CN110672118A - 基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法 - Google Patents

基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法 Download PDF

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CN110672118A CN201911066475.XA CN201911066475A CN110672118A CN 110672118 A CN110672118 A CN 110672118A CN 201911066475 A CN201911066475 A CN 201911066475A CN 110672118 A CN110672118 A CN 110672118A
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C23/00—Combined instruments indicating more than one navigational value, e.g. for aircraft; Combined measuring devices for measuring two or more variables of movement, e.g. distance, speed or acceleration

Abstract

本发明提供了一种基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，解决低空超低空近程机动目标的定位问题，以弥补低空雷达探测盲区。“观察哨”手持数字望远镜录取原始空情，原始空情仅包含方位角、高低角两坐标信息，且信息数据存在较大误差。本发明方法建立了目标运动数学模型，并利用非线性函数拟合算法估计目标角度变化参数，在目标运动规律基础上，估计目标真实方位角和高低角，进一步对目标距离进行估计，从而获得目标航迹。本发明适用于地面观察哨空情系统，为地面雷达提供目标指示。

Description

基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法
技术领域
本发明涉及一种基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，属于低空目标探测领域，解决低空、超低空近程机动目标的定位问题，弥补低空雷达探测盲区，适用于地面观察哨空情系统，为地面雷达提供目标指示。
背景技术
低空目标探测主要由低空雷达、光电复合探测设备等技术复杂的高端产品主导。此类产品价格昂贵、技术复杂、使用推广受限等问题突出。由于电磁干扰、地球曲率和复杂地形等多种因素限制，地基雷达对低空目标发现距离短，火力单元无法在短时间内对空中目标作出有效响应。对于低空超低空突防空袭目标，地基雷达基本无法完成空情保障，对具备隐身特性、干扰特性目标或高山丛林地区环境下，矛盾更加尖锐。激光测距测量距离有限，由于目标表面的漫反射作用，返回激光信号弱，通常仅支持3000米以内的目标，而对于机动目标，还存在测距稳定性差的问题，无法连续录取距离参数。
目前，新型地面“观察哨”可利用数字望远镜和无线网络可实时观测目标的方位角、高低角等空情信息，并上报到指挥信息中心平台端，但是其所录取原始数据精度低、抖动大、非平稳，而且缺乏目标距离信息，对目标进行定位并获取航迹亟待解决。
发明内容
为了解决目前地面“观察哨”基于数字望远镜获取的空情信息原始数据精度低、抖动大、非平稳，且缺乏目标距离信息，以致无法获取运动目标航迹的技术问题，本发明提供了一种基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法。
本发明的发明构思：
假设空中运动目标在短时间内保持水平匀速直线运动，建立地面直角坐标，如图1所示；图中，O点为坐标原点，为观察哨所在位置；Ox在通过原点的水平面内，指向正北方向为正；Oy垂直于水平面，指向上方为正，表征运动目标高度；Oz垂直于Ox和Oy，按照右手法则指向正东为正。
图1中，目标水平投影和数字望远镜之间的连线与正北方向的夹角为方位角，记为θ；目标和数字望远镜之间的连线与水平面之间的夹角为高低角，记为
Figure BDA0002259513920000021
方位角θ和高低角
Figure BDA0002259513920000022
可利用数字电子望远镜获取，均为已知数据，获取的观测数据方位角时间序列记为θ＝{θ1,θ2,…,θn}和高低角时间序列记为
Figure BDA0002259513920000023
目标斜距R为未知参数，是本发明重点求解的目标参数，若求解得到观测相应时刻目标的距离信息R，则确定了目标的斜距R＝{R1,R2,…,Rn}。为了提高航迹质量，推导了目标方位角和高低角的运动规律，并根据观测数据对目标角度信息进行估计，利用估计值代替真值，最终得到目标航迹
Figure BDA0002259513920000024
本发明的技术方案是：
基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，其特殊之处在于，适用于非小航路捷径目标，包括以下步骤：
步骤1)利用数字望远镜连续跟踪运动目标，获取观测数据并传送至指挥信息中心平台端；所述观测数据包括运动目标的实时方位角θ和高低角
