【文章內(nèi)容簡介】 蹤精度的同時保持良好的隱蔽性。在這種條件下，通常的兩個傳感器均能同時工作的數(shù)據(jù)融合跟蹤系統(tǒng)已不再適用。因為，主動傳感器(比如雷達)主動發(fā)送電磁波，很容易暴露，因此它的工作必須受到一定的限制，以保證系統(tǒng)有良好的隱蔽性。但是主動傳感器不能完全關閉，因為，被動傳感器雖然隱蔽性很好，測角精度高，但在很多情況下屬于純方位跟蹤，會出現(xiàn)強非線性、弱可觀測性等問題，因此濾波穩(wěn)定性差，容易發(fā)散，同時還要求觀測站進行特定的運動，以增強系統(tǒng)的可觀測性[26]。而主動傳感器的測距精度高，跟蹤算法相對成熟，正是被動跟蹤的有益補充。采用被動跟蹤為主，主動跟蹤為輔的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)對目標進行跟蹤有利于更充分地發(fā)揮主/被動兩種傳感器各自的優(yōu)勢，使其相得益彰。與通常的融合系統(tǒng)相比，這種融合系統(tǒng)可靠性高、隱蔽性好、系統(tǒng)生存能力強等優(yōu)勢，在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下，是目標跟蹤的一種優(yōu)良工程實現(xiàn)方案。 主動跟蹤與被動跟蹤技術(shù)現(xiàn)代跟蹤設備根據(jù)工作方式大致可分為主動式和被動式兩種。主動跟蹤系統(tǒng)使用主動傳感器如雷達，其工作原理是向空中輻射電磁波，通過獲取目標的回波來探測目標并對其進行定位。由于其性能不受天氣情況的影響，能夠較為準確地獲得目標的量測信息，使雷達在跟蹤系統(tǒng)中起著重要的作用。隨著科技的發(fā)展，戰(zhàn)場等環(huán)境越來越復雜，這就要求在獲取信息的同時又不能暴露自己，而主動傳感器，是有源探測器，發(fā)出的信號易于被對方偵測，因此容易遭受敵方干擾及反擊。于是，無源探測設備應運而生，即被動傳感器。被動傳感器本身不發(fā)射信號，而是被動地接收目標所發(fā)出的信號，對目標進行跟蹤，由于其不輻射能量，因而不可能被敵方偵察和定位，從而無從實施干擾和攻擊。同時由于飛行器(包括隱身飛機)不可避免地要輻射電磁能量和熱量(紅外線)、反射可見光，又為探測和定位創(chuàng)造了條件。因此，被動傳感器受到各國有關部門的高度重視。隨著科技的迅速發(fā)展，被動傳感器的性能得到了很大提高，比如紅外(InfraredIR)傳感器。前視紅外成像傳感器(FLIR)和紅外搜索與跟蹤傳感器(IRST)是目前被廣泛使用的兩種紅外傳感器。相對來說，F(xiàn)LIR作用距離較近，信息處理時間較長，因此限制了它在戰(zhàn)場上的應用；IRST將目標當做點源進行探測跟蹤，作用距離較遠。與主動傳感器(雷達)相比，IRST具有角分辨率高、抗干擾能力強、隱蔽性好等優(yōu)點；但又有在惡劣環(huán)境下遠距離性能差，不能提供有用距離信息等缺點。但隨著科技的發(fā)展，IRST探測跟蹤的距離大大增加，且對目標距離測量問題的研究也取得了很大的進展。近年來，由于高科技作戰(zhàn)的需要，被動跟蹤技術(shù)作為跟蹤技術(shù)的一個重要分支，得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種理論，其工程應用也涉及各個方面，在雷達告警、空中目標探測與跟蹤、水下聲納目標跟蹤、衛(wèi)星監(jiān)視、以及交通管制等領域得到了廣泛應用。 被動定向跟蹤在很多應用領域，被動傳感器和主動傳感器配合使用，成為相互獨立又彼此補充的探測跟蹤手段，利用主動傳感器高精度的測距信息和被動傳感器高精度的測角信息，可以給出對目標位置等狀態(tài)進行精確估計。但是當主動傳感器(雷達)處于無線電靜寂或受到敵方干擾而不能正常工作時，被動傳感器就要獨立地對目標進行搜索、探測和跟蹤，即在很多情況下會單獨使用被動探測設備，這時它的被動特性使它具有很好的隱蔽性，在對敵攻擊中占據(jù)上風。正因如此，被動跟蹤一直是目跟蹤領域的一個重要的研究方向。根據(jù)所求運動參數(shù)的不同，被動跟蹤可以分為被動定向跟蹤和被動定位跟蹤兩種。