，可能提高點(diǎn)航相關(guān)的精確度，提升航跡質(zhì)量。