CN112731400A - 一种海上船只目标矢量速度估计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种海上船只目标矢量速度估计方法及系统，包括：步骤1：获取T/R单基地雷达与T‑R双基地雷达的目标航迹集合；步骤2：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；步骤3：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；步骤4：计算目标在T/R单基地雷达与T‑R双基地雷达位置处的双基地角；步骤5：分别计算目标的航速、航向；步骤6：输出目标的矢量速度。

Description

一种海上船只目标矢量速度估计方法及系统
技术领域
本公开属于海上船只目标超视距监视监测领域，具体涉及一种适用于T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达的海上船只目标矢量速度估计方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)是一种海上运动目标超视距探测手段，具有连续主动探测、可全天候工作、成本低等诸多优点，在海上目标综合监视系统中发挥着越来越重要的作用。目标探测用的高频地波雷达一般采用较高的发射功率以保证探测距离，采用大型阵列式接收天线以获取较高的目标方位角分辨率，典型代表有加拿大的SWR-503系统、英国的OSCR系统等。然而，其动辄几百米甚至上千米的接收天线阵列需要占用大面积稀缺的海岸资源，导致阵地选址难度大，系统部署及维护困难；同时，较高的雷达发射功率会对周边环境造成电磁污染和干扰，这些问题限制了大型阵列式地波雷达的推广应用。
为了充分发挥高频地波雷达在目标探测方面的优势，满足海洋权益维护、海上救援、航海运输等领域对海上船只目标大范围连续监视监测的应用需求，亟需发展占地面积小、设备小型化、功耗低、部署灵活、维护方便的紧凑型地波雷达系统，可以将其部署在海岛、海洋平台或大型船只上，提高系统应用的灵活性，拓展其应用范围。因此，紧凑型地波雷达系统成为地波雷达目标探测技术的一个重要发展方向。紧凑型地波雷达系统因天线阵列孔径减小降低了其方位角分辨率，导致其对目标的定位精度降低，因而无法提供准确的目标航速、航向信息，而航速、航向是海上目标跟踪系统所需的重要参数。
T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达由一部T/R单基地雷达与一部T-R双基地雷达组成，两部雷达共用一部发射天线。其中，T/R单基地雷达可以获得目标至该站的距离、目标的方位角及径向速度，T-R双基地雷达能够获得目标至两个雷达站的距离和、目标的方位角及椭圆速度。由此可见，T/R-R复合双基地地波雷达系统能够提供目标两个方向的多普勒速度。同时，两部雷达能够对观测海域内的目标进行同步探测，将探测结果进行关联和融合后，能够提高目标位置的探测精度。利用融合后得到的目标位置及两个多普勒速度，可以估计目标的矢量速度。基于这个思考，提出了本专利的方法。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种海上船只目标矢量速度估计方法及系统，本公开能够提供海上目标综合监视系统所需的高精度的航速、航向信息。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种海上船只目标矢量速度估计方法；
一种海上船只目标矢量速度估计方法，包括：
步骤1：获取T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的目标航迹集合；
步骤2：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；
步骤3：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；
步骤4：计算目标在T/R单基地雷达与T-R双基地雷达位置处的双基地角；
步骤5：分别计算目标的航速、航向；
步骤6：输出目标的矢量速度。
第二方面，本公开提供了一种海上船只目标矢量速度估计系统；
一种海上船只目标矢量速度估计系统，包括：
目标航迹集合获取模块：获取T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的目标航迹集合；
关联航迹对集合生成模块：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；
航迹集合融合模块：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；
双基地角计算模块：计算目标在T/R单基地雷达与T-R双基地雷达位置处的双基地角；
目标航速、航向计算模块：分别计算目标的航速、航向；
输出模块：输出目标的矢量速度。
第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述第一方面所述的海上船只目标矢量速度估计方法。
第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的海上船只目标矢量速度估计方法。
第五方面，本公开还提供了一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行的时候用于实现前述第一方面的海上船只目标矢量速度估计方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开利用T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达能够提高目标位置探测精度，且能够同时提供目标在两个不同方向的多普勒速度的特点，提出了一种海上船只目标矢量速度估计方法，该方法具有以下优点：
(1)能够提供海上目标综合监视系统所需的高精度的航速、航向信息；
(2)利用估计得到的目标矢量速度，可以在跟踪过程中对目标状态进行更准确地预测，提升跟踪性能。
本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开的海上船只目标矢量速度估计方法的流程图；
