CN110598184B - 一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法 - Google Patents

一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法，针对海上或空中编队目标探测处于运动之中，复合跟踪又在多平台之间协作完成，可能会引入多种误差，单平台校准、多平台相对校准十分必要，为此，提出了地理位置注册、传感器注册、数据处理精度注册和远端平台注册四种误差动态校准方法和注册误差算法，目的是为编队各平台协同处理单元CEP进行分布式目标数据处理，生成精确合成态势图(SIP－Single Integrated Picture)，建立一套准确的基准，确保本平台探测的目标数据和来自远端平台的目标数据在CEP能够可靠“相关”和有效融合，达到基于边缘计算，实现多平台复合跟踪、全体系态势共享的目的。

Description

一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法
技术领域
本发明属于情报、侦察、监视(ISR)技术领域，尤其涉及一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法。
背景技术
海上或空中编队态势共享基于数据链网络进行，编队各平台通过目标感知、边缘计算、交换服务等分布式处理，实现复合跟踪，编队内所有成员能够共享一张精确合成态势图(SIP－Single Integrated Picture)，用于武器控制，支持协同作战。
复合跟踪在编队内多个传感器平台之间进行，每一个平台将本地雷达目标数据按报告职责向网络报告，同时从网络接收远端平台报告的雷达目标数据，对本地和远端目标进行关联解算和编批管理，可确定目标的统一编识号、地理位置、海拔高度、真速度以及目标属性等实时信息，在编队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。
为了使分布式处理形成的目标航迹达到武器控制精度要求，复合跟踪系统首先要对系统误差进行动态修正，即数据注册。
现有的系统误差修正常用方法包括：(1)静态修正，在雷达数据处理系统事先注入一组误差估计值，然后对雷达探测的所有目标进行修正，修正残差较大，无法满足SIP要求，(2)动态修正，目前仅有对本平台雷达探测目标进行修正，且修正方法繁琐不够精准，关键是不能解决对网上收到目标进行系统误差修正问题，无法满足SIP分布式处理要求，(3)有关文献述及的数据注册，均未识别误差具有平移和旋转两个维度的独立性，修正方法无法满足工程可操作性要求。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法，以解决海上或空中多个传感器平台的协同处理单元(CEP—Cooperative Engagement Processer)通过数据链组成的复合跟踪系统，在无中心条件下，分布式处理所面临的系统误差动态修正问题，包括地理位置校准、传感器校准、数据处理精度校准、远端平台残差校准。
本发明方法按照复合跟踪过程建立数据注册处理流程，将数据注册分解为地理位置注册、传感器注册、数据处理精度注册和远端平台注册。
本发明方法包括：针对海上或空中编队各平台协同处理单元(CEP)构成的复合跟踪系统，建立数据注册处理流程，所述数据注册处理流程包括地理位置注册、传感器注册、数据处理精度注册和远端平台注册。
所述地理位置注册，包括：编队各平台协同处理单元CEP监视其所报告的地理位置数据，并从本平台(即每个CEP所在平台，比如船、飞机)多种导航系统接口周期读取并选择高精度定位信息，更新协同处理单元CEP中地理位置数据，生成本平台实时位置报告，完成平台地理位置注册。其中，读取定位信息的周期与本平台传感器探测周期保持同步，如12秒、6秒、4秒。
举例：海上或空中平台通常装有卫星导航、相对导航、塔康导航、惯性导航等多种导航系统(精度从高到低)，用来确定自身不断变化的位置，保障航行/飞行安全，接口标准有RS 232/RS429串口或LAN网口，定位信息为经度、纬度、高度、时间，由于不同导航系统在抗干扰、可靠性等方面各有优缺点，需要同时工作、互相补充。CEP从多种导航系统接口周期读取平台定位信息，按高精度优先原则选择其一，生成平台位置报告向编队各平台广播，报告内容包括平台位置、状态、时间等，读取周期由CEP软件设置，如12秒、6秒、4秒。
