天波超視距雷達(dá)航跡分類算法綜述鄭琛瑤（1），潘泉（2）（海軍91388部隊(duì)、湛江（1），控制與信息研究所、西安（2））摘要：本文介紹了近些年來(lái)航跡分類的技術(shù)，提出目前基于天波超視距雷達(dá)的航跡分類的新研究方向，論述了該方向的國(guó)防意義和遠(yuǎn)大前景。關(guān)鍵詞：航跡分類；天波超視距雷達(dá)Abstract:Thispaperintroducessomerecentdevelopmentsoftrackclassification,whichisanewresearchfieldbasedonOver-The-HorizonRadaratpresentwithimportantnationaldefensesignificanceandlargeprospect.Keywords:trackclassification;Over-The-HorizonRadar一、引言二戰(zhàn)以來(lái),雷達(dá)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在各種類型的雷達(dá)中,天波超視距雷達(dá)（Over-The-HorizonRadar,OTHR）以其大范圍的監(jiān)視能力、防低空突襲、抗隱身以及早期預(yù)警等突出優(yōu)點(diǎn)，受到了許多國(guó)家的重視。和一般微波雷達(dá)不同的是OTHR工作在3?30MHz的高頻頻段,其利用電離層的反射作用能夠自上而下地探測(cè)超遠(yuǎn)距離（1000?4000km）的地域和海域的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，因此具有早期預(yù)警的突出優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)OTHR的下視工作方式使得其能夠突破地球曲率的限制，從而探測(cè)到低空飛行或隱在山脈背后的目標(biāo)。此外，OTHR的工作波長(zhǎng)通常為10?60m,和大部分飛行器的物理尺寸相接近，一些著名的隱身飛機(jī)均處于其諧振散射區(qū)內(nèi)，使得該雷達(dá)的抗隱身性能非常突出。二十世紀(jì)40年代末，幾個(gè)國(guó)家就開(kāi)展了OTHR的研究，但當(dāng)時(shí)技術(shù)無(wú)法解決超遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)的探測(cè)的問(wèn)題，也就很難進(jìn)一步對(duì)探測(cè)結(jié)果做出有效的分析。直到50年代，美國(guó)空軍和海軍研制的“梯皮”（Tepee）后向散射超視距雷達(dá)成為美國(guó)后來(lái)發(fā)展的許多OTHR的基礎(chǔ)。60年代，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制成作用距離達(dá)900?4000km的“麥德雷”（Madre）高頻超視距雷達(dá)，首先向人們證明了OTHR的能力，包括對(duì)低空飛機(jī)、彈道導(dǎo)彈和水面艦艇的探測(cè)能力。70?90年代，OTHR技術(shù)發(fā)展迅速，美國(guó)相繼研制了不同水平的雷達(dá)設(shè)備。80年代，美國(guó)空軍由通用公司用15年時(shí)間承包建造了型號(hào)為AN/FPS-118的天波雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)各有3各扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)方位覆蓋60°，作用距離范圍為800km?2880km，該雷達(dá)在探測(cè)和跟蹤空中小目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)上獲得較大的成功，同時(shí)能夠跟蹤、探測(cè)戰(zhàn)斗機(jī)和海上巡邏機(jī)，AN/FPS-118很好的完成了戰(zhàn)略預(yù)警的工作。到90年代，OTHR研制與發(fā)展進(jìn)入了鼎盛時(shí)期，各國(guó)不惜投入巨額經(jīng)費(fèi)加強(qiáng)研制力度，先后開(kāi)發(fā)了許多有關(guān)防空領(lǐng)域的課題。