無人機多傳感器協同探測方案設計?

劉寧波 周偉 孫艷麗

（1.海軍航空工程學院信息融合研究所煙臺264001）（2.海軍航空工程學院基礎實驗部煙臺264001）

無人機多傳感器協同探測方案設計?

劉寧波1周偉1孫艷麗2

（1.海軍航空工程學院信息融合研究所煙臺264001）（2.海軍航空工程學院基礎實驗部煙臺264001）

研究多傳感器間兩兩協同或三者協同探測的適用范圍、工作方式和偵察過程，分析異類傳感器協同探測的可行性，提出三種典型偵察任務模型的無人機多傳感器協同探測技術方案，從而有效提高無人機偵察效能。

無人機；協同探測；多傳感器

Class NumberTP391

1 引言

無人偵察機對目標的成功搜索是其偵察探測的必要前提，它有賴于多方面的結合，包括偵察傳感器性能、多傳感器協同方式、信息處理能力等。在無人偵察機的活動中，多傳感器協同探測方案是研究的關注點。無人機根據偵察任務需求，通過合理規劃設計偵察傳感器的協同探測方案，可以利用有限的傳感器資源在最短時間內以最大可能發現目標，獲得質量最優的目標偵察圖像，得到理想的偵察效果。本文對無人偵察機偵察方式及航路規劃、多傳感器系統信息交互融合、多傳感器協同探測效能評估等內容進行簡要介紹，通過研究多傳感器間兩兩協同及三者協同探測的適用范圍和工作過程，分析異類傳感器協同探測的合理性和可行性，設計典型偵察任務模型的多傳感器協同探測技術方案。

2 異類傳感器協同的可行性分析

2.1 電子偵察設備與SAR協同

電子偵察設備與SAR的協同，利用電子偵察設備提供大致定位，SAR再進行精確偵察，主要用于對靜態目標的偵察和精確定位［1］。電子偵察設備及SAR協同探測過程如圖1所示，電子偵察設備在200km以上的距離上發現輻射源，將捕獲的信息發送至數據處理終端，經數據處理后送至無人機控制設備，操縱無人機改變航路并采用電子偵察和條帶SAR協同，對靜態目標精確定位和觀測；至距離輻射源50km時，聚束SAR模式打開，更長時間地凝視目標，增強在復雜背景下對目標進行高分辨率成像觀測的能力。

圖1電子偵察與CCD相機協同探測示意圖

2.2 電子偵察設備與CCD相機協同

電子偵察設備與CCD相機的協同，主要用于對目標區域進行即時可視的偵察或拍攝目標圖像發至指控端進一步采集數據［2］。電子偵察設備及CCD相機協同探測過程如圖2所示，電子偵察設備在200km以上的距離上發現輻射源，指控端操縱無人機改變航路靠近輻射源目標，當無人機到達距離目標40km左右的范圍時，CCD相機開始工作，同電子偵察設備協同觀測目標，抵近目標區域20km以內后拍攝高分辨率的彩色圖像或對目標即時可視偵察。

圖2電子偵察與SAR協同探測示意圖

2.3 SAR與CCD相機協同

SAR和CCD相機之間的協同，主要用于對動目標的跟蹤定位和探測成像。SAR和CCD二者協同探測過程如圖3所示，SAR運用GMTI模式或同時GMTI/SAR模式在50km范圍內對目標區域進行掃描，實現對動目標的檢測和跟蹤。由于SAR圖像判讀的復雜性，為增強對目標的檢測能力或對動目標即時可視偵察，無人機改變航路抵近目標20km處，開始CCD相機掃描偵察。

圖3SAR與CCD相機協同探測示意圖

2.4 三種傳感器的協同

無人機電子偵察設備、SAR、CCD相機三者協同，主要是對目標的精確定位和觀測成像，以及對目標的特征檢測等［3］。電子偵察設備、SAR和CCD相機三者協同探測過程如圖4所示。電子偵察設備在200km的距離偵察到目標輻射源的位置，引導無人機改變航路靠近目標區域。若目標為固定目標時，運用條帶/聚束SAR或CCD相機分別在距離目標50km、20km范圍內對目標進行成像或即時可視偵察；若目標為運動目標，則運用GMTI、GMTI/ SAR或CCD相機分別在距離目標50km、20km范圍內對目標進行跟蹤和即時可視偵察。若電子偵察設備未發現目標，可運用SAR大范圍條帶掃描探測，再行其他偵察方案。