所述编队各平台包括固定平台、运动平台和网络参与平台，编队各平台通过执行如下步骤完成平台地理位置注册：
步骤1，固定平台入网之前通过站点测量确定其地理位置，入网以后通过主动参与数据链相对导航功能获得高精度地理位置数据；
步骤2，运动平台入网之前通过自身导航系统确定其地理位置，入网以后主动参与数据链网络相对导航功能，并从平台多种导航系统接口(包括相对导航)接收并优选，获得高精度地理位置数据；
步骤3，网络参与平台用获得的高精度数据更新自身CEP中的地理位置数据
Figure BDA0002205190900000021
并用于坐标变换、复合跟踪处理，以及生成平台位置报告，其中λc表示经度，
Figure BDA0002205190900000022
表示纬度，Hc表示高度；
步骤4，根据规划的平台地理位置注册周期，重复执行步骤1～步骤3。
所述传感器注册指平台CEP接收本平台雷达探测数据进行误差修正，包括传感器地理位置校准和测量误差校准；
其中，所述传感器地理位置校准，是以修正后的平台地理位置
Figure BDA0002205190900000031
为直角坐标中心，对传感器探测的所有目标，按下式进行位置误差补偿：
Figure BDA0002205190900000032
式中，(xj,yj,zj)是本平台传感器探测的第j个目标的坐标，j取值从1到目标总数，(x0i,y0i,z0i)是从网络上收到的第i个合作目标位置报告转换到本直角坐标系的位置坐标，(xti,yti,zti)是本平台雷达探测到第i个合作目标的位置坐标，n为选择的合作目标数，选择原则为：在从网络上收到的所有合作目标报告中，选取处于不同象限或方位间隔至少为45°的n个目标；
所述测量误差校准，以修正后的平台地理位置
Figure BDA0002205190900000033
为极坐标中心，是对上述经过位置误差补偿后的所有目标，按下式进行测量误差补偿：
Figure BDA0002205190900000034
式中，ρj,αj,θj分别表示第j个目标的距离、方位和仰角，j取值从1到目标总数，(ρoi,αoi,θoi)是从网络上收到的第i个合作目标位置报告转换到本极坐标系的位置坐标，(ρti,αti,θti)是本平台传感器探测到、并经位置误差补偿后的第i个合作目标的位置坐标。
所述数据处理精度注册，包括：将编队各平台在链路中交换的目标数据采用统一的地理坐标表示；每个平台CEP在进行本平台探测目标和远端目标相关时，必须将目标位置按自身航向速度外推到同一时刻；各平台采用统一的地球参考模型和投影方法进行直角坐标和地理坐标转换，将地理坐标的参考点设为(0°,0°)，作为所有平台的共同参考点。
所述远端平台注册指CEP从网络上接收编队其他平台雷达探测目标进行误差修正，包括平移误差校准和旋转误差校准；
其中，所述平移误差修正，是对从选定的远端平台收到的所有目标，按下式进行平移误差补偿：
Figure BDA0002205190900000041
式中，(xj,yj,zj)是CEP从选定的远端平台收到的第j个目标的位置坐标，j取值从1到目标总数，(xbi,ybi,zbi)是选择本平台CEP持有的第i个目标的位置坐标，(x’ti,y’ti,z’ti)是从远端收到的第i个目标的位置坐标，n是选择的目标数，选择原则为：目标方位间隔至少为45°，并且航迹质量TQ≥4；
所述旋转误差修正，是对经过平移误差补偿后的从选定的远端平台收到的所有目标，按下式进行旋转误差补偿：
Figure BDA0002205190900000042
式中，Hj表示第j个目标的高度，(ρbi,αbi,zbi)是所述本平台CEP持有的第i个目标的位置坐标，(ρti,αti,θti)是从远端收到的、并完成平移误差补偿的第i个目标的位置坐标。
本发明的优点主要体现在：
1、编队所有平台CEP将其地理位置动态校准到自身导航系统获得的高精度地理位置，使得复合跟踪处理生成精确合成态势图(SIP)有准确的基准；