定向跟蹤是以角度和角速度作為狀態(tài)變量，而定位跟蹤是以位置、速度、加速度等運動參數(shù)為狀態(tài)變量。定向跟蹤算法是將目標運動模型線性近似，從而在量測坐標系中進行線性遞推濾波。被動傳感器與主動傳感器不同，它沒有距離信息，不能利用目標的精確運動方程，因此需要簡化模型。在濾波過程中，常常選取四維狀態(tài)變量(方位角，方位角速度，俯仰角，俯仰角速度)。被動定向的作用之一是給主動跟蹤系統(tǒng)或火控系統(tǒng)作角度引導。這里我們以IRST為例進行討論。由于IRST主要用于遠距離目標的搜索和跟蹤，這時目標作機動的可能性較小，那么目標的跟蹤問題將得到簡化。在IRST單獨跟蹤目標時，可以得到的目標信息只有方位角和俯仰角，而同時火控系統(tǒng)也只要求IRST為它提供下一時刻方位角和俯仰角的預測值。那么，如果系統(tǒng)的狀態(tài)變量只有方位角和俯仰角及其角速度，而不包含距離信息，就既可以避免被動跟蹤算法中難以解決的不可觀測問題，又使得目標的觀測和跟蹤過程大大簡化，從而為被動系統(tǒng)實際解決純方位TMA問題提供了實用的算法[29]。 被動定位跟蹤紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)只能獲取目標的角度信息，但是如果只用角度信息來估計目標的運動參數(shù)(位置、速度、加速度等)，那么目標的狀態(tài)是不可觀測的。在建立系統(tǒng)運動方程時，直角坐標系下，運動方程是線性的，量測方程是非線性的；而在球坐標系下，量測方程是線性的，而運動方程卻是非線性的。因此，無論如何變換坐標系都不能避免非線性問題。因此，被動跟蹤系統(tǒng)是非線性的、不可觀測性的。正是由于這些問題，被動跟蹤技術(shù)的發(fā)展受到了一定的阻礙。被動定位跟蹤(Passive Target Tracking,PTT)是在已知角度測量值(和/或多普勒偏移頻率和到達時差等)的條件下估計目標和傳感器之間的相對距離和速度，也稱目標運動分析(Target Motion Analysis,TMA)。目標運動分析在聲納、紅外、激光、導航和電子對抗等領域有著重要的軍事應用價值，因此它己經(jīng)成為了非線性估計領域中炙手可熱的問題?，F(xiàn)有的被動定位跟蹤方法從量測源的角度可分為兩大類：僅有角度量測的被動定位跟蹤和基于多量測源的被動定位跟蹤。(1) 僅有角度量測的被動定位跟蹤僅有角度量測的被動定位跟蹤方法提出的時間較早、研究的也較為深入，其量測信息來自于運動的傳感器。由于角度信息是位置等狀態(tài)的不完全描述，所以存在著狀態(tài)可觀測性問題。因此要得到目標狀態(tài)唯一估計，傳感器的運動要滿足一定的要求。很多學者對系統(tǒng)可觀測性問題進行了深入的研究[30,31,32,33,34,35]，針對各種不同的目標運動情況給出了狀態(tài)可觀測的充分必要條件。但是，即使目標做與載機共面勻速直線運動，TMA問題也不能簡單地求解。比如，利用單個運動觀測站測取的方位信息，在該站機動之前(相對勻速直線運動)，是不能估計出目標運動的全部參數(shù)的，即系統(tǒng)在此階段是不完全可觀測的。另外，系統(tǒng)的高度非線性，也是TMA面臨的難題，傳統(tǒng)的線性化方法不能簡單搬用。在二戰(zhàn)之后，首先提出了確定性解法，基本原理是用至少四個獨立觀測到的目標方位信息(或與方位變化率的組合)，建立目標狀態(tài)參數(shù)(距離、速度、航向)的三個獨立方程組，并進行求解。這種確定性的求解方法簡單直觀，但在有量測誤差的情況下，解的穩(wěn)定性和精度無法預測[36]。二十世紀六十年代，以最小二乘法為基礎的純方位目標運動分析技術(shù)得到了發(fā)展，該方法可改善估計精度，因此至今也是一種可選擇的應用方法。但是由于系統(tǒng)的非線性，之前的各種方法在估計精度上不能滿足要求，尤其是難以預測，而且在觀測噪聲的影響下，載機一次機動前后數(shù)據(jù)段的長度選擇對求解過程的影響變得至關重要，所以這種方法不夠穩(wěn)定且不具一般性，從而給戰(zhàn)術(shù)攻擊帶來了困難[37,38]。二十世紀七十年代以后，擴展卡爾曼濾波在純方位TMA中得到了廣泛應用。初期在直角坐標系下的研究成果，有不錯的估計精度。