丁迎迎

(江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

魚雷是當今水下戰(zhàn)場的主戰(zhàn)武器,其突出特點是具備水下聲自導系統(tǒng),為魚雷發(fā)現(xiàn)、識別直至攻擊目標提供最主要的信息來源和動作指令。目標艦艇為了應(yīng)對魚雷的襲擊,采用各種對抗手段干擾魚雷聲自導系統(tǒng)工作,使得魚雷反對抗面臨著嚴峻的考驗。

為提高態(tài)勢感知能力和魚雷的反對抗能力,利用魚雷發(fā)射艇上的聲吶探測信息[1],并結(jié)合線導魚雷作為前出傳感器獲取的近距離目標探測信息,進行有效的雷艇信息融合,成為軍事領(lǐng)域技術(shù)研究的一個關(guān)鍵課題[2-3]。

1 雷艇信息融合研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代魚雷已經(jīng)不同程度地具備真假目標識別能力,可以對抗聲誘餌等假目標,但是單一依靠魚雷上有限的方法實現(xiàn)目標識別以及多目標分辨,具有較高的難度。隨著魚雷線導系統(tǒng)的進一步發(fā)展,特別是光纖技術(shù)的利用為利用魚雷自導信息、艇上傳感器信息以及指揮員的先驗知識,實現(xiàn)信息融合提供了可能。

早期線導魚雷的線導系統(tǒng)多為銅線,傳輸能力有限,線導魚雷通常只將遙測數(shù)據(jù)傳回發(fā)射艇,便于發(fā)射艇對作戰(zhàn)態(tài)勢進行掌握。隨著光纖線導系統(tǒng)的問世,信息傳輸能力大幅提高,魚雷的原始探測信息如自導頭探測數(shù)據(jù)有望回傳到發(fā)射艇,從而可使發(fā)射艇進行更高性能的信號處理以及真假識別處理,提高魚雷的抗干擾能力。

目前國外主流的幾型重型魚雷中都不同程度地利用了雷艇信息融合技術(shù),以實現(xiàn)武器探測平臺信息與發(fā)射平臺信息的一體化。比較典型的是意大利“黑鯊”重型魚雷[4],其采用ASTRA自導頭,可在遠距離內(nèi)同時跟蹤多達10個目標并具有水聲對抗能力,利用光纖線導可將探測的高速數(shù)據(jù)從魚雷傳向發(fā)射平臺,用于和平臺聲吶系統(tǒng)探測的目標進行信息相關(guān)處理。

德國DM2A4重型魚雷采用意大利TOSO自導頭,提供了高質(zhì)量的聲吶數(shù)據(jù)反饋能力, 作戰(zhàn)系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)可為操作員提供有價值的信息,從而使得真實目標和干擾器能夠被辨別。

美國CBASS魚雷項目用于開發(fā)一個新型的寬帶聲吶系統(tǒng)及其相關(guān)軟件,包括新型寬帶處理算法,以期提高MK48 ADCAP重型魚雷的反對抗性能和淺水檢測性能。美國和澳大利亞聯(lián)合研制的MK48-7采用CBASS后自導作用距離增加到3 km以上,遙測數(shù)據(jù)返回潛艇。

瑞典TP62魚雷的出口型為TP2000型重型魚雷[5],其線導導線改進為光導纖維后,使瑞典成為率先在魚雷上實現(xiàn)光纖線導的國家,其線導系統(tǒng)可雙向傳輸80種信息。

2 雷艇信息關(guān)聯(lián)技術(shù)

本文主要探討雷艇信息融合中的關(guān)聯(lián)技術(shù),即雷艇探測多目標的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。主要任務(wù)為將魚雷回傳探測目標數(shù)據(jù)和潛艇對目標的探測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián),以便對來自同一目標的兩平臺探測數(shù)據(jù)進行融合。

雷艇信息關(guān)聯(lián)技術(shù)屬于多平臺信息關(guān)聯(lián)的范疇,但是和一般的多平臺關(guān)聯(lián)有一定的差別:首先潛艇和魚雷對目標的探測距離相差懸殊,探測精度差別較大,探測周期亦有差別,由于潛艇對線導魚雷的導引特點,形成的雷、艇、目標的相對態(tài)勢亦不同于常規(guī)的兩平臺關(guān)聯(lián)問題。