圖4三種傳感器協同探測示意圖

3 多傳感器協同探測技術方案設計

3.1 協同方案設計整體思路

航路與傳感器規劃是無人機任務規劃系統的重要組成部分。作為協同探測任務系統的兩個重要模塊，航路與傳感器規劃之間存在緊密的耦合關系［4］。如何有效設計航路與傳感器使用規劃，是研究無人機多傳感器協同探測問題的關鍵。

3.1.1 無人機航路規劃

無人機的航路規劃與無人機的偵察方式及機載多傳感器的協同工作方式都有著緊密的關系。為適應無人偵察機及多種傳感器的性能需求和工作特點，達到預期的偵察目的，在設計多傳感器協同探測方案時，對無人偵察機的航路需要進行一定的分析與規劃。航路的優劣將直接關系到無人機平臺的安全及偵察任務的完成情況，合理的路徑規劃能夠有效節約偵察成本，更好地提升效率［5］。

3.1.2 傳感器使用規劃

在對傳感器資源的管理分配上，要充分考慮許多的約束條件，包括平臺性能、飛行環境、傳感器約束、目標約束、時間約束等。無人機攜帶多種傳感器，根據一定的原則選擇合適的傳感器協同工作，將有效提升無人機的偵察效能。圖5給出簡單的傳感器使用的選擇依據。

圖5傳感器使用選擇依據

在設計多傳感器協同探測方案時，根據不同任務模型和偵察傳感器的特點合理配置傳感器使用，利用電子信號偵察設備遠距離、寬領域的能力來提高偵察效率，把SAR作為偵察的主力完成目標探測，CCD相機則為兩者做出補充。較好地發揮各傳感器的優勢，提高協同探測方案的可行性。

3.2 目標查證任務模型的協同探測方案

無人機對上級指定目標或區域偵察，從其他的情報途徑得到待偵察目標或可疑目標區域的粗略坐標信息，執行目標查證作戰任務。一般選用“—字形”或“8字形”航路，電子偵察設備根據指控端輸入的信息重點掃描某一目標區域，實時獲取目標的方位和距離信息。無人機在電子偵察設備所偵測的坐標引導下，向目標輻射源靠近，執行偵察機動。根據任務區域氣象情況、無人機飛行環境、傳感器作用范圍及目標的狀態等條件，合理規劃航路及傳感器配置。理想情景下，無人機到達SAR的工作距離后，選擇SAR指令，根據任務需求運用不同工作模式，對目標進行精確定位和較高分辨率的成像偵察［6～8］；或為進一步偵測目標，無人機繼續抵近目標，到達CCD相機探測范圍后，選擇CCD指令，CCD相機對目標進行即時可視偵察，或拍攝高分辨率圖像并將其發回指控端進行情報分析。無人機執行完對敵目標的偵察任務后返航，其過程如圖6所示。

圖6目標查證偵察模式協同方案流程圖

3.3 目標搜索任務模型的協同探測方案

無人偵察機對所擔負偵察監視任務的大區域進行例行性的常規偵察，完成目標搜索的作戰任務，一般選用“z字形”航路。無人機電子偵察設備在大范圍、寬頻帶、遠距離上進行電磁信號的搜索，及時捕獲輻射源的電磁信號并進行電磁頻譜特性分析。將信號分析結果與數據庫比對，判別輻射源的信息，完成對輻射源大致定位，并進行威脅分析和態勢判別。若判斷輻射源為民用或我方裝備，無人機放棄對其采取進一步偵察行動，繼續常規巡航；若判斷輻射源為敵方或無法明確判別，無人機在電子偵察設備所獲坐標信息的引導下，向目標輻射源靠近，到達SAR的工作距離后，選擇SAR偵察指令，根據任務需求運用相應任務模式，對目標進行精確定位和高分辨率成像偵察；或為進一步偵測目標并對目標即時可視偵察，無人機繼續抵近目標，到達CCD相機工作范圍后，選擇CCD相機偵察指令，CCD相機拍攝高分辨率的彩色或黑白圖像，并將其發回指控端進行情報分析。無人機執行完對敵目標的偵察任務后繼續巡航或返航，其過程如圖7所示。

