面向目標(biāo)跟蹤的多傳感器數(shù)據(jù)融合研究綜述
隨著現(xiàn)代目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景的日益復(fù)雜化，單一傳感器探測(cè)系統(tǒng)已無法滿足目標(biāo)跟蹤的實(shí)際需求，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)成為復(fù)雜場(chǎng)景下目標(biāo)跟蹤問題的重要解決方案。本文綜述了多傳感器數(shù)據(jù)融合中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和估計(jì)融合這兩項(xiàng)關(guān)鍵過程的基本原理與研究現(xiàn)狀，整理了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在多傳感器數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究，并對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合方法在目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望。
近年來，隨著空中作戰(zhàn)朝著智能化、隱身化、去中心化等方向發(fā)展，空中戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境呈現(xiàn)出日益復(fù)雜的態(tài)勢(shì)，對(duì)空中目標(biāo)的探測(cè)難度大幅提高，這給打擊敵方空中目標(biāo)、奪取制空權(quán)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，機(jī)載制導(dǎo)武器作為空中對(duì)抗的一項(xiàng)重要手段，其精確打擊目標(biāo)的能力顯得尤為關(guān)鍵。圖1展示了機(jī)載制導(dǎo)武器跟蹤敵方非隱身目標(biāo)的全過程，首先，載機(jī)接收各傳感器探測(cè)得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行融合處理；然后，載機(jī)的火控系統(tǒng)根據(jù)融合得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息引導(dǎo)載機(jī)飛往最佳攻擊位置并發(fā)射制導(dǎo)武器；最后，通過載機(jī)與制導(dǎo)武器傳感器之間的數(shù)據(jù)共享引導(dǎo)制導(dǎo)武器鎖定和跟蹤目標(biāo)，進(jìn)而摧毀目標(biāo)。在整個(gè)目標(biāo)跟蹤過程中，對(duì)多傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)融合的精度決定了機(jī)載制導(dǎo)武器跟蹤目標(biāo)效果的好壞，因此，有必要對(duì)數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行深入研究。
多傳感器信息融合（Multi-Sensor Information Fusion）是指對(duì)來自多個(gè)傳感器或其他來源的信息進(jìn)行綜合利用，通過檢測(cè)、關(guān)聯(lián)和融合等流程，對(duì)未知目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行較為精確估計(jì)的處理過程[2]。按照融合系統(tǒng)中數(shù)據(jù)抽象的層次，可以將信息融合劃分為數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合以及決策級(jí)融合3個(gè)級(jí)別。其中，數(shù)據(jù)級(jí)融合對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的抽象程度最低，直接對(duì)傳感器的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，本文主要圍繞數(shù)據(jù)級(jí)融合相關(guān)研究和方法進(jìn)行梳理和分析。具體到空戰(zhàn)領(lǐng)域，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以充分利用協(xié)同作戰(zhàn)體系的信息優(yōu)勢(shì)，為多導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)提供有效的信息保障[3]，這對(duì)提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的認(rèn)知能力、增強(qiáng)決策支持和提升響應(yīng)效率方面有著重要作用。
目前，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)在目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，如何在復(fù)雜場(chǎng)景下改進(jìn)相關(guān)模型和算法以提高融合精度是目前數(shù)據(jù)融合的研究熱點(diǎn)。本文選取了數(shù)據(jù)融合過程中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和估計(jì)融合這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，首先，對(duì)其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和分析；然后，對(duì)近年來基于人工智能的關(guān)聯(lián)與融合相關(guān)研究的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述；最后，對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合方法在目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
在目標(biāo)跟蹤過程中，目標(biāo)數(shù)量可能是未知的，當(dāng)只有一個(gè)目標(biāo)時(shí)，由于傳感器噪聲和外界干擾，可能會(huì)認(rèn)為有多個(gè)目標(biāo)；如果有多個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)可能無法判斷量測(cè)數(shù)據(jù)是來自所跟蹤目標(biāo)，還是虛警或其他目標(biāo)，因此，需要通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程建立傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)與目標(biāo)源的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而提高后續(xù)數(shù)據(jù)融合過程的可靠性。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)一般分為量測(cè)-量測(cè)、量測(cè)-航跡、航跡-航跡關(guān)聯(lián)3種情形，其中，量測(cè)-量測(cè)關(guān)聯(lián)一般屬于航跡起始研究范疇，本文不做討論，主要針對(duì)后兩種情況進(jìn)行綜述。
量測(cè)-航跡關(guān)聯(lián)是指將傳感器量測(cè)與已知目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)已有航跡的保持或?qū)顟B(tài)的更新[4]。
