CN101465071A - 多平台目标跟踪与分布交互仿真系统 - Google Patents
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Abstract
一种仿真技术领域的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，包括：目标生成模块、空中感知平台、应急处理平台、地面指控中心平台、HLA分布交互仿真模块，其中：目标生成模块随机生成系统跟踪目标；空中感知平台包含多种探测设备将探测信息融合处理后，传输到地面指控中心平台；地面指控中心平台综合所有现场信息，评估整个现场态势，即时做出应急决策；应急处理平台接收信息和指令，利用机载设备实现目标跟踪；HLA分布交互仿真模块将上述模块通过分布式网络构建HLA分布式体系结构，实现多信息网络互联。本发明具有灵活性、可扩展性，能够提高跟踪效果，并增强视景演示的可视性，可以广泛应用于公共安全、救灾援助等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿真技术领域的系统，具体是一种多平台目标跟踪与分布交互仿真系统。
背景技术
目前仿真领域常用的技术是高层体系结构(High Layer Architecture，HLA)分布交互仿真技术和基于VEGA、VR-Force等软件的三维虚拟现实技术、航迹及目标跟踪等先进技术，对公共安全事务这一领域进行技术运用与演示。
HLA(高层体系结构)是美国最新推出的在分布交互仿真(DistributedInteractive Simulation，DIS)基础上发展并最终将替代DIS的仿真体系结构，是分布交互式仿真系统的一种最新的高层结构形式，其核心是协议标准。HLA采用一致的结构、标准和算法，通过网络将分散在不同地理位置的不同类型的仿真应用和真实世界互联、互操作，建立一种人可以参与交互的综合环境。HLA具有时空一致性、互操作性和可伸缩性。HLA可以应用于多种时间管理方案；HLA将数据从框架结构中分离出来，改进了仿真对数据的需求；HLA采用组播方式，在仿真之间有选择地传输数据；HLA是围绕着仿真服务来建立的。
国内国防科技大学黄柯棣院士、航天二院李伯虎教授以及北航的赵沁平教授等都对HLA体系结构做过一定的研究，并开发了KD-RTI等软件包，为国内分布交互仿真研究奠定了基础，然而在仿真模拟演练方面，研究的比较多的是多战斗机直接对抗、城市漫游导航及游戏软件等，而随着现代航空电子对抗技术不断发展，分布交互仿真逐步向多平台、多源信息共享与综合利用方向发展，尤其公共安全迫切需要研究以多平台网络为中心的协同，如针对5.12大地震的多平台协同救援等。
虚拟现实(Virtual Reality，VR)是以计算机为核心的现代高新技术，可以生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境(VirtualEnvironment，VE)，用户可借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生真实环境的感受和体验。分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality，DVR)又称为分布式虚拟环境、网络化虚拟环境、多用户虚拟环境等，它将分散在不同地域的虚拟现实系统通过网络连接起来，多个用户在共享的虚拟环境中进行交互和协作，共同完成特定的任务。
经对现有技术文献的检索发现，在多传感器信息融合方面，韩红等人在《信息与控制》2004年第33卷第1期上发表了《分布式多传感器融合系统仿真设计》，该文提出了基于相控阵雷达系统和红外传感器的分布式融合系统的建模和仿真，并给出了一个在局域网内实现的仿真系统结构。其不足之处在于系统是单一平台，系统仿真单节点通讯采用普通局域网协议(UDP)限制了系统规模。而随着信息科技的发展，多平台协同探测与多传感器的分布式信息融合处理技术有了较大发展，而且多节点分布式仿真体系结构也进入了HLA时代，但现有技术已不能适应目前技术的发展要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，利用仿真技术与信息融合、目标跟踪等相关技术，进行复杂(含电子)环境下的空中感知平台、地面指控中心及应急处理平台、多传感器、多源信息的多目标联合监视、定位、协同跟踪与信息融合等功能演示与验证，模拟公共安全事件演练，并进行现场态势感知与评估，为灾难救援技术的发展提供实验依据和技术支持。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：目标生成模块、空中感知平台、应急处理平台、地面指控中心平台、HLA分布交互仿真模块，其中：
