專利名稱：多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿真技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種多平臺目標跟蹤與分布交 互仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前仿真領(lǐng)域常用的技術(shù)是高層體系結(jié)構(gòu)(High Layer Architecture, HLA) 分布交互仿真技術(shù)和基于VEGA、 VR-Force等軟件的三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)、航跡及 目標跟蹤等先進技術(shù)，對公共安全事務(wù)這一領(lǐng)域進行技術(shù)運用與演示。
HLA (高層體系結(jié)構(gòu))是美國最新推出的在分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation, DIS)基礎(chǔ)上發(fā)展并最終將替代DIS的仿真體系結(jié)構(gòu)， 是分布交互式仿真系統(tǒng)的一種最新的高層結(jié)構(gòu)形式，其核心是協(xié)議標準。HLA采 用一致的結(jié)構(gòu)、標準和算法，通過網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置的不同類型的仿真 應(yīng)用和真實世界互聯(lián)、互操作，建立一種人可以參與交互的綜合環(huán)境。HLA具有 時空一致性、互操作性和可伸縮性。HLA可以應(yīng)用于多種時間管理方案；HLA將 數(shù)據(jù)從框架結(jié)構(gòu)中分離出來，改進了仿真對數(shù)據(jù)的需求；HLA采用組播方式，在 仿真之間有選擇地傳輸數(shù)據(jù)；HLA是圍繞著仿真服務(wù)來建立的。
國內(nèi)國防科技大學(xué)黃柯棣院士、航天二院李伯虎教授以及北航的趙沁平教授 等都對HLA體系結(jié)構(gòu)做過一定的研究，并開發(fā)了 KD-RTI等軟件包，為國內(nèi)分布 交互仿真研究奠定了基礎(chǔ)，然而在仿真模擬演練方面，研究的比較多的是多戰(zhàn)斗 機直接對抗、城市漫游導(dǎo)航及游戲軟件等，而隨著現(xiàn)代航空電子對抗技術(shù)不斷發(fā) 展，分布交互仿真逐步向多平臺、多源信息共享與綜合利用方向發(fā)展，尤其公共 安全迫切需要研究以多平臺網(wǎng)絡(luò)為中心的協(xié)同，如針對5. 12大地震的多平臺協(xié) 同救援等。
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)是以計算機為核心的現(xiàn)代高新技術(shù)，可 以生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境(Virtual Environment, VE),用戶可借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生真實環(huán)境的感受和體驗。分布式虛擬現(xiàn)實 (Distributed Virtual Reality, DVR)又稱為分布式虛擬環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)化虛擬 環(huán)境、多用戶虛擬環(huán)境等，它將分散在不同地域的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接起 來，多個用戶在共享的虛擬環(huán)境中進行交互和協(xié)作，共同完成特定的任務(wù)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，在多傳感器信息融合方面，韓紅等人在《信 息與控制》2004年第33巻第1期上發(fā)表了《分布式多傳感器融合系統(tǒng)仿真設(shè)計》， 該文提出了基于相控陣雷達系統(tǒng)和紅外傳感器的分布式融合系統(tǒng)的建模和仿真， 并給出了一個在局域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其不足之處在于系統(tǒng)是單一平 臺，系統(tǒng)仿真單節(jié)點通訊采用普通局域網(wǎng)協(xié)議(UDP)限制了系統(tǒng)規(guī)模。而隨著信 息科技的發(fā)展，多平臺協(xié)同探測與多傳感器的分布式信息融合處理技術(shù)有了較大 發(fā)展，而且多節(jié)點分布式仿真體系結(jié)構(gòu)也進入了HLA時代，但現(xiàn)有技術(shù)已不能適 應(yīng)目前技術(shù)的發(fā)展要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種多平臺目標跟蹤與 分布交互仿真系統(tǒng)，利用仿真技術(shù)與信息融合、目標跟蹤等相關(guān)技術(shù)，進行復(fù)雜 (含電子)環(huán)境下的空中感知平臺、地面指控中心及應(yīng)急處理平臺、多傳感器、多 源信息的多目標聯(lián)合監(jiān)視、定位、協(xié)同跟蹤與信息融合等功能演示與驗證，模擬 公共安全事件演練，并進行現(xiàn)場態(tài)勢感知與評估，為災(zāi)難救援技術(shù)的發(fā)展提供實 驗依據(jù)和技術(shù)支持。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括目標生成模塊、空中感知 平臺、應(yīng)急處理平臺、地面指控中心平臺、HLA分布交互仿真模塊，其中
目標生成模塊隨機生成系統(tǒng)跟蹤目標，該目標為空中感知平臺進行探測以及 應(yīng)急處理平臺進行跟蹤救援的目標，目標生成模塊生成跟蹤目標后發(fā)送求救信息 給地面指控中心平臺；
