紀(jì)永剛,張 杰,楊啟松,王祎鳴,于長軍,孫偉峰

(1.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061;2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),山東 威海 264209; 3. 中國石油大學(xué)(華東),山東 青島 266580)

高頻地波雷達(dá)是海上船只目標(biāo)大范圍連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)的主要手段,可超視距探測(cè)海上目標(biāo),實(shí)時(shí)給出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航跡[1-3]。相對(duì)于大型陣列式雷達(dá),小陣列的緊湊型地波雷達(dá)占用場(chǎng)地小、功耗低,可以節(jié)省稀缺的海岸資源,因此，更容易推廣應(yīng)用。但緊湊型地波雷達(dá)由于天線孔徑減小和天線小型化等原因,目標(biāo)測(cè)向和跟蹤性能降低,難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。為減少高頻地波雷達(dá)的陣列尺寸,提高緊湊型地波雷達(dá)探測(cè)性能,國內(nèi)外開展了MIMO、分布式等新體制地波雷達(dá)及天線小型化方面研究[4-7]以及發(fā)展適合于緊湊型地波雷達(dá)的檢測(cè)跟蹤一體化方法[8-9],提高單站緊湊型地波雷達(dá)的航跡跟蹤性能。且國內(nèi)外多個(gè)研究單位利用便攜式緊湊型地波雷達(dá)開展了目標(biāo)探測(cè)研究[10-16]。

利用多站提供的多方位目標(biāo)觀測(cè),可以克服單站單一觀測(cè)方位上目標(biāo)跟蹤中的目標(biāo)航跡缺失或斷裂問題，而且還可以通過融合多方位的目標(biāo)探測(cè)信息提高緊湊型地波雷達(dá)目標(biāo)空間定位精度。目前，國內(nèi)外開展的多站(每個(gè)站可獲取一個(gè)觀測(cè)方位信息)地波雷達(dá)目標(biāo)融合探測(cè)[17-20],多采用檢測(cè)級(jí)的點(diǎn)跡融合,再利用融合點(diǎn)跡形成航跡,且相關(guān)研究主要是針對(duì)大型陣列式地波雷達(dá)。對(duì)于小陣列緊湊型地波雷達(dá),弱信號(hào)的檢測(cè)困難會(huì)增大目標(biāo)的虛警率和漏檢率,難以給出有效可靠的點(diǎn)跡結(jié)果,而且較低的點(diǎn)跡測(cè)向精度增加了多方位點(diǎn)跡的關(guān)聯(lián)難度,即難以判別不同方位探測(cè)的目標(biāo)結(jié)果是否為同一目標(biāo),甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)的情況,致使無法做到有效的多方位信息融合。相對(duì)于點(diǎn)跡關(guān)聯(lián),雙站航跡關(guān)聯(lián)是在單站航跡跟蹤處理后,可減少單個(gè)時(shí)刻點(diǎn)跡錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)的概率,充分利用多時(shí)刻的目標(biāo)信息,因此,多方位的航跡融合關(guān)聯(lián)和融合處理更具可靠性。近幾年,基于航跡關(guān)聯(lián)和融合已開展相關(guān)研究[21-23],主要開展了仿真分析,還未有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

1 雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)方法

1.1 地波雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)航跡模型

(1)

1.2 地波雷達(dá)目標(biāo)航跡全局最優(yōu)關(guān)聯(lián)方法

為實(shí)現(xiàn)雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡融合探測(cè),首先，需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)站點(diǎn)目標(biāo)航跡的關(guān)聯(lián)。雷達(dá)站1的某一條目標(biāo)航跡可能與雷達(dá)站2的多條航跡關(guān)聯(lián),反之亦然。為實(shí)現(xiàn)雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡的全局最優(yōu)關(guān)聯(lián),本文將拍賣算法引入雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)中,下面是基于序貫相似度雙站航跡與航跡關(guān)聯(lián)步驟。