90年代，美國(guó)海軍研制的AN/TPS-71擔(dān)負(fù)戰(zhàn)術(shù)預(yù)警的任務(wù)，支援海軍戰(zhàn)斗機(jī)群，發(fā)現(xiàn)從各方面逼近威脅艦隊(duì)的飛機(jī)特別是能對(duì)付那些航程在1000km?2000km,從陸地起飛的遠(yuǎn)程轟炸機(jī)；另外在作戰(zhàn)時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的飛機(jī)，對(duì)戰(zhàn)區(qū)內(nèi)空戰(zhàn)及空海作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)進(jìn)行評(píng)估［1］。隨著世界反雷達(dá)技術(shù)的日益進(jìn)步和發(fā)展，OTHR在現(xiàn)代防空體系中的作用就顯得越來(lái)越突出，作為對(duì)空中“危險(xiǎn)”目標(biāo)的早期預(yù)警手段之一，在警戒低空超低空突防的飛機(jī)時(shí)，可在200?400km的距離內(nèi)捕獲目標(biāo)。與微波雷達(dá)相比，對(duì)空中目標(biāo)的預(yù)警時(shí)間增加了5?10倍［22］。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，OTHR對(duì)戰(zhàn)前先兆信息的預(yù)測(cè)，這個(gè)過(guò)程包含有對(duì)雷達(dá)探測(cè)的航跡信息進(jìn)行分類，確定非航路目標(biāo)航跡，標(biāo)識(shí)其具有“威脅性”，加強(qiáng)防控；在對(duì)空中目標(biāo)的監(jiān)視，對(duì)預(yù)警飛機(jī)和空中指揮中心的監(jiān)控，以及對(duì)飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)發(fā)射導(dǎo)彈的跟蹤等方面，--#-有關(guān)國(guó)家均取得了一些成果。二、OTHR航跡分類的意義OTHR探測(cè)的主要目標(biāo)是超遠(yuǎn)程空中目標(biāo)和海面艦船，這是微波雷達(dá)無(wú)法比擬的。目前，OTHR對(duì)空中目標(biāo)的檢測(cè)已經(jīng)取得一些成果，但是對(duì)于目標(biāo)航跡的分類問(wèn)題的研究進(jìn)展不大，包含諸多原因［%主要因素是電離層，它以一種電波環(huán)境介質(zhì)形式稱為OTHR的一部分，而不是雷達(dá)硬部件，電離層的區(qū)域處于60km至幾千公里高度之間，它的狀態(tài)隨著太陽(yáng)非周期活動(dòng)中產(chǎn)生隨機(jī)變化，這種現(xiàn)象對(duì)OTHR的正常工作有直接影響，也就是說(shuō)，電離層得不穩(wěn)定性，以及多分層的性質(zhì)，直接導(dǎo)致航跡信息的獲取錯(cuò)誤，那么對(duì)航跡進(jìn)行分類的過(guò)程也就不可避免的會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，這時(shí)就需要人工輔助方法將錯(cuò)誤信息予以剔除。此外還有來(lái)自各方面的雜波干擾，也同樣會(huì)影響OTHR對(duì)目標(biāo)的探測(cè)結(jié)果。為提高航跡分類的效果，正確選擇電離層模式也是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？梢?jiàn)，OTHR在對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行航跡分類的研究上還存在很多問(wèn)題，這些方面的研究能否取得重大進(jìn)展是能否實(shí)現(xiàn)OTHR對(duì)遠(yuǎn)程空中目標(biāo)監(jiān)視的關(guān)鍵所在。特別是，我國(guó)地域遼闊，島嶼眾多，研究OTHR空中目標(biāo)檢測(cè)對(duì)提高我國(guó)空中防御系統(tǒng)能力意義重大。三、國(guó)內(nèi)外技術(shù)針對(duì)空中目標(biāo)航跡分類的諸多問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在航跡相關(guān)和目標(biāo)特征提取等關(guān)鍵技術(shù)方面展開(kāi)了一些研究。多因子相關(guān)法在現(xiàn)代作戰(zhàn)指揮自動(dòng)化系統(tǒng)中，為保證指揮人員能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地掌握空中的敵我態(tài)勢(shì)，并可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整作戰(zhàn)計(jì)劃和方案，就要進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。