多光電偵察設備綜合網(wǎng)絡體系方案研究

趙俊成，劉建平

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

引言

未來戰(zhàn)爭將是以信息進攻和信息防御為主導而展開的斗爭，并且會愈加尖銳和激烈。光電偵察系統(tǒng)布站組網(wǎng)可作為重要的情報信息源，是指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視與偵察(C4ISR)系統(tǒng)的支撐部分[1]。在目前高技術條件下的局部戰(zhàn)爭中，攻擊無人機和巡航導彈已經(jīng)成為一種重要的精確攻擊武器，在歷次戰(zhàn)爭的空襲中都發(fā)揮了卓越功效。無人機和巡航導彈作為一種低空突防的隱身目標，對其防御的關鍵就是探測與跟蹤[2-6]。由于其具有低空性能和隱身性能特點，用單一的探測手段很難發(fā)現(xiàn)目標，且單臺光電偵察設備很難實現(xiàn)對多目標的探測處理，同時由于光電偵察系統(tǒng)多采用凝視跟蹤手段來實現(xiàn)對低空快速小目標的偵察與跟蹤，很難實現(xiàn)全空域搜索，并且由于光的物理特性和地球曲率等因素影響，光電設備對快速小目標作用距離不遠，尤其是激光探測距離很小，一般不大于50 km[7-8]。

針對單臺光電設備存在的缺陷，為了擴大防御范圍，需要研究將多臺光電偵察設備適當布站組網(wǎng)，前伸警戒線，力爭盡早預警，實施監(jiān)控。

1 光電組網(wǎng)優(yōu)勢及必要性

光電偵察系統(tǒng)組網(wǎng)技術是通過將多部不同光譜探測、不同體制的光電偵察設備適當布站，借助通信手段鏈接成網(wǎng)，通過中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成一個有機整體，使光電偵察、跟蹤系統(tǒng)陣列化、網(wǎng)絡化，形成區(qū)域偵察系統(tǒng)，實現(xiàn)防空要地大區(qū)域內(nèi)截獲目標，并可對目標進行多點接力跟蹤、測量、定位，實現(xiàn)對目標全程跟蹤，也能夠通過多單元交會測量獲取目標位置數(shù)據(jù)。由于單一傳感器的視野范圍是有限的，利用方位連續(xù)掃描或多傳感器視場拼接可解決單傳感器視角不足這一問題[9-10]，但是其作用距離仍然有限。通過采用陣列布站組網(wǎng)可以擴大光電偵察系統(tǒng)的偵察覆蓋范圍和探測距離。這種將多個光電偵察站聯(lián)系起來構建的遠程預警網(wǎng)，采用陣列式、柵格化布局，由中心站統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實現(xiàn)多個偵察站協(xié)同工作，聯(lián)合探測目標，進行順序接力探測、跟蹤，擴大了偵察范圍，能夠縮短預警時間，拓展防空空間，從而實現(xiàn)遠距離大范圍光電偵察。

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外較早地對偵察設備組網(wǎng)進行了一系列的研究，得到了大量研究成果。在20世紀90年代美國國防高級研究計劃院和美國陸軍一起對偵察設備組網(wǎng)開始了研究，主要通過分布在戰(zhàn)場的偵察設備對陸軍戰(zhàn)場進行警戒、目標跟蹤以及截獲[11]。國內(nèi)對偵察設備組網(wǎng)問題也進行了一系列的研究，但主要集中在類似對雷達等偵察設備的組網(wǎng)研究。

這些研究使單個偵察設備的性能得以改善，目前已經(jīng)有多個國家已經(jīng)使用組網(wǎng)技術進行公共氣象服務以及進行空中交通管制。因為組網(wǎng)中增加一部現(xiàn)有偵察設備成本較低，并且能夠使偵察準確度得到提升。但是多部偵察設備消耗更多資源，如何使偵察設備組網(wǎng)通過合理布局以及資源分配來達到最優(yōu)的偵察性能是組網(wǎng)技術的關鍵。

