CN109163727B - 一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法及其实现装置 - Google Patents

一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法及其实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法，本方法根据测量的运动目标位置数据在不同航行方向上投影的分布方差的不同而提出，包括：生成运动目标所有可能的航行方向的投影基；将测量的二维位置数据在各投影基上投影，实现降维；计算位置数据投影后的数据方差，并作为估计的判决条件；比较所有经过航向投影数据的方差，选择方差最大的投影基航向作为运动目标的航向估计，将投影后的目标数据作为航迹的初步估计结果；以及将初步估计结果作多点平均，平均后的航迹估计结果作为最终输出结果。

Description

一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法及其实现装置
技术领域
本发明涉及一种数据处理算法及其硬件实现，特别涉及一种对电子侦察卫星识别目标的航迹估计数据处理算法及其实现装置。
背景技术
电子侦察卫星(Electronic Reconnaissance Satellite)是一种用于侦察、截获敌方雷达、通信和武器遥测系统所发出的电磁信号，并测量信号源位置的侦察卫星。受卫星计算能力限制，侦察卫星只负责截获敌方目标的原始信息，原始信息由卫星传输至地面，最终的情报信息由地面计算设备完成。
电子侦察卫星按照侦察对象的不同可以分为雷达情报侦察卫星和通信情报侦察卫星，按照对侦察目标的运动属性可以分为固定目标侦察与移动目标侦察。电子侦察卫星通常运行于300公里至500公里轨道，对同一地区的重访侦察间隔为1小时至3小时。对于固定目标可以实现多次重访侦察，侦察质量高；对于移动目标，比如海上舰船、空中的飞机等，为了实现连续的重复侦察需要对单次侦察的数据进行处理，以便得到运动目标的位置以及航迹，从而对下一次重访时的目标位置进行有效估计，为下一次侦察提供先验知识达到准确的截获目标信息的目的。
由于电子侦察卫星所处轨道较低、对地面固定区域的覆盖范围小，同时卫星相对于地面移动目标飞行的速度快(卫星速度约为7.9公里/秒，民航客机速度约为0.25公里/秒)，从而导致电子侦察卫星对地面目标的可视时间约为10～20分钟。在电子侦察卫星可视时间内，飞机的运行距离(假设为匀速直线航行)约为60公里，舰船的运行距离(假设为25节匀速直线航行)约为10公里。另一方面，电子侦察卫星受技术体制、测量误差等因素影响，测量的信号源位置具有5～10公里的随机误差。图1示出现有的测量位置与真实位置关系示意图，图中五角星示意运动目标的真实运动轨迹，数字标明轨迹数据的顺序；方块示意电子侦察卫星测量位置，数字标明实测量位数据点的位置。
为了解决在测量位置误差与航迹距离相当时移动目标的航迹滤波估计问题，本发明根据运动目标测量位置数据在不同速度投影剖面上分布方差的不同提出了一种基于投影方差判别的数据滤波方法。
发明内容
针对现有技术中电子侦查卫星对侦查目标的测量位置误差与目标运动距离相当时运动目标的航迹滤波估计问题，根据本发明的一个实施例，提供一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法，包括：
生成运动目标所有可能的航行方向的投影基；
将测量的二维位置数据在各投影基上投影、降维；
计算位置数据投影后的数据方差，并作为估计的判决条件；
比较所有经过航向投影数据的方差，选择方差最大的投影基航向作为运动目标的航向估计，将投影后的目标数据作为航迹的初步估计结果；
以及将初步估计结果作多点平均，平均后的航迹估计结果作为最终输出结果。
在本发明的一个实施例中，该方法还包括依据运动目标测量位置数据在地面上的二维方差统计特性对数据进行处理。
在本发明的一个实施例中，所述运动目标所有可能的航行方向的投影基是根据航向精度要求预先计算得到，并用二维平面向量方式表示。
在本发明的一个实施例中，所述运动目标的最终航向是通过测量数据在不同方向的统计特性在预设航行的最似然程度计算获得的，具体的，对所有的测定位置数据，在每一个预设航向上投影后的数据计算器均值与方差，然后取所有方差中的最大值对应的航向投影向量作为航向的估计值。
在本发明的一个实施例中，所述将二维数据降维包括通过将运动目标的测量数据投影到预设的投影基方向上的方式将二维数据降维，具体的使用乘法操作。
在本发明的一个实施例中，采用动态处理方式，最终输出结果随着输入数据的不断增加逐步迭代，新的原始测量数据进入到算法后，算法就迭代更新一次最终数据结果，同时，
在本发明的一个实施例中，置信度的算法为：将航向投影基的方差与垂直于航向的投影基的方差相除，将相除后的结果作为算法对航向估计的置信度。
在本发明的一个实施例中，一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，包括：
处理器，所述处理器用于输入信号的接口处理、核心算法实现及输出信号的接口处理；
存储器；以及
外围配置，
其中所述处理器用于执行上述方法。
在本发明的一个实施例中，所述的航向向量投影基以数据表的方式预先计算并存储在存储器中，方便快速计算。
在本发明的一个实施例中，所述的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，其特征在于，所述处理器为FPGA/CPLD、DSP或MCU。
在本发明的一个实施例中，所述的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，其特征在于，所述存储器为SRAM。
