海戰場傳感器管理技術研究*

官　斌　周亦軍

(1.武漢藏龍北路1號　武漢　430205)(2.海軍駐武漢438廠軍事代表室　武漢　430064)

GUAN Bin1　ZHOU Yijun2

(1.No.1 Canglong North Road, Wuhan　430205) (2.Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan　430064)

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海戰場傳感器管理技術研究*

官斌1周亦軍2

(1.武漢藏龍北路1號武漢430205)(2.海軍駐武漢438廠軍事代表室武漢430064)

論文從編隊和本艦兩個層次對傳感器管理進行研究。對編隊級傳感器管理在管理內容、資源分配以及沖突處理等方面進行了研究，提出了傳感器任務規劃模型和資源分配方法，提出了沖突檢測和沖突解決模型。在本艦傳感器管理方面，論文系統分析了單艦傳感器管理的基本內容，提出了單艦多傳感器集中和分布式管理模型，并提出了矩陣式分配模型。

編隊； 本艦； 傳感器管理

GUAN Bin1ZHOU Yijun2

(1.No.1 Canglong North Road, Wuhan430205) (2.Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan430064)

Class NumberTP311.52

1　引言

傳感器管理的目的是利用有限的傳感器資源，滿足多個目標和掃描空間的要求，以得到各具體特性的最優化度量值(檢測概率、截獲概率、傳感器自身的發射能力、航跡精度或丟失概率等)。簡單講傳感器管理的核心問題就是依據一定的最優準則確定目標選擇何種傳感器以及該傳感器的工作方式及參數。

2　編隊傳感器管理

2.1管理內容

傳感器信息管理分為以下三類：以性能為主體的靜態信息管理；以任務和工作狀態為主體的動態信息管理；傳感器協同探測需要的協同控制規則信息管理。

其管理方法主要通過數據庫實現，將上述三類內容構建三個庫表，并將庫表的靜態信息部分、動態信息部分以及協同控制規則部分關聯。傳感器信息管理庫如表1所示。

2.2資源分配

傳感器資源分配是指在探測偵察過程中，針對高威脅或打擊目標實時調整和控制編隊內的傳感器對目標進行精確、持續跟蹤，為指揮和武器等系統提供持續、準確的目標信息。

當出現威脅、重要或打擊目標P1,P2,P3,…,Pn時，對傳感器資源分配的過程如下：

1)對每一個目標按照傳感器的用途、能力以及目標所處的位置和運動趨勢預測，進行傳感器預分配：

Pi={S1,…,Sm}

(1)

其中，Pi為目標，Sm為傳感器。

2)設立上述預分配的每個傳感器對目標的效能貢獻函數集：

rij={wij,xij,yij,zij}j=1,…,m

(2)

其中rij為第j個傳感器對第i個目標的效能貢獻值，目標威脅程度和打擊程度越高效能值貢獻越大。wij為傳感器j對目標i的探測重要程度。xif=fxij(α1,α2)為精度匹配度，α1為對目標特征參數向量(如目標類型識別和目標位置等)要求的精度，α2為傳感器對特征參數向量貢獻精度，α1和α2之間的匹配度越接近效能值，貢獻越大。yij=fyij(β1，β2)為傳感器對目標的持續跟蹤時間的效能貢獻值，β1為對目標的跟蹤持續時間需求(如低空打擊目標的制導時間要求)，β2為傳感器能貢獻的跟蹤時間。當β2大于一定值時，為滿足需求，不予考慮該貢獻值。β2越大，貢獻也越大。當β2>β1時，達到該項的貢獻上限。zij為傳感器j對第i個目標跟蹤范圍銜接貢獻值。只有滿足y的傳感器才可作為考慮的對象。

3)建立傳感器i對目標j的任務分配綜合評價函數fij=f(wij,xij,yij,zij)，計算各傳感器對每個目標的綜合效能。根據綜合效能值確定每個目標與多個傳感器的任務分配關系，結合傳感器的跟蹤容量、狀態和協同使用規則的約束等，對傳感器的任務進行統籌分配：Si={p1,…,pm}，即為第Si傳感器分配m個目標的探測、偵察或跟蹤任務。

