TWS 雷达航迹跟踪仿真系统研究与设计

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第31 卷第5 期
2008 年5 月
合月巴工业大学学报(自然科学版)
]OURNAL OF HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol. 31 No.5
May 2008
TWS 雷达航迹跟踪仿真系统研究与设计
李钢， 李霄九， 张仁斌
(合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009)
摘要:文章介绍了航迹处理算法，设计了一个灵活的航迹跟踪仿真系统;该系统将雷达航迹处理作为独立的
系统考虑，在取得目标的位置、运动参数后进行互联、跟踪、滤波、平滑及预测等运算，对输出的距离、方位和速
度信息做精度分析;实际应用表明，该仿真系统有利于节约资源、缩短雷达的研制周期，为推动雷达航迹跟踪
技术发展提供有效的手段。
关键词:雷达系统;目标跟踪;系统仿真;性能评估
中图分类号: TP391. 9;TN95 文献标识码:A 文章编号:1003-5060(2008)05-0721-03
Research and design of TWS radar track simulation
LI Gang, LI Xiao-jiu, ZHANG Ren-bin
CSchool of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
Abstract: An algorithm of radar track processing is introduced in this paper. A flexible system of track
processing is designed. This system takes radar track processing as an independent system. After getting
the position and moving parameters of targets , calculations concerned with tracking, filtering ,
smoothing and forecasting are carried out, and precision analysis is made in regard to the output of distance,
azimuth and the velocity. This simulation system saves many resources and reduces the period
of research ,and it provides an effective way for the development of radar track techniques.
Key words:radar system; target tracking; system simulation; performance evaluation
边扫描边跟踪CTWS) 雷达使用机械扫描扇
形波束，确定目标的航迹并预测其未来位置，可以
在天线波束方位旋转期间提供多个模板的周期取
样数据。TWS 雷达航迹系统仿真是一项随着数
字计算机硬件与软件的发展，不断进步的仿真技
术。早期国外的航迹仿真系统采用FORTRAN
语言，在UNIVAC1l 00j60 计算机上运行[汀，其
代表有文献[2J 进行的TWS 雷达航迹跟踪仿真
的研究。近年来，文献[3J考虑通过网络产生模拟
TWS 雷达数据，较为详细地介绍了TWS 雷达产
生模拟点迹的方法，但缺少系统级仿真。随着数
字计算机的发展，出现了以STAGE Scenario 为
软件平台的雷达仿真系统和基于Simulink 的雷
达仿真。我国仿真技术应用在雷达航迹跟踪系统
的实例多数为全实物或半实物仿真，多数雷达航
收稿日期: 2007-07-18
迹跟踪仿真研究是基于MATLAB ，从某个角度
验证航迹处理的部分算法，没有形成一个独立雷
达航迹跟踪系统[4一吨。
1 仿真系统设计
1. 1 仿真结构设计
TWS 航迹跟踪仿真系统确定了目标的运动
轨迹和运动特征后，根据雷达体制与数据精度的
要求，设置相应的抽样频率，就可以得到任意时刻
目标的位置和速度，此时目标航迹可看作一个点
迹的集合。连续航迹的抽样，满足了仿真离散数
据的要求，实现目标的空间位置离散仿真。仿真
系统软件各模块的功能。
(1)人机界面:干预仿真系统的所有流程，包
括菜单栏、工具栏、状态栏和属性列表等。
作者简介:李钢(1 956-) ，男，山东河津人，合肥工业大学研究员，硕士生导师.
722 合肥工业大学学报(自然科学版) 第31 卷
(2) 场景显示模块:地图、雷达距离方位刻
度、点迹航迹显示等。
(3) 轨迹管理模块:运动目标轨迹模拟。
(4) 噪声控制模块:目标运动动态模型中的
过程噪声和观测时的量测噪声。
(5) 日志管理模块z 记录仿真系统工作状态。
(6) 通信控制模块:从串口、网络接收处理外
部信息，也可以操作数据输出。
(7) 记录重演模块:保存仿真过程，必要时可
以再现。
(8) 航迹起始模块:暂时航迹与新点迹相关，
则起始。
(9) 点航相关模块:新点迹与相关区域的固
定航迹、可靠航迹、暂时航迹和孤立点迹相关。
(1 0) 机动目标处理模块:自适应跟踪滤波算
法处理目标机动。
(11)航迹滤波和跟踪模块:根据运动模型和
历史数据对目标下一帧可能出现的位置预测。
(1 2) 航迹管理模块:环境识别、航迹维持和
航迹终结。
(1 3) 评估输出模块:为比较各种眼踪滤波器
的性能，给出衡量标准。
