文章编号: 1001- 893X( 2004) 04- 0103- 04
机载多传感器数据融合的数据链应用技术�
黄 � 鹤
(中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036)
摘 � 要:表述了机载多传感器数据融合基本概念, 侧重于描述战术数据链在多传感器信息融合中的
应用。
关键词:航空电子;多传感器; 数据融合;数据网络;战术数据链;联合战术信息分配系统
中图分类号:TN919 � � 文献标识码: A
Data Link Application Technology in Airborne
Multi- sensor Data Fusion
HUANG He
( Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)
Abstract:The concept of airborne mult i- sensor data fusion is described with emphasis on the application of
tactical data link in information multi- sensor data fusion.
Key words:Avionics; Multi- sensor; Data fusion; Data transmission network; Tactical data link; JTIDS
一、前 � � 言
现代化空中作战平台和武器机动性能好, 攻击
力强,并采用隐身技术和先进的电子战系统, 使得现
代战场地域广阔,态势瞬息万变,信号密度高而且信
号形式种类繁多。面对不断增强的空中威胁, 必须
使用有源、无源宽频域覆盖的、多种类型的传感器和
自动化的数据处理,以使指挥员在短时间内获取全
面可靠的战争态势信息。数据融合技术应运而生,
并首先被广泛应用于军事领域。
近年来,机载传感器得到迅猛发展,所装备的传
感器越来越多、越来越先进。如火控雷达、红外搜索
跟踪、激光探测装置、电视探测装置、通信导航识别
传感器,特别是最新发展的空空、空地通信数据链和
联合战术信息分配系统( JTIDS)等,已成为现代作战
飞机了解态势环境的重要信息源。通过数据链装置
横向进行机载多传感器的数据融合,实现对多个传
感器探测信息的综合、分析和处理, 达到资源共享,
功能、性能相互弥补,得到目标状态、属性等战场态
势信息, 取得传统单平台单传感器无法完成的功能
和效果。同时大大减轻了简单增加传感器或提高传
感器性能带来的种种矛盾,提高了对目标的探测概
率,减小虚警率,受到世界军事发达国家的重视。本
文主要探讨机载通信数据链的数据融合的应用。
二、国外多传感器数据融合研究
早在上世纪 70年代初,美国就开始开展军事数
据融合的研究; 80年代, 随着传感器技术的飞速发
展和对传感器投资的增加以及超远程武器的出现和
发展,军事系统中的传感器数量急剧增加,要求系统
具有更多的信息和数据。美国国防部从海湾战争中
实际体会到了数据融合技术的巨大潜力, 更加重视
信息自动综合处理技术的研究, 宝石台!预研
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
则探讨了传感器功能的综合化。目前世界上主要军
事大国都竞相开始投入大量人力、物力和财力进行
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� 收稿日期: 2004- 05- 17
� 电讯技术 � 2004年第 4期 研究与开发RESEARCH& DEVELOPMENT
数据融合工作的研究。美、英、法、意、日等国已研究
出上百个军用融合系统, 如 TCAC(军用分析)系统、
BETA(战场使用和目标获取)系统、TRWDS(目标获
取和武器输送)系统、ANALYST(地面部队战斗态势
评定)系统等。美国的 F- 22等新型先进战斗机应
用了机载多传感器综合和数据融合技术, 其 CNI 系
统的一个重要特色还采用了通信数据链, 通过数据
链与其它飞机直接进行数据交换,互通飞行和战术
信息,大大提高了战斗机性能。
三、多数据链信息的融合
随着数据链技术在航空通信的应用,单一数据
链体制已不能满足作战的全部需求,必然发展应用
功能和技术性能相结合的多种体制链路系统, 这些
系统在应用上通专结合、经济性能上高低搭配、技术
手段上兼施并用,以达到空、地、海、天的立体无缝覆
