CN109100698A - 一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法，包括雷达目标高度到海拔高度变换、雷达目标位置到球面位置变换，可用于雷达数据预处理，支持基于数据链的多平台复合跟踪，有助于在编队成员之间生成可共享的单一合成态势图(SIP－Single Integrated Picture)，本发明可广泛应用于海警巡逻、远洋护航、深海远望、舰队作战等洋区编队运行。

Description

一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法

技术领域

本发明涉及一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法，属雷达目标监视领域。

背景技术

信息技术的迅猛发展和广泛应用，促进了监视感知理论的不断创新，网络中心架构是信息时代的必然产物，网络中心架构的本质是以态势图为中心进行编队平台任务筹划分配。

海上编队态势共享基于数据链组网进行，各平台通过目标感知、边缘计算、交换服务等复合跟踪处理，实现编队内所有成员共享一张精确合成态势图(SIP－SingleIntegrated Picture)，用于载荷控制，支持协同运行。

复合跟踪在多个传感器平台之间进行，通过对雷达目标按报告职责实时交换和关联解算，确定目标的统一编识号、地理位置、海拔高度、真速度矢量以及目标属性等实时信息，在各个平台之间自然形成一致的，且不丢、不重、不乱的目标航迹。为了使目标航迹精度达到实时协同控制要求，边缘计算首先要对本平台雷达目标进行投影变换，以降低目标参数误差对复合跟踪系统的影响。

现有的海上编队雷达数据处理尚未采用边缘计算方法实现分布式目标态势统一与共享，现有的多雷达航迹融合均采用中心集中式处理，系统误差修正采用传感器位置校准或实时校准方法，缺少考虑地球曲率产生的投影误差修正问题，单平台雷达数据处理，由于投影误差是否修正不影响目标航迹跟踪的连续性，也缺少考虑投影误差修正。

发明内容

本发明针对海上编队生成单一合成态势图，提供了一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法。每一个传感器平台在对目标进行复合跟踪处理之前，对雷达目标进行投影误差修正，将本地雷达测量的目标高度转换为海拔高度，目标极坐标位置转换为地(球) 面位置，使得分散在海上不同位置的平台探测到的目标数据都基于球面表述，保障复合跟踪中雷达点迹分布式处理不会增加新的精度损失。

本发明具体包括如下步骤：

步骤1，进行目标投影建模；

步骤2，计算目标海拔高度；

步骤3，计算目标在雷达平面的投影；

步骤4，计算目标在大地球面的投影；

步骤5，将得到目标在大地球面的投影用于雷达数据预处理，生成态势图(SIP-SingleIntegratedPicture)，态势图可广泛应用于海警巡逻、远洋护航、深海远望、舰队作战等洋区编队运行。

步骤1包括：以雷达天线位置为原点，用极坐标(ρ，α，θ)表示雷达探测的目标位置，ρ为目标斜距、α为相对于正北的目标方位角、θ为目标仰角，将(ρ，α，θ)转换为直角坐标(x_ρ，y_ρ，h)，有：

其中，x_ρ表示目标的横坐标，y_ρ表示目标的纵坐标，h表示目标的垂直坐标。

建立目标的平面投影模型和球面投影模型，其中，

目标平面投影模型为：

目标球面投影模型为：(Z+R)²＝D²+[(a+R+h)]²

式中，D表示ρ在雷达平面上的投影长度，Z表示目标的海拔高度，R表示地球半径(6371.3km)，a表示雷达天线海拔高度。

步骤2包括：

将D＝ρcosθ，h＝ρsinθ代入目标球面投影模型中，得到，

Z(Z+2R)＝2(a+R)ρsinθ+a(a+2R)+ρ2，即，

由于R＞＞a，R＞＞Z，上式转换为，

步骤3包括：

令K₁称为平面投影系数，则目标平面投影模型转换为：

D＝K₁·ρ (2)

