蔡 偉，張曉峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

無人機(jī)群是近年來高速發(fā)展的一種載具平臺(tái)，可以定制攜帶多種設(shè)備，遂行多樣化的任務(wù)。在電子對(duì)抗領(lǐng)域，無人機(jī)群是執(zhí)行電子偵察的有效載體，使用無人機(jī)群搭載無源偵察設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)部署，用于前出偵察、重點(diǎn)偵察和補(bǔ)盲偵察。

無源電磁偵察設(shè)備在每個(gè)工作節(jié)拍中，選擇適當(dāng)?shù)目臻g范圍和頻譜范圍，接收、檢測(cè)、分辨該范圍內(nèi)出現(xiàn)的電磁信號(hào)，并測(cè)量信號(hào)的參數(shù)。其中一些電磁參數(shù)是與輻射源的空間行為有關(guān)系的，特別是信號(hào)的到達(dá)方位參數(shù)。以無人機(jī)群偵察結(jié)果，作為對(duì)固定或緩動(dòng)輻射源的定位參數(shù)，可以低成本地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的多角度觀測(cè)，增加定位參考信息，在電子對(duì)抗作戰(zhàn)體系中有重要意義。

然而，與地基、船載、大型機(jī)載設(shè)備相比，由于無人機(jī)平臺(tái)負(fù)荷限制，通常無人機(jī)載無源偵察設(shè)備的天線、接收機(jī)和處理器規(guī)模受到制約，導(dǎo)致其電子偵察的瞬時(shí)空-頻域覆蓋能力較弱；并且受限于可搭載的測(cè)量體制，導(dǎo)致參數(shù)測(cè)量精度較差。例如在測(cè)向能力上，大型設(shè)備可以采用長(zhǎng)基線干涉儀、數(shù)字波束合成等技術(shù)，將測(cè)量誤差均方根控制到0.1°數(shù)量級(jí)；而無人機(jī)載設(shè)備，特別是小型無人機(jī)的載荷設(shè)備，測(cè)量誤差均方根在較惡劣條件下可能達(dá)到10°或更高。

在參數(shù)測(cè)量能力本身受到限制的情況下，為了提升系統(tǒng)總體效能，需要研究無人機(jī)群協(xié)同工作方法，例如協(xié)同定位。但現(xiàn)有的對(duì)無人機(jī)群協(xié)同定位的研究工作，在無源偵察設(shè)備的情形中應(yīng)用存在問題。一部分工作的定位目標(biāo)是無人機(jī)群自身，用于解決導(dǎo)航引導(dǎo)不足的問題[1-2]；而定位目標(biāo)是無人機(jī)群的偵察或攻擊目標(biāo)的研究工作中，優(yōu)化的資源通常都是無人機(jī)航跡[3-4]。然而，在無人機(jī)群的實(shí)際應(yīng)用中，電子偵察子系統(tǒng)對(duì)航跡的決定權(quán)往往低于主動(dòng)雷達(dá)子系統(tǒng)和火力子系統(tǒng)，因此無法按電子偵察子系統(tǒng)的要求申請(qǐng)到最優(yōu)航跡，只能獲取到后續(xù)航跡設(shè)定。

針對(duì)上述情況，必須從偵察控制著手，研究一定航跡下的優(yōu)化措施。本文提出了一種無人機(jī)群協(xié)同無源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化當(dāng)前場(chǎng)面下各機(jī)電子偵察的瞬時(shí)空-頻域覆蓋選擇，在定位性能達(dá)到要求的前提下，降低獲取定位參數(shù)所需要的對(duì)偵察資源的占用，從而增大無人機(jī)群的偵察自由度，提升無人機(jī)群可同時(shí)應(yīng)對(duì)的目標(biāo)數(shù)。

1 偵察資源優(yōu)化調(diào)度控制框架

執(zhí)行電子偵察任務(wù)的無人機(jī)群，在通信層面上可能以自組網(wǎng)方式或星狀拓?fù)湎噙B接，而在控制邏輯層面上，通常都服從單一控制站的指控，如圖1所示。其中有1個(gè)控制站和4架無人機(jī)，雙虛線表示通信連接，雙箭頭實(shí)線表示控制邏輯連接。

圖1 典型的無人機(jī)群

將當(dāng)前時(shí)間記為時(shí)間零點(diǎn)。控制站知道每架無人機(jī)的航路規(guī)劃，也就是后續(xù)各時(shí)間點(diǎn)t時(shí)無人機(jī)的位置si(t)和姿態(tài)：機(jī)首方向單位矢量ψi(t)、右側(cè)方向單位矢量ξi(t)。

