【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 展乃是 80 年代的事，尤其是近幾年來(lái)引起了世界范圍內(nèi)的普遍關(guān)注，美、英、法、俄、日等發(fā)達(dá)國(guó)家不但在所部署的一些重大研究項(xiàng)目上取得了突破性進(jìn)展，而且已經(jīng)取得了大量研究成果。美國(guó)是最早應(yīng)用信息融合技術(shù)的國(guó)家，是此項(xiàng)技術(shù)的前沿領(lǐng)跑者。美國(guó)空軍新型的 GNCST 系統(tǒng)可以接受 E8C、無(wú)人機(jī)、RC135 等平臺(tái)上合成孔徑雷達(dá)、信息偵察裝置、光電等傳感器近實(shí)時(shí)信息，在融合中心進(jìn)行處理后以較高的精度和較快的速度傳遞給一線作戰(zhàn)士兵。美國(guó)海軍的系統(tǒng)作戰(zhàn)系統(tǒng)（CEC ）把位于不同地點(diǎn)的并且具有不同特征的傳感器所提供的各種數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行完全融合處理，使所有單元能共享每個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。CEC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了武器平臺(tái)之間的目標(biāo)信息共享，分布處理的共享信息能夠直接提供給本平臺(tái)的武器系統(tǒng)和指控系統(tǒng)使用，具備航跡合成和識(shí)別功能。3 / 70英國(guó)的 BAE 系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的 DDF 信息融合新技術(shù)，已成功驗(yàn)證了將地面和空中的分散的傳感器組網(wǎng)互聯(lián)并融合其信息。法國(guó)的“米卡 ”地空型防空導(dǎo)彈系統(tǒng)也是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放式、分散部署的模塊集合系統(tǒng)，由于采用分散式的系統(tǒng)布局，探測(cè)模塊、發(fā)射模塊和戰(zhàn)術(shù)指揮中心都是各自獨(dú)立的，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)模塊被擊毀而使整個(gè)作戰(zhàn)單元癱瘓，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)較高的戰(zhàn)場(chǎng)生存概率。俄羅斯軍方也在數(shù)據(jù)融合和信息處理方面做了大量的研究工作，并成功運(yùn)用在新型戰(zhàn)斗機(jī)中。通過(guò)將各個(gè)傳感器提供的數(shù)據(jù)數(shù)字化并進(jìn)行信息融合處理，這就為飛行員提供了一個(gè)空戰(zhàn)景象的即時(shí)圖像。通過(guò)傳感器融合可以為飛行員提供一個(gè)唯一的跟蹤和識(shí)別目標(biāo)，避免了傳感器的重復(fù)跟蹤，從而大大提高了戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)能力。除此之外，已經(jīng)研制出來(lái)的還有 AMSVI自動(dòng)多傳感器部隊(duì)識(shí)別系統(tǒng)，AIDD炮兵情報(bào)數(shù)據(jù)融合，PART軍用雙工無(wú)線電/雷達(dá)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍用融合系統(tǒng)。近 20 年來(lái)，我國(guó)信息融合理論及應(yīng)用也在不斷發(fā)展、不斷創(chuàng)新，我國(guó)“八五” 規(guī)劃亦已把信息融合技術(shù)列為發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，并部署了一些重點(diǎn)研究項(xiàng)目，盡可能給予了適當(dāng)?shù)慕?jīng)費(fèi)投入。在政府、軍方的支持下，也出現(xiàn)了大批專(zhuān)著和譯著。大量的學(xué)術(shù)論文也相繼涌現(xiàn)。上世紀(jì) 90 年代初，這一領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)才逐漸形成高潮，并開(kāi)始出現(xiàn)信息融合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，隨后逐步在軍事和民用的眾多領(lǐng)域得到推廣。目前新一代艦載、彈載、機(jī)載和各種 系統(tǒng)正在向多傳感器多目標(biāo)航跡融合方向發(fā)4CI展。近幾年來(lái)，國(guó)家越來(lái)越重視信息融合技術(shù)的發(fā)展。