但載機機動前的第一運動階段EKF過早發(fā)散。其實這只是確定性求解方法，即非遞推最小二乘法中存在的不穩(wěn)定性以另外一種形式顯露出來[39,40]。之后， Snog ，從而得到了較好的跟蹤效果[41]。二十世紀七十年代末出現(xiàn)了偽線性卡爾曼濾波(PLKF)。PLKF通過重新排列EKF觀測方程和引入人為輔助變量來克服EKF的發(fā)散問題，仿真實驗證明，此方法可以消除EKF的發(fā)散問題，但估計是有偏的。因此，PLKF方法對發(fā)散問題的處理方法是非本質(zhì)的[29]。隨著對TMA問題可觀測性的進一步研究，發(fā)現(xiàn)引起發(fā)散的主要原因是載機機動前第一運動階段中，那些不可觀測的目標狀態(tài)分量的作用。二十世紀八十年代，Aidala等提出了一種更為有效的方法，即MP方法[42]。這種方法用一個非線性運動模型和一個線性觀測模型對運動目標進行建模，通過重新引入狀態(tài)變量解決了EKF算法中由于可觀測變量和不可觀測變量的相互關聯(lián)而造成的發(fā)散問題。同時在距離信息不可測的情況下，不影響可觀測變量的估計性能，因此基于極坐標系的方法比EKF有更好的收斂性[42]。它實際是對狀態(tài)變量，進行重新組合，從而將狀態(tài)向量中可觀測分量和不可觀測分量進行解耦，得到了修正極坐標下的濾波模型。雖然由此導致算法異常復雜，但仿真表明它具有良好的穩(wěn)定性，并克服了PLKF方法估計的有偏性[42]。但這種方法狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣計算復雜，如果不能合理地初始化，那么會收斂得比較慢。且在載機機動之前，MP方法中存在的不可測分量，仍然可能成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的潛在因素，這種方法還有待于實際驗證[42]?；诨旌献鴺讼档姆椒ㄔ谥苯亲鴺讼迪聦δ繕藸顟B(tài)和協(xié)方差矩陣進行預測，而在極坐標系下對目標狀態(tài)和協(xié)方差矩陣進行更新。這樣雖然避免了在各自坐標系下由雅可比矩陣不準確而對狀態(tài)估計產(chǎn)生的影響，但直角坐標系和極坐標系之間頻繁轉(zhuǎn)換也會大大增加運算量。聯(lián)網(wǎng)雙基地及多基地被動定位跟蹤技術(shù)也是被動跟蹤技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。該技術(shù)要解決的主要問題有時空配準準、定位誤差分析等[29]。(2) 基于多量測源的被動定位跟蹤盡管純方位TMA問題具有很多難題，但是迫切的現(xiàn)代戰(zhàn)場的需求，迫使發(fā)展出了很多解決這些難題的技術(shù)。這些方法大多是配合使用其它信息，例如載機的相對運動信息、量測信號的頻率、量測信號大小的變化以及地球?qū)δ繕说囊ψ饔玫?，這就是基于多量測源的被動定位跟蹤。有些無源探測設備，如窄頻聲納等，不僅可以得到角度信息，還可以得到頻率信息。頻率信息的獲得使得在量測角非恒定的條件下既可以得到目標狀態(tài)的唯一估計，消除了對傳感器運動形式的嚴格限制，同時又能在很大程度上提高估計的精度。使用角度及頻率信息進行跟蹤的方法也得到了廣泛應用[43]。文獻[44]利用IR對目標輻射強度及其變化率的量測信息，來估計目標到達載機的時間，然后與目標方位量測信息相結(jié)合，可以在多雜波環(huán)境下，確定目標對載機威脅程度的級別。根據(jù)大氣的物理特性使用多光譜數(shù)據(jù)對目標的距離進行估計的理論方法在文獻[45,46]中進行了深入研究。按照兩個波段吸收紅外輻射能量的強度信息之比，來估計目標與載機之間的距離，然后與方位量測一起輸入跟蹤器，可進行三維目標跟蹤，這一統(tǒng)計信息還可用于對目標的分類及識別等[47]。前視紅外傳感器(FLIR)可獲取目標的圖像信息，由于圖像包含豐富的信息，如果對該信息進行充分的利用，可提高跟蹤系統(tǒng)的性能。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，各種為圖像跟蹤而特別設計的處理器可實時完成特定任務的算法運算，從而使復雜的圖像跟蹤算法得以實現(xiàn)[28]。