跨平臺(tái)多傳感器目標(biāo)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)生成分布式融合算法研究

韓衛(wèi)國，尹曉燕，蔡文彬

(1.中國人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 南京 211153)

0 引 言

在現(xiàn)代化信息作戰(zhàn)中，不同作戰(zhàn)群體各平臺(tái)的幾十個(gè)傳感器受體制、功能、部署等因素的影響難以高速有效提供一致的綜合空情態(tài)勢(shì)。這制約了武器系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)攻，難以使作戰(zhàn)群體構(gòu)成有機(jī)聯(lián)系的戰(zhàn)斗整體，難以卓有成效地實(shí)現(xiàn)自身防御。

1 設(shè)計(jì)思想

大型水面艦艇具有較完善的探測(cè)設(shè)備。這些探測(cè)設(shè)備包括雷達(dá)、聲納、IFF、光電、紅外等各種傳感器，組成了一個(gè)可以覆蓋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的觀測(cè)網(wǎng)，其測(cè)量信息的維數(shù)、類型各不相同，精度也各異。一般有遠(yuǎn)程雷達(dá)，負(fù)責(zé)中高空遠(yuǎn)程警戒；中程雷達(dá)，負(fù)責(zé)中程對(duì)海和對(duì)空警戒；近程雷達(dá)，負(fù)責(zé)近程對(duì)海和對(duì)空搜索；跟蹤雷達(dá)和光電跟蹤設(shè)備具有很高的精度，負(fù)責(zé)為武器對(duì)海或?qū)丈鋼籼峁┙馑銛?shù)據(jù)；聲納用于對(duì)潛搜索，紅外負(fù)責(zé)近程警戒，電子偵察負(fù)責(zé)探測(cè)目標(biāo)的電子輻射信息，數(shù)據(jù)鏈負(fù)責(zé)跨平臺(tái)信息共享。

在多平臺(tái)聯(lián)合作戰(zhàn)中，目標(biāo)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)是基礎(chǔ)。目標(biāo)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)的生成依賴于各平臺(tái)各傳感器的信息融合。多平臺(tái)多傳感器信息融合由各平臺(tái)不同傳感器系統(tǒng)的各處理節(jié)點(diǎn)共同處理、協(xié)同完成，參與節(jié)點(diǎn)按照“各獻(xiàn)所知，各取所需”，通過協(xié)同鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式(中心節(jié)點(diǎn))處理方法，本算法針對(duì)多平臺(tái)多傳感器目標(biāo)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)生成分布式處理進(jìn)行研究。如圖1所示，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均為一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)，采用分布式融合的思想，將探測(cè)和處理任務(wù)合理分布在各節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的傳感器負(fù)責(zé)各自的探測(cè)任務(wù)，進(jìn)行處理后向其他節(jié)點(diǎn)輸出處理結(jié)果，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)本節(jié)點(diǎn)的探測(cè)處理結(jié)果和接收到的其他節(jié)點(diǎn)的處理結(jié)果信息完成態(tài)勢(shì)的合成和處理，并進(jìn)行處理后完成數(shù)據(jù)的上報(bào)。

圖1 跨平臺(tái)多傳感器協(xié)同目標(biāo)態(tài)勢(shì)生成示意圖

本算法為一種分布式融合算法，每個(gè)融合節(jié)點(diǎn)都根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理。然而，在實(shí)際使用過程中，不同的平臺(tái)根據(jù)實(shí)際需要會(huì)賦予特定的工作職能，根據(jù)相應(yīng)的工作職能各個(gè)平臺(tái)可能會(huì)有不同的融合處理規(guī)則。在本算法研究應(yīng)用場(chǎng)景中，設(shè)置一艘攔截艦和若干艘協(xié)同艦。攔截艦配置有雷達(dá)、紅外傳感器和武器系統(tǒng)。攔截艦要打擊的目標(biāo)為目指目標(biāo)，其他已錄取建航的目標(biāo)為其他目標(biāo)。每艘艦為一個(gè)融合節(jié)點(diǎn)，每個(gè)融合節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)接收各節(jié)點(diǎn)傳感器輸出的原始目標(biāo)數(shù)據(jù)和其他融合節(jié)點(diǎn)輸出的融合目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，如圖2所示。