1.2 光電組網(wǎng)優(yōu)勢

光電偵察系統(tǒng)布站組網(wǎng)后有其獨特的優(yōu)勢：可以在所轄作戰(zhàn)空域內(nèi)實行接力跟蹤，多層次警戒，探測各種來襲目標，并對目標進行多重定位、補盲，做到不漏情報和減少虛警；同時在中心站對各站上報的來襲目標數(shù)據(jù)進行融合處理和綜合判斷，及時列出各目標的威脅等級，并對各種威脅目標提出相應的對抗措施，實現(xiàn)對防區(qū)內(nèi)重點目標的有效保護，提高了己方的生存能力。整套系統(tǒng)很容易進行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，提高了系統(tǒng)的搜索效率，節(jié)省了系統(tǒng)的反應時間。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享并為其他光電偵察站提供目標指示信息，快速發(fā)現(xiàn)并捕獲跟蹤目標。相鄰光電偵察站通過中心站協(xié)調(diào)實現(xiàn)對目標的接力跟蹤，進一步實現(xiàn)對目標的遠距離、多波次火力打擊，也可實現(xiàn)全空域探測跟蹤目標，提高防空系統(tǒng)的可靠性。

本文著眼于遠距離大范圍光電偵察技術，提出了偵察站的布置和組網(wǎng)方法，重點研究了陣列式光電偵察系統(tǒng)布站方法，組網(wǎng)單元間距的設置、組網(wǎng)偵察區(qū)域布置和覆蓋密度分析和目標發(fā)現(xiàn)概率分析計算等。

2 布站組網(wǎng)方案

2.1 布站方案設計

把分散的單個光電偵察單元進行組網(wǎng)，通過將資源合理配置和優(yōu)化，就能從技術和戰(zhàn)術兩個方面充分挖掘和利用陣列式網(wǎng)站的綜合效能。系統(tǒng)布站采用行列矩陣結構，由m×n個光電偵察陣列組成，每個光電偵察站均具有獨立遠距離探測和跟蹤目標的能力，通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)信息共享。

通過單站偵察能力、網(wǎng)絡傳輸能力、中心站處理能力、資源優(yōu)化配置等多方面綜合考慮，本系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模預設為30個偵察站和一個中心站，每個偵察站的偵察范圍為不小于20 km。同時，整套系統(tǒng)目標要求偵察范圍覆蓋不小于100 km×100 km。

根據(jù)方案設計目標，需在保衛(wèi)目標的四周各來襲方向對稱布站，采取等間距四邊形配置方案，30個光電偵察站矩形布站，形成5×6陣列，還需要保證陣列內(nèi)相鄰單元之間有一定的偵察覆蓋區(qū)域，無偵察盲區(qū)。因為偵察站的偵察范圍為20 km，所以各單元間隔應不小于15 km，可保證達到預定偵察覆蓋面積。在布站間距為15 km時，具體布站分布如圖1所示。整個網(wǎng)絡的部署區(qū)域為60 km×75 km，系統(tǒng)偵察范圍將能達到100 km×115 km。

圖1 布站方案設計Fig.1 Design of station distribution scheme

在布陣方案的選擇上，本文兼顧了縱深或者淺近縱深地區(qū)，使前沿部署與縱深部署在規(guī)定的最低偵察覆蓋上有機結合，從而提高偵察系統(tǒng)組網(wǎng)的能力。在保衛(wèi)目標或保衛(wèi)區(qū)域的周圍，根據(jù)此布站方法進行設計，采用方陣布站模式，很容易實現(xiàn)布站間距和排列方式均勻、對等，而其他布站模式如圓形就很難做到，因此本文采用方陣的布站方法。

2.2 組網(wǎng)方案設計

在完成各光電偵察設備布站后，還需要借助通信(無線或有線)手段將其鏈接成網(wǎng)[12]，從而通過中心站統(tǒng)一管理，形成一個有機整體，建立“信息共享，各自為戰(zhàn)”的對等系統(tǒng)網(wǎng)絡。中心站收集網(wǎng)內(nèi)各光電偵察設備獲取的數(shù)據(jù)信息，綜合處理后形成組網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報信息，同時指示系統(tǒng)內(nèi)其他設備對不同威脅等級的目標采取不同措施。

陣列式光電系統(tǒng)組網(wǎng)是典型的分布式軍事信息系統(tǒng)。由于各站分布在不同的地域獨立工作，與融合中心之間通過網(wǎng)絡通信進行數(shù)據(jù)傳輸，所以我們采用分布交互式體系結構，建立在互聯(lián)網(wǎng)絡基礎上，把分散在不同地點的設備聯(lián)系起來，形成一個在時間和空間上相互耦合的綜合作戰(zhàn)環(huán)境體系。