盖,目前国外空中作战平台特别是大型空中预警指
挥平台越来越多地采用多数据链信道的传输。就目
前使用和发展而言, 航空通信数据链的频段覆盖了
VHF/UHF/ HF/ L/KU频域,功能上具备了自适应、抗
干扰数据通信, 组网包括点对点、广播、轮询、TDMA
等多种方式, 在实战中形成了多通道互为备份互为
补充的工作模式。
数据链是各平台数据融合节点之间快速交换传
感器数据的主要手段。多数据链信息的融合即是多
平台传感器的信息融合途径之一, 它对其它平台传
感器获得并通过不同途径的多条数据链传送的目标
状态、航迹、位置等信息进行初步的处理、评估、融
合,其结果可直接对操作员进行显示,也可经外部总
线送航电系统与本机雷达、导航传感器探测的目标
数据进一步进行融合处理。
多数据链数据融合模型如图 1所示。
图 1 � 多数据链信息融合处理模型
� � 根据链路交换的信息内容, 多数据链信息融合
在数据融合体系中为初级融合处理模式, 它完成数
据的时间校准、坐标转换和目标航迹、态势初步融
合。由于传感器和数据链具有不同的
报告
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协议
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(例
如,不同的航迹坐标系统、不确定性和识别表示方
法) , 数据预处理完成对多条数据链传送的相关信息
进行数据提取、转换、校准和时间同步。数据融合部
分对不同数据链传输而性质相同的信息进行相关和
初步融合; 目标状态数据库保存不同目标的数据文
件,并随着信息变化不断进行更新,数据库提供数据
的存储、共享和访问服务。经评估出的空中目标位
置、航迹、态势等信息与数据链传输的其它信息(命
令控制报文、目标分配等)合成后通过外总线与机载
导航、雷达、电子侦察( ESM)、识别等系统传感器数
据再进行关联,最终通过全局融合处理实现对目标
识别、跟踪、态势和威胁等级的估计。
数据链管理器对多数据链通道的功能分配、链
路工作方式和状态进行监控、流量分配与控制, 以及
异构数据链路互联等进行管理。
经融合的信息以多种方式显示给操作员和指挥
员,直观地描绘目标、估计的状态、相关联的性质,以
及速度、高度信息等。当接收外部数据链信息时,显
示器以符号形式动态标识编队状况下本机位置, 以
及通过数据链传输的和本机探测的友机、目标机相
对位置和属性的融合信息。目标和有关决策数据常
常用符号表示, 并用字母数字或颜色补充表示。在
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进行攻击时目标的威胁等级和攻击选择以数字形式
进行标识,融合信息可叠加在地图信息上。
数据从平台到平台之间的传输能力取决于可靠、
抗干扰和保密的数据链,通过数据链对我方行动(位
置、计划、状态等)以及传感器观测的信息进行交换。
使用基于数据链的战术信息分布式网络可使这些信
息在较大范围内更快、更准确地在平台间传送。
为使所有参与者都能够通过数据链互相接收数
据,必须建立统一的数据链
标准
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,这些标准能适用于
所有系统, 并与采用的通信方式无关。数据链在战
术平台间传送的信息种类包括: 参与者的位置和状
态;参与者传感器(局部融合)数据; 目标分配; 命令
和控制报文;相关导航数据。
四、战术数据链在数据融合
处理过程的应用
空中编队各平台之间的信息交换是一个网络互
连体系结构。以简单的空战为例说明通信数据链在
空中目标多传感器数据融合处理过程: 空中目标首
先被地面远程雷达或空中预警机所发现, 其信息通
过通信数据链送战斗机指挥机(长机)系统处理后提
示进行拦截,战斗机在预定的雷达截获点,通过空中
搜索雷达发现敌机, 并通过 IFF 进行敌我识别。在
每架战斗机的数据融合系统中, 首先对数据链传输
的信息进行融合处理, 再与本机雷达、红外探测仪和
电子侦察( ESM)探测数据加以综合, 对目标航迹进
行改善,并把这些发射源与目标关联起来,识别飞机
型号, 进行态势评定和威胁等级估计。同时, 机上
IFF 询问直接发向每个目标,如确认为敌机,即通过
战斗管理算法进行相互协调,分配作战目标。
在编队行动时各个作战
单元
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根据作战任务和形
