多平臺多傳感器相互引導目標搜索策略研究

張懌颋, 何建華, 陶思琦, 姬文生, 陳利斌

(1.西北工業(yè)大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072; 2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京 100094)

多平臺多傳感器相互引導是協(xié)同搜索與跟蹤的一種重要方式,即利用指示傳感器觀測獲得的信息引導異平臺傳感器迅速對準目標進行探測搜索并確認是否捕獲該目標。其中,指示傳感器引導異平臺傳感器最終捕獲目標的概率(即成功引導概率)是判定多平臺多傳感器相互引導性能的重要指標。

作為多平臺多傳感器相互引導的基礎,單平臺下主要研究了單目標情況下ESM對2D雷達、IRST對3D雷達的引導成功概率及其隨某些參數變化的規(guī)律[1-3],探討了存在干擾目標時IRST引導雷達的性能[4]。多平臺多傳感器目標引導分別分析了平臺間ESM、IRST對雷達的指示引導問題,推導出測角誤差傳遞方程和成功引導概率并進行仿真[5-6];文獻[7]探討了多平臺異平面?zhèn)鞲衅鞯囊龑栴},給出了引導誤差傳遞公式和多平臺下測角轉換方程;探討了多平臺多傳感器的數據配準問題[8]。文獻[9-10]研究了傳感器指示引導下雷達的搜索空域及策略;雷達組網的引導過程主要包括引導信息及坐標轉換、雷達搜索過程中的波位編排[11]。文獻[12]分析了不同種類傳感器相互引導的重要作用。針對具體場景,進一步探究異傳感器間的引導問題并研究其實現(xiàn)方法[13-14]。

現(xiàn)有文獻在研究傳感器引導雷達的搜索策略時多只研究單平臺多傳感器的相互引導,對引導搜索雷達波位編排的研究也局限于單平臺情況;在分析運動目標在搜索空域的出現(xiàn)概率密度及成功引導概率過程中由于公式推導不嚴謹而存在不精確的問題。因此,本文詳細分析及推導精確的運動目標指示空域分布概率、完善成功引導概率方程,探究多平臺異平面多傳感器相互引導的原理與過程,給出以引導中心為起始波位、距離遞進搜索且控制單波位誤交接概率水平的雷達搜索策略并進行仿真驗證。

1 傳感器引導模型

圖1 多平臺下傳感器引導雷達的空間關系示意圖

1.1 引導誤差分析

(1)

(2)

(3)

則目標在被引導雷達坐標系內的方位、俯仰方差為

1.2 引導成功概率分析

由上述推導可知,目標i出現(xiàn)在指示引導空域的概率密度可作如下表示

fi(θ′,φ′)=

(6)

考慮相對運動誤差時目標方位角的概率密度

fi(θ′)=

(7)

考慮相對運動誤差時目標俯仰角的概率密度

fi(φ′)=

(8)

則目標出現(xiàn)在指示空域的概率密度可表示為:

(9)

設目標方位真值處于被引導雷達方位探測范圍內的事件為Xθ,目標俯仰真值處于雷達俯仰探測范圍內的事件為Xφ。令Fθ/2=Fθ/2,并將單個目標的(Sθmi,Sφmi)簡寫為(Smθ,Smφ),則引導結束時待捕獲目標仍處在被引導雷達視域內的概率為:

(10)

(11)

(12)

同理有

(13)

則成功引導概率可表示為

(14)

接著定義判決空域A0,即被捕獲的引導交接目標所在的空域。用fi(a)表示(9)式,Pi表示目標i在某一空域Ak的分布概率:

(15)

為保證目標交接在多目標情況下能準確完成,定義

(16)

1.3 搜索空域與誤交接概率分析

在指示傳感器提供待捕獲目標的方位、俯仰引導信息并轉換到被引導雷達坐標系下后,相控陣雷達依靠優(yōu)越的波束捷變能力在指定空域內按照特定的搜索策略對目標進行掃描搜索,當引導成功概率達到某一門限值時即可宣告捕獲完成。

