多源信息融合技术的起源发展与研究应用

1.多源信息融合技术的起源发展与研究应用

1．1多源信息融合的概念

多源信息融合(multi-source information fusion)亦称多传感器信息融合，是一门新兴边缘学科。多源的含义是广义的，包含多种信息源如传感器、环境信息匹配、数据库及人类掌握的信息等，信息融合最初的定义是数据融合，但随着信息技术的发展，系统信息的外延不断扩大，已经远远超出了数据的简单含义，包括了有形的数据、图像、音频、符号和无形的模型、估计、评价等，故学术界、技术界均认为使用信息融合更能代表其含义。多源信息融合的优势可以表现在密集性、有效性、互补性、冗余性、实时性、低成本性、高适应性等多个方面。

1.2多源信息融合技术的起源与发展

这一概念是在20世纪70年代提出的。当时新一代作战系统中依靠单一传感器提供信息已无法满足作战需要，必须运用多传感器集成来提供多种观测数据，通过优化综合处理提供相对准确的战场信息，从而更好地把握战场态势。在多传感器系统中，由于信息表现形式的多样性，信息数量的巨大性，信息关系的复杂性，以及要求信息处理的及时性，都已大大超出了人脑的信息综合处理能力，所以多传感器数据融合(Multi-sensor

Data Fusion简称MSDF)便迅速发展起来。20多年来，MSDF技术在现代 C3I(指挥、控制、通信与情报Command, Control, Communication and Intelligence)系统中和各种武器平台得到了广泛的应用[3]，在工业、农业、航空航天、目标跟踪和惯性导航等民用领域也得到了普遍关注。

国外对信息融合技术的研究起步较早。第二次世界大战末期，高炮火控系统开始同时使用了雷达和光学传感器，这有效地提高了高炮系统的瞄准精度，也大大提高了抗恶劣气象、抗干扰能力。现代信息融合概念 70 年代初开始萌芽。最初主要在多种雷达同时运用的条件下执行同类传感器信息融合处理，以后逐渐扩展。70 年代末期开始引入电子战、ESM 系统，引起人们高度重视。从80年代起，美国在研发，学术讨论，以及推广多源信息融合技术等方面始终走在前列。尤其在海湾战争结束后，美国更加重视信息自动综合处理技术的研究，并有效带动了其他北约国家在这方面的研究工作，如英国陆军开发了炮兵智能融合系统(AIDD)、机动和控制系统(WAVELL)等，德国准备在“豹2”坦克的改进中运用信息融合和人工智能等关键技术。

信息融合技术进入到我国，是在 1991 年波斯湾战争之后，当时美军和多国部队的远程精确打击能力震惊了世界。而国内目前装备的系统中对于战场情报处理主要还是基于单一传感器，已经很难满足现代战场瞬息万变的实际情况。国防科工委在“八五”预言项目中设立了“C3I 数据汇集技术研究”课题，国内一批高校和研究所开始广泛从事这一技术的研究工作，出现了一大批理论研究成果。20 世纪 90 年代中期，信息融合技术在国内已发展成为多方关注的共性关键技术，出现了许多热门研究方向，许多学者致力于机动目标跟踪、分布检测融合、多传感器综合跟踪和定位、分布信息融合、目标识别与决策信息融合、态势评估与威胁估计等领域的理论及应用研究，相继出现了一批多目标跟踪系统和有初步综合能力的多传感器信息融合系统。随着我国航空航天及其他相关领域的发展，可利用的导航信息源越来越多，多源信息融合技术的应用前景也愈发广阔。

