CN116047433A - 一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法 - Google Patents

一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法 Download PDF

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CN116047433A CN202211651743.6A CN202211651743A CN116047433A CN 116047433 A CN116047433 A CN 116047433A CN 202211651743 A CN202211651743 A CN 202211651743A CN 116047433 A CN116047433 A CN 116047433A
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Abstract

本发明提供一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，包括：雷达系统参数及目标参数输入；目标多运动模型建立；ENU坐标系下目标理论航迹产生；目标理论航迹由ENU坐标系向雷达球坐标系转换；目标是否处于雷达当前观测范围判决；雷达观测误差模型及误差添加；依次产生所有目标的雷达测量航迹数据，并将其打包和上传。本发明在无需部署雷达硬件系统情况下，通过仿真模拟产生低空监视雷达的目标航迹数据，可以为低空监视态势融合系统提供可靠的雷达源数据，降低了数据获取的成本，提升了系统部署和数据获取的灵活性，并可以为各传感器站点优化提供数据支撑。

Description

一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法
技术领域
本发明提供一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，属于无人机技术领域。
背景技术
随着低空空域的进一步开放和无人机行业的发展，大量合作/非合作无人机进入低空空域，对核电站、油库、核心城市等要地的低空安防带来了巨大挑战。为了验证多源异构数据融合算法，以获取全域低空态势信息，实现要地广域低空安防，通常需要在多个地点部署多种传感器。然而，通过此方式获取目标数据，需要部署大量传感器、建立大量站点，建设成本高、周期长、站点选址不灵活，难以获取全面数据和站点优化。
CN106054149B提供一种雷达机动目标三维航迹模拟方法，仅考虑了目标运动模型产生目标航迹，没考虑雷达扫描特性、天线特性、目标散射特性、雷达安装要求，产生的数据与雷达实际获取的目标航迹差异较大，不能准确模拟雷达观测的目标航迹。CN108931769B提供一种雷达任意航迹模拟的实现方法，输入目标理论航迹数据，通过雷达信号调制、解调、采样等，产生雷达中频采样信号并输出，数据为包含目标、杂波、噪声的原始数据，不是雷达测量的目标航迹，不能直接作为低空态势融合的数据源。
现有雷达航迹模拟方法产生的目标航迹没有考虑雷达扫描周期、天线特性、目标特性等，产生的目标航迹是目标理论航迹，与雷达观测的目标航迹有较大差异，或者得到的是雷达原始中频采样信号，而不是雷达测量的目标航迹，不能直接作为态势融合的数据源。
发明内容
为了解决现有技术不能直接产生符合低空监视雷达特征的目标航迹问题，本发明公布了一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法：根据雷达天线模型、视场限制、探测威力、运动模型、目标模型、误差模型，产生多运动模型、多目标模型下，符合低空监视雷达观测特征的多目标航迹数据，为广域低空监视态势融合提供雷达源模拟数据。
本发明提供了一种多运动模型、多目标模型并符合低空监视雷达特征的目标航迹模拟方法，具体技术方案如下：
一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，包括以下步骤：
(1)雷达系统参数及目标限制参数输入；
输入的雷达系统参数包括：归一化天线方向图、雷达数据率、方位/俯仰扫描范围、雷达波束宽度、雷达大地坐标。输入的目标限制参数包括：目标数量、目标模型、各类目标最大探测距离、目标最大运动速度。
(2)目标多运动模型产生；
产生多种目标运动模型，包括匀速直线运动模型、匀加速直线运动模型、水平匀速率转弯模型。
(3)ENU(East-North-Up)坐标系下目标理论航迹产生；
对于第m个目标，根据该目标初始时刻位置、速度，选择各时刻该目标的运动模型，产生各时刻ENU坐标系下该目标的理论航迹。
(4)雷达球坐标系下目标理论航迹转换；
对于第m个目标，将其ENU坐标系下的航迹数据转换到雷达球坐标系下，得到各时刻雷达球坐标系下目标的理论航迹。
(5)目标是否处于雷达当前观测范围判决；
根据雷达对第m个目标的最大探测距离、目标相对于雷达的方位、俯仰角、目标速度信息，对比当前雷达扫描角度，判决目标是否处于雷达观测范围内，若在雷达观测范围内，保留该数据，否则删除该数据。
(6)雷达观测误差模型及误差添加；
对雷达观测到的第m个目标各个时刻的测量值，按正态分布误差模型，添加观测误差，包括目标斜距误差、目标方位角误差、目标俯仰角误差、目标径向速度误差，得到雷达观测目标航迹数据。
(7)依次产生所有目标的雷达测量航迹数据；
对所有目标执行步骤(3)～(6)操作，得到所有目标在各个时刻雷达球坐标系下的测量航迹数据。
(8)雷达测量目标航迹打包与上传；
将所有目标的雷达测量航迹进行打包并上传到融合系统，为广域低空监视态势融合提供雷达源模拟数据。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明在无需部署雷达硬件系统情况下，通过仿真模拟产生低空监视雷达的目标航迹数据，可以为低空监视态势融合系统提供可靠的雷达源数据，降低了数据获取的成本，提升了系统部署和数据获取的灵活性，并可以为各传感器站点优化提供数据支撑。
