一种导航雷达的多天线目标融合方法

技术领域

本发明属于船舶导航领域，具体涉及一种导航雷达的多天线目标融合方法。

背景技术

船舶综合导航系统(INS)，是由多个工作站组成，每个工作站都可向用户提供雷达、电子海图、导航和综合显示系统等，并且可以相互切换。船舶综合导航系统中的雷达，主要功能是基于雷达回波数据、AIS数据和传感器数据提供避碰任务。一条船上通常安装X波段和S波段两部导航雷达，分别针对近距离和远距离提供目标识别以及目标跟踪的功能，为航海人员在各种复杂场景下的避碰任务作保障。

船舶自动识别系统(AIS)是一种应用于船和岸、船和船之间的海事安全与通信的助航系统。能够自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息。是不用雷达探测也能获得交通信息的有效手段，可以有效减少船舶碰撞事故。

自动雷达标绘仪(ARPA)是通过目标捕获算法和目标跟踪算法，对雷达探测的原始回波数据进行处理，获得目标的位置、航向、航速等信息。X波段雷达和S波段雷达可以通过ARPA功能跟踪各自捕获到的目标，在两个雷达共享ARPA目标数据的情况下，具备相近位置、航向、航速的目标，可以认为是同一个目标。同时雷达也可以叠加显示AIS目标的信息，在ARPA目标和AIS目标具有相近的位置、航向、航速时，可以认为两个目标为同一条船舶。

由于AIS数据具有滞后性，且有的小船不安装AIS设备，具体表现在导航雷达中为：AIS目标相对雷达回波有位置偏差、雷达识别到移动的小目标没有AIS数据。并且不同波段雷达对目标的探测性能不同，捕获到的ARPA目标也不尽一致。各种不同来源目标数据的差异性，会给船舶航行带来一定的安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种导航雷达的多天线目标融合方法，能够将多天线、多工作台、多种来源的目标数据进行融合，提高目标信息的准确性，并同步到INS系统的每个工作台，保持系统中目标数据的一致性，减少目标冗余，提高观测目标的清晰度，保障航行安全。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种导航雷达的多天线目标融合方法，包括INS系统和AIS设备，所述AIS设备与INS系统相连接，所述INS系统包括工作台和若干雷达，所述工作台包括1台主控工作台和若干普通工作台，该方法包括以下步骤：

S1.通过若干雷达分别捕获ARPA目标，通过AIS设备分别接收AIS目标；

S2.所述雷达将捕获的ARPA目标数据信息发送至INS系统，所述AIS设备将捕获的AIS目标数据信息发送至INS系统；

S3.INS系统通过主控工作台将接收的ARPA目标数据信息和AIS目标数据信息进行融合操作；

S4.融合完成后，主控工作台将融合目标数据信息分发同步到所有普通工作台；

S5.所有普通工作台根据接收的融合目标数据信息更新并显示融合目标状态。

进一步地，所述工作台用于接收雷达捕获的ARPA目标数据信息，其中主控工作台还用于接收普通工作台传输至的ARPA目标数据信息并对ARPA目标数据信息和AIS目标数据信息融合。

进一步地，当所述主控工作台出现故障时，其中一个普通工作台成为新的主控工作台。

进一步地，所述ARPA目标的来源包括不同雷达不同工作台捕获的ARPA目标、同一雷达不同工作台捕获的ARPA目标、不同雷达同一工作台捕获的ARPA目标。

进一步地，在步骤S3中，融合操作的方法包括以下步骤：

S31.当所述1NS系统接收的ARPA目标和AIS目标具备多种来源目标数据的情况下，主控工作台进行目标融合操作，开始目标融合匹配模块；

S32.设置融合匹配参数，参数包括距离融合阈值R

S33.遍历所有目标，遍历目标包括同源目标和非同源目标，所述同源目标指同为AIS目标或者在同一台工作台的同一雷达所捕获的ARPA目标，对AIS目标和ARPA目标分别做融合处理；