最近鄰（Nearest Neighbor， NN）方法是最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，該方法的核心思想是將以目標(biāo)預(yù)測(cè)位置為中心的空間區(qū)域作為跟蹤波門，選取落入關(guān)聯(lián)波門范圍內(nèi)且距離中心最近的量測(cè)作為與目標(biāo)關(guān)聯(lián)的最優(yōu)量測(cè)[5]。最近鄰方法簡(jiǎn)單易用，但是采用馬氏距離最小作為關(guān)聯(lián)成功的條件沒有考慮不同量測(cè)誤差的相關(guān)性，且在目標(biāo)密集、傳感器噪聲較大的情況下關(guān)聯(lián)正確率會(huì)快速下降。針對(duì)以上問題，許多學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，文獻(xiàn)[6]提出一種改進(jìn)馬氏距離的最近鄰關(guān)聯(lián)方法，將觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值的協(xié)方差引入關(guān)聯(lián)過程，解決了由傳感器測(cè)量誤差帶來的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的問題。文獻(xiàn)[7]提出一種自適應(yīng)距離最近鄰關(guān)聯(lián)方法，用狀態(tài)估計(jì)向量的位置信息的替代預(yù)測(cè)值作為關(guān)聯(lián)波門的中心來計(jì)算與下一時(shí)刻量測(cè)的距離，提高了正確關(guān)聯(lián)概率。文獻(xiàn)[8]考慮到現(xiàn)有最近鄰方法普遍以統(tǒng)計(jì)距離為準(zhǔn)則，沒有考慮各個(gè)量測(cè)屬性的重要程度不同，使關(guān)聯(lián)結(jié)果易受單個(gè)屬性的影響，因此，采用信息熵理論來確定各量測(cè)屬性的權(quán)重系數(shù)，再根據(jù)權(quán)重系統(tǒng)來改進(jìn)最近鄰關(guān)聯(lián)方法，提高了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的正確率。
以上方法專注于改進(jìn)最近鄰方法的統(tǒng)計(jì)距離計(jì)算算法，而沒有考慮關(guān)聯(lián)波門內(nèi)的量測(cè)分別與多個(gè)目標(biāo)相關(guān)的可能，對(duì)此有人提出了全局最近鄰（Global Nearest Neighbor， GNN）方法[9]，在計(jì)算統(tǒng)計(jì)距離的基礎(chǔ)上考慮了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的各種可能，增強(qiáng)了關(guān)聯(lián)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]提出一種基于當(dāng)前運(yùn)動(dòng)模型的交互多模型全局最近鄰關(guān)聯(lián)算法，該方法對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)采取不同的關(guān)聯(lián)模型，并在關(guān)聯(lián)過程中考慮了歷史信息的影響，提高了雜波環(huán)境下數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的正確率和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]針對(duì)傳統(tǒng)GNN方法容易因虛警、漏檢造成誤關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)，利用關(guān)聯(lián)代價(jià)和模糊隸屬度分兩次濾除無關(guān)目標(biāo)，提高了關(guān)聯(lián)正確率。
概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（Probability Data Association， PDA）的方法是另一類常用的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法。與最近鄰方法只選擇與目標(biāo)預(yù)測(cè)位置距離最短的量測(cè)值與目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)不同，PDA方法會(huì)計(jì)算落入跟蹤波門內(nèi)所有量測(cè)來自目標(biāo)的后驗(yàn)概率，然后根據(jù)后驗(yàn)概率對(duì)所有量測(cè)求加權(quán)平均值，得到新的最優(yōu)量測(cè)[12]。該方法能有效降低雜波對(duì)目標(biāo)狀態(tài)更新的影響，但只適用于單目標(biāo)跟蹤的情況。為了適應(yīng)多目標(biāo)跟蹤的情況，文獻(xiàn)[13]將交互多模型（Interacting Multiple Model， IMM）算法與PDA方法相結(jié)合提出了IMM-PDA方法。該方法將IMM中每個(gè)狀態(tài)模型都對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)聯(lián)波門，各個(gè)模型利用各自的量測(cè)集合進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，但I(xiàn)MM-PDA方法在量測(cè)集合選取和模型概率更新方面存在不足，可能會(huì)產(chǎn)生失跟和誤跟的情況。對(duì)此，文獻(xiàn)[14]提出一種聯(lián)合交互式概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法，該算法對(duì)IMM中各濾波器設(shè)置相同的關(guān)聯(lián)波門進(jìn)行濾波，使目標(biāo)跟蹤性能有所提高。文獻(xiàn)[15]在綜合IMM-PDA方法框架基礎(chǔ)上，利用了目標(biāo)量測(cè)信息，以最小均方誤差為準(zhǔn)則找到了最優(yōu)波門中心，提高了關(guān)聯(lián)正確率。文獻(xiàn)[16]針對(duì)由于量測(cè)不確定性使PDA方法受雜波影響隨時(shí)間增大的問題，在PDA基礎(chǔ)上引入距離加權(quán)概念，對(duì)關(guān)聯(lián)概率進(jìn)行二次加權(quán)處理，改善了密集雜波情況下的目標(biāo)跟蹤效果。文獻(xiàn)[17]針對(duì)PDA方法在數(shù)據(jù)量較大時(shí)計(jì)算效率較低的問題，提出一種基于變分貝葉斯的概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，該方法基于變分貝葉斯框架來獲取狀態(tài)近似后驗(yàn)概率密度函數(shù)，降低了關(guān)聯(lián)過程中的計(jì)算復(fù)雜度。
聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（Joint Probability Data Association， JPDA）方法是基于PDA方法提出的一種適用于多目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景的一種關(guān)聯(lián)方法，該方法原理如圖2所示。其中，
分別為航跡（i=1,2）在k時(shí)刻量測(cè)值的先驗(yàn)估計(jì)，以其為中心構(gòu)造兩個(gè)關(guān)聯(lián)波門，
為分別落到這兩個(gè)關(guān)聯(lián)波門內(nèi)的有效量測(cè)。在JPDA算法中，首先要把落入關(guān)聯(lián)波門內(nèi)的所有量測(cè)值做不同排列的聯(lián)合假設(shè)，然后計(jì)算它們分別與各個(gè)航跡的關(guān)聯(lián)概率，最后利用關(guān)聯(lián)概率分別求落入不同關(guān)聯(lián)波門內(nèi)有效量測(cè)的加權(quán)平均值，從而得到不同航跡的最優(yōu)量測(cè)。由于JPDA方法引入了聯(lián)合事件的概念，使得其計(jì)算量巨大，不利于對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。許多學(xué)者對(duì)JPDA方法進(jìn)行了改進(jìn)，文獻(xiàn)[18]提出一種近似最優(yōu)的JPDA算法，降低了計(jì)算量，但也降低了算法的有效性和可靠性。文獻(xiàn)[19]對(duì)JPDA算法中用于表示量測(cè)與多目標(biāo)關(guān)聯(lián)波門關(guān)系的確認(rèn)矩陣進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程中引入目標(biāo)類別信息，在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)提高了目標(biāo)和雜波密集情況下的關(guān)聯(lián)精度。文獻(xiàn)[20-22]將模糊聚類思想引入數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，利用模糊隸屬度簡(jiǎn)化了JPDA算法關(guān)聯(lián)概率的計(jì)算，從而有效降低了計(jì)算復(fù)雜度，提高了算法實(shí)時(shí)性。