無人機(jī)的偵察能力在時(shí)空頻域都是受限的。在空間域，記瞬時(shí)空間覆蓋的各種可選范圍為D1～DD，其中每種可選范圍是相對(duì)于本機(jī)的一個(gè)方位角范圍；在頻譜域，記瞬時(shí)頻域覆蓋的各種可選范圍為F1～FF。無人機(jī)的控制策略就是決定空域和頻域覆蓋的選擇，每架無人機(jī)具有相同的偵察控制時(shí)間節(jié)拍Ts。1組時(shí)空頻選擇稱為1個(gè)觀察窗口。與目標(biāo)的時(shí)空頻行為匹配的觀察窗口里才能偵收到目標(biāo)的信號(hào)。

針對(duì)某個(gè)固定或緩動(dòng)目標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)它的偵察過程分為掃描、發(fā)現(xiàn)和跟蹤3個(gè)階段。系統(tǒng)一開始工作在掃描階段；當(dāng)觀察到目標(biāo)的電磁信號(hào)時(shí)，進(jìn)入發(fā)現(xiàn)階段，此時(shí)不知道目標(biāo)位置；當(dāng)對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)足夠多，可以確定目標(biāo)位置時(shí)，進(jìn)入跟蹤階段。為了提高效能，需要特別關(guān)注處于發(fā)現(xiàn)階段的目標(biāo)。但發(fā)現(xiàn)階段目標(biāo)的位置不明或不夠確定，因此需要無人機(jī)群配合，擴(kuò)大對(duì)目標(biāo)的觀察窗口的覆蓋范圍，以盡早確認(rèn)目標(biāo)位置。在跟蹤階段，主要任務(wù)是確認(rèn)目標(biāo)異動(dòng)和提高定位精度，因此可以適當(dāng)減少觀察窗口，選擇其中效用最高的，從而減少資源占用。設(shè)計(jì)調(diào)度控制框架如圖2所示。

圖2 調(diào)度控制框架

其中省略了系統(tǒng)默認(rèn)保留的用于場(chǎng)面監(jiān)視的掃描節(jié)拍?？梢钥吹?，發(fā)現(xiàn)階段與跟蹤階段的行為模式是相似的，都需要選擇能觀測(cè)到目標(biāo)的觀察窗口。但這2個(gè)階段的具體策略有所不同。在發(fā)現(xiàn)階段，為了盡快確認(rèn)目標(biāo)，應(yīng)該盡可能分配到這些觀察窗口；而在跟蹤階段，需要考慮如何在這些觀察窗口中精選，收斂性判斷也與此具有相同的判據(jù)。

2 觀察窗口匹配

圖2所示的調(diào)度控制框架依賴于對(duì)觀察窗口選擇。下面依次從頻、空、時(shí)3個(gè)方面研究匹配要求。

首先是頻域方面。根據(jù)無源電子偵察的特性，接收的電磁波是單程傳播，而不是雷達(dá)的雙程傳播，因此通常只要接收天線主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，無論目標(biāo)是以主瓣還是副瓣對(duì)準(zhǔn)接收機(jī)，都能收到信號(hào)。所以，頻域的主要選擇依據(jù)是將接收機(jī)通帶控制到目標(biāo)發(fā)射頻點(diǎn)。

其次是空域方面。受限于測(cè)向精度，目標(biāo)的推測(cè)位置可能會(huì)分布在較大的范圍。因此，需要盡量讓各機(jī)的空域選擇覆蓋可能區(qū)域。設(shè)計(jì)算法流程如圖3所示。其中覆蓋數(shù)是指待覆蓋區(qū)中所有點(diǎn)最少被幾個(gè)空域覆蓋到。提高覆蓋數(shù)有利于提高總的截獲概率。

圖3 觀察窗口的空域協(xié)同

再次是時(shí)域方面。如果不需要對(duì)目標(biāo)的電磁特性做詳細(xì)刻畫，對(duì)時(shí)窗選擇就沒有嚴(yán)格的限制，因此可以根據(jù)對(duì)定位的效用來釋放時(shí)窗。

3 觀察窗口效用評(píng)判

在跟蹤階段以及在判斷定位收斂時(shí)，需要分析定位精度情況和預(yù)計(jì)下一個(gè)觀察窗口對(duì)定位的效用。這需要根據(jù)定位情況進(jìn)行推算。