S34.输出融合目标；

S35.遍历目标结束。

进一步地，在步骤S33中，如果遍历目标是AIS目标且该目标已经是融合目标，则将该融合目标的名称设置为该AIS目标名称；如果遍历目标是AIS目标且该目标不是融合目标，则以此AIS目标创建一个新融合目标，新融合目标的名称以此AIS目标的名称命名。

进一步地，在步骤S33中，如果遍历目标为ARPA目标，判断其是否为融合目标，并查找该目标是否可以与其他融合目标进行融合。

进一步地，如果ARPA目标是融合目标且可以与其他融合目标相融合，判断两个融合目标是否可以合并，若可以合并，则将两个融合目标合并；若不可以合并，根据该ARPA目标与两融合目标的匹配度，该ARPA目标保留在高匹配度的融合目标中，并将该ARPA目标从低匹配度的融合目标中剥离。

进一步地，如果ARPA目标是融合目标且不可以与其他融合目标相融合，判断该融合目标是否存在不满足融合策略的情况，若是，将不满足融合策略的目标从融合目标中剥离；若否，融合匹配次数加一。

进一步地，如果ARPA目标不是融合目标，且可以与其他融合目标进行融合，将该ARPA目标做加入到融合目标的操作。

进一步地，如果加入的融合目标中包含该ARPA目标的同源目标，比较该ARPA目标与其同源目标在该融合目标中的匹配度，若该ARPA目标的匹配度更高，则将其替换掉其同源目标，若该ARPA目标的同源目标匹配度更高，则以该ARPA目标创建一个新的融合目标；如果加入的融合目标中不包含该ARPA目标的同源目标，则将该ARPA目标加入到该融合目标中。

进一步地，替换掉其同源目标的方法为，先将低匹配度的ARPA目标从融合目标中剥离，然后将高匹配度的ARPA目标加入到该融合目标中。

进一步地，对被剥离的ARPA目标执行融合目标判定。

进一步地，判断匹配度高低的方法包括：根据以下公式计算融合目标系数P，

其中，R

当目标大小影响方位融合策略时K

进一步地，如果ARPA目标既不是融合目标，也未有可以融合的其他融合目标，则以此ARPA目标创建一个新融合目标。

进一步地，R

进一步地，融合目标包含1个目标或两个以上的非同源目标。

进一步地，在步骤S33中，在融合处理之前需要判断两个目标是否满足融合策略，判断过程如下：若两个目标是同源目标，则不符合融合条件；若两个目标是非同源目标，则计算两个目标的大小、距离本船方位、距离和速度差，当速度矢量无效或ARPA目标处于捕获状态时则符合融合条件，否则不符合融合条件。

进一步地，当两个目标是非同源目标时，计算过程包括以下步骤：

S331.比较目标A和目标B的目标尺寸并取两个目标的目标尺寸较大值S

S332.由公式R

S333.由公式R

S334.判断目标A与目标B是否仅位置融合，当速度矢量无效或ARPA目标处于捕获状态时，结果为真，满足融合策略，执行步骤S336；否则，结果为假，执行步骤S335；

S335.由公式

S336.由公式N

进一步地，完成所有目标遍历融合操作后，此时所有目标全部转化为融合目标或融合目标的一个子项，形成融合目标的结果集，主控工作台将融合目标的结果集分发到其他工作台并同步融合目标状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、将INS系统中多种来源的目标进行融合处理，有效的提高了目标信息数据的准确性和一致性。

2、对不同雷达捕获的目标和AIS目标融合，降低了整个系统中相近的不同来源目标的冗余性，对目标的观测更加清晰明了。

3、本发明有效的弥补了不同雷达盲区对目标跟踪造成的影响，同时也降低了部分船舶AIS数据不准确或者小船没有安装AIS设备时AIS目标的缺失造成的风险。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例中目标融合操作的流程图；