2022 年 11 月，由中國(guó)航空學(xué)會(huì)主辦的首屆全國(guó)信息融合年會(huì)在山東煙臺(tái)舉行，來(lái)自國(guó)內(nèi)航空、航天、船舶、電子等領(lǐng)域的多家單位從事信息融合研究與應(yīng)用的百名專(zhuān)家學(xué)者代表參加了會(huì)議，會(huì)議內(nèi)容涉及信息融合基礎(chǔ)理論、信息融合算法、信息融合技術(shù)及信息融合應(yīng)用等方面。第二屆全國(guó)信息融合年會(huì)將于 2022 年 6 月在杭州舉行，全國(guó)信息融合年會(huì)的舉辦，進(jìn)一步加強(qiáng)了我國(guó)信息融合領(lǐng)域的交流與合作，必將對(duì)今后我國(guó)信息融合事業(yè)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用！盡管如此，我們所面臨的挑戰(zhàn)和困難還是十分嚴(yán)峻的，與國(guó)際先進(jìn)水平技術(shù)相比，在信息融合理論與實(shí)踐方面還存在著較大的差距，仍需加大步伐，努力掌握先進(jìn)技術(shù)趕超其它國(guó)家。 航跡關(guān)聯(lián)與融合算法發(fā)展現(xiàn)狀 航跡關(guān)聯(lián)算法發(fā)展概況航跡關(guān)聯(lián)問(wèn)題就是確定幾個(gè)不同傳感器的量測(cè)信息是否來(lái)自同一個(gè)目標(biāo)或者事件。它在信息融合技術(shù)中占有極其重要的地位，是提高多傳感器信息融合系統(tǒng)的預(yù)警能力和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化信息處理的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)。航跡關(guān)聯(lián)主要應(yīng)用于分布式融合系統(tǒng)中，其處理過(guò)程是：每個(gè)傳感器根據(jù)自身的信息處理系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。并按照一定的時(shí)間，把本傳感器的所有航跡的狀態(tài)送給系統(tǒng)的信息處理即融合中心，在信息處理中心經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，然后對(duì)各局部航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷，形成系統(tǒng)航跡。航跡關(guān)聯(lián)是分布式多傳感器信息融合系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有著潛在的實(shí)用價(jià)值和明確的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)各種航跡關(guān)聯(lián)的理論和方法都有大量的研究 [38]。Singer 和 Kanyuch 首先提出了加權(quán)航跡關(guān)聯(lián)算法 [911]。后來(lái) BarShalom 對(duì)該算法中的距離度量提出了修正，即修正航跡關(guān)聯(lián)算法 [1213]。Kosaka 等人研究了最近鄰域(NN)法 [14]。 Bowman 則運(yùn)用極大似然(ML)估計(jì)描述了航跡關(guān)聯(lián)問(wèn)題，Chang 和 Youens 基于運(yùn)籌學(xué)中的經(jīng)典分配(CA) [1516]問(wèn)題來(lái)對(duì)航跡(測(cè)量)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。國(guó)內(nèi)信息融合領(lǐng)域的權(quán)威之一何友教授在上述前人提到的加權(quán)關(guān)聯(lián)法、修正關(guān)聯(lián)法、KNN 法基礎(chǔ)之上，提出了空間和時(shí)間聯(lián)合融合的思想，在基于似然比檢驗(yàn)上引入了獨(dú)立序貫航跡關(guān)聯(lián)和相關(guān)序貫航跡關(guān)聯(lián)法 [1718]，并在基于雙門(mén)限信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上提出獨(dú)立和統(tǒng)計(jì)雙門(mén)限法 [17]、MKNN 法、修正的 K 近鄰法 [19]以及多局部節(jié)點(diǎn)情況下的統(tǒng)計(jì)航跡關(guān)聯(lián)算法。以上方法從數(shù)學(xué)角度上講，均屬于統(tǒng)計(jì)方法。由于目標(biāo)分布、傳感器測(cè)量誤差、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型及信息處理方法等因素的影響，要判別來(lái)自 部局部傳感器N的航跡是否來(lái)自一個(gè)目標(biāo)是相當(dāng)困難的，特別在目標(biāo)交叉、分岔、密集等較多的場(chǎng)合。尤其當(dāng)系統(tǒng)包含導(dǎo)航較大、傳感器有通信、校準(zhǔn)等延遲誤差時(shí)，統(tǒng)計(jì)算法將顯得力不從心。