區(qū)域反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃研究*1

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區(qū)域反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃研究*1

劉邦朝，王剛

(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安710051)

摘要：區(qū)域反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃是區(qū)域反導指控任務規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，其核心是多傳感器的協(xié)同優(yōu)化部署和資源優(yōu)化分配問題。對區(qū)域反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃的部署流程和協(xié)同規(guī)劃流程進行了分析，研究了傳感器部署策略和協(xié)同策略。并在協(xié)同規(guī)劃的基礎上對傳感器資源分配進行了仿真分析。

關鍵詞：區(qū)域反導；傳感器協(xié)同；任務規(guī)劃

0引言

隨著彈道導彈防御的發(fā)展，反導體系已由傳統(tǒng)的武器為中心向網(wǎng)絡為中心發(fā)展。在這一前提下，高效的多傳感器協(xié)同對反導作戰(zhàn)極為重要。在美軍2013年的2次反導試驗中，前置部署的X波段雷達成功地將靶彈的探測信息傳輸導彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)單元，進而引導“宙斯盾”導彈防御系統(tǒng)和“末段高空區(qū)域防御系統(tǒng)”的雷達發(fā)現(xiàn)目標，實現(xiàn)目標的攔截。由此，可以看出區(qū)域反導傳感器協(xié)同對反導作戰(zhàn)的關鍵性作用。

對區(qū)域反導作戰(zhàn)而言，地基多功能跟蹤雷達和火控雷達屬于2類高精度的雷達，地基多功能跟蹤雷達具有較強的探測能力，具備在火控雷達之前探測目標的能力。火控雷達偏重于滿足武器系統(tǒng)攔截彈道目標的需求，兩者的協(xié)同對反導作戰(zhàn)效能有較大的提升，同時也對傳感器協(xié)同任務規(guī)劃提出了更高的要求。

從反導作戰(zhàn)流程出發(fā)，區(qū)域反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃主要研究地基多功能跟蹤雷達與火控雷達的協(xié)同部署、傳感器作戰(zhàn)任務的優(yōu)化分配和協(xié)同策略，側重地基多功能跟蹤雷達與火控雷達協(xié)同中的引導和資源優(yōu)化問題。強調(diào)2類傳感器之間的協(xié)同探測、跟蹤和識別的策略和資源分配。形成傳感器的部署和協(xié)同作戰(zhàn)規(guī)則，實現(xiàn)有限傳感器資源的優(yōu)化利用。

1傳感器部署規(guī)劃

傳感器部署屬于反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃的初始，傳感器的合理部署帶來最直接影響就是實現(xiàn)傳感器資源的最大化利用，擴大防御區(qū)域，針對重點防御區(qū)域和重點目標實現(xiàn)有效的覆蓋和對抗。

1.1部署規(guī)劃流程

傳感器的部署具有較長的時間持續(xù)性，協(xié)同部署的結果對反導作戰(zhàn)的效能具有較大的影響。部署需要考慮保衛(wèi)要地和潛在威脅區(qū)域的分布以及傳感器自身的性能，根據(jù)傳感器的探測性能、保衛(wèi)要地數(shù)據(jù)和潛在威脅數(shù)據(jù)獲得單傳感器部署規(guī)劃。根據(jù)協(xié)同部署策略，以最大化探測效能、探測的完備性和最低傳感器消耗為約束條件，得到傳感器協(xié)同部署規(guī)劃。

1.2部署規(guī)劃

根據(jù)傳感器的位置，探測方位以及陣面傾角即可確定傳感器的部署。

(1) 傳感器位置選擇

由于反導作戰(zhàn)具有明確的方向性和保衛(wèi)目標的確定性，傳感器的部署區(qū)域內(nèi)將會存在多個保衛(wèi)目標和多個威脅，地基多功能跟蹤雷達的部署主要考慮潛在威脅方向和主要防御區(qū)域2點，部署的地基多功能跟蹤雷達需對彈道目標軌跡進行有效覆蓋，確保檢測的時間性。在火控雷達的協(xié)同部署方面，需要確保火控雷達對于地基多功能跟蹤雷達資源的有效利用以及防御區(qū)域的有效覆蓋。

