官　斌　周亦軍

(1.武漢藏龍北路1號　武漢　430205)(2.海軍駐武漢438廠軍事代表室　武漢　430064)

GUAN Bin1　ZHOU Yijun2

(1.No.1 Canglong North Road, Wuhan　430205) (2.Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan　430064)

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海戰(zhàn)場傳感器管理技術(shù)研究*

官斌1周亦軍2

(1.武漢藏龍北路1號武漢430205)(2.海軍駐武漢438廠軍事代表室武漢430064)

論文從編隊和本艦兩個層次對傳感器管理進行研究。對編隊級傳感器管理在管理內(nèi)容、資源分配以及沖突處理等方面進行了研究，提出了傳感器任務規(guī)劃模型和資源分配方法，提出了沖突檢測和沖突解決模型。在本艦傳感器管理方面，論文系統(tǒng)分析了單艦傳感器管理的基本內(nèi)容，提出了單艦多傳感器集中和分布式管理模型，并提出了矩陣式分配模型。

編隊； 本艦； 傳感器管理

GUAN Bin1ZHOU Yijun2

(1.No.1 Canglong North Road, Wuhan430205) (2.Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan430064)

Class NumberTP311.52

1　引言

傳感器管理的目的是利用有限的傳感器資源，滿足多個目標和掃描空間的要求，以得到各具體特性的最優(yōu)化度量值(檢測概率、截獲概率、傳感器自身的發(fā)射能力、航跡精度或丟失概率等)。簡單講傳感器管理的核心問題就是依據(jù)一定的最優(yōu)準則確定目標選擇何種傳感器以及該傳感器的工作方式及參數(shù)。

2　編隊傳感器管理

2.1管理內(nèi)容

傳感器信息管理分為以下三類：以性能為主體的靜態(tài)信息管理；以任務和工作狀態(tài)為主體的動態(tài)信息管理；傳感器協(xié)同探測需要的協(xié)同控制規(guī)則信息管理。

其管理方法主要通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，將上述三類內(nèi)容構(gòu)建三個庫表，并將庫表的靜態(tài)信息部分、動態(tài)信息部分以及協(xié)同控制規(guī)則部分關(guān)聯(lián)。傳感器信息管理庫如表1所示。

2.2資源分配

傳感器資源分配是指在探測偵察過程中，針對高威脅或打擊目標實時調(diào)整和控制編隊內(nèi)的傳感器對目標進行精確、持續(xù)跟蹤，為指揮和武器等系統(tǒng)提供持續(xù)、準確的目標信息。

當出現(xiàn)威脅、重要或打擊目標P1,P2,P3,…,Pn時，對傳感器資源分配的過程如下：

1)對每一個目標按照傳感器的用途、能力以及目標所處的位置和運動趨勢預測，進行傳感器預分配：

Pi={S1,…,Sm}

(1)

其中，Pi為目標，Sm為傳感器。

2)設立上述預分配的每個傳感器對目標的效能貢獻函數(shù)集：

rij={wij,xij,yij,zij}j=1,…,m

(2)

其中rij為第j個傳感器對第i個目標的效能貢獻值，目標威脅程度和打擊程度越高效能值貢獻越大。wij為傳感器j對目標i的探測重要程度。xif=fxij(α1,α2)為精度匹配度，α1為對目標特征參數(shù)向量(如目標類型識別和目標位置等)要求的精度，α2為傳感器對特征參數(shù)向量貢獻精度，α1和α2之間的匹配度越接近效能值，貢獻越大。yij=fyij(β1，β2)為傳感器對目標的持續(xù)跟蹤時間的效能貢獻值，β1為對目標的跟蹤持續(xù)時間需求(如低空打擊目標的制導時間要求)，β2為傳感器能貢獻的跟蹤時間。當β2大于一定值時，為滿足需求，不予考慮該貢獻值。β2越大，貢獻也越大。當β2>β1時，達到該項的貢獻上限。zij為傳感器j對第i個目標跟蹤范圍銜接貢獻值。只有滿足y的傳感器才可作為考慮的對象。

3)建立傳感器i對目標j的任務分配綜合評價函數(shù)fij=f(wij,xij,yij,zij)，計算各傳感器對每個目標的綜合效能。根據(jù)綜合效能值確定每個目標與多個傳感器的任務分配關(guān)系，結(jié)合傳感器的跟蹤容量、狀態(tài)和協(xié)同使用規(guī)則的約束等，對傳感器的任務進行統(tǒng)籌分配：Si={p1,…,pm}，即為第Si傳感器分配m個目標的探測、偵察或跟蹤任務。

2.3沖突處理

2.3.1任務日歷

傳感器任務日歷指每個傳感器資源的工作和非工作時間，任務日歷是傳感器資源配置的依據(jù)?；谌蝿盏膫鞲衅髻Y源日歷示例如表2所示。

2.3.2沖突檢測

通過傳感器任務日歷，獲取傳感器任務流程。如果同一傳感器有兩個以上的任務，則需判斷是否存在任務沖突。判斷依據(jù)是相同時間交集內(nèi)的兩個任務不存在對同一傳感器的工作模式的不一致(考慮到有的傳感器具有預警和引導等多功能性，在同一工作模式下可以存在時間沖突)。對于非多功能傳感器工作模式存在沖突的情況，若在同一任務時間內(nèi)既需要傳感器探測，又需要傳感器對目標制導，則認為傳感器有任務沖突，需進行沖突消解。

假設作戰(zhàn)中有兩個任務流程a和b，如果它們存在傳感器資源依賴，這兩個任務流程在執(zhí)行過程中，若：

[Sa,Ea]∩[Sb,Eb]≠?

