基于網絡中心戰的信息融合結構研究

巴宏欣，何心怡，何 勇

(1.空軍指揮學院，北京 100097;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

1 概述

美國海軍最早提出了網絡中心戰的概念，其優先發展也給其他軍兵種提供了很多經驗和借鑒。美海軍以現役的3層信息網絡為網絡中心戰的基礎設施，構成了美海軍網絡中心戰體系框架，如圖1所示。

圖1 網絡中心戰的體系框架Fig.1 The architecture of NCW

聯合計劃網旨在為聯合作戰部隊共享通用作戰圖、制定聯合作戰計劃、協同執行作戰任務等提供支持，其數據精度可達到部隊協同級，傳輸時延為幾分鐘;聯合數據網，主要是由戰術數據鏈及其中繼系統組成的數據鏈網絡，旨在為聯合作戰部隊傳輸精確的戰術數據，包括傳感器信息、武器控制信息、通用戰術圖和指控命令等，其數據精度可達到部隊控制級，傳輸時延為秒級;復合跟蹤網，主要由裝備有協同作戰能力(CEC)系統的作戰平臺互聯成網，能夠為武器射手實時發送具有武器控制質量的傳感器數據，精度達到武器控制級，傳輸時延為毫秒級。復合跟蹤網是生成單一的空情態勢(Singer Integrated Air Picture，SIAP)的基礎。

以CEC網絡為基礎的復合跟蹤網，極大提高了SIAP的可靠度和穩定性。如果使用數據鏈和常規通信所形成的綜合空中態勢圖中，假航跡數目能到達35%～50%，遠不能滿足武器控制級的精度要求。表1對比了美軍不同通信網絡對目標的跟蹤性能。

表1 美軍不同通信網絡對目標的跟蹤性能Tab.1 The tracking performance of different communication network of U.S.army

但是作為美海軍專用的系統，CEC作為SIAP的通用解決方案還相差甚遠，CEC存在開放性先天不足的缺陷，直接影響它在其他軍兵種的推廣使用。為此，美海軍在2005年推遲了CEC Block 2的更新計劃，計劃使用正在研發的JSSEO產品來取代CEC Block 2的更新［1］，一是為了節省預算，二是在研的JSSEO更具有通用性和開放性。

JSSEO構建的SIAP核心部件，被命名為“集成結構行為模型(Integrated Architecture Behavior Model，IABM)”，它是一種與平臺獨立的對等計算程序模型，可以提供通用服務、航跡管理、分布式資源管理和聯合指控等功能及一系列接口，包括與通信、指控、傳感器和武器等專用設備接口。駐留IABM的聯合作戰平臺(如艦船、飛機或其他陸地作戰平臺)，稱為對等節點［1］，對等節點通過P2P對等通信網絡和戰術數據鏈進行通信，將各個作戰單元聯接成一個執行多任務的虛擬網絡系統，從而形成以網絡為中心的作戰。每個對等節點，遵循SIAP通用處理原則，IABM提取各自所需的相同輸入數據，運行相同的對等計算程序，以產生相同的處理結果。使用P2P對等通信網絡來實時傳輸關聯測量報告(Associated Measure Report，AMR，即與已有航跡關聯后的本地傳感器原始數據，這樣減輕了傳輸數據的流量)，以實現所有的對等節點共同建立、維護和管理通用的SIAP系統，如果僅僅使用數據鏈系統進行通信，則無法滿足產生通用的SIAP，因為數據鏈的帶寬和傳輸實時性等限制，只能傳輸共享航跡和戰術數據，無法支持傳感器數據的共享。

IABM這種獨立于平臺的構造理念，使其具有通用性和可移植性的特點，可以廣泛應用于各個軍兵種的作戰平臺，因此它將具有廣泛的應用前景。

通過對美軍網絡中心戰建設的分析研究，我軍可以避免走美三軍從先前獨立發展各自系統、到現在發展通用系統的彎路。發展規劃從頂層設計就應該走通用性的道路，開發通用于各種作戰平臺的、具有良好的可移植性和通用性系統，發展性能更好的新型數據鏈 (使用IP協議，具有更大的帶寬、更高的實時性，隨即入網、隨即組網，可以在各個軍兵種作戰平臺上通用)來實現作戰平臺之間高速、實時、大容量的通信是未來發展的必然趨勢。因此，預先研究適用于網絡中心戰的信息融合處理的方法與技術，為我軍網絡中心戰的建設和發展奠定技術儲備，具有前瞻性和較高的軍事應用價值。