2.3沖突處理

2.3.1任務日歷

傳感器任務日歷指每個傳感器資源的工作和非工作時間，任務日歷是傳感器資源配置的依據。基于任務的傳感器資源日歷示例如表2所示。

2.3.2沖突檢測

通過傳感器任務日歷，獲取傳感器任務流程。如果同一傳感器有兩個以上的任務，則需判斷是否存在任務沖突。判斷依據是相同時間交集內的兩個任務不存在對同一傳感器的工作模式的不一致(考慮到有的傳感器具有預警和引導等多功能性，在同一工作模式下可以存在時間沖突)。對于非多功能傳感器工作模式存在沖突的情況，若在同一任務時間內既需要傳感器探測，又需要傳感器對目標制導，則認為傳感器有任務沖突，需進行沖突消解。

假設作戰中有兩個任務流程a和b，如果它們存在傳感器資源依賴，這兩個任務流程在執行過程中，若：

[Sa,Ea]∩[Sb,Eb]≠?

(3)

則表明a和b任務之間有資源沖突。其中，Sa，Ea分別為任務a執行開始和結束時間，且必Sa≤Ea。

2.3.3沖突消解

假設防空任務流程F請求使用某一傳感器資源，進行的操作為A，B為傳感器資源管理器，F使用傳感器資源的過程描述如下：

1)F先向B發送請求使用防空傳感器資源的消息。

2)B接收該消息后，搜索自身規則庫找到相應約束條件，判斷該任務流程。如果滿足傳感器資源的使用條件且其處于空閑狀態，則分配該傳感器資源給F，執行A。

3)如果F不滿足使用條件(如該傳感器資源不能剝奪，且不能通過優先級分配)，則申請失敗，等待該傳感器資源的釋放。

4)如果F滿足傳感器資源的使用條件，但該傳感器資源正被任務流程G使用，則判斷兩個任務流程的初始優先級。如F的初始優先級高于G，則需動態計算兩者的傳感器資源使用中優先級：如果F的優先級低于G，則F等待傳感器資源釋放；如果F的優先級高于G，則傳感器資源管理器剝奪B，并將B分配給F，而G需等待傳感器資源釋放。

5)如果F的任務不能等待，且不能剝奪其他正在執行的傳感器資源，則需根據傳感器任務的可兼顧性對相關傳感器任務進行時空轉換分析。即通過對傳感器任務降級使用和實時切換等方法實現對F的兼顧，同時不影響傳感器其他主要任務的實施。

3　本艦傳感器管理

3.1基本內容

本艦傳感器管理的內容主要包括空間管理、時間管理、模式管理，它由實際應用的信息需求、目標、事件的優先級等眾多因素驅動。

空間管理：給出傳感器的搜索檢測方位，對于監測應用來說，傳感器的視野(Field of View,FOV)必須有規律地移動(即掃描)，以搜索并截獲新的目標，或者周期性地重復再現目標點，以獲得一條運動目標的航跡。

時間管理：在傳感器必須與其它傳感器或與目標環境中的事件同步的情況下(例如目標檢測、航跡跟蹤、電子對抗)，要求對傳感器的操作進行定時管理。

模式管理：大多傳感器的工作模式是可變的，模式管理就是通過對傳感器內部參數的設定來擇傳感器具體的工作模式，這包括對傳感器的孔徑、搜索模式、信號波形、功率級和處理技術的選擇。

3.2管理模型

集中式傳感器管理如圖1所示，它的特點主要在于可以直接將信息進行提取，防止信息丟失，有較高的信息傳輸率，同時也便于對多傳感器進行獨立分配指令，各傳感器可以有較好的獨立工作環境。而不利之處在于融合中心和傳感器管理系統的計算量較大。