N0=T0/t0

(17)

在多目標環(huán)境中,被引導雷達在指示引導空域內對待捕獲目標(記為第0號)若只追求其高探測概率,則有可能導致對非待捕獲目標也是高探測概率,進而可能導致捕獲失敗。

(18)

(19)

在傳統(tǒng)工程應用中,搜索空域的確定一般采用“3σ”準則,即取(θ,φ)=±3σ,其中σ為引導信息的測角均方差。當考慮載機平臺與目標之間的最大相對運動偏差(Sθmi,Sφmi)時,搜索空域的大小應更正為:θi=±3(σθi+Sθmi),φi=±3(σφi+Sφmi)。相控陣雷達因其靈活的波束捷變能力,在引導過程中通過合理的搜索策略,可以先搜取目標分布概率高的區(qū)域,因此一開始搜索空域是不定的。

2 引導雷達搜索策略

2.1 引導搜索策略優(yōu)化

被引導雷達的搜索策略包括波束搜索的起始位置及其照射順序。當待搜索空域內存在多個目標時,設定如下搜索策略:當被引導雷達對0號目標的捕獲概率滿足一門限值(記為P0)后,停止增加新的搜索波位;多目標情況下,控制單個波位誤交接概率在一門限值Pwjjpd以下,從而更為精確地使整個搜索空域的誤交接概率降低到一個可接受范圍;用時效性要求抑制搜索波位數的增長。

搜索策略優(yōu)化的理論公式如下:

Ωini=argmaxPd

(20)

式中,Ωini表示初始捕獲概率最大的波位,并作為雷達搜索的起始波位。

2.2 仿真計算流程

被引導雷達搜索策略優(yōu)化流程如下:

1) 以引導信息給出的目標位置為初始搜索波位中心,已知雷達在該波位上的捕獲概率最大,以該波位(記為Ω1)為搜索中心進行波位編排,搜索空域Ω由流程中所有雷達波束照射過的位置構成。

2) 計算當前搜索波位內的誤交接概率,判斷其是否在單個波位誤交接概率門限內。

7) 重復仿照步驟5)～步驟6)進行搜索,直到

3 仿真分析

由于不同探測精度的傳感器都可以為搜索雷達提供引導信息,本文分別選擇IRST、ESM和雷達作為指示傳感器,設置2種場景進行仿真驗證。設引導信息提供的待捕獲目標的位置估計值為[54°,37°]。由于IRST測角精度較高,假設其測角標準差為[0.3°,0.3°];ESM精度較差,假設其測角標準差為[2°,2°];指示雷達精度介于IRST和ESM之間,假設其測角標準差為[1°,1°]。設被引導雷達瞬時視場大小為1°×1°,捕獲概率門限為80%,引導有效波位數為60,單個波位波束駐留時間為5 ms。假設被引導雷達在指示傳感器坐標系中的位置(x0,y0,z0)=(1 000 m,2 000 m,-1 000 m),位置標準差σx0,σy0,σz0均為50 m;目標斜距估計值R=50 000 m,標準差σR=100 m,目標與平臺相對運動最大偏差Sm為[0.5°,0.5°]。

場景1 當交接空域僅存在待捕獲目標時,分別令IRST、ESM和指示雷達牽引雷達對目標進行搜索。

圖2 多平臺單目標IRST引導雷達的波位編排 圖3 多平臺單目標ESM引導雷達的波位編排 圖4 多平臺單目標雷達引導雷達的波位編排

圖2～4為多平臺單目標情況下IRST、ESM、雷達3種傳感器引導雷達搜索的波位編排結果。多平臺條件下引導信息經過坐標系轉換,待捕獲目標的方位、俯仰位置變?yōu)閇53.44°,39.49°]。當IRST引導雷達時,測角精度轉換為σθ=0.326 5,σφ=0.312 1,經過4個波位捕獲目標,引導捕獲概率為84.29%,成功引導時間為20 ms;ESM引導時,測角精度轉換為σθ=2.118,σφ=2.044,經過46個波位捕獲目標,引導捕獲概率為80.4%,成功引導時間為230 ms;雷達引導時,測角精度轉換為σθ=1.061,σφ=1.023,經過14個波位捕獲目標,引導捕獲概率為81.6%,成功引導時間為70 ms。3種傳感器引導概率比較結果如圖5所示。