图2为本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标矢量速度估计原理示意图；
图3为本公开实施例的由AIS所获取目标点迹跟踪的航迹结果图；
图4为本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标航速估计方法的验证图；
图5为本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标航向估计方法验证图；
图6为应用本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达关联航迹对的融合结果图；
图7为应用本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标航速估计结果与自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)所测目标航速的对比图；
图8为应用本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标航向估计结果与AIS所测目标航向的对比图；
图9为本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标矢量速度估计结果图；
图10为本公开实施例的T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标航迹重跟踪结果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供了一种海上船只目标矢量速度估计方法；
图1是本实施例海上船只目标矢量速度估计的流程图，如图1所示：一种海上船只目标矢量速度估计方法，包括：
步骤1：获取T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的目标航迹集合；
步骤2：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；
步骤3：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；
步骤4：计算目标在T/R单基地雷达与T-R双基地雷达位置处的双基地角；
步骤5：分别计算目标的航速、航向；
步骤6：输出目标的矢量速度。
作为一个或多个实施例，计算目标的航速的实现过程为：
对于融合航迹中的每一个点迹，利用双基地角、T/R单基地雷达测得的目标径向速度、T-R双基地雷达测得的目标椭圆速度，计算得到目标的航速；
计算目标的航向的实现过程为：
对于融合航迹中的每一个点迹，利用双基地角、T/R单基地雷达估计的目标方位角与径向速度、T-R双基地雷达测得的目标椭圆速度，计算得到目标的航向，所述目标航向即为目标速度的方向。
作为一个或多个实施例，T/R单基地雷达与T-R双基地雷达对观测海域内的目标进行同步探测，分别获取目标点迹；利用目标跟踪方法分别对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达获取的点迹进行跟踪，得到两雷达的目标航迹集合。
作为一个或多个实施例，采用航迹关联方法对所述目标航迹集合进行处理得到关联航迹对集合。
作为一个或多个实施例，采用航迹融合方法对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合。
作为一个或多个实施例，对每条融合航迹中的每一个点迹，根据点迹的位置以及T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的位置，计算得到目标在该位置处的双基地角。
作为一个或多个实施例，所述关联航迹对集合中的关联航迹对的匹配过程包括：对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达所获取的航迹进行集合匹配。
具体而言：T/R-R复合双基地紧凑型地波雷达由一部T/R单基地雷达和T-R双基地雷达组成，两部雷达共用一部发射天线，可以同时对观测海域内的船只目标进行检测与跟踪。但是，T/R单基地紧凑型雷达与T-R双基地紧凑型雷达对目标的探测精度都较低，在目标检测时易受海杂波、地杂波、射频干扰、电离层干扰等影响，检测概率低，虚警率高。因此，在多目标环境下对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达获取的目标点迹直接进行关联，难度较大。与目标点迹相比，航迹能够反映目标的运动特征，蕴含了更丰富的目标信息。因此，本发明首先利用目标跟踪算法分别对T/R单基地雷达及T-R双基地雷达获取的点迹数据进行跟踪处理，得到两个雷达的目标航迹集合；然后对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达获取的目标航迹集合进行关联与融合，得到融合后的目标航迹集合，提高目标的定位精度。上述过程需要航迹关联与航迹融合方法作为技术支撑。
其中，航迹关联是航迹融合的前提，即对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达所获取的航迹进行集合匹配，得到属于同一目标的航迹对。常用的航迹关联方法有基于统计理论的算法(例如：加权法、修正法、最近邻域法、联合概率数据关联法等)以及基于模糊数学的关联算法。航迹融合将关联得到的航迹对融合为一条航迹，利用两条关联航迹的互补信息提高目标的定位精度。常用的融合算法有互协方差组合航迹融合(Bar-Shalom-Campo)算法、协方差交叉法、最大后验概率状态估计融合法、基于航迹质量的加权平均融合算法等。
考虑到航迹关联与融合算法的性能与计算复杂度之间的平衡，本公开采用基于直觉模糊的双门限关联算法进行航迹关联，采用Bar-Shalom-Campo融合算法进行航迹融合。上述算法计算简单，易于实现，关联准确率较高，融合效果不受雷达测量误差的影响，在两部雷达探测精度相差较大的情况下也能实现较好的融合性能。
由于T/R单基地雷达与T-R双基地雷达对目标进行同步检测时所处的检测环境类似，在进行航迹融合时应考虑两部雷达目标局部状态估计之间的相关性。
在笛卡尔坐标系下，将T/R单基地雷达在k时刻所测目标的状态表示为
Figure BDA0002865801650000091
