CN105676170B - 一种用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法，包含以下步骤：一、利用测向交叉定位原理对二个平台获取的点迹进行计算，求出所有可能目标点迹；二、计算所有可能目标点迹到三个平台的角度测量线的距离，选出到三个距离都小于门限的可能目标点迹作为可能真实点迹；三、计算可能真实点迹到三个平台的角度测量线的距离之和，并对距离之和进行排序，根据可能的目标数目n选出距离之和最小的n个点迹，作为真实目标的测量点迹；四、利用最近邻数据关联方法将真实目标的测量点迹与中心航迹进行关联，并进行航迹的起始以及删除。本发明利用多重门限技术删除了大部分的虚假点，减小了后续数据关联时的数据处理计算量。

Description

一种用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法

技术领域

本发明涉及机载航电综合领域，属于多平台传感器信息融合协同探测技术，主要提出了利用多重门限以及航迹关联相结合的方式进行多目标无源定位与跟踪，适用于多机或多平台协同多目标无源定位与跟踪过程中虚假点的去除。

背景技术

使用雷达、激光、声纳等有源设备对目标进行定位的方法，称为有源定位，它具有全天候、高精度等优点。但有源定位系统靠的是发射大功率信号，这样很容易暴露自己，从而遭受到对方电子干扰的软杀伤和反辐射导弹(ARM)等硬杀伤武器的攻击，使定位精度受到很大影响，甚至影响到系统自身的安全。利用目标有意和无意的辐射来进行定位的方式称为辐射源无源定位。它通过对目标辐射源信号的截获、测量获得目标的位置和航迹。这种定位方法具有作用距离远，隐蔽性好等优点。

随着航空技术和军用电子技术的飞速发展，电子战在现代战争中的地位和作用不断提高。从近年来发生的多次高科技局部战争可以看出：围绕雷达的电子干扰/抗干扰、反辐射导弹的应用、低空突防技术的发展、隐身技术，这四大威胁给雷达主动探测定位带来了一系列的新的挑战。在越来越强调隐蔽攻击和硬杀伤的发展趋势下，采用被动方式工作的无源定位方法，越来越受到重视。因此，无源定位逐渐成为机载对地/对空/对海攻击、现代一体化防空系统以及对付隐身目标的预警系统的重要组成部分，对于提高武器系统在电子战环境下的生存能力和作战能力具有十分重要的作用。

在多站无源定位与跟踪系统中，由于距离信息的缺失，在多目标的情况下，就会产生如何有效地消除虚假目标的问题。这个问题是这样产生的：下面以两个平台为例进行说明，假设在某一时刻存在着两个目标，平台A获得两个观测值分别是A1和A2，平台B获得两个观测值分别是B1和B2，定位过程需要联合平台A和平台B的量测才能计算出目标的位置，由观测量所计算出的目标点数为：(A1，B1)，(A1，B2)，(A2，B1)，(A2，B2)。

由此可知，解算得到的目标点数远远大于实际的目标点数，即存在虚假目标点的情况。同时，虚假点的数目还会随着目标数与平台数的增多而增多。这种情况如果得不到有效消除，会在无源定位与跟踪解算的过程中生成大量虚假航迹。因此，必须寻求一种有效的方法，使之能够解决多目标情况下多平台无源定位与跟踪时的虚假目标点去除问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法，能够有效去除多目标无源定位与跟踪解算过程时产生的虚假点的方法，进而避免生成大量的虚假航迹。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法，包含以下步骤：

步骤一、利用测向交叉定位原理对二个平台获取的点迹进行计算，求出所有可能目标点迹；

步骤二、计算所有可能目标点迹到三个平台的角度测量线的距离，选出到三个平台的角度测量线的距离都小于门限的可能目标点迹作为可能真实点迹；

步骤三、计算可能真实点迹到三个平台的角度测量线的距离之和，并对距离之和进行排序，根据可能的目标数目n选出距离之和最小的n个点迹，作为真实目标的测量点迹；

步骤四、利用最近邻数据关联方法将真实目标的测量点迹与固定航迹、暂时航迹进行关联，以及根据一定的航迹起始、删除规则进行航迹的起始以及删除。

优选地，所述步骤一，选择二个距离最远的平台进行可能目标点迹的计算。

优选地，所述门限的定义如下：

其中，R为可能目标点迹到各个平台的角度测量线的距离，x，y，z为可能目标点迹在直角坐标系中的坐标，x_si，y_si，z_si为各个平台在直角坐标系中的坐标，为平台的俯仰角和方位角测量方差，其中i＝1，2，3。

