基于多傳感器交叉提示的臨空高速目標探測體系

謝家豪，韋道知

(空軍工程大學防空反導學院，陜西 西安 710051)

0 引言

臨近空間[1-3]是指海平面之上約20～100 km的介于最高和最低飛行區(qū)域之間的空域，臨近空間高速目標[4-6]主要是指在可以在臨近空間中完成一系列戰(zhàn)術任務的飛行器，這類武器的高機動性和高精確度等性能對如何利用現(xiàn)有傳感器進行組網(wǎng)探測現(xiàn)有的預警探測體系提出了更大的挑戰(zhàn)和更高的要求。

目前國內(nèi)外對應用多傳感器組網(wǎng)[7-9]建設協(xié)同預警探測體系的研究較為深入，多傳感器組網(wǎng)探測主要目的就是對目標的探測任務通過協(xié)作的方式完成，將多個傳感器對一個目標同時進行量測，經(jīng)信息融合，得到關于目標更為準確的信息，將此信息提供給武器系統(tǒng)，作為作戰(zhàn)的依據(jù)。文獻[10]提出了基于Holon系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡傳感器管理架構同時指出該框架具有自治性和協(xié)作性等特點。文獻[11] 體現(xiàn)出目前僅靠單一傳感器不能完成復雜的對目標探測的任務的情況并將問題拓展到了多傳感器多目標領域，運用有限集統(tǒng)計理論的模型并通過優(yōu)化目標函數(shù)使總體的不確定性降到最小，提高探測精度。本研究在多傳感器組網(wǎng)的前提下提出多傳感器交叉提示技術，該技術最早由Philip David[12]針對傳感器資源管理提出的一種新技術、新方法，指傳感器之間互相提示，通過一個傳感器探測到的目標信息提示另一個傳感器協(xié)同獲取目標更加詳細以及額外的信息，或來填補其他傳感器的覆蓋空隙進行目標的交接，以達到統(tǒng)一協(xié)調(diào)傳感器的行為。近年來樊浩[13-14]、龐策[15-16]等人對多傳感器交叉提示技術進行深入研究，提出多傳感器動態(tài)聯(lián)盟的思想，同時將博弈論算法引入到多傳感器交叉提示技術中，取得較好的效果。但是上述方法也沒有解決單一平臺探測無法實現(xiàn)對目標的連續(xù)高概率探測問題。本文針對此問題，提出了基于多傳感器交叉提示的臨空高速目標探測體系。

1 臨空高速目標探測技術需求分析

臨空高速目標的飛行馬赫數(shù)一般大于5，以吸氣式發(fā)動機或組合發(fā)動機為主要動力應用形式包括高超聲速巡航導彈、高超聲速有人或無人機、空天飛機和空天導彈等多種飛行器。表1給出了以X-51A、HTV-2和AHW為代表的典型臨近空間高速目標的參考參數(shù)。由表1參數(shù)可知，臨空高速目標的飛行速度、更高的突防能力、更大的破壞力等目標特性在作戰(zhàn)使用中，能迅速到達任意位置并實現(xiàn)對目標的快速精準打擊。

表1 典型臨近空間高速目標的參考目標特性

由于臨空高速目標具有飛行速度快，機動性強，破壞力大等特點，那么就要求預警探測系統(tǒng)的探測距離要大于1 000 km才能贏得作戰(zhàn)時間從而解決對目標的連續(xù)高概率探測與穩(wěn)定跟蹤。目前預警探測傳感器類型主要有雷達、預警機、浮空器和天基預警系統(tǒng)，具體類型如表2所示。

表2 預警探測傳感器類型

根據(jù)表2數(shù)據(jù)簡要分析各種類型傳感器的特點。

預警雷達[17]容易應急部署，駐留時間長，工作穩(wěn)定性好，探測精度高。但受地球曲率、陣面尺寸等情況影響，探測距離和探測精度有限，生存能力弱，機動性差。預警飛機使用機載雷達對指定空域進行搜索、監(jiān)視，能對關注區(qū)域應急部署，靈活性好，速度和高度適中，生存能力弱，速度和高度適中，生存能力弱。浮空器可對臨近空間目標進行遠距離的探測，容易應急部署，但其缺點在于機動能力差，上升和準備時間較長，能源供應困難。