Figure BDA0002259513920000025
步骤2)基于观测数据，建立运动目标的角度信息变化规律：
方位角的变化规律：
θ＝arctan[a(t-tx)]+θx
高低角的变化规律：
Figure BDA0002259513920000026
式中：
t为对运动目标观测的时间变量，{a,tx,θx}为目标的方位角变化规律参数，观察哨对空观测时,假设短时间内目标运动状态保持不变时，{a,tx,θx}三个参数为常量；其中，a＝v/rx，v为目标的速度，rx为目标航路捷径；tx为目标飞行至航路捷径处所对应的时刻，θx为目标航路捷径处所对应的方位角参数；
{a,b,tx}为目标的高低角变化规律参数；其中，b＝h/rx，h为目标的高度；
步骤3)求解运动目标的方位角变化规律参数和高低角变化规律参数：
基于观察哨数字望远镜观测运动目标角度数据时间序列，根据步骤2)中的角度信息变化规律，并利用列文伯格-马夸尔特算法，估计目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}；
步骤4)将步骤3)得到的目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}代入步骤2)中相应的角度变化规律公式中，计算运动目标的方位角在时刻t的估计值
Figure BDA0002259513920000031
和高低角在时刻t的估计值
Figure BDA0002259513920000032
步骤5)根据步骤4)的角度估计结果，计算运动目标相对于数字望远镜的斜距R：
Figure BDA0002259513920000033
式中：
v0为运动目标的估计速度；
步骤6)利用5-10个最近时间采样观测数据作为输入，根据步骤3)、4)、5)，迭代估计运动目标的距离，得到运动目标斜距时间序列R＝{R1,R2,…,Rn}，从而确定运动目标航迹
Figure BDA0002259513920000034
其中，
Figure BDA0002259513920000035
进一步地，在步骤1)-2)之间，先对数字望远镜获取的观测数据进行预处理，具体如下：
A、剔除观测数据中的重复数据，并插值：
将t1时刻的观测数据记为
Figure BDA0002259513920000041
t2时刻的观测数据记为
Figure BDA0002259513920000042
时刻的观测数据记为
Figure BDA0002259513920000043
若ti时刻与tj时刻，θi＝θj，
Figure BDA0002259513920000044
则令
Figure BDA0002259513920000045
所述i≠j，i＝1,2,…n，j＝1,2,…n；
B、剔除观测数据中偏离过大的数据，并插值：
B1、利用数字望远镜多次连续观测任意运动目标，获取相应的观测数据；
B2、对每次连续观测获取的观测数据，分别计算观测数据与运动目标方位角、高低角估计值偏离的方差
Figure BDA0002259513920000046
和
Figure BDA0002259513920000047
B3、计算步骤B2所得所有观测角度数据与运动目标角度估计值偏离的方差的平均值
Figure BDA0002259513920000048
和
Figure BDA0002259513920000049
开方得到标准差平均值
Figure BDA00022595139200000410
和
Figure BDA00022595139200000411
B4、将所述步骤1)中观测数据中每个时刻对应的方位角和高低角分别与步骤B3所得到的标准差平均值
Figure BDA00022595139200000412
和进行比较，若某个时刻tk所对应的方位角θk与其估计值偏离大于等于所述标准差平均值
Figure BDA00022595139200000414
的3-5倍，表示该方位角θk偏离过大，则令
Figure BDA00022595139200000415
若某个时刻tg所对应的高低角
Figure BDA00022595139200000416
与其估计值偏离大于等于所述标准差平均值
Figure BDA00022595139200000417
的3-5倍，表示该高低角偏离过大，则令
进一步地，步骤B2中，根据以下公式计算观测数据与运动目标方位角、高低角估计值偏离的方差：
Figure BDA00022595139200000420
Figure BDA00022595139200000421
其中：
Figure BDA00022595139200000422
为ti时刻的方位角观测值；
Figure BDA0002259513920000051
为ti时刻方位角估计值；
为ti时刻高低角观测值；
Figure BDA0002259513920000053
为ti时刻高低角估计值。
进一步地，步骤2)中目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}的具体估计方法为：
首先构造函数eθ和
Figure BDA0002259513920000054
然后利用列文伯格-马夸尔特算法，通过已知方位角和高低角观测数据搜索使得函数eθ和
Figure BDA0002259513920000055
最小化的参数组{a,tx,θx}和{a,b,tx}，即得运动目标的运动规律参数；