何友又將模糊模式識(shí)別的思想引入航跡關(guān)聯(lián)問(wèn)題，并將影響航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果的因素進(jìn)行分類(lèi)，由此產(chǎn)生了一系列模糊類(lèi)航跡關(guān)聯(lián)算法，文獻(xiàn)[2021]中提到了如模糊雙門(mén)限法、基于模糊綜合函數(shù)的航跡關(guān)聯(lián)法、多因素模糊綜合決策法、基于多局部節(jié)點(diǎn)下的模糊航跡法。 航跡融合算法發(fā)展概況對(duì)多傳感器獲得的目標(biāo)航路信息，如何使來(lái)自同一個(gè)目標(biāo)的信息融合為一體，并減少所提供目標(biāo)信息的噪聲值，這就是航跡融合。其目的是利用多個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確地估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)，解決航跡求精，提高目標(biāo)的跟蹤精度。航跡融合是多源信息融合理論的一個(gè)重要領(lǐng)域，基于航跡狀態(tài)估計(jì)的航跡融合算法也日趨完善和發(fā)展。從融合中心角度考慮，可以把航跡融合算法分為兩種：一種是基于測(cè)量值，另一種是基于各個(gè)局部傳感器的狀態(tài)估計(jì)值，即所謂的集中式航跡融合和分布式航跡融合。集中式航跡融合算法是將各個(gè)傳感器的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，只有一個(gè)融合中心。20世紀(jì) 70 年代，Singer [22]在假設(shè)各個(gè)狀態(tài)估計(jì)相互獨(dú)立情況下，首次提出多傳感器航跡融合問(wèn)題，標(biāo)志著多傳感器航跡融合算法研究的開(kāi)始。在此基礎(chǔ)上 BarShalom 等人解5 / 70決了在多傳感器估計(jì)誤差相互不獨(dú)立情況下的多傳感器航跡融合問(wèn)題。隨后，Willner提出的集中式多傳感器 Kalman 濾波算法 [23]、以及 Chong 提出的分層估計(jì)融合算法 [24]。分布式航跡融合是非常有效的數(shù)據(jù)處理方法。它將大系統(tǒng)劃分為多個(gè)小系統(tǒng)，從而改變?nèi)肿顑?yōu)估計(jì)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)并行處理。其主要研究把融合估計(jì)如何分解為若干個(gè)局部估計(jì)，以及各個(gè)局部估計(jì)之間的組合問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，Bierman 從數(shù)據(jù)值穩(wěn)定性的角度考慮，提出了平方根信息濾波和平滑形式的分布式估計(jì)方法，Roy 等研究了平方根并行卡爾曼濾波器，Castanon 等則把這些研究成果推廣到非線性系統(tǒng)中去。最近幾年來(lái)，Hong 研究了通信網(wǎng)絡(luò)中具有不確定性的分布式多傳感器融合方法。我國(guó)對(duì)信息融合航跡融合算法研究起步較晚，始于 20 世紀(jì)末。在上述研究成果上，何友等人提出了多坐標(biāo)系中的分級(jí)式、混合式、帶反饋式的航跡融合算法。李曉榕等提出了基于最佳線性無(wú)偏估計(jì)和基于加權(quán)最小的二乘估計(jì)的融合規(guī)則。王志勝等研究了基于非線性系統(tǒng)的最優(yōu)融合估計(jì)理論，提出了非線性信息的統(tǒng)一決策、測(cè)量模型。金學(xué)波等提出了相關(guān)估計(jì)方差說(shuō)的分布式融合算法。目前常采用的航跡融合算法有卡爾曼加權(quán)航跡融合、簡(jiǎn)單凸組合航跡融合、協(xié)方差加權(quán)航跡融合、最優(yōu)分布式航跡融合算法、自適應(yīng)航跡融合、模糊航跡融合、利用偽點(diǎn)跡的航跡融合，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的情況，選擇合適的算法。 本文的主要研究工作及內(nèi)容安排航跡融合是多傳感器信息融合中一個(gè)重要分支，在海、陸、空作戰(zhàn)系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。多年來(lái)，許多研究工作者致力于此方面的研究，并取得了大量的研究成果。本文在這些成果的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)跟蹤以及數(shù)據(jù)融合中關(guān)鍵技術(shù)做深入探討與實(shí)現(xiàn)。 