天基預警利用天基系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識別及定位臨近空間目標，主要分為高軌衛(wèi)星和中低軌衛(wèi)星，其中天基紅外高軌系統(tǒng)由4顆高軌衛(wèi)星(GEO)和2顆大橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星構成，主要用于探測跟蹤彈道導彈助推段飛行。

表3給出天基紅外預警衛(wèi)星對X-51A的探測跟蹤能力。

表3 天基紅外預警衛(wèi)星對X-51A的探測跟蹤能力

從表3中可以看出天基預警監(jiān)視范圍廣，速度快，高度高，覆蓋范圍大，工作穩(wěn)定性和生存能力好，能早期探測并預警，但駐留時間短，機動性差，在跟蹤能力上較弱。

2 基于多傳感器交叉提示技術的臨空高速目標協(xié)同探測體系

2.1 多傳感器交叉提示技術基本概念

不同類型的傳感器部署位置不同，通過組網(wǎng)方式實現(xiàn)對目標協(xié)同探測，不同種類、不同個體傳感器之間取長補短，優(yōu)勢互補，達到單個傳感器難以達到的探測效果，大大提高傳感器性能。鑒于此，多傳感器交叉提示技術應運而生。

多傳感器交叉提示的實質(zhì)是傳感器之間的協(xié)作、協(xié)商和協(xié)調(diào)。

“協(xié)作”指當單個傳感器由于探測能力限制而不能單獨完成某項復雜的探測任務時，由多個傳感器以協(xié)作的方式協(xié)同完成該項任務，在協(xié)作過程中，多個傳感器之間共同承擔作戰(zhàn)任務，并資源共享。

“協(xié)商”是指多個傳感器就目標特征和傳感器特性等相互交流，以此確定最佳的協(xié)作方案。

“協(xié)調(diào)”是指隨著作戰(zhàn)態(tài)勢的變化，當傳感器之間的協(xié)作方案不再適用時，通過對傳感器資源調(diào)整，使協(xié)作方案重新適應新的作戰(zhàn)態(tài)勢。

2.2 多傳感器交叉提示技術分析

2.2.1多傳感器交叉提示發(fā)生條件

以兩個傳感器為例進行分析。假設傳感器s1和傳感器s2之間的距離為l，s1和s2的探測半徑和通信半徑分別為r1,R1；r2,R2。假設r1

R1≥l

(1)

R2≥l

(2)

r1+r2≥l

(3)

s1和s2之間發(fā)生提示的條件示意圖如圖1所示。

圖1 兩個傳感器產(chǎn)生提示的條件Fig.1 The conditions for two sensors to generate hints

2.2.2多傳感器交叉提示概率分析

1) 目標靜止情況

假設s1為提示傳感器，s2為被提示傳感器，r=r1=R1=r2=R2，假設目標處于S0=S1∩S2區(qū)域內(nèi)時，記s1對s2提示為事件A，事件A發(fā)生的概率記為P(A)，則有：

P(A)=S0/S1

(4)

式(4)中，S1為s1的探測區(qū)域，S2為s2的探測區(qū)域。

經(jīng)過幾何分析計算可得：

(5)

2) 目標運動情況

若目標在運動過程中將要“逃離”s1的探測區(qū)域，這是就需要s1提示其它傳感器進行任務交接，設s1對s2進行任務交接為事件B，事件B發(fā)生的概率記為P(B)，則有：

P(B)=P(A)·(1-(S1∩S2)/S2)

(6)

假設當S1=S2時，有：

P(B)=P(A)(1-P(A))

(7)

3) 一般情況

若忽略r=r1=R1=r2=R2，則有：

(8)

當l=100時，P(A)、P(B)與r1、r2關系如圖2所示。

圖2 P(A)、P(B)與r1、r2關系Fig.2 Relationship between P(A)、P(B) and r1、r2

2.2.3多傳感器組網(wǎng)協(xié)同探測

為了更好地說明利用多傳感器交叉提示技術可以將地基、海基、空基、天基預警系統(tǒng)組成的多傳感器組網(wǎng)探測系統(tǒng)實現(xiàn)對臨空高速目標的有效探測，本文選取HTV-2作為目標進行分析，圖3給出了HTV-2作戰(zhàn)飛行軌跡圖和在飛行過程中應用多傳感器交叉提示技術進行協(xié)同組網(wǎng)探測的示意圖。

圖3 多傳感器協(xié)同組網(wǎng)探測體系示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor coordination network detection system

