天波超视距雷达航迹分类算法综述

天波超视距雷达航迹分类算法综述郑琛瑶（1），潘泉（2）（海军91388部队、湛江（1），控制与信息研究所、西安（2））摘要：本文介绍了近些年来航迹分类的技术，提出目前基于天波超视距雷达的航迹分类的新研究方向，论述了该方向的国防意义和远大前景。关键词：航迹分类；天波超视距雷达Abstract:Thispaperintroducessomerecentdevelopmentsoftrackclassification,whichisanewresearchfieldbasedonOver-The-HorizonRadaratpresentwithimportantnationaldefensesignificanceandlargeprospect.Keywords:trackclassification;Over-The-HorizonRadar一、引言二战以来,雷达技术有了突飞猛进的发展。在各种类型的雷达中,天波超视距雷达（Over-The-HorizonRadar,OTHR）以其大范围的监视能力、防低空突袭、抗隐身以及早期预警等突出优点，受到了许多国家的重视。和一般微波雷达不同的是OTHR工作在3〜30MHz的高频频段,其利用电离层的反射作用能够自上而下地探测超远距离（1000〜4000km）的地域和海域的运动目标，因此具有早期预警的突出优点。同时OTHR的下视工作方式使得其能够突破地球曲率的限制，从而探测到低空飞行或隐在山脉背后的目标。此外，OTHR的工作波长通常为10〜60m,和大部分飞行器的物理尺寸相接近，一些著名的隐身飞机均处于其谐振散射区内，使得该雷达的抗隐身性能非常突出。二十世纪40年代末，几个国家就开展了OTHR的研究，但当时技术无法解决超远距离空中目标的探测的问题，也就很难进一步对探测结果做出有效的分析。直到50年代，美国空军和海军研制的“梯皮”（Tepee）后向散射超视距雷达成为美国后来发展的许多OTHR的基础。60年代，美国海军研究实验室研制成作用距离达900〜4000km的“麦德雷”（Madre）高频超视距雷达，首先向人们证明了OTHR的能力，包括对低空飞机、弹道导弹和水面舰艇的探测能力。70〜90年代，OTHR技术发展迅速，美国相继研制了不同水平的雷达设备。80年代，美国空军由通用公司用15年时间承包建造了型号为AN/FPS-118的天波雷达系统，该系统各有3各扇区，每个扇区方位覆盖60°，作用距离范围为800km〜2880km，该雷达在探测和跟踪空中小目标的实验上获得较大的成功，同时能够跟踪、探测战斗机和海上巡逻机，AN/FPS-118很好的完成了战略预警的工作。到90年代，OTHR研制与发展进入了鼎盛时期，各国不惜投入巨额经费加强研制力度，先后开发了许多有关防空领域的课题。90年代，美国海军研制的AN/TPS-71担负战术预警的任务，支援海军战斗机群，发现从各方面逼近威胁舰队的飞机特别是能对付那些航程在1000km〜2000km,从陆地起飞的远程轰炸机；另外在作战时，能实时监视战区内的飞机，对战区内空战及空海作战态势进行评估［1］。随着世界反雷达技术的日益进步和发展，OTHR在现代防空体系中的作用就显得越来越突出，作为对空中“危险”目标的早期预警手段之一，在警戒低空超低空突防的飞机时，可在200〜400km的距离内捕获目标。与微波雷达相比，对空中目标的预警时间增加了5〜10倍［22］。在现代战争中，OTHR对战前先兆信息的预测，这个过程包含有对雷达探测的航迹信息进行分类，确定非航路目标航迹，标识其具有“威胁性”，加强防控；在对空中目标的监视，对预警飞机和空中指挥中心的监控，以及对飞机机动时发射导弹的跟踪等方面，--#-有关国家均取得了一些成果。二、OTHR航迹分类的意义OTHR探测的主要目标是超远程空中目标和海面舰船，这是微波雷达无法比拟的。