本文在研究網絡中心戰和傳統的信息融合結構的基礎上，提出了適用于網絡中心戰的信息融合結構、分析了其信息流程，給出了適用于網絡中心戰航跡融合合成的基本框架和接力跟蹤的準則框架。

2 基于網絡中心戰的信息融合結構

常用多傳感器多目標跟蹤的融合結構，從信息流和綜合處理層次上看，主要融合結構有集中式、分布式和混合式融合結構［2］。這常見的幾種融合結構，已用于雷達組網系統、單平臺上的多傳感器數據融合處理等。但是在網絡中心戰環境中，網絡是由具有信息優勢、地理上分散的作戰平臺(力量)組成，每個作戰平臺既是信息的提供者，也是信息的處理者和使用者，其戰斗力由網絡中所有作戰平臺(力量)的傳感器系統和武器系統形成整體探測、整體交戰的能力。由此帶來了各個作戰平臺(力量)之間的信息傳輸、信息處理結構及處理方法技術的新變化，導致已有的融合結構和處理方法技術不能完全適用于網絡中心戰的環境條件。

本文提出的適用于網絡中心戰的信息融合結構，如圖2所示。該融合結構融合處理的信息主要可劃分為以下幾類:1)本平臺的傳感器系統對目標的偵察和探測數據;2)其他作戰平臺通過P2P通信網絡傳送過來的:關聯測量報告AMRs、非關聯測量報告、首創航跡報告等;3)其他作戰平臺通過數據鏈傳送過來的目標航跡和身份屬性數據(即目標ID)。

其信息處理流程如下:

本平臺傳感器通過對目標的偵察和探測，產生了本地傳感器數據。其中，本平臺傳感器中的獨立跟蹤傳感器數據，如火控雷達數據，這類傳感器數據經過其跟蹤器的獨立處理，包括檢測、數據關聯、跟蹤濾波等，形成了實時高精度的目標跟蹤航跡，該數據既可以直接為武器系統提供目標指示和制導，其航跡信息也可以為融合系統生成統一的空情態勢所用，圖2中傳感器1～傳感器m屬于這類獨立跟蹤傳感器。本地平臺的其他傳感器數據，與P2P網絡傳送過來的其他平臺傳感器數據一起，可以形成多傳感器的信息互補，通過多傳感器的數據關聯、組合濾波和分類識別等融合處理，生成目標的航跡和ID。

其他作戰平臺通過P2P通信網絡傳送過來的數據首先要變換到本作戰平臺的公共時空坐標系下，然后與本平臺傳感器數據進行融合處理;通過數據鏈傳送過來的目標航跡信息和屬性信息，首先進行時空坐標系的變換，然后進行航跡配準、航跡關聯和綜合屬性識別，最終生成目標單一的合成航跡和唯一的身份屬性。

網絡中心的重要原則是［1］:1)先傳遞后處理，避免額外的處理時延;2)用戶提取各自所需的數據;3)協同解釋數據的含義;4)一次性處理信息;5)可靠保密的網絡通信。

在網絡中心戰中，網絡中的各個平臺之間需要實時交換傳感器數據來實現數據共享和一致，并且使用相同的算法和處理軟件處理相同的數據，以期產生相同的結果(包括一致的戰場態勢圖、評估和決策等)。但是因無線通信帶寬有限，必須限制網絡上的傳感器數據流量。因此，融合系統在分發本地傳感器數據之前，首先對其進行數據關聯。對于一個傳感器數據，若對其進行數據關聯，其結果是下面3種可能的情況之一:1)是目標數據，與已有的航跡關聯，稱之為關聯測量報告AMR;2)是目標數據，但是未與任何已有的航跡關聯，稱之為非關聯測量報告;3)非目標數據，是虛警或雜波。

如果該傳感器數據經過數據關聯后，判斷是虛警或雜波，則不予處理;如果經過數據關聯后，屬于前2種情況，則將其通過P2P對等通信網絡分發給其他聯合作戰平臺。如果本地融合系統經過融合后，將一組非關聯測量報告升級為一個航跡，則需要通知其他相關平臺也初始化這個航跡，這是首創航跡報告的來源。預先進行數據關聯，可以避免網絡上傳輸虛警或雜波這類傳感器原始數據，尤其在虛警和雜波比較高的情況下，會大大降低網絡上無效數據的流量。

