相控阵雷达数据处理系统的仿真

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｎ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｒａｄａｒ
ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇ—ｙａｎｌ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉｌ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅ一班昭２
（１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）
第４８卷第４期 ２００８年４月
国钆技寡
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文章编号：１００１—８９３Ｘ（２００８）０４－００８８—０４
Ｖ０１．４８ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２００８
相控阵雷达数据处理系统的仿真·
陈明燕１，张伟１，汪学刚２
（１．电子科技大学电子科学技术研究院，成都６１００５４；２．电子科技大学电子工程学院，成都６１００５４）
·８９·
万方数据
第４８卷第４期 ２００８年４月
国讥技寡
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．４８．Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２００８
见文献［１］，因为观测值的维数为４，设定正确回波 落入椭球跟踪门的概率Ｐ。＝０．９９，则椭球跟踪门的 门限７值取１３．２８。
最近邻域法就是用最近预测值校正目标位置， 即比较跟踪门内各回波的新息项，使统计量达到最 小者被看作是真实目标的回波。
６００
７００ ８００
９００ １０００
减速运动，加速度都为一１０ ｍ／ｓ２，但初始速度不同， 从２００ ｍ／ｓ到４ ０００ ｍ／ｓ，间隔速度为２００ ｍ／ｓ。仿 真结果如图７所示。
．
钟加。加枷
航迹终止是航迹起始的逆过程，对于已有的暂 时航迹和可靠航迹，通过航迹质量这个指标来进行 管理，按不同的情况进行等级转移，当质量降为０即 删除该航迹。
３．２数据关联
数据关联是相控阵雷达实现多目标跟踪的核心 部分。数据关联的过程是将信号处理模块检测的新 点迹与已知目标航迹相比较，并给出点迹一航迹的 配对结果，用于后续的跟踪、确认处理或产生新航
止、数据关联、跟踪滤波等。
中带跟踪和宽带成像模式下，测角和测距精度都比 较高，Ｋａｌｍａｎ滤波也已经建立，所以采用较精确的 椭球跟踪波门。对于球形波门，其大小由半径月决
定，即为：Ｒ＝ｋｒ，ｋ、丁定义同上。根据实际情
况，取％。，＝７ ０００ ｍ／ｓ。对于椭球形波门，其大小与
统计门限及当前的新息协方差矩阵有关，具体公式
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ０１１ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｒａｄａｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ Ｓｐａｃｅ Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ（ＳＳＰＡ）ｒａｄａｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｋｅｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄａｔａ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏ－ ｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｔｉ ｔａｒｇｅｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ；ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ；ｔｒａｃｋ ｆｉｌｔｅｒ