空中感知平臺接收地面指控中心平臺發(fā)出的探測指令，使用雷達、紅外傳感 器對目標的數(shù)據(jù)進行采集與處理，并將其獲得的探測數(shù)據(jù)和建立的小范圍態(tài)勢傳 送到應(yīng)急處理平臺和地面指控中心平臺，并根據(jù)地面指控中心平臺的指控信號對 目標進行跟蹤；
應(yīng)急處理平臺對空中飛行器進行動力學(xué)仿真，控制仿真出的空中飛行器進行
7平臺操作與跟蹤模擬，根據(jù)地面指控中心平臺的指控信號調(diào)整自身的運行狀態(tài)和運行方向，實現(xiàn)對目標進行跟蹤，同時也將自身的位置及姿態(tài)信息發(fā)送給地面指控中心平臺和空中感知平臺，應(yīng)急處理平臺對目標實現(xiàn)跟蹤后，對目標實施救援操作，完成救援任務(wù)之后將處理結(jié)果發(fā)送給地面指控中心平臺；
地面指控中心平臺接收到目標生成模塊發(fā)出的求救的信息，向空中感知平臺發(fā)出探測指令，并接收空中感知平臺上獲取的傳感器信息和現(xiàn)場環(huán)境信息，利用航跡跟蹤實現(xiàn)對目標進行跟蹤，并進行信息融合與數(shù)據(jù)處理，根據(jù)現(xiàn)場地理環(huán)境、裝備部署、雷達探測圖及應(yīng)急人員部署等信息，進行全局態(tài)勢評估，自動產(chǎn)生空中感知平臺和應(yīng)急處理平臺的最優(yōu)飛行路徑，以及應(yīng)急處理平臺最佳應(yīng)急方案，利用應(yīng)急救援方案進行聯(lián)合模擬演示驗證；
HLA分布交互仿真模塊將目標生成模塊、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺、地面指控中心平臺通過分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建HLA分布式體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感器信息、預(yù)警信息、災(zāi)情信息、現(xiàn)場環(huán)境信息、地形數(shù)據(jù)信息及中心指揮信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并通過無線、有線局域網(wǎng)絡(luò)、制定安全的通訊協(xié)議、加密等方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸，保證數(shù)據(jù)鏈通訊的可靠性與安全性。
所述空中感知平臺，包括搭載模塊、雷達探測模塊、紅外探測模塊，其中
搭載模塊裝載有雷達探測模塊和紅外探測模塊，當搭載平臺接收到地面指控中心平臺的指令后進入飛行模擬狀態(tài)，飛向指定位置并開啟雷達探測模塊和紅外探測模塊進行目標探測；
雷達探測模塊負責仿真模擬雷達探測工作，接收雷達量測數(shù)據(jù)，根據(jù)目標的運動航跡和搭載平臺的初始運動參數(shù)，計算搭載平臺和目標的相對運動學(xué)參數(shù)；同時，根據(jù)設(shè)置的雷達基本參數(shù)，雷達基本參數(shù)包括發(fā)射功率、天線增益、重頻、天線掃描規(guī)律等，對目標進行掃描，計算生成目標回波、雜波背景和干擾信號，雷達探測模塊利用回波掃描技術(shù)仿真雷達檢測目標過程，并根據(jù)多譜勒頻移信號特征提取目標的方位、距離、速度及角速度等信息；最后，完成脈沖壓縮、動目標檢測與顯示(MTI、 MTD)、測角、解模糊等雷達信號處理功能，并將探測到的目標數(shù)據(jù)(包括虛假目標)輸出給地面控制中心平臺；
紅外探測模塊建立在Vega開發(fā)平臺基礎(chǔ)上進行功能開發(fā)，仿真出對目標探測生成的紅外圖像，并將該圖像傳送給地面指控中心進行數(shù)據(jù)融合處理。所述雷達探測模塊，包括雷達模擬模塊和雷達總控模塊，雷達總控模塊作為雷達探測模塊的人機對話界面，并將人機交互數(shù)據(jù)出送給雷達模擬模塊，雷達模擬模塊和雷達總控模塊之間通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)通訊，雷達模擬模塊接收目標數(shù)據(jù)輸入進行模擬運算，采用交互式多模型(Interactive MultipleModel, IMM)方法交互完成濾波工作，并對目標運動狀態(tài)做出預(yù)測，用來控制雷達波束指向角，將回波及信號處理的模擬結(jié)果輸出。
所述紅外探測模塊，其可生成從可見光到遠紅外間各個波段的仿真圖像，用來進行紅外傳感器的實時仿真，紅外探測模塊工作前必須對參數(shù)進行設(shè)置，包括場景中物體表面紋理的材質(zhì)屬性、大氣數(shù)據(jù)庫、紅外光譜特性等。
所述紅外探測模塊，從搭載平臺得到自身的位置和方向后，利用幾何流水線中的光照、紋理和霧化等，以W/cm2/sr為單位計算出每個像素的輻射度并輸出為圖像，紅外探測模塊的輻射度由下列因素確定陽光的散射、月亮的反射、鏡面反射、天空環(huán)境的反射、熱輻射、傳輸路徑的輻射和散射。
所述地面指控中心平臺，其根據(jù)空中感知平臺傳回的雷達及紅外圖像信息進行信息融合處理，采用分站測量與集中式融合方法進行信息融合處理，其中集中式融合是指將來自各個傳感器的測量組成一個新的測量值，然后應(yīng)用濾波算法估計目標狀態(tài)；分站測量融合是指由雷達、紅外都測量目標的方位角信息，首先進行方位角信息測量融合，然后與距離信息擴維后濾波，以降低測量維數(shù)。地面指控中心平臺中進行信息融合的數(shù)據(jù)為基于雷達和紅外目標跟蹤形成的局部航跡，完成航跡關(guān)聯(lián)融合，然后根據(jù)全局環(huán)境中空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺傳回的相關(guān)的數(shù)據(jù)，進行全局態(tài)勢評估；地面指控中心平臺將所有平臺位置、速度等數(shù)據(jù)傳遞給航跡跟蹤模塊，航跡跟蹤模塊使用跟蹤算法計算生成應(yīng)急處理平臺的應(yīng)急路線和速度，并向應(yīng)急處理平臺發(fā)送命令交互信息，交互信息包括應(yīng)急目的地、優(yōu)化航路、目標任務(wù)等。