本文基于實(shí)際工程背景，研究?jī)?nèi)容屬于某科研項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)化探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)”的一部分，利用多部雷達(dá)組成分布式探測(cè)網(wǎng)，對(duì)本文采用的交互式多模型濾波算法、航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合算法進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，并模擬多批航路，進(jìn)行一系列仿真分析，來(lái)證明算法的有效性。本文內(nèi)容安排如下：第一章 首先概述了本論文的研究背景，并簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及航跡關(guān)聯(lián)與融合算法的發(fā)展概況，最后對(duì)本論文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)做出安排。第二章 敘述了多傳感器多目標(biāo)信息融合技術(shù)的基本理論，包括定義、基本原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)應(yīng)用等，為研究航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合算法打下理論基礎(chǔ)，并對(duì)本論文的研究問(wèn)題及解決思路進(jìn)行介紹。第三章 介紹了目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域中的量測(cè)預(yù)處理技術(shù)，以及對(duì)目標(biāo)跟蹤中交互式多模型跟蹤算法理解分析和編程實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)仿真實(shí)例來(lái)證明算法的實(shí)用性，為后續(xù)研究航跡關(guān)聯(lián)、融合算法提供了數(shù)據(jù)支持。第四章 詳細(xì)分析了用于分布式航跡關(guān)聯(lián)的加權(quán)、修正、獨(dú)立序貫航跡關(guān)聯(lián)算法，以及將獨(dú)立序貫法編程實(shí)現(xiàn)，并當(dāng)目標(biāo)交叉、分叉或密集情況下，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性。第五章 在航跡關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行融合處理，總結(jié)分析了常見(jiàn)的集中式和分布式融合算法，以及對(duì)無(wú)反饋?zhàn)顑?yōu)分布式航跡融合算法編程實(shí)現(xiàn)，并模擬多批航路，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證算法的可靠性。第六章 總結(jié)論文的研究工作，指出論文的不足之處并對(duì)今后的研究方向做出展望。 7 / 702 多傳感器多目標(biāo)信息融合理論基礎(chǔ)信息融合是 20 世紀(jì) 70 年代提出來(lái)的，在 80 年代形成和發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)化信息綜合處理技術(shù)。它充分利用多源的信息的冗余互補(bǔ)性和電子計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算與智能處理來(lái)提高結(jié)果信息的質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，且日趨緊密地互相結(jié)合，加之軍事應(yīng)用的特殊迫切需求，作為信息處理的新興技術(shù)——信息融合技術(shù)，在近 10 年中得到了驚人的發(fā)展并已進(jìn)入諸多軍事應(yīng)用領(lǐng)域。由于在軍用和民用都有廣闊的應(yīng)用潛力，各國(guó)政府和科研院所都投入大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行廣泛的研究。本章就對(duì)信息融合的定義、模型結(jié)構(gòu)、技術(shù)方法等一一介紹，為論文的后續(xù)研究打下理論基礎(chǔ)。 信息融合的定義近二十年來(lái)，信息融合技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用與發(fā)展，融合一詞幾乎不被限制地被眾多領(lǐng)域所引用，正由于應(yīng)用范圍的廣泛性和多樣性，各個(gè)研究領(lǐng)域會(huì)按照自己的理解給出不同的定義，從而很難給出一個(gè)統(tǒng)一的定義。由于信息融合最早用于軍事領(lǐng)域，目前能被普遍接受的有關(guān)信息融合的定義，是1991 年由美國(guó)三軍組織實(shí)驗(yàn)室理事聯(lián)合會(huì) JDL（Joint Directors of Laboratories）提出來(lái)的 [25]，并于 1994 年由澳大利亞 DSTO 加以擴(kuò)展的。