Figure BDA0002259513920000056
Figure BDA0002259513920000057
其中：
θ(t)为所要搜索求取的特定参数最优方位角变化规律函数；θ为运动目标方位角观测值；
Figure BDA0002259513920000058
为搜索求取的特定参数最优高低角变化规律函数；
Figure BDA0002259513920000059
为运动目标高低角观测值。
本发明的优点：
建立了目标运动规律，可用来估计任意时刻目标定位信息；
利用LM算法拟合非线性函数，只需少量样本数量(5-10个观测数据)即可获取目标方位角和高低角变化规律参数，运算速度快，实时性强；
获取目标方位角和高低角变化规律参数后，根据目标角度变化规律可进行航迹外推；
根据目标角度变化规律，可对观测数据进行平滑，有效应对观测数据质量差问题，提高了航迹质量。
附图说明
图1是本发明建立的地面直角坐标系示意图。
图2是观察哨利用数字望远镜获取空情流程图。
图3是目标运动仿真参数设置示意图。
图4是典型目标方位角变化曲线图。
图5是典型目标高低角变化曲线图。
图6是目标观测方位角与估计值示意图。
图7是目标观测高低角与估计值示意图。
图8是根据实测数据估计目标斜距示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所提供的基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法具体为：
步骤1，地面观察哨利用数字望远镜连续跟踪运动目标，获取观测数据并通过无线网络传送至指挥信息中心平台端。
如图1所示，地面观察哨位于东北天坐标系原点，当手持数字望远镜稳定跟踪目标，即可录取目标角度数据。数据采样周期可根据目标运动情况灵活设置，当运动目标距离较远，观测数据变化慢，应适当增加采样间隔；当运动目标距离较近，运动目标状态变化快，则应适当提高采样频率，降低采样间隔。录取目标空情数据后，通过无线网络传送至指挥中心平台，如图2所示。
数字望远镜所获取的观测数据包括运动目标的实时方位角θ、高低角数字望远镜自动记录观测点站号、自动生成观测目标的批号，目标类型由观测者手动选择。数字望远镜获取的观测数据为时间序列。
步骤2，对观测数据进行预处理(该步骤为进一步提高航迹精度的步骤，也可以没有)：
2.1)剔除观测数据中的重复数据，并插值：
由于人为因素，观测运动目标时，望远镜停顿会产生重复数据，将t1时刻的观测数据记为
Figure BDA0002259513920000071
t2时刻的观测数据记为时刻的观测数据记为若ti时刻与tj时刻，θi＝θj，
Figure BDA0002259513920000074
则令
Figure BDA0002259513920000075
所述i≠j，i＝1,2,…n，j＝1,2,…n；
2.2)剔除观测数据中偏离过大的数据，并插值：
2.2.1)利用数字望远镜多次连续观测任意运动目标，获取大量观测数据；
2.2.2)对每次连续观测获取的观测数据，分别利用以下公式，计算观测数据与运动目标方位角、高低角估计值偏离的方差；
Figure BDA0002259513920000076
其中：
Figure BDA0002259513920000078
为ti时刻的方位角观测值；
Figure BDA0002259513920000079
为ti时刻方位角估计值；为ti时刻高低角观测值；
Figure BDA00022595139200000711
为ti时刻高低角估计值。
2.2.3)计算步骤2.2.2)中目标方位角和高低角观测数据方差的平均值，记为
Figure BDA00022595139200000712
和
Figure BDA00022595139200000713
开方得到标准差平均值
Figure BDA00022595139200000714
和
Figure BDA00022595139200000715
2.2.4)将所述步骤1)中观测数据中每个时刻对应的方位角和高低角分别与2.2.3)所得到的平均值进行比较，若某个时刻tk所对应的方位角偏差(方位角与其估计值的偏离)大于等于所述平均值
Figure BDA00022595139200000716
的3-5倍，表示该方位角θk偏离过大，则令若某个时刻tg所对应的高低角
Figure BDA00022595139200000718
偏差(高低角与其估计值的偏离)大于等于所述平均值
Figure BDA00022595139200000719
的3-5倍，表示该高低角
Figure BDA00022595139200000720
偏离过大，则令
Figure BDA00022595139200000721
步骤3，建立运动目标的角度信息变化规律：
短时间内可假设目标运动状态保持不变，根据图1中的几何关系，利用三角形相关定理，推导得到方位角的变化规律：
θ＝arctan[a(t-tx)]+θx
同方位角类似，推导得到高低角的变化规律：
Figure BDA0002259513920000081