(3)

則表明a和b任務之間有資源沖突。其中，Sa，Ea分別為任務a執(zhí)行開始和結(jié)束時間，且必Sa≤Ea。

2.3.3沖突消解

假設防空任務流程F請求使用某一傳感器資源，進行的操作為A，B為傳感器資源管理器，F(xiàn)使用傳感器資源的過程描述如下：

1)F先向B發(fā)送請求使用防空傳感器資源的消息。

2)B接收該消息后，搜索自身規(guī)則庫找到相應約束條件，判斷該任務流程。如果滿足傳感器資源的使用條件且其處于空閑狀態(tài)，則分配該傳感器資源給F，執(zhí)行A。

3)如果F不滿足使用條件(如該傳感器資源不能剝奪，且不能通過優(yōu)先級分配)，則申請失敗，等待該傳感器資源的釋放。

4)如果F滿足傳感器資源的使用條件，但該傳感器資源正被任務流程G使用，則判斷兩個任務流程的初始優(yōu)先級。如F的初始優(yōu)先級高于G，則需動態(tài)計算兩者的傳感器資源使用中優(yōu)先級：如果F的優(yōu)先級低于G，則F等待傳感器資源釋放；如果F的優(yōu)先級高于G，則傳感器資源管理器剝奪B，并將B分配給F，而G需等待傳感器資源釋放。

5)如果F的任務不能等待，且不能剝奪其他正在執(zhí)行的傳感器資源，則需根據(jù)傳感器任務的可兼顧性對相關(guān)傳感器任務進行時空轉(zhuǎn)換分析。即通過對傳感器任務降級使用和實時切換等方法實現(xiàn)對F的兼顧，同時不影響傳感器其他主要任務的實施。

3　本艦傳感器管理

3.1基本內(nèi)容

本艦傳感器管理的內(nèi)容主要包括空間管理、時間管理、模式管理，它由實際應用的信息需求、目標、事件的優(yōu)先級等眾多因素驅(qū)動。

空間管理：給出傳感器的搜索檢測方位，對于監(jiān)測應用來說，傳感器的視野(Field of View,FOV)必須有規(guī)律地移動(即掃描)，以搜索并截獲新的目標，或者周期性地重復再現(xiàn)目標點，以獲得一條運動目標的航跡。

時間管理：在傳感器必須與其它傳感器或與目標環(huán)境中的事件同步的情況下(例如目標檢測、航跡跟蹤、電子對抗)，要求對傳感器的操作進行定時管理。

模式管理：大多傳感器的工作模式是可變的，模式管理就是通過對傳感器內(nèi)部參數(shù)的設定來擇傳感器具體的工作模式，這包括對傳感器的孔徑、搜索模式、信號波形、功率級和處理技術(shù)的選擇。

3.2管理模型

集中式傳感器管理如圖1所示，它的特點主要在于可以直接將信息進行提取，防止信息丟失，有較高的信息傳輸率，同時也便于對多傳感器進行獨立分配指令，各傳感器可以有較好的獨立工作環(huán)境。而不利之處在于融合中心和傳感器管理系統(tǒng)的計算量較大。

分布式傳感器管理如圖2所示，在傳感器管理回路中加入子傳感器管理回路，將傳感器管理任務進行分解。在分布式傳感器管理中，首先要將傳感器分類，接收到傳感器管理命令后將命令分類，比較之后送往對應的子傳感器管理中心，送達的命令在各子傳感器管理中心要細化，將高層命令轉(zhuǎn)化成傳感器能接收的指令，而后分送到各傳感器。

圖1　集中式傳感器管理

圖2　分布式傳感器管理

分布式多傳感器管理和集中式傳感器管理的比較：

1)對于融合中心所獲取的信息量，前者一般較為抽象，而有時有一定的信息丟棄，后者所有的信息都傳入融合中心，無論是有價值的還是無價值的全部輸入。

2)針對融合中心計算量，前者計算量較小，因為信息在進入融合中心之前已經(jīng)預先得到處理，后者由于所有的傳感器數(shù)據(jù)都進入了最后的融合中心，計算量較大。

3)對傳感器管理中心來說，后者比前者更便于管理，后者由操作員給出的指令或數(shù)據(jù)融合中心給的指令，需要獲取更詳細的相關(guān)信息可直接發(fā)送指令給相關(guān)傳感器。而前者要先進行指令分類處理，而后再分送給各子傳感器管理中心，最后送給各傳感器。由此，前者給傳感器管理中心的任務較后者要重的多。