Figure BDA0002865801650000092
与
Figure BDA0002865801650000093
与
Figure BDA0002865801650000094
分别表示目标在x、y方向的位置与速度，Pm(k)为采用转换坐标Kalman滤波方法进行目标跟踪得到的状态估计误差协方差矩阵；将T-R双基地雷达所测目标状态表示为
Figure BDA0002865801650000095
相应的状态估计误差协方差矩阵为Pb(k)。以下计算均针对k时刻目标的状态信息，简单起见，将上述表示中的下标k省略。
假设两条关联航迹中对应点迹的状态估计误差为：
Dmb＝xm-xb (1)
其协方差矩阵为：
Figure BDA0002865801650000101
其中，互协方差矩阵Pmb、Pbm可由Kalman滤波得到：
Figure BDA0002865801650000102
其中，I为单位矩阵，K为Kalman滤波器的增益矩阵，Φ为状态转移矩阵，Q为过程噪声协方差矩阵，H为观测矩阵。
那么，目标状态融合方程及状态估计误差协方差矩阵可以表示为：
Figure BDA0002865801650000103
T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标状态表示及矢量速度估计示意图如图2所示。T/R单基地雷达可以估计得到目标至该雷达站的距离rT、目标的方位角θT及径向速度VR；T-R双基地雷达能够估计得到目标至两个雷达站的距离和ρ、目标的方位角θR及椭圆速度VE，其中，ρ＝rT+rR，rR表示目标到R接收站的距离，可以计算得到。T-R双基地雷达测得的距离和ρ相同的位置确定一个以T/R发射站与R接收站为焦点的椭圆，VE的反向延长线即目标双基地角的平分线。此外，L表示两雷达站之间的距离，即基线长度，
Figure BDA0002865801650000104
θE、θ分别表示目标径向速度、椭圆速度及真实航速的方向与水平方向的夹角。已知两个雷达站的位置，对于融合航迹中的每一个点迹，根据三角形关系可以计算得到目标的双基地角：
Figure BDA0002865801650000111
其中，目标到R接收站的距离rR可由下式得到：
Figure BDA0002865801650000112
此外，双基地角β还可以利用T/R单基地雷达估计得到的目标方位角θT与T-R双基地雷达估计得到的目标方位角θR计算得到，表示为：
Figure BDA0002865801650000113
目标的径向速度VR、椭圆速度VE分别为目标航速V在两个不同方向上的分量，由图2中的几何关系可见，VR、VE与V之间存在如下投影关系：
Figure BDA0002865801650000114
Figure BDA0002865801650000115
其中，
Figure BDA0002865801650000116
Figure BDA0002865801650000117
以垂直于基线方向为y轴(向上为正方向)，平行于基线方向为x轴(向右为正方向)建立正交坐标系，令e+、e-分别表示x轴正方向与y轴正方向的单位矢量，由图2中的几何关系可知，目标矢量速度V可以表示为：
V＝Vcosθe++Vsinθe- (10)
联立公式(8)与(10)可得目标真实速度幅度的表达式为：
Figure BDA0002865801650000121
根据T/R单基地雷达估计得到的目标径向速度VR、T-R双基地雷达估计得到的目标椭圆速度VE、双基地角β及方位角θT，可得目标真实速度方向与水平方向的夹角θ为：
Figure BDA0002865801650000122
则目标以正北为参考方向的航向为：
Figure BDA0002865801650000123
实施例二
船舶自动识别系统AIS能够准确记录目标的位置(以经纬度坐标表示)、航速及航向信息，取某个目标的AIS航迹数据对本公开提出的目标矢量速度估计方法的准确性进行验证。
首先，已知某T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达系统中T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的位置，对于AIS航迹中的每一个点迹，计算其相对于T/R雷达站的距离rT、方位角θT及相对于T-R雷达站的距离rR、方位角θR，根据公式(5)、(6)或者公式(7)计算其双基地角β；
然后，根据AIS所测目标的航速、航向、目标的方位角θT及双基地角β，利用公式(8)、(9)计算其径向速度VR与椭圆速度VE；
最后，根据公式(11)～(13)计算目标的航速与航向。
所用的AIS航迹个例如图3所示。其中，实心三角形符号标注点迹表示目标航迹的起始点迹，AIS测量的航速航向与本发明的估计结果对比如图4、5所示，可以看出，由本公开计算得到的航速航向与AIS测量结果完全一致，验证了本发明提出的目标航速航向估计方法的正确性。
实施例三
利用某T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达目标探测实验获取的目标数据进行目标矢量速度估计实验，以同步获取的目标AIS数据作为参考对估计结果进行评价。
首先，利用转换坐标Kalman滤波方法分别对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达获取的目标点迹数据进行跟踪，得到两个雷达站的目标航迹；
然后，利用基于直觉模糊的双门限航迹关联方法对两雷达站获取的航迹进行关联处理，得到关联航迹对；对每一对关联航迹，采用Bar-Shalom-Campo融合算法进行航迹融合，得到融合航迹。以一个目标为例，其关联航迹对及航迹融合结果如图6所示，其中，实心三角形符号标注处的点迹表示目标航迹的起始点迹；
最后，对于融合航迹中的每一个点迹，根据目标相对于T/R单基地雷达站的距离rT、方位角θT及目标相对于T-R双基地雷达站的距离rR、方位角θR，根据公式(5)、(6)或者公式(7)计算目标的双基地角β，根据公式(11)～(13)计算目标的航速与航向。将估计得到的航速、航向与AIS同步测量的目标航速、航向进行对比，结果如图7、8所示。可以看出，与AIS测量得到的目标航速、航向相比，本公开估计得到的航速航向结果存在一定误差，其均方根误差分别为0.55km/h、3.81°。
