謝家豪，韋道知

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)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(biāo)[4-6]主要是指在可以在臨近空間中完成一系列戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的飛行器，這類武器的高機(jī)動(dòng)性和高精確度等性能對(duì)如何利用現(xiàn)有傳感器進(jìn)行組網(wǎng)探測(cè)現(xiàn)有的預(yù)警探測(cè)體系提出了更大的挑戰(zhàn)和更高的要求。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)用多傳感器組網(wǎng)[7-9]建設(shè)協(xié)同預(yù)警探測(cè)體系的研究較為深入，多傳感器組網(wǎng)探測(cè)主要目的就是對(duì)目標(biāo)的探測(cè)任務(wù)通過(guò)協(xié)作的方式完成，將多個(gè)傳感器對(duì)一個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行量測(cè)，經(jīng)信息融合，得到關(guān)于目標(biāo)更為準(zhǔn)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(xiàn)[10]提出了基于Holon系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器管理架構(gòu)同時(shí)指出該框架具有自治性和協(xié)作性等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[11] 體現(xiàn)出目前僅靠單一傳感器不能完成復(fù)雜的對(duì)目標(biāo)探測(cè)的任務(wù)的情況并將問(wèn)題拓展到了多傳感器多目標(biāo)領(lǐng)域，運(yùn)用有限集統(tǒng)計(jì)理論的模型并通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)使總體的不確定性降到最小，提高探測(cè)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(shù)，該技術(shù)最早由Philip David[12]針對(duì)傳感器資源管理提出的一種新技術(shù)、新方法，指?jìng)鞲衅髦g互相提示，通過(guò)一個(gè)傳感器探測(cè)到的目標(biāo)信息提示另一個(gè)傳感器協(xié)同獲取目標(biāo)更加詳細(xì)以及額外的信息，或來(lái)填補(bǔ)其他傳感器的覆蓋空隙進(jìn)行目標(biāo)的交接，以達(dá)到統(tǒng)一協(xié)調(diào)傳感器的行為。近年來(lái)樊浩[13-14]、龐策[15-16]等人對(duì)多傳感器交叉提示技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出多傳感器動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的思想，同時(shí)將博弈論算法引入到多傳感器交叉提示技術(shù)中，取得較好的效果。但是上述方法也沒(méi)有解決單一平臺(tái)探測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)高概率探測(cè)問(wèn)題。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于多傳感器交叉提示的臨空高速目標(biāo)探測(cè)體系。

1 臨空高速目標(biāo)探測(cè)技術(shù)需求分析

臨空高速目標(biāo)的飛行馬赫數(shù)一般大于5，以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或組合發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿?yīng)用形式包括高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速有人或無(wú)人機(jī)、空天飛機(jī)和空天導(dǎo)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(biāo)的參考參數(shù)。由表1參數(shù)可知，臨空高速目標(biāo)的飛行速度、更高的突防能力、更大的破壞力等目標(biāo)特性在作戰(zhàn)使用中，能迅速到達(dá)任意位置并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速精準(zhǔn)打擊。

表1 典型臨近空間高速目標(biāo)的參考目標(biāo)特性

由于臨空高速目標(biāo)具有飛行速度快，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，破壞力大等特點(diǎn)，那么就要求預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離要大于1 000 km才能贏得作戰(zhàn)時(shí)間從而解決對(duì)目標(biāo)的連續(xù)高概率探測(cè)與穩(wěn)定跟蹤。目前預(yù)警探測(cè)傳感器類型主要有雷達(dá)、預(yù)警機(jī)、浮空器和天基預(yù)警系統(tǒng)，具體類型如表2所示。

表2 預(yù)警探測(cè)傳感器類型

根據(jù)表2數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分析各種類型傳感器的特點(diǎn)。

預(yù)警雷達(dá)[17]容易應(yīng)急部署，駐留時(shí)間長(zhǎng)，工作穩(wěn)定性好，探測(cè)精度高。但受地球曲率、陣面尺寸等情況影響，探測(cè)距離和探測(cè)精度有限，生存能力弱，機(jī)動(dòng)性差。預(yù)警飛機(jī)使用機(jī)載雷達(dá)對(duì)指定空域進(jìn)行搜索、監(jiān)視，能對(duì)關(guān)注區(qū)域應(yīng)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(duì)臨近空間目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的探測(cè)，容易應(yīng)急部署，但其缺點(diǎn)在于機(jī)動(dòng)能力差，上升和準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，能源供應(yīng)困難。

天基預(yù)警利用天基系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別及定位臨近空間目標(biāo)，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(gòu)成，主要用于探測(cè)跟蹤彈道導(dǎo)彈助推段飛行。