根据相似形各边同比例原理，可得目标在雷达平面上的投影坐标为，

其中，x表示目标在雷达平面上的投影的横坐标，y表示目标在雷达平面上的投影的纵坐标。

步骤4包括：

步骤4-1，

其中，β表示球面上的目标投影点Q与雷达位置点S构成的圆心角，为圆周角，d为的对边切雷达位置的边长，假设有P点，边长为

由于而

则，

步骤4-2，用公式(1)代换上式h，得，

步骤4-3，令K₂称为球面投影系数，则，

d＝K₂·D

将公式(2)代入上式，得，

d＝K₁·K₂·p (3)

步骤4-4，用P点近似代替目标在球面上的投影点，根据相似形各边同比例原理，可求得目标的球面投影点坐标P(X_Q,Y_Q)，即，

其中，X_Q表示目标在球面上的投影的东向坐标，Y_Q表示目标在球面上的投影的北向坐标。

则雷达目标的球面投影坐标和海拔高度计算公式为：

步骤5包括：

将雷达目标的球面投影坐标和海拔高度计算公式用于雷达数据预处理，主要是对雷达目标数据进行投影误差修正，解决编队多平台之间的目标数据空间一致性问题，然后进入复合跟踪处理，生成单一合成态势图，支持本平台载荷控制或编队协同控制。

本发明有助于在编队成员之间生成可共享的单一合成态势图(SIP-SingleIntegrated Picture)，SIP的重要作用是支持远程数据控制，即利用他平台的雷达观测实施对本平台的载荷控制，克服本平台传感器对目标跟踪的视距限制，解决海上单平台监视范围不足问题，因此，复合跟踪的目标精度需达到实时控制级水平，这就要求雷达数据处理必须首先对目标数据进行投影误差修正，一是减小雷达目标定位误差，二是减低多平台之间的雷达坐标转换误差。

本发明的优点主要体现在：

(1)将基于雷达极坐标系的目标测量参数，经过投影建模、数学推导，转换为球面位置和海拔高度的数学算法，方便工程应用；

(2)能够有效提高雷达目标定位精度和减低多平台之间雷达坐标转换误差；

(3)便于以网络为中心的多传感器平台实现空间统一，提高目标复合跟踪的精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是目标平面投影示意图。

图2是目标球面投影示意图。

图3是海上编队雷达数据分布式处理的简要流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

1、投影建模

雷达通常以天线位置为原点，用极坐标(ρ，α，θ)表示所探测的目标位置，ρ为目标斜距、α为相对于正北的目标方位角、θ为目标仰角。转换为直角坐标，有：

由于地球曲率的影响以及雷达天线有一定的高度，式中h并不代表目标的真实高度，(x_ρ，y_ρ)也与目标在地面上的投影位置相差甚远。在不明目标查证、搜索营救等实际应用中，其误差造成的影响很大。因此，在雷达数据分布式处理中，必须首先对目标点迹进行投影变换，以获得目标在地面的投影位置和海拔高度。

为了将雷达目标坐标转换为球面投影坐标，建立目标的平面投影模型和球面投影模型，如图1、图2所示，R表示地球半径(6371.3km)，S表示雷达的位置，a表示雷达天线海拔高度，T表示空中目标。

2、目标海拔高度计算

根据图2，可推导目标海拔高度Z与雷达测量高度h之间的关系。

由ΔOS′T，可将目标的球面投影模型表述为：

(Z+R)2＝D2+[(a+R+h)]2

将D＝ρcosθ，h＝ρsinθ代入式中，得

Z(Z+2R)＝2(a+R)ρsinθ+a(a+2R)+ρ²，即，

由于R＞＞a，R＞＞Z，上式可转换为，

3、目标在雷达平面的投影计算

将目标投影到雷达平面上，投影关系如图1所示。

可将目标的平面投影模型表述为：

D²＝ρ²-h²，即

令称为平面投影系数，则

D＝K₁·ρ (2)