一種途徑是將雷達(dá)航跡與之前制定的飛行計(jì)劃進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷，采用與飛機(jī)實(shí)時(shí)通信的方式，即將飛機(jī)自身主動(dòng)提供的導(dǎo)航信息與指揮系統(tǒng)中的飛行計(jì)劃信息進(jìn)行匹配處理，就可以進(jìn)行快速關(guān)聯(lián)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是精確度比較好，但是只適用通信狀態(tài)和戰(zhàn)場(chǎng)信息比較好的情況；而在現(xiàn)代的信息化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，往往會(huì)出現(xiàn)通信不暢通．空中信息不準(zhǔn)確，無(wú)法匹配的情況。通過(guò)對(duì)飛行計(jì)劃與雷達(dá)航跡相關(guān)過(guò)程的分析，提出一種根據(jù)飛行計(jì)劃航跡與雷達(dá)動(dòng)態(tài)航跡的相關(guān)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的方法，通過(guò)對(duì)偏航因子、時(shí)差因子、方向因子、高度因子、速度因子、架數(shù)因子、機(jī)型因子和屬性因子等相關(guān)因子的計(jì)算，得到了對(duì)二者相關(guān)程度的定量描述，從而將目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)換為相關(guān)度問(wèn)題，并進(jìn)行算法的優(yōu)化。通過(guò)最大相關(guān)度的匹配，較好地解決了二者的自動(dòng)相關(guān)問(wèn)題。應(yīng)用結(jié)果表明，該算法相關(guān)準(zhǔn)確度高，具有一定的自適應(yīng)能力［4］。動(dòng)態(tài)多因子改進(jìn)相關(guān)法近年來(lái)，基于雷達(dá)網(wǎng)的雷達(dá)情報(bào)綜合處理的研究和應(yīng)用也變得越來(lái)越受人類矚目。雷達(dá)情報(bào)自動(dòng)綜合處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是航跡相關(guān)。動(dòng)態(tài)多因子相關(guān)法是利用目標(biāo)測(cè)報(bào)信息所提供的多個(gè)因素與已綜合的目標(biāo)航跡進(jìn)行比較，然后給出多個(gè)因子，如位置、高度、速度、航向、屬性、機(jī)型、架數(shù)、的比較函數(shù)值，進(jìn)而對(duì)各因子的比較函數(shù)值進(jìn)行加權(quán)求和以求出綜合函數(shù)值；最后在此基礎(chǔ)上設(shè)定綜合函數(shù)相關(guān)判決準(zhǔn)則，來(lái)判定目標(biāo)與已綜合批是否相關(guān)，或相關(guān)不強(qiáng)。動(dòng)態(tài)多因子相關(guān)算法綜合考慮了各種因素，航跡相關(guān)的質(zhì)量得到了明顯改善。但是為了進(jìn)一步突出位置因素的重要性，減少運(yùn)算量，同時(shí)更好地進(jìn)行機(jī)動(dòng)檢測(cè)，我們對(duì)動(dòng)態(tài)多因子相關(guān)算法又進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)。一是原算法即使在位置不相關(guān)并且相差較大的情況下，最后判決結(jié)果也有可能是相關(guān)不強(qiáng)，而不是不相關(guān)。這會(huì)導(dǎo)致相關(guān)判斷不準(zhǔn)確，人為地增加了計(jì)算量。為位置因素，就要限制相關(guān)區(qū)域，如果位置不相關(guān)，則認(rèn)為判斷結(jié)果就不相關(guān)。二是利用航向相關(guān)結(jié)果對(duì)最后判決結(jié)果進(jìn)行二次修正，只要合理地選取航向相關(guān)波門，就可以只在相關(guān)不強(qiáng)時(shí)進(jìn)行機(jī)動(dòng)檢測(cè)，而無(wú)需在相關(guān)時(shí)進(jìn)行機(jī)動(dòng)檢測(cè)。該方案為雷達(dá)情報(bào)自動(dòng)綜合處理提供了一種合理而全面的處理方法，也適用于雷達(dá)情報(bào)融合，該理論也在實(shí)際雷達(dá)情報(bào)系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證［5］。