以上方法一般只基于上一掃描周期的關(guān)聯(lián)決策和當(dāng)前掃描周期的量測(cè)數(shù)據(jù)來給出當(dāng)前的關(guān)聯(lián)決策[23]。由于量測(cè)噪聲、虛警雜波和目標(biāo)機(jī)動(dòng)等情況的存在，僅利用單次掃描的數(shù)據(jù)可能不足以實(shí)現(xiàn)正確關(guān)聯(lián)，而多假設(shè)跟蹤（Multiple Hypothesis Tracking， MHT）方法則利用了多次掃描周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。MHT方法采用了延遲決策邏輯，保持多個(gè)可能的關(guān)聯(lián)假設(shè)使其繼續(xù)傳遞，以便利用后續(xù)周期的數(shù)據(jù)來進(jìn)行優(yōu)化決策，適用于存在噪聲干擾和一定漏檢率的多目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題[24]。MHT方法跟蹤性能優(yōu)越，但需要對(duì)關(guān)聯(lián)假設(shè)進(jìn)行枚舉，對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算量和存儲(chǔ)量的要求較高，工程應(yīng)用難度較大。文獻(xiàn)[23]在MHT的基礎(chǔ)上引入一種關(guān)聯(lián)深度自適應(yīng)算法，在關(guān)聯(lián)過程中盡可能保留高可能假設(shè)以降低計(jì)算量。文獻(xiàn)[25]針對(duì)多機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤問題，在MHT的基礎(chǔ)上引入了IMM算法。文獻(xiàn)[26]針對(duì)密集多目標(biāo)跟蹤問題提出一種基于特征輔助的MHT方法，該方法在出現(xiàn)漏檢和誤關(guān)聯(lián)的情況時(shí)可以從量測(cè)數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)快速變化的特征來輔助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，提升了跟蹤性能。
航跡-航跡關(guān)聯(lián)是指判斷來自不同傳感器的航跡是否來自同一目標(biāo)，以下簡(jiǎn)稱為航跡關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)一般存在于分布式多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中。
最早的航跡關(guān)聯(lián)方法有加權(quán)法和修正法[27]，這兩種方法將航跡關(guān)聯(lián)問題轉(zhuǎn)化為假設(shè)檢驗(yàn)問題，分別適用于航跡估計(jì)誤差獨(dú)立和相關(guān)的情況，但在目標(biāo)密集、航跡交叉等場(chǎng)景下關(guān)聯(lián)性能較差。為改善航跡關(guān)聯(lián)性能，何友教授以加權(quán)法和修正法為基礎(chǔ)，將航跡當(dāng)前時(shí)刻的關(guān)聯(lián)與歷史航跡聯(lián)系起來，提出了序貫航跡關(guān)聯(lián)方法[28]，該方法示意圖如圖3所示。首先將航跡關(guān)聯(lián)問題轉(zhuǎn)化為以下假設(shè)檢驗(yàn)問題：① H0表示傳感器1的局部航跡i與傳感器2的局部航跡j關(guān)聯(lián)；② H1表示傳感器1的局部航跡i與傳感器2的局部航跡j無關(guān)聯(lián)。然后根據(jù)局部傳感器的歷史航跡數(shù)據(jù)計(jì)算得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量
則接收H0，否則接收H1。以上方法均為基于統(tǒng)計(jì)思想的航跡關(guān)聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，易于工程應(yīng)用。
考慮到在實(shí)際情況中，傳感器除了自身存在測(cè)量誤差，還會(huì)受到環(huán)境干擾等因素影響，使不同傳感器對(duì)同一目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)不一致的可能性加大，使用傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)方法容易出現(xiàn)錯(cuò)、漏關(guān)聯(lián)的情況，不能對(duì)傳感器局部航跡進(jìn)行有效判定。針對(duì)傳感器誤差存在時(shí)的航跡關(guān)聯(lián)問題，文獻(xiàn)[29-30]從量測(cè)數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)間拓?fù)涮卣鱽磉M(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)，有效降低了傳感器誤差給關(guān)聯(lián)結(jié)果帶來的影響。文獻(xiàn)[31]考慮了航跡誤差的不確定性，在關(guān)聯(lián)前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除、擇優(yōu)操作，但沒有考慮航跡質(zhì)量對(duì)關(guān)聯(lián)過程的影響。文獻(xiàn)[32]針對(duì)因傳感器漏檢造成目標(biāo)航跡中斷的問題，根據(jù)分航跡的時(shí)間、位置和方位角信息實(shí)現(xiàn)了新老航跡的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[33-34]根據(jù)先驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)航跡質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并以此為依據(jù)對(duì)關(guān)聯(lián)門限進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)誤差變化情況下的自適應(yīng)航跡關(guān)聯(lián)。
當(dāng)航跡批數(shù)較多且比較密集時(shí)，基于統(tǒng)計(jì)的關(guān)聯(lián)方法關(guān)聯(lián)正確率會(huì)明顯下降，因此，許多學(xué)者引入模糊數(shù)學(xué)理論來解決航跡關(guān)聯(lián)問題，灰色理論是其中一種。文獻(xiàn)[35]將灰色理論引入航跡關(guān)聯(lián)算法中，該方法用灰關(guān)聯(lián)度來描述航跡之間的相似程度，進(jìn)而根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)的判決。文獻(xiàn)[36]提出多局部節(jié)點(diǎn)情況下一種基于多維分配思想的灰色航跡關(guān)聯(lián)算法，實(shí)現(xiàn)了全局最優(yōu)的航跡關(guān)聯(lián)判決，但是該算法沒有利用航跡歷史信息。文獻(xiàn)[37]在多維分配灰色航跡關(guān)聯(lián)方法的基礎(chǔ)上采用序貫方法對(duì)灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行修正，將當(dāng)前時(shí)刻航跡與歷史航跡聯(lián)系起來，提高了關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[38]根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度矩陣判斷雷達(dá)航跡之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并適時(shí)利用雷達(dá)關(guān)聯(lián)的歷史信息對(duì)當(dāng)前關(guān)聯(lián)進(jìn)行修正，提高了目標(biāo)密集情況下的關(guān)聯(lián)正確率。灰色關(guān)聯(lián)方法具有對(duì)樣本量要求不高、不依賴噪聲先驗(yàn)分布規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前灰色關(guān)聯(lián)的研究趨勢(shì)主要是如何充分利用航跡歷史信息提高目標(biāo)密集場(chǎng)景下航跡關(guān)聯(lián)的可靠性。