表3給出天基紅外預(yù)警衛(wèi)星對(duì)X-51A的探測(cè)跟蹤能力。

表3 天基紅外預(yù)警衛(wèi)星對(duì)X-51A的探測(cè)跟蹤能力

從表3中可以看出天基預(yù)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(cè)并預(yù)警，但駐留時(shí)間短，機(jī)動(dòng)性差，在跟蹤能力上較弱。

2 基于多傳感器交叉提示技術(shù)的臨空高速目標(biāo)協(xié)同探測(cè)體系

2.1 多傳感器交叉提示技術(shù)基本概念

不同類型的傳感器部署位置不同，通過(guò)組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)協(xié)同探測(cè)，不同種類、不同個(gè)體傳感器之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到單個(gè)傳感器難以達(dá)到的探測(cè)效果，大大提高傳感器性能。鑒于此，多傳感器交叉提示技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

多傳感器交叉提示的實(shí)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(dāng)單個(gè)傳感器由于探測(cè)能力限制而不能單獨(dú)完成某項(xiàng)復(fù)雜的探測(cè)任務(wù)時(shí)，由多個(gè)傳感器以協(xié)作的方式協(xié)同完成該項(xiàng)任務(wù)，在協(xié)作過(guò)程中，多個(gè)傳感器之間共同承擔(dān)作戰(zhàn)任務(wù)，并資源共享。

“協(xié)商”是指多個(gè)傳感器就目標(biāo)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(shì)的變化，當(dāng)傳感器之間的協(xié)作方案不再適用時(shí)，通過(guò)對(duì)傳感器資源調(diào)整，使協(xié)作方案重新適應(yīng)新的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)。

2.2 多傳感器交叉提示技術(shù)分析

2.2.1多傳感器交叉提示發(fā)生條件

以兩個(gè)傳感器為例進(jìn)行分析。假設(shè)傳感器s1和傳感器s2之間的距離為l，s1和s2的探測(cè)半徑和通信半徑分別為r1,R1；r2,R2。假設(shè)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(gè)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(biāo)靜止情況

假設(shè)s1為提示傳感器，s2為被提示傳感器，r=r1=R1=r2=R2，假設(shè)目標(biāo)處于S0=S1∩S2區(qū)域內(nèi)時(shí)，記s1對(duì)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(cè)區(qū)域，S2為s2的探測(cè)區(qū)域。

經(jīng)過(guò)幾何分析計(jì)算可得：

(5)

2) 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況

若目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將要“逃離”s1的探測(cè)區(qū)域，這是就需要s1提示其它傳感器進(jìn)行任務(wù)交接，設(shè)s1對(duì)s2進(jìn)行任務(wù)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(shè)當(dāng)S1=S2時(shí)，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(dāng)l=100時(shí)，P(A)、P(B)與r1、r2關(guān)系如圖2所示。

圖2 P(A)、P(B)與r1、r2關(guān)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(cè)

為了更好地說(shuō)明利用多傳感器交叉提示技術(shù)可以將地基、海基、空基、天基預(yù)警系統(tǒng)組成的多傳感器組網(wǎng)探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)臨空高速目標(biāo)的有效探測(cè)，本文選取HTV-2作為目標(biāo)進(jìn)行分析，圖3給出了HTV-2作戰(zhàn)飛行軌跡圖和在飛行過(guò)程中應(yīng)用多傳感器交叉提示技術(shù)進(jìn)行協(xié)同組網(wǎng)探測(cè)的示意圖。

圖3 多傳感器協(xié)同組網(wǎng)探測(cè)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(dòng)發(fā)生在各個(gè)傳感器之間，在整個(gè)過(guò)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(diǎn)，通過(guò)交叉提示將得到的信息進(jìn)行融合[18-19]，有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，從而獲得更為詳細(xì)的目標(biāo)信息，提高探測(cè)的精度，減少目標(biāo)位置和屬性的不確定性。

因此，面向臨空高速目標(biāo)探測(cè)的多傳感器交叉提示具體工作過(guò)程如圖4所示。

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

2) 根據(jù)提示需求產(chǎn)生交叉提示任務(wù)，即任務(wù)類型和任務(wù)優(yōu)先級(jí)，主要包括目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、識(shí)別以及能夠保證在探測(cè)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(jī)制(即提示算法)將任務(wù)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(wù)信息對(duì)自身所測(cè)量的信息精度和探測(cè)范圍進(jìn)行對(duì)照并做出響應(yīng)，以確定如何進(jìn)行傳感器調(diào)度通過(guò)控制傳感器的視場(chǎng)、工作模式、時(shí)間范圍等參數(shù)以及任務(wù)執(zhí)行方式進(jìn)行信息的獲取，最終實(shí)現(xiàn)全面探測(cè)與穩(wěn)定跟蹤。

