雷达组网技术的现状与发展

雷达组网技术的现状与发展 3 郭冠斌 , 方 　青 (华东电子工程研究所 ,安徽合肥 230031) 　　摘　要 : 近年来 ,雷达组网技术得到了迅猛的发展 ,雷达组网在国土防空预警探测系统中的作用变得 越来越重要。本文描述了雷达组网技术的现状 ,综述了雷达组网的关键技术 ,提出了现阶段雷达组网工程 实施的可行方法。最后在此基础上 ,展望了多传感器、多源信息融合处理和信息栅格技术必将是雷达组网 的发展方向。 关键词 : 雷达组网 ;信息融合 ;信息栅格 中图分类号 : TN957 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :167222337 (2005) 0420193205 Current Status and Development of Radar Netting Technique GUO Guan2bin ,FAN G Qing ( East China Research I nstit ute of Elect ronic Engineering , Hef ei 230031 , China) 　　Abstract :　In the recent years , radar netting has been rapidly developed. Radar netting becomes more and more important in air defence early warning system. This paper describes the current status of the tech2 nique of radar netting , and reviews some key techniques of radar netting. The currently feasible solutions of engineering application of radar netting are given. And on this base , it is forecasted that the multi2sensors and multi2sources information fusion and the information grid technique will be future t rend of the radar net2 ting. Key words :　radar netting ; information fusion ; information grid 1 　引言 　　现代武器系统对国土防卫造成的威胁和挑战 越来越严重。事实上 ,整个国土作战指挥自动化 系统 ( C4 ISR : Command ,Cont rol ,Communication , Comp uter , Intelligence , Surveillance , Reconais2 sance)是否能充分发挥效能 ,网络内各战斗部门能 否相互协同 ,各层次的自动化能力和体系结构是 否能够抵御越来越严峻的威胁与挑战 ,将关系到 战争的胜负 ,是个生死攸关的问。 近 20 年来 ,高技术兵器 ,尤其是精确制导武器 和远程打击武器的出现 ,使战场范围扩大到陆、 海、空、天、电磁五维空间中。为了获得最佳的作 战效果 ,新一代作战系统依靠单传感器来提供信 息已经无法满足作战需求 ,而必须运用覆盖宽广 频段的各种有源和无源探测器的多传感器集成 , 来提供多种观测数据 ,通过综合优化处理 ,实时发 现目标 ,获取目标状态估计、目标属性识别、敌方 行为意图、进行态势评估和威胁分析、目标分 配与火力控制、拦截引导解算、制导与电子对抗、 作战模拟及辅助决策等等作战信息。由此可见 , 国土防空自动化系统应该是一个多平台、多传感 器的 ,集海、陆、空三军于一体的信息融合系统。 