2、基于该基准，每个平台CEP校准本地传感器地理位置误差和测量误差，确保每个平台在分布式处理中有统一意义的切平面坐标中心；
3、对收到的远端目标数据进行远端平台残差修正，将远端目标数据精确映射到本平台切平面坐标系，支持本地目标和远端目标在复合跟踪中能够可靠“相关”和有效融合。
4、有助于编队通过边缘计算，实现多平台复合跟踪、全体系态势共享。
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，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是数据注册过程示意图。
具体实施方式
数据注册是本地目标和远端目标位置数据之间相对校准的一种方法。对于在链路上报告的同一目标，所有平台持有的本地得到的目标位置数据与远端报告的目标位置数据的地理位置相同时，可生成最佳的链路数据注册。
海上或空中编队态势共享的前提是所有探测平台通过数据链分发目标数据，从网络上收到目标报告的平台需要将这些目标数据与本地探测的目标数据进行“相关”，远端或本地目标位置误差越大，“相关”处理越复杂，远端与本地目标位置误差的综合作用可能会导致目标航迹的多名。
1、误差来源
数据注册误差主要来源于平台地理位置误差、传感器误差、数据处理误差、远端平台误差。
1.1地理位置误差
平台地理位置误差与每个平台用经度λ、纬度
Figure BDA0002205190900000052
和高度H确定其位置的能力有关。地理位置误差定义为平台报告的自身位置与相对于基准球面的真实位置之差。固定平台通常通过场地测量确定其地理位置，运动平台从自身的导航系统和其它辅助导航设备中实时导出地理位置，一般而言，精确测量过的固定平台，其位置报告中的潜在误差比依赖导航系统的运动平台要小。
地理位置误差主要影响平台自身位置报告和坐标变换方程的坐标中心的位置，坐标变换通常在本地切平面和地理位置之间进行，如果地理位置误差很大，不仅影响报告目标的位置精度，而且将大大降低平台对本地目标和远端目标进行正确“相关”和“去相关”的能力。
地理位置误差用经度误差△λ、纬度误差
Figure BDA0002205190900000051
高度误差△H表示。
1.2传感器误差
由于雷达探测目标以雷达天线为中心，而雷达天线位置通常与平台导航位置不重叠，所以相对于平台地理位置，平台传感器存在位置平移误差，用(Δx,Δy,Δz)表示。
有源和无源传感器的固有操作程序要求校准传感器的测量系统，通常，这些程序在平台组网工作之前完成。但是，由于基本校准程序误差和测量中的不定因素，如，噪声漂移和折射率等，传感器可能会出现很大的误差。此外，如果平台不能正确确定真北，也会产生另一种误差源，但是，这种误差可以通过对传感器方位角的校准而得到补偿。传感器误差用测距误差△ρ、方位角误差△α、俯仰角误差△θ表示。
1.3数据处理误差
数据处理误差由所使用的坐标系、坐标转换公式、数据处理所使用的基本算法和测量数据的外推(从观测时间到报告时间)等因素产生。
平台所使用的典型坐标系包括传感器系统使用的(ρ,α,θ)极坐标系，切平面使用的东、北、天(x,y,z)直角坐标系，以及通常使用的WGS-84大地坐标系
Figure BDA0002205190900000061
系统将传感器数据变换成用于跟踪功能的航迹位置和速度数据，如果不考虑精度要求，这些变换所使用的公式可能会造成误差超过允许的范围。此外，目标数据外推也必须在数据处理中考虑，每一个平台在“相关”和“去相关”处理中必须确保目标位置与观测时间精确对准。
1.4远端平台误差
向网络发送目标信息的所有平台都会受上述误差影响，在最佳情况下，可以达到可接受的整个数据注册图(本地－远端差)。但在工作环境下，可能会有一个或多个平台存有残差，这些误差会产生不可接受的本地－远端位置差。远端平台误差可以通过观测同一目标从特定的远端平台收到的远端目标位置和本地目标位置之差来确定。
远端平台误差是由本平台和所选的远端平台之间的地理位置差和传感器注册之差引起的。
2、数据注册
2.1数据注册过程
编队内每一个具有目标报告职责的平台都必须具有数据注册能力，数据注册应周期进行，使得数据注册误差越来越小，典型的数据注册过程如图1所示。
