張蓓蓓

摘要：機載傳感器信息融合技術(shù)能夠?qū)⒍鄠€傳感器探測的信息進(jìn)行智能分析和綜合，使作戰(zhàn)飛機快速獲得戰(zhàn)場全局態(tài)勢感知、精確的目標(biāo)參數(shù)和威脅評估信息，輔助飛行員提高決策效率。由于涉及的傳感器種類繁多且融合策略復(fù)雜，飛行試驗中缺乏有效的評估方法對這一綜合能力進(jìn)行考核。針對這一問題，本文通過設(shè)計多傳感器組合方式、建立評價指標(biāo)體系以及構(gòu)建試飛對象典型使用場景和作戰(zhàn)場景，提出了一種面向多傳感器綜合探測的信息融合試飛方法，并在實際試飛過程中加以驗證，為機載傳感器信息融合功能的驗證與改進(jìn)提供支持。

關(guān)鍵詞：信息融合；綜合探測；飛行試驗；試飛方法；多傳感器

中圖分類號：V249文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.004

傳感器信息融合的內(nèi)涵是把來自多平臺多傳感器的數(shù)據(jù)加以關(guān)聯(lián)、組合，以獲取精確的目標(biāo)位置估計、完整的目標(biāo)身份估計，并對戰(zhàn)場情況、威脅及其重要程度進(jìn)行適度估計[1-3]。給飛行員提供更全面、精準(zhǔn)的態(tài)勢信息，去除冗余信息，減少飛行員作戰(zhàn)負(fù)荷。

信息融合始于1973年美國多聲吶信號融合，用于檢測敵方潛艇[4]，早期稱“數(shù)據(jù)融合”。20世紀(jì)80年代末，演變?yōu)椤靶畔⑷诤稀?，信息源由單傳感器拓展到多類介質(zhì)和技術(shù)手段，應(yīng)用拓展到各個領(lǐng)域，如自動目標(biāo)識別、戰(zhàn)場監(jiān)視、自動飛行器導(dǎo)航、機器人、遙感、醫(yī)療診斷、圖像處理、模式識別和復(fù)雜工業(yè)過程控制等[5]。在軍事領(lǐng)域，目前該項技術(shù)在歐洲“臺風(fēng)”“陣風(fēng)”，美國F-22、F-35等先進(jìn)戰(zhàn)斗機上均有應(yīng)用，“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機可通過雷達(dá)、敵我識別（IFF）、紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)（IRST）、電子支持措施（ESM）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)鏈獲取的外部源數(shù)據(jù)，為飛行員構(gòu)建統(tǒng)一的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢圖，并提供簡單的目標(biāo)提示功能，而F-35通過專門的MADL數(shù)據(jù)鏈，與其他武器系統(tǒng)形成態(tài)勢共享，可支持超視距攻擊，具有很強的協(xié)同作戰(zhàn)能力[6]。如今，國內(nèi)對無人機、預(yù)警機的傳感器數(shù)據(jù)融合已經(jīng)有了一定的研究[7-9]，越來越多的學(xué)者也致力于基于深度學(xué)習(xí)的融合方法的研究[10]，在各型飛機上也有相關(guān)應(yīng)用，但是還止步于航跡信息融合與綜合識別，與國外還有一定差距。

而在試飛領(lǐng)域，2013年，李靖等[11]在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)逐漸開始在機載航電系統(tǒng)中應(yīng)用時，分析了該項技術(shù)的作戰(zhàn)應(yīng)用，設(shè)計了基本的試飛方法，為試飛奠定了理論基礎(chǔ)。2014年，梁葆華等[12]在此基礎(chǔ)上提出了試飛結(jié)果的評價方法，并在實際飛行試驗中針對光電探測設(shè)備和雷達(dá)作為傳感器輸入的融合系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用。時至今日，隨著航電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，針對三代半飛機的多傳感器信息融合技術(shù)已經(jīng)基本成熟，而針對多傳感器信息融合綜合能力的驗證卻缺乏有效的考核方案，試飛方法與評估體系的發(fā)展尚不完善，亟須建立有效的信息融合試飛方法與評估指標(biāo)，對這一綜合能力進(jìn)行評判，為機載信息融合技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1融合原理