这样的系统应该包括检测、关联、状态估计、属性 识别、态势描述、威胁估计、指挥控制、效能评估及 系统互联等等方面。通过对多传感器信息进行多 级别、多方面、多层次的处理 ,从而产生新的、更能 描绘整体态势的具有作战意义的信息 ,而这种新 信息是任何单一传感器所无法获得的。从当前的 第 4 期 2005 年 8 月 　　　　　　　　　　　 雷达科学与技术 R a d a r S c i e nc e a nd Te c hnol og y 　　　　　　　 　　　Vol. 3 No. 4August 2005 3 收稿日期 : 2005 - 05 - 20 军事需求和应用需求来看 ,运用信息融合技术 ,将 不同种类的雷达、ESM 设备及各类武器平台相联 合 ,组成一个无缝的、协同作战的防空网络具有特 别的意义。区域雷达组网正是新形势下国土防空 自动化系统建设的重要组成部分 ,在国土防空预 警探测系统中占有极其重要的地位。本文将讨论 雷达组网技术的现状与发展。 2 　雷达组网技术概述 　　雷达组网的技术基础是多传感器信息融合技 术。从作战角度来看 ,信息融合可以定义为这样 一个过程 :把来自不同传感器和信息源的数据和 信息加以联合、相关和组织 ,以获得目标的精确的 状态和属性估计 ,以及对战场态势、威胁和重要程 度的适时的综合评估。 2 . 1 　信息融合结构 　　信息融合从结构上来说 ,可以分为如下三大类 : ●　集中式信息融合结构 这种结构要求把各传感器节点的原始信息都 传递到融合中心 ,然后集中进行融合处理。它具 有融合精度高、系统时延小的优点 ,同时还具有能 明显增强系统探测概率的突出优点。但是 ,由于 数据量很大 ,这种结构对中心处理机的处理能力 和通信带宽的要求高。 ●　分布式信息融合结构 在这种结构中每个传感器独立完成目标状态 的估计 ,其估计结果作为融合中心的输入。此种 结构可明显降低对融合中心处理机能力和通信带 宽的要求 ,但系统融合精度不高 ,系统时延相对较 大 ,特别是对低 RCS 目标的探测跟踪容易产生漏 情。从信息融合结构的角度看 ,国内目前的情报 综合体系大多属于这种方式。 ●　混合式信息融合结构 混合式信息融合结构是上述两种方式的组 合。这种结构在对处理机性能、通信带宽、系统时 延、融合精度和探测概率的要求上得到了较好的 折中 ,比较合理 ,目前已普遍应用于外军 C4 I 系统 中 ,近年来国内雷达组网也开始使用这种融合 结构。 混合式信息融合结构如图 1 所示。 图 1 　混合式信息融合结构 　 2 . 2 　时空统一与误差校正技术 　　在进行雷达组网时 ,多雷达情报信息融合的 一个前提是各雷达探测情报的时间示必须严格 统一。目前解决时统问题的途径主要有两个 :一 个是利用卫星定位系统的高稳定时钟 (可使用全 球卫星定位系统 GPS 和我国的双星定位系统 ,在 工程应用中又有几种不同的实现方法) ,其精度基 本满足要求 ,但战时易受干扰 ;另一个是在各站使 用高稳定的铷原子钟作为同步信号 ,使用前先进 行统一的时间校准。 网内各雷达站的精确定位和空间几何标校是 对目标精确定位的基础 ,也是网内各雷达站通过 坐标变换共享数据的基础 ,其误差将直接进入信 491　　　　 雷达科学与技术 第 3 卷第 4 期 息处理系统而形成目标定位的系统误差 ,影响雷 达的跟踪精度。雷达组网系统的误差主要有以下 几个方面造成 : ●　各传感器之间在距离和方位上的组合失配 ; ●　雷达位置 (站址)误差 ; ●　目标高度误差 ; ●　坐标变换的精度限制 ; ●　各雷达的对时误差。 对不同的误差来源可采用不同的误差消除算 法 ,例如采用 2D 雷达组网进行目标高度估计、应 用目标空间位置经纬度 (地心大地坐标) 表示法、 用不同的加权系数进行融合、采用统一的定时设 备和 Kalman 滤波算法等。 2 . 3 　点迹融合技术 　　在雷达组网系统中 ,点迹融合方式可分为两 大类 ,即点迹合并 (数据压缩) 方法和串行处理方 法。