(1 4) 数据库模块:管理雷达数据库和多目标
数据库。
1. 2 目标轨迹模拟
运动目标轨迹模拟对设计TWS 仿真系统十
分重要，也是多目标软件仿真的一个关键。运动
目标模拟需要真实地反映目标的运动规律，又要
便于在计算机上实现。由于雷达目标的机动特
征，目标的运动轨迹都可看成或近似看成由直线
和圆弧2 种运动形式组合而成，采用分段模拟的
方法可模拟出不同的运动轨迹。因此，本文定义
了直线运动、圆弧运动2 种基本运动方式。目标
运动轨迹由特征向量与特征点共同定义产生，航
迹可通过直线和与之相切的圆弧来近似。
用鼠标输入仿真的基本航迹信息，在地图上
选择η 个点坐标，依次可以得到η-1 个相连的折
线，考虑到目标实际运动特征，需要在折线拐弯处
进行圆弧平滑处理。以下为了简化，设3 个点分
别为A 、B 、C ，可以转化成如下向量格式
AB= α +bji (1)
BC = b2 +ci (2)
可得到AB 、BC 两向量夹角的余弦为
cosγ = (002 +bjc)/[ .j(歹丰百).j(百丰C2 )]
(3)
得到圆弧在AB 、BC 上的切点坐标，即
AB tJ]点: (Xab ， Y.呻)
BC tJ]点: (Xoc ,Yoc)
Xab = Rcot( Y /2) α/ ♂歹τ百(4)
Xab = Rcot( γ/2)a/ .j(歹平百(5)
Xoc = Rcot(γ;2)bz/ .j(百丰? (6)
Yoc = Rcot(y/2)c/ .j(百τ~ (7)
目标的拐弯半径即平滑圆弧半径R 是可变
的，根据AB 、BC 两向量以及夹角的不同可以有不
同的R 值。
1. 3 噪声模拟
TWS 航迹跟踪仿真系统必须考虑目标运动
动态模型中的2 种噪声:①状态噪声。主要体现
在加速度上，当目标做匀速直线运动时，状态噪声
可模拟为具有零均值的高斯噪声;当目标发生转
弯或逃避等变加速运动时，状态噪声可模拟为具
有非零均值的噪声。②量测噪声。由于自然界
的干扰、设备精度等原因，雷达得到的量测信号并
非是真正的实际值，而是带有一定噪声的随机变
量， TWS 雷达模拟中可以在精确值加上零均值白
高斯误差，产生距离、方位角和俯仰角观测值[7] 。
(1)距离噪声。设雷达测量的距离ρ 满足z
ρ=ρ +qp (8)
其中J 为实际距离;qp 为距离噪声。
(2) 方位和俯仰噪声。考虑三坐标雷达在方
向余弦坐标系(ρ，的卢)中的测量情况，设雷达测量
的方向余弦αJ 满足z
α=α +q. (9)
卢=卢十qß (10)
其中， a_ß 为实际方向余弦;q. 耐分别为2 个方向
余弦噪声。
2 仿真实例
单波束三坐标雷达探测到的目标点迹方位抖
动较大，利用本仿真系统生成模拟目标，可以评估
分析单波束三坐标雷达目标跟踪优化算法。
首先需要确定距离和方位的噪声误差。各状
态噪声方差是基于对实际情况下飞行噪声和测量
噪声的估计，噪声方差取一较大值，用于验证在较
强噪声环境下的方位跟踪性盲目8] 。
这里距离和方位的噪声均值均为0 ，测距误
差σ'p=O. 03 km ，最大误差小于0.05 km ，方位角
测角误差σ。=0.9 0 ， 最大方位角误差小于1. 50
0
仿真目标示意图如图1 所示。
第5 期李钢，等:TWS 雷达航迹跟踪仿真系统研究与设计723
图I 仿真示意图
其中右边的目标①做切向飞行，其直角坐标
系上的X 方向和Y 方向误差是由大变小，再变
大;目标②做径向方向，直角坐标系上的X 方向
和Y 方向误差随着距离最大而增加。图1 中的
点是在真实点迹的基础上，在距离和方位上增加
了噪声后形成的点迹观测值，模拟单波束三坐标
雷达的点迹输人，同时为了简化，设定每一个真实
点迹只能产生一个点迹观测值。滤波处理后的误
差评估可以使用"时间平均"方法，跟踪滤波的X
方向距离误差如下:
~=为主严li)-x(i)J2 ω
其中， x(i) 为第i 步时刻的真实位置注(i) 为位置
x(i) 的估计值与测量值加权求出的滤波值;N 为
采样点数。d越小，滤波效果越好;反之，则越差。
同理，可以计算出Y 方向的距离误差σ3 和目
标的方位误差d 。单波束三坐标雷达目标跟踪
优化算法使用前后的滤波跟踪效果比较，见表1
所列，显然，优化后效果更好。
表1 误差比较
优化前结果优化后结果
目标①何/ (0) 0.577 9 0.4987
目标① σ'x/km 0.445 4 0.395 2
目标① σ'y/km 0.617 3 0.532 1
目标② σ。/n 0.582 6 0.477 8
目标②出差/km 0.8130 0.664 9
目标② σy 差/km 0.847 9 0.696 7
目标跟踪滤波处理后的航迹是否平滑，也是
算法评估的重要依据。这里采用二阶方差法，目
标航迹的二阶方差越小，说明航迹曲线越平滑。
平滑效果比较见表2 所列，可以看出优化后曲线
更平滑。
表2 平滑效果比较
优化前结果优化后结果
目标①二阶方差/ (0)
目标②二阶方差/km
3 结束语
0.287 3
0.281 2
0.233 0
0.200 5
TWS 雷达航迹跟踪处理的目的就是最大限
度地提取目标的坐标信息，以便对控制区域内目
标的运动轨迹进行估计，首先需要理论设计，然后
要经过多次反复、修改，才能形成稳定的跟踪系
统，人力、物力花费较大。本文将雷达航迹处理作
为独立的系统考虑，讨论了雷达航迹跟踪系统及
处理算法，给出了一个TWS 雷达航迹眼踪仿真
系统，模仿航迹跟踪系统实际情况的变化，用定量
化的方法分析系统变化的全过程，具有很强的通
用性。仿真系统可以灵活地选择输入数据，精确
地对雷达航迹跟踪算法进行分析评估，从而节约
资源，缩短研制周期，解决航迹处理设计难题和推
动雷达航迹跟踪技术发展。
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