多傳感器信息融合利用是雷達(dá)、電抗、光電探測設(shè)備（光雷）、數(shù)據(jù)鏈對目標(biāo)進(jìn)行探測與偵察，各傳感器形成目標(biāo)航跡，上報至數(shù)據(jù)融合軟件（DF），而DF針對傳感器自身特點，設(shè)置合理的融合門限值，對目標(biāo)同一時刻的位置進(jìn)行門限判斷，從而判定是否融合。

以雷達(dá)、光雷目標(biāo)融合為例，兩個傳感器同時對目標(biāo)A進(jìn)行探測[13]，雷達(dá)將時標(biāo)、斜距、方位、俯仰角上報給DF，而光雷將時標(biāo)、方位、俯仰角、距離上報給DF，各自對目標(biāo)A形成兩條不同的航跡[14]，DF根據(jù)其上報的目標(biāo)信息進(jìn)行門限值判斷，當(dāng)通過門限值次數(shù)累計至一定比例后，可對目標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖1所示。

航跡融合的具體關(guān)聯(lián)流程為：DF獲取不同傳感器的時標(biāo)、經(jīng)緯度、斜距、方位、俯仰角等信息，結(jié)合本機慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對目標(biāo)信息進(jìn)行預(yù)處理，對于可能融合成功的目標(biāo)進(jìn)行粗門限判決，通過后進(jìn)行時空對準(zhǔn)，對該時刻目標(biāo)的位置信息進(jìn)行精門限判決，通過門限后進(jìn)行關(guān)聯(lián)解算，得到多目標(biāo)融合的信息：目標(biāo)編號、目標(biāo)運動信息（位置、速度、航向）、目標(biāo)識別信息（敵我屬性）等，如圖2所示。

2面向多傳感器綜合探測的信息融合試飛方法

機載多傳感器信息融合功能通過多源信息的關(guān)聯(lián)和融合，完成目標(biāo)的位置關(guān)聯(lián)和屬性綜合，形成對作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)各類目標(biāo)的準(zhǔn)確、完整描述，由于融合涉及的傳感器類型多且覆蓋范圍廣，如何通過試飛從整體性能出發(fā)對融合進(jìn)行綜合全面評估成為最大的難題，基于信息融合使用場景，結(jié)合正交試驗設(shè)計思想，對試飛方法進(jìn)行設(shè)計。通過試飛需求分析、任務(wù)分解、指標(biāo)建立和場景構(gòu)建，對融合功能進(jìn)行評估，如圖3所示。

2.1試飛需求分析

參與融合的信息源分別為雷達(dá)、光雷、電抗、數(shù)據(jù)鏈，根據(jù)實際飛行中機上態(tài)勢融合結(jié)果，結(jié)合試飛總線數(shù)據(jù)，面向設(shè)計，驗證融合過程是否符合設(shè)計要求，面向使用試飛，驗證融合輸出精度是否符合使用要求。

2.2信息融合試飛多傳感器組合方式設(shè)計

（1）面向設(shè)計

（2）面向使用試飛

主要考慮部隊作戰(zhàn)時，雷達(dá)受干擾/雷達(dá)故障、光雷激光測距失效/光雷故障、電抗故障，地面指揮所向機上發(fā)送數(shù)據(jù)鏈消息失敗等情況，由于傳感器故障狀態(tài)等效于該設(shè)備未參與融合，因此可與該設(shè)備去除時剩余傳感器的組合等效，不再重復(fù)驗證，剩余組合方式按傳感器數(shù)量進(jìn)行分類，見表2。

2.3信息融合評估指標(biāo)

機載多傳感器信息融合主要評估其融合的正確性，以及與基準(zhǔn)GPS比較，精度是否滿足使用要求。

對于融合正確性的判斷，首先判斷融合邏輯是否正確，即各傳感器是否通過設(shè)定的粗門限值與精門限才能進(jìn)行融合，其次對其設(shè)置門限值是否合理進(jìn)行判斷。

2.4試飛場景構(gòu)建

試飛場景構(gòu)建原則：（1）對接設(shè)計：驗證功能是否符合設(shè)計原則；（2）對接部隊：針對部隊日常作戰(zhàn)訓(xùn)練時典型使用場景，在試飛時進(jìn)行側(cè)重。根據(jù)以上設(shè)計原則，試飛場景構(gòu)建分兩部分進(jìn)行，其示意圖如圖4所示。