所述地面指控中心平臺，其核心模塊為航跡跟蹤模塊，航跡跟蹤模塊采用Singer模型對目標的航跡跟蹤，Singer模型是一種全局統(tǒng)計模型，是一種適合多種機動目標類型的模型，并且Singer模型用有色噪聲而不是白噪聲描述目標的機動加速度，可以根據(jù)需要跟蹤機動程度的不同設(shè)定不同的參數(shù)，因此更為切合實際，該模型形式簡單，航跡跟蹤模塊采用的一步穩(wěn)態(tài)外推預(yù)測與JPDA-IMM兩個算法對具有Singer模型機動的目標進行跟蹤演示，其中，對于簡單的單目標跟蹤，航跡跟蹤模塊采用一步狀態(tài)預(yù)測穩(wěn)態(tài)濾波器方法，進行航跡跟蹤；對于多目標航跡融合，采用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法(Joint Probability DataAssociation, JPDA)和交互式多模型方法(I麗)相結(jié)合，JPDA方法用于雷達量測與航跡進行關(guān)聯(lián)，包括確認矩陣、可行事件、互聯(lián)概率等的計算，I麗方法通過多模型交互完成濾波工作，并對目標運動狀態(tài)做出預(yù)測。
所述HLA分布交互仿真模塊，其采用基于HLA的分布交互的虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，將各個系統(tǒng)仿真平臺通過RTI協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，采用HLA分布式體系結(jié)構(gòu)，將空中感知平臺、地面指控中心平臺及應(yīng)急處理平臺通過分布式網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器信息、預(yù)警信息、災(zāi)情信息、現(xiàn)場環(huán)境信息、地形數(shù)據(jù)信息及中心指揮信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并通過無線、有線局域網(wǎng)絡(luò)、制定安全的通訊協(xié)議、加密等方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸，保證數(shù)據(jù)鏈通訊的可靠性與安全性，從而最大程度地進行資源共享與信息交互，具有開放式體系結(jié)構(gòu)，有效解決了公共應(yīng)急事件處理預(yù)案演練的靈活性、機動性、逼真度和價格成本之間的矛盾。
所述空中感知平臺、地面指控中心平臺、應(yīng)急處理平臺其根據(jù)仿真任務(wù)需求，規(guī)劃出整個仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦對象模型(Federate Object Model, F0M)，以提供聯(lián)邦成員間公共的、標準化的格式進行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，聯(lián)邦對象模型描述了在仿真運行過程中將參與聯(lián)邦成員信息交換的對象類、對象屬性、交互類、交互類參數(shù)的特性，每個平臺將自己需要發(fā)布的對象屬性發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)FOM表，只有對該屬性感興趣的平臺才會接受該數(shù)據(jù)；對于交互信息，發(fā)送平臺需要在交互參數(shù)中給出該交互的接受對象，也就是該交互的作用對象，依據(jù)FOM表規(guī)范了各個平臺需要發(fā)布和接收的數(shù)據(jù)，各個仿真平臺間就能通過HLA實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建出一個整體的仿真環(huán)境。
本發(fā)明工作時，在距離目標較遠時采用基于空中感知平臺雷達探測模塊進行點目標探測，如遇險船只等目標，此范圍地面指控中心平臺主要進行航跡層數(shù)據(jù)融合；在離目標較近時，由空中感知平臺啟動紅外探測模塊，探測目標的圖像，地面指控中心平臺進行目標的校準、識別與跟蹤等像目標層融合；當救援目標進入可視視距內(nèi)時，空中感知平臺進行雷達、紅外傳感器協(xié)同探測。在地面指控中心平臺級形成初步多源數(shù)據(jù)融合，對目標圖象識別與定位，并發(fā)指令跟蹤、救援等命令，由應(yīng)急處理平臺實現(xiàn)跟蹤、救援演示任務(wù)，顯示救援場景多目標跟蹤態(tài)勢。
本發(fā)明基于HLA的多平臺符合仿真系統(tǒng)發(fā)展方向，基于HLA的仿真系統(tǒng)易于
擴展與移植，具有靈活性、可擴展性、兼容性等優(yōu)良品質(zhì)，從而可以構(gòu)建更大規(guī)模的仿真系統(tǒng)；將網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)與分布式協(xié)同技術(shù)運用到公共安全事務(wù)演示系
統(tǒng)，突破了以往的規(guī)模限制、地域限制，從而可以實現(xiàn)多部門、多相關(guān)機構(gòu)間的有效協(xié)調(diào)演練，降低實際演習成本代價；將多傳感器信息融合技術(shù)運用于目標跟蹤與視景演示系統(tǒng)，克服了單一傳感器的不足，可以采集目標對象的多種信息，對目標對象進行全面立體感知，有效提高跟蹤效果，并增強視景演示的可視性。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于公共安全、救災(zāi)援助、事故搶險等各類民用系統(tǒng)中。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)總體框圖2是本發(fā)明的應(yīng)急處理平臺中飛機仿真模型的組成示意圖；圖3是本發(fā)明的應(yīng)急處理平臺中飛機仿真模型的解算過程；圖4是本發(fā)明的雷達探測模塊組成及功能實現(xiàn)示意圖5是本發(fā)明的地面指控中心平臺對雷達和紅外傳感器測量級融合跟蹤圖6是本發(fā)明的部分組成模塊信息交互圖7是本發(fā)明的空中感知平臺聯(lián)邦成員仿真流程圖8是本發(fā)明的空中感知平臺進行巡航時的仿真圖9是本發(fā)明的應(yīng)急處理平臺跟蹤目標的仿真圖10是本發(fā)明的地面指控中心平臺建立的多目標實時態(tài)勢仿真圖11是本發(fā)明的雷達探測模塊目標跟蹤仿真圖12是本發(fā)明的雷達探測模塊的雷達頻譜圖中，圖(a)為雷達頻譜的三維立體圖，圖(b)為雷達頻譜的俯視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例應(yīng)用于近海海難搜救，在天氣條件惡劣的情況下負責對遇險人員和船只進行緊急搜救。