圖7目標搜索任務模型協同方案流程圖

3.4 區域監視任務模型的協同探測方案

無人機對上級指定目標區域偵察，執行對特定目標區域的長時間監視任務時，根據指定坐標抵近目標區域，以“8字形”航路或“—字形”航路繞行目標區域實施偵察監控。電子偵察設備對目標區域內的目標進行搜索、識別和標記；為解決區域內敵方目標無線電靜默問題，根據不同指令，無人機分別運用條帶SAR對目標區域進行大面積掃描，或運用聚束SAR對區域內重點目標進行偵測；也可根據實際任務需求和環境狀況對目標區域進行CCD相機“錐掃”，或SAR與CCD相機協同，完成對重點目標信息的分析和查證。之后根據指令無人機繼續巡航或返航，完成對目標區域的偵察監視任務，其過程如圖8所示。

圖8區域監視任務模型協同方案流程圖

4 多傳感器協同探測的效能評估

無人機多傳感器協同探測的作戰效能，與無人機平臺及其載荷性能相關，也與載荷的協同運用方式有密切關系。對其作戰效能的評估，有助于對無人機平臺及其載荷裝備性能的檢測和對協同探測方案的研究。

常見的作戰效能評估方法有ADC法、SEA法、指數法等。其中，ADC法作為武器裝備系統效能評估常用方法之一，在無人機多傳感器協同探測的效能評估時多被采用。其核心思想是偵察效能與可用度（A，與傳感器及其平臺的維修性、可信賴性等有關）、可信度（D，與偵察裝備及其系統的可信性、可修復性等有關）以及偵察作戰能力（C）三個因素有關［9］。

對無人機多傳感器協同探測效能的評估，通?？蛇x取與偵察相關的若干項目來實施。記E為偵察效能，則其模型為：

具體表示為

式中：Aˉ為偵察能力參數；εˉs為生存能力參數；Bˉ為機動能力參數；εˉj為平臺能力參數；ωA、ωs、ωB、ωj為各項能力參數的權重系數。

應用ADC法對無人機作戰效能評估的基本步驟為首先確定偵察能力向量A、確定機動能力矩陣D、確定平臺能力矩陣ε，然后根據計算的每個能力向量的權重，得到最終的效能評估值。完成效能評估需要考慮的方面眾多，在此只做簡要概述，為無人機多傳感器協同探測方案的可行性檢測尋找方法。

5 結語

本文設計目標查證、目標搜索和區域監視等典型偵察任務模型的多傳感器協同探測技術方案。不同的偵察傳感器具有不同的適用范圍，無人偵察機為完成對不同類型目標的偵察探測任務，需要裝載多種傳感器協同工作。根據傳感器使用特點、協同工作方式類型以及具體作戰任務情景，合理設計多傳感器協同探測技術方案，達到預期目標。

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Project Design for Multi-sensor Collaborative Reconnaissance of Unmanned Aerial Vehicle

LIU Ningbo1ZHOU Wei1SUN Yanli2
（1.Research Institute of Information Fusion，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001）（2.Department of Basic Experiment，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001）

The scope，working style and scouting process of the two or three sensors cooperative between multi-sensors were researched.The feasibility of collaborative reconnaissance between heterogeneous sensors was analyzed.Three kinds of typical multi-sensor collaborative reconnaissance technology were put forward.It would increase the reconnaissance efficiency of UAV effec?tively.

UAV，collaborative reconnaissance，multi-sensor

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.012

2017年1月13日，

2017年2月15日

國家自然科學基金“擾動反饋作用下雷達目標與海雜波差異特性認知研究”（編號：61401495）；國家自然科學基金“海上弱小目標探測信息融合新機理及方法研究”（編號：61531020）資助。

劉寧波，男，博士，講師，研究方向：信號處理。