一种基于多维指标融合的二次雷达航迹质量评价方法及装置与流程

本发明涉及雷达质量评价，具体涉及一种基于多维指标融合的二次雷达航迹质量评价方法及装置。

背景技术：

1、二次雷达航迹质量是评价二次雷达系统运行状态和目标跟踪性能的重要指标之一。为了对航迹质量进行客观评价，国内外围绕航迹质量构建了不同的评价方法。目前，主要通过航迹质量参数和雷达性能分析两种方式开展航迹质量评价。其中，eurocontrol制定的asterix cat048标准采用位置标准差和速度标准差定义航迹质量，用于描述航迹位置和速度估计误差；intersoft electronics公司开发的rass工具则通过探测概率、定位精度等性能指标，对雷达航迹质量进行分析和评价。

2、现有评价方法普遍缺乏多维指标融合机制，采用单一质量参数或离散状态对航迹进行评价，难以将多项质量指标融合形成统一的航迹质量评分，无法实现不同航迹之间以及不同时间段航迹质量的量化比较，不利于对航迹质量进行客观、全面和一致的评价。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于多维指标融合的二次雷达航迹质量评价方法及装置，解决了现有技术中的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种基于多维指标融合的二次雷达航迹质量评价方法，包括：

4、获取待评价航迹在多个雷达扫描周期内的航迹数据，所述航迹数据包括目标航迹各扫描周期的卡尔曼滤波状态估计值、预测状态值、与所述目标航迹相关联的点迹观测值、量测残差及其协方差矩阵、点航迹相关标志变量以及航迹生命周期状态，所述航迹生命周期状态包括起始、更新、外推和终止；

5、根据所述航迹数据计算多个评价指标，所述评价指标包括用于表征航迹在时间维度上不中断程度的连续性指标、用于表征航迹估计值平滑程度的航迹稳定性指标、用于量化航迹与合理目标运动模式符合程度的航迹几何一致性指标、用于表征航迹残差异常程度的航迹残差指标、用于量化在相关门限内存在候选点迹的前提下成功相关比例的相关成功率指标、用于反映雷达站健康状态对航迹数据质量影响的数据源可信度指标、用于量化航迹的运动行为与民航目标运动行为匹配程度的行为合理性指标、用于量化航迹所含信息项的种类是否完备的完整性指标、以及用于量化航迹自起始至当前时刻可信程度的航迹成熟度指标；

6、根据各评价指标进行归一化处理，得到各评价指标对应的归一化指标值；

7、获取各评价指标的主观权重和客观权重，将主观权重与客观权重进行混合赋权，得到各评价指标对应的混合权重；

8、根据各评价指标对应的归一化指标值和混合权重进行加权求和，得到航迹质量综合评分、以及根据所述航迹质量综合评分得到的航迹质量等级。

9、优选地，所述连续性指标的计算步骤包括：

10、在预设的滑动窗口内，计算有效点迹与航迹相关的比率：

11、；

12、其中为滑动窗口的长度，为当前扫描周期序号，为第个扫描周期的点航迹相关标志变量，表示相关成功，表示未相关；

13、若所述滑动窗口内出现连续外推次数达到预设的最大连续外推次数；

14、则根据所述比率、所述最大连续外推次数和所述滑动窗口长度计算所述连续性指标：

15、，

16、其中为惩罚强度系数，为所述最大连续外推次数。

17、优选地，所述航迹稳定性指标的计算步骤包括：

18、在滑动窗口内相邻扫描周期之间的位置状态估计值之差，计算位置变化量的均方根：

19、；

20、；

21、；

22、其中为第个扫描周期相对于第个扫描周期的位置估计变化量，为滑动窗口内各相邻扫描周期位移向量的平均值，、为所述卡尔曼滤波状态估计值中第个扫描周期输出的位置状态估计，、为所述卡尔曼滤波状态估计值中第个扫描周期输出的位置状态估计；

23、根据滑动窗口内相邻扫描周期之间的速度状态估计值之差，计算速度变化量的均方根：

24、；

25、；

26、其中为第个扫描周期相对于第个扫描周期的速度估计变化量，、为所述卡尔曼滤波状态估计值中第个扫描周期在x-y平面输出的速度状态估计，、为所述卡尔曼滤波状态估计值中第个扫描周期在x-y平面输出的速度状态估计；