圖2 適用于網絡中心戰的信息融合結構Fig.2 The architecture of information fusion based on Network-Centric Warfare

在分發前進行數據關聯(但沒有進行進一步的濾波處理和跟蹤等)，是適應上述網絡中心的第一項原則先傳遞后處理，避免額外的處理時延，同時又減少通信網絡中傳感器原始數據的流量，是目前可選的折中方案。由于P2P對等通信網絡可以支持平臺間的傳感器數據共享，因此各作戰平臺可以產生通用一致的SIAP。

如果作戰平臺上僅有數據鏈系統作為平臺間的通信手段，因數據鏈只能傳輸共享航跡和戰術數據，無力支持傳感器數據的共享，因此無法產生通用的SIAP，只能產生本地的SIAP。

3 基于網絡中心戰的航跡融合合成方法的基本框架

在傳統的數據融合系統中，多傳感器協同組網共同觀測目標，由融合中心收集傳感器數據并進行融合處理，系統航跡由多個傳感器數據融合生成。而在網絡中心戰環境下，由于各平臺在空間部署上的分散性以及每個平臺都是獨立的融合中心，必須考慮各平臺傳感器之間在探測空間完全獨立的情況，此時的系統航跡無法由多個傳感器的數據融合生成，而是由不同探測區的目標航跡進行接續來實現對目標的接力跟蹤;此外，即使各平臺傳感器的探測區重疊，但由于惡劣的作戰環境、傳感器的探測盲區、傳感器故障等原因，會導致某個或某幾個傳感器對目標的觀測存在盲區或航跡缺失的情況發生，此時需要使用網絡內其他傳感器的數據填補空白，來生成全局穩定的航跡。

以雷達為例，網絡中心戰中由各個平臺雷達組成的雷達探測網中，從探測區的角度可以這樣劃分探測數據之間的關系，如圖3所示。

1)各雷達公共探測區內的探測數據。如圖3中，雷達A與雷達B探測區的交集為雷達A和雷達B對目標的共同跟蹤區域。

2)各雷達非公共探測區的探測數據。如圖3中，雷達A與雷達B探測區的交集之外的區域，為雷達A或雷達B對目標的獨立跟蹤區域。

3)各雷達獨立探測區內的探測數據。如圖3所示，獨立探測區為雷達C的探測區，與其他雷達的探測區相互獨立，無任何交集。

每個作戰平臺的本地傳感器采用自己的探測數據進行初始化、航跡起始和關聯濾波來跟蹤目標，經本地傳感器跟蹤器確定屬于有效航跡的關聯測量報告AMR和非關聯測量報告以及創建新航跡報告，由P2P對等通信網絡傳送到其他作戰平臺。在每個作戰平臺的融合中心，首先將所有測量報告數據進行時間對準和坐標變換，使其具有公共的時空坐標系。再根據變換后的各數據之間的位置關系，判斷其是否處于獨立探測區，如不處于獨立探測區，則用本文提出的方法進行航跡的融合/互補/延續，以實現對目標的融合/互補/獨立跟蹤;如果處于獨立探測區，則需要對不同探測區內的目標航跡進行接續，以實現對目標的接力跟蹤。圖4為基于網絡中心戰的航跡融合合成的基本框架。

4 接力跟蹤的航跡合成準則

當各個傳感器觀測區相互獨立時，且盡管所有傳感器皆可檢測到目標，并向融合中心輸出AMRs(或目標狀態估計)，但所得的局部航跡無任何交集時，此種情況屬于接力跟蹤。在傳統的單傳感器平臺或多雷達組網系統中，由于受觀測范圍以及數據傳輸數據率或實時性的限制，對于超出觀測范圍的部分一般采用簡單的按模型外推或根據經驗判斷，因此大大制約了對目標的跟蹤精度和連續性。在網絡中心戰的環境下，由于采用了高速數據傳輸網絡，各個作戰平臺可以實時共享數據，也可以進行傳感器的聯網管理，當目標可能要超出某個平臺傳感器的觀測區域時，可以根據目標的運動趨勢，恰當地選擇其他平臺的傳感器對目標可能進入的觀測區域進行重點觀測，以便在某一范圍內等待目標出現并繼續跟蹤。