步驟1:雙站航跡粗關(guān)聯(lián),即利用兩個(gè)站點(diǎn)的航跡數(shù)據(jù),利用公式(2)得到兩個(gè)雷達(dá)站的航跡的可關(guān)聯(lián)航跡集。

(2)

上式表示雷達(dá)站1第i條航跡與雷達(dá)站2第j條航跡中的目標(biāo)點(diǎn)跡沿x軸和y軸方向滿足的粗關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則,其中R為雷達(dá)站1與雷達(dá)站2沿x軸和y軸方向的定位誤差,與目標(biāo)在兩個(gè)雷達(dá)站中所在空間位置的空間幾何定位精度有關(guān),mi為在某一概率下的關(guān)聯(lián)門限值。在雙站航跡粗關(guān)聯(lián)處理中,依次遍歷所有航跡,當(dāng)它們滿足粗關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則時(shí),相關(guān)結(jié)果均放入關(guān)聯(lián)航跡集中。

(3)

步驟3:構(gòu)建相同時(shí)刻點(diǎn)跡的相似度關(guān)聯(lián)矩陣,然后利用拍賣算法等全局最優(yōu)關(guān)聯(lián)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)相同時(shí)刻雙站雷達(dá)航跡中點(diǎn)跡的關(guān)聯(lián),確定它們的關(guān)聯(lián)結(jié)果。

步驟4:基于步驟3得到的多個(gè)時(shí)刻點(diǎn)跡最優(yōu)關(guān)聯(lián)結(jié)果,構(gòu)建雷達(dá)站1與雷達(dá)站2目標(biāo)航跡之間的序貫相似度關(guān)聯(lián)矩陣Se,即

(4)

其中,cij為某一時(shí)刻雷達(dá)站1第i條航跡與雷達(dá)站2第j條航跡之間的序貫相似度。其計(jì)算公式為

(5)

步驟5:再次利用拍賣算法等全局最優(yōu)算法,得到雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡的關(guān)聯(lián)結(jié)果。

步驟6:采用兩個(gè)站點(diǎn)關(guān)聯(lián)的航跡,利用公式(6)進(jìn)行相同時(shí)刻點(diǎn)跡的融合處理,最終得到雙站融合后的點(diǎn)跡。

(6)

2 航跡關(guān)聯(lián)方法仿真分析

本文采用我國渤、黃海海域的實(shí)測(cè)AIS數(shù)據(jù)仿真地波雷達(dá)目標(biāo)航跡,時(shí)間在2019年4月29日,目標(biāo)航跡范圍為120.4°～122.3°和37.6°～38.8°,目標(biāo)航跡最長長度為150 min,航跡數(shù)量為138條。兩個(gè)雷達(dá)站位置分別在煙臺(tái)和威海。AIS船只航跡及雷達(dá)站位置如圖1所示。

圖1 AIS船只航跡分布圖

假設(shè)兩個(gè)雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)精度相同,利用AIS數(shù)據(jù)仿真緊湊型地波雷達(dá)目標(biāo)跟蹤航跡的條件:目標(biāo)徑向距離測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)差為±1.0 km,測(cè)向誤差標(biāo)準(zhǔn)差為±3°,徑向速度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為±0.7 km/h。上述選用的誤差都是基于實(shí)測(cè)地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)精度統(tǒng)計(jì)出來的?；趯?shí)測(cè)AIS數(shù)據(jù)可先得到增加了各種誤差后的目標(biāo)航跡,再采用UKF方法對(duì)每條目標(biāo)航跡做濾波處理,給出仿真地波雷達(dá)目標(biāo)航跡跟蹤結(jié)果,結(jié)果分別見圖2和圖3。其中,藍(lán)色表示站點(diǎn)1的目標(biāo)航跡,紅色表示站點(diǎn)2的目標(biāo)航跡,綠色為AIS航跡。