27、根据所述位置变化量的均方根、所述速度变化量的均方根和预设的归一化参考值，得到航迹稳定性指标：

28、；

29、其中，和为归一化参考值，和为权重。

30、优选地，所述航迹几何一致性指标由速度合理性、加速度合理性和转弯速率合理性相乘得到：

31、；

32、其中，所述速度合理性为：

33、；

34、其中为所述卡尔曼滤波状态估计值中第个扫描周期的速度状态估计，和分别为预设的最小合理速度值和最大合理速度值；

35、所述加速度合理性为：

36、；

37、其中为第个扫描周期的加速度状态估计，为预设的最大合理加速度值；

38、所述转弯速率合理性为：

39、；

40、其中为第个扫描周期相对于第个扫描周期的航向角变化量，为雷达扫描周期，为预设的最大合理转弯速率。

41、优选地，所述残差指标的计算步骤包括：

42、根据目标航迹各扫描周期的量测残差及其协方差矩阵，计算单周期归一化新息平方：

43、；

44、其中为第个扫描周期的量测残差，为第个周期的量测残差协方差矩阵；

45、根据滑动窗口内各扫描周期的所述单周期归一化新息平方，计算窗口内仅包含相关成功周期的nis均值：

46、；

47、其中为滑动窗口内相关成功的周期集合；

48、根据所述nis均值与量测维数，得到航迹残差指标：

49、；

50、其中为量测维数。

51、优选地，所述相关成功率指标为：

52、；

53、其中为窗口内成功相关的周期数，为相关门限内有候选点迹但相关失败的周期数。

54、优选地，所述数据源可信度指标为：

55、；

56、其中为预设的映射函数，用于将雷达站的bit状态和通道校准状态的组合转化为区间的连续可信度值，为bit状态，包括正常、非关键模块告警和关键模块告警，为通道校准状态，包括有效和无效。