优选地，所述航迹起始、删除规则为：

一、当一帧扫描完成，先将真实目标的测量点迹与各固定航迹进行关联，对关联成功的真实目标的测量点迹进行滤波处理并更新固定航迹档案；然后将与固定航迹关联不成功的真实目标的测量点迹与各暂时航迹进行关联，利用关联成功的真实目标的测量点迹更新暂时航迹数据；再后将与暂时航迹关联不成功的真实目标的测量点迹与上一帧的孤立点迹进行关联，起始新的暂时航迹；最后剩余点迹成为这一帧的孤立点迹；

二、观察相邻的4个帧，若暂时航迹有3次相关成功，则这条暂时航迹提升为固定航迹；

三、当固定航迹满足以下任意一个条件，就删除航迹：

条件之一：固定航迹若连续3帧相关联失败则认为该航迹消亡；

条件之二：固定航迹在空域外则认为该航迹消亡。

本发明的有益效果为：本发明将多重门限技术与数据关联方法相结合实现虚假点的删除，由于利用多重门限技术删除了大部分的虚假点，减小了后续数据关联时的数据处理计算量，减小最后生成的虚假航迹的概率，工程可实现性强。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是测向交叉定位原理；

图2是定位点到测量线的距离的计算原理图；

图3为场景1无源定位目标滤波跟踪结果，左侧为载机运动轨迹，右侧为目标真实运动轨迹和无源定位算法解算出的目标运动轨迹的对比。

图4为场景2无源定位目标滤波跟踪结果，右侧为目标真实运动轨迹和无源定位算法解算出的目标运动轨迹的对比。

图5为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：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。

实施例

本发明提出的去除多目标无源定位与跟踪解算过程中产生的虚假点的方法，主要包含利用多重门限去除虚假点以及利用最近邻数据关联方法去除虚假点两个过程。同时减少平台间的通信及计算量，使用的用于无源定位解算的平台数目为三个，如图5所示，本实施例包含以下步骤：

第一步，利用测向交叉定位原理对距离最远的二个平台获取的点迹进行计算，求出所有可能目标点迹。

如图1所示。测向交叉定位是利用多个观测站得到的目标相对于观测站的测向线在空间中相交从而确定目标的位置。不管是在二维空间还是三维空间，只要有两条来自不同观测站的测向线就可以进行交叉定位而确定目标的位置。以两个观测站为例，在二维空间中，每个观测站确定一条测向线只需要一个角度即可，而在三维空间中，确定每条测向线需要两个角度。

假设平台C₁、C₂和目标T在同一坐标系下。平台C₁(x₁,y₁,z₁)获取对目标的观测量为(φ₁,θ₁)，平台C₂(x₂,y₂,z₂)获取对目标的观测量为(φ₂,θ₂)。根据图1中的几何关系，可得：对第i个观测站，i＝1,2

由方程(1)、(2)可推出：

令

则

A_i·X＝K_i (6)

将两个载机的方程联立，并令A＝[A₁ A₂]^T，K＝[K₁ K₂]^T，即

A·X＝K (7)

若不存在误差，则通过方程组(7)可求得目标的准确位置，但由于测量角度的观测误差和载机自身定位误差的存在，两条定位线在空间形成异面直线，得不到目标的准确位置，但可以求方程组(7)的最小二乘解作为目标的估计位置。

在几何意义上，由(φ₁,θ₁)确定的射线为载机C₁的定位线，由(φ₂,θ₂)确定的射线为载机C₂的定位线，方程组(7)的最小二乘解即为到这两条定位线的距离和最小的点的位置。当i≥3时上式同样成立。

第二步，计算所有可能目标点迹到三个平台的角度测量线的距离，选出到三个平台的角度测量线的距离都小于门限的可能目标点迹作为可能真实点迹。

门限定义如下：

其中，R为定位点到各个平台角度测量线的距离，x，y，z为目标(有可能为虚假目标点迹)在直角坐标系中的坐标，x_si，y_si，z_si为相应平台在直角坐标系中的坐标，为平台的俯仰角和方位角测量方差，其中i＝1，2，3。