图1表明，传感器探测的目标位置应进行位置误差修正和测量误差修正②，从网络上收到的远端目标位置应进行报告平台位置误差修正④，目标位置在极坐标(距离ρ,方位α,仰角θ)或直角坐标(x,y,z)与地理坐标(经度λ,纬度
Figure BDA0002205190900000062
高度H)两种坐标系之间转换时，应基于修正后的本平台地理位置进行①，所有计算过程应考虑数据处理精度要求③。
实时求出各种坐标系下的误差值，是数据注册的关键。
2.2地理位置注册
编队各平台监视其所报告的地理位置数据，并用从多种导航系统优选获得的信息周期地调整地理位置数据，完成平台地理位置注册；地理位置注册具体步骤如下：
(1)固定平台入网之前通过站点测量确定其地理位置，入网以后通过主动参与数据链网络相对导航功能获得高精度地理位置数据；
(2)运动平台入网之前通过自身导航系统确定其地理位置，入网以后主动参与数据链网络相对导航功能，并从平台组合导航中优选，获得高精度地理位置数据；
(3)网络参与平台用获得的高精度数据修正自身的地理位置
Figure BDA0002205190900000071
并用于坐标变换、航迹位置相关处理，以及生成平台位置报告；
(4)根据规划的地理位置注册周期，重复执行(1)～(3)。
2.3传感器注册
传感器注册是保持用于测量目标位置的传感器精确校准的过程。考虑到平台运动会对误差产生时变性影响，传感器注册应周期进行，计算出的修正变量应周期地加到传感器数据上，用于补偿传感器的校准差。
(1)地理位置校准
举例：以修正后的平台地理位置
Figure BDA0002205190900000072
为直角坐标中心，在从网络上收到的所有合作目标报告中，人工或自动选取处于不同象限或方位间隔至少为45°的3个目标，提取第i个目标的位置信息(xoi,yoi,zoi)，其中i＝1,2,3，利用CEP复合跟踪处理中的“相关”功能，查找本平台雷达探测到的这3个目标，提取第i个目标的位置信息(xti,yti,zti)，其中i＝1,2,3，由于平台自身位置报告精度高于雷达探测精度，因此，将二者进行时间对准后，可列出位置误差分量：
Δxi＝xti-xoi，Δyi＝yti-yoi，Δz＝zti-zoi，i＝1,2,……n，
设传感器的地理位置误差为(Δx,Δy,Δz)，
令
Figure BDA0002205190900000073
可得传感器位置注册误差为：
Figure BDA0002205190900000081
按照下式，对传感器探测的每一个目标数据进行平移误差补偿，将即完成传感器地理位置注册：
Figure BDA0002205190900000082
式中，(xj,yj,zj)是传感器探测的第j个目标直角坐标值，j取值从1到目标总数。
(2)测量误差校准
以修正后的平台地理位置
Figure BDA0002205190900000083
为极坐标中心，利用上述人工或自动选取的n对目标，进行极坐标转换，得到合作目标位置信息为(ρoi,αoi,θoi)，本平台探测到合作目标、经平移误差补偿后的极坐标位置信息为(ρti,αti,θti)，可列出传感器校准误差分量：
Δρi＝ρti-ρoi，Δαi＝αti-αoi，Δθi＝θti-θoi，i＝1,2,……n，
设传感器校准误差为
Figure BDA0002205190900000084
令
Figure BDA0002205190900000085
可得传感器注册误差为：
Figure BDA0002205190900000086
按照下式，对传感器探测的每一个目标数据进行旋转误差补偿，即完成传感器注册。
Figure BDA0002205190900000087
式中，(ρj,αj,θj)是传感器探测的第j个目标极坐标值，j取值从1到目标总数。
2.4数据处理精度
编队复合跟踪系统在计算、变换和转换本地和远端目标数据时，影响数据处理精度的主要因素有算法、参考点、目标的时间-位置关系等。除常规的数据处理精度要求外，特别应遵循以下规则：
各平台在链路中交换的目标数据统一采用WGS-84坐标系的经度、纬度和海拔高度表示，避免在不同坐标空间频繁转换产生额外的处理误差。
