摘 要：提出一種主被動復合雷達導引頭數(shù)據(jù)融合" title="數(shù)據(jù)融合">數(shù)據(jù)融合器實現(xiàn)方案，并集中研究了主被動復合制導過程中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、狀態(tài)濾波等若干關(guān)鍵技術(shù)，為主被動數(shù)據(jù)融合器軟件和硬件系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：主被動復合制導? 復合導引頭? 數(shù)據(jù)融合器
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??? 為適應(yīng)復雜多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場，雷達導引頭采用多模復合制導已經(jīng)是大勢所趨。各種光電干擾的日益加劇以及各種目標特征控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用導致武器系統(tǒng)的命中精度和可靠性大大降低，依靠單一頻段或單一模式的制導武器難以適應(yīng)現(xiàn)代化作戰(zhàn)的需要，多模復合制導技術(shù)應(yīng)運而生。這種制導方式可以充分發(fā)揮多種頻段或多種制導體制的優(yōu)勢，以實現(xiàn)對目標的準確捕獲、跟蹤制導、命中目標以及評估打擊效果的戰(zhàn)術(shù)目的。
??? 文中導引頭采用主被動雷達雙模復合制導體制，主要用于對地面目標和其他低空目標進行作戰(zhàn)攻擊制導。主動雷達具有兩種工作模式：一種是HPRF PD模式，它在下視情況下檢測強雜波中的運動目標具有優(yōu)勢；另一種是步進調(diào)頻體制工作模式，它的高距離分辨力和高積累信噪比等特點是檢測靜止目標的有力手段。PD體制與步進調(diào)頻體制互相補充，揚長避短，與被動雷達相配合，可以極大地發(fā)揮系統(tǒng)效能。
1 數(shù)據(jù)融合器體系設(shè)計
考慮到該型導引頭上主被動雷達的特點，在選擇數(shù)據(jù)融合器融合結(jié)構(gòu)時，可以采用完全混合式結(jié)構(gòu)[1]。系統(tǒng)融合結(jié)構(gòu)采取混合式結(jié)構(gòu)，有利于融合性能最優(yōu)化，保證硬件系統(tǒng)魯棒性。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和接口劃分如圖1所示。
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??? 圖2給出了融合器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能模塊劃分。被動雷達具有獨立的處理模塊、控制回路和通信鏈路，可以在特定條件下分別獨立控制天饋系統(tǒng)，輸出目標狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的健壯性。主動雷達前端預(yù)處理模塊的程式化功能在FPGA模塊中實現(xiàn)，主動雷達信息處理的智能化模塊和融合器模塊可以配置在一個DSP中實現(xiàn)，此DSP模塊具有獨立的反饋控制回路和通信鏈路。如果將預(yù)處理功能用FPGA實現(xiàn)，則主動雷達的信號處理和融合器處理可以在一片TI的TMS320C6701 DSP中實現(xiàn)。FPGA對于處理程式化的預(yù)處理功能具有天然的優(yōu)勢。
2 關(guān)鍵技術(shù)研究
在設(shè)計融合器過程中，有如下幾個方面的關(guān)鍵算法：主被動雷達開機時間" title="開機時間">開機時間的確定、坐標轉(zhuǎn)換和制導信息的提取、數(shù)據(jù)相關(guān)和關(guān)聯(lián)、融合權(quán)系數(shù)選擇、濾波算法" title="濾波算法">濾波算法、角閃爍及其抑制等。
2.1 主動雷達開機時間的確定
主動雷達開機時間主要由被動雷達數(shù)據(jù)、慣導系統(tǒng)外推或者發(fā)射平臺數(shù)據(jù)鏈確定，本節(jié)主要考慮依據(jù)被動雷達量測數(shù)據(jù)進行距離外推確定主動雷達開機時間的問題。