(2) 傳感器方位選擇

傳感器方位選擇目的是確定傳感器探測的最佳方位，地基多功能雷達陣面指向相對固定，量測精度隨著目標偏離天線陣面法向增大而降低。已有的研究表明，當陣面指向與目標方位的夾角在0～20°時，可以認為這個角度范圍內(nèi)陣面指向?qū)μ綔y和測量性能的影響很小，可以忽略不計[1-6]。

在威脅區(qū)域較為密集的情況下，傳感器陣面指向較容易確定。在威脅區(qū)域較為分散時，應根據(jù)潛在威脅的威脅度選擇傳感器陣面指向，威脅度較大的區(qū)域應首先確保0～20°的夾角覆蓋范圍內(nèi)。

(3) 陣面最佳傾角

在給定的掃描空域內(nèi)，雷達天線陣面需傾斜一定的角度使雷達波束均勻掃過作用空域各端點，達到最佳的性能[7]。

(1)

式中：θT為陣面最佳傾角；-Az～Az為方位掃描范圍；El1～El2為俯仰掃描范圍。

1.3協(xié)同部署策略

設第i傳感器的能力半徑為Ri，彈道軌跡與傳感器交疊區(qū)域的距離為Sij。設wi為潛在威脅區(qū)域的威脅度，wi∈[0,1]，vi為目標速度；wj為保衛(wèi)目標的重要度，wj∈[0,1]。

針對特定的傳感器，定義其效能參數(shù)：

(2)

式中：n為威脅區(qū)域數(shù)量；m為保衛(wèi)目標。

由式(2)可以看出，在防御區(qū)域和保衛(wèi)要地確定的條件下，協(xié)同部署需要使Zi盡量大。

針對多傳感器的協(xié)同部署，需保衛(wèi)要地的傳感器防御能力為P，Pij表示第i個傳感器對攻擊第j個保衛(wèi)要地目標的探測能力，則

(3)

以較少的傳感器解決一定區(qū)域的防御覆蓋也是需要考慮的因數(shù)。在確保防御能力的基礎上降低傳感器的重復覆蓋率β。即

(4)

式中：M為保衛(wèi)要地數(shù)目；N為M個要地被傳感器探測覆蓋次數(shù)的累加。

2傳感器協(xié)同規(guī)劃

地基多功能跟蹤雷達與武器系統(tǒng)火控雷達協(xié)同作戰(zhàn)過程包含引導截獲、協(xié)同跟蹤、協(xié)同識別、殺傷效果評估4個部分。由于殺傷效果評估可看作協(xié)同識別效果判斷的延伸，所以可將其協(xié)同規(guī)劃過程中分為3個階段。

2.1協(xié)同規(guī)劃流程

根據(jù)反導傳感器作戰(zhàn)流程及其任務描述，形成整個區(qū)域反導傳感器協(xié)同規(guī)劃流程，具體見圖1。

2.2傳感器協(xié)同任務分配

作為區(qū)域反導作戰(zhàn)的傳感器部分，可以根據(jù)前端傳感器預警信息形成交戰(zhàn)序列組合(ESG)，確定參與區(qū)域反導作戰(zhàn)的具體傳感器。基于時間可探測的傳感器任務的預分配是傳感器協(xié)同任務規(guī)劃的第1步。

彈道目標為Ti，地基多功能跟蹤雷達組為Gj，武器系統(tǒng)火控雷達組為Wk，第i個目標的飛行可截獲時間[ti0,til]，第j個地基多功能跟蹤雷達可用探測時間[tj0,tjm]，第k個武器系統(tǒng)火控雷達可用探測時間[tk0,tkn]。需明確，根據(jù)ESG確定的傳感器組Gj和武器系統(tǒng)火控雷達組Wk具有協(xié)同作戰(zhàn)的條件，需要確定有效的組合以及組合。