圖5 單目標3種傳感器引導雷達成功概率

圖2中的線框是傳統(tǒng)搜索策略采用的3σ準則劃定的搜索空域,經計算可知:傳統(tǒng)搜索方式下IRST、ESM、雷達引導時分別需用25、225、81個波位完成捕獲。對比可得,本文提出的搜索策略縮小了空域搜索范圍,最大程度上節(jié)約了雷達搜索資源,提高了搜索效率。

場景2 當傳感器引導雷達的探測范圍內存在干擾目標時,不同的指示傳感器因其精度不同,最終的引導搜索效果也不同。假設指示傳感器在待測目標附近探測到2個干擾目標,IRST因其精度較高,所測干擾目標距待捕獲目標較近；雷達、ESM因其精度較低,所測干擾目標偏離較遠。當考慮誤交接概率時,因干擾目標相對位置及傳感器測角精度不同,分別設IRST、雷達、ESM引導下的單個波位誤交接概率門限為:30%,40%,50%。

圖6～8為多平臺多目標情況下IRST、ESM、雷達3種傳感器引導雷達搜索的波位編排結果，其引導性能比較如表1所示。其中:Pwjj1為不考慮Pwjjpd的傳統(tǒng)搜索策略的總誤交接概率;Pwjj2為考慮Pwjjpd的總誤交接概率。由表可知:3種傳感器引導雷達在本文所提搜索策略下搜索的總誤交接概率相較于傳統(tǒng)搜索策略均有大幅度降低,并且在測角誤差高的情況下效果更為顯著。

圖6 多平臺多目標IRST引導 圖7 多平臺多目標ESM引導 圖8 多平臺多目標雷達引導 雷達的波位編排 雷達的波位編排 雷達的波位編排

表1 多目標3種傳感器引導性能比較

實際引導中,單個波位誤交接概率門限Pwjjpd的值需要謹慎選取。當Pwjjpd過大時,可能會導致被引導雷達對待捕獲目標分布概率較低的波位進行“多余搜索”;Pwjjpd過小時,又會使被引導雷達在搜索過程中忽略一些待捕獲目標實際分布概率較高的波位。對于Pwjjpd的選取,一個先決原則是:所選指示傳感器測角誤差越大,Pwjjpd應適當調高;指示傳感器測得干擾目標距待捕獲目標越遠,Pwjjpd應適當調低?？傮w上應保證在引導時效性要求內能夠成功捕獲目標,同時控制總誤交接概率在一個較低范圍內。

4 結 論

文章探討的核心問題是當真實戰(zhàn)場環(huán)境中存在多個運動目標時,選定平臺傳感器如何引導異平臺雷達對待捕獲目標進行快速、及時、準確地搜索捕獲。以傳感器引導模型為基礎,對多平臺多傳感器相互引導的目標搜索策略展開研究,分析平臺間引導誤差傳遞,構建目標空域分布概率模型;推導成功引導概率及誤交接概率,進一步給出以引導中心所在波位為起始、距離遞進搜索且控制單波位誤交接概率水平的引導雷達搜索策略。多場景仿真表明該搜索策略在確保成功捕獲目標的同時,滿足引導時效性要求、極大地節(jié)約了雷達搜索資源且降低了整個搜索過程的誤交接概率;仿真過程中動態(tài)更新目標空域分布概率并記錄,具有良好的實時性和存儲性。所提引導搜索策略可用于多平臺多傳感器協(xié)同搜索動態(tài)規(guī)劃軟件設計工程。