本光電偵察系統(tǒng)組網(wǎng)采用層次型分布式雙冗余10/100 MB自適應以太網(wǎng)，網(wǎng)絡的邏輯結構見圖2所示。

圖2 光電偵察系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構圖Fig.2 Structure diagram of photoelectric reconnaissance system network

光電偵察系統(tǒng)網(wǎng)絡的物理連接方式采用10BASE-T/100BASE-TX星型拓撲結構。核心層交換機是訪問層交換機互連的高速主干，采用雙冗余堆疊式結構，并配置高速以太網(wǎng)接口。對于交換機的配置，由系統(tǒng)統(tǒng)一組織進行配置，訪問層交換機與核心層交換機連接，使用訪問層交換機的各個分系統(tǒng)，選取同種型號的訪問層交換機，并將交換機上序號順序最后的4個百兆端口進行相互級聯(lián)，用于訪問層交換機之間的冗余連接。

3 布站間距分析

為了在較遠的距離上提供空情，防止敵方實施突然襲擊，光電布站通常在作戰(zhàn)地域靠近前沿的地帶部署一定的偵察單元，盡量前伸警戒線，力爭盡早預警，實施監(jiān)控。但考慮到單站偵察能力有限，增大布站間距有可能導致偵察盲區(qū)，因此還需要分析計算出一個最優(yōu)的布站間距。

本文所述的陣列式光電偵察系統(tǒng)根據(jù)保衛(wèi)對象的不同，可以采用不同的陣列結構，其布站的方法相近。為了便于分析，以上文方案中的5×6光電偵察陣列進行分析。本系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模為30個偵察站和一個中心站，按照5×6陣列布置，各個偵察單元的作用距離不小于20 km。若各單元間距為20 km，即整個網(wǎng)絡的部署區(qū)域為80 km×100 km，則系統(tǒng)偵察范圍將達到120 km×140 km。

在單個光電偵察站偵察距離固定的情況下，為了選出最優(yōu)的布站間距，我們分別采取10 km，15 km，18 km，20 km等多種不同間距進行組網(wǎng)布站分析。圖3為采取5×6陣列布站，在4種不同間距下的布站分布圖。

4種不同間距情況下的部署區(qū)域、偵察范圍和最大覆蓋密度比較見表1所示。

圖3 不同間距下的網(wǎng)絡覆蓋范圍示意圖Fig.3 Schematic diagram of network coverage area at different spacings

表1 相同單元不同布站間距比較Table 1 Comparison of the same unit at different spacings

從圖3和表1可以看出，布站間距的選擇和單站的作用距離有關。布站間距越小，陣列內(nèi)覆蓋密度越高，在單站的作用距離一定，偵察總范圍相同的情況下，使用的單元數(shù)越多，成本就越高，資源利用率比較低，處理的數(shù)據(jù)量也比較大，不過其數(shù)據(jù)的可信度卻比較高。通過對幾種陣列化布站研究和分析，在單站作用距離不小于20 km時，合理的布站間距在15 km～20 km之間，按照15 km間距布站，系統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn)效能最優(yōu)。為了減少陣列單元的數(shù)量，降低成本，在單站作用距離不小于20 km時，可以將布站間距提高到20 km。

4 作戰(zhàn)效能分析

作戰(zhàn)效能分析從兩方面入手，即整體性和協(xié)同性。從整體出發(fā)而不是從分系統(tǒng)或部件出發(fā)，對偵察系統(tǒng)組網(wǎng)作戰(zhàn)能力的分析應該遵循整體性的原則，真正的理解偵察系統(tǒng)組網(wǎng)所具有的單站無法比擬的優(yōu)勢。協(xié)同性方面，任何系統(tǒng)均由多個分系統(tǒng)和多個要素組成，它們之間并不是簡單的拼湊，而是密切關聯(lián)，具有因果關系、協(xié)同關系和總體均衡性，不只是需要優(yōu)化某一方面。因此我們分析系統(tǒng)的問題就以這種因果關系、協(xié)同關系為條件，研究系統(tǒng)中要素與要素、要素與系統(tǒng)、系統(tǒng)與環(huán)境間的各種關系，把握這種關系。

為了客觀地量化分析陣列式光電偵察系統(tǒng)相對于單站作戰(zhàn)效能的指標提升，我們建立如下數(shù)學模型：

1) 系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模為5×6個單元，各單元間距選擇上文中分析得出的最優(yōu)間距R=15 km;