任務分配準則：

(1) 分配的完備性準則。確保來襲目標的完全分配，對于火控雷達較難或者不能有效探測的目標，地基多功能跟蹤雷達將對其進行全程的探測。

(2) 火控雷達任務分配的時間性準則。火控雷達能對目標進行有效的探測需要滿足。{tk0,tkn}∩{ti0,til}≠? 且探測時間Δt小于火控雷達與目標交疊時間。

在預分配確定的有效組合的基礎上實現(xiàn)組合的優(yōu)選。具體準則：

圖1　傳感器協(xié)同規(guī)劃流程Fig.1　Process of sensor collaborative task planning

(1)tjn-tk0越大，即武器系統(tǒng)火控雷達和地基多功能跟蹤雷達有較長的協(xié)同時間確定組合有利度越大。

(2) 當某一雷達已有較優(yōu)的組合時，需削弱其進行新組合的能力，確保對探測資源的有效利用。

2.3傳感器協(xié)同策略[8-10]

在優(yōu)化傳感器任務分配的基礎上，研究組合內(nèi)部以及組合之間的協(xié)同策略。組合內(nèi)部主要解決的問題，包括引導策略、協(xié)同跟蹤策略、協(xié)同識別及協(xié)同殺傷效果判斷。組合之間主要解決傳感器之間的資源競爭約束。

(1) 引導截獲策略

地基多功能跟蹤雷達對于火控雷達的引導方式包括單步長預測引導、分段長預報引導和單步引導方式。對于火控雷達的搜索來說，影響其探測性能的主要是預警系統(tǒng)所提供的引導信息的誤差統(tǒng)計特性[1]。根據(jù)地基多功能跟蹤雷達引導信息的精度以及可用資源和火控雷達的能力確定引導交接的方式和交接時機。同時，確定火控雷達的搜索方式和截獲窗的選取。

(2) 協(xié)同跟蹤策略

地基多功能跟蹤雷達與火控雷達的協(xié)同跟蹤包括數(shù)據(jù)配準、數(shù)據(jù)關聯(lián)和融合估計幾個方面。協(xié)同跟蹤實現(xiàn)對彈道目標的中末段軌跡以及落點的精確預測，達到對目標的實時機動檢測與跟蹤的目的。數(shù)據(jù)關聯(lián)和融合估計的精度將直接關系到彈道目標最終的攔截效果。

(3) 協(xié)同識別策略及殺傷效果判斷

地基多功能跟蹤雷達與火控雷達的協(xié)同識別主要研究2類傳感器的融合結構和融合方式問題。融合的過程需滿足時間性。時間性即為確定目標識別的關鍵過程，所有目標識別資源，都要服從相關關鍵過程的時間性要求。

地基多功能跟蹤雷達與火控雷達的協(xié)同攔截效果判斷提升了防御系統(tǒng)攔截后的效果判斷能力。攔截效果判斷基于3點，攔截彈狀態(tài)、目標參數(shù)變化以及目標成像。主要的數(shù)據(jù)處理過程可看作協(xié)同識別的后續(xù)。

3基于協(xié)同規(guī)劃的實例分析[11-13]

假定存在威脅區(qū)域1和威脅區(qū)域2，區(qū)域反導傳感器為地基多功能跟蹤雷達G1和G2，武器系統(tǒng)火控雷達W1和W2。地基多功能跟蹤雷達G1對目標T1和T2的探測的徑向距離為G11[650,300]km和G12[650,400]km，交疊區(qū)域距離為495和289 km；G2對目標T2和T3的探測的徑向距離為G22[650,400]km和G23[650,150]km，交疊區(qū)域距離為258和402 km。武器系統(tǒng)火控雷達W1能夠?qū)椀滥繕薚1和T2進行有效探測，探測平均距離為150和200 km。由于干擾，W2對彈道目標T3不具備探測能力。以G23起點為探測時間的初始點，假定目標的速度2.5 km/s。G11,G12,G22的起始時間為75，90和20 s。確保同等探測條件下，根據(jù)探測距離與搜索資源的關系，以有效的探測時間進行權值分配，計算傳感器搜索資源的分配。