從圖3中可以看出多傳感器交叉提示自動發(fā)生在各個傳感器之間，在整個過程中，不接受作戰(zhàn)控制指揮中心發(fā)送的命令，或受到作戰(zhàn)指揮控制中心的有限控制，只是將信息返回到信息處理節(jié)點，通過交叉提示將得到的信息進行融合[18-19]，有助于實現(xiàn)整個系統(tǒng)性能的優(yōu)化，從而獲得更為詳細的目標信息，提高探測的精度，減少目標位置和屬性的不確定性。

因此，面向臨空高速目標探測的多傳感器交叉提示具體工作過程如圖4所示。

1) 綜合融合中心預先存儲信息以及在目標環(huán)境中傳感器節(jié)點接收到的反饋信息，如臨空高速目標的特征數(shù)據(jù)和空間位置等數(shù)據(jù)進行信息融合[20]，產(chǎn)生期望性能指標并判斷是否滿足性能指標和提示條件，不滿足，則需要進行交叉提示；

2) 根據(jù)提示需求產(chǎn)生交叉提示任務，即任務類型和任務優(yōu)先級，主要包括目標的探測、跟蹤、識別以及能夠保證在探測和跟蹤范圍內(nèi)的被提示傳感器集合。

3) 提示傳感器根據(jù)某種原則、方法、機制(即提示算法)將任務信息提示給被提示傳感器集合中的傳感器，被提示的傳感器根據(jù)任務信息對自身所測量的信息精度和探測范圍進行對照并做出響應，以確定如何進行傳感器調(diào)度通過控制傳感器的視場、工作模式、時間范圍等參數(shù)以及任務執(zhí)行方式進行信息的獲取，最終實現(xiàn)全面探測與穩(wěn)定跟蹤。

圖4 面向臨空高速目標探測的多傳感器交叉提示過程Fig.4 Multi-sensor cross cueing technology for near space high-speed targets detection

3 仿真分析

本文主要通過衛(wèi)星工具箱(STK)軟件進行建模、仿真和分析。STK軟件主要對復雜任務進行建模，如飛機、衛(wèi)星、地面車輛、艦船及其傳感器等，評估其在真實環(huán)境或仿真環(huán)境下的性能，可以解決空間位置特性、設施位置及方向等動態(tài)分析難題。

3.1 平臺搭建

本文將傳感器細化到具體某一設備，即假設部署4顆地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)、2顆大橢圓軌道衛(wèi)星(HEO)、12顆低軌衛(wèi)(LEO)、2個臨空基探測器、2個空基探測器、4部地基探測雷達。

1) GEO是回歸周期為1個恒星日(1436.1 min)在赤道附近，傾角和偏心率均為0的圓軌道。距離地面為3 600 km，按經(jīng)度均勻覆蓋在80°S～80°N范圍內(nèi)。

2) HEO部署的近地點約為500 km，遠地點約為50 000 km。軌道傾角為63.4°，向高北緯度地區(qū)提供通信服務，軌道回歸周期為16 h。

3) LEO分別部署在三個軌道平面，距離地面1800 km，回歸周期90 min。

4) 臨空基探測器部署在距離地面20 km處，探測距離1800 km，空基探測器部署在距離地面5～10 km，探測距離1 400 km，6部地基探測雷達固定部署。

5) GEO、HEO、LEO上均搭載掃描型和凝視型兩種探測器，視場范圍分別為10°×20°和0.5°×0.5°。

平臺搭建結果如圖5所示。

圖5 平臺搭建結果圖Fig.5 Platform building result diagram

3.2 系統(tǒng)靜態(tài)覆蓋效果分析

靜態(tài)覆蓋效果如圖6所示。從圖6可以看出，全球大部分區(qū)域已基本實現(xiàn)覆蓋，可以滿足全球預警探測要求，重點監(jiān)測區(qū)域可以實現(xiàn)多重覆蓋。

圖6 靜態(tài)覆蓋效果圖Fig.6 Static coverage effect diagram

3.3 系統(tǒng)動態(tài)覆蓋效果分析

通過仿真平臺的搭建和圖4對臨空高速目標探測的多傳感器交叉提示過程的分析，現(xiàn)考慮將多傳感器探測體系中是否運用多傳感器交叉提示技術進行對比實驗，對系統(tǒng)的動態(tài)覆蓋效果進行仿真分析，以覆蓋率為主要性能指標，從動態(tài)覆蓋效果、時間滿足效果、時間覆蓋效果、對某重點探測區(qū)域的覆蓋效果幾個角度進行仿真分析。