目标生成模块随机生成系统跟踪目标，该目标为空中感知平台进行探测以及应急处理平台进行跟踪救援的目标，目标生成模块生成跟踪目标后发送求救信息给地面指控中心平台；
空中感知平台接收地面指控中心平台发出的探测指令，使用雷达、红外传感器对目标的数据进行采集与处理，并将其获得的探测数据和建立的小范围态势传送到应急处理平台和地面指控中心平台，并根据地面指控中心平台的指控信号对目标进行跟踪；
应急处理平台对空中飞行器进行动力学仿真，控制仿真出的空中飞行器进行平台操作与跟踪模拟，根据地面指控中心平台的指控信号调整自身的运行状态和运行方向，实现对目标进行跟踪，同时也将自身的位置及姿态信息发送给地面指控中心平台和空中感知平台，应急处理平台对目标实现跟踪后，对目标实施救援操作，完成救援任务之后将处理结果发送给地面指控中心平台；
地面指控中心平台接收到目标生成模块发出的求救的信息，向空中感知平台发出探测指令，并接收空中感知平台上获取的传感器信息和现场环境信息，利用航迹跟踪实现对目标进行跟踪，并进行信息融合与数据处理，根据现场地理环境、装备部署、雷达探测图及应急人员部署等信息，进行全局态势评估，自动产生空中感知平台和应急处理平台的最优飞行路径，以及应急处理平台最佳应急方案，利用应急救援方案进行联合模拟演示验证；
HLA分布交互仿真模块将目标生成模块、空中感知平台、应急处理平台、地面指控中心平台通过分布式网络构建HLA分布式体系结构，实现传感器信息、预警信息、灾情信息、现场环境信息、地形数据信息及中心指挥信息网络互联，并通过无线、有线局域网络、制定安全的通讯协议、加密等方法实现网络信息的传输，保证数据链通讯的可靠性与安全性。
所述空中感知平台，包括：搭载模块、雷达探测模块、红外探测模块，其中：
搭载模块装载有雷达探测模块和红外探测模块，当搭载平台接收到地面指控中心平台的指令后进入飞行模拟状态，飞向指定位置并开启雷达探测模块和红外探测模块进行目标探测；
雷达探测模块负责仿真模拟雷达探测工作，接收雷达量测数据，根据目标的运动航迹和搭载平台的初始运动参数，计算搭载平台和目标的相对运动学参数；同时，根据设置的雷达基本参数，雷达基本参数包括：发射功率、天线增益、重频、天线扫描规律等，对目标进行扫描，计算生成目标回波、杂波背景和干扰信号，雷达探测模块利用回波扫描技术仿真雷达检测目标过程，并根据多谱勒频移信号特征提取目标的方位、距离、速度及角速度等信息；最后，完成脉冲压缩、动目标检测与显示(MTI、MTD)、测角、解模糊等雷达信号处理功能，并将探测到的目标数据(包括虚假目标)输出给地面控制中心平台；
红外探测模块建立在Vega开发平台基础上进行功能开发，仿真出对目标探测生成的红外图像，并将该图像传送给地面指控中心进行数据融合处理。
所述雷达探测模块，包括：雷达模拟模块和雷达总控模块，雷达总控模块作为雷达探测模块的人机对话界面，并将人机交互数据出送给雷达模拟模块，雷达模拟模块和雷达总控模块之间通过TCP/IP网络协议实现通讯，雷达模拟模块接收目标数据输入进行模拟运算，采用交互式多模型(Interactive MultipleModel，IMM)方法交互完成滤波工作，并对目标运动状态做出预测，用来控制雷达波束指向角，将回波及信号处理的模拟结果输出。
所述红外探测模块，其可生成从可见光到远红外间各个波段的仿真图像，用来进行红外传感器的实时仿真，红外探测模块工作前必须对参数进行设置，包括场景中物体表面纹理的材质属性、大气数据库、红外光谱特性等。
所述红外探测模块，从搭载平台得到自身的位置和方向后，利用几何流水线中的光照、纹理和雾化等，以W/cm2/sr为单位计算出每个像素的辐射度并输出为图像，红外探测模块的辐射度由下列因素确定：阳光的散射、月亮的反射、镜面反射、天空环境的反射、热辐射、传输路径的辐射和散射。