根据相似形各边同比例原理，可求得目标在雷达平面上的投影坐标为，

4、目标在大地球面的投影计算

根据图2，目标T在地面上的投影为Q点，用P点近似代替。

由ΔO′SP，可知，

由于而

所以有，

用(1)式代换上式h，得

令称为球面投影系数，则

d＝K₂·D

将(2)式代入，得

d＝K₁·K₂·ρ (3)

同样，根据相似形各边同比例原理，可求得P(X_Q，Y_Q)，即

综上所述，雷达目标的球面投影坐标和海拔高度算法为：

其中，

h＝ρ sinθ

ρ-雷达目标斜距

α-雷达目标方位角

θ-雷达目标仰角

a-雷达天线位置的海拔高度

R-地球半径

5、将雷达目标球面投影方法用于雷达数据预处理，生成态势图

海上编队雷达数据分布式处理的简要流程如图3所示，每个承担目标监视任务的平台执行相同的流程。其中，雷达数据预处理主要是对编队多平台目标数据进行时空一致性处理，即对本地雷达目标数据通过海拔高度计算、平面投影和球面投影计算，实现投影误差修正，对远端目标报告进行坐标转换、精确栅格锁定，实现二者空间统一，对本地和远端目标数据进行时间对准处理，实现时间统一，然后进入复合跟踪处理，包括目标相关、融合、滤波、预测、编识号一致性管理、报告责任处理等，生成单一合成态势图SIP，支持本平台载荷控制或编队协同控制。

本发明提供了一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种用于海上编队的雷达目标球面投影方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，进行目标投影建模；

步骤2，计算目标海拔高度；

步骤3，计算目标在雷达平面的投影；

步骤4，计算目标在大地球面的投影；

步骤5，将得到目标在大地球面的投影用于雷达数据预处理，生成态势图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：

以雷达天线位置为原点，用极坐标(ρ，α，θ)表示雷达探测的目标位置，ρ为目标斜距、α为相对于正北的目标方位角、θ为目标仰角，将(ρ，α，θ)转换为直角坐标(x_ρ，y_ρ，h)，有：

其中，x_ρ表示目标的横坐标，y_ρ表示目标的纵坐标，h表示目标的垂直坐标。

建立目标的平面投影模型和球面投影模型，其中，

目标平面投影模型为：

目标球面投影模型为：(Z+R)²＝D²+[(a+R+h)]²，

式中，D表示ρ在雷达平面上的投影长度，Z表示目标的海拔高度，R表示地球半径，a表示雷达天线位置的海拔高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

将D＝ρcosθ，h＝ρsinθ代入目标球面投影模型中，得到：

Z(Z+2R)＝2(a+R)ρsinθ+a(a+2R)+ρ²，即：

由于R＞＞a，R＞＞Z，对上式进行转换，得到目标的海拔高度计算公式为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括：

令K₁称为平面投影系数，则目标平面投影模型转换为：

D＝K₁·ρ (2)

根据相似形各边同比例原理，可得目标在雷达平面上的投影坐标为，

其中，x表示目标在雷达平面上的投影的横坐标，y表示目标在雷达平面上的投影的纵坐标。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4-1，

其中，β表示球面上的目标投影点Q与雷达位置点S构成的圆心角，为圆周角，d为的对边切雷达位置的边长，假设有P点，边长为

由于而

则，

步骤4-2，用公式(1)代换步骤4-1公式中的h，得到：

步骤4-3，令K₂称为球面投影系数，则：

d＝K₂·D，

将公式(2)代入上式，得：

d＝K₁·K₂·ρ (3)

步骤4-4，用P点近似代替目标在球面上的投影点，根据相似形各边同比例原理，可求得目标的球面投影点坐标P(X_Q，Y_Q)，即：

其中，X_Q表示目标在球面上的投影的东向坐标，Y_Q表示目标在球面上的投影的北向坐标。

则雷达目标的球面投影坐标和海拔高度计算公式为：