三坐標(biāo)模型超視距雷達(dá)多路徑航跡的融合，以及超視距雷達(dá)跟蹤軌跡與微波雷達(dá)航跡的融合，是澳大利亞南岸的?？毡O(jiān)視中主動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要方面，該監(jiān)視區(qū)域主要依靠一系列岸基微波和超視距雷達(dá)。電離層本身存在多變性，超視距雷達(dá)利用電離層返回散射傳播機(jī)理，就會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)的位置估計(jì)有偏差。修正偏差的一個(gè)重要途徑，就是把已知的計(jì)劃與監(jiān)測(cè)到的航跡作比較，建立一套偏差的決策方案，把它反饋給電離層傳播模型，來(lái)提高超視距雷達(dá)跟蹤估計(jì)的態(tài)勢(shì)估計(jì)效果，最終達(dá)到修正偏航因子的目的。該實(shí)例應(yīng)用了三種坐標(biāo)模型來(lái)描述空中目標(biāo)與航跡的相關(guān)性，從理論層面上說(shuō)明了單目標(biāo)-單航跡的相關(guān)，同時(shí)提出了多目標(biāo)-多航跡相關(guān)的問(wèn)題［5］。特征提取空中交通管制體系的主要作用是保障空中交通暢通和避免發(fā)生沖突。數(shù)字式機(jī)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)（DASR）系統(tǒng)裝備了最新的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，足以處理各種空中需求°DASR對(duì)獲取的各類航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的訓(xùn)練和測(cè)試，從航跡、速度、信號(hào)能量等信息中獲取特征，對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行建模，并給與評(píng)價(jià)，在過(guò)程中實(shí)現(xiàn)特征提取、特征評(píng)估和分類更新。結(jié)果顯示目標(biāo)航跡的自動(dòng)分類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且效果很好，區(qū)分了各類航跡，隔離和消除了來(lái)自像地面雜波、天氣、和異常傳播等的航跡，辨識(shí)出了生物的危害和無(wú)收發(fā)機(jī)飛行器，有效的增強(qiáng)了空中安保能力。該方法為今后更多的目標(biāo)分類研究提供了一個(gè)靈活使用的框架［2］。基于模糊綜合函數(shù)的航跡關(guān)聯(lián)算法自從建立了OTHR以來(lái)，航路航跡相關(guān)不僅得到很好的解決，更復(fù)雜的航跡關(guān)聯(lián)，也就是說(shuō)，判斷多個(gè)傳感器提供的航跡是否為同一個(gè)目標(biāo)的航跡。航跡關(guān)聯(lián)的方法主要有統(tǒng)計(jì)航跡關(guān)聯(lián)和模糊航跡關(guān)聯(lián)。統(tǒng)計(jì)航跡關(guān)聯(lián)的方法有加權(quán)法、獨(dú)立序貫法、雙門限法、最近鄰法等。當(dāng)在干擾、噪聲和分叉航跡的場(chǎng)合下加上傳感器的空間誤差、異步傳輸誤差等因素的影響,使得基于統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)的航跡關(guān)聯(lián)方法的有效關(guān)聯(lián)變得困難，而模糊航跡關(guān)聯(lián)則對(duì)目標(biāo)含有的模糊信息如目標(biāo)的位置間、航跡間和航向間的歐氏距離通過(guò)粗關(guān)聯(lián)來(lái)區(qū)分，從而彌補(bǔ)了統(tǒng)計(jì)方法中的一些缺陷。實(shí)際上，模糊航跡關(guān)聯(lián)算法是統(tǒng)計(jì)航跡關(guān)聯(lián)算法的擴(kuò)展，可以更好地應(yīng)用于觀測(cè)誤差較大、目標(biāo)比較密集的情況?；谀：C合函數(shù)的航跡關(guān)聯(lián)算法就是先建立模糊因素的集合，確定模糊隸屬度函數(shù)，最后設(shè)定相似度判別準(zhǔn)則。通過(guò)初步仿真，結(jié)果比較滿意，同時(shí)也表明模糊航跡關(guān)聯(lián)算法比較適合于密集多目標(biāo)環(huán)境和交叉航跡的場(chǎng)合，處理速度快、存儲(chǔ)量小，而且有較好的關(guān)聯(lián)效果，缺點(diǎn)是模糊隸屬函數(shù)的選取、因素集合的確定原則難以把握，有待進(jìn)一步研究。