对于解算出的可能目标点迹到各平台的角度测量线的距离的计算作如下说明：

设解算出的可能目标点迹在直角坐标系中的坐标为M_m：(x_m，y_m，z_m)，平台在直角坐标系中的坐标为M_s：(x_si，y_si，z_si)，平台测得的可能目标点迹的方位及俯仰角分别为(φ_i,θ_i)，平台、可能目标点迹、角度测量线相互之间的位置关系可参考附图2。

由以上条件可得角度测量线的方位向量为cos(θ_i)*sin(φ_i)，sin(θ_i))，令l＝cos(θ_i)*cos(φ_i)，m＝cos(θ_i)*sin(φ_i)，n＝sin(θ_i)，角度测量线的方位向量可写为

角度测量线的方程可写作下式：

可能目标点迹到角度测量线的距离d计算公式如下：

第三步，计算可能真实点迹到三个平台的角度测量线的距离之和，并对距离之和进行排序，根据可能的目标数目n选出距离之和最小的n个点迹(n为各个平台能够得到的最小量测数目)，作为真实目标的测量点迹。

第四步，将经过前序过程得到的真实目标的测量点迹与固定航迹、暂时航迹利用最近邻规则进行关联，并根据一定的航迹起始、删除规则进行暂时航迹起始以及固定航迹删除。具体操作如下：

在多目标环境中，无源定位系统将建立多种航迹(固定航迹和暂时航迹)，并对不同航迹分别处理，因此对航迹的管理将成为重要的工作，航迹管理的准则和效率直接影响无源定位系统数据处理的性能。

数据被保存在工作数组中，当一帧扫描完成，真实目标的测量点迹先送到固定航迹处理模块，与各固定航迹相互关联，并进行滤波处理，更新固定航迹档案。与固定航迹关联不成功的真实目标的测量点迹，送到暂时航迹处理模块，与各暂时航迹相互关联，不进行滤波处理，更新暂时航迹档案。与暂时航迹关联不成功的真实目标的测量点迹，送到航迹起始模块，与上一帧的孤立点迹相互关联，起始新的暂时航迹，剩余数据经整理后成为这一帧的孤立点迹。最后进行航迹管理，航迹管理包括暂时航迹升为固定航迹、航迹消亡等。

(1)航迹档案

为了方便航迹管理，可以建立固定航迹档案和暂时航迹档案。

固定航迹档案包括：该航迹滤波参数、执行的总帧数、失败次数、该航迹所对应的目标号，该航迹的航迹编号及该航迹状态等参数。

暂时航迹档案包括：该航迹当前相关成功的观测数据和上一帧相关成功的观测数据、执行的总帧数、成功次数、航迹状态。

(2)航迹的起始

这里的航迹起始是指暂时航迹的建立。当固定航迹与暂时航迹都和真实目标的测量点迹进行了相互关联，完成了固定航迹、暂时航迹的更新，剩余的真实目标的测量点迹与上一帧的孤立点迹进行孤立点迹的相互关联，相互关联成功的点迹成为起始暂时航迹。

(3)暂时航迹提升为固定航迹

应用滑窗法完成从暂时航迹到固定航迹的过渡。观察相邻的4个帧，若暂时航迹有3次相关成功，则这条暂时航迹可提升为固定航迹。这种方法实际是3/4准则确定固定航迹，4，3是根据起始速度和起始成功率的双重要求折中考虑的。

(4)航迹的消亡

航迹的消亡条件有两个，只要航迹满足一个条件，就应该删除航迹。

条件之一：固定航迹若连续3帧相关联失败则认为该航迹消亡。

条件之二：固定航迹在空域外则认为该航迹消亡。

测试实例

为验证本专利提出的用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法的有效性，进行仿真实验研究。

仿真条件如下：

仿真时长为350s，采样时间间隔为200ms，使用红外传感器，所有载机方位与俯仰角测量误差均为5mrad。载机数目为3，编队形式为立体三角形编队，两架飞机在下，一架在上。说明：以下仿真测试过程，载机与目标均位于统一的直角坐标系中。对于下述多目标情况下的仿真，坐标系指向说明如下：x轴正向为正东方向，y轴正向指向正北方向，z轴指向天空。