势进行不同的数据融合。通过战术数据网各成员交
换数据, 在每个作战单元显示空域内目标的合成画
面。各单元作为辅助传感器传送融合航迹和标识信
息,通过空空数据链与预警机上的中心目标数据库
或通过空地数据链与地面指挥站进行融合,融合后
的航迹和标识信息再传给作战单元, 对覆盖范围内
的目标进行指示。指挥机的融合系统对本机的传感
器数据进行目标特征提取(数据过滤) , 并与自身状
态和位置信息一起按照一定组网方式和协议传给编
队成员, 编队成员机也对本机传感器数据融合和滤
波,并与导航信息、状态信息送指挥机, 由指挥机对
数据进行相关处理, 并与本机探测的目标信息进行
关联。
图 2所示为一个双机编队下数传网络系统的数
据融合模型。
图 2 � 双机数据链数据融合的功能元素
� � 双机编队飞行时, 两架飞机传感器观测相同目
标及每架飞机各自看到的目标, 通过数据链交换自
身位置和状态数据和融合的传感器数据。长机的融
合系统对本机传感器数据进行目标提取和数据过
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滤,并与自身状态和位置信息一起传给僚机。长机
对导航传感器测量的空间和地理位置坐标进行校正
处理,将它们变换到一个公共坐标系统,并根据数据
链传送的位置信息进行校正, 改善空间精度。僚机
类似地把本机传感器数据进行融合、滤波,并与导航
信息、状态信息一起传给长机,长机将僚机数据与本
机的探测数据和航迹相关联。每架飞机的传感器的
探测数据、航迹数据及识别结果保存在一个局部数
据库中,飞行员可在各自显示器上看到以地理坐标
表示的数据库数据。
坐标转换的方法如下:
相对与我机的坐标是雷达坐标, 目标在空中位
置用斜距 r、方位角 �、俯仰角 �、高度 H 来表示。目
标在直角坐标中的位置为( x, y, z) ,则有
r = x
2
+ y
2
+ z
2
�= arctan x
y
H = r # sin�+ r2
17 000
(1)
� � 其中高度的计算公式是考虑标准大气折射条件
下球形地面以后的目标高度。给定目标航迹的初始
点( r0, �0, H0)对应目标航迹在直角坐标中的初始点
(x0, y0, z0)为
z 0 = r 0sin�0 = H 0- r
2
0
17 000
x 0 = r0cos�0sin�0 = r 0sin�0 1- sin2�0
y 0 = r0cos�0cos�0 = r 0cos�0 1- sin2�0
(2)
� � 航迹融合处理分为航迹关联和航迹融合 2个方
面。
(1)确定多传感器的航迹是否对应于同一个目
标,称为 航迹关联!
航迹关联有 2种意义上的关联, 一种是确定不
同传感器航迹(有时间重迭)是否是同一目标的航迹
的关联;另一种是将 2段不同但相邻的时间周期的
航迹关联, 形成完整航迹的关联。航迹关联算法包
括最近相邻法、概率数据关联( PDA)、极大似然法
等。
( 2)对属于同一目标的不同航迹进行融合处理,
获得目标的融合航迹,称为 航迹融合!
航迹融合采用的方法有航迹选择、状态矢量融
合及测量数据融合方法。航迹选择的方法是在所有
同一目标的所有传感器航迹中, 选择一个准确度最
高的传感器航迹直接作为融合的目标航迹;状态矢
量融合方法是将同一目标的关联航迹的状态估计在
线性估计处理器中进行组合,将组合后的状态估计
传送给中心滤波器进行处理;测量数据融合是在完
成航迹关联之后再在中心融合节点对传感器的观测
数据进行递推滤波处理。
五、结束语
近年来,随着数学、计算机科学、自动控制理论、
人工智能、通信技术等学科的进步,我国在数据融合
技术理论研究有了很大发展。未来机载多传感器数
据融合技术的发展向着多平台、模块化、自动化、智
能化发展。基于知识工程、数据库的专家系统在军
事上的应用将操作员和军事指挥员的负担减少到最
低程度。
机载多传感器数据融合是未来航空电子发展必
须面临的问题, 是一个庞大的系统工程。本文力图
表述数据链的在数据融合处理过程的应用,笔者就
有关技术问题提出的粗浅看法仅供参考。
参考文献
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作者简介:
� � 黄 � 鹤(1971- ) ,男, 四川巴中人, 工
程师。
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