３。３跟踪滤波
本仿真系统主要考虑对弹道导弹的仿真。弹道
导弹的飞行历经主动段、自由飞行段和再人段。自
由飞行段和再入段也合称为被动段。空间探测相控
阵雷达仿真系统针对的目标一般处于自由飞行段。
进入自由飞行段后，导弹弹头主要在重力作用下飞
行，空气阻力和其它摄动力可以忽略，而且导弹距离
雷达位置比较远，所以可以看作匀加速运动，机动性
些ｑ习
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３．１航迹起始和终止
Ｖ０１．４８ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２００８
上日标轨迹
！；竺堡奎』＿—面：；ｉ磊］
航迹起始是进入雷达监视区域的新目标建立航 迹的过程。目前常用的起始方法有滑窗法、顺序检验
謇媾
法等。在本仿真系统中，采用一种简单易行的航迹起 始方法。具体方法是：①首次获得的量测均注册一条 暂时航迹，其航迹质量为１（航迹质量共有０，１、２、３四 个等级，质量为０时航迹终止）。以暂时航迹的第一
正Ｆ再；
ｐｋ
瓯 ＺＩ＝
尾
咖（∥佩） ∞ｏｓ（茗／√互再磅） ＋Ｋ＝ｈ（ｓ★）＋Ｋ
●
Ａ
石万再； ｘＡ＋扎壳＋‰毒
（２） 式中，ｙ为零均值、方差矩阵为Ｒ的高斯白噪声，Ｒ
＝ｄｉａｇ（Ｚ，仃２。，％２，Ｚ）。
因为观测方程为非线性转化，所以雷达对目标 ·９０·
的跟踪我们采用扩展Ｋａｌｍａｎ滤波算法，由式（１）和 式（２）可得到状态和协方差的递推公式如下：
最近邻域算法的关键是航迹跟踪波门的计算。 根据航迹状态可以将跟踪门分为球形跟踪门和椭球 跟踪门两种。在窄带搜索模式下，由于测角精度较 差，测距精度相对较高，而且航迹还未建立准确的 Ｋａｌｍａｎ滤波，因此采用体积较大的球形跟踪波ｆ－１；
图２数据处理系统框图
３数据处理关键算法选择设计 数据处理模块的关键技术包括航迹起始与终
点Ｐ。为中心、ｋｒ（‰（为目标的最大速度，ｒ为雷
达的扫描周期）为半径，如果下一个扫描周期雷达在
图１空间探测相控阵雷达仿真系统框图
雷达仿真系统首先进行场景设置、任务设置、进 行初始化，再由雷达仿真主控与能量管理模块进行 资源调度和波束控制，每执行一个雷达任务都要调 度回波生成模块，回波进行信号处理后的点迹报告 送至数据处理模块。雷达信号处理模块产生的点迹 报告先进行预处理，由于面临多目标、多任务，所以 必须将新点迹与已经存在的航迹进行数据关联，关 联上的点迹用来更新航迹信息，并依据一定数据率 形成对目标下一位置的预测，没有关联上的点迹进 行新航迹起始。如果已有的目标航迹连续多次没有 点迹与之关联，根据航迹质量管理的结果终止航迹。
不大，因此采用具有代表意义的Ｓｉｎｇｅｒ模型来描述
Baidu Nhomakorabea
目标的运动。
设状态矢量为Ｊ＝［菇，Ｙ，ｚ，露，，，ｚ，髫，岁，２］，则
Ｓｉｎｇｅｒ模型的离散形式为
Ｊ“１＝咖一Ｉ＋１，０Ｉ
（１）
式中咖为状态转移矩阵，加为零均值、方差矩阵为Ｑ
的高斯白噪声形式的过程噪声。
ｌｒ
订 一 １ ＋
ｒ＋ ｅ ｄ
上：ａ
咖＝
０ｌ ００
１引言
相控阵雷达具有灵活的多波束指向及驻留时 间、可控的空间功率分配及时间资源分配等特点。 相控阵雷达的这种多功能要依靠多个子系统协同完 成，其中，数据处理子系统是实现多功能的关键部分 之一。相控阵雷达的数据处理子系统提供良好的目 标航迹信息，这是目标关联与滤波处理的结果；并按 一定数据率提供目标预测数据，这是雷达资源调度 与波束照射的依据。相控阵雷达的数据处理子系统 包括完成规定任务的一系列算法。
数据处理任务完成之后，数据处理模块将为目 标识别模块提供其进行落点估计和威胁判断所需的 目标位置数据，为信号处理模块提供目标的径向速 度以便其进行速度补偿，提高测角和测距精度，并根 据跟踪预测结果向主控与能量控制模块提出进一步 跟踪的波束请求。具体流程如图２所示。