所述地面指控中心平台，其根据空中感知平台传回的雷达及红外图像信息进行信息融合处理，采用分站测量与集中式融合方法进行信息融合处理，其中集中式融合是指将来自各个传感器的测量组成一个新的测量值，然后应用滤波算法估计目标状态；分站测量融合是指由雷达、红外都测量目标的方位角信息，首先进行方位角信息测量融合，然后与距离信息扩维后滤波，以降低测量维数。地面指控中心平台中进行信息融合的数据为基于雷达和红外目标跟踪形成的局部航迹，完成航迹关联融合，然后根据全局环境中空中感知平台、应急处理平台传回的相关的数据，进行全局态势评估；地面指控中心平台将所有平台位置、速度等数据传递给航迹跟踪模块，航迹跟踪模块使用跟踪算法计算生成应急处理平台的应急路线和速度，并向应急处理平台发送命令交互信息，交互信息包括应急目的地、优化航路、目标任务等。
所述地面指控中心平台，其核心模块为航迹跟踪模块，航迹跟踪模块采用Singer模型对目标的航迹跟踪，Singer模型是一种全局统计模型，是一种适合多种机动目标类型的模型，并且Singer模型用有色噪声而不是白噪声描述目标的机动加速度，可以根据需要跟踪机动程度的不同设定不同的参数，因此更为切合实际，该模型形式简单，航迹跟踪模块采用的一步稳态外推预测与JPDA-IMM两个算法对具有Singer模型机动的目标进行跟踪演示，其中，对于简单的单目标跟踪，航迹跟踪模块采用一步状态预测稳态滤波器方法，进行航迹跟踪；对于多目标航迹融合，采用联合概率数据关联方法(Joint Probability DataAssociation，JPDA)和交互式多模型方法(IMM)相结合，JPDA方法用于雷达量测与航迹进行关联，包括确认矩阵、可行事件、互联概率等的计算，IMM方法通过多模型交互完成滤波工作，并对目标运动状态做出预测。
所述HLA分布交互仿真模块，其采用基于HLA的分布交互的虚拟现实仿真技术，将各个系统仿真平台通过RTI协议进行网络互联，采用HLA分布式体系结构，将空中感知平台、地面指控中心平台及应急处理平台通过分布式网络，实现传感器信息、预警信息、灾情信息、现场环境信息、地形数据信息及中心指挥信息网络互联，并通过无线、有线局域网络、制定安全的通讯协议、加密等方法实现网络信息的传输，保证数据链通讯的可靠性与安全性，从而最大程度地进行资源共享与信息交互，具有开放式体系结构，有效解决了公共应急事件处理预案演练的灵活性、机动性、逼真度和价格成本之间的矛盾。
所述空中感知平台、地面指控中心平台、应急处理平台其根据仿真任务需求，规划出整个仿真系统的联邦对象模型(Federate Object Model，FOM)，以提供联邦成员间公共的、标准化的格式进行数据交换的规范，联邦对象模型描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象属性、交互类、交互类参数的特性，每个平台将自己需要发布的对象属性发布到网络上，根据FOM表，只有对该属性感兴趣的平台才会接受该数据；对于交互信息，发送平台需要在交互参数中给出该交互的接受对象，也就是该交互的作用对象，依据FOM表规范了各个平台需要发布和接收的数据，各个仿真平台间就能通过HLA实现数据交互，构建出一个整体的仿真环境。
本发明工作时，在距离目标较远时采用基于空中感知平台雷达探测模块进行点目标探测，如遇险船只等目标，此范围地面指控中心平台主要进行航迹层数据融合；在离目标较近时，由空中感知平台启动红外探测模块，探测目标的图像，地面指控中心平台进行目标的校准、识别与跟踪等像目标层融合；当救援目标进入可视视距内时，空中感知平台进行雷达、红外传感器协同探测。在地面指控中心平台级形成初步多源数据融合，对目标图象识别与定位，并发指令跟踪、救援等命令，由应急处理平台实现跟踪、救援演示任务，显示救援场景多目标跟踪态势。
本发明基于HLA的多平台符合仿真系统发展方向，基于HLA的仿真系统易于扩展与移植，具有灵活性、可扩展性、兼容性等优良品质，从而可以构建更大规模的仿真系统；将网络信息化技术与分布式协同技术运用到公共安全事务演示系统，突破了以往的规模限制、地域限制，从而可以实现多部门、多相关机构间的有效协调演练，降低实际演习成本代价；将多传感器信息融合技术运用于目标跟踪与视景演示系统，克服了单一传感器的不足，可以采集目标对象的多种信息，对目标对象进行全面立体感知，有效提高跟踪效果，并增强视景演示的可视性。本发明可以广泛应用于公共安全、救灾援助、事故抢险等各类民用系统中。
