楊曉丹，王運峰

（四川大學計算機學院，成都 610065）

多源航跡信息融合主要技術(shù)研究

楊曉丹，王運峰

（四川大學計算機學院，成都 610065）

多源信息融合技術(shù)是一門廣泛應用于多項其他學科的新技術(shù)，它的思想來源于人類認識事物的原理，即融合多方面信息，也就是多源。對多源信息融合技術(shù)應用于航跡融合領域的關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，介紹融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，融合前的時空對準，融合中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及航跡融合算法中的加權(quán)平均融合法、自適應加權(quán)平均融合法幾個部分。

多源融合；時空對準；數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；航跡融合

0 引言

現(xiàn)今，科學發(fā)展趨于高智能化，而智能的主要模板或者說依據(jù)本身便是人類，換言之，智能化的發(fā)展方向促使許多理論與技術(shù)的發(fā)明都以模仿人類功能特性為基礎，信息融合正是其中之一。它的出發(fā)思想來源于人類認識事物的原理，即人對事物的認識并不是通過單一途徑，而是利用多個感覺器官從事物的各個方面各個角度多方位感知。多源信息融合技術(shù)摒除了單一信息源局限不全面的缺點，利用多源信息之間的相關(guān)性、互補性，通過相應算法，提取出目標多樣的信息，從而實現(xiàn)更精確的識別。最初的信息融合技術(shù)基于軍事目的，尤其是在對飛行目標定位方面成效矚目，越來越受到研究人員的重視[1]。

在如今越發(fā)激烈的電子戰(zhàn)背景下，敵我目標識別以及對目標態(tài)勢的評估要求愈漸精確。飛行目標定位的不精確性主要來源于兩個方面：硬件及軟件。所謂硬件是指量測設備的技術(shù)限制以及環(huán)境因素的影響所帶有的誤差，而軟件方面則是指后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中不同算法帶來的誤差。對于做目標定位中數(shù)據(jù)處理的研究人員來說，怎樣通過處理程序獲得更加精確、穩(wěn)定的目標信息是關(guān)注的焦點，由此，多源信息融合技術(shù)應運而生。它通過綜合多個傳感器的量測信息，加以適當算法處理，達到去粗取精的目的，最終能夠摒除質(zhì)量差的傳感器數(shù)據(jù)，融合出精度較高的目標位置信息[2]。

1 融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多源信息融合系統(tǒng)由其不同的處理性能可分為四種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：集中式融合系統(tǒng)、分布式融合系統(tǒng)、帶反饋的分布式融合系統(tǒng)以及帶反饋的全并行融合系統(tǒng)，如圖1。各種結(jié)構(gòu)的融合系統(tǒng)側(cè)重點各不相同，例如集中式融合系統(tǒng)的主要優(yōu)勢為完整利用了傳感器的信息，即信息損失量小、性能較好，但數(shù)據(jù)處理量過大將影響計算機運行效率，更關(guān)鍵的是增加了后期關(guān)聯(lián)的難度。相應的，分布式融合系統(tǒng)可以解決集中式融合存在的問題，不過值得注意的是由于采用了局部濾波，數(shù)據(jù)信息有所損失其性能不如集中式融合。帶反饋的分布式融合即在分布式融合系統(tǒng)的基礎上添加了融合輸出以后的反饋信息，用于狀態(tài)預估以便提高處理精度。帶反饋的全并行融合系統(tǒng)是幾個結(jié)構(gòu)中最復雜的處理系統(tǒng)，它多適用于大型處理平臺或數(shù)據(jù)量相當龐大的處理情境下[3]。

圖1 多源信息融合系統(tǒng)

2 時空對準

信息融合技術(shù)實現(xiàn)的基本先決條件即同一時間、同一空間，也就是說，在將多個傳感器收集到的目標數(shù)據(jù)進行融合之前，首先要確定本次融合的這幾批數(shù)據(jù)對應于目標在同一時空下的狀態(tài)信息。從時間角度來講，由于各傳感器掃描周期不同，即便周期相同傳感器位置不同各自所掃描到的目標時間也都不同，因此，為了準確融合到目標在相同時間點時各傳感器所報告的狀態(tài)信息，融合之前必須對目標信息進行時間對準。常用的方法是以最晚報告目標狀態(tài)信息的傳感器時間為基準，將其余傳感器報告的位置數(shù)據(jù)外推到基準傳感器的報告時間點。直線運動時，可采用線性外推法，當目標在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下，應采用曲線擬合、趨勢外推等更為復雜的算法，或者也可以采用線性外推與變更轉(zhuǎn)彎角度的權(quán)值系數(shù)相結(jié)合的調(diào)整方式。

對于來自不同坐標位置的傳感器所報告的目標信息，必須首先進行空間對準，即要將各路數(shù)據(jù)信息對準到一個融合中心或者說信息處理中心的公共坐標系上。首先需要選擇一個作為基準的大坐標系，原點可以設在地球中心位置處，也可以與其中一個傳感器的坐標原點重合，具體操作時可依照當時環(huán)境選取一個便于后續(xù)計算的融合中心坐標[4]。一般來說，公共坐標系采用笛卡爾坐標系，但雷達以及大多數(shù)傳感器給出的都是距離、方位角、俯仰角數(shù)據(jù)，也就是說坐標對準之前要進行極坐標與直角坐標的轉(zhuǎn)換計算，換算公式如下：