(2)本发明充分考虑了雷达天线特性、雷达扫描特性、雷达威力、目标运动模型、目标散射特性、雷达误差模型，同时产生多个目标的雷达测量航迹数据，模拟的雷达目标航迹与真实低空监视雷达输出的目标航迹性能相当，能真实反映雷达对不同目标的探测能力、测量精度，可将其直接用于低空态势融合。
具体实施方式
下面结合一个优选实施例，进一步阐明本发明。
(1)雷达系统参数及目标限制参数输入
雷达天线方向图：F(β,ζ)，β为方位角，ζ俯仰角，方位波束宽度
Figure BDA0004010974450000031
目标类型：根据目标散射截面积，将目标分为多种类型，包括微小目标、小目标、中目标、大目标、超大目标；
最大探测距离：目标处于雷达天线最大增益方向上，最大探测距离为ηRmax，其中微小目标η＝0.56、小目标η＝0.84、中目标η＝1、大目标η＝1.19、超大目标η＝1.79；
雷达俯仰多波束同时覆盖：ζ∈[ζmin,ζmax]，其中ζmin＝0，
Figure BDA0004010974450000032
雷达方位角β∈[0,2π)，将方位分为30个波位，以正北方向为起始按波位依次扫描，每个波位驻留Δt＝100ms；
雷达数据率：
Figure BDA0004010974450000033
目标最大速度：vmax；
目标总数：M；
δρ(m)目标斜距误差，δβ(rad)方位角误差，δζ(rad)俯仰角误差，δρ(m/s)速度误差；
雷达大地坐标：经度φs、纬度λs、高度hs；
所有参数均可根据实际模拟需求进行调整。
(2)目标多运动模型产生
对于第m个目标，设第(k-1)Δt(k＝1,2,3,...)时刻目标位置(em0,nm0,um0)、速度
Figure BDA0004010974450000034
加速度
Figure BDA0004010974450000035
水平面转弯角速度ωm0。第kΔt时刻，不同运动模型下，目标位置(em,nm,um)、速度
Figure BDA0004010974450000036
加速度
Figure BDA0004010974450000037
水平转弯角速度ωm的递推公式：
匀速直线运动模型：
Figure BDA0004010974450000038
匀加速直线运动模型：
Figure BDA0004010974450000041
水平匀速率转弯模型：
Figure BDA0004010974450000042
其中：
Figure BDA0004010974450000043
Figure BDA0004010974450000044
f24＝-f15
f25＝f14
f44＝cos(ωm0Δt)
f45＝-sin(ωm0Δt)
f54＝-f45
f55＝f44
(3)ENU坐标系下目标理论航迹产生
第kΔt时刻，对第m个目标，选择目标运动模型，由第(k-1)Δt时刻目标位置、速度、加速度、角速度及各运动模型下的递推公式，得到目标位置(em,nm,um)、速度
Figure BDA0004010974450000045
加速度
Figure BDA0004010974450000046
水平转弯角速度ωm。
以此类推，可以得到所有时刻下M个目标，在ENU坐标系下的位置、速度、加速度、水平转弯角速度信息，从而得到所有目标在ENU坐标系下的理论航迹数据。
(4)雷达球坐标系下目标理论航迹转换
设雷达水平固定安装，将第kΔt时刻、第m个目标，ENU坐标系下的位置转换到雷达直角坐标系下：
Figure BDA0004010974450000051
进而，将第kΔt时刻、第m个目标位置，由雷达直角坐标系转换到雷达球坐标系：
Figure BDA0004010974450000052
Figure BDA0004010974450000053
Figure BDA0004010974450000054
Figure BDA0004010974450000055
在雷达球坐标系下，第kΔt时刻、第m个目标的理论位置为
Figure BDA0004010974450000056
其中ρm(m)为目标斜距，βm(rad)为目标方位角，ζm(rad)为目标俯仰角，
Figure BDA0004010974450000057
为目标径向速度。
将任意时刻、任意目标的位置进行以上坐标转换，可以得到所有目标在雷达球坐标系下的理论航迹数据。
(5)目标是否处于雷达当前观测范围判决
雷达从正北方向开始进行方位扫描，方位按波位依次扫描，每个波位驻留100ms。0时刻雷达扫描方位角为0度，第kΔt时刻，雷达扫描的方位角为
Figure BDA0004010974450000058
度，mod(·)为求余函数。
选定第m个目标类型，第kΔt时刻该目标能被雷达有效探测到，需要满足以下条件：
Figure BDA0004010974450000061
若满足此条件，保留第kΔt时刻目标数据，否则删除该时刻目标数据。由此，得到雷达观测能力下，第m个目标在雷达球坐标系下的理论航迹数据。
(6)雷达观测误差模型及误差添加
添加第kΔt时刻、第m个目标的观测误差，得到该目标的雷达测量数据
Figure BDA0004010974450000062
添加目标斜距误差：
ρmout＝ρm+δρ×randn(1)
其中randn(1)服从标准正态分布。
添加目标方位角误差：
βmout＝βm+δβ×randn(1)
添加目标俯仰角误差：
ζmout＝ζm+δζ×randn(1)
添加目标径向速度误差：
Figure BDA0004010974450000063
(7)依次产生所有目标的雷达测量航迹数据：
对各个时刻、各个目标执行步骤(3)～(6)操作，可以得到M个预设目标，在各个时刻雷达球坐标系下的测量航迹数据。
(8)目标信息打包与上传
将第kΔt时刻，雷达测量的目标航迹信息进行打包，同时上传到多源数据融合系统，为广域低空监视态势融合提供雷达源模拟数据。