圖2 跨平臺(tái)多傳感器協(xié)同目標(biāo)態(tài)勢(shì)生成原理框圖

1.1 目標(biāo)預(yù)處理原則

對(duì)本節(jié)點(diǎn)接收的本節(jié)點(diǎn)原始目標(biāo)數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)融合目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)比對(duì)。若本節(jié)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)融合目標(biāo)數(shù)據(jù)不相關(guān)則判為此節(jié)點(diǎn)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，由本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)航跡融合處理，建立批號(hào)對(duì)照表。統(tǒng)一批號(hào)采用節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)加發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)原始批號(hào)構(gòu)成，編批后使用統(tǒng)一批號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)融合目標(biāo)數(shù)據(jù)后本節(jié)點(diǎn)無此目標(biāo)數(shù)據(jù)，則將目標(biāo)信息傳送至本艦傳感器，并為此目標(biāo)分配批號(hào)，進(jìn)行建航跟蹤，置保持標(biāo)記，無論本艦傳感器是否有探測(cè)到此目標(biāo)，航跡始終保持。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)跟蹤的目標(biāo)航跡質(zhì)量小于1時(shí)，不對(duì)外輸出此目標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。

1.2 航跡融合處理原則

各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行航跡融合處理時(shí)，總的原則是任一目標(biāo)只能在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行融合處理并輸出，目指目標(biāo)必要由攔截艦進(jìn)行融合處理輸出。

1.2.1 目指目標(biāo)融合處理

由攔截艦負(fù)責(zé)對(duì)目指目標(biāo)的態(tài)勢(shì)進(jìn)行融合處理，處理的優(yōu)點(diǎn)如下：

(a) 保證數(shù)據(jù)輸出延時(shí)最小，由融合處理部分將延時(shí)產(chǎn)生的誤差消化；

(b) 可由攔截艦融合本艦光電傳感器共同提高目標(biāo)精度；

(c) 與武器系統(tǒng)緊密結(jié)合，共同提升本艦攔截效率和可靠性。

1.2.2 其他目標(biāo)融合處理

由發(fā)現(xiàn)艦負(fù)責(zé)對(duì)其他目標(biāo)進(jìn)行處理。由于威力或視距原因，造成發(fā)現(xiàn)艦航跡質(zhì)量持續(xù)降低時(shí)切換至威力范圍內(nèi)質(zhì)量最高艦船進(jìn)行融合處理。優(yōu)點(diǎn)如下:

(a) 由威力范圍內(nèi)艦艇對(duì)目標(biāo)進(jìn)行處理使得數(shù)據(jù)處理精度得到保障；

(b) 減少攔截艦的數(shù)據(jù)處理壓力。

1.2.3 融合處理節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)順序

(a) 目指艦船；

(b) 發(fā)現(xiàn)艦船；

(c) 發(fā)現(xiàn)艦船丟失后轉(zhuǎn)至質(zhì)量最高的艦船。

1.3 目標(biāo)交接處理原則

在各節(jié)點(diǎn)目標(biāo)融合處理過程中，由于目標(biāo)被設(shè)為目指目標(biāo)，航跡質(zhì)量下降或鏈路斷開等原因時(shí)需進(jìn)行目標(biāo)交接處理。

1.3.1 目指原因交接

如果某一協(xié)同艦融合處理的目標(biāo)被設(shè)置為目指目標(biāo)，則由攔截艦向此協(xié)同節(jié)點(diǎn)發(fā)送融合交接申請(qǐng)。目標(biāo)交接后由攔截艦對(duì)目指目標(biāo)進(jìn)行融合處理，協(xié)同艦接收融合目標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3.2 航跡質(zhì)量下降交接