附图说明
图1是本发明的系统总体框图；
图2是本发明的应急处理平台中飞机仿真模型的组成示意图；
图3是本发明的应急处理平台中飞机仿真模型的解算过程；
图4是本发明的雷达探测模块组成及功能实现示意图；
图5是本发明的地面指控中心平台对雷达和红外传感器测量级融合跟踪图；
图6是本发明的部分组成模块信息交互图；
图7是本发明的空中感知平台联邦成员仿真流程图；
图8是本发明的空中感知平台进行巡航时的仿真图；
图9是本发明的应急处理平台跟踪目标的仿真图；
图10是本发明的地面指控中心平台建立的多目标实时态势仿真图；
图11是本发明的雷达探测模块目标跟踪仿真图；
图12是本发明的雷达探测模块的雷达频谱图；
图中，图(a)为雷达频谱的三维立体图，图(b)为雷达频谱的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例应用于近海海难搜救，在天气条件恶劣的情况下负责对遇险人员和船只进行紧急搜救。
如图1所示，本实施例包括：目标生成模块、地面指控中心平台、空中感知平台、应急处理平台、HLA分布交互仿真模块，其中：
目标生成模块随机生成系统跟踪目标，跟踪目标为遇难船只或移动车辆等，该目标为空中感知平台进行探测以及应急处理平台进行跟踪救援的目标；
空中感知平台接收到地面指控中心平台的指令后进入飞行模拟状态，飞向指定位置并开启雷达探测模块进行目标探测，空中感知平台从数据库读取大气模型参数和飞行控制数据，通过动力学解算得到各个时刻的瞬时位置信息和姿态信息实现飞行仿真，并通过网络发布到地面指控中心平台、应急处理平台，同时雷达探测模块根据设定参数对探测区域进行扫描并接收回波，对回波信号处理，发现并确定目标后，雷达探测模块根据雷达回波强度及多谱勒频移等数据进行处理，计算出目标位置及运动数据并将其发送给地面指控中心，空中感知平台利用地面指控中心平台中的航迹跟踪模块进行目标跟踪，当目标进入空中感知平台可视范围内之后，空中感知平台启动红外探测模块进行目标跟踪，红外探测模块从数据库获取大气、温度、天气、目标材质以及目标的方位姿态等信息，通过计算生成目标的红外图形信息，并将图像信息发送给地面指控中心。
地面指控中心平台接到目标生成模块的求救信号后，随即向空中感知平台发布出发探测指令，并对空中感知平台传回的雷达及红外图像信息进行信息融合处理，采用分站测量与集中式融合方法进行信息融合处理，其中集中式融合是指将来自各个传感器的测量组成一个新的测量值，然后应用滤波算法估计目标状态；分站测量融合是指由雷达、红外都测量目标的方位角信息，首先进行方位角信息测量融合，然后与距离信息扩维后滤波，以降低测量维数。地面指控中心平台中进行信息融合的数据为基于雷达和红外目标跟踪形成的局部航迹，完成航迹关联融合，然后根据全局环境中空中感知平台、应急处理平台传回的相关的数据，进行全局态势评估，如图5所示；地面指控中心平台将所有平台位置、速度等数据传递给航迹跟踪模块，航迹跟踪模块使用跟踪算法计算生成应急处理平台的应急路线和速度，并向应急处理平台发送命令交互信息，交互信息包括应急目的地、优化航路、目标任务等。
应急处理平台根据地面指控中心平台的指挥，利用人机界面控制平台按照地面指控中心的命令飞行，对目标进行跟踪救援，同时即时绘制跟踪目标的二维航迹，给出应急处理平台小范围内的二维场景态势，应急处理平台实现对目标跟踪后，向目标发送救援交互，实施救援操作，待救援目标发出成功救援交互后，应急处理平台完成任务，应急处理平台完成任务后将处理结果发送给地面指控中心平台；
HLA分布交互仿真模块将目标生成模块、空中感知平台、应急处理平台、地面指控中心平台通过分布式网络构建HLA分布式体系结构，实现传感器信息、预警信息、灾情信息、现场环境信息、地形数据信息及中心指挥信息网络互联，并通过无线、有线局域网络、制定安全的通讯协议、加密等方法实现网络信息的传输，保证数据链通讯的可靠性与安全性。
各个平台开始仿真后，每隔一个时间间隔向HLA系统网络发送一次自身的状态属性，以便对其感兴趣的平台获得状态数据，这个过程中，数据的发送和接受都是根据FOM表来进行的。