本文基于假設(shè)檢驗思想進行雷艇信息關(guān)聯(lián)處理,首先產(chǎn)生當前時刻量測的所有可能組合,然后根據(jù)空間約束和各種可用信息剔除不可能組合,再利用時間域上的約束剔除不可能組合,從而大大減少關(guān)聯(lián)假設(shè)數(shù)目以降低計算量,最后,對剩余組合進行狀態(tài)濾波并計算判決量,滿足判決要求的組合為正確關(guān)聯(lián)組合,最終實現(xiàn)雷艇探測多目標的有效關(guān)聯(lián)處理。

2.1 問題描述

給出問題的約束條件為1)每一個量測僅來源于一個目標,任一量測不來源于目標必然來源于雜波或虛警;2)對于一個給定的目標,最多只有兩個平臺的觀測以其為來源。

2.2 關(guān)聯(lián)假設(shè)產(chǎn)生

考慮到本文主要進行雷艇兩平臺目標的關(guān)聯(lián)處理,且由于探測能力的制約,雷艇兩平臺共同探測目標的數(shù)量有限,因此,對每個時刻測量信息可以窮舉產(chǎn)生所有可能的關(guān)聯(lián)組合。

由于目標在時間域上的運動信息可以輔助排除一些不可能組合,因此,對各個時刻的可能組合,再在時間軸上進行組合產(chǎn)生所有可能的關(guān)聯(lián)假設(shè)[6-7]。通常,隨著時間的推移,真實目標的關(guān)聯(lián)可能性較高,而對于一些虛假目標,其關(guān)聯(lián)可能性將越來越小直至被剔除,而真正的目標將被保留下來。

圖1中給出雷艇兩平臺探測兩個目標時的時間域關(guān)聯(lián)假設(shè)產(chǎn)生結(jié)果。

圖1 時間域關(guān)聯(lián)假設(shè)產(chǎn)生

2.3 關(guān)聯(lián)假設(shè)約減

在上述關(guān)聯(lián)假設(shè)產(chǎn)生過程,每個周期都會產(chǎn)生多個假設(shè),再經(jīng)過時間域上的組合,關(guān)聯(lián)假設(shè)的數(shù)目將會非常多,如果不進行約減,隨著時間的推移,將會出現(xiàn)組合爆炸的現(xiàn)象。因此,必須利用所有可用信息進行關(guān)聯(lián)假設(shè)的約減。

對當前時刻量測形成的關(guān)聯(lián)假設(shè),可以通過目標的空間分布特性進行約減,主要通過以下特征進行判斷:

1)保證兩個平臺對同一目標的方位有交點且交點位于可能探測范圍。由于潛艇與線導魚雷的探測距離和探測扇面差別較大,通過判斷交點是否位于探測距離或可能探測范圍之內(nèi)以完成篩選。

2)保證兩個平臺對同一目標的特征具有足夠的相似性。由于現(xiàn)代先進線導魚雷大多能將探測信息回傳至發(fā)射潛艇,因此,可以比較潛艇和魚雷兩個平臺探測目標特征是否具有足夠的相似性。

對時間域形成的關(guān)聯(lián)假設(shè),可以通過目標的運動特性進行約減,主要通過以下特征進行判斷:

1)目標速度、加速度。通常目標的運動參數(shù)往往滿足一定的規(guī)律,如其速度、加速度一般在特定范圍內(nèi)取值?？梢岳貌煌愋湍繕说乃俣取⒓铀俣确植歼M行判斷,考慮誤差影響后,如果假設(shè)中目標的速度、加速度差異較大則該關(guān)聯(lián)假設(shè)應(yīng)被排除。

2)目標航向。通常濾波模型都有一定的目標運動假定,如勻直、轉(zhuǎn)向、圓弧運動等,如果關(guān)聯(lián)假設(shè)中的目標航向與運動假定有較大變化,則該關(guān)聯(lián)假設(shè)應(yīng)被排除。