其中，r代表目標的斜距，θ為方位角，φ表示俯仰角。

3 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的目的是為了尋找多路測量信息之間的關(guān)系，即判定其是否為一個公共源。經(jīng)過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以將同一個來源的數(shù)據(jù)匹配起來，降低后續(xù)過程的數(shù)據(jù)處理量以及復雜程度，其處理結(jié)果大致分為三種：一是將當前測量信息與已形成航跡的目標信息匹配起來，即確定兩路測量信息來自同一個源；二是該路信息未能與任何其他信息關(guān)聯(lián)上，則需新建一個目標集合；三是判定當前測量值為虛警目標，即可能是由于雜波、干擾或者噪聲產(chǎn)生的。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程首先要設定一個關(guān)聯(lián)門，用于過濾掉基于數(shù)理統(tǒng)計或者先驗知識判斷所確定的其他目標的點跡信息，或者說由干擾產(chǎn)生的虛假點跡。幾種常見的關(guān)聯(lián)門形狀為橢圓形、矩形、截尾扇形和環(huán)形，不同關(guān)聯(lián)門有其自身獨有的特點以及門限計算公式，具體方法可參見參考文獻[5]。

在采用關(guān)聯(lián)門剔除了絕大多數(shù)不可能配對的測量點以后，在余下形成的測量點與航跡的配對中建立關(guān)聯(lián)矩陣以度量各配對的優(yōu)劣，從而選出與航跡最為接近的點跡確定關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)矩陣如下表1所示，其中，Ai表示已知實體，Zj代表觀測信息，Sij則為觀測實體對的一個關(guān)聯(lián)度量，它旨在反映測量信息與待關(guān)聯(lián)航跡的接近程度。

表1 關(guān)聯(lián)矩陣

4 航跡融合

航跡融合通常分為兩種結(jié)構(gòu)，一是局部與局部航跡融合，另外一種是局部與系統(tǒng)航跡的融合模式。第一種融合結(jié)構(gòu)計算簡便、直觀，其沒有利用前一時刻的系統(tǒng)狀態(tài)信息，因而也不產(chǎn)生估計誤差，而后者利用了系統(tǒng)融合航跡的先驗信息，雖然計算量以及復雜程度都有增加，但這種利用了先驗信息的融合估計通常更為準確，還能進一步增加算法進行自適應的狀態(tài)估計并融合[6]。兩種融合結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 兩種融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在融合算法部分，常用的融合方法為加權(quán)平均融合法，這是一種經(jīng)典的數(shù)據(jù)融合問題解決方法，特別是在航跡融合領域應用非常廣泛，它旨在綜合多路傳感器的測量信息，最終得到較高精度的目標定位信息，很多經(jīng)典的融合算法也是基于加權(quán)平均融合法之上的改進。一般的加權(quán)平均融合算法公式如下，其中Yi代表測量值，Wi表示權(quán)值，N為傳感器觀測數(shù)量：

5 結(jié)語

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，信息融合技術(shù)成為更多研究人員關(guān)注的重點，它是一門具有結(jié)合性質(zhì)的學科。即是說，信息融合可應用于各行各業(yè)，與其他學科中的關(guān)鍵技術(shù)輔助發(fā)展，例如在大數(shù)據(jù)中應用到了信息融合技術(shù)關(guān)聯(lián)、提取更精確的數(shù)據(jù)信息，還有在網(wǎng)絡安全領域，利用信息融合技術(shù)融合攻擊信號以幫助確定攻擊來源等。同時，信息融合技術(shù)也趨向于智能化發(fā)展，可將融合過程中加入人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法等以提高權(quán)值分配的自適應性。

參考文獻：

[1]喬向東,李濤.多傳感器航跡融合綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009.

[2]何友，王國宏.多傳感器信息融合及應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[3]趙曉嵐.多源信息處理結(jié)構(gòu)研究[J]．計算機與數(shù)字工程，2009.

[4]張艷艷，董靠譜，高恒．組網(wǎng)雷達時空對準方法[J]．火控雷達技術(shù)，2013.

[5]楊萬海．多傳感器數(shù)據(jù)融合及其應用[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[6]王軍，蘇劍波，席裕庚．多傳感器融合綜述[J]．數(shù)據(jù)采集與處理，2004.

[7]劉健波,王運鋒．分布式雷達航跡融合關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．四川大學學報（工程科學版）,2006.

Research on Main Technologies of Multi-Source Track Information Fusion

YANG Xiao-dan，WANG Yun-feng
（College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu 610065）

Multi source information fusion technology is a new technology widely used in many other subjects;its idea comes from the principle of human understanding of things,that is through different aspects.Summarizes the key technologies of multi-source information fusion in the field of track fusion,introduces the structure of the fusion system,the spatio-temporal alignment,the data association,the weighted average fusion and the adaptive weighted average fusion in the track fusion algorithm.

Multi-Source Fusion;Space-Time Alignment;Data Association;Track Fusion

1007-1423（2017）08-0008-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.08.002

楊曉丹（1991-），女，四川成都人，碩士，研究方向不多源信息融合及雷達數(shù)據(jù)處理

2017-01-05

2017-03-10

國家空管科研課題（No.GKG201403001）