當前，主動雷達仍然是許多探測、監(jiān)視及跟蹤系統(tǒng)的主要傳感器。隨著被動式傳感器技術(shù)及被動跟蹤技術(shù)的不斷發(fā)展，被動跟蹤將越來越重要，甚至有可能起主要作用，尤其在軍事方面將更加迫切。 被動跟蹤的可觀測性目標的可觀測性是被動定位跟蹤的基本問題。被動跟蹤系統(tǒng)通過測得的目標方位信息對目標進行定位，估計目標的位置和速度。由于被動跟蹤系統(tǒng)不能測得與目標的之間的距離，當單站無機動被動跟蹤時，對目標的跟蹤求解是不唯一的，目標的位置和速度是不可觀測的，因此需要對被動跟蹤系統(tǒng)的可觀測性進行分析。1967年，Kolb和Hollister在美國第一屆電路與系統(tǒng)年會上就給出了純方位估計研究的結(jié)果。1970年Murphy研究了目標運動分析(TMA)問題。TMA在本質(zhì)上就是被動目標跟蹤。隨后，Lindgren和Gong提出了勻速直線運動的目標狀態(tài)的可觀測條件。1988年，F(xiàn)ogel和Gavish研究給出了一般N階運動目標可觀測性的充要條件。從系統(tǒng)理論的觀點看，被動跟蹤中目標狀態(tài)是否有解本質(zhì)上是系統(tǒng)的可觀測問題。由于被動跟蹤是一個非線性濾波問題，因此，在文獻[48]中，采用了非線性系統(tǒng)理論分析方法，給出了形式完整的被動跟蹤可觀測性充要條件，并可直接由運動目標的任意運動方程給出可觀測性判據(jù)。文獻中對靜止和勻速運動目標的可觀測性給出了分析和判據(jù)，并討論了高階系統(tǒng)的推廣。比如，對于靜止的目標，勻速運動的載機可以估計出其狀態(tài)；對于勻速運動的目標，勻加速運動的的載機可以估計出其狀態(tài)。不過，雖然對于可觀測判據(jù)，被動定位的可觀測性條件容易滿足，但對于現(xiàn)有的濾波算法，在噪聲存在時，即使載機作相當復雜的運動，濾波也是很容易發(fā)散的。如果載機運動受到嚴格限制，被動跟蹤將更為困難。因而，尋求合適的大概率收斂的濾波算法和進行隨機可觀測分析是被動跟蹤技術(shù)的研究方向。 主/被動聯(lián)合跟蹤的定位 跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理多傳感器跟蹤系統(tǒng)，通常由傳感器量測、狀態(tài)與屬性融合、態(tài)勢評估、威脅判定、傳感器管理組成閉環(huán)系統(tǒng)[1]。本文假設系統(tǒng)有被動雷達、主動雷達各一個。假設由屬性融合，態(tài)勢評估及威阱判定得知：裝備雷達告警系統(tǒng)告知敵機已進入被動傳感器視場范圍，準備攻擊我機。傳感器資源管理的任務是：在滿足火控系統(tǒng)跟蹤精度要求的同時，盡量減少主動雷達的開機次數(shù)，以滿足隱蔽性要求，提高載機的安全性。，共包括4個模塊：被動雷達單獨跟蹤模塊、主/被動雙傳感器航跡融合跟蹤模塊、航跡質(zhì)量檢驗模塊、跟蹤模式選擇和切換模塊。系統(tǒng)工作原理[26]：被動雷達單獨跟蹤模式作為初始模式進行目標跟蹤，由航跡質(zhì)量檢驗模塊針對被動雷達跟蹤性能進行評估，再由模式選擇和切換邏輯功能模塊根據(jù)上述評估結(jié)果完成兩種跟蹤模式之間的切換，然后由所選用的跟蹤模塊繼續(xù)進行濾波，接著再返回至被動雷達單獨跟蹤，這樣不斷循環(huán)，周而復始。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 跟蹤性能評估相關波門是跟蹤空間中的一塊子空間，中心位于被跟蹤目標的預測位置，其大小由接受正確回波的概率來確定。相關波門的形成既是限制不可能決策數(shù)目的關鍵環(huán)節(jié)，又是維持跟蹤或保證目標軌跡更新的先決條件。在本文中，如果回波落在被跟蹤目標的相關波門內(nèi)，則說明了兩種可能性：第一種，此回波用于軌跡更新，即繼續(xù)用被動跟蹤系統(tǒng)量測、跟蹤目標；第二種，主被動聯(lián)合跟蹤系統(tǒng)跟蹤性能滿足要求，切換到被動跟蹤系統(tǒng)。首先，將量測方程、新息(量測殘差)和新息協(xié)方差進行描述。第時刻的觀測方程為