Claims (4)

1.一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)雷达系统参数及目标限制参数输入；
(2)目标多运动模型产生；
(3)ENU坐标系下目标理论航迹产生；
对于第m个目标，根据该目标初始时刻位置、速度，选择各时刻该目标的运动模型，产生各时刻ENU坐标系下该目标的理论航迹；
(4)雷达球坐标系下目标理论航迹转换；
对于第m个目标，将其ENU坐标系下的航迹数据转换到雷达球坐标系下，得到各时刻雷达球坐标系下目标的理论航迹；
(5)目标是否处于雷达当前观测范围判决；
根据雷达对第m个目标的最大探测距离、目标相对于雷达的方位、俯仰角、目标速度信息，对比当前雷达扫描角度，判决目标是否处于雷达观测范围内，若在雷达观测范围内，保留该数据，否则删除该数据；
(6)雷达观测误差模型及误差添加；
对雷达观测到的第m个目标各个时刻的测量值，按正态分布误差模型，添加观测误差，得到雷达观测目标航迹数据；
(7)依次产生所有目标的雷达测量航迹数据；
对所有目标执行步骤(3)～(6)操作，得到所有目标在各个时刻雷达球坐标系下的测量航迹数据；
(8)雷达测量目标航迹打包与上传；
将所有目标的雷达测量航迹进行打包并上传到融合系统，为广域低空监视态势融合提供雷达源模拟数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于，步骤(1)中输入的雷达系统参数包括：归一化天线方向图、雷达数据率、方位/俯仰扫描范围、雷达波束宽度、雷达大地坐标；
输入的目标限制参数包括：目标数量、目标模型、各类目标最大探测距离、目标最大运动速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于，步骤(2)中产生多种目标运动模型，包括匀速直线运动模型、匀加速直线运动模型、水平匀速率转弯模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于多模型的雷达目标航迹模拟方法，其特征在于，步骤(6)中添加观测误差，包括目标斜距误差、目标方位角误差、目标俯仰角误差、目标径向速度误差。
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CN116755049A (zh) * 2023-08-16 2023-09-15 江西联创精密机电有限公司 一种雷达目标模拟训练方法、系统、设备及存储介质

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CN116755049A (zh) * 2023-08-16 2023-09-15 江西联创精密机电有限公司 一种雷达目标模拟训练方法、系统、设备及存储介质
CN116755049B (zh) * 2023-08-16 2023-11-03 江西联创精密机电有限公司 一种雷达目标模拟训练方法、系统、设备及存储介质

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