除此之外，模糊聚類思想也被引入航跡關(guān)聯(lián)算法中。在模糊聚類中，每個(gè)數(shù)據(jù)都被賦予一組隸屬度，用以表示其屬于每個(gè)聚類的程度。文獻(xiàn)[39]對(duì)多雷達(dá)系統(tǒng)的多個(gè)航跡進(jìn)行模糊化聚類統(tǒng)計(jì)，當(dāng)目標(biāo)數(shù)量較多導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)量較大時(shí)，采用分步法對(duì)航跡信息進(jìn)行模糊聚類處理，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[40]提出一種基于模糊等價(jià)關(guān)系的異類傳感器航跡關(guān)聯(lián)算法，該算法將歷史和當(dāng)前時(shí)刻的方位信息視為模糊因子，基于等價(jià)關(guān)系對(duì)航跡進(jìn)行模糊聚類，實(shí)現(xiàn)了航跡關(guān)聯(lián)的判定。文獻(xiàn)[41-42]采用一種自適應(yīng)密度聚類的航跡關(guān)聯(lián)方法，基于最大熵方法來確定各個(gè)航跡的隸屬度并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在目標(biāo)數(shù)量未知的情況下實(shí)現(xiàn)了較低計(jì)算成本的實(shí)時(shí)航跡關(guān)聯(lián)。基于模糊聚類的關(guān)聯(lián)方法在目標(biāo)密集場(chǎng)景下適應(yīng)性較好，但這類方法參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于現(xiàn)有的量測(cè)-航跡關(guān)聯(lián)方法，在傳感器數(shù)據(jù)比較簡(jiǎn)單、目標(biāo)稀疏、噪聲干擾較小且計(jì)算資源有限的情況下，適合采用最近鄰方法進(jìn)行關(guān)聯(lián)；PDA方法相較于最近鄰方法更適用于雜波干擾較多的情況，但仍受限于目標(biāo)稀疏的場(chǎng)景；JPDA方法針對(duì)目標(biāo)密集情況有良好效果，但計(jì)算量較大；MHT方法的一大特點(diǎn)是能夠?qū)僭O(shè)集合進(jìn)行維護(hù)和更新，適用于多目標(biāo)跟蹤以及航跡交叉、遮擋等復(fù)雜情況，但也需要考慮數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的計(jì)算和存儲(chǔ)性能。
對(duì)于航跡-航跡關(guān)聯(lián)，基于模糊數(shù)學(xué)的航跡關(guān)聯(lián)方法和基于統(tǒng)計(jì)的航跡關(guān)聯(lián)方法相比，在關(guān)聯(lián)精度和計(jì)算效率上更占優(yōu)勢(shì)。考慮到現(xiàn)代空戰(zhàn)中，目標(biāo)往往不是單獨(dú)行動(dòng)，而是多目標(biāo)集群協(xié)同作戰(zhàn)，這意味著目標(biāo)跟蹤過程中的目標(biāo)批次和雜波等信息成倍增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的關(guān)聯(lián)方法無法滿足實(shí)時(shí)精確關(guān)聯(lián)的需求。因此，需要對(duì)關(guān)聯(lián)方法不斷改進(jìn)，既要針對(duì)越來越復(fù)雜的航跡關(guān)聯(lián)場(chǎng)景提高關(guān)聯(lián)精度，降低錯(cuò)、漏關(guān)聯(lián)的概率，也要考慮采用并行計(jì)算等方法合理安排計(jì)算資源，避免因目標(biāo)批次的增多或雜波密度的增大導(dǎo)致計(jì)算中的組合爆炸，影響關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率。
在完成數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后，需要對(duì)關(guān)聯(lián)到同一個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)融合。估計(jì)融合假定參與融合的傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)均來源于同一個(gè)目標(biāo)，然后利用這些量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所要估計(jì)的目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行研究，以獲得更精確的估計(jì)值。根據(jù)原始量測(cè)數(shù)據(jù)是否直接用于融合，可以將融合結(jié)構(gòu)分為集中式、分布式和混合式3類。其中，混合式融合是前兩種融合方法的綜合，兼具前兩者的優(yōu)點(diǎn)和不足，本文不開展討論，著重對(duì)集中和分布式融合相關(guān)研究進(jìn)行綜述。
集中式融合也稱量測(cè)融合，是指將傳感器的原始量測(cè)數(shù)據(jù)直接傳入融合中心進(jìn)行融合處理，其過程如圖4所示。常見的集中式融合方法主要有并行濾波、序貫濾波和數(shù)據(jù)壓縮濾波3類[4]。
并行濾波是指通過量測(cè)擴(kuò)維將多傳感器量測(cè)方程組成廣義量測(cè)方程，再進(jìn)行統(tǒng)一濾波處理來實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合估計(jì)；序貫濾波是指按順序依次利用各傳感器量測(cè)對(duì)狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行濾波更新；數(shù)據(jù)壓縮濾波是指先對(duì)各傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，得到融合中心的偽量測(cè)，再利用偽量測(cè)進(jìn)行統(tǒng)一濾波更新。目前，以上3種方法基于線性卡爾曼濾波的融合研究已趨于完善，文獻(xiàn)[43]基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器（Extend Kalman Filter， EKF）將集中式融合方法向非線性系統(tǒng)進(jìn)行了推廣。文獻(xiàn)[44]以多模復(fù)合制導(dǎo)為背景，對(duì)3種集中式融合方法進(jìn)行研究，在傳感器噪聲不相關(guān)的情況下，3種方法對(duì)目標(biāo)的跟蹤效果均滿足精度要求。
在以上3種方法中，序貫濾波不同于其他兩種基于批量融合的方法，該方法通過對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)按時(shí)間順序分步更新，降低了系統(tǒng)方程的維度，一定程度上可以緩解集中式融合受限于通信帶寬和中心處理器性能的情況，改善濾波過程的實(shí)時(shí)性，提高濾波精度[45]，其過程如圖5所示。
分別為k-1時(shí)刻的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差矩陣，將其作為目標(biāo)初始狀態(tài)輸入濾波器，得到目標(biāo)在k時(shí)刻的狀態(tài)預(yù)測(cè)值