如果融合目標(biāo)的航跡質(zhì)量下降則由當(dāng)前融合節(jié)點(diǎn)通過威力范圍判斷，向協(xié)同節(jié)點(diǎn)發(fā)送融合交接請(qǐng)求。目標(biāo)交接后，原融合節(jié)點(diǎn)只發(fā)送原始目標(biāo)數(shù)據(jù)，不再進(jìn)行融合處理；新融合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合處理，并發(fā)送融合后的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3.3 鏈路斷開交接

(a) 斷網(wǎng)判斷

若節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)未收到某協(xié)同艦狀態(tài)數(shù)據(jù)，表明此節(jié)點(diǎn)鏈路斷開。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)目指目標(biāo)進(jìn)行正常處理，非目指目標(biāo)使用當(dāng)前節(jié)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

(b) 融合目標(biāo)交接協(xié)調(diào)方法

發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)后，如果本節(jié)點(diǎn)傳感器探測(cè)到目標(biāo)，則使用本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)斷網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的目標(biāo)進(jìn)行處理，并輸出融合航跡數(shù)據(jù)。其他協(xié)同節(jié)點(diǎn)收到融合的數(shù)據(jù)后，根據(jù)質(zhì)量判斷準(zhǔn)則確定是否在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合處理。

(c) 質(zhì)量判斷準(zhǔn)則

根據(jù)原始航跡質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)號(hào)較小艦船進(jìn)行交接原則進(jìn)行判斷，如果全都相同則在下個(gè)周期進(jìn)行判斷。

1.3.4 目標(biāo)融合處理校驗(yàn)機(jī)制

為防止目標(biāo)交接過程中導(dǎo)致交接處理不成功，目標(biāo)未被融合處理，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)是否更新進(jìn)行判斷，若存在某一融合目標(biāo)在一定時(shí)間內(nèi)未被刷新，則按照融合目標(biāo)交接協(xié)調(diào)方法進(jìn)行后續(xù)處理。

1.4 目標(biāo)刪批處理原則

1.4.1 人工刪批

任一節(jié)點(diǎn)對(duì)原始目標(biāo)進(jìn)行刪除后，融合目標(biāo)使用融合數(shù)據(jù)進(jìn)行維持，在雷達(dá)顯示界面不進(jìn)行顯示。當(dāng)維持此目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為0時(shí)，融合目標(biāo)刪除，并同時(shí)刪除所有協(xié)同艦船上此目標(biāo)的原始目標(biāo)。

1.4.2 自動(dòng)刪批

當(dāng)且僅當(dāng)所有艦船都無法觀測(cè)到目標(biāo)且融合目標(biāo)航跡質(zhì)量下降至0時(shí)，刪除融合目標(biāo)，并刪除所有協(xié)同艦船上的此批目標(biāo)信息。

2 實(shí)現(xiàn)方法

本算法實(shí)現(xiàn)的具體信息流程圖如圖3所示。

圖3 跨平臺(tái)多傳感器協(xié)同目標(biāo)態(tài)勢(shì)生成算法信息流程圖

3 結(jié)束語

雷達(dá)是現(xiàn)代化信息戰(zhàn)中的重要傳感器，受單平臺(tái)雷達(dá)性能、資源和使用環(huán)境的限制，存在抗干擾、復(fù)雜環(huán)境下對(duì)低可觀測(cè)及隱身目標(biāo)探測(cè)和對(duì)目標(biāo)快速建航及抗局部密集飽和攻擊等能力上的不足。光電、紅外等傳感器又是雷達(dá)探測(cè)的有效補(bǔ)充。進(jìn)行多平臺(tái)多傳感器協(xié)同組網(wǎng)探測(cè)是彌補(bǔ)上述不足很有效的手段。

本文提出了一種針對(duì)跨平臺(tái)多傳感器目標(biāo)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)生成的分布式融合算法，并詳細(xì)介紹了具體實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)后續(xù)多平臺(tái)多傳感器協(xié)同組網(wǎng)的深入應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。