規(guī)劃方案：

(1) 根據(jù)分配的完備性準則確定有效的任務分配關系，由于W2對彈道目標T3不具備探測能力，

圖2　傳感器協(xié)同策略關系Fig.2　Relationship of the sensor collaborative strategy

需要地基多功能跟蹤雷達為末段攔截提供精確地制導信息，將對G2資源有較大占用。詳細的任務分配組合見表1。

表1　傳感器任務分配組合

注：表中1表示傳感器對目標具備探測能力，0表示傳感器對目標不具備探測能力

(2) 根據(jù)任務分配組合，由可探測性可知，T1和T2均可采用單步長預測引導、分段長預報引導和單步預測引導。由于G1和G2均可對目標T2進行探測，使得T2具有較高的探測精度，加之由于T3目標需由G2獨立探測，具有較高的資源消耗。綜合分析得出，T1采用單步預測引導方式，T2采用分段長預報引導。

(3) 根據(jù)1和2的規(guī)劃方案，確保同等探測條件下，根據(jù)探測的協(xié)同與否，確定的地基多功能探測雷達的資源分配結果如圖3～6所示。

圖3　G1為T1分配資源比例Fig.3　Resource allocated proportion of G1to T1

圖4　G1為T2分配資源比例Fig.4　Resource allocated proportion of G1to T2

圖5　G2為T2分配資源比例Fig.5　Resource allocated proportion of G2to T2

圖6　G2為T3分配資源比例Fig.6　Resource allocated proportion of G2to T3

由圖3～6可知，在協(xié)同引導階段，傳感器探測的資源分配隨著探測時間的累積呈下降趨勢。在協(xié)同探測條件下，針對探測條件較差的目標T3，需要增加傳感器分配的探測資源比例以確保其探測精度。T2由于采用分段長預報引導，精度要求較高，對于直接參與引導的G1對其分配的資源也有所增加。由于T3對資源的占用，需要降低G2對于T2的資源分配比例。

4結束語

本文首先對區(qū)域反導傳感器協(xié)同任務規(guī)劃中的傳感器部署和協(xié)同的規(guī)劃流程進行了分析，研究了協(xié)同的部署策略和傳感器協(xié)同策略。最后進行了基于協(xié)同規(guī)劃的實例分析，資源分配結果表明，傳感器協(xié)同規(guī)劃使傳感器資源分配得到優(yōu)化，資源分配比例趨于合理。對區(qū)域反導傳感器協(xié)同規(guī)劃的研究對于如何提升區(qū)域反導傳感器的作戰(zhàn)能力具有重要作用。

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Sensors Collaborative Mission Planning in Regional Antimissile

LIU Bang-chao, WANG Gang

(AFEU, Air and Missile Defense College, Shaanxi Xi′an 710051, China)

Abstract:The sensors collaborative mission planning of the regional antimissile is the important link of command and control mission planning. The sensors′ deployment and the allocation of resources optimization are the core problems of the sensors collaborative mission planning. The process of the sensors′ deployment and the collaborative mission planning are analyzed. The strategy of the deployment and collaborative are researched. A simulation of the resource allocate is made based on the collaborative mission planning result.

Key words:regional antimissile; sensors collaborative; mission planning

中圖分類號：TJ761.7；E917；TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-06-0093-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.016

通信地址：710051陜西省西安市長樂東路甲字一號E-mail：1023662018@qq.com

作者簡介：劉邦朝(1990-)，男，四川瀘州人。碩士生，主要研究方向為傳感器管理。

*收稿日期：2014-06-13；修回日期：2014-10-29