分別為各傳感器在k時(shí)刻對(duì)目標(biāo)的量測(cè)值，對(duì)第i個(gè)傳感器量測(cè)進(jìn)行濾波得到目標(biāo)在k時(shí)刻的中間狀態(tài)估計(jì)值
。將以上目標(biāo)的中間狀態(tài)估計(jì)值作為下一次濾波時(shí)的預(yù)測(cè)值，對(duì)下一個(gè)傳感器量測(cè)值進(jìn)行濾波處理，以此類推，將最后一個(gè)傳感器量測(cè)值的濾波結(jié)果作為目標(biāo)在k時(shí)刻的最終狀態(tài)估計(jì)。
目前，對(duì)序貫濾波融合的研究較為廣泛，文獻(xiàn)[45]針對(duì)多傳感器系統(tǒng)通信受限的問題，在濾波融合過程中采用周期性的分組有序通信策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的有序處理，降低了計(jì)算復(fù)雜度。針對(duì)傳統(tǒng)線性卡爾曼濾波算法不適用于復(fù)雜機(jī)動(dòng)目標(biāo)融合跟蹤的問題，文獻(xiàn)[43]和[46-47]將擴(kuò)展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter， UKF）、容積卡爾曼濾波（Cubature Kalman Filter， CKF）等非線性濾波算法與序貫融合算法相結(jié)合，提高了多傳感器融合系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤性能，但只考慮了傳感器量測(cè)噪聲為高斯白噪聲的情況。文獻(xiàn)[48-49]考慮了多傳感器融合系統(tǒng)具有非高斯白噪聲的情況，并提出了對(duì)應(yīng)的序貫濾波融合算法以減小非高斯白噪聲對(duì)融合精度的影響。文獻(xiàn)[50]采用了粒子濾波（Particle Filter， PF）算法進(jìn)行融合跟蹤，該算法基于蒙特卡洛方法，不需要對(duì)固定點(diǎn)抽樣，具有靈活性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)非線性非高斯系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性，但也存在粒子退化、計(jì)算量較大等問題[51]。此外，文獻(xiàn)[52-53]針對(duì)異步多傳感器系統(tǒng)在跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)過程中存在較大時(shí)空偏差的問題，提出一種序貫的時(shí)空偏差補(bǔ)償和數(shù)據(jù)融合方法，該方法在目標(biāo)機(jī)動(dòng)的情況下能同時(shí)完成時(shí)空偏差和目標(biāo)狀態(tài)的估計(jì)，具有較強(qiáng)的適用性。
分布式融合也稱航跡融合，是指各傳感器先對(duì)自身量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理形成局部航跡，再送到融合中心進(jìn)行融合處理。航跡融合主要包括兩步，航跡關(guān)聯(lián)和航跡狀態(tài)估計(jì)融合，其示意圖如圖6所示。各傳感器的局部航跡通過1.2節(jié)的方法進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后對(duì)關(guān)聯(lián)到同一個(gè)目標(biāo)的局部航跡進(jìn)行融合處理，得到目標(biāo)最終的系統(tǒng)航跡。其中，根據(jù)是否使用系統(tǒng)航跡的狀態(tài)估計(jì)，又可將航跡融合分為局部航跡到局部航跡的融合，以及局部航跡到系統(tǒng)航跡的融合[2]。
簡(jiǎn)單凸組合方法是最早提出的分布式航跡融合方法，該方法假設(shè)各傳感器局部航跡的估計(jì)誤差相互獨(dú)立，以估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣表達(dá)式作為權(quán)值對(duì)局部航跡進(jìn)行加權(quán)融合[54]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于共同先驗(yàn)估計(jì)和過程噪聲的影響，各航跡估計(jì)誤差往往是相關(guān)的，此時(shí)簡(jiǎn)單凸組合方法融合結(jié)果是次優(yōu)的。Bar Shalom-Campo融合方法將局部估計(jì)誤差的互協(xié)方差矩陣引入了融合計(jì)算中，取得了較好的效果，但采用該方法計(jì)算互協(xié)方差矩陣需要大量信息，實(shí)際應(yīng)用中可能難以獲取，且融合結(jié)果無法做到全局最優(yōu)[55]。對(duì)此，有學(xué)者提出一種信息矩陣融合（Information Matrix Fusion， IMF）方法[56]，該方法是基于量測(cè)擴(kuò)維的集中式融合算法通過矩陣變換得到的，無需計(jì)算互協(xié)方差，但只在線性系統(tǒng)下全局最優(yōu)。文獻(xiàn)[57]將先驗(yàn)信息加以考慮，提出一種最大后驗(yàn)概率（Maximum A Posterior Probability，MAP）融合方法，該方法在存在反饋機(jī)制的條件下可以做到全局最優(yōu)。
針對(duì)分布式融合系統(tǒng)中互協(xié)方差數(shù)據(jù)難以獲取的問題，文獻(xiàn)[58]提出一種協(xié)方差交叉（Covariance Intersection，CI）融合方法，該方法不需要考慮局部估計(jì)誤差的相關(guān)性，通過最小化融合后得到誤差協(xié)方差上界以得到保守的融合估計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于協(xié)方差交叉方法針對(duì)不同場(chǎng)景提出了多種改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[59]針對(duì)經(jīng)典CI方法融合結(jié)果過于保守的問題，提出一種逆協(xié)方差交叉的融合方法，提高了融合精度。文獻(xiàn)[60]針對(duì)經(jīng)典互協(xié)方差算法中存在計(jì)算量大且占用通信資源較多的缺點(diǎn)，提出一種快速協(xié)方差交叉算法，可大幅減小計(jì)算負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[61]提出一種序貫協(xié)方差交叉算法，此算法能在小幅降低融合精度的前提下，大幅減小融合過程的計(jì)算負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[62]進(jìn)一步提出一種序貫快速協(xié)方差交叉算法，在減小計(jì)算負(fù)擔(dān)的同時(shí)保證各融合節(jié)點(diǎn)的融合結(jié)果與融合次序無關(guān)，且在保證融合結(jié)果一致性的同時(shí)降低了計(jì)算復(fù)雜度，但是該方法主要對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行分析，在系統(tǒng)非線性的情況下融合結(jié)果次優(yōu)。
以上方法一般都假設(shè)融合過程中各傳感器提供的信息是完備的，然而考慮到傳感器量測(cè)誤差和環(huán)境干擾，分布式融合過程中傳感器提供的信息具有不完備性，主要表現(xiàn)在量測(cè)丟失、傳感器觀測(cè)精度存在差異等情況。