如圖1所示，本實施例包括目標生成模塊、地面指控中心平臺、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺、HLA分布交互仿真模塊，其中
目標生成模塊隨機生成系統(tǒng)跟蹤目標，跟蹤目標為遇難船只或移動車輛等，該目標為空中感知平臺進行探測以及應(yīng)急處理平臺進行跟蹤救援的目標；
空中感知平臺接收到地面指控中心平臺的指令后進入飛行模擬狀態(tài)，飛向指定位置并開啟雷達探測模塊進行目標探測，空中感知平臺從數(shù)據(jù)庫讀取大氣模型參數(shù)和飛行控制數(shù)據(jù)，通過動力學(xué)解算得到各個時刻的瞬時位置信息和姿態(tài)信息實現(xiàn)飛行仿真，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到地面指控中心平臺、應(yīng)急處理平臺，同時雷達探測模塊根據(jù)設(shè)定參數(shù)對探測區(qū)域進行掃描并接收回波，對回波信號處理，發(fā)現(xiàn)并確定目標后，雷達探測模塊根據(jù)雷達回波強度及多譜勒頻移等數(shù)據(jù)進行處理，計算出目標位置及運動數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給地面指控中心，空中感知平臺利用地面指控中心平臺中的航跡跟蹤模塊進行目標跟蹤，當目標進入空中感知平臺可視范圍內(nèi)之后，空中感知平臺啟動紅外探測模塊進行目標跟蹤，紅外探測模塊從數(shù)據(jù)庫獲取大氣、溫度、天氣、目標材質(zhì)以及目標的方位姿態(tài)等信息，通過計算生成目標的紅外圖形信息，并將圖像信息發(fā)送給地面指控中心。
地面指控中心平臺接到目標生成模塊的求救信號后，隨即向空中感知平臺發(fā)布出發(fā)探測指令，并對空中感知平臺傳回的雷達及紅外圖像信息進行信息融合處理，采用分站測量與集中式融合方法進行信息融合處理，其中集中式融合是指將來自各個傳感器的測量組成一個新的測量值，然后應(yīng)用濾波算法估計目標狀態(tài)；分站測量融合是指由雷達、紅外都測量目標的方位角信息，首先進行方位角信息測量融合，然后與距離信息擴維后濾波，以降低測量維數(shù)。地面指控中心平臺中進行信息融合的數(shù)據(jù)為基于雷達和紅外目標跟蹤形成的局部航跡，完成航跡關(guān)聯(lián)融合，然后根據(jù)全局環(huán)境中空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺傳回的相關(guān)的數(shù)據(jù)，進行全局態(tài)勢評估，如圖5所示；地面指控中心平臺將所有平臺位置、速度等數(shù)據(jù)傳遞給航跡跟蹤模塊，航跡跟蹤模塊使用跟蹤算法計算生成應(yīng)急處理平臺的應(yīng)急路線和速度，并向應(yīng)急處理平臺發(fā)送命令交互信息，交互信息包括應(yīng)急目的地、優(yōu)化航路、目標任務(wù)等。
應(yīng)急處理平臺根據(jù)地面指控中心平臺的指揮，利用人機界面控制平臺按照地
12面指控中心的命令飛行，對目標進行跟蹤救援，同時即時繪制跟蹤目標的二維航 跡，給出應(yīng)急處理平臺小范圍內(nèi)的二維場景態(tài)勢，應(yīng)急處理平臺實現(xiàn)對目標跟蹤 后，向目標發(fā)送救援交互，實施救援操作，待救援目標發(fā)出成功救援交互后，應(yīng) 急處理平臺完成任務(wù)，應(yīng)急處理平臺完成任務(wù)后將處理結(jié)果發(fā)送給地面指控中心 平臺；
HLA分布交互仿真模塊將目標生成模塊、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺、地 面指控中心平臺通過分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建HLA分布式體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感器信息、預(yù) 警信息、災(zāi)情信息、現(xiàn)場環(huán)境信息、地形數(shù)據(jù)信息及中心指揮信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并 通過無線、有線局域網(wǎng)絡(luò)、制定安全的通訊協(xié)議、加密等方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的傳 輸，保證數(shù)據(jù)鏈通訊的可靠性與安全性。
各個平臺開始仿真后，每隔一個時間間隔向HLA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一次自身的狀 態(tài)屬性，以便對其感興趣的平臺獲得狀態(tài)數(shù)據(jù)，這個過程中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受 都是根據(jù)F0M表來進行的。
如圖2所示，所述應(yīng)急處理平臺，其仿真的空中飛行器包括操縱系統(tǒng)模型、 發(fā)動機系統(tǒng)模型、氣動參數(shù)模型、標準大氣模型、運動方程組模型，根據(jù)仿真目 標和現(xiàn)有的技術(shù)條件，對這幾個模型進行了適當?shù)暮喕丛谝韵聨讞l假定下建 立空中飛行器的運動方程
(a) "平面大地"假設(shè)即不考慮地球曲率和旋轉(zhuǎn)；