它把信息融合定義為一個(gè)處理探測(cè)、互聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)以及組合多源信息和數(shù)據(jù)的多層次多方面的過(guò)程，以便獲得準(zhǔn)確的狀態(tài)和身份估計(jì)、完整而及時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅估計(jì)，為指揮員提供有用的決策信息。根據(jù)國(guó)外研究成果，也有專(zhuān)家學(xué)者把信息融合這樣確切的概括：信息融合是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來(lái)自多個(gè)傳感器或多源的觀測(cè)信息進(jìn)行分析、綜合處理，從而得出決策和估計(jì)任務(wù)所需的信息的處理過(guò)程。也可以這么認(rèn)為，信息融合是指把多個(gè)同類(lèi)或異類(lèi)的信息源所提供的局部觀測(cè)量加以綜合，消除信息之間的冗余和矛盾，利用信息的互補(bǔ)，形成對(duì)環(huán)境的相對(duì)完整一致的感知描述，其目的是獲得精確的被測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)、一致性估計(jì)、完整的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。綜合考慮以上兩個(gè)定義，可以把信息融合簡(jiǎn)單地定義為將來(lái)自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，從而得到更為準(zhǔn)確可信的結(jié)論。由于早期的融合方法是針對(duì)數(shù)據(jù)的，也有文獻(xiàn)把信息融合叫做數(shù)據(jù)融合，但其內(nèi)涵更廣泛、更確切、更合理，也更具有概括性。不僅包括數(shù)據(jù)，而且包括了信號(hào)和知識(shí)。9 / 70 信息融合的基本原理人是一個(gè)很復(fù)雜并且自適應(yīng)能力很強(qiáng)的多源信息融合系統(tǒng)。多源信息融合的原理就如同人感知世界萬(wàn)物一樣，人的各個(gè)器官比如耳、眼、鼻子、嘴巴等就是多個(gè)功能不同的傳感器，人自然而然地把這些多傳感器感知的信息進(jìn)行組合起來(lái)，并使用先驗(yàn)知識(shí)去估計(jì)周?chē)h(huán)境和正在發(fā)生的各種各樣的事情。單靠單一的感知器官，對(duì)事物的估計(jì)常會(huì)出現(xiàn)偏差甚至錯(cuò)誤， “盲人摸象”的故事就是這個(gè)道理。由于人類(lèi)感知器官具有不同的度量特征，因而可以感知出不同范圍內(nèi)的物理現(xiàn)象，這一過(guò)程是非常復(fù)雜的，但也是自適應(yīng)的。把各種信息或者知識(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)周?chē)h(huán)境的有價(jià)值的解釋?zhuān)枰獙?duì)各個(gè)傳感器觀測(cè)的信息綜合支配與利用，以及適合于解釋集成信息的知識(shí)庫(kù)。我們所研究的多源信息融合系統(tǒng)，實(shí)際上就是對(duì)人腦綜合處理復(fù)雜問(wèn)題的一種功能模擬。在模仿人腦處理問(wèn)題的信息融合系統(tǒng)中，各種傳感器(感知器官)所提供的信號(hào)具有不同的特征：可能是快變的或者緩變的，精確的或者模糊的，實(shí)時(shí)的或者離線的，甚至相互促進(jìn)或者相互矛盾的。綜上可知，多源信息融合的基本原理就是充分利用每部傳感器提供的信息資源，再加上對(duì)人工觀測(cè)信息的合理支配和使用，依照某種優(yōu)化準(zhǔn)則將這些互補(bǔ)或者對(duì)立的信息資源組合起來(lái)，就如同人腦對(duì)周?chē)挛锏恼J(rèn)知一樣，最后得到對(duì)觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋和描述。其目標(biāo)是通過(guò)對(duì)各傳感器檢測(cè)出的信息進(jìn)行優(yōu)化組合而不是利用單個(gè)傳感器所測(cè)得的單一信息，推導(dǎo)出更多有效的信息，得到最佳組合結(jié)果。即利用多個(gè)傳感器聯(lián)合處理信息的優(yōu)勢(shì)，提高整個(gè)系統(tǒng)的有效性。 信息融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究包含兩部分，即信息融合的層次結(jié)構(gòu)和信息融合的體系結(jié)構(gòu)。下面將這兩種融合結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。 信息融合的層次結(jié)構(gòu)在多傳感器信息融合模型結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)數(shù)據(jù)和處理過(guò)程的分辨率來(lái)對(duì)融合結(jié)構(gòu)分類(lèi)，一般可分為三層：像素層融合，特征層融合，決策層融合 [3