1) 動態(tài)覆蓋效果

動態(tài)覆蓋效果圖如圖7所示。

根據(jù)圖7(a)可知，在運行周期內(nèi)，全球覆蓋率超過99.39%，覆蓋范圍接近99.93%。而圖7(b)說明在不利用交叉提示技術時，覆蓋率最高僅能達到93%，可見多傳感器交叉提示技術可以在協(xié)同探測中起到一定的作用，基本可以實現(xiàn)對目標的連續(xù)高概率探測。

圖7 動態(tài)覆蓋效果圖Fig.7 Dynamic coverage effect diagram

2) 時間滿足效果

時間滿足報告圖如圖8所示。

圖8 時間滿足報告圖Fig.8 Satisfied by time diagram

從圖8(a)可以看出在整個運行周期內(nèi)，系統(tǒng)每一時刻對整個覆蓋區(qū)域中滿足兩顆星同時看到的柵格相對于整個覆蓋區(qū)域的百分率達到93.6%，為后續(xù)與地基平臺協(xié)同跟蹤提供了支撐。但圖8(b)的時間滿足度低，只能達到80%左右，而且波動幅度較大，探測效果較差。

3) 時間覆蓋效果

時間覆蓋效果圖如圖9所示。

圖9 時間覆蓋效果圖Fig.9 Time coverage effect diagram

從圖9(a)、(b)兩幅圖可以看出，平臺均能滿足在覆蓋區(qū)域內(nèi)對臨空高速目標探測的需要。但是(a)圖在南緯75°左右實現(xiàn)了飛行的全部時間內(nèi)實現(xiàn)探測跟蹤，而(b)圖在北緯45°才實現(xiàn)全時間探測，滿足在覆蓋區(qū)域內(nèi)對臨空高速目標探測的需要。

4) 對某重點探測區(qū)域的覆蓋效果

下圖10為對某重點探測區(qū)域的覆蓋效果分析。

圖10 地區(qū)覆蓋持續(xù)時間圖Fig.10 Region coverage time diagram

從圖中可以看出對于重點探測區(qū)域，在協(xié)同組網(wǎng)中應用多傳感器交叉提示技術可以實現(xiàn)時間間隔內(nèi)全覆蓋，對重點關注地區(qū)實現(xiàn)全天候連續(xù)探測，但是不采取交叉提示技術在探測過程中存在盲區(qū)，不能實現(xiàn)全程探測，因此運用多傳感器交叉提示技術在某些程度上來說具有一定的軍事意義。

3.4 不同算法對預警探測的影響

為驗證本文所提交叉提示算法的先進性，本文將其與改進蜂群算法和粒子群算法進行對比分析，進行50次蒙特卡洛實驗來驗證本文提出的算法在預警探測體系中的重要作用，結果如圖11和圖12所示。

圖11 三種算法性能對比Fig.11 The comparison of three algorithms

圖12 三種算法運行時間對比Fig.12 The comparison of three algorithms’ running time

由圖11和圖12可知，三種算法均收斂，但是本文算法在迭代13次后達到最優(yōu)解而且求解精度較高同時算法運行時間最短；相比而言粒子群算法在求解精度和算法運行時間上次于改進蜂群算法。通過以上分析表明本文算法在預警探測中可以起到重要作用，驗證了算法的先進性，同時說明該算法可以更好的實現(xiàn)對目標的連續(xù)高概率探測。

4 結論

本文提出了基于多傳感器交叉提示的臨空高速目標探測體系。該體系通過分析臨空高速目標的探測需求并對傳感器交叉提示基本概念、發(fā)生條件和傳感器部署距離進行定量計算，通過搭建多傳感器協(xié)同探測仿真系統(tǒng)對比分析有無運用交叉提示技術對目標覆蓋效果的影響，同時對比的方式驗證了不同算法對預警探測的影響。仿真結果表明，天基、空基、地基(?；?等多傳感器組網(wǎng)能夠有效彌補單一探測平臺的不足，并證明了多傳感器協(xié)同組網(wǎng)探測的必要性和可行性。同時表明本文算法在收斂速度、求解精度和算法運行時間上均優(yōu)于改進蜂群算法和粒子群算法，驗證了算法的先進性。