戚 薇

(中航航空電子有限公司，北京 100086)

0 引言

為了有效地打擊地面時(shí)敏目標(biāo)，相關(guān)火力控制技術(shù)得到了國內(nèi)外廣泛研究。文獻(xiàn)［1］提出了打擊時(shí)敏目標(biāo)作戰(zhàn)中火力打擊時(shí)間的建模和計(jì)算方法，并將對時(shí)敏目標(biāo)的打擊方式分為直接坐標(biāo)攻擊和間接攻擊兩類;文獻(xiàn)［2］研究了時(shí)敏目標(biāo)打擊系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估和效費(fèi)分析方法;文獻(xiàn)［3］研究了基于效能的時(shí)間敏感目標(biāo)打擊策略問題;文獻(xiàn)［4］研究了時(shí)敏打擊指揮控制技術(shù);文獻(xiàn)［5］研究了無人作戰(zhàn)飛機(jī)打擊時(shí)敏目標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃技術(shù);文獻(xiàn)［6］研究了時(shí)敏目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)打擊順序方法。但目前對地面時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤技術(shù)還研究得較少，而對地面時(shí)敏目標(biāo)的有效打擊，快速準(zhǔn)確持續(xù)跟蹤目標(biāo)是必須首先解決的問題。因而對地面時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤技術(shù)還需進(jìn)一步深入研究。

時(shí)敏目標(biāo)具有較好的機(jī)動(dòng)性能，同時(shí)可能還存在各種不同程度的遮擋，因此作戰(zhàn)平臺(tái)必須對地面時(shí)敏目標(biāo)具備快速持續(xù)跟蹤能力。由于各種傳感器的作用距離、探測精度及可觀測信息不盡相同且各自具有一定的局限性，為了更好地完成時(shí)敏目標(biāo)快速持續(xù)跟蹤，采用多傳感器是一個(gè)可行的方案，而這就需要實(shí)現(xiàn)不同傳感器配置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)切換。

1 問題的提出

傳感器切換是在無人機(jī)等作戰(zhàn)平臺(tái)已配置好的傳感器集合S={s1，s2，…，sn}中(n是跟蹤平臺(tái)初始化配置的傳感器總個(gè)數(shù))，根據(jù)當(dāng)前時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤需求進(jìn)行傳感器組合的動(dòng)態(tài)選擇，實(shí)現(xiàn)在使用最少傳感器的基礎(chǔ)上，完成時(shí)敏目標(biāo)的高精度跟蹤。因此，傳感器切換問題的形式化描述如下:

1)S={s1，s2，…，sn}是跟蹤平臺(tái)的傳感器初始化配置集合;

2)F={f1，f2，…，fm}表示 n 個(gè)初始化配置傳感器中有m個(gè)傳感器存在故障，一般有n＞m。

根據(jù)以上描述，地面時(shí)敏目標(biāo)跟蹤時(shí)，多傳感器切換準(zhǔn)則一般要在排除存在故障的備選傳感器集合中考慮，根據(jù)當(dāng)前跟蹤精度的需求完成傳感器選擇與調(diào)度。假設(shè)地面時(shí)敏目標(biāo)在第i時(shí)刻的實(shí)際位置坐標(biāo)為(xid，yid)，而使用多傳感器聯(lián)合跟蹤得到的估計(jì)值為(xi，yi)。

不妨假定在當(dāng)前傳感器組合下，時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤誤差定義為

根據(jù)式(1)和式(2)以及跟蹤誤差計(jì)算時(shí)間的要求，則第i時(shí)刻傳感器切換目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)為

其中:αij(j=1，2，3)為大于零的加權(quán)因子，且有 αi1+αi2+αi3=1;ti為當(dāng)前傳感器組合進(jìn)行信息融合與跟蹤計(jì)算所需花費(fèi)的時(shí)間。

顯然在對地面時(shí)敏目標(biāo)跟蹤的整個(gè)過程中，各傳感器切換時(shí)滿足的目標(biāo)函數(shù)可選為

從式(4)可以看出，地面時(shí)敏目標(biāo)跟蹤時(shí)多傳感器選擇和切換的準(zhǔn)則是在初始配置傳感器集合中進(jìn)行傳感器調(diào)度與切換，使得式(4)取最小值。在式(4)取最小值的情況下，則意味著在地面時(shí)敏目標(biāo)跟蹤全過程中，選擇的傳感器組合使得在跟蹤時(shí)敏目標(biāo)過程中的跟蹤誤差最小，且在線運(yùn)算時(shí)間最短。

2 多傳感器智能切換算法

從式(3)可知，影響當(dāng)前傳感器組合選擇和切換的主要因素包括兩部分:一是時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤誤差;二是多傳感器智能切換的實(shí)時(shí)運(yùn)算速度。綜合考慮式(3)和式(4)，可得多傳感器智能切換算法流程，如圖1所示。由圖1可知，基于多傳感器對地面時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤過程中，多傳感器智能切換全過程主要包括如下3個(gè)步驟:

1)傳感器集合初始配置，根據(jù)任務(wù)確定跟蹤平臺(tái)配置傳感器數(shù)量和類型，達(dá)到增強(qiáng)對時(shí)敏目標(biāo)的探測與跟蹤能力;

2)多傳感器的組合分類，充分分析平臺(tái)中所配置的各傳感器具有的數(shù)據(jù)融合互補(bǔ)性和冗余特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同傳感器組合以應(yīng)用于時(shí)敏目標(biāo)跟蹤的不同階段;

3)確定當(dāng)前跟蹤的傳感器組合，計(jì)算每一個(gè)傳感器組合的目標(biāo)函數(shù)值，在傳感器眾多可能的組合中選取最佳組合，實(shí)現(xiàn)對時(shí)敏目標(biāo)的跟蹤。

圖1 多傳感器智能切換算法流程圖Fig.1 Flow chart of multi-senser intelligent switching

決定多傳感器進(jìn)行切換的準(zhǔn)則主要與所采用的目標(biāo)跟蹤算法有關(guān)，本文采用基于當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型的目標(biāo)跟蹤算法。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)采用當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型描述時(shí)，則其離散狀態(tài)方程為［11］

U(k)為狀態(tài)輸入矩陣，形式為

式中:T為采樣周期;α為自相關(guān)機(jī)動(dòng)時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)(機(jī)動(dòng)頻率);過程噪聲是一零均值、方差為Q(k)的離散白噪聲序列。方差Q(k)的算法為

其中，amax和a-max分別為預(yù)先給定的最大正負(fù)加速度極限值。

目標(biāo)的觀測方程為

式中:v(k)是均值為零而方差為R(k)的高斯觀測噪聲;H(k)為量測矩陣?；诋?dāng)前統(tǒng)計(jì)模型的跟蹤算法采用卡爾曼濾波算法作為跟蹤濾波器，來對機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

基于當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法的基本過程為［11］

應(yīng)用基于當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法(11)，則可以得到每一傳感器組合的跟蹤精度和在線運(yùn)算時(shí)間，從而根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算出每一傳感器組合的目標(biāo)函數(shù)值，最終完成傳感器組合的在線智能切換。

3 仿真研究

仿真假設(shè)無人機(jī)跟蹤平臺(tái)配置的目標(biāo)跟蹤傳感器有:雷達(dá)、紅外攝像機(jī)、電視攝像機(jī)、激光測距機(jī)等。其中，激光測距機(jī)的作用距離假設(shè)為10 km左右;紅外攝像機(jī)有足夠高的分辨率，對目標(biāo)的探測距離為25 km，可以探測隱蔽目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)夜間工作;光電傳感器也具有較高的分辨率，且可成動(dòng)態(tài)圖像;雷達(dá)具有穿透能力，全天時(shí)工作，且作用距離遠(yuǎn)。

在完成傳感器集合的初始配置后，就需進(jìn)行傳感器分類組合，確定可供不同場合使用的傳感器組合。為了驗(yàn)證本文所研究的多傳感器智能切換技術(shù)，假設(shè)載機(jī)與地面目標(biāo)均做勻速直線運(yùn)動(dòng)且二者在具有一定高度差的同一垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且高度差h=1000 m，無人機(jī)的初始狀態(tài)為s1=10000 m，v1=20 m/s，a1=0.2 m/s2，地面時(shí)敏目標(biāo)的初始狀態(tài)為 s2=0 m，v2=100 m/s，a2=0.5 m/s2。根據(jù)本文所研究的多傳感器智能切換技術(shù)，傳感器組合切換結(jié)果如圖2所示。

圖2 勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器配置輸出界面Fig.2 The sensor configuration of uniformly accelerated rectilinear motion

通過圖2所示的傳感器配置輸出界面可以看出，在無人機(jī)平臺(tái)和地面時(shí)敏目標(biāo)相距20428 m時(shí)，當(dāng)前的傳感器組合為雷達(dá)和紅外攝像機(jī)。因此，隨著傳感器平臺(tái)與地面目標(biāo)之間距離的變化，總能在所配置的傳感器集合中進(jìn)行各傳感器組合的動(dòng)態(tài)在線切換，并輸出當(dāng)前最優(yōu)傳感器組合，這表明所研究的多傳感器智能切換算法的有效性。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)地面時(shí)敏目標(biāo)的高精度跟蹤，研究了一種多傳感組合的智能切換方案。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的需求和當(dāng)前所能提供的傳感器集合，對跟蹤平臺(tái)中多傳感器集合進(jìn)行初始配置。采用當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型的目標(biāo)跟蹤算法，給出考慮跟蹤精度和在線運(yùn)算時(shí)間多傳感器組合智能切換的目標(biāo)函數(shù)。通過計(jì)算每一傳感器分類組合的目標(biāo)函數(shù)值，并根據(jù)其大小實(shí)現(xiàn)多傳感器智能切換。通過傳感器組合的切換，實(shí)現(xiàn)在使用最少傳感器的基礎(chǔ)上，完成時(shí)敏目標(biāo)的高精度跟蹤。最后，通過一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的面向地面時(shí)敏目標(biāo)跟蹤的多傳感器智能切換方法的有效性。

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