如图2所示，所述应急处理平台，其仿真的空中飞行器包括：操纵系统模型、发动机系统模型、气动参数模型、标准大气模型、运动方程组模型，根据仿真目标和现有的技术条件，对这几个模型进行了适当的简化，即在以下几条假定下建立空中飞行器的运动方程：
(a)“平面大地”假设：即不考虑地球曲率和旋转；
(b)“平静大气”假设：即假定无风，但是在定义坐标系和运动变量时考虑风的存在；
(c)关于飞行平台的假设：飞行平台具有纵对称平面x-o-y，惯性积Iyz＝Izx＝0；飞行平台为刚体，质量为常数。
如图3所示，所述应急处理平台，其通过操作界面按钮实现平台人机交互操控，应急处理平台接受输入的操控数据，并根据操控数据进行动力学仿真模型解算，具体如下：根据空气动力学、起落架状态及发动机参数，由模型动力学方程解算出模型的位置数据(高度、经度和纬度)及模型的姿态数据(俯仰角、横滚角和航向角)，设定气动系数，由空气动力方程模型输出气动力矩和气动力；将气动力矩、起落架数据和发动机输出力矩作为输入参数，解算出应急处理平台所受力矩；根据力矩方程依次得到角加速度，由角加速度得到角速度，从而得到平台的姿态数据(俯仰角、横滚角和航向角)。将空气动力输出的气动力、起落架数据及发动机输出的推力数据作为输入参数，经过计算得到平台所受力，由此计算得到平台加速度，然后依次可得到平台的速度；最后，根据平台的运动参数，计算得到平台的位置数据(高度、经度和纬度)。
所述目标生成模块、地面指控中心平台、空中感知平台、应急处理平台，均在本地计算机上为远程平台建立属性表，远程平台发布的位置信息、毁伤状态等信息被保存在属性表中，当本地平台需要处理远程平台数据时，就直接从该属性表上取得数据，从而提高了仿真系统的性能。
如图4所示，所述雷达探测模块，包括：雷达模拟模块和雷达总控模块，雷达总控模块作为雷达探测模块的人机对话界面，并将人机交互数据出送给雷达模拟模块，雷达模拟模块和雷达总控模块之间通过TCP/IP网络协议实现通讯，雷达模拟模块接收目标数据输入进行模拟运算，采用交互式多模型(IMM)方法交互完成滤波工作，并对目标运动状态做出预测，用来控制雷达波束指向角，将回波及信号处理的模拟结果输出。
所述红外探测模块，从搭载平台得到自身的位置和方向后，利用几何流水线中的光照、纹理和雾化等，以W/cm2/sr为单位计算出每个像素的辐射度并输出为图像，红外探测模块的辐射度方程包含以下成分：阳光的散射、月亮的反射、镜面反射、天空环境的反射、热辐射、传输路径的辐射和散射等，红外探测模块所述采用的辐射度方程为：
Lapparent＝Lambient·REF·Tpath+Ldirect·cos(ang)·REF·(1-frac)·Tpath
+Ldirect·fang·REF·norm·frac·Tpath+Lthermal·(1-REF)·Tpath
+Lpath·(1-Tpath)
其中：Lapparent为传感器观察窗口接收到的辐射亮度；Lambientt为天空的辐射亮度；Ldirect太阳或月亮的入射辐射亮度(根据仿真时间确定)；Ltherma，为绝对黑体表面辐射亮度；Lpath为场景中心视线的大气通路的辐射亮度；Tpath是场景中心视线的大气通路的透过率；REF表面材质的反射系数；cos(ang)表示太阳/月亮的入射方位与物体表面法线之间夹角的余弦(小于0则设为0)；frac为太阳/月亮的入射辐射亮度被镜面反射的比例；norm为镜面标准化因数；fang是观察方向与镜面反射方向角度。辐射度方程式一共分成五部分，分别表示的是从物体反射的环境光、漫反射光和镜面反射光以及物体的自身的辐射和大气的辐射。利用这个辐射度方程，就可以基本实现对红外场景的仿真。
所述空中感知平台、地面指控中心平台、应急处理平台其根据仿真任务需求，规划出整个仿真系统的联邦对象模型(FOM)，以提供联邦成员间公共的、标准化的格式进行数据交换的规范，联邦对象模型描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象属性、交互类、交互类参数的特性，每个平台将自己需要发布的对象属性发布到网络上，根据FOM表，只有对该属性感兴趣的平台才会接受该数据；对于交互信息，发送平台需要在交互参数中给出该交互的接受对象，也就是该交互的作用对象，依据FOM表规范了各个平台需要发布和接收的数据，各个仿真平台间就能通过HLA实现数据交互，构建出一个整体的仿真环境。