分布式傳感器管理如圖2所示，在傳感器管理回路中加入子傳感器管理回路，將傳感器管理任務進行分解。在分布式傳感器管理中，首先要將傳感器分類，接收到傳感器管理命令后將命令分類，比較之后送往對應的子傳感器管理中心，送達的命令在各子傳感器管理中心要細化，將高層命令轉化成傳感器能接收的指令，而后分送到各傳感器。

圖1　集中式傳感器管理

圖2　分布式傳感器管理

分布式多傳感器管理和集中式傳感器管理的比較：

1)對于融合中心所獲取的信息量，前者一般較為抽象，而有時有一定的信息丟棄，后者所有的信息都傳入融合中心，無論是有價值的還是無價值的全部輸入。

2)針對融合中心計算量，前者計算量較小，因為信息在進入融合中心之前已經預先得到處理，后者由于所有的傳感器數據都進入了最后的融合中心，計算量較大。

3)對傳感器管理中心來說，后者比前者更便于管理，后者由操作員給出的指令或數據融合中心給的指令，需要獲取更詳細的相關信息可直接發送指令給相關傳感器。而前者要先進行指令分類處理，而后再分送給各子傳感器管理中心，最后送給各傳感器。由此，前者給傳感器管理中心的任務較后者要重的多。

4)在傳感器管理連接上，分布式傳感器管理連接較復雜，但省料；集中式傳感器管理連接簡單但費料。

3.3分配矩陣

本文提出一種形式化表示結構，并在考慮了傳感器的能力限制和目標覆蓋要求(即每個目標至少由一個傳感器來監測)的情況下，給出了多傳感器對多個獨立目標的分配方法。這種方法使用了一個增廣的分配矩陣，它不但包含了所有的單一傳感器/目標配對，還包括能夠分配給每個目標的傳感器所有可能的組合。如圖3、圖4所示。

圖3　傳感器-目標分配矩陣

圖4　增廣的傳感器-目標分配矩陣

在圖4中，為了把組合傳感器的分配情況也包括進來，增廣矩陣的維數由n擴展到n′∶n′=2r。增廣矩陣的元素是每個分配的代價函數，以及為了得到傳感器分配的初始解而附加的一列零向量(松弛變量)，另外還有表示每個傳感器的最大跟蹤能力的量。

在這種情況下，備選解可以視為判定變量(Xij表示不把傳感器i分配給目標j，Xij表示把傳感器i分配給目標j)的一個矩陣，它滿足目標覆蓋要求和傳感器跟蹤能力約束，并且使如下的描述多傳感器系統綜合能力的目標函數達到極大：

(4)

約束表示為判定變量矩陣的一個函數。

1)最大跟蹤能力約束(每行之和應該等于傳感器跟蹤能力)：

(5)

2)目標的覆蓋約束(必須保證有一個單一傳感器或傳感器組合已分配給了這個目標)：

(6)

4　結語

本文從編隊和本艦兩個層次對多傳感器管理進行研究。對編隊級傳感器管理在管理內容、資源分配以及沖突處理等方面進行了研究。在本艦級傳感器管理方面，本文系統分析了單艦傳感器管理的基本內容，提出了單艦多傳感器集中和分布式管理模型，并提出了矩陣式分配模型。本文所做的研究為指控系統更高效地進行傳感器管理做出了一定鋪墊。

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Sensor Management Technology on the Sea Battle Field*

This paper makes research on the sensor management of naval formation and single-ship. By studying the management content and resource allocation and de-conflicting technology of sensors, this paper presents a task schedule model and a method for resource allocation. Also models for conflict detecting and conflict solving are presented. Considering the single-ship sensor management, this paper introduces a centralized sensor management model and a distributed sensor management model. And a matrix allocation model is presented too.

naval formation, single-ship, sensor management

2016年2月7日,

2016年3月29日

官斌，男，碩士研究生，研究方向：軍事裝備系統監造及效能評估。周亦軍，男，高級工程師，研究方向，艦船電子武備系統和設備監督。

TP311.52

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.016