目前，OTHR对空中目标的检测已经取得一些成果，但是对于目标航迹的分类问题的研究进展不大，包含诸多原因［%主要因素是电离层，它以一种电波环境介质形式称为OTHR的一部分，而不是雷达硬部件，电离层的区域处于60km至几千公里高度之间，它的状态随着太阳非周期活动中产生随机变化，这种现象对OTHR的正常工作有直接影响，也就是说，电离层得不稳定性，以及多分层的性质，直接导致航迹信息的获取错误，那么对航迹进行分类的过程也就不可避免的会产生错误，这时就需要人工辅助方法将错误信息予以剔除。此外还有来自各方面的杂波干扰，也同样会影响OTHR对目标的探测结果。为提高航迹分类的效果，正确选择电离层模式也是其中一个重要环节。可见，OTHR在对空中目标进行航迹分类的研究上还存在很多问题，这些方面的研究能否取得重大进展是能否实现OTHR对远程空中目标监视的关键所在。特别是，我国地域辽阔，岛屿众多，研究OTHR空中目标检测对提高我国空中防御系统能力意义重大。三、国内外技术针对空中目标航迹分类的诸多问题，目前国内外学者已经在航迹相关和目标特征提取等关键技术方面展开了一些研究。多因子相关法在现代作战指挥自动化系统中，为保证指挥人员能够实时准确地掌握空中的敌我态势，并可根据实际需要调整作战计划和方案，就要进行目标识别。一种途径是将雷达航迹与之前制定的飞行计划进行关联判断，采用与飞机实时通信的方式，即将飞机自身主动提供的导航信息与指挥系统中的飞行计划信息进行匹配处理，就可以进行快速关联。这种方法的优点是精确度比较好，但是只适用通信状态和战场信息比较好的情况；而在现代的信息化战场环境中，往往会出现通信不畅通．空中信息不准确，无法匹配的情况。通过对飞行计划与雷达航迹相关过程的分析，提出一种根据飞行计划航迹与雷达动态航迹的相关进行目标识别的方法，通过对偏航因子、时差因子、方向因子、高度因子、速度因子、架数因子、机型因子和属性因子等相关因子的计算，得到了对二者相关程度的定量描述，从而将目标识别问题转换为相关度问题，并进行算法的优化。通过最大相关度的匹配，较好地解决了二者的自动相关问题。应用结果表明，该算法相关准确度高，具有一定的自适应能力［4］。动态多因子改进相关法近年来，基于雷达网的雷达情报综合处理的研究和应用也变得越来越受人类瞩目。雷达情报自动综合处理的一个重要环节就是航迹相关。动态多因子相关法是利用目标测报信息所提供的多个因素与已综合的目标航迹进行比较，然后给出多个因子，如位置、高度、速度、航向、属性、机型、架数、的比较函数值，进而对各因子的比较函数值进行加权求和以求出综合函数值；最后在此基础上设定综合函数相关判决准则，来判定目标与已综合批是否相关，或相关不强。动态多因子相关算法综合考虑了各种因素，航迹相关的质量得到了明显改善。但是为了进一步突出位置因素的重要性，减少运算量，同时更好地进行机动检测，我们对动态多因子相关算法又进行了两点改进。一是原算法即使在位置不相关并且相差较大的情况下，最后判决结果也有可能是相关不强，而不是不相关。这会导致相关判断不准确，人为地增加了计算量。为位置因素，就要限制相关区域，如果位置不相关，则认为判断结果就不相关。二是利用航向相关结果对最后判决结果进行二次修正，只要合理地选取航向相关波门，就可以只在相关不强时进行机动检测，而无需在相关时进行机动检测。该方案为雷达情报自动综合处理提供了一种合理而全面的处理方法，也适用于雷达情报融合，该理论也在实际雷达情报系统中得到了验证［5］。三坐标模型超视距雷达多路径航迹的融合，以及超视距雷达跟踪轨迹与微波雷达航迹的融合，是澳大利亚南岸的海空监视中主动监测的主要方面，该监视区域主要依靠一系列岸基微波和超视距雷达。电离层本身存在多变性，超视距雷达利用电离层返回散射传播机理，就会导致目标的位置估计有偏差。修正偏差的一个重要途径，就是把已知的计划与监测到的航迹作比较，建立一套偏差的决策方案，把它反馈给电离层传播模型，来提高超视距雷达跟踪估计的态势估计效果，最终达到修正偏航因子的目的。该实例应用了三种坐标模型来描述空中目标与航迹的相关性，从理论层面上说明了单目标-单航迹的相关，同时提出了多目标-多航迹相关的问题［5］。特征提取空中交通管制体系的主要作用是保障空中交通畅通和避免发生冲突。