此区域观测到新的点迹Ｐ２，则形成暂时航迹的第二， 点，航迹质量升为２，否则，航迹质量变为０，删除该暂 时航迹，新得到的点迹重新注册一条暂时航迹；②在 获得Ｐ”Ｐ：两点后，利用两点的数据，形成暂时航迹 的状态估计，并对第三点进行预测，以预测点Ｐ７，为 中心。如果有新的点迹落人此关联门，航迹质量升为 ３，该暂时航迹得到确认，转化为可靠航迹；③如果没 有点迹落入，则外推一个点再做预测。关联逻辑同 上，若有观测值满足要求，则该航迹得到确认，转化为 可靠航迹，否则删除该航迹。
迹。数据关联的算法很多，常见的有最近邻域法、概
航迹起始与航迹相关Ｈ航迹质量管理
型虻ｉ妇＿一ｉ ！Ｌ一
航迹滤波预测 ｌ ｌ 航迹终止
航迹新数据
ｌ
ｉ ’７
…百…磊一酥翮ｆ一ｊ｝厂堕踩‘ｌ叫：：主：控：：与：能：：情：管：：理：
率数据关联和联合概率数据关联法。本仿真系统采 用工程上常用的、易实现的最近邻域法。
随着现代雷达系统越来越复杂与昂贵，雷达系 统仿真技术已成为分析和评估的重要技术手段。本 文基于空间探测相控阵雷达系统仿真要求，建立了 数据处理仿真系统，对其中的关键算法进行了研究，
并给出了仿真结果。
２一种空间探测相控阵雷达仿真系统下的 数据处理系统结构
雷达信息的处理要经过以雷达信号检测和雷达 数据录取的一次处理、以航迹建立与相关算法的二 次处理、以时间和空间的统一信号综合处理算法的 三次处理，本文以二次处理数据处理为重点。数据 处理主要完成目标航迹的起始、终止、数据关联、跟 踪滤波、下一次位置预测等工作。
摘要：基于相控阵雷达数据处理基本工作原理，阐述了数据处理模块的基本构成及采用的数据关 联、跟踪滤波算法，并根据空间探测相控阵雷达的典型工作要求进行了仿真，仿真结果验证了该数据 处理系统可以正确工作在空间多目标环境下。 关键词：空间探测；相控阵雷达；数据处理系统；仿真；关联；跟踪滤波 中图分类号：ＴＮ９５７．５ 文献标识码：Ａ
＝０．０５，径向速度测量噪声方差吒２＝５０ ｍ２／ｓ２，机动
加速度方差盯：＝２０ ｍ２／ｓ４。观测随机噪声设为均值
为Ｏ、方差为１０的高斯白噪声。观测值＝真实航迹 ＋观测随机噪声。
（１）单目标
仿真目标运动参数：雷达直角坐标系下，目标起 始位置为菇ｏ＝１００ ｍ，Ｙｏ＝１００ ｒｆｌ，ｚｏ＝５００ ｋｍ。髫和Ｙ 方向均为匀速运动，速度都为５ ０００ ｍ／ｓ，：方向为 匀减速运动，初速度为０ ｍ／ｓ，加速度为一ｌＯ ｎ∥ｓ２， 运行时间为１００ ｓ。
●一位 （ ｌ 叱ｅ ｄ ）
讲ｒ
ｅ
在雷达跟踪目标的过程中，目标的状态方程在
直角坐标系中可以线性地表示，但目标的测量是使
用球坐标系中的距离、方位角和俯仰角，因此易采用
混合坐标系，即在直角坐标系下进行滤波，然后变换
到球面坐标系下完成预测和测量残差计算。同时，
我们可以利用目标的径向速度信息来提高跟踪滤波
器的精度，因此观测方程可表示为
Ｐ“１儿＝币“ｌ以Ｐ∥Ｉ咖：＋１儿＋ＱＩ
（６）
协方差修正方程为
已＋ｌ＾＋。＝［，一墨＋。巩＋１］Ｐ川以
（７）
滤波器用得到的前两组观测数据进行状态和协
方差的初始化。
４仿真结果 滤波器的参数设置：采样周期Ｔ＝０．１ ｓ；机动加
速度相关时间常数的倒数理＝０．１；雷达斜距离测量
噪声方差％２＝１００ ｍ２，雷达角测量噪声方差盯：＝％２
该空间探测相控阵雷达是一种ｘ频段的地基 雷达，其仿真系统主要由场景产生、回波生成、信号 处理、数据处理、宽带成像、目标识别和主控与能量 管理几大模块组成。仿真流程及各子模块之间的关 系如图１所示。
宰’收稿日期：２００７—０８—２０；修回日期：２００８－０３—２７ ·８８·
万方数据
第４８卷第４期 ２００８年４月
ｎ Ｏ ９ ８
Ⅺ＝；Ｊ”似石”舶
¨６舻５６５
（ａ）目标真实航速
（ｂ）滤波结果
图３ 目标真实航迹与滤波结果的比较
万方数据
第４８卷第４期 ２００８年４月
囝讥技我
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．４８ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２００８
柚加。舯枷
０
１００ ２００ ３００
４００ Ｓ００
状态外推方程为
气＋Ｉ以＝咖ｋ＋ｌｌｔ雪肌
（３）
状态修正方程为
瓦＋Ｉ肛＋ｌ＝丸＋。儿＋琏＋１［ｚ“ｌ一＾（％＋ｌ以）］ （４） 其中Ｋａｌｍａｎ增益为
≮＋。＝只＋，以矾＋。［风＋，Ｐ川以以，＋尺］卅 （５）
式中，日（ｋ＋１）为Ｊａｅｏｂｉａｎ矩阵，且巩＋。＝
ｄｈ（ｓ）Ｉ
山
。‘２。ｋ＋ｌ／ｋ。
协方差外推方程为