图3为本发明实施例中目标融合匹配规则的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

一种导航雷达的多天线目标融合方法，包括INS系统和AIS设备，所述AIS设备与INS系统相连接，所述INS系统包括工作台和若干雷达，所述工作台包括1台主控工作台和若干普通工作台，该方法包括以下步骤：

S1.通过若干雷达分别捕获ARPA目标，通过AIS设备分别接收AIS目标；

S2.所述雷达将捕获的ARPA目标数据信息发送至INS系统，所述AIS设备将捕获的AIS目标数据信息发送至INS系统；

S3.INS系统通过主控工作台将接收的ARPA目标数据信息和AIS目标数据信息进行融合操作；

S4.融合完成后，主控工作台将融合目标数据信息分发同步到所有普通工作台；

S5.所有普通工作台根据接收的融合目标数据信息更新并显示融合目标状态。

进一步地，所述工作台用于接收雷达捕获的ARPA目标数据信息，其中主控工作台还用于接收普通工作台传输至的ARPA目标数据信息并对ARPA目标数据信息和AIS目标数据信息融合。

进一步地，当所述主控工作台出现故障时，其中一个普通工作台成为新的主控工作台。

进一步地，所述ARPA目标的来源包括不同雷达不同工作台捕获的ARPA目标、同一雷达不同工作台捕获的ARPA目标、不同雷达同一工作台捕获的ARPA目标。

进一步地，在步骤S3中，融合操作的方法包括以下步骤：

S31.当所述INS系统接收的ARPA目标和AIS目标具备多种来源目标数据的情况下，主控工作台进行目标融合操作，开始目标融合匹配模块；

S32.设置融合匹配参数，参数包括距离融合阈值R

S33.遍历所有目标，遍历目标包括同源目标和非同源目标，所述同源目标指同为AIS目标或者在同一台工作台的同一雷达所捕获的ARPA目标，对AIS目标和ARPA目标分别做融合处理；

S34.输出融合目标；

S35.遍历目标结束。

进一步地，在步骤S33中，如果遍历目标是AIS目标且该目标已经是融合目标，则将该融合目标的名称设置为该AIS目标名称；如果遍历目标是AIS目标且该目标不是融合目标，则以此AIS目标创建一个新融合目标，新融合目标的名称以此AIS目标的名称命名。

进一步地，在步骤S33中，如果遍历目标为ARPA目标，判断其是否为融合目标，并查找该目标是否可以与其他融合目标进行融合。

进一步地，如果ARPA目标是融合目标且可以与其他融合目标相融合，判断两个融合目标是否可以合并，若可以合并，则将两个融合目标合并；若不可以合并，根据该ARPA目标与两融合目标的匹配度，该ARPA目标保留在高匹配度的融合目标中，并将该ARPA目标从低匹配度的融合目标中剥离。

进一步地，如果ARPA目标是融合目标且不可以与其他融合目标相融合，判断该融合目标是否存在不满足融合策略的情况，若是，将不满足融合策略的目标从融合目标中剥离；若否，融合匹配次数加一。

进一步地，如果ARPA目标不是融合目标，且可以与其他融合目标进行融合，将该ARPA目标做加入到融合目标的操作。

进一步地，如果加入的融合目标中包含该ARPA目标的同源目标，比较该ARPA目标与其同源目标在该融合目标中的匹配度，若该ARPA目标的匹配度更高，则将其替换掉其同源目标，若该ARPA目标的同源目标匹配度更高，则以该ARPA目标创建一个新的融合目标；如果加入的融合目标中不包含该ARPA目标的同源目标，则将该ARPA目标加入到该融合目标中。