每个平台在进行本地和远端目标“相关”时，必须将目标的位置数据按各自航向速度外推到同一时刻，避免由于时间差而增加目标的位置误差。
各平台采用统一的投影方法进行直角坐标和地理坐标转换，应将地理坐标的参考点设为(0°,0°)作为所有平台的共同参考点，避免以平台位置
Figure BDA0002205190900000091
为参考时，由于平台之间的残差，而产生额外的处理误差。
2.5远端平台注册
远端平台注册通过比较从选定的远端平台收到的目标数据和本平台持有的目标数据，确定数据注册校正值，然后用校正值校正从该远端平台收到的所有目标位置数据。
远端平台注册应周期进行，可自动或人工选择用于数据注册的远端平台，对于每个进行远端平台注册的平台，至少每六个周期、用不少于3个本平台航迹质量较高的目标(TQ≥4)，目标的方位间隔至少应为45°，自动计算出平移注册误差和旋转注册误差。
(1)平移误差修正
设自动或人工选择的本平台3个目标为(xbi,ybi,zbi)，其中i＝1,2,3，从远端收到的这3个目标并将其转换为本地坐标(x’ti,y’ti,z’ti)，其中i＝1,2,3，将二者时间对准后，按下式计算该远端平台平移注册误差为：
Figure BDA0002205190900000092
对选定的远端平台收到的每一个目标数据进行位置平移误差补偿：
Figure BDA0002205190900000101
式中，(xj,yj,zj)是从选定远端平台收到的第j个目标直角坐标值，j取值从1到目标总数。
(2)旋转误差修正
仍然利用上述自动或人工选择的n对目标，本平台持有的目标为(ρbi,αbi,zbi)，从远端收到的该目标完成位置平移误差补偿后，转换为极坐标(ρti,αti,zti)，将二者时间对准后，按下式计算该远端平台旋转注册误差为：
Figure BDA0002205190900000102
对从选定的远端平台收到的所有目标数据进行旋转平移误差补偿，即完成远端平台注册。
Figure BDA0002205190900000103
式中，(ρj,αj,θj)是从选定远端平台收到的第j个目标极坐标值，j取值从1到目标总数。
2.6与现有方法对比
与现有静态修正相比，本发明传感器注册误差值基于合作目标置报告与雷达对合作目标探测位置之差实时统计获得，然后用该误差值实时修正雷达探测的所有目标，误差修正具有随时间变化的自适应性，实时性好、精度高。而现有静态修正方法在雷达数据处理系统事先注入一组误差估计值，然后对雷达探测的所有目标进行修正，修正残差较大，无法满足复合跟踪生成SIP要求。
与现有动态修正相比，本方法将传感器系统误差、远端平台系统误差均分解为平移和旋转两个维度的独立误差量进行校准，按平移和旋转两种方式独立解算，准确且易于工程实现；其中，远端平台注册方法，基于优选的本平台持有目标，与远端平台雷达对这些目标探测位置之差实时统计获得，然后用该误差值实时修正收到的远端平台雷达探测的所有目标，能将远端平台坐标空间目标准确映射到本平台坐标空间，具有误差修正时变自适应性；而现有的动态修正方法仅考虑对本平台雷达探测目标修正，修正算法上没有识别系统误差具有平移和旋转两个维度的独立性，难以满足工程化要求，且未解决远端平台注册问题，无法满足SIP分布式处理要求。本方法所述地理位置校准基准获取、数据处理精度时空校准及基准确定等方法，均有独到之处。
本发明提供了一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法，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 (4)

1.一种编队复合跟踪系统数据注册误差校准方法，其特征在于，针对海上或空中编队各平台协同处理单元CEP构成的复合跟踪系统，建立数据注册处理流程，所述数据注册处理流程包括地理位置注册、传感器注册、数据处理精度注册和远端平台注册；
所述地理位置注册，包括：编队各平台的协同处理单元CEP监视其所报告的地理位置数据，并从本平台的多种导航系统接口周期读取并选择高精度定位信息，更新协同处理单元CEP中地理位置数据，生成本平台实时位置报告，完成平台地理位置注册；其中，读取定位信息的周期与本平台传感器探测周期保持同步；