圖2 濾波前目標(biāo)航跡仿真結(jié)果

圖3 濾波后目標(biāo)航跡仿真結(jié)果

基于濾波后的兩個(gè)站點(diǎn)地波雷達(dá)目標(biāo)航跡結(jié)果,利用本文提出的雙站地波雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)和融合方法,得到雙站航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果,見圖4所示。

圖4 雙站航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果

作為比較,文中給出了基于航跡中某一時(shí)刻點(diǎn)跡信息的雙站目標(biāo)關(guān)聯(lián)結(jié)果,見圖5。圖6是在不同時(shí)刻目標(biāo)航跡和點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5 雙站目標(biāo)點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)結(jié)果

圖6 不同時(shí)刻目標(biāo)航跡和點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)概率統(tǒng)計(jì)

從圖6可以看出,從第25個(gè)時(shí)刻開始,基于航跡的雙站地波雷達(dá)目標(biāo)關(guān)聯(lián)概率可達(dá)90%以上,而基于點(diǎn)跡信息的關(guān)聯(lián)概率大部分在70%左右。需要說明的是,本文基于雙站點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)中使用的點(diǎn)跡是選用目標(biāo)航跡中某一時(shí)刻的點(diǎn)跡信息,而不是直接采用實(shí)際地波雷達(dá)的點(diǎn)跡檢測(cè)結(jié)果。航跡中的目標(biāo)點(diǎn)跡,經(jīng)過了航跡跟蹤處理過程,大部分虛假的點(diǎn)跡已經(jīng)被剔除,僅保留了已被判別為真實(shí)船只目標(biāo)的信息。因此,如果直接采用地波雷達(dá)目標(biāo)的點(diǎn)跡信息,則雙站目標(biāo)的關(guān)聯(lián)概率會(huì)明顯降低,效果更差。

基于雙站地波雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果,圖7給出了雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡融合結(jié)果。圖8給出了圖7中紅框位置的具體目標(biāo)航跡及融合前兩個(gè)站點(diǎn)的關(guān)聯(lián)航跡。

圖7 雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡融合結(jié)果

圖8 目標(biāo)航跡融合結(jié)果個(gè)例

圖9 目標(biāo)航跡個(gè)例融合前的結(jié)果

可以看出,基于關(guān)聯(lián)結(jié)果得到的融合后航跡與原始的AIS信息基本一致,定位精度誤差較融合前兩個(gè)站點(diǎn)的航跡有明顯改善。通過雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡的關(guān)聯(lián)和融合處理,提高了緊湊型地波雷達(dá)的目標(biāo)定位精度。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和分析

實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)在2019年1月的雙站地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)地波雷達(dá)系統(tǒng)采用研制的雙站小陣列緊湊型地波雷達(dá),發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率是500 W;接收站5陣元。兩部雷達(dá)分別布放在煙臺(tái)和威海,其具體位置及目標(biāo)航跡探測(cè)結(jié)果分別見圖10和圖11。

圖10 站點(diǎn)1的目標(biāo)航跡結(jié)果

圖11 站點(diǎn)2的目標(biāo)航跡結(jié)果

基于本文提出的雙站地波雷達(dá)目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)和融合處理方法,圖12給出了部分與AIS同步的關(guān)聯(lián)和融合處理結(jié)果。其中藍(lán)色表示站1航跡結(jié)果,黑色為站點(diǎn)2,紅色為融合后結(jié)果,綠色為同步的AIS結(jié)果。