單個被動雷達測量輻射源距離的方法有一點定位和動態(tài)定位。一點定位法要求已知目標位于某個平面上，測出目標與被動雷達連線到此平面的角，被動雷達到此平面的距離根據(jù)解析幾何即可以求出。該方法在衛(wèi)星偵察時常被采用。動態(tài)定位的原理是被動雷達基站在運動過程中對同一輻射源進行多次測量，將這些多次測量看成是處于多個測量點的多個偵察雷達對同一輻射源的同時測量。該方法要求被動雷達能夠快速機動運動，而且對方位角度精度要求高。
對于單站無源定位，總的趨勢是引入更多的相對信息，增強系統(tǒng)的可觀測性，加快算法收斂速度，增強算法穩(wěn)定性。在采用如上設(shè)計的融合器系統(tǒng)設(shè)計方案中，被動雷達截獲目標的情況下，被動定位精度完全可以滿足主被動交接班精度要求。如果結(jié)合捷聯(lián)慣導信息，則可以提供更好的定位性能和更好的抗干擾性能。
2.2 坐標變換與制導信息的提取
2.2.1坐標變換
在進行多傳感器數(shù)據(jù)融合之前，傳感器量測值或者傳感器級濾波輸出應(yīng)該轉(zhuǎn)換到同一公共坐標系下。圖3給出了濾波器可能涉及到的4個坐標系，基本涵蓋所有濾波算法的需要[2]。
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2.2.2 制導信息的提取
??? 文中導引頭應(yīng)用比例導引規(guī)律。比例導引制導的優(yōu)點在于它能夠有效地攻擊活動目標，在同樣的使用條件下，對導彈的過載要求比兩種追蹤導引法都小，其制導精度可以達到很高，受大氣的影響也較小，應(yīng)用最為普遍。它要求彈的橫向加速度與目標視線角速度成正比。這樣比例導引制導的導引頭的首要任務(wù)是跟蹤目標并測量出目標視線在慣性系的旋轉(zhuǎn)角速度。
基于現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)導彈體積小、自主性強、能對付大機動目標的發(fā)展需要及高性能數(shù)字信號處理器的快速發(fā)展，捷聯(lián)式平臺（SINS）[3]的研究越來越成為研究熱點之一。捷聯(lián)式平臺穩(wěn)定的優(yōu)點是減小了導引頭體積，且降低了研制成本，尤其適用于空間上有限制的戰(zhàn)術(shù)導彈。捷聯(lián)穩(wěn)定算法模塊實現(xiàn)如圖4所示。
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2.3 濾波算法
主被動導引頭融合器實現(xiàn)的核心是濾波算法。集中式" title="集中式">集中式卡爾曼濾波器（CKF）采用嚴格最優(yōu)估計方法對所有傳感器的信息進行集中處理。集中式卡爾曼濾波雖然在理論上可給出狀態(tài)的最優(yōu)估計，但其狀態(tài)維數(shù)高，導致計算負擔重，嚴重影響了濾波器的動態(tài)性能和實時性，且其容錯性能也一般。為解決這一問題，Carlson提出了聯(lián)邦濾波器(FKF)的概念。目前，美國空軍已將聯(lián)邦濾波器列為新一代導航系統(tǒng)的通用濾波器。
聯(lián)邦濾波器是一種具有兩級結(jié)構(gòu)的分布式濾波方法" title="濾波方法">濾波方法，它由若干個子濾波器和一個主濾波器組成，各個子濾波器獨立地進行時間更新和測量更新。主濾波器的功能有兩點：一是進行時間更新(這相當于是一個“影子”濾波器)；二是將各個濾波器的結(jié)果進行融合。融合后的結(jié)果可反饋到各個濾波器，作為下一個處理周期的初值。
在將各個濾波器的估計進行融合時，聯(lián)邦濾波器是將各個濾波器的信息全部進行融合。若某個傳感器發(fā)生軟故障，而且未被檢測出來，則會對全局的結(jié)果產(chǎn)生不利的影響；若故障被檢測出來, 則對應(yīng)的子濾波器的估計將被排除在信息融合之外,且信息要重新分配。而方差交叉濾波器是按比例地進行融合，可通過調(diào)節(jié)融合因子確定各個子系統(tǒng)的信息所占比例的大小。
參考文獻[4]將聯(lián)邦濾波和方差交叉濾波方法相結(jié)合，提出了一種對傳感器故障具有容錯性的分布式濾波方法。具體的做法是：采用聯(lián)邦濾波器的結(jié)構(gòu)，時間更新和信息分配過程均與聯(lián)邦濾波器相同, 只是在各子濾波器進行測量更新之后， 對各個子濾波器估計值的有效性(即殘差的大小) 進行檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果確定融合因子，當估計值的有效性下降時融合因子也下降，然后按方差交叉濾波方法進行融合。這樣，有軟故障的子濾波器的估計在融合中比例會自動下降。