2) 計算出單站偵察范圍，每個光電偵察單元對巡航導彈的探測距離r≥20 km，則單站全向掃描覆蓋的區(qū)域為：πr2=3.14×202=1 256 km2；

3) 計算網(wǎng)絡覆蓋范圍，整個偵察網(wǎng)絡覆蓋范圍為100 km×115 km；

4) 定位網(wǎng)絡保護目標，被保護目標在指定偵察覆蓋范圍中心。

在上述模型基礎上，可以量化分析系統(tǒng)網(wǎng)絡作戰(zhàn)效能。按照圖1所示布站，網(wǎng)絡部署區(qū)域SS可表示為

SS=((m-1)×R)×(n-1)×R

(1)

式中R為布站間距。那么5×6陣列網(wǎng)絡部署區(qū)域為60 km×75 km。

網(wǎng)絡覆蓋范圍ST可近似表示為

ST=((m-1)×R+2r)×((n-1)×R+2r)

(2)

式中r為單站作用距離。5×6陣列網(wǎng)絡覆蓋范圍約為100 km×115 km。

4.1 覆蓋密度分析

對使用30個光電偵察單元在最優(yōu)布站方式下的威力覆蓋密度進行分析。5×6陣列式光電偵察系統(tǒng)在間距15 km時網(wǎng)絡覆蓋比例的簡化圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡覆蓋比例簡化圖Fig.4 Simplified diagram of network coverage scale

威力區(qū)覆蓋密度Ccd定義為網(wǎng)內(nèi)所有光電偵察威力區(qū)面積之和與偵察網(wǎng)威力區(qū)面積之比，即：

(3)

式中：Ai為i類區(qū)域的面積；Anet為偵察網(wǎng)威力區(qū)面積。

威力區(qū)覆蓋密度最小為1，對應于陣列內(nèi)各光電偵察威力區(qū)互不重疊，若有部分威力區(qū)互相重疊，威力區(qū)覆蓋密度則大于1。在偵察網(wǎng)威力區(qū)面積固定的情況下，覆蓋密度越大，說明陣列式光電網(wǎng)的探測空間越嚴密，也就需要以多部署偵察站為代價。

圖4中整個系統(tǒng)光電偵察網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域根據(jù)系統(tǒng)覆蓋密度可分為下列6類區(qū)域。根據(jù)圖3(b)可以計算各類區(qū)域大約所占比例，即：

(4)

式中Ki為i類區(qū)域所占偵察網(wǎng)威力區(qū)的百分比。

只有1部光電偵察單元能夠覆蓋的區(qū)域(簡稱Ⅰ類區(qū)域)，如圖4中標注1的區(qū)域，覆蓋密度等于1，A1約占整個覆蓋區(qū)域23.3%。

有2部光電偵察單元能夠覆蓋的區(qū)域(簡稱Ⅱ類區(qū)域)，如圖4中標注2的區(qū)域，覆蓋密度等于2，A2約占整個覆蓋區(qū)域18.7%。

有3部光電偵察單元能夠覆蓋的區(qū)域(簡稱Ⅲ類區(qū)域)，如圖4中標注3的區(qū)域，覆蓋密度等于3，A3約占整個覆蓋區(qū)域8.9%。

有4部光電偵察單元能夠覆蓋的區(qū)域(簡稱Ⅳ類區(qū)域)，如圖4中標注4的區(qū)域，覆蓋密度等于4，A4約占整個覆蓋區(qū)域19.7%。

有5部光電偵察單元能夠覆蓋的區(qū)域(簡稱Ⅴ類區(qū)域)，如圖4中標注5的區(qū)域，覆蓋密度等于5，A5約占整個覆蓋區(qū)域19.7%。

有6部光電偵察單元能夠覆蓋的區(qū)域(簡稱VI類區(qū)域)，如圖4中標注6的區(qū)域，覆蓋密度等于6，A6約占整個覆蓋區(qū)域9.7%。

從圖4中可以看出，整個覆蓋范圍呈現(xiàn)出由邊緣到中心，覆蓋密度由低到高的態(tài)勢，同時各個方面覆蓋密度分布均勻，可以從容應對來自四面八方的威脅。整套系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對中心區(qū)域的最優(yōu)保護。