57、优选地，所述行为合理性指标由高度剖面合理性、航路符合度和机动特性符合度相乘得到：

58、；

59、其中，所述高度剖面合理性为：

60、；

61、其中为所述目标航迹的气压高度，由c模式或者uf4询问得到，为第个周期基于目标飞行阶段预测的期望高度，为高度容差范围，若，则令为0；

62、所述航路符合度为：

63、；

64、其中为目标当前位置到其最接近的航路的垂直侧向距离，对于未关联航路的目标，默认取1.0；为衰减系数；

65、所述机动特性符合度为：

66、；

67、；

68、其中为观测时间窗口内航向角累积的绝对值变化量，为第个扫描周期相对于第个扫描周期的航向角变化量，为观测的时间长度，为预设的典型转弯速率。

69、优选地，所述完整性指标的计算步骤包括：

70、根据当前扫描周期收到的应答中a代码的有效性判定结果得到a代码有效性标志；

71、根据当前扫描周期收到的mode c应答中气压高度的有效性判定结果得到气压高度有效性标志；

72、根据当前扫描周期从s模式应答中速度信息的有效性判定结果得到速度有效性标志；

73、根据当前扫描周期从s模式应答中航向信息的有效性判定结果得到航向有效性标志；

74、根据当前扫描周期从s模式应答中航空器识别信息的有效性判定结果得到识别信息有效性标志；

75、根据各有效性标志及其对应的预设权重进行加权求和，得到航迹完整性指标：

76、；

77、其中，、、、、为各有效性标志的预设权重。

78、优选地，成熟度指标由时间成熟度和确认成熟度相乘得到：

79、；

80、其中，时间成熟度为：

81、；

82、；

83、其中为航迹自首次建立至当前评估时刻的存活时长，为航迹建立至当前的累计扫描周期数；为成熟度时间常数；

84、确认成熟度为：

85、；

86、其中为航迹处于更新状态期间获得有效点迹相关的累计周期数，为航迹自起始以来获得有效点迹相关的总周期数。

87、优选地，所述根据各评价指标进行归一化处理，得到各评价指标对应的归一化指标值，满足：

88、；

89、其中为第个指标在第个扫描周期的指标值，为第个指标的预设饱和上限值。

90、优选地，所述获取各评价指标的主观权重和客观权重，将主观权重与客观权重进行混合赋权，得到各评价指标对应的混合权重，包括：

91、根据各评价指标之间的相对重要程度，采用层次分析法构造九阶判断矩阵；

92、对所述九阶判断矩阵进行特征值分解，提取最大特征值对应的特征向量，并将所述特征向量归一化，得到各评价指标的主观权重；

93、根据从近期历史数据中采集的个航迹在各评价指标上的指标值，构成指标矩阵；

94、根据所述指标矩阵中各指标的数值分布计算各评价指标的熵值：

95、；

96、；

97、其中为熵值归一化系数；

98、根据各评价指标的熵值计算各评价指标的熵权作为客观权重：

99、；

100、根据所述主观权重和所述客观权重，采用混合赋权公式计算各评价指标的混合权重：

101、，

102、其中为第个评价指标的主观权重，为第个评价指标的客观权重，为主观权重与客观权重之间的平衡因子，。

103、优选地，所述根据所述航迹质量综合评分得到的航迹质量等级，包括：

104、根据所述航迹质量综合评分所处的评分区间，确定航迹质量等级，所述航迹质量等级包括高可靠航迹、可靠航迹、降级航迹和低可靠航迹。

105、第二方面，本发明实施例提供了一种基于多维指标融合的二次雷达航迹质量评价装置，包括：

106、获取模块，用于获取待评价航迹在多个雷达扫描周期内的航迹数据，所述航迹数据包括目标航迹各扫描周期的卡尔曼滤波状态估计值、预测状态值、与所述目标航迹相关联的点迹观测值、量测残差及其协方差矩阵、点航迹相关标志变量以及航迹生命周期状态，所述航迹生命周期状态包括起始、更新、外推和终止；

107、计算模块，用于根据所述航迹数据计算多个评价指标，所述评价指标包括用于表征航迹在时间维度上不中断程度的连续性指标、用于表征航迹估计值平滑程度的航迹稳定性指标、用于量化航迹与合理目标运动模式符合程度的航迹几何一致性指标、用于表征航迹残差异常程度的航迹残差指标、用于量化在相关门限内存在候选点迹的前提下成功相关比例的相关成功率指标、用于反映雷达站健康状态对航迹数据质量影响的数据源可信度指标、用于量化航迹的运动行为与民航目标运动行为匹配程度的行为合理性指标、用于量化航迹所含信息项的种类是否完备的完整性指标、以及用于量化航迹自起始至当前时刻可信程度的航迹成熟度指标；

108、归一化处理模块，用于根据各评价指标进行归一化处理，得到各评价指标对应的归一化指标值；

109、赋权模块，用于获取各评价指标的主观权重和客观权重，将主观权重与客观权重进行混合赋权，得到各评价指标对应的混合权重；

110、输出模块，用于根据各评价指标对应的归一化指标值和混合权重进行加权求和，得到航迹质量综合评分、以及根据所述航迹质量综合评分得到的航迹质量等级。

111、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

112、通过建立覆盖航迹连续性、稳定性、几何一致性、航迹残差、相关成功率、数据源可信度、行为合理性、数据完整性和航迹成熟度等多个维度的航迹质量评价指标体系，并构建基于混合赋权的航迹质量综合评分模型，实现了航迹质量的统一评价、量化评分和等级划分。该方法利用多维评价指标对航迹质量进行综合刻画，各评价指标均具有明确的物理含义、统一的数学定义和可工程实现的计算方法，使航迹质量能够得到更加全面、客观和准确的评价，克服了现有技术中评价维度单一、评价标准不统一以及难以进行综合量化评价的问题。评分模型采用的混合赋权策略，在充分保留领域专家经验的基础上，引入数据统计特性对评价指标权重进行动态修正，使综合评分既能够体现工程应用中的经验规律，又能够反映实际数据的客观差异。同时，通过设置关键指标惩罚机制，避免关键质量指标异常时被其他指标的高分所掩盖，进一步提高了综合评分结果的真实性和可靠性。