關于接力跟蹤，國內已有少數學者開始做這方面的研究［3］，但其研究主要局限于目標做勻速直線運動和勻加速直線運動的情況。而實際目標類型及其運動變化規律是多種多樣的，例如彈道導彈的運動模型就不能用勻速和勻加速直線運動來描述。本文總結了各種可能目標及其運動變化規律，提出了統一的接力跟蹤航跡合成準則框架，如圖5所示。

接力跟蹤航跡合成準則，包括時間關聯準則、屬性關聯準則、航向關聯準則和位置關聯準則。尤其在目標機動或存在多目標時，時間關聯、航向關聯和屬性關聯可以降低誤關聯概率。

首先進行時間和屬性關聯。以A和B兩個雷達站為例，目標從A站探測區進入B站探測區，A站和B站探測區無交集。在A站探測區，融合中心已形成了由A站探測數據形成的航跡數據。目標進入B站探測區后，A站已無法探測到目標，在對目標進行接力跟蹤而進行的航跡接續時，首先需要進行時間關聯，即從A站外推航跡到達B站探測區的末端時間，應與B站航跡起始時間同步;同時通過A和B兩站分別對目標屬性進行判斷，如果相同(或相似度超過某一閾值)，則認定是同一目標。

其次進行航向關聯和位置關聯，即進行多假設航向外推和航跡外推。為解決目標在雷達探測區外的航跡合成問題，要根據原有航跡的狀態參數 (位置、速度和加速度估計參數)來假設外推點的狀態。

目標的類型，目前主要考慮彈道導彈、巡航導彈和飛機3種類型。其中，彈道導彈的飛行軌跡，可以根據重力加速度模型來實時計算其可能的位置、速度和加速度參數;巡航導彈是按照規劃或臨時指定的路線飛行，除了上升、下降、轉彎等情況，處于勻速平飛狀態較多，所以可以用勻速直線運動為主、勻加速直線運動和轉彎運動為輔來描述其運動狀態;飛機的機動變化情況是未知的、時變的，必須實時估計，但是其運動模型可以用勻速直線運動、勻加速直線運動和機動轉彎等幾種模型來建模。

綜上所述，圖5包含了目標可能的運動狀態，按不同的運動狀態列舉了所有可能的假設條件。根據不同的加速度模型，來進行航跡和航向外推。其中，如果目標是勻速直線運動，則用不同的觀測噪聲方差來外推航跡點，而航向基本保持不變;如果目標是勻加速直線運動，則用不同的加速度來外推航跡點，而航向基本保持不變;如果目標是機動轉彎運動，則用不同的機動轉彎率來外推航跡點，航跡計算隨時間和轉彎率大小可以估計出來;如果目標是彈道導彈，則根據重力加速度計算模型，來外推航跡點和其相應的航向。

根據目標類型和已有航跡的狀態參數，來確定外推下一段航跡的初始條件，其運動狀態和加速度并不是完全未知，因此，在實際應用中，不需要對所有的假設進行計算，可根據A站待外推航跡的狀態，來限定假設數目。如估計精度很差或目標機動變化很大時，可增加假設數目。

最后進行航跡擬合。如果同時滿足時間、屬性、航向和位置4個關聯條件，則進行航跡擬合接續;否則不能進行航跡擬合。在確定2條航跡需要接續后，對于航跡沒有連續的盲區部分，需要用現有兩段航跡進行擬合，可以用最小二乘法擬合航跡。

對于目標的實時跟蹤來說，在接力跟蹤這種情況下，航跡接續的合成準則、多假設航跡和航向外推技術很重要，因為它是實現目標正確關聯、實時跟蹤、提高航跡精度和連續性的基礎。而航跡擬合從某種意義上，是對舊有的航跡數據進行擬合接續，對于目標的實時跟蹤的狀態參數估計意義不大，其主要意義在于目標航跡顯示的連續性和機動性分析。

5 結語

本文在研究網絡中心戰和傳統的信息融合結構的基礎上，提出了適用于網絡中心戰的信息融合結構、分析了其信息流程，給出了適用于網絡中心戰的航跡融合合成方法的基本框架和接力跟蹤的準則框架，對于網絡中心戰環境下生成單一的空情態勢SIAP有一定的借鑒意義。

［1］梁炎.美軍聯合空情圖構思及其發展［J］.艦船電子工程，2007，27(3):13 －16，41，219.

［2］趙宗貴，等編譯.多傳感器數據融合［M］.電子工業部二十八研究所，1993.

［3］權太范.目標跟蹤新理論與技術［M］.北京:國防工業出版社，2009.