式中：{a,tx,θx}为目标的方位角变化规律参数，对于匀速直线运动的目标{a,tx,θx}三个参数为常量；参数的具体含义为：a＝v/rx，v为目标的速度，rx为航路捷径；tx为目标飞行至航路捷径处所对应的时刻，θx为目标航路捷径处所对应的方位角；{a,b,tx}为目标的高低角变化规律参数，对于匀速直线运动的目标，{a,b,tx}三个参数为常数，其中b＝h/rx，h为目标的高度；如图3所示，设置目标运动相应的参数，目标初始方位角为π/4，飞行方向为π，目标与观察哨水平距离为5000m，目标速度240m/s，目标高度1000m，可根据以上目标运动规律公式获得方位角和高低角变化曲线，如图4和图5所示，而实际上，目标运动规律参数是未知，本发明利用观测数据对目标运动规律参数进行估计。
步骤4，求解运动目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}：
数字望远镜录取到运动目标的方位角θ＝{θ1,θ2,…,θn}和高低角数据时间序列后，理论上仅需要三组数据，根据步骤3)的方程组，即可求解目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}；而实际上，准确估计出参数{a,tx,θx}和{a,b,tx}需要更多观测数据，这是因为观测数据与目标的实际运动航迹存在一定的误差，空情信息质量与多个因素有关，对目标观测结果是一个非平稳随机过程。
目标方位角和高低角变化规律参数估计是距离跟踪的基础。求解机动目标角度信息变化规律，是一个非线性优化问题，首先构造函数eθ和
Figure BDA0002259513920000091
然后利用LM算法，通过已知方位角和高低角观测数据搜索使得函数eθ和最小化的参数组{a,tx,θx}和{a,b,tx}，即得运动目标的运动规律参数；
Figure BDA0002259513920000093
其中：
θ(t)为所要搜索求取的特定参数最优方位角变化规律函数；θ为运动目标方位角观测值；
Figure BDA0002259513920000095
为搜索求取的特定参数最优高低角变化规律函数；
Figure BDA0002259513920000096
为运动目标高低角观测值。
需要指出的是，空中目标的运动状态是实时变化的，必须利用短时间的观测数据对目标运动参数在线估计，才能提高对目标距离的跟踪精度。
LM(Levenberg-Marquardt，列文伯格-马夸尔特法)算法求解目标运动规律参数{a,tx,θx}和{a,b,tx}，该算法属于“爬山”法的一种，是使用最广泛的非线性最小二乘参数估计算法，同时具有梯度法和牛顿法的优点。
步骤5，将步骤4得到的目标方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}代入步骤3中相应的角度变化规律公式中，计算运动目标的方位角在时刻t的估计值
Figure BDA0002259513920000097
和高低角在时刻t的估计值
Figure BDA0002259513920000098
实际观测数据空情质量受多种因素影响，存在一定的抖动，图6和图7分别对某次实验目标角度信息观测值和估计值进行了对比，显然估计值更加光滑，实际观测数据围绕估计值上下波动，利用方位角和高低角的估计值计算目标斜距，准确度更高。
步骤6，利用方位角和高低角的估计值计算运动目标相对于数字望远镜的斜距R：
Figure BDA0002259513920000101
式中：
v0为运动目标的估计速度，是影响目标距离估计精度的关键参数。距离估计前需要根据目标类型预设目标速度，由于低空突防目标通常采用大速度水平直线运动方式，工程上目标的估计速度v0可取190-240m/s。图8为某次实验所得到的目标斜距变化曲线。
步骤7，为了适应对高机动目标的跟踪，利用少量最近时间采样观测数据作为输入，迭代估计运动目标的斜距，得到运动目标斜距时间序列R＝{R1,R2,…,Rn}，从而确定运动目标航迹
Figure BDA0002259513920000102
如下表所示。
需要注意的是，本发明目标斜距的计算对于小航路捷径目标不适用，在极端情况下，目标航路捷径为零，方位角不发生变化，对于小航路捷径运动目标距离的跟踪，需要单独进行考虑。
对于目标是小航路捷径目标还是非小航路捷径目标的判断，采用下述方法：
利用N个观测点估计目标运动规律，N的取值与目标速度和观测采样周期有关，N的建议值为5-10，若N个观测点方位角满足：θi+N-1-θi∈(θl,θu)，θi为第i个观测点的方位角(即ti时刻的方位角观测值)，θi+N-1为第i+N-1个观测点的方位角(即ti+N-1时刻的方位角观测值)，θl为下限值，θu为上限值，则认为运动目标为小航路捷径目标，否则，为非小航路捷径目标。

Claims (4)

1.基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，其特征在于，适用于非小航路捷径目标，包括以下步骤：
步骤1)利用数字望远镜连续跟踪运动目标，获取观测数据并传送至指挥信息中心平台端；所述观测数据包括运动目标的实时方位角θ和高低角
Figure FDA0002259513910000011
步骤2)基于观测数据，建立运动目标的角度信息变化规律：
方位角的变化规律：
θ＝arctan[a(t-tx)]+θx
高低角的变化规律：
Figure FDA0002259513910000012
式中：
t为对运动目标观测的时间变量，{a,tx,θx}为目标的方位角变化规律参数，观察哨对空观测时,假设目标运动状态保持不变，{a,tx,θx}三个参数为常量；其中，a＝v/rx，v为目标的速度，rx为目标航路捷径；tx为目标飞行至航路捷径处所对应的时刻，θx为目标航路捷径处所对应的方位角参数；