进一步地，替换掉其同源目标的方法为，先将低匹配度的ARPA目标从融合目标中剥离，然后将高匹配度的ARPA目标加入到该融合目标中。

进一步地，对被剥离的ARPA目标执行融合目标判定。

进一步地，判断匹配度高低的方法包括：根据以下公式计算融合目标系数P，

其中，R

当目标大小影响方位融合策略时K

进一步地，如果ARPA目标既不是融合目标，也未有可以融合的其他融合目标，则以此ARPA目标创建一个新融合目标。

进一步地，R

进一步地，融合目标包含1个目标或两个以上的非同源目标。

进一步地，在步骤S33中，在融合处理之前需要判断两个目标是否满足融合策略，判断过程如下：若两个目标是同源目标，则不符合融合条件；若两个目标是非同源目标，则计算两个目标的大小、距离本船方位、距离和速度差，当速度矢量无效或ARPA目标处于捕获状态时则符合融合条件，否则满足融合策略。

进一步地，当两个目标是非同源目标时，计算过程包括以下步骤：

S331.比较目标A和目标B的目标尺寸并取两个目标的目标尺寸较大值S

S332.由公式R

S333.由公式R

S334.判断目标A与目标B是否仅位置融合，当速度矢量无效或ARPA目标处于捕获状态时，结果为真，满足融合策略，执行步骤S336；否则，结果为假，执行步骤S335；

S335.由公式

S336.由公式N

进一步地，完成所有目标遍历融合操作后，此时所有目标全部转化为融合目标或融合目标的一个子项，形成融合目标的结果集，主控工作台将融合目标的结果集分发到其他工作台并同步融合目标状态。

如图1-图3所示，本发明一种导航雷达的多天线目标融合方法的一个实施例，基于对多源目标的融合技术，实现多天线目标融合功能，包括如下步骤：

第一步，n台雷达分别捕获ARPA目标；

第二步，雷达向INS系统中发送ARPA目标数据信息；

第三步，m台工作台通过仲裁竞选出主控工作台；

第四步，主控工作台将所有ARPA目标和AIS目标进行融合操作，其执行过程包括如下步骤：

(41)接收所有雷达ARPA目标数据和AIS数据，当同时具备多种来源目标数据的情况下，开始目标融合匹配模块；

(42)设置融合匹配参数R

(43)遍历所有目标；

(44)判断目标是否为融合目标，是，执行步骤(45)，否，执行步骤(46)；

(45)判断目标是否为AIS目标，是，将融合目标的名称设置为AIS目标名称，此目标融合结束，输出融合目标，否，执行步骤(471)；

(46)判断目标是否为AIS目标，是，创建一个新融合目标并输出，此次融合匹配结束，否，执行步骤(471)；

(471)此目标为ARPA目标，和其他融合目标进行融合；

(472)遍历融合目标的所有包含目标；

(473)判断两个目标是否是为同源目标，是，不满足融合策略，两个目标未融合，融合操作结束，否，执行步骤(474)；

(474)由公式S

(475)根据公式

(476)由公式θ＞A

(477)由公式R

(478)由公式R

(479)由公式R

(4710)由公式R

(4711)两个目标是否仅位置融合(速度矢量无效或者ARPA目标处于捕获状态中)，是，满足融合策略，执行步骤(4714)，否，执行步骤(4712)；

(4712)由公式

(4713)由公式V

(4714)由公式N

(48)此目标为ARPA目标，判断其是否和其他融合目标满足融合规则，是，执行步骤(49)，否，执行步骤(411)；

(49)ARPA目标既为融合目标，也可以和其他融合目标进行融合，判断这两个融合目标是否可以融合为一个融合目标，是，两个融合目标合并，否，保留融合匹配度高的融合目标，从融合匹配度低的融合目标中将此ARPA目标删除，此次融合匹配结束；