如图6所示，为实施例中部分组成平台间信息流交互图，空中感知平台包含多种探测设备将探测信息融合处理后，传输到地面指控中心平台，地面指控中心平台综合所有现场信息，评估整个现场态势，即时做出应急决策。应急处理平台接收信息和指令，利用机载设备实现目标跟踪。
本实施例中，各个组成平台利用VR-Link作为各平台交互和互联通讯的基础平台。同时，为了能够直观显示仿真过程和结果，使用Vega软件来实现虚拟现实三维演示。系统使用VC++多线程编程开发联邦成员，VR-Link线程实现联邦成员管理、模型仿真和通信；Vega线程通过VR-Link从网络得到本地和远程实体运动数据驱动三维模型，实现仿真效果的三维视景、现场态势演示；VC++ MFC实现人机交互界面。图7是空中感知平台联邦成员仿真流程图，以此为例论述联邦成员开发流程，具体如下：
VR-Link线程中，DtExerciseConn是联邦成员与整个联邦的接口类，联邦成员首先进行系统初始化，创建并加入联邦执行，注册空中感知平台实例和回调函数。仿真系统启动后，联邦成员通过它与联邦中的其它成员进行通讯，函数DtExerciseConn::drainInput()接收远程联邦成员发送的对象属性更新和交互参数等数据，DtExerciseConn::sendStamped()实现带有时间戳的交互类的发送。VR-Link为每一个本地或远程实体都提供一个状态库。本地实体的状态通过与联邦的接口类DtEntityPublisher::tick()发布到HLA网络当中。当从HLA网络中收到远程实体状态的时候，将其加入到远程实体映射列表DtReflectedEntityList中。当本地仿真程序需要使用远程实体的状态数据时，就可以从本地获取，这样可以大大加快仿真的速度。本地联邦成员接收到远程成员发送的交互后，通过注册的回调函数对其做出“反应”。空中感知平台平台不断接收交互信息来确定自身是否被敌机击中，如果被击中摧毁，则空中感知平台首先发送一个自身被摧毁的交互给其他平台，然后空中感知平台退出联邦执行，结束仿真。如果空中感知平台没有被击中，则不断进行目标探测，如果发现目标，则将目标信息通过网络发送出去。仿真过程中，空中感知平台每一循环请求一次时间推进，仿真没有结束则不断重复这一仿真过程知道仿真结束。
空中感知平台联邦成员的视景演示线程实现平台三维演示。仿真开始后首先初始化三维虚拟演示环境，进行特效初始化、加载场景配置文件，然后进入虚拟现实帧循环。循环过程中，不断从VR-Link现场获得三维模型的状态数据和位置数据等信息，通过不断更新模型数据，从而产生三维模型在虚拟场景中的运动效果。
本实施例的仿真演示过程可以分成如下三个阶段，重点包括：二维态势标绘、大范围三维场景漫游与驱动、雷达界面实时显示、多目标跟踪与航迹融合效果，具体如下：
(1)距离目标100km—20km采用基于空中感知平台雷达探测模块进行点目标探测，如遇险船只等目标，此范围地面指控中心平台主要进行航迹层数据融合；
(2)距离目标10km以内由空中感知平台启动红外探测模块，探测目标的图像，地面指控中心平台进行目标的校准、识别与跟踪等像目标层融合；
(3)当救援目标进入可视视距内时，空中感知平台进行雷达、红外传感器协同探测。在地面指控中心平台级形成初步多源数据融合，对目标图象识别与定位，并发指令跟踪、救援等命令，实现演示任务，显示救援场景多目标跟踪态势。
仿真结果
仿真测试数据：Vega三维演示线程循环1000帧平均时间为34.3s，帧刷新频率约为30Hz；网络数据流量平均11.4KB/s。通过仿真演练，本实施例能够根据设定的紧急事件顺利进行，仿真同步性较好，网络资源占用较少，三维演示自然顺畅达到很好的现场观摩效果，系统设计基本符合技术要求。
图8～12是部分仿真截图和界面。通过演示，能够逼真地演示仿真效果，图8显示空中感知平台进行空中巡逻探测的仿真图，图9显示应急处理平台接收指令后进行目标跟踪的仿真图，图10显示了地面指控中心平台所演示的虚拟环境中的实时态势图。图11显示了雷达探测模块对目标的跟踪界面仿真图，图12显示对雷达接收信号的频谱分析，通过仿真过程和结果演示，系统各平台间信息交互顺畅，平台间协作协调，作为一个整体系统实现了单个平台不能实现的功能。