（1）理想條件下試飛場景

試飛時采用一架載機、一架目標(biāo)機迎頭對飛，在各傳感器狀態(tài)良好條件下開啟，對目標(biāo)機進(jìn)行探測，驗證穩(wěn)定平飛時各傳感器目標(biāo)融合效果。

（2）作戰(zhàn)條件下試飛場景

試飛時采用一架載機、1～2架目標(biāo)機迎頭對飛，對空域內(nèi)目標(biāo)機及其他威脅目標(biāo)進(jìn)行態(tài)勢感知，目標(biāo)機釋放干擾，驗證作戰(zhàn)條件時融合的效果。

3案例應(yīng)用及分析

選取場景2作戰(zhàn)場景，表2對雷達(dá)和光雷（測距失效）融合情況進(jìn)行說明。采用一架載機、一架上勢目標(biāo)機迎頭對飛，雙機距離80km，雷達(dá)、光雷正常工作，光雷不開激光測距，模擬測距功能失效時能否依靠DF對目標(biāo)信息進(jìn)行補充，融合輸出結(jié)果是否正確，精度是否滿足使用要求。

3.1融合正確性分析

融合正確性試飛考核主要是判斷融合邏輯的正確性，是否在門限內(nèi)正確融合。首先，在態(tài)勢畫面中該時間段內(nèi)雷達(dá)、光雷目標(biāo)穩(wěn)定融合，反推試驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，試飛中當(dāng)光雷不開啟激光測距時，光雷無法提供目標(biāo)斜距信息，因此雷達(dá)和光雷目標(biāo)依靠測角門限進(jìn)行融合，機體系方位角、俯仰角及其門限如圖5所示，以雷達(dá)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，畫出其上下門限，光雷測角數(shù)據(jù)均在融合門限內(nèi)，因此融合正確。

3.2融合精度分析

在融合邏輯正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析融合精度，當(dāng)光雷激光測距未開啟時，光雷無法測得目標(biāo)距離信息，只能測得其角度信息。

圖6（a）為雷達(dá)斜距與雙機GPS解算斜距對比及誤差值計算，融合結(jié)果由雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。圖6（b）為機體系方位角與雙機GPS解算角度對比及誤差值計算，由圖中可知，當(dāng)雷達(dá)和光雷同時測出機體系方位角時，以誤差更小的雷達(dá)數(shù)據(jù)作為該目標(biāo)的融合輸出。

當(dāng)光雷激光測距未開啟時，光雷只能得到目標(biāo)機角度信息，距離信息缺失，從融合后的結(jié)果看，目標(biāo)距離由融合后雷達(dá)的距離信息進(jìn)行補充，因此信息融合軟件能夠?qū)我粋鞲衅魈綔y目標(biāo)的缺失信息進(jìn)行補充。當(dāng)信息冗余時，選取誤差更小、更優(yōu)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

4結(jié)論

面向多傳感器綜合探測的信息融合利用傳感器信息的冗余，提高目標(biāo)探測識別的準(zhǔn)確性、連續(xù)性和穩(wěn)定性，對飛行員快速掌握戰(zhàn)場態(tài)勢信息有極大的幫助。本文從多傳感器綜合探測的信息融合設(shè)計原理出發(fā)，構(gòu)建試飛場景，結(jié)合正交試驗設(shè)計理念選取不同的傳感器組合，形成完整的試飛考核方法及評估體系，為后續(xù)信息融合試飛提供參考。

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Information Fusion Flight Test Method for Multi-sensor Comprehensive Detection

Zhang Beibei

Chinese Flight Test Establishment，Xian 710089，China

Abstract： Airborne sensor information fusion technology can intelligently analyze and synthesize information detected by multiple sensors， enabling combat aircraft to quickly obtain global battlefield situational awareness， accurate target parameters and threat assessment information， and assist pilots to improve decision-making efficiency. Due to the variety of sensors involved and the complex fusion strategy， there is a lack of effective methods to assess this comprehensive ability in flight tests. Based on this， this paper proposes an information fusion flight test method for multi-sensor comprehensive detection， which supports the verification of the airborne sensor information fusion function by constructing typical use scenarios of test flight objects， designing multi-sensor combination methods， and establishing evaluation indicators based on flight test results.

Key Words： information fusion； comprehensive detection； flight test； flight test method； multi-sensor