針對(duì)融合過程中傳感器量測(cè)隨機(jī)缺失的問題，文獻(xiàn)[63]在EKF的基礎(chǔ)上引入丟失參數(shù)來確定是否對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，降低了量測(cè)丟失階段噪聲對(duì)估計(jì)結(jié)果精度的影響，但收斂速度也隨之減慢。文獻(xiàn)[64]針對(duì)每個(gè)局部傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了最優(yōu)估計(jì)器，并采用矩陣加權(quán)融合估計(jì)算法推導(dǎo)了矩陣加權(quán)的分布式融合估計(jì)器，該估計(jì)器由于采用并行結(jié)構(gòu)，對(duì)量測(cè)丟失的信號(hào)具有很好的補(bǔ)償作用，但當(dāng)傳感器數(shù)量較多時(shí)，其融合方法計(jì)算復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用。此外，針對(duì)傳感器觀測(cè)精度存在差異的情況，文獻(xiàn)[65]利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征求解局部航跡之間的最佳隸屬度，在融合中心用最佳隸屬度算法完成權(quán)值分配實(shí)現(xiàn)航跡融合，該方法在傳感器跟蹤精度較差的情況下對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)有很好的跟蹤效果，但沒有考慮量測(cè)丟失的情況。文獻(xiàn)[66]結(jié)合交互式多模型濾波算法提出多模型航跡質(zhì)量的概念，將其用于權(quán)值分配，并引入了反饋機(jī)制，提高了航跡融合精度，但該方法隨著傳感器數(shù)量的增多計(jì)算更加復(fù)雜，且融合精度沒有明顯提升。
以上方法對(duì)單一條件下的航跡融合問題比較適宜，但未考慮實(shí)際情況中量測(cè)丟失和傳感器觀測(cè)精度存在差異的情況同時(shí)存在，使得航跡質(zhì)量出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的情況。文獻(xiàn)[67]利用標(biāo)準(zhǔn)熵量化了各個(gè)傳感器局部航跡的不確定程度，刪除了質(zhì)量較差的局部航跡，該方法雖提高了系統(tǒng)最終航跡的精度，但該方法是從整體上對(duì)航跡進(jìn)行剔除，沒有充分利用局部航跡。文獻(xiàn)[68]提出一種基于信息質(zhì)量選擇的動(dòng)態(tài)航跡融合方法，該方法用局部線性濾波器來獲取局部航跡和信息熵，利用信息熵選取質(zhì)量好的航跡進(jìn)行航跡融合，提高了在傳感器不同精度和不同量測(cè)丟失率情況下對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤性能。文獻(xiàn)[69]在文獻(xiàn)[68]研究的基礎(chǔ)上引入改進(jìn)的模糊C均值（Fuzzy C-Means， FCM）算法對(duì)局部航跡按隸屬度進(jìn)行類別劃分，使單一時(shí)刻數(shù)據(jù)點(diǎn)更少受到差數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響。
綜上所述，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)較為簡(jiǎn)單、目標(biāo)批次較少時(shí)，可以采用集中式融合方法，直接對(duì)原始量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)融合，能夠獲得較高的估計(jì)精度。其中，基于序貫濾波的融合方法與并行濾波和數(shù)字壓縮濾波方法相比，由于采取分布更新的策略，對(duì)通信帶寬和融合中心性能的要求較小。因此，建議在集中式融合場(chǎng)景中采用序貫濾波方法。
考慮到目前空中戰(zhàn)場(chǎng)需要跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡日益復(fù)雜，傳感器探測(cè)手段也越來越多樣化，產(chǎn)生的跟蹤信息也越來越繁雜，有必要采取分布式融合方法。和集中式融合相比，分布式融合對(duì)通信帶寬和融合中心處理器性能的要求較低，具有易于擴(kuò)展、生命力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。如果兩條航跡均為傳感器航跡，且傳感器局部估計(jì)誤差不相關(guān)，采用簡(jiǎn)單凸組合融合算法是全局最優(yōu)的；如果各傳感器各局部估計(jì)誤差存在相關(guān)性，若相關(guān)性已知，可采用Bar Shalom-Campo融合方法，若相關(guān)性未知，可采用CI融合方法。針對(duì)航跡融合過程傳感器提供數(shù)據(jù)存在不確定性的問題，例如，傳感器量測(cè)誤差較大或因通信異常造成傳感器數(shù)據(jù)缺失，應(yīng)根據(jù)融合需求設(shè)置合理的質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行量化分析，對(duì)于質(zhì)量較差的航跡，應(yīng)采取整體刪除或剔除部分異常點(diǎn)的措施，以提高航跡融合的精度。
隨著目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景日益復(fù)雜，傳感器探測(cè)手段不斷豐富，需要進(jìn)行融合的數(shù)據(jù)量急劇膨脹。盡管人們提出了一系列用于數(shù)據(jù)融合的模型和算法，但這些方法往往應(yīng)用場(chǎng)景受限，難以兼顧實(shí)際跟蹤過程中目標(biāo)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、雜波分布密集以及傳感器精度較差等復(fù)雜不確定情況。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者將人工智能技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)融合過程。人工智能是一種在沒有特定程序情況下從給定數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的技術(shù)，基于人工智能方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以提高在復(fù)雜不確定目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景下的融合精度。
強(qiáng)化學(xué)習(xí) （Reinforcement Learning， RL） 是一個(gè)智能體在復(fù)雜不確定環(huán)境中尋求最大化收益的過程，而數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)也是在存在雜波和量測(cè)噪聲的復(fù)雜環(huán)境中尋求最大關(guān)聯(lián)正確率的過程，因此，可以用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[73]將RL算法嵌入進(jìn)JPDA算法中，以獲得在存在密集雜波情況下量測(cè)分布與其關(guān)聯(lián)概率之間的關(guān)系，但還是基于傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)方法的框架。文獻(xiàn)[74]突破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的束縛，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于RL的跟蹤與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用RL的動(dòng)態(tài)探索能力來預(yù)測(cè)量測(cè)點(diǎn)和目標(biāo)源關(guān)聯(lián)概率。該方法在密集雜波情況下仍能實(shí)現(xiàn)量測(cè)與航跡的精確關(guān)聯(lián)，但在量測(cè)丟失時(shí)精度較差。