Claims (10)
1、一种多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征在于，包括：目标生成模块、空中感知平台、应急处理平台、地面指控中心平台、HLA分布交互仿真模块，其中：
目标生成模块随机生成系统跟踪目标，该目标为空中感知平台进行探测以及应急处理平台进行跟踪救援的目标，目标生成模块生成跟踪目标后发送求救信息给地面指控中心平台；
空中感知平台接收地面指控中心平台发出的探测指令，使用雷达、红外传感器对目标的数据进行采集与处理，并将其获得的探测数据和建立的小范围态势传送到应急处理平台和地面指控中心平台，并根据地面指控中心平台的指控信号对目标进行跟踪；
应急处理平台对空中飞行器进行动力学仿真，控制仿真出的空中飞行器进行平台操作与跟踪模拟，根据地面指控中心平台的指控信号调整自身的运行状态和运行方向，实现对目标跟踪，同时也将自身的位置及姿态信息发送给地面指控中心平台和空中感知平台，应急处理平台对目标实现跟踪后，对目标实施救援操作，完成救援任务之后将处理结果发送给地面指控中心平台；
地面指控中心平台接收到目标生成模块发出的求救的信息，向空中感知平台发出探测指令，并接收空中感知平台上获取的传感器信息和现场环境信息，利用航迹跟踪实现对目标进行跟踪，并进行信息融合与数据处理，根据现场地理环境、装备部署、雷达探测图及应急人员部署信息，进行全局态势评估，自动产生空中感知平台和应急处理平台的最优飞行路径，以及应急处理平台最佳应急方案，利用应急救援方案进行联合模拟演示验证；
HLA分布交互仿真模块将目标生成模块、空中感知平台、应急处理平台、地面指控中心平台通过分布式网络构建HLA分布式体系结构，实现传感器信息、预警信息、灾情信息、现场环境信息、地形数据信息及中心指挥信息网络互联，并通过无线、有线局域网络、制定安全的通讯协议、加密方法实现网络信息的传输。
2、根据权利要求1所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述空中感知平台，包括：搭载模块、雷达探测模块、红外探测模块，其中：
搭载模块装载有雷达探测模块和红外探测模块，当搭载平台接收到地面指控中心平台的指令后进入飞行模拟状态，飞向指定位置并开启雷达探测模块和红外探测模块进行目标探测；
雷达探测模块负责仿真模拟雷达探测工作，接收雷达量测数据，根据目标的运动航迹和搭载平台的初始运动参数，计算搭载平台和目标的相对运动学参数；同时，根据设置的雷达基本参数，雷达基本参数包括：发射功率、天线增益、重频、天线扫描规律，对目标进行扫描，计算生成目标回波、杂波背景和干扰信号，雷达探测模块利用回波扫描技术仿真雷达检测目标过程，并根据多谱勒频移信号特征提取目标的方位、距离、速度及角速度信息；最后，完成脉冲压缩、动目标检测与显示、测角、解模糊的雷达信号处理功能，并将探测到的目标数据输出给地面控制中心平台；
红外探测模块建立在Vega开发平台基础上进行功能开发，仿真出对目标探测生成的红外图像，并将该图像传送给地面指控中心平台进行数据融合处理。
3、根据权利要求2所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述雷达探测模块，包括：雷达模拟模块和雷达总控模块，雷达总控模块作为雷达探测模块的人机对话界面，并将人机交互数据出送给雷达模拟模块，雷达模拟模块和雷达总控模块之间通过TCP/IP网络协议实现通讯，雷达模拟模块接收目标数据输入进行模拟运算，采用交互式多模型方法交互完成滤波工作，并对目标运动状态做出预测，用来控制雷达波束指向角，将回波及信号处理的模拟结果输出。
4、根据权利要求2所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述红外探测模块，其生成从可见光到远红外间各个波段的仿真图像，用来进行红外传感器的实时仿真，红外探测模块工作前必须对参数进行设置，包括场景中物体表面纹理的材质属性、大气数据库、红外光谱特性。