(410)ARPA目标是否可以和其他目标融合，是，执行步骤(412)，否，则创建一个新融合目标并输出，此次融合匹配结束；

(411)对融合目标按照融合规则进行检测，判断是否存在不满足融合规则的目标，是，将其从融合目标中剥离，输出融合目标，此次融合匹配结束，否，则此次融合匹配结束；

(412)融合目标中是否包含和此ARPA目标来自同源的ARPA目标，是，执行步骤(413)，否，则将ARPA目标加入到融合目标中，此次融合匹配结束；

(413)此ARPA目标是否可以将融合目标中来自同源的ARPA目标替换掉，是，从融合目标中将同源的ARPA目标剥离，将此ARPA目标加入到融合目标中，此次融合匹配结束，否，则创建一个新融合目标，输出融合目标，此次融合匹配结束；

(414)本次数据处理结束，输出融合目标；

(415)遍历所有目标结束；

第五步，主控工作台将融合目标分发同步到其他工作台；

第六步，所有工作台更新目标融合状态。

作为优选，本实施例中所述融合匹配阈值的设置依托于经验数据库，根据目标的速度以及位置，选取合适的阈值，所述R

譬如，一般而言，工作台兼有雷达功能，三个工作台全部切换到雷达界面，工作台一观察S波段雷达，工作二和工作台三观察X波段雷达，工作台一和工作台二分别捕获一个ARPA目标，工作台三捕获两个ARPA目标，同时，系统中还接受到两个AIS目标。遍历所有目标，分别进行融合匹配，满足融合条件，融合为一个融合目标，否则，目标不融合。

例如：ARPA目标1参数：工作台一捕获，距离本船4NM，方位90.5度，速度5kn，稳定跟踪状态；

ARPA目标2参数：工作台二捕获，距离本船3NM，方位10度，速度10kn，稳定跟踪状态；

ARPA目标3参数：工作台三捕获，距离本船4NM，方位89.8度，速度5.3kn，稳定跟踪状态；

ARPA目标4参数：工作台三捕获，距离本船4NM，方位91.4度，速度4.3kn，捕获状态；

AIS目标1参数：距离本船4NM，方位90.6度，速度5.1kn；

AIS目标2参数：距离本船3NM，方位10.1度，速度10.1kn；

1.每个工作台都在向INS系统中发送ARPA目标数据；

2.三个工作台通过竞选决策出一个主控工作台，其竞选规则为常规技术手段，可以选用CPU使用情况、内存占用率等参数作为参考标准，由主控来完成目标融合操作；

3.第一次遍历时，将ARPA目标1新建为融合目标1，加入融合目标列表；ARPA目标2和融合目标进行融合匹配比较，不满足匹配策略，新建为融合目标2；ARPA目标3与融合目标1的角度差、方位差、速度差都满足融合条件，且目标距离本船距离足够远，目标大小对融合没有影响，都处于稳定跟踪状态，满足融合策略次数加一，不满足融合前匹配次数，暂未融合，新建为融合目标3；同理，ARPA目标4、AIS目标A和AIS目标2分别新建为融合目标4、融合目标5和融合目标6；

4.主控工作台将6个融合目标分发到其他工作台；

5.目标融合操作执行六次；

6.第六次遍历时，融合目标1和融合目标3以及融合目标5满足融合前匹配次数条件，合并为同一个融合目标5，同时移除融合目标A和融合目标3；融合目标2和融合目标6满足融合条件，合并为融合目标6，删除融合目标B；融合目标4为捕获状态，融合判断时无需满足速度匹配策略，经融合判断，其与融合目标5满足融合条件，但是融合目标5中所包含的ARPA目标3和其为同源目标，且ARPA目标3比ARPA目标4相对与AIS目标A的匹配度更高，故而融合目标4和融合目标5不融合；

7.经过多次融合，最终得出的融合目标有3个，分别为融合目标4、融合目标5、融合目标6，其中融合目标4包含ARPA目标4，融合目标5包含ARPA目标1、ARPA目标3和AIS目标1，融合目标6包含ARPA目标2和AIS目标2；

8.主控工作台将3个融合目标分发到其他工作台；

9.所有工作台更新显示为3个融合目标。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。