点迹合并方法是指将多部雷达在同一时间探 测到的同一目标的点迹合并起来 ,把多个探测数 据压缩成一个数据。这种方法适合于天线同步扫 描雷达 ,如一、二次雷达的数据的综合 ;而对于非 同步采样的多雷达系统则可以采用时间校准和目 标状态平移的方法 ,将异步数据变换成同步数据 后再进行点迹合并。 2. 3. 1 　点迹压缩合并方法 　　点迹合并前要先对点迹进行互联处理 ,确定 可以合并的互联点迹。在多目标情况下一个雷达 点迹可能与另一部雷达的多个点迹互联 ,这时一 般采用最近邻域 ( NN) 方法和最大隶属度准则来 确定互联点迹。然后根据雷达的测距方差、测角 方差 ,利用最小二乘估计来确定压缩后的点迹。 实质上 ,点迹数据压缩合并处理的过程就是对点 迹数据求精的过程。数据求精一方面起到了稀释 点迹数据的作用 ,另一方面提高了点迹的质量。 点迹质量越高 ,点迹/ 航迹配对的正确性也就越 高 ,跟踪维持的精度也就越高。 2. 3. 2 　点迹串行合并方法 　　点迹串行处理方法在实际中有着广泛的应 用 ,也比较符合一般雷达组网系统中雷达的实际 工作情况。点迹串行处理方法是将多雷达数据组 合成类似单雷达的探测点迹 ,用于点迹2航迹的关 联。组网雷达点迹数据流的合成原理如图 2 所示 (以单目标为例) 。图中 ,横轴代表时间 ,圆点表示 探测到的点迹。 图 2 　点迹串行合并方法的原理 　 从图 2 不难看出 ,点迹串行处理方法的一个显 著特点是合成后的数据流数据率加大 ,这意味着 跟踪精度的提高 ,尤其是在目标发生机动的情形 下。此外 ,由于总体数据率提高 ,航迹起始速度加 快 ,这对于反低空突防和低空反导尤为重要。 在雷达组网情报处理系统中 ,对点迹的融合 处理通常是综合应用点迹合并和点迹串行处理两 种方法。首先把多雷达点迹数据合成为点迹数据 流 ,进行点迹2航迹相关 ;然后把同一个处理周期内 的多部雷达的点迹与航迹相关 ,再对相关上的这 些点迹进行合并 ,最后用合并后的高精度点迹数 据进行滤波和预测 ,完成对航迹状态的更新。 2 . 4 　目标跟踪技术 　　雷达组网目标跟踪技术所涉及的主要计算理 论和方法有 : ●　目标位置估计法 ,有“最小二乘法”和“加权 最小二乘法”; ●　相关处理法 ,用来解决点迹2点迹相关、点迹2 航迹相关和航迹2航迹相关。其主要算法有 :最近 邻域法 (NN 法) ,适用于稀疏目标环境 ;多因子综 合相关法 ,适用于多目标交叉情况 ;多假设跟踪法 (M H T 法) ,适用于低密度目标 ;联合概率数据关 联法 (J PDA 法) ,适用于高密度目标 ;编队跟踪法 ( F T 法) ,适用于极稠密目标 ; ●　跟踪滤波法 ,用于解决观测数据的不精确 性、跟踪和预测。常用的跟踪滤波算法有α2β滤 波、α2β2γ滤波、滑动窗最小二乘滤波和 Kalman 滤 波。 2 . 5 　干扰定位技术 　　对来自多传感器 (如雷达和 ESM) 的干扰报 5912005 年第 4 期 郭冠斌 :雷达组网技术的现状与发展 　　　　 告 ,可使用优化的三角定位算法 ,实现干扰定位。 图 3 所示为干扰源定位的流程图。图中 aij 表 示来自第 i 个传感器的第 j 个干扰方位 ,通过三角 形定位算法 ,得到真正的干扰源位置 J 1 和 J 2 ,而 J 3 ～ J 6 为伪点。 图 3 　干扰定位流程 　 2 . 6 　属性信息融合技术 　　属性信息融合即属性分类技术或身份估计技 术 ,属于目标识别。先通过预处理将各个传感器 送来的目标特征数据提取出来 ,把得到的属性分 割为一系列属于每个目标的数据集 ,然后利用模 式识别的方法确定目标的属性。属性融合分为三 个层次 :决策层融合、特征层融合和数据层融合。 用于身份估计的技术包括表决法、Bayes 推理 法、Demp ster2Shafer (D2S) 证据组合法、推广的证 据处理理论、模糊集法等。 3 　雷达组网技术的现状 　　一般雷达网仍强调集中指挥 ,层次分工 ,雷达 网的整体系统功能发挥不够。