3)關(guān)聯(lián)波門。通常系統(tǒng)會對上一時刻保留下來的可能目標進行跟蹤預測,并確定關(guān)聯(lián)波門,則在當前掃描周期可利用關(guān)聯(lián)波門對關(guān)聯(lián)假設(shè)進行排除。

通過上述方法對關(guān)聯(lián)假設(shè)進行約減,可以剔除明顯虛假的假設(shè),緩解假設(shè)數(shù)目呈組合爆炸式增長的現(xiàn)象。同時,也可以作為關(guān)聯(lián)結(jié)果的檢驗策略,進一步確認關(guān)聯(lián)的準確性。

2.4 雷艇信息關(guān)聯(lián)

對于約減后的關(guān)聯(lián)假設(shè),如何從中找到正確的關(guān)聯(lián)假設(shè)是問題的關(guān)鍵。本文通過對關(guān)聯(lián)假設(shè)中的目標運動參數(shù)進行估計,然后構(gòu)造判決量作為假設(shè)評判依據(jù)進行關(guān)聯(lián)假設(shè)判決,滿足判決要求的關(guān)聯(lián)組合即為雷艇信息關(guān)聯(lián)結(jié)果。

pi,j(θ)=

(1)

設(shè)I為到當前時刻為止時間域上所有可能的關(guān)聯(lián)假設(shè)集,其中的任一關(guān)聯(lián)假設(shè)J∈I中的所有目標狀態(tài)向量的全概率分布函數(shù)為

(2)

根據(jù)極大似然原理,m個目標的狀態(tài)參數(shù)構(gòu)成的多維向量θ的估計由下式給出:

(3)

式(3)求解可采用線性最小二乘法、非線性最小二乘法等。本文對每個可能假設(shè),先求解目標運動要素,再計算判決量以確定最可行的關(guān)聯(lián)假設(shè)即作為當前時刻關(guān)聯(lián)結(jié)果。

3 仿真驗證

為了考察本文所提算法的性能,下面進行仿真驗證。假定潛艇和魚雷以被動方式探測目標,目標為三艘勻速直航的水面艦船,沒有實施對抗行為。

以魚雷發(fā)射時位置為坐標系原點進行仿真,仿真的潛艇、線導魚雷、目標的相對運動態(tài)勢如圖2所示。

圖2 仿真態(tài)勢

在不考慮傳感器漏檢進行一次仿真得到的雷艇多目標關(guān)聯(lián)結(jié)果如圖3a)所示,定位結(jié)果如圖3b)所示。50次蒙特卡羅仿真得到的雷艇多目標關(guān)聯(lián)正確率如圖4所示。

圖4 雷艇多目標關(guān)聯(lián)正確率

從圖3結(jié)果可以看出,魚雷陸續(xù)探測的三個目標均能和潛艇目標實現(xiàn)正確關(guān)聯(lián),得到的目標定位結(jié)果和真實軌跡逐漸接近。從圖4結(jié)果可以看出,多次統(tǒng)計得到的關(guān)聯(lián)正確率隨著魚雷對目標探測數(shù)據(jù)累積逐漸上升,達到90%以上,在整個有效探測時間內(nèi)的關(guān)聯(lián)正確率平均值達到了86%,可見本文所提算法具有較好的關(guān)聯(lián)效果。

4 結(jié)束語

本文針對線導魚雷與潛艇發(fā)射平臺的雷艇信息融合問題進行了探討,著重分析國外技術(shù)研究現(xiàn)狀,對雷艇探測多目標關(guān)聯(lián)問題進行了深入研究,提出了基于假設(shè)檢驗思想的雷艇多目標關(guān)聯(lián)算法,算法充分利用雷艇探測目標的空間分布特性、時間運動特性對關(guān)聯(lián)假設(shè)進行有效剔除,較好地克服了關(guān)聯(lián)過程中的NP難題,仿真結(jié)果表明了算法的關(guān)聯(lián)有效性,本文工作可為雷艇信息融合問題研究提供有益的探討。