由于需要總覆蓋范圍和重點探測范圍2個參數(shù)，由分析結果可以看出，2個指標是矛盾的，當總覆蓋范圍較大時，此時光電單元位置確定后，重點探測范圍就會變小；而重點探測范圍變大時，由于覆蓋范圍重疊的光電單元也變多，那么總覆蓋區(qū)域的范圍就變小了。因此需根據(jù)實際情況來確定側重哪一個指標，以此優(yōu)化模型參數(shù)，進行位置優(yōu)化來滿足實際需求。

4.2 目標發(fā)現(xiàn)概率分析

對于目標的發(fā)現(xiàn)概率，根據(jù)概率論原理進行分析[13-15]。若單部光電偵察站的目標發(fā)現(xiàn)概率為Ps≥90%，那么當偵察目標在覆蓋范圍內(nèi)，且30個光電偵察站全部投入工作的情況下，由于Ⅰ類區(qū)域只有一個光電偵察單元能夠覆蓋，所以Ⅰ類區(qū)域的目標發(fā)現(xiàn)概率PI≥90.0%。

在Ⅱ類區(qū)域內(nèi)，由于網(wǎng)內(nèi)各單元信息共享，第一個單元發(fā)現(xiàn)目標概率為90%，則第二個單元共享此數(shù)據(jù)，而對于第一個單元未發(fā)現(xiàn)的10%，第二個單元又有90%的發(fā)現(xiàn)概率，則Ⅱ類區(qū)域內(nèi)目標的發(fā)現(xiàn)概率PII為90%+10%×90%=99%。根據(jù)概率論原理計算[16-17]，目標的發(fā)現(xiàn)概率可以用下式表示：

Pi=1-(1-Ps)i

(5)

式中：i為區(qū)域類別或覆蓋密度；Pi為i類區(qū)域的目標發(fā)現(xiàn)概率。

以此類推可以計算出：

Ⅲ類區(qū)域的目標發(fā)現(xiàn)概率PIII≥99.9%；Ⅳ類區(qū)域的目標發(fā)現(xiàn)概率PIV≥99.99%；Ⅴ類區(qū)域的目標發(fā)現(xiàn)概率PV≥99.999%；VI類區(qū)域的目標發(fā)現(xiàn)概率PVI≥99.999 9%。這說明威力范圍內(nèi)具有一定重疊系數(shù)的陣列式光電偵察系統(tǒng)可以提高目標的發(fā)現(xiàn)概率。

除此之外，無論哪個區(qū)域發(fā)現(xiàn)目標，通過中心站信息共享，對其他區(qū)域內(nèi)的光電單元均具有預警作用，也可以提高目標的發(fā)現(xiàn)概率，但這類概率提高無法準確量化。

在Ⅱ類以上區(qū)域，系統(tǒng)也可通過2臺以上交會測量(2臺以上同時測量同一目標)獲取有效目標定位數(shù)據(jù)，即有效獲取目標定位數(shù)據(jù)概率≥99.0%。

整個系統(tǒng)網(wǎng)絡的目標發(fā)現(xiàn)概率Pnet為

(6)

在整個系統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋的100 km×115 km區(qū)域內(nèi)，目標綜合發(fā)現(xiàn)概率為97.472%。由此可知，陣列式光電偵察系統(tǒng)通過合理布站部署，可實現(xiàn)大范圍防護，并有效提高發(fā)現(xiàn)目標的概率。

5 結論

本文把分散的光電偵察單元進行組網(wǎng)，進行了合理配置和優(yōu)化，通過理論研究和實際計算，從技術和戰(zhàn)術兩個方面充分挖掘和利用陣列式網(wǎng)絡的綜合效能。本系統(tǒng)布站由5×6光電偵察陣列組成，每個光電偵察站均具有遠距離探測和跟蹤目標的能力，通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)信息共享并為其他光電偵察站提供目標指示信息。相鄰光電偵察站通過中心站協(xié)調(diào)實現(xiàn)對目標接力跟蹤，進一步實現(xiàn)對目標的遠距離、多波次火力打擊，也可實現(xiàn)全空域探測跟蹤目標，提高防空系統(tǒng)的可靠性。針對復雜電磁環(huán)境下低空突防的快速小目標，實現(xiàn)了遠距離、大范圍搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤，陣列式組網(wǎng)技術對巡航導彈、無人機等目標的預警偵察，目標指示及火力控制等等問題的解決提供了新思路。