(b) "平靜大氣"假設(shè)即假定無風，但是在定義坐標系和運動變量時考慮 風的存在；
(c) 關(guān)于飛行平臺的假設(shè)飛行平臺具有縱對稱平面x-o-y，慣性積 /^=/2,=0;飛行平臺為剛體，質(zhì)量為常數(shù)。
如圖3所示，所述應(yīng)急處理平臺，其通過操作界面按鈕實現(xiàn)平臺人機交互操 控，應(yīng)急處理平臺接受輸入的操控數(shù)據(jù)，并根據(jù)操控數(shù)據(jù)進行動力學(xué)仿真模型解 算，具體如下根據(jù)空氣動力學(xué)、起落架狀態(tài)及發(fā)動機參數(shù)，由模型動力學(xué)方程 解算出模型的位置數(shù)據(jù)(高度、經(jīng)度和緯度)及模型的姿態(tài)數(shù)據(jù)(俯仰角、橫滾 角和航向角)，設(shè)定氣動系數(shù)，由空氣動力方程模型輸出氣動力矩和氣動力；將 氣動力矩、起落架數(shù)據(jù)和發(fā)動機輸出力矩作為輸入?yún)?shù)，解算出應(yīng)急處理平臺所 受力矩；根據(jù)力矩方程依次得到角加速度，由角加速度得到角速度，從而得到平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)(俯仰角、橫滾角和航向角)。將空氣動力輸出的氣動力、起落架 數(shù)據(jù)及發(fā)動機輸出的推力數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過計算得到平臺所受力，由此計 算得到平臺加速度，然后依次可得到平臺的速度；最后，根據(jù)平臺的運動參數(shù)， 計算得到平臺的位置數(shù)據(jù)(高度、經(jīng)度和緯度)。
所述目標生成模塊、地面指控中心平臺、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺，均 在本地計算機上為遠程平臺建立屬性表，遠程平臺發(fā)布的位置信息、毀傷狀態(tài)等 信息被保存在屬性表中，當本地平臺需要處理遠程平臺數(shù)據(jù)時，就直接從該屬性 表上取得數(shù)據(jù)，從而提高了仿真系統(tǒng)的性能。
如圖4所示，所述雷達探測模塊，包括雷達模擬模塊和雷達總控模塊，雷 達總控模塊作為雷達探測模塊的人機對話界面，并將人機交互數(shù)據(jù)出送給雷達模 擬模塊，雷達模擬模塊和雷達總控模塊之間通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)通訊，雷 達模擬模塊接收目標數(shù)據(jù)輸入進行模擬運算，采用交互式多模型(IMM)方法交 互完成濾波工作，并對目標運動狀態(tài)做出預(yù)測，用來控制雷達波束指向角，將回 波及信號處理的模擬結(jié)果輸出。
所述紅外探測模塊，從搭載平臺得到自身的位置和方向后，利用幾何流水線 中的光照、紋理和霧化等，以W/cm2/sr為單位計算出每個像素的輻射度并輸出 為圖像，紅外探測模塊的輻射度方程包含以下成分陽光的散射、月亮的反射、 鏡面反射、天空環(huán)境的反射、熱輻射、傳輸路徑的輻射和散射等，紅外探測模塊 所述采用的輻射度方程為
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其中~， ,為傳感器觀察窗口接收到的輻射亮度；4^,",為天空的輻射亮
度；A^,太陽或月亮的入射輻射亮度(根據(jù)仿真時間確定)；i^"為絕對黑體表
面輻射亮度；丄—為場景中心視線的大氣通路的輻射亮度；？;^是場景中心視線 的大氣通路的透過率；REF表面材質(zhì)的反射系數(shù)；cos(ang)表示太陽/月亮的入 射方位與物體表面法線之間夾角的余弦(小于0則設(shè)為0); frac為太陽/月亮的 入射輻射亮度被鏡面反射的比例；norm為鏡面標準化因數(shù)；fang是觀察方向與 鏡面反射方向角度。輻射度方程式一共分成五部分，分別表示的是從物體反射的環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光以及物體的自身的輻射和大氣的輻射。利用這個 輻射度方程，就可以基本實現(xiàn)對紅外場景的仿真。
所述空中感知平臺、地面指控中心平臺、應(yīng)急處理平臺其根據(jù)仿真任務(wù)需求， 規(guī)劃出整個仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦對象模型(FOM)，以提供聯(lián)邦成員間公共的、標準 化的格式進行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，聯(lián)邦對象模型描述了在仿真運行過程中將參與聯(lián) 邦成員信息交換的對象類、對象屬性、交互類、交互類參數(shù)的特性，每個平臺將 自己需要發(fā)布的對象屬性發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)F0M表，只有對該屬性感興趣的平 臺才會接受該數(shù)據(jù)；對于交互信息，發(fā)送平臺需要在交互參數(shù)中給出該交互的接 受對象，也就是該交互的作用對象，依據(jù)FOM表規(guī)范了各個平臺需要發(fā)布和接收 的數(shù)據(jù)，各個仿真平臺間就能通過HLA實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建出一個整體的仿真環(huán) 境。
如圖6所示，為實施例中部分組成平臺間信息流交互圖，空中感知平臺包含 多種探測設(shè)備將探測信息融合處理后，傳輸?shù)降孛嬷缚刂行钠脚_，地面指控中心 平臺綜合所有現(xiàn)場信息，評估整個現(xiàn)場態(tài)勢，即時做出應(yīng)急決策。應(yīng)急處理平臺 接收信息和指令，利用機載設(shè)備實現(xiàn)目標跟蹤。