在本发明的一个实施例中，所述的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，其特征在于，所述核心算法实现是处理器通过程序实现输入数据的串并转换、乘法器的实例化、均值及方差计算、输出数据的格式编码转换。
本发明提出了一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法及其实现装置。根据运动目标测量位置数据在不同运动方向投影的上分布方差的不同提出了一种基于投影方差判别的数据处理方法，该方法将测量位置数据投影到各个方向投影基上，然后计算各投影后的均值方差，取方差最大的投影基作为航向的估计值；同时基于上述估算算法给出了一种实现该算法的装置。基于本发明的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法能较好的解决在测量位置误差与目标运动距离相当时运动目标的航迹滤波估计问题，从而在原始测量位置误差数据中估计运动目标的航向。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出现有技术中侦查卫星对目标进行测量的测量位置与目标真实位置关系示意图100。
图2示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的算法原理图200。
图3示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置原理图300。
图4示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置工作流程图。
图5示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实际处理结果示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提出了一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法及其实现装置。根据运动目标测量位置数据在不同运动方向投影的上分布方差的不同提出了一种基于投影方差判别的数据处理方法，该方法将测量位置数据投影到各个方向投影基上，然后计算各投影后的均值方差，取方差最大的投影基作为航向的估计值；同时基于上述估算算法给出了一种实现该算法的装置。基于本发明的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法能较好的解决在测量位置误差与目标运动距离相当时运动目标的航迹滤波估计问题，从而在原始测量位置误差数据中估计运动目标的航向。
该电子侦察卫星目标航迹动态估算方法采用针对运动目标航迹估计的处理方法。首先依据运动目标测量位置数据在地面上的二维方差统计特性对数据进行滤波处理；然后预先设计运动目标所有可能的运动方向的投影基，不从数据直接计算航向而是通过数据特性判决与预设航行的最似然程度；接下来，通过将运动目标的测量数据投影到预设的投影基方向上的方式将二维数据降维，然后计算降维后的目标数据的方差作为最似然估计的判决条件；然后，通过比较所有经过预设航向投影的数据方差，选择方差最大的投影基航向作为运动目标的航向估计，将投影后的目标数据作为航迹的初步估计结果；最后，将初步估计结果作方差多点平均，平均后的航迹估计结果作为方法的最终输出结果。
本发明提供的该电子侦察卫星目标航迹动态估算方法采用针对运动目标航迹估计的处理方法采用动态方式。最终输出结果随着输入数据的不断增加逐步迭代，每有新的原始测量进入到算法中，算法就迭代更新一次最终数据结果，同时，算法将航向投影基的方差与垂直于航向的投影基的方差相除，将相除后的结果作为算法对航向估计的置信度。
下面结合图2来详细介绍基于本发明的一个实施例的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的原理。图2示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的算法原理图200。
如图2所示，首先生成预设投影基rn＝[a b]，投影基的规模及精细程度根据实际使用场景要求可设，投影基覆盖的航向φ范围为0～360°，φ＝tan(b/a)，生成的投影基预先存储在存储器中。整个算法处理单元采用数据驱动方式，一旦有新的数据进入处理单元就启动一次数据处理过程。
原始测量位置数据到达后，新数据进入缓存，然后与之前缓存的数据(如果是首次数据则只有新数据，无缓存数据)编排成一包数据单元x＝[x1 x2 x3 …]T。数据单元与所有的投影基做投影运算xTrn，投影运算后的主方向做数据均值μn与方差的∑n，选出其中方差最大的投影基rn及投影后的数据Y＝xTrn。
通过投影基计算航向角度φ＝arctan(b/a)。航向角度估计置信度
δ＝1-(∑n，min/∑n，max)。
投影后的数据Y采用滑窗多点平均的方式进行平滑，具体方法为：
Zm＝∑(y(m-1)n+1,y(m-1)n+2,…,y(m-1)n+n)/n，数据序列Z为算法处理模块的最后结果。
下面结合图3、图4来详细描述根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置及其工作流程。图3示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置原理图300，如图3所示，该电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置包括实现装置由处理器、存储器、外围配置组成，其中处理器可以是FPGA/CPLD、DSP或者MCU，处理器是本发明的估算的具体实现载体，分为输入信号的接口处理、核心算法实现部分及输出信号的接口处理。通过预设的算法实现投影基的生成、投影计算、均值计算、方差计算、比较器、置信度、选择器及航迹估计算法。