5、根据权利要求1或4所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述红外探测模块，从搭载平台得到自身的位置和方向后，利用几何流水线中的光照、纹理和雾化，以W/cm2/sr为单位计算出每个像素的辐射度并输出为图像，红外探测模块的辐射度由下列因素确定：阳光的散射、月亮的反射、镜面反射、天空环境的反射、热辐射、传输路径的辐射和散射。
6、根据权利要求1所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述地面指控中心平台，其根据空中感知平台传回的雷达及红外图像信息进行信息融合处理，采用分站测量与集中式融合方法进行信息融合处理，其中集中式融合是指将来自各个传感器的测量组成一个新的测量值，然后应用滤波算法估计目标状态；分站测量融合是指由雷达、红外都测量目标的方位角信息，首先进行方位角信息测量融合，然后与距离信息扩维后滤波，以降低测量维数，地面指控中心平台中进行信息融合的数据为基于雷达和红外目标跟踪形成的局部航迹，完成航迹关联融合，然后根据全局环境中空中感知平台、应急处理平台传回的相关的数据，进行全局态势评估；地面指控中心平台将所有平台位置、速度数据传递给航迹跟踪模块，航迹跟踪模块使用跟踪算法计算生成应急处理平台的应急路线和速度，并向应急处理平台发送命令交互信息，交互信息包括应急目的地、优化航路、目标任务。
7、根据权利要求1或6所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述地面指控中心平台，其核心模块为航迹跟踪模块，航迹跟踪模块采用Singer模型对目标的航迹跟踪，Singer模型是一种全局统计模型，是一种适合多种机动目标类型的模型，并且Singer模型用有色噪声描述目标的机动加速度，根据需要跟踪机动程度的不同设定不同的参数，航迹跟踪模块采用的一步稳态外推预测与JPDA-IMM两个方法对具有Singer模型机动的目标进行跟踪演示，其中，对于简单的单目标跟踪，航迹跟踪模块采用一步状态预测稳态滤波器方法，进行航迹跟踪；对于多目标航迹融合，采用JPDA方法和IMM方法相结合，JPDA方法用于雷达量测与航迹进行关联，包括确认矩阵、可行事件、互联概率的计算，IMM方法通过多模型交互完成滤波工作，并对目标运动状态做出预测。
8、根据权利要求1所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述HLA分布交互仿真模块，其采用基于HLA的分布交互的虚拟现实仿真技术，将各个系统仿真平台通过RTI协议进行网络互联，采用HLA分布式体系结构，将空中感知平台、地面指控中心平台及应急处理平台通过分布式网络，实现传感器信息、预警信息、灾情信息、现场环境信息、地形数据信息及中心指挥信息网络互联，并通过无线、有线局域网络、制定安全的通讯协议、加密方法实现网络信息的传输，保证数据链通讯的可靠性与安全性。
9、根据权利要求1所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述目标生成模块、地面指控中心平台、空中感知平台、应急处理平台，均在本地计算机上为远程平台建立属性表，远程平台发布的位置信息、毁伤状态信息被保存在属性表中，当本地平台需要处理远程平台数据时，就直接从该属性表上取得数据。
10、根据权利要求1或9所述的多平台目标跟踪与分布交互仿真系统，其特征是，所述空中感知平台、地面指控中心平台、应急处理平台其根据仿真任务需求，规划出整个仿真系统的联邦对象模型，以提供联邦成员间公共的、标准化的格式进行数据交换的规范，联邦对象模型描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象属性、交互类、交互类参数的特性，每个平台将自己需要发布的对象属性发布到网络上，根据联邦对象模型表，只有对该属性感兴趣的平台才会接受该数据；对于交互信息，发送平台需要在交互参数中给出该交互的接受对象，也就是该交互的作用对象，依据联邦对象模型表规范了各个平台需要发布和接收的数据，各个仿真平台间就能通过HLA实现数据交互，构建出一个整体的仿真环境。
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