近几年雷达技术发 展迅速 ,新装备投入使用 ,已运用计算机进行目标 的自动检测 ,但仍存在不少问题 ,如在雷达网的自 适应能力 (包括优化部署和机动组网) 、情报自动 融合能力 (包括目标跟踪、航迹滤波、平滑、预测、 关联和融合) 、目标属性识别能力、辅助决策智能 化等方面 ;在人机适应性、系统对抗性、灵活性等 方面也存在不足 ,情报综合效率较低 ,尚不能适应现 代高技术条件下复杂环境和复杂空情的需要。目 前 ,雷达情报处理系统的综合情报不够准确 ,只能作 为预警 ,较难直接供航空兵指挥引导和作战使用。 造成综合雷达情报不准确的原因主要有以下 几个方面 : ●　雷达兵器自身的原因 　表现为雷达正北校 正不准 ;雷达天线常年风吹雨淋 ,长期转动造成天 线不水平 ;天线喇叭口水平、垂直位置校正不准 ; 天线转动铰链齿轮磨损 ,致使天线转动不均匀。 ●　通信信道的原因 　信道质量差 ,抗干扰能力 低 ,情报数据误码严重 ,造成情报丢失或不连续 ;终 端设备和通信信道满足不了录取设备的需求 ,信道 传输速率低 ,情报数据有积压现象 ,造成情报延迟。 ●　情报处理系统本身的原因 　系统采用的选 主站、次站补点的综合方式存在固有误差 ;系统时 钟不统一 ;系统基点校正不准确 ;系统内部坐标转 换精度不高 ;情报格式本身有误差。 上述问题有的经过努力是可以克服的 ,如系 统的综合处理方式。这种综合方式的致命弱点是 情报误差大、准确性低 ,反映在显控台监视器上 , 表现为各站报来的情报航迹不重合 ,有的超前 ,有 的滞后 ,还有的偏差较大。当主站因某种原因情 报不连续 ,或超过一定时限还没有新的情报点时 , 次站点就会自动补点 ,造成综合后的目标航迹前 后跳跃或呈锯齿状 ,严重影响情报质量。这样的 情报提供给航空兵和地面防空部队只能作为远方 情报使用 ,起预警作用 ,而不能直接用于作战指 挥 ,大大降低了雷达情报传递系统的军事效益。 4 　关于雷达组网的设想 　　当前 ,新式雷达装备和情报处理自动化手段 有了质的飞跃 ,雷达情报收集和处理能力明显提 691　　　　 雷达科学与技术 第 3 卷第 4 期 高 ,信息融合技术得到了飞速发展 ,基于点迹融合 的雷达组网信息处理设备在工程上也得到了充分 的验证。目前 ,在雷达组网上 ,运用雷达优化部署 技术、协同探测技术、远程控制技术、效能评估技 术等来组合区域内不同频段、不同体制的雷达协 同工作 ,提升雷达网对小目标、隐身目标、高速高 机动目标、低空目标等的探测和跟踪能力 ,提高雷 达网的整体抗干扰、抗摧毁能力已成为可能。 将区域内不同频段、不同体制的多部雷达构 建成一个区域虚拟大雷达 ,是目前雷达组网所研 究和实施的最重要的一种组网模式。在这种组网 模式下 ,将根据不同的作战任务 ,来选择不同的系 统工作模式和融合算法 ,也就是可以动态组合并 控制区域内的各种雷达资源 ,进行雷达开关机、雷 达频率点选择、雷达工作模式选择、雷达检测门限 控制、天线转速控制、点迹/ 航迹上报选择等等。 通过优化组合这些雷达资源 ,进行一体化协同探 测 ,以满足不同的作战任务 ,发挥组网系统的最佳 性能。 图 4 　雷达组网系统信息融合处理闭环控制原理图 　 基于点迹融合的雷达组网设备已在国内外工 程实践中得到了充分的验证和应用 ,得到了非常 好的融合效果。雷达组网中的各种误差校正技 术、控制技术、时统技术也在试验中得到了验证 , 从而为今后开展更高层次的雷达组网研究和工程 化奠定了基础。 新研制的雷达组网点迹融合系统在实际试验 中取得了良好的融合处理效果。图 5 示出了雷达 组网系统的点迹融合画面。 有必要指出 ,为做到雷达组网一体化协同探 测 ,必须掌握组网雷达的状态和性能 ,通过组网雷 达状态的信息反馈、雷达配置数据库、雷达性能数 据库、态势评估、辅助决策专家库等等 ,适时调整 雷达工作模式、工作参数和检测门限 ,来最大程度 地发挥雷达网一体化探测性能。