在本发明的一个具体实施例中采用FPGA实现。FPGA通过程序实现本发明内容中的所述算法，包括输入数据的串并转换、乘法器的实例化、均值及方差计算、输出数据的格式编码转换。均值计算与方差计算通过累加器与乘法器实现。在本发明的一个实施例中，投影向量的精度为0.1°，共生成3600个投影基；与之对应的需要生成3600个乘法器用于投影计算。每当有新的输入数据进入后，FPGA将输入数据复制3600份，分别送到投影计算的乘法器中与寄存的投影基做乘法运算，投影结果放入均值/方差计算缓存中。缓存中除了最新计算的投影结果，还包括之前计算的缓存结果，新投影计算结果到达后再次驱动一次均值与方差计算，一共形成生3600个均值与方差计算结果。3600个方差计算结果计算最大值作为数据的估计方向，投影基计算航向角度φ＝arctan(b/a)通过最大方差投影基的系数使用CORDIC核计算完成。
图4示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置工作流程图，如图4所示，实现装置FPGA的镜像文件存储在EEPROM中，装置加电后首先进行装置的各硬件初始化其中初始化完毕后进入投影向量的计算，计算完成的投影基系数存储到SRAM中。投影基计算存储完毕后，装置正式进入数据计算流程。FPGA从SRAM中将之前存储的投影基系数一次读取完毕。
图5示出根据本发明的一个实施例提供的一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实际处理结果示意图。如图5所示，某次实验(共1000次)处理效果。方块为仿真的测量位置点，圆圈为运动目标仿真的真实位置，左三角为本文算法处理的结果。实验中共仿真了300个位置，航向为45度(东偏北45度)，速度14节，仿真位置点时间间隔为4秒。本次实验300个位置点1000次的平均位置误差为526m，分布的标准差63m；航向角的平均误差为2.6度，分布的标准差为24.1度。
基于就发明提出的该种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法及其实现装置。根据运动目标测量位置数据在不同运动方向投影的上分布方差的不同提出了一种基于投影方差判别的数据滤波方法，该方法将测量位置数据投影到各个方向投影基上，然后计算各投影后的均值方差，取方差最大的投影基作为航向的估计值；同时基于上述估算算法给出了一种实现该算法的装置。基于本发明的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法能较好的解决在测量位置误差与目标运动距离相当时运动目标的航迹滤波估计问题，从而在原始测量位置误差数据中估计运动目标的航向。具有以下优点：1)方法新颖，摒弃了从数据计算航向的解析计算方式，采用统计学方法计算测量位置数据在二维平面上不同航向上的方差来估计航向，易于实现工程化。2)并行化程度高，通过预先计算好各个方向的投影基，将测量位置数据投影到各个投影基上，然后计算各投影后的均值方差。设计的算法具有并行结构，易于在FPGA等硬件上实现，实现算法的快速计算。3)结构简单、复杂度低。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法，包括：
生成运动目标所有可能的航行方向的投影基；
将测量的二维位置数据在各投影基上投影，实现降维；
计算位置数据投影后的数据方差，并作为估计的判决条件；
比较所有经过航向投影数据的方差，选择方差最大的投影基航向作为运动目标的航向估计，将投影后的目标数据作为航迹的初步估计结果；
以及将初步估计结果作多点平均，平均后的航迹估计结果作为最终输出结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括依据运动目标测量位置数据在地面上的二维方差统计特性对数据进行滤波处理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动目标所有可能的航行方向的投影基是根据航向精度要求预先计算得到。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动目标的最终航向是通过对测量数据在每一个预设航向上投影后的数据计算均值与方差，然后取所有方差中的最大值对应的航向投影向量作为航向的估计值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将二维数据降维包括通过将运动目标的测量数据投影到预设的投影基方向上的方式将二维数据降维。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用动态处理方式，最终输出结果随着输入数据的不断增加逐步迭代，新的原始测量数据进入后，迭代更新一次最终数据结果，同时，
将航向投影基的方差与垂直于航向的投影基的方差相除，将相除后的结果作为对航向估计的置信度。
7.一种电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，包括：
处理器，所述处理器用于输入信号的接口处理、核心算法实现及输出信号的接口处理；
存储器；以及
外围配置，
其中所述处理器用于执行权利要求1至5中任一项所述的方法。
8.如权利要求7所述的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，其特征在于，所述处理器为FPGA/CPLD、DSP或MCU。
9.如权利要求7所述的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，其特征在于，所述存储器为SRAM。
10.如权利要求7所述的电子侦察卫星目标航迹动态估算方法的实现装置，其特征在于，所述核心算法实现是处理器通过程序实现输入数据的串并转换、乘法器的实例化、均值及方差计算、输出数据的格式编码转换。
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