與人工智能方法在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中的應(yīng)用類似，基于人工智能技術(shù)的數(shù)據(jù)融合方法能夠減少對(duì)傳統(tǒng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型的依賴，從而更好地適用于復(fù)雜不確定環(huán)境下的目標(biāo)跟蹤，提高融合結(jié)果的可靠性。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法由于其強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和記憶能力在目標(biāo)跟蹤融合領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，一部分學(xué)者將其與傳統(tǒng)濾波算法相結(jié)合，起到互補(bǔ)作用。文獻(xiàn)[75]針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示器的跟蹤方法對(duì)目標(biāo)跟蹤誤差較大的問題，提出一種基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，以獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)二維目標(biāo)的估計(jì)，然后用卡爾曼濾波進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。文獻(xiàn)[76]利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （Recurrent Neural Network， RNN） 預(yù)測(cè)傳感器信號(hào)中斷時(shí)的量測(cè)結(jié)果，從而提高多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的融合精度。也有學(xué)者用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)方法中的部分模塊或參數(shù)，而不改變整體的融合框架。文獻(xiàn)[77]利用一種名為長(zhǎng)短期記憶（Long Short-Term Memory， LSTM）的改進(jìn)RNN作為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的一步預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[78]通過深度置信網(wǎng)絡(luò) （Deep Belief Networks， DBF）學(xué)習(xí)卡爾曼濾波過程中新息協(xié)方差的一致性，自動(dòng)調(diào)整過程和量測(cè)噪聲的協(xié)方差，提高融合結(jié)果精度的同時(shí)防止濾波發(fā)射。還有學(xué)者推翻了原有的融合框架，直接利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成預(yù)測(cè)和更新過程。文獻(xiàn)[79]針對(duì)運(yùn)動(dòng)模型未知的目標(biāo)跟蹤情況，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)量測(cè)數(shù)據(jù)到目標(biāo)位置狀態(tài)的映射關(guān)系，并針對(duì)多傳感器異步采樣使部分時(shí)刻量測(cè)缺失的問題，設(shè)計(jì)了一種采用時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了異步采樣情況下對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的精確融合估計(jì)。
除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法外，其他人工智能方法在數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域有許多應(yīng)用。文獻(xiàn)[80]利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法對(duì)目標(biāo)跟蹤過程中兩種不同定位算法的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并利用預(yù)測(cè)的變化和殘差值訓(xùn)練輸入的雙傳感器定位算法，提高了目標(biāo)在復(fù)雜環(huán)境下位置數(shù)據(jù)融合的精度和穩(wěn)定性。支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，文獻(xiàn)[81]針對(duì)具有不確定性和非高斯白噪聲的系統(tǒng)模型，提出一種基于卡爾曼濾波和支持向量機(jī)的數(shù)據(jù)融合算法，先提高卡爾曼濾波算法計(jì)算目標(biāo)狀態(tài)預(yù)估計(jì)，再用提出的KF-SVM方法獲得狀態(tài)估計(jì)，該算法不需要計(jì)算傳感器的互協(xié)方差矩陣，具有更好的估計(jì)精度。
基于人工智能的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合方法憑借強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)能力很好地滿足了關(guān)聯(lián)與融合過程中的各種需求，減少了對(duì)先驗(yàn)知識(shí)的依賴，提高了關(guān)聯(lián)和融合結(jié)果的可靠性。未來人工智能方法在多目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景中有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在傳感器數(shù)據(jù)獲取階段，部分傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)可能為圖像信息，可以采用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)該傳感器的圖像信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而在跟蹤過程中快速準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)特征數(shù)據(jù)。在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪處理時(shí)，可以將循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與濾波循環(huán)過程相結(jié)合，構(gòu)成可在線學(xué)習(xí)的循環(huán)濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)端到端的狀態(tài)估計(jì)與跟蹤。此外，當(dāng)環(huán)境或傳感器性能變化時(shí)，可以使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，自動(dòng)選擇合適的融合策略或?qū)Σ煌瑐鞲衅鲾?shù)據(jù)參與融合的權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，以適應(yīng)當(dāng)前的跟蹤條件。
目前，基于人工智能的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與數(shù)據(jù)融合相關(guān)研究雖然比較廣泛，但是還沒有形成比較系統(tǒng)的研究體系，且人工智能方法的一大缺點(diǎn)是前期需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，利用事先訓(xùn)練好的模型來處理復(fù)雜不確定環(huán)境中的目標(biāo)跟蹤效果較差。如何提高人工智能方法在數(shù)據(jù)融合過程中的適用性和可靠性，需要開展進(jìn)一步研究。
由以上研究可以看出，目前對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合的研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍存在許多挑戰(zhàn)和待解決的問題。本節(jié)結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究和項(xiàng)目進(jìn)展，對(duì)面向目標(biāo)跟蹤的多傳感器數(shù)據(jù)融合研究提出以下幾點(diǎn)展望。