四、基于OTHR的航跡分類研究方向OTHR航跡分類的關(guān)鍵就是分離非航路目標(biāo)航跡，予以上報(bào)，并加強(qiáng)監(jiān)視。航路航跡相關(guān)的基本思想就是就是采用已知的航路信息作為主要參考源進(jìn)行相關(guān)，為雷達(dá)操作員比較觀測(cè)的雷達(dá)航跡，利用一個(gè)特殊的算法，來(lái)評(píng)估統(tǒng)計(jì)意義下的雷達(dá)航跡與飛行航路的相近程度；目標(biāo)特征提取的基礎(chǔ)則是建立每種類別的特征。目前，基于OTHR的航跡分類向著以下兩個(gè)新的方向發(fā)展：研究航路航跡相關(guān)方法OTHR操作員的主要工作就是處理信息，在獲得目標(biāo)在地理坐標(biāo)系下的航跡信息后，將航跡進(jìn)行分類，分為“友好”目標(biāo)和未辨識(shí)出的“入侵者”。為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)辨識(shí)，一個(gè)可利用的先驗(yàn)信息源就是雷達(dá)監(jiān)視范圍內(nèi)的飛行計(jì)劃或者航路信息。這些信息可以從國(guó)家飛行情報(bào)中心獲得。民航目標(biāo)的飛行具有規(guī)律性和計(jì)劃性，必須按照制定的飛行計(jì)劃沿航路飛行，在位置和航向上嚴(yán)格受航路的約束，而在時(shí)間上受飛行計(jì)劃限制。基于OTHR進(jìn)行航跡分類，在空中目標(biāo)較多時(shí)，為準(zhǔn)確判斷目標(biāo)，可將OTHR航跡與航路進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算。首先根據(jù)OTHR提供的當(dāng)前航跡信息合已知的航路信息，計(jì)算出偏航因子、時(shí)差因子、方向因子等；然后構(gòu)造一個(gè)關(guān)于航路與航跡點(diǎn)相關(guān)度的定量指標(biāo)，并以最大相關(guān)度來(lái)推斷航跡與哪個(gè)航路存在相關(guān)；最后操作員參與是不可或缺的，他可以在出現(xiàn)相關(guān)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)予以糾正。當(dāng)相關(guān)度之間的差小于一定閾值，或者結(jié)果發(fā)生波動(dòng)時(shí)，必須進(jìn)行人工目標(biāo)識(shí)別。相關(guān)過(guò)程中如果辨識(shí)出來(lái)，就將其從待辨識(shí)的航跡中刪除。這個(gè)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到在一段時(shí)間內(nèi)的所有可能的航跡被辨識(shí)出來(lái)。在自動(dòng)及手動(dòng)都無(wú)法辨識(shí)處理后的航跡為聲明為未相關(guān)航跡，賦予更高的威脅程度，予以上報(bào)。研究目標(biāo)的特征提取方法OTHR采集到的航跡有很多種類，按照各類別的特征可以將它們區(qū)分開(kāi)。擬采用的特征有：目標(biāo)航跡相關(guān)特征；信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)特征；速率相關(guān)特征［2］。針對(duì)這3種特征的，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行基于支持向量基的OTHR目標(biāo)特征識(shí)別過(guò)程，也就是以數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本集對(duì)基于支持向量基的多分類器進(jìn)行訓(xùn)練，擬利用二叉樹(shù)的方法建立對(duì)應(yīng)的分類器，最終得到分類結(jié)果。對(duì)基于特征提取方法實(shí)現(xiàn)的航跡分類結(jié)果，要進(jìn)行航跡融合［2］。該方法的結(jié)果是將輸入的航跡信息分類為航路目標(biāo)航跡和非航路目標(biāo)航跡，過(guò)程結(jié)束后，要把分類結(jié)果于已知的航路信息進(jìn)行對(duì)比，擬建立一個(gè)分類標(biāo)識(shí)，如果分類正確，則給該標(biāo)識(shí)加1，否則加0，最終統(tǒng)計(jì)分類正確概率，對(duì)該概率加以分析。五、結(jié)束語(yǔ)本文分析了航跡分類在國(guó)防應(yīng)用中的重大意義，提出了五種國(guó)內(nèi)外的研究技術(shù)；在OTHR的平臺(tái)上，目前航跡航路相