{a,b,tx}为目标的高低角变化规律参数；其中，b＝h/rx，h为目标的高度；
步骤3)求解运动目标的方位角变化规律参数和高低角变化规律参数：
基于观察哨数字望远镜观测运动目标角度数据时间序列，根据步骤2)中的角度信息变化规律，并利用列文伯格-马夸尔特算法，估计目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}；
步骤4)将步骤3)得到的目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}代入步骤2)中相应的角度变化规律公式中，计算运动目标的方位角在时刻t的估计值和高低角在时刻t的估计值
Figure FDA0002259513910000014
步骤5)根据步骤4)的角度估计结果，计算运动目标相对于数字望远镜的斜距R：
Figure FDA0002259513910000021
式中：
v0为运动目标的估计速度；
步骤6)利用5-10个最近时间采样观测数据作为输入，根据步骤3)、4)、5)，迭代估计运动目标的距离，得到运动目标斜距时间序列R＝{R1,R2,…,Rn}，从而确定运动目标航迹
Figure FDA0002259513910000022
其中，
Figure FDA0002259513910000023
2.根据权利要求1所述的基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，其特征在于，在步骤1)-2)之间，先对数字望远镜获取的观测数据进行预处理，具体如下：
A、剔除观测数据中的重复数据，并插值：
将t1时刻的观测数据记为
Figure FDA0002259513910000024
t2时刻的观测数据记为
Figure FDA0002259513910000025
…，tn时刻的观测数据记为
Figure FDA0002259513910000026
若ti时刻与tj时刻，θi＝θj，则令
Figure FDA0002259513910000028
所述i≠j，i＝1,2,…n，j＝1,2,…n；
B、剔除观测数据中偏离过大的数据，并插值：
B1、利用数字望远镜多次连续观测任意运动目标，获取相应的观测数据；
B2、对每次连续观测获取的观测数据，分别计算观测数据与运动目标方位角、高低角估计值偏离的方差
Figure FDA0002259513910000029
和
Figure FDA00022595139100000210
B3、计算步骤B2所得所有观测角度数据与运动目标角度估计值偏离的方差的平均值和
Figure FDA00022595139100000212
开方得到标准差平均值
Figure FDA00022595139100000213
和
Figure FDA00022595139100000214
B4、将所述步骤1)中观测数据中每个时刻对应的方位角和高低角分别与步骤B3所得到的标准差平均值
Figure FDA00022595139100000215
和进行比较，若某个时刻tk所对应的方位角θk与其估计值偏离大于等于所述标准差平均值的3-5倍，表示该方位角θk偏离过大，则令
Figure FDA0002259513910000031
若某个时刻tg所对应的高低角
Figure FDA0002259513910000032
与其估计值偏离大于等于所述标准差平均值
Figure FDA0002259513910000033
的3-5倍，表示该高低角
Figure FDA0002259513910000034
偏离过大，则令
Figure FDA0002259513910000035
k＝1,2,…n，g＝1,2,…n。
3.根据权利要求2所述的基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，其特征在于，步骤B2中，根据以下公式计算观测数据与运动目标方位角、高低角估计值偏离的方差：
Figure FDA0002259513910000036
Figure FDA0002259513910000037
其中：
为ti时刻的方位角观测值；
Figure FDA0002259513910000039
为ti时刻方位角估计值；
为ti时刻高低角观测值；
Figure FDA00022595139100000311
为ti时刻高低角估计值。
4.根据权利要求1所述的基于单观察哨数字望远镜的运动目标航迹获取方法，其特征在于，步骤2)中目标的方位角变化规律参数{a,tx,θx}和高低角变化规律参数{a,b,tx}的具体估计方法为：
首先构造函数eθ和
Figure FDA00022595139100000312
然后利用列文伯格-马夸尔特算法，通过已知方位角和高低角观测数据搜索使得函数eθ和
Figure FDA00022595139100000313
最小化的参数组{a,tx,θx}和{a,b,tx}，即得运动目标的运动规律参数；
Figure FDA00022595139100000314
Figure FDA0002259513910000041
其中：
θ(t)为所要搜索求取的特定参数最优方位角变化规律函数；θ为运动目标方位角观测值；
Figure FDA0002259513910000042
为搜索求取的特定参数最优高低角变化规律函数；为运动目标高低角观测值。
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