随着通信技术的 图 5 　雷达组网系统的点迹融合画面 　 发展 ,在保证足够带宽的前提下 ,可进一步考虑信 号级的融合试验 ,以期发掘和提升雷达组网对特 殊目标的整体探测性能。 5 　未来的雷达组网 　　雷达、计算机、通信和网络技术以及因特网的 快速发展 ,为雷达组网提供了坚实的基础和一种 全新的模式。未来的雷达组网不仅包括地面的 两/ 三坐标雷达 ,还将包括双/ 多基地雷达、机载预 警雷达、气球载雷达、星载预警雷达、有源/ 无源雷 达 ,从而构成地基、海基、空基、天基一体化的立体 探测网络。未来的组网系统将着力体现网络中心 战 (NCW)和协同作战能力 ( CEC) ,在组网技术上 将进一步发展多源信息融合技术 (红外、ESM、技 侦情报、雷达等多种传感器情报的信息融合处理 技术) 、目标识别技术、SAR 图像融合与应用技术 ; 还将重点研究信号级融合和特征级 (决策级) 融合 技术及其在工程上的实现 ,而雷达检测门限的自 适应控制、雷达资源的优化组合使用等则还需进 一步的完善和发展。 全球信息栅格 ( GIG) 是未来军事领域的一大 研究热点。美国《2020 年联合设想》把全球信息栅 格描述为 :“由在全球内互联的端对端之间的一系 列信息能力、相关过程和人员构成。GIG 根据作 战部队、决策者和支援人员的要求 ,收集、处理、存 储、分发和管理信息。”因此 ,采用信息栅格技术进 行雷达组网 ,必将是雷达组网发展的一个方向。 它一方面需要解决多传感器、多源信息的融合处 理 ,协调各传感器在时域、频域、空域上有效而一 致地工作 ,实现信息融合处理、资源共 (下转第 202 页) 7912005 年第 4 期 郭冠斌 :雷达组网技术的现状与发展 　　　　 雷达所形成的假目标航迹点均位于同一条事先想 定的航线 1 上。对其进行的数据处理结果为 :点迹 方位误差 (rms) < 0. 6°,距离误差 (rms) < 300 m ,均 在被干扰雷达的目标探测精度之内 ,能达到较好 的欺骗效果。 5 　结束语 　　本文给出了对多部雷达产生相关假目标航迹 的原理和算法。经过试验 ,验证了本技术的可行 性和实用性。采用空间位置相关假目标对组网雷 达进行欺骗干扰 ,不易被组网雷达的数据融合系 统所识别和剔除 ,因而具有重要的军事意义。 参考文献 : [1 ] 赵国庆. 雷达对抗原理[ M ] . 西安 :西安电子科技大学 出版社 ,1999. [2 ] 丁鹭飞 ,等. 雷达原理[ M ] . 西安 :西北电讯工程学院 出版社 ,1984. 作者简介 : 孙龙祥　男 ,1939 年 9 月出生于上海 , 1963 年毕业于北京理工大学 ,学士 ,研 究员 ,研究兴趣为雷达电子对抗和信 号/ 数据处理 ,曾获国家奖 4 项 ,部级 奖 14 项以及光华基金一等奖等 ,发表 数十篇。 (上接第 197 页)享与协同等问题 ;另一方面还需解决传 感器栅格的信息获取与发布、信息管理与信息规 范、信息安全与保密、事务处理、存储资源与计算 资源共享等新问题。 参考文献 : [1 ] 郭冠斌. 雷达组网在对抗“四大威胁”中的作用 [J ] . 现代电子 ,1992 , (4) :129. [2 ] 方青. 雷达组网数据融合处理中的点迹融合技术 [J ] . 现代电子 ,2002 , (4) :5212. [3 ] 何友 ,等. 多传感器信息融合及应用 [ M ] . 北京 :电子 工业出版社 ,2000. [4 ] 郭冠斌 ,阮信畅. 信息融合与雷达组网 [ C] . 信息融合 研讨会论文集 , 湖南长沙 ,1995. [5 ] 方青 ,梅晓春. 基于传感器栅格的雷达组网技术研究 [ C] . 第九届全国雷达学术年会论文集 ,山东烟台 , 2004. [6 ] 郭冠斌 ,万华. 雷达群组网探测系统 [J ] . 电子科学技 术评论 ,1995 , (4) :39242. 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