1.3多源信息融合技术在航空领域的应用

1. 3. 1 典型应用——组合导航

导航是导引航行的简称，它的基本作用是引导飞机、舰船、车辆，甚至是个人、导弹，准确的沿着所选定的路线安全到达目的地。对于航空导航而言，五十年代出现了惯性导航系统，利用惯性敏感元件及初始位置来获得载体的姿态、速度和位置，不依赖任何外部信息，短期精度和稳定性较好，不向外界辐射能量，正是这种自主性和保密性的优点使惯导系统在航空航天航海等导航领域得到了广泛的应用，直至今天，惯导系统仍是目前航行体上主要导航设备[1]。随着科学技术的发展，导航系统的种类也越来越多，GPS系统、多普勒导航系统、罗兰 C 导航系统、大气数据计算机导航系统相继出现，这些导航系统各有特色，优缺点并存[3]。然而，尚没有一种导航方式能够同时满足精度与可靠性的要求，于是便出现了组合导航系统。组合导航系统是将航行体(飞机、舰船等)上的某些或全部导航设备组合成一个统一的系统,利用两种或两种以上的设备提供多重信息,构成一个多功能、高精度的冗余系统[2]。组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作,因而成为导航系统发展的方向。

高精度和高可靠性是组合导航系统的基本衡量指标，综合考虑各个导航系统的优缺点，在组合导航与制导系统中，往往将惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统，如无线电导航、卫星导航、天文导航、地形及景象匹配导航等作为辅助导航系统，利用辅助信息观测量对导航系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信息。组合系统中冗余传感器的配置以及辅助导航系统的存在，为组合系统提供了故障检测和隔离的硬件基础，故障检测与隔离算法对组合导航系统进行数据处理，为系统提供故障状

态信息，构成高可靠的容错组合导航系统。国外已装机应用的组合导航系统目前主要有INS/GPS、INS/天文、INS/地形匹配、INS/多普勒、GPS/罗兰 C 等。

1. 3. 2新型应用

目前，信息融合技术已在国外军事装备中得到广泛应用，新一代战斗机都采用了信息融合技术。俄罗斯和美国军方都在多传感器数据融合和信息处理技术方面进行了大量的研究工作，如F-22 的F/A-22 通用集成处理器(CIP)，通过处理整个飞机的电子信号将数据融合转换为清晰且简明的战场情况图像，极大减少飞行员的工作载荷，使飞行员全力集中执行指定任务并保证他们能从战场安全返回。以及俄罗斯的第三代战斗机苏-27 的TsVM-80的火控计算机能将红外瞄准、激光、光学和多模式雷达输入综合起来向屏显提供信号，具有一定程度的多传感器数据融合能力。

此外，英国国防部CONDORⅡ项目，通过融合多谱传感器和激光障碍物传感器生成信息，将其显示在最新一代的 LCD 头盔显示器上。来自数据库和激光障碍物传感器的信息同非冷却红外和微光传感器融合的图像结合，并投影在头盔护目镜上，为飞行员提供地形威胁警告，有效提高直升机在正常和恶劣气象条件下的态势感知能力

多源信息融合技术在无人机上也得到了广泛的应用。美陆军“勇士”(Warrior)长航时无人机配备的光电/红外/激光指示(E0/IR/LO)传感器系统具有广域搜索、连续缩放功能，在瞄准时还可提供彩色电视画面。激光指示/测距装置工作在对人眼安全的波段上。该系统可对光电和红外图像进行融合，以提供更完整的细节和最好的图像分辨率[7]。

我国国防科技大学和西北工业大学在此方面也取得了不少研究成果。前者利用其在视觉导航上的优势，将视觉导航与其他导航方式相融合，在无人机的导航制导方面达到了国际先进水平。

2.多源导航系统中信息融合的结构方法与

模型

组合导航系统作为一个多源信息融合系统，从信息的角度上讲，它是将各个导航信息源的量测信息和系统内已有的信息按照一定规则通过各种方法进行融合，形成状态的最优或次优估计，得到载体的导航信息。组合导航系统信息融合与结构分别如下图所示有图1

导航传感器 (或导航系统)提供关于导航数据的测量信息。各种导航传感器的测量信息是导航定位的主要信息源，也是系统信息的主要来源。关于时空配准和预处理的关系，对预