圖12 雙站航跡關(guān)聯(lián)與融合結(jié)果

圖13和圖14給出了兩個(gè)目標(biāo)船只個(gè)例的結(jié)果以及關(guān)聯(lián)前和融合處理后目標(biāo)航跡中點(diǎn)跡與同步AIS的距離誤差統(tǒng)計(jì)分布。其中,第一個(gè)目標(biāo)距站點(diǎn)1的距離大約在40 km,距站點(diǎn)2的距離大約70 km,實(shí)測(cè)AIS航跡位于兩個(gè)站航跡的中間,雙站融合結(jié)果與同步AIS的距離誤差大部分小于2 km,小于融合前兩個(gè)站的誤差。第二個(gè)目標(biāo)點(diǎn)距站點(diǎn)1的距離大約在45 km,距站點(diǎn)2的距離大約20 km。但與第一個(gè)目標(biāo)明顯不同的是,此時(shí)兩站測(cè)量航跡都在真實(shí)AIS航跡同一側(cè),此時(shí)雙站融合航跡誤差介于兩站航跡的中間。出現(xiàn)此類情況,其主要原因是兩個(gè)雷達(dá)站存在的系統(tǒng)誤差不同,因而對(duì)同一個(gè)目標(biāo)的測(cè)向誤差不同導(dǎo)致的。圖15給出了目標(biāo)1的船只的照片,此船為貨船,MMSI為414163000,呼號(hào)BFAY7,船長225 m,船寬32 m。

圖13 兩個(gè)船只目標(biāo)的航跡關(guān)聯(lián)和融合結(jié)果

圖14 兩個(gè)船只目標(biāo)的融合前后的誤差統(tǒng)計(jì)

圖15 船只目標(biāo)照片

圖16給出了所有兩個(gè)站點(diǎn)關(guān)聯(lián)和融合航跡的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果,包括誤差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?融合后航跡的誤差平均值大部分小于兩個(gè)站點(diǎn)的誤差,而融合后航跡的標(biāo)準(zhǔn)差介于兩個(gè)站點(diǎn)航跡的誤差之間。

圖16 所有目標(biāo)的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

需要說明的是,圖13所示的基于實(shí)測(cè)地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的融合航跡結(jié)果,與圖8所示的仿真結(jié)果的融合航跡結(jié)果還有一定的差別。由于兩個(gè)站點(diǎn)的雷達(dá)系統(tǒng)所處位置及周邊環(huán)境不同,導(dǎo)致兩個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)精度等會(huì)存在不同程度的差別,因此，會(huì)導(dǎo)致基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的雙站融合結(jié)果誤差更大一些。

4 結(jié)束語

本文開展了基于航跡信息的雙站緊湊型目標(biāo)關(guān)聯(lián)和融合方法研究,提出了基于序貫相似度的雙站緊湊型地波雷達(dá)目標(biāo)航跡最優(yōu)化關(guān)聯(lián)方法。通過仿真分析表明,對(duì)于測(cè)向精度較低的緊湊型地波雷達(dá),雙站目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)概率可達(dá)90%以上,明顯優(yōu)于基于點(diǎn)跡信息的關(guān)聯(lián)結(jié)果,通過雙站關(guān)聯(lián)后融合結(jié)果的誤差也低于兩個(gè)站點(diǎn)融合前的誤差。最后,利用2019年開展的雙站緊湊型地波雷達(dá)的實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本文方法進(jìn)行了驗(yàn)證,給出了雙站關(guān)聯(lián)和融合結(jié)果的誤差分析。

需要說明的是,目前論文重點(diǎn)介紹了雙站航跡關(guān)聯(lián)方法,初步給出了雙站融合結(jié)果。文中對(duì)于雙站融合處理及分析還不深入,實(shí)際上單站的航跡跟蹤結(jié)果以及兩個(gè)站點(diǎn)存在的系統(tǒng)誤差的差異都會(huì)影響雙站關(guān)聯(lián)航跡的融合結(jié)果。此外,目前分析的雙站都是T/R體制的,兩個(gè)站點(diǎn)的航跡跟蹤、雙站關(guān)聯(lián)和融合基本一致,而T/R-R體制的地波雷達(dá)相對(duì)于T/R-T/R的雙站關(guān)聯(lián),需要進(jìn)一步分析T-R雙基地的跟蹤及與T/R站的關(guān)聯(lián)和融合方法,我們將在以后的工作中深入研究。