4)在傳感器管理連接上，分布式傳感器管理連接較復雜，但省料；集中式傳感器管理連接簡單但費料。

3.3分配矩陣

本文提出一種形式化表示結(jié)構(gòu)，并在考慮了傳感器的能力限制和目標覆蓋要求(即每個目標至少由一個傳感器來監(jiān)測)的情況下，給出了多傳感器對多個獨立目標的分配方法。這種方法使用了一個增廣的分配矩陣，它不但包含了所有的單一傳感器/目標配對，還包括能夠分配給每個目標的傳感器所有可能的組合。如圖3、圖4所示。

圖3　傳感器-目標分配矩陣

圖4　增廣的傳感器-目標分配矩陣

在圖4中，為了把組合傳感器的分配情況也包括進來，增廣矩陣的維數(shù)由n擴展到n′∶n′=2r。增廣矩陣的元素是每個分配的代價函數(shù)，以及為了得到傳感器分配的初始解而附加的一列零向量(松弛變量)，另外還有表示每個傳感器的最大跟蹤能力的量。

在這種情況下，備選解可以視為判定變量(Xij表示不把傳感器i分配給目標j，Xij表示把傳感器i分配給目標j)的一個矩陣，它滿足目標覆蓋要求和傳感器跟蹤能力約束，并且使如下的描述多傳感器系統(tǒng)綜合能力的目標函數(shù)達到極大：

(4)

約束表示為判定變量矩陣的一個函數(shù)。

1)最大跟蹤能力約束(每行之和應該等于傳感器跟蹤能力)：

(5)

2)目標的覆蓋約束(必須保證有一個單一傳感器或傳感器組合已分配給了這個目標)：

(6)

4　結(jié)語

本文從編隊和本艦兩個層次對多傳感器管理進行研究。對編隊級傳感器管理在管理內(nèi)容、資源分配以及沖突處理等方面進行了研究。在本艦級傳感器管理方面，本文系統(tǒng)分析了單艦傳感器管理的基本內(nèi)容，提出了單艦多傳感器集中和分布式管理模型，并提出了矩陣式分配模型。本文所做的研究為指控系統(tǒng)更高效地進行傳感器管理做出了一定鋪墊。

[1] 王航字,李鵬,張泉.多平臺協(xié)同跟蹤中的傳感器分配方法研究[J].電子科技大學學報,2008,37(1):74-76.

[2] 趙宗貴,王國強,刁聯(lián)旺.戰(zhàn)場感知資源管理與信息融合[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2012,2(1):12-19.

[3] Wegrzyn J,Kastella K. Intelligent Sensor Management to Minimize Detection Error[C] //Proceedings of SPIE. Orlando, FL: IEEE,2003:502-513.

[4] Maheswararajah S, HalgamugeSK, Premaratne M. Sensor Scheduling for Target Tracking by Suboptimal Algorithms[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(3):1467- 1479.

[5] Nash J M. Optimal Allocation of Tracking Resources[C] //Proceedings of 1977 IEEE Conference on Decision and Control including the 16th Symposium on Adaptive Processes and A Special Symposium on Fuzzy Set Theory and Applications. New Orleans, LA: IEEE,1977:1177-1180.

[6] Aerons S, Saligrama V. Castanon D A. Efficient Sensor Management Policies for Distributed Target Tracking in MuhihopSensor Networks[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2008,56(6):2562-2574.

[7] 石章松，王輝華，王航宇.協(xié)同傳感器管理體系結(jié)構(gòu)及方法[J].電子器件，2005，28(3)：571-576.

[8] 羅玉臣，周興林，陳龍，等.海上多平臺傳感器管理與控制的設計與實現(xiàn)[J].宇航計測技術(shù)，2007,27(6):56-60.

[9] Xiong N, Svensson P. Multi-sensor management for information fusion: issues and approaches[J]. Information Fusion,2002,3(2):163-186.

[10] Zhang L, Hong C D. Study on algorithm of sensor management based on functions of efficiency and waste[J].Chinese Journal of Aeronautics,2000,13(1).

Sensor Management Technology on the Sea Battle Field*

This paper makes research on the sensor management of naval formation and single-ship. By studying the management content and resource allocation and de-conflicting technology of sensors, this paper presents a task schedule model and a method for resource allocation. Also models for conflict detecting and conflict solving are presented. Considering the single-ship sensor management, this paper introduces a centralized sensor management model and a distributed sensor management model. And a matrix allocation model is presented too.

naval formation, single-ship, sensor management

2016年2月7日,

2016年3月29日

官斌，男，碩士研究生，研究方向：軍事裝備系統(tǒng)監(jiān)造及效能評估。周亦軍，男，高級工程師，研究方向，艦船電子武備系統(tǒng)和設備監(jiān)督。

TP311.52

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.016