本實施例中，各個組成平臺利用VR-Link作為各平臺交互和互聯(lián)通訊的基礎(chǔ) 平臺。同時，為了能夠直觀顯示仿真過程和結(jié)果，使用Vega軟件來實現(xiàn)虛擬現(xiàn) 實三維演示。系統(tǒng)使用VC++多線程編程開發(fā)聯(lián)邦成員，VR-Link線程實現(xiàn)聯(lián)邦成 員管理、模型仿真和通信；Vega線程通過VR-Link從網(wǎng)絡(luò)得到本地和遠程實體 運動數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型，實現(xiàn)仿真效果的三維視景、現(xiàn)場態(tài)勢演示；VC++ MFC 實現(xiàn)人機交互界面。圖7是空中感知平臺聯(lián)邦成員仿真流程圖，以此為例論述聯(lián) 邦成員開發(fā)流程，具體如下
VR-Link線程中，DtExerciseConn是聯(lián)邦成員與整個聯(lián)邦的接口類，聯(lián)邦成 員首先進行系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建并加入聯(lián)邦執(zhí)行，注冊空中感知平臺實例和回調(diào)函 數(shù)。仿真系統(tǒng)啟動后，聯(lián)邦成員通過它與聯(lián)邦中的其它成員進行通訊，函數(shù) DtExerciseConn::drainlnput()接收遠程聯(lián)邦成員發(fā)送的對象屬性更新和交互 參數(shù)等數(shù)據(jù)，DtExerciseConn: :sendStamped()實現(xiàn)帶有時間戳的交互類的發(fā)送。 VR-Link為每一個本地或遠程實體都提供一個狀態(tài)庫。本地實體的狀態(tài)通過與聯(lián) 邦的接口類DtEntityPublisher: :tick()發(fā)布到HLA網(wǎng)絡(luò)當中。當從HLA網(wǎng)絡(luò)中收到遠程實體狀態(tài)的時候，將其加入到遠程實體映射列表 DtReflectedEntityList中。當本地仿真程序需要使用遠程實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)時， 就可以從本地獲取，這樣可以大大加快仿真的速度。本地聯(lián)邦成員接收到遠程成 員發(fā)送的交互后，通過注冊的回調(diào)函數(shù)對其做出"反應(yīng)"?？罩懈兄脚_平臺不 斷接收交互信息來確定自身是否被敵機擊中，如果被擊中摧毀，則空中感知平臺 首先發(fā)送一個自身被摧毀的交互給其他平臺，然后空中感知平臺退出聯(lián)邦執(zhí)行， 結(jié)束仿真。如果空中感知平臺沒有被擊中，則不斷進行目標探測，如果發(fā)現(xiàn)目標， 則將目標信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。仿真過程中，空中感知平臺每一循環(huán)請求一次 時間推進，仿真沒有結(jié)束則不斷重復(fù)這一仿真過程知道仿真結(jié)束。
空中感知平臺聯(lián)邦成員的視景演示線程實現(xiàn)平臺三維演示。仿真開始后首 先初始化三維虛擬演示環(huán)境，進行特效初始化、加載場景配置文件，然后進入虛 擬現(xiàn)實幀循環(huán)。循環(huán)過程中，不斷從VR-Link現(xiàn)場獲得三維模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)和位 置數(shù)據(jù)等信息，通過不斷更新模型數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生三維模型在虛擬場景中的運動 效果。
本實施例的仿真演示過程可以分成如下三個階段，重點包括二維態(tài)勢標 繪、大范圍三維場景漫游與驅(qū)動、雷達界面實時顯示、多目標跟蹤與航跡融合效 果，具體如下
(1) 距離目標100km —20km采用基于空中感知平臺雷達探測模塊進行點目 標探測，如遇險船只等目標，此范圍地面指控中心平臺主要進行航跡層數(shù)據(jù)融合；
(2) 距離目標10km以內(nèi)由空中感知平臺啟動紅外探測模塊，探測目標的圖 像，地面指控中心平臺進行目標的校準、識別與跟蹤等像目標層融合；
(3) 當救援目標進入可視視距內(nèi)時，空中感知平臺進行雷達、紅外傳感器 協(xié)同探測。在地面指控中心平臺級形成初步多源數(shù)據(jù)融合，對目標圖象識別與定 位，并發(fā)指令跟蹤、救援等命令，實現(xiàn)演示任務(wù)，顯示救援場景多目標跟蹤態(tài)勢。
仿真結(jié)果
仿真測試數(shù)據(jù)Vega三維演示線程循環(huán)1000幀平均時間為34.3s，幀刷新 頻率約為30Hz;網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量平均11.4KB/s。通過仿真演練，本實施例能夠根 據(jù)設(shè)定的緊急事件順利進行，仿真同步性較好，網(wǎng)絡(luò)資源占用較少，三維演示自 然順暢達到很好的現(xiàn)場觀摩效果，系統(tǒng)設(shè)計基本符合技術(shù)要求。圖8 12是部分仿真截圖和界面。通過演示，能夠逼真地演示仿真效果，圖 8顯示空中感知平臺進行空中巡邏探測的仿真圖，圖9顯示應(yīng)急處理平臺接收指
令后進行目標跟蹤的仿真圖，圖io顯示了地面指控中心平臺所演示的虛擬環(huán)境
中的實時態(tài)勢圖。圖11顯示了雷達探測模塊對目標的跟蹤界面仿真圖，圖12 顯示對雷達接收信號的頻譜分析，通過仿真過程和結(jié)果演示，系統(tǒng)各平臺間信息 交互順暢，平臺間協(xié)作協(xié)調(diào)，作為一個整體系統(tǒng)實現(xiàn)了單個平臺不能實現(xiàn)的功能。
權(quán)利要求