2.4 相關(guān)和關(guān)聯(lián)
多傳感器多目標數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)形式主要有兩種：“觀測－航跡”關(guān)聯(lián)和“航跡－航跡”關(guān)聯(lián)。前者主要應(yīng)用于集中式融合結(jié)構(gòu)，而后者則主要應(yīng)用于分布式融合結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)采取混合式結(jié)構(gòu)，對于觀測點跡與系統(tǒng)航跡的關(guān)聯(lián)以及局部航跡與系統(tǒng)航跡的關(guān)聯(lián)都提出了要求。
“觀測－航跡”關(guān)聯(lián)就是融合中心對各傳感器送來的觀測和融合中心航跡關(guān)聯(lián)，以確定用哪些觀測量更新同一航跡。 “航跡－航跡”關(guān)聯(lián)，即各傳感器向融合中心提供的是經(jīng)過本地跟蹤處理得到的目標航跡，融合中心對各傳感器送來的目標航跡進行關(guān)聯(lián)，以確定哪些航跡來自同一目標。
??? 對應(yīng)“觀測－航跡”和“航跡－航跡”關(guān)聯(lián)兩種情況，對關(guān)聯(lián)上的主被動雷達數(shù)據(jù)進行融合處理以形成融合航跡的方式主要有兩種：一種是集中式融合，對各主被動雷達送來的觀測量進行最佳組合（這里兩者的觀測量是不同維數(shù)的，相關(guān)時可采用兩個角度數(shù)據(jù)依據(jù)一定的準則進行），形成融合的觀測量，然后用這一融合觀測量去中央級濾波形成融合航跡；另一種是分布式融合，對各傳感器送來的目標狀態(tài)矢量估計進行最佳組合形成融合航跡，這要求在融合器上的被動信號處理中采用被動跟蹤算法。在進行相關(guān)之前，主被動傳感器的數(shù)據(jù)要進行外推同步。
2.5 融合權(quán)系數(shù)選擇
對目標觀測和目標航跡的融合一般采取基于方差的融合加權(quán)方法。設(shè)用n個傳感器對某一目標進行測量，在線自適應(yīng)加權(quán)融合算法[5]的思想是在總均方誤差最小的條件下，根據(jù)各個傳感器得到的測量值以自適應(yīng)的方式尋找各個傳感器所對應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)因子，使融合后的目標觀測值達到最優(yōu)。
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最優(yōu)加權(quán)因子決定于各個傳感器的方差，可根據(jù)各個傳感器所提供的測量值，依據(jù)相應(yīng)的算法求出。這樣不但可以估計出相應(yīng)的方差，而且可以監(jiān)視傳感器性能的改變，從而實現(xiàn)最優(yōu)加權(quán)因子的動態(tài)在線調(diào)整。
2.6 角閃爍及其抑制
角閃爍是目標固有的特征信息[6]，是由于散射中心在距離單元內(nèi)的橫向分布造成的，反映了散射中心的橫向分布，是雷達目標識別的重要信息。參考文獻[6]提出了分布式角閃爍的概念，研究了利用距離像和分布式角閃爍進行融合目標識別的方法。另一方面，角閃爍給目標跟蹤帶來了極大影響。參考文獻[6]總結(jié)了數(shù)據(jù)處理抑制角閃爍的各種方法，其基本思想是將角閃爍模型轉(zhuǎn)化為具有某種統(tǒng)計特性的噪聲，較為廣泛的數(shù)據(jù)處理方法包括：預(yù)處理法、中值濾波法、擴展卡爾曼濾波（EKF）法、非線性度函數(shù)法、交互多模型（IMM）法、粒子濾波器法等，并在此基礎(chǔ)之上提出了一系列角閃爍抑制方法。
文章介紹了某型導引頭上主被動雷達數(shù)據(jù)融合器的軟硬件實現(xiàn)方案，在此基礎(chǔ)上，主要研究了融合器設(shè)計中數(shù)據(jù)相關(guān)和融合關(guān)鍵算法，解決了主被動復合制導中的問題。下一步的研究工作將結(jié)合主被動復合這一背景，研制適合于該背景下不同維數(shù)觀測量的相關(guān)和狀態(tài)融合算法。
參考文獻
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?1202.
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