〈x-sn,-ψnsinθn+ξncosθn〉=0

(1)

δθn≈sinδθn=(x-sn),-ψnsinθn+ξncosθn

(2)

(3)

考慮所有δθn的聯(lián)合概率分布的似然比：

(4)

通常測(cè)向誤差δθn和位置估計(jì)誤差δx不會(huì)過于巨大，近似地有：

(5)

(6)

則對(duì)定位結(jié)果應(yīng)有如下矢量為0：

(7)

(8)

varδx=A-1bbTA-1

(9)

(10)

(11)

二維情況下，可以進(jìn)一步得到CEP50橢圓的軸長(zhǎng)平方和為2ln2tr(varδx)。

4 場(chǎng)景仿真

為了驗(yàn)證本文協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法的效能，按照作戰(zhàn)作用方式，設(shè)計(jì)如下測(cè)試場(chǎng)景：我方使用3架無人機(jī)A、B、C，起始位置分別位于(0 km,0 km)、(30 km,0 km)、(60 km,0 km)，均以50 m/s速度沿x軸正向移動(dòng)。無人機(jī)具有4個(gè)90°空域覆蓋，中心方向分別為前、左、后、右。各機(jī)測(cè)向誤差均方根為10°，偵測(cè)范圍300 km。為簡(jiǎn)化記，假設(shè)頻域是寬開的，偵察節(jié)拍為1 s，輻射源目標(biāo)位于(25 km,200 km)處，假設(shè)無人機(jī)A先發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

根據(jù)本文協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法，進(jìn)行了100次平行仿真試驗(yàn)。將結(jié)果分為對(duì)發(fā)現(xiàn)階段的變化情況和跟蹤階段的選擇情況兩部分介紹。

發(fā)現(xiàn)階段，工作情況如下所述。

起始節(jié)拍，A發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。下一節(jié)拍A、B、C將分別選擇左、左、后空域，以保證覆蓋數(shù)達(dá)到2，如圖4所示。

第2個(gè)節(jié)拍，B也收到目標(biāo)信號(hào)，C收不到信號(hào)。可以確認(rèn)目標(biāo)位于此時(shí)的A、B、C的左空域，如圖5所示。

圖5 發(fā)現(xiàn)階段工作情況2

雖然由于測(cè)向誤差較大，定位誤差范圍可能很大，但目標(biāo)的可能范圍已經(jīng)大致確認(rèn)。此時(shí)可以轉(zhuǎn)入跟蹤階段。下一節(jié)拍中，C收到信號(hào)，由于基線AC較長(zhǎng)，可以在第3個(gè)節(jié)拍就獲得相對(duì)可用的定位結(jié)果。如果不做B、C的協(xié)同，僅由A觀測(cè)，由于無人機(jī)位置僅移動(dòng)了100 m，對(duì)200 km外的目標(biāo)完全無法形成有意義的測(cè)向交叉，無法確定目標(biāo)的大致位置。

然后統(tǒng)計(jì)了300個(gè)節(jié)拍下各次平行試驗(yàn)的觀察窗口占用(圖6)、定位精度收斂情況(圖7)。作為對(duì)比，也測(cè)試了僅使用A單機(jī)定位的情況(圖8)。可以看到，一方面，本方法使得資源占用有明顯降低，省出來的資源可以用來觀察其他目標(biāo)；另一方面，通過協(xié)作方式可以使在單機(jī)下無法定位的短時(shí)間內(nèi)，形成有一定實(shí)用意義的結(jié)果(根據(jù)圖7，相當(dāng)于在1 min內(nèi)達(dá)到約30%的定位精度，這是在10°這種非常大的測(cè)向誤差下)。

圖6 觀察窗口占用情況

圖7 定位收斂情況

5 結(jié)束語

本文通過分析無人機(jī)群協(xié)同執(zhí)行無源電子偵察任務(wù)時(shí)對(duì)觀察窗口的使用效用，提出了一種對(duì)觀察窗口偵察資源的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法。通過對(duì)觀察窗口與目標(biāo)的匹配，以及觀察窗口效用的評(píng)估，提高了觀察窗口的利用效率。仿真結(jié)果表明，該方法可有效地降低同一目標(biāo)的重訪頻次需求，這能顯著提高可同時(shí)處理的目標(biāo)數(shù)；并在較差的測(cè)向指標(biāo)下仍能達(dá)到有意義的定位性能。

圖8 定位收斂情況與單機(jī)對(duì)比