1、一種多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括目標生成模塊、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺、地面指控中心平臺、HLA分布交互仿真模塊，其中目標生成模塊隨機生成系統(tǒng)跟蹤目標，該目標為空中感知平臺進行探測以及應(yīng)急處理平臺進行跟蹤救援的目標，目標生成模塊生成跟蹤目標后發(fā)送求救信息給地面指控中心平臺；空中感知平臺接收地面指控中心平臺發(fā)出的探測指令，使用雷達、紅外傳感器對目標的數(shù)據(jù)進行采集與處理，并將其獲得的探測數(shù)據(jù)和建立的小范圍態(tài)勢傳送到應(yīng)急處理平臺和地面指控中心平臺，并根據(jù)地面指控中心平臺的指控信號對目標進行跟蹤；應(yīng)急處理平臺對空中飛行器進行動力學(xué)仿真，控制仿真出的空中飛行器進行平臺操作與跟蹤模擬，根據(jù)地面指控中心平臺的指控信號調(diào)整自身的運行狀態(tài)和運行方向，實現(xiàn)對目標跟蹤，同時也將自身的位置及姿態(tài)信息發(fā)送給地面指控中心平臺和空中感知平臺，應(yīng)急處理平臺對目標實現(xiàn)跟蹤后，對目標實施救援操作，完成救援任務(wù)之后將處理結(jié)果發(fā)送給地面指控中心平臺；地面指控中心平臺接收到目標生成模塊發(fā)出的求救的信息，向空中感知平臺發(fā)出探測指令，并接收空中感知平臺上獲取的傳感器信息和現(xiàn)場環(huán)境信息，利用航跡跟蹤實現(xiàn)對目標進行跟蹤，并進行信息融合與數(shù)據(jù)處理，根據(jù)現(xiàn)場地理環(huán)境、裝備部署、雷達探測圖及應(yīng)急人員部署信息，進行全局態(tài)勢評估，自動產(chǎn)生空中感知平臺和應(yīng)急處理平臺的最優(yōu)飛行路徑，以及應(yīng)急處理平臺最佳應(yīng)急方案，利用應(yīng)急救援方案進行聯(lián)合模擬演示驗證；HLA分布交互仿真模塊將目標生成模塊、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺、地面指控中心平臺通過分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建HLA分布式體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感器信息、預(yù)警信息、災(zāi)情信息、現(xiàn)場環(huán)境信息、地形數(shù)據(jù)信息及中心指揮信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并通過無線、有線局域網(wǎng)絡(luò)、制定安全的通訊協(xié)議、加密方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述空中感知平臺，包括搭載模塊、雷達探測模塊、紅外探測模塊，其中搭載模塊裝載有雷達探測模塊和紅外探測模塊，當搭載平臺接收到地面指控 中心平臺的指令后進入飛行模擬狀態(tài)，飛向指定位置并開啟雷達探測模塊和紅外 探測模塊進行目標探測；雷達探測模塊負責仿真模擬雷達探測工作，接收雷達量測數(shù)據(jù)，根據(jù)目標的運動航跡和搭載平臺的初始運動參數(shù)，計算搭載平臺和目標的相對運動學(xué)參數(shù)；同時，根據(jù)設(shè)置的雷達基本參數(shù)，雷達基本參數(shù)包括發(fā)射功率、天線增益、重頻、天線掃描規(guī)律，對目標進行掃描，計算生成目標回波、雜波背景和干擾信號，雷達探測模塊利用回波掃描技術(shù)仿真雷達檢測目標過程，并根據(jù)多譜勒頻移信號特征提取目標的方位、距離、速度及角速度信息；最后，完成脈沖壓縮、動目標檢測與顯示、測角、解模糊的雷達信號處理功能，并將探測到的目標數(shù)據(jù)輸出給地面控制中心平臺；紅外探測模塊建立在Vega開發(fā)平臺基礎(chǔ)上進行功能開發(fā)，仿真出對目標探測生成的紅外圖像，并將該圖像傳送給地面指控中心平臺進行數(shù)據(jù)融合處理。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述雷達探測模塊，包括雷達模擬模塊和雷達總控模塊，雷達總控模塊作為雷 達探測模塊的人機對話界面，并將人機交互數(shù)據(jù)出送給雷達模擬模塊，雷達模擬 模塊和雷達總控模塊之間通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)通訊，雷達模擬模塊接收目 標數(shù)據(jù)輸入進行模擬運算，采用交互式多模型方法交互完成濾波工作，并對目標 運動狀態(tài)做出預(yù)測，用來控制雷達波束指向角，將回波及信號處理的模擬結(jié)果輸 出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述紅外探測模塊，其生成從可見光到遠紅外間各個波段的仿真圖像，用來進行 紅外傳感器的實時仿真，紅外探測模塊工作前必須對參數(shù)進行設(shè)置，包括場景中 物體表面紋理的材質(zhì)屬性、大氣數(shù)據(jù)庫、紅外光譜特性。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特 征是，所述紅外探測模塊，從搭載平臺得到自身的位置和方向后，利用幾何流水 線中的光照、紋理和霧化，以W/cm2/sr為單位計算出每個像素的輻射度并輸出 為圖像，紅外探測模塊的輻射度由下列因素確定陽光的散射、月亮的反射、鏡 面反射、天空環(huán)境的反射、熱輻射、傳輸路徑的輻射和散射。