（1） 未來的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的智能化和自適應(yīng)性能將進(jìn)一步提升。隨著對(duì)目標(biāo)跟蹤的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求不斷提高，與之相關(guān)的數(shù)據(jù)融合算法需要進(jìn)一步優(yōu)化以提高處理速度和精度，以強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等為代表的人工智能方法為數(shù)據(jù)融合問題的研究提供了新的著力點(diǎn)。采用智能化方法可以更高效地構(gòu)建特征提取和融合模型，以滿足對(duì)高速、高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤需求。特別是在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，目標(biāo)可能受到干擾、偽裝和遮蔽等因素的影響，探測(cè)器也可能受到環(huán)境等影響無法持續(xù)獲取目標(biāo)信息，導(dǎo)致跟蹤難度增加，可以利用智能化方法根據(jù)環(huán)境變化和任務(wù)需求自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)和策略，提高復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)融合的魯棒性。
（2） 隨著計(jì)算能力的提升和算法的優(yōu)化，未來目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)能夠在更短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新目標(biāo)狀態(tài)，以滿足快速變化的作戰(zhàn)需求。現(xiàn)有人工智能方法的融合效果高度依賴于事先的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，如何根據(jù)跟蹤目標(biāo)實(shí)際情況選取合適的人工智能模型，設(shè)計(jì)高效的人工智能算法，在節(jié)省計(jì)算資源的同時(shí)保障數(shù)據(jù)融合的效果，是未來目標(biāo)跟蹤和數(shù)據(jù)融合研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。例如，可以利用遷移學(xué)習(xí)的方法，將在其他任務(wù)或領(lǐng)域中預(yù)訓(xùn)練的模型進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)目標(biāo)跟蹤和數(shù)據(jù)融合任務(wù)的特定需求，這樣可以減少對(duì)大量標(biāo)注數(shù)據(jù)的依賴，提高模型的泛化能力；還可以通過增量學(xué)習(xí)的方法，持續(xù)地更新和改進(jìn)模型，以適應(yīng)新的數(shù)據(jù)和環(huán)境，這樣可以在模型逐步積累更多信息的同時(shí)，減少對(duì)事先訓(xùn)練模型的依賴，并及時(shí)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)分布的變化。
（3） 隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來不同傳感器之間的協(xié)同探測(cè)會(huì)更加緊密。在對(duì)遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)，往往需要依賴多種傳感器和探測(cè)源，如雷達(dá)、衛(wèi)星、光電等，為充分利用各種信息源的優(yōu)勢(shì)，未來的數(shù)據(jù)融合方法需要進(jìn)一步增強(qiáng)多源數(shù)據(jù)融合能力。這包括研究不同信息源之間的互補(bǔ)性，設(shè)計(jì)有效的融合策略，以及針對(duì)不同傳感器的探測(cè)誤差特性設(shè)計(jì)合適的誤差估計(jì)和補(bǔ)償算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全方位、多角度跟蹤。
（4） 基于目標(biāo)行為特征的融合也是未來的發(fā)展方向。考慮到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)持續(xù)過程，通過對(duì)多傳感器收集到的目標(biāo)歷史行為信息進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，可以得到一系列描述目標(biāo)行為的關(guān)鍵特征，如目標(biāo)的速度、方向等，以及意圖、偏好等更高級(jí)別的行為信息。基于以上前期行為特征對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)和融合處理，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的可觀壓縮，降低了對(duì)通信帶寬的需求，另一方面也為高精度目標(biāo)跟蹤和預(yù)判提供了有力支持。
（5） 未來數(shù)據(jù)融合會(huì)在戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估與決策支持中發(fā)揮越來越重要的作用。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，目標(biāo)跟蹤只是戰(zhàn)場(chǎng)整體決策中的一部分，隨著戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)日益復(fù)雜，未來目標(biāo)跟蹤將更加注重與其他作戰(zhàn)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和協(xié)同作戰(zhàn)能力，可以將數(shù)據(jù)融合方法與戰(zhàn)場(chǎng)決策支持系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)感知和智能分析。通過信息共享和協(xié)同決策，有助于指揮中心更準(zhǔn)確地掌握戰(zhàn)場(chǎng)情況，制訂更有效的作戰(zhàn)計(jì)劃，不同平臺(tái)和部隊(duì)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)將能夠共同完成更復(fù)雜的任務(wù)，提高整體作戰(zhàn)效能。
本文以空戰(zhàn)環(huán)境中機(jī)載制導(dǎo)武器目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景為例，對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合問題中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和估計(jì)融合這兩個(gè)關(guān)鍵過程的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理。目前，對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合的研究熱點(diǎn)主要集中在如何在提高精度的同時(shí)，提高關(guān)聯(lián)與融合過程的實(shí)時(shí)性和可靠性。隨著作戰(zhàn)環(huán)境日趨復(fù)雜，多傳感器數(shù)據(jù)融合在處理目標(biāo)跟蹤任務(wù)過程中面臨的不確定因素日益增多，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的獲取和估計(jì)愈發(fā)困難，這極大增加了對(duì)目標(biāo)精確跟蹤的難度。隨著計(jì)算機(jī)性能和人工智能技術(shù)的發(fā)展，考慮到日益增長(zhǎng)的智能化作戰(zhàn)的需求，基于人工智能方法的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合研究和應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。
本文發(fā)表于《空天防御》2024年第4期，作者：唐勝景， 王太巖， 趙剛練， 郭杰， 李佳麗， 尹航。