数字式机场监视雷达（DASR）系统装备了最新的数字信号处理技术，足以处理各种空中需求°DASR对获取的各类航迹数据进行不断的训练和测试，从航迹、速度、信号能量等信息中获取特征，对数据样本进行建模，并给与评价，在过程中实现特征提取、特征评估和分类更新。结果显示目标航迹的自动分类已经实现，并且效果很好，区分了各类航迹，隔离和消除了来自像地面杂波、天气、和异常传播等的航迹，辨识出了生物的危害和无收发机飞行器，有效的增强了空中安保能力。该方法为今后更多的目标分类研究提供了一个灵活使用的框架［2］。基于模糊综合函数的航迹关联算法自从建立了OTHR以来，航路航迹相关不仅得到很好的解决，更复杂的航迹关联，也就是说，判断多个传感器提供的航迹是否为同一个目标的航迹。航迹关联的方法主要有统计航迹关联和模糊航迹关联。统计航迹关联的方法有加权法、独立序贯法、双门限法、最近邻法等。当在干扰、噪声和分叉航迹的场合下加上传感器的空间误差、异步传输误差等因素的影响,使得基于统计基础的航迹关联方法的有效关联变得困难，而模糊航迹关联则对目标含有的模糊信息如目标的位置间、航迹间和航向间的欧氏距离通过粗关联来区分，从而弥补了统计方法中的一些缺陷。实际上，模糊航迹关联算法是统计航迹关联算法的扩展，可以更好地应用于观测误差较大、目标比较密集的情况。基于模糊综合函数的航迹关联算法就是先建立模糊因素的集合，确定模糊隶属度函数，最后设定相似度判别准则。通过初步仿真，结果比较满意，同时也表明模糊航迹关联算法比较适合于密集多目标环境和交叉航迹的场合，处理速度快、存储量小，而且有较好的关联效果，缺点是模糊隶属函数的选取、因素集合的确定原则难以把握，有待进一步研究。四、基于OTHR的航迹分类研究方向OTHR航迹分类的关键就是分离非航路目标航迹，予以上报，并加强监视。航路航迹相关的基本思想就是就是采用已知的航路信息作为主要参考源进行相关，为雷达操作员比较观测的雷达航迹，利用一个特殊的算法，来评估统计意义下的雷达航迹与飞行航路的相近程度；目标特征提取的基础则是建立每种类别的特征。目前，基于OTHR的航迹分类向着以下两个新的方向发展：研究航路航迹相关方法OTHR操作员的主要工作就是处理信息，在获得目标在地理坐标系下的航迹信息后，将航迹进行分类，分为“友好”目标和未辨识出的“入侵者”。为实现目标辨识，一个可利用的先验信息源就是雷达监视范围内的飞行计划或者航路信息。这些信息可以从国家飞行情报中心获得。民航目标的飞行具有规律性和计划性，必须按照制定的飞行计划沿航路飞行，在位置和航向上严格受航路的约束，而在时间上受飞行计划限制。基于OTHR进行航迹分类，在空中目标较多时，为准确判断目标，可将OTHR航迹与航路进行相关度计算。首先根据OTHR提供的当前航迹信息合已知的航路信息，计算出偏航因子、时差因子、方向因子等；然后构造一个关于航路与航迹点相关度的定量指标，并以最大相关度来推断航迹与哪个航路存在相关；最后操作员参与是不可或缺的，他可以在出现相关错误时及时予以纠正。当相关度之间的差小于一定阈值，或者结果发生波动时，必须进行人工目标识别。相关过程中如果辨识出来，就将其从待辨识的航迹中删除。这个过程持续进行，直到在一段时间内的所有可能的航迹被辨识出来。在自动及手动都无法辨识处理后的航迹为声明为未相关航迹，赋予更高的威胁程度，予以上报。研究目标的特征提取方法OTHR采集到的航迹有很多种类，按照各类别的特征可以将它们区分开。拟采用的特征有：目标航迹相关特征；信号强度相关特征；速率相关特征［2］。针对这3种特征的，对获取的数据进行基于支持向量基的OTHR目标特征识别过程，也就是以数据作为训练样本集对基于支持向量基的多分类器进行训练，拟利用二叉树的方法建立对应的分类器，最终得到分类结果。对基于特征提取方法实现的航迹分类结果，要进行航迹融合［2］。该方法的结果是将输入的航迹信息分类为航路目标航迹和非航路目标航迹，过程结束后，要把分类结果于已知的航路信息进行对比，拟建立一个分类标识，如果分类正确，则给该标识加1，否则加0，最终统计分类正确概率，对该概率加以分析。五、结束语本文分析了航迹分类在国防应用中的重大意义，提出了五种国内外的研究技术；在OTHR的平台上，目前航迹航路相