根据T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达估计得到的目标航速、航向可以得到目标的矢量速度，如图9所示。其中，黑色实心点表示AIS所测目标的位置，箭头的大小与方向分别表示本公开估计得到的目标航速、航向。
根据目标的初始位置与估计得到的航速、航向，可以对目标进行重跟踪，跟踪航迹如图10所示。实心三角形符号标注处的点迹表示目标航迹的起始点迹。由图10可以看出，重跟踪航迹较融合航迹更平滑且更接近AIS航迹，从而进一步提高了T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达的目标定位精度。
实施例四
本实施例提供了一种海上船只目标矢量速度估计系统；
一种海上船只目标矢量速度估计系统，包括：
目标航迹集合获取模块：获取T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的目标航迹集合；
关联航迹对集合生成模块：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；
航迹集合融合模块：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；
双基地角计算模块：计算目标在T/R单基地雷达与T-R双基地雷达位置处的双基地角；
目标航速、航向计算模块：分别计算目标的航速、航向；
输出模块：输出目标的矢量速度。
此处需要说明的是，上述目标航迹集合获取模块、关联航迹对集合生成模块、航迹集合融合模块、双基地角计算模块、目标航速、航向计算模块以及输出模块对应于实施例一中的步骤1至6，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例五
本实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述实施例一所述的海上船只目标矢量速度估计方法。
实施例六
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一所述的海上船只目标矢量速度估计方法。
本发明实施例通过一种适用于T/R-R复合双基地紧凑型高频地波雷达的目标矢量速度估计方法，根据目标在两个不同方向上的多普勒速度及双基地角、方位角等信息估计得到了目标的航速与航向。由于目标的矢量速度必沿其航迹的切线方向，所以利用矢量速度预测目标的状态更为准确。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的目标航迹集合；
步骤2：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；
步骤3：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；
步骤4：计算目标在T/R单基地雷达与T-R双基地雷达位置处的双基地角；
步骤5：分别计算目标的航速、航向；
步骤6：输出目标的矢量速度。
2.根据权利要求1所述的海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，所述步骤5中计算目标的航速的实现过程为：
对于融合航迹中的每一个点迹，利用双基地角、T/R单基地雷达测得的目标径向速度、T-R双基地雷达测得的目标椭圆速度，计算得到目标的航速；
计算目标的航向的实现过程为：
对于融合航迹中的每一个点迹，利用双基地角、T/R单基地雷达估计的目标方位角与径向速度、T-R双基地雷达测得的目标椭圆速度，计算得到目标的航向，所述目标航向即为目标速度的方向。
3.根据权利要求1所述的海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，所述步骤1包括：T/R单基地雷达与T-R双基地雷达对观测海域内的目标进行同步探测，分别获取目标点迹；利用目标跟踪方法分别对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达获取的点迹进行跟踪，得到两雷达的目标航迹集合。
4.根据权利要求1所述的海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，所述步骤2包括：采用航迹关联方法对所述目标航迹集合进行处理得到关联航迹对集合。
5.根据权利要求1所述的海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，所述步骤3包括：采用航迹融合方法对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合。
6.根据权利要求1所述的海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，所述步骤4包括：对每条融合航迹中的每一个点迹，根据点迹的位置以及T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的位置，计算得到目标在该位置处的双基地角。
7.根据权利要求1所述的海上船只目标矢量速度估计方法，其特征在于，所述关联航迹对集合中的关联航迹对的匹配过程包括：对T/R单基地雷达与T-R双基地雷达所获取的航迹进行集合匹配。
8.一种海上船只目标矢量速度估计系统，其特征在于，包括：
目标航迹集合获取模块：获取T/R单基地雷达与T-R双基地雷达的目标航迹集合；
关联航迹对集合生成模块：对所述目标航迹集合进行处理，得到关联航迹对集合；
航迹集合融合模块：对所述关联航迹对集合进行融合处理得到融合航迹集合；
双基地角计算模块：计算目标在T/R单基地雷达与T-R双基地雷达位置处的双基地角；
目标航速、航向计算模块：分别计算目标的航速、航向；
输出模块：输出目标的矢量速度。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述权利要求1-7任一项所述的海上船只目标矢量速度估计方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的海上船只目标矢量速度估计方法。
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