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述地面指控中心平臺，其根據(jù)空中感知平臺傳回的雷達及紅外圖像信息進行信 息融合處理，采用分站測量與集中式融合方法進行信息融合處理，其中集中式融 合是指將來自各個傳感器的測量組成一個新的測量值，然后應(yīng)用濾波算法估計目 標狀態(tài)；分站測量融合是指由雷達、紅外都測量目標的方位角信息，首先進行方 位角信息測量融合，然后與距離信息擴維后濾波，以降低測量維數(shù)，地面指控中 心平臺中進行信息融合的數(shù)據(jù)為基于雷達和紅外目標跟蹤形成的局部航跡，完成 航跡關(guān)聯(lián)融合，然后根據(jù)全局環(huán)境中空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺傳回的相關(guān)的 數(shù)據(jù)，進行全局態(tài)勢評估；地面指控中心平臺將所有平臺位置、速度數(shù)據(jù)傳遞給 航跡跟蹤模塊，航跡跟蹤模塊使用跟蹤算法計算生成應(yīng)急處理平臺的應(yīng)急路線和 速度，并向應(yīng)急處理平臺發(fā)送命令交互信息，交互信息包括應(yīng)急目的地、優(yōu)化航 路、目標任務(wù)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特 征是，所述地面指控中心平臺，其核心模塊為航跡跟蹤模塊，航跡跟蹤模塊采用 Singer模型對目標的航跡跟蹤，Singer模型是一種全局統(tǒng)計模型，是一種適合 多種機動目標類型的模型，并且Singer模型用有色噪聲描述目標的機動加速度， 根據(jù)需要跟蹤機動程度的不同設(shè)定不同的參數(shù)，航跡跟蹤模塊采用的一步穩(wěn)態(tài)外 推預(yù)測與JPDA-I麗兩個方法對具有Singer模型機動的目標進行跟蹤演示，其中， 對于簡單的單目標跟蹤，航跡跟蹤模塊采用一步狀態(tài)預(yù)測穩(wěn)態(tài)濾波器方法，進行 航跡跟蹤；對于多目標航跡融合，采用JPDA方法和I應(yīng)方法相結(jié)合，JPDA方法 用于雷達量測與航跡進行關(guān)聯(lián)，包括確認矩陣、可行事件、互聯(lián)概率的計算，I麗 方法通過多模型交互完成濾波工作，并對目標運動狀態(tài)做出預(yù)測。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述HLA分布交互仿真模塊，其采用基于HLA的分布交互的虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)， 將各個系統(tǒng)仿真平臺通過RTI協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，采用HLA分布式體系結(jié)構(gòu)，將 空中感知平臺、地面指控中心平臺及應(yīng)急處理平臺通過分布式網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器 信息、預(yù)警信息、災(zāi)情信息、現(xiàn)場環(huán)境信息、地形數(shù)據(jù)信息及中心指揮信息網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián)，并通過無線、有線局域網(wǎng)絡(luò)、制定安全的通訊協(xié)議、加密方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信 息的傳輸，保證數(shù)據(jù)鏈通訊的可靠性與安全性。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述目標生成模塊、地面指控中心平臺、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺，均在本 地計算機上為遠程平臺建立屬性表，遠程平臺發(fā)布的位置信息、毀傷狀態(tài)信息被 保存在屬性表中，當本地平臺需要處理遠程平臺數(shù)據(jù)時，就直接從該屬性表上取 得數(shù)據(jù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，其特 征是，所述空中感知平臺、地面指控中心平臺、應(yīng)急處理平臺其根據(jù)仿真任務(wù)需 求，規(guī)劃出整個仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦對象模型，以提供聯(lián)邦成員間公共的、標準化的 格式進行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，聯(lián)邦對象模型描述了在仿真運行過程中將參與聯(lián)邦成 員信息交換的對象類、對象屬性、交互類、交互類參數(shù)的特性，每個平臺將自己 需要發(fā)布的對象屬性發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)聯(lián)邦對象模型表，只有對該屬性感興趣 的平臺才會接受該數(shù)據(jù)；對于交互信息，發(fā)送平臺需要在交互參數(shù)中給出該交互 的接受對象，也就是該交互的作用對象，依據(jù)聯(lián)邦對象模型表規(guī)范了各個平臺需 要發(fā)布和接收的數(shù)據(jù)，各個仿真平臺間就能通過HLA實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建出一個 整體的仿真環(huán)境。
全文摘要
一種仿真技術(shù)領(lǐng)域的多平臺目標跟蹤與分布交互仿真系統(tǒng)，包括目標生成模塊、空中感知平臺、應(yīng)急處理平臺、地面指控中心平臺、HLA分布交互仿真模塊，其中目標生成模塊隨機生成系統(tǒng)跟蹤目標；空中感知平臺包含多種探測設(shè)備將探測信息融合處理后，傳輸?shù)降孛嬷缚刂行钠脚_；地面指控中心平臺綜合所有現(xiàn)場信息，評估整個現(xiàn)場態(tài)勢，即時做出應(yīng)急決策；應(yīng)急處理平臺接收信息和指令，利用機載設(shè)備實現(xiàn)目標跟蹤；HLA分布交互仿真模塊將上述模塊通過分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建HLA分布式體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。本發(fā)明具有靈活性、可擴展性，能夠提高跟蹤效果，并增強視景演示的可視性，可以廣泛應(yīng)用于公共安全、救災(zāi)援助等領(lǐng)域。
文檔編號G09B9/00GK101465071SQ20091004500
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者劉世前, 敬忠良, 亮 朱, 王須剛, 胡士強 申請人:上海交通大學(xué)