所述编队各平台包括固定平台、运动平台和网络参与平台，编队各平台通过执行如下步骤完成平台地理位置注册：
步骤1，固定平台入网之前通过站点测量确定其地理位置，入网以后通过主动参与数据链网络相对导航功能获得高精度地理位置数据；
步骤2，运动平台入网之前通过自身导航系统确定其地理位置，入网以后主动参与数据链网络相对导航功能，并从本平台导航系统接口接收并优选，获得高精度地理位置数据；
步骤3，网络参与平台用获得的高精度数据更新自身CEP中的地理位置数据
Figure FDA0002396267280000014
并用于坐标变换、复合跟踪处理，以及生成平台位置报告，其中λc表示经度，
Figure FDA0002396267280000013
表示纬度，Hc表示高度；
步骤4，根据规划的平台地理位置注册周期，重复执行步骤1～步骤3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器注册指平台CEP接收本平台雷达探测数据进行误差修正，包括传感器地理位置校准和测量误差校准；
其中，所述传感器地理位置校准，是以修正后的平台地理位置
Figure FDA0002396267280000012
为直角坐标中心，对传感器探测的所有目标，按下式进行位置误差补偿：
Figure FDA0002396267280000011
式中，(xj,yj,zj)是本平台传感器探测的第j个目标的坐标，j取值从1到目标总数，(x0i,y0i,z0i)是从网络上收到的第i个合作目标位置报告转换到本直角坐标系的位置坐标，(xti,yti,zti)是本平台雷达探测到第i个合作目标的位置坐标，n为选择的合作目标数，选择原则为：在从网络上收到的所有合作目标报告中，选取处于不同象限或方位间隔至少为45°的n个目标；
所述测量误差校准，是以修正后的平台地理位置
Figure FDA0002396267280000023
为极坐标中心，对上述经过位置误差补偿后的所有目标，按下式进行测量误差补偿：
Figure FDA0002396267280000021
式中，ρj,αj,θj分别表示第j个目标的距离、方位和仰角，j取值从1到目标总数，(ρoi,αoi,θoi)是从网络上收到的第i个合作目标位置报告转换到本极坐标系的位置坐标，(ρti,αti,θti)是本平台传感器探测到、并经位置误差补偿后的第i个合作目标的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数据处理精度注册，包括：将编队各平台在链路中交换的目标数据采用统一的地理坐标表示；每个平台CEP在进行本平台探测目标和远端目标相关时，必须将目标位置按自身航向速度外推到同一时刻；各平台采用统一的地球参考模型和投影方法进行直角坐标和地理坐标转换，将地理坐标的参考点设为(0°,0°)，作为所有平台的共同参考点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述远端平台注册指CEP从网络上接收编队其他平台雷达探测目标进行误差修正，包括平移误差校准和旋转误差校准；
其中，所述平移误差修正，是对从选定的远端平台收到的所有目标，按下式进行平移误差补偿：
Figure FDA0002396267280000022
式中，(xj,yj,zj)是CEP从选定的远端平台收到的第j个目标的位置坐标，j取值从1到目标总数，(xbi,ybi,zbi)是选择本平台CEP持有的第i个目标的位置坐标，(x’ti,y’ti,z’ti)是从远端收到的第i个目标的位置坐标，n是选择的目标数，选择原则为：目标方位间隔至少为45°，并且航迹质量TQ≥4；
所述旋转误差修正，是对经过平移误差补偿后的从选定的远端平台收到的所有目标，按下式进行旋转误差补偿：
Figure FDA0002396267280000031
式中，Hj表示第j个目标的高度，(ρbi,αbi,zbi)是所述本平台CEP持有的第i个目标的位置坐标，(ρti,αti,zti)是从远端收到的、并完成平移误差补偿的第i个目标的位置坐标。
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