载机运动参数说明：

三个载机平台在三维空间中初始位置分别为：

平台1：(0，165km，2km)；

平台2：(0，135km，2km)；

平台3：(0，150km，7km)；

飞行方向：平行于xoy平面，与x轴正向夹角0度；

飞行速度：200m/s；

载机自身定位误差：0m。

选取两种目标运动场景：

场景一：

四个目标匀速运动(等间距编队，间距15km)，三维空间中目标的初始位置分别为：

目标1：(200km，172.5km，5km)；

飞行方向：平行于xoy平面，与x轴正向夹角180度；

飞行速度：300m/s。

目标2：(200km，157.5km，5km)；

飞行方向：平行于xoy平面，与x轴正向夹角180度；

飞行速度：300m/s。

目标3：(200km，142.5km，5km)；

飞行方向：平行于xoy平面，与x轴正向夹角180度；

飞行速度：300m/s。

目标4：(200km，127.5km，5km)；

飞行方向：平行于xoy平面，与x轴正向夹角180度；

飞行速度：300m/s。

场景二：

四个目标蛇形机动运动(扇形侵入，两机初始间距为20km)，三维空间中目标的初始位置分别为：

目标1：(200km，210km，5km)；

飞行方向：中轴线运动方向平行于xoy平面，与x轴正向夹角200度；

振幅：5km；

频率：0.045rad/s。

目标2：(200km，190km，5km)；

飞行方向：中轴线运动方向平行于xoy平面，与x轴正向夹角200度；

振幅：5km；

频率：0.055rad/s。

目标3：(200km，110km，5km)；

飞行方向：中轴线运动方向平行于xoy平面，与x轴正向夹角160度；

振幅：5km；

频率：0.055rad/s。

目标4：(200km，90km，5km)；

飞行方向：中轴线运动方向平行于xoy平面，与x轴正向夹角160度；

振幅：5km；

频率：0.045rad/s。

仿真测试结果：

附图3为场景1无源定位目标滤波跟踪结果，右侧为目标真实运动轨迹和无源定位算法解算出的目标运动轨迹的对比。附图4为场景2无源定位目标滤波跟踪结果，右侧为目标真实运动轨迹和无源定位算法解算出的目标运动轨迹的对比。表1为场景1的性能数据统计结果，表2为场景2的性能数据统计结果。

表1

表2

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于多目标无源定位与跟踪的虚假点去除方法，包含以下步骤：

步骤一、利用测向交叉定位原理对二个平台获取的点迹进行计算，求出所有可能目标点迹；

步骤二、计算所有可能目标点迹到三个平台的角度测量线的距离，选出到三个平台的角度测量线的距离都小于门限的可能目标点迹作为可能真实点迹；

步骤三、计算可能真实点迹到三个平台的角度测量线的距离之和，并对距离之和进行排序，根据可能的目标数目n选出距离之和最小的n个点迹，作为真实目标的测量点迹；

步骤四、利用最近邻数据关联方法将真实目标的测量点迹与固定航迹、暂时航迹进行关联，以及根据一定的航迹起始、删除规则进行航迹的起始以及删除。

2.根据权利要求1所述的虚假点去除方法，其特征在于所述步骤一，选择二个距离最远的平台进行可能目标点迹的计算。

3.根据权利要求1所述的虚假点去除方法，其特征在于所述门限的定义如下：

<mrow> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;le;</mo> <mn>9</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>&amp;phi;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，R为可能目标点迹到各个平台的角度测量线的距离，x，y，z为可能目标点迹在直角坐标系中的坐标，x_si，y_si，z_si为各个平台在直角坐标系中的坐标，为平台的俯仰角和方位角测量方差，其中i＝1，2，3。

4.根据权利要求1所述的虚假点去除方法，其特征在于所述航迹起始、删除规则为：

一、当一帧扫描完成，先将真实目标的测量点迹与各固定航迹进行关联，对关联成功的真实目标的测量点迹进行滤波处理并更新固定航迹档案；然后将与固定航迹关联不成功的真实目标的测量点迹与各暂时航迹进行关联，利用关联成功的真实目标的测量点迹更新暂时航迹数据；再后将与暂时航迹关联不成功的真实目标的测量点迹与上一帧的孤立点迹进行关联，起始新的暂时航迹；最后剩余点迹成为这一帧的孤立点迹；

二、观察相邻的4个帧，若暂时航迹有3次相关成功，则这条暂时航迹提升为固定航迹；

三、当固定航迹满足以下任意一个条件，就删除航迹：

条件之一：固定航迹若连续3帧相关联失败则认为该航迹消亡；

条件之二：固定航迹在空域外则认为该航迹消亡。