圖4 面向臨空高速目標(biāo)探測(cè)的多傳感器交叉提示過(guò)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(guò)衛(wèi)星工具箱(STK)軟件進(jìn)行建模、仿真和分析。STK軟件主要對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行建模，如飛機(jī)、衛(wèi)星、地面車輛、艦船及其傳感器等，評(píng)估其在真實(shí)環(huán)境或仿真環(huán)境下的性能，可以解決空間位置特性、設(shè)施位置及方向等動(dòng)態(tài)分析難題。

3.1 平臺(tái)搭建

本文將傳感器細(xì)化到具體某一設(shè)備，即假設(shè)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(gè)臨空基探測(cè)器、2個(gè)空基探測(cè)器、4部地基探測(cè)雷達(dá)。

1) GEO是回歸周期為1個(gè)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(diǎn)約為500 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)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(wù)，軌道回歸周期為16 h。

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

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

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

平臺(tái)搭建結(jié)果如圖5所示。

圖5 平臺(tái)搭建結(jié)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(shí)現(xiàn)覆蓋，可以滿足全球預(yù)警探測(cè)要求，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域可以實(shí)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(dòng)態(tài)覆蓋效果分析

通過(guò)仿真平臺(tái)的搭建和圖4對(duì)臨空高速目標(biāo)探測(cè)的多傳感器交叉提示過(guò)程的分析，現(xiàn)考慮將多傳感器探測(cè)體系中是否運(yùn)用多傳感器交叉提示技術(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)覆蓋效果進(jìn)行仿真分析，以覆蓋率為主要性能指標(biāo)，從動(dòng)態(tài)覆蓋效果、時(shí)間滿足效果、時(shí)間覆蓋效果、對(duì)某重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域的覆蓋效果幾個(gè)角度進(jìn)行仿真分析。

1) 動(dòng)態(tài)覆蓋效果

動(dòng)態(tài)覆蓋效果圖如圖7所示。

根據(jù)圖7(a)可知，在運(yùn)行周期內(nèi)，全球覆蓋率超過(guò)99.39%，覆蓋范圍接近99.93%。而圖7(b)說(shuō)明在不利用交叉提示技術(shù)時(shí)，覆蓋率最高僅能達(dá)到93%，可見(jiàn)多傳感器交叉提示技術(shù)可以在協(xié)同探測(cè)中起到一定的作用，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)高概率探測(cè)。

圖7 動(dòng)態(tài)覆蓋效果圖Fig.7 Dynamic coverage effect diagram

2) 時(shí)間滿足效果

時(shí)間滿足報(bào)告圖如圖8所示。

圖8 時(shí)間滿足報(bào)告圖Fig.8 Satisfied by time diagram

從圖8(a)可以看出在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，系統(tǒng)每一時(shí)刻對(duì)整個(gè)覆蓋區(qū)域中滿足兩顆星同時(shí)看到的柵格相對(duì)于整個(gè)覆蓋區(qū)域的百分率達(dá)到93.6%，為后續(xù)與地基平臺(tái)協(xié)同跟蹤提供了支撐。但圖8(b)的時(shí)間滿足度低，只能達(dá)到80%左右，而且波動(dòng)幅度較大，探測(cè)效果較差。

3) 時(shí)間覆蓋效果

時(shí)間覆蓋效果圖如圖9所示。

圖9 時(shí)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(tái)均能滿足在覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)臨空高速目標(biāo)探測(cè)的需要。但是(a)圖在南緯75°左右實(shí)現(xiàn)了飛行的全部時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)探測(cè)跟蹤，而(b)圖在北緯45°才實(shí)現(xiàn)全時(shí)間探測(cè)，滿足在覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)臨空高速目標(biāo)探測(cè)的需要。

4) 對(duì)某重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域的覆蓋效果

下圖10為對(duì)某重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域的覆蓋效果分析。

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

從圖中可以看出對(duì)于重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域，在協(xié)同組網(wǎng)中應(yīng)用多傳感器交叉提示技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔內(nèi)全覆蓋，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)探測(cè)，但是不采取交叉提示技術(shù)在探測(cè)過(guò)程中存在盲區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)全程探測(cè)，因此運(yùn)用多傳感器交叉提示技術(shù)在某些程度上來(lái)說(shuō)具有一定的軍事意義。

3.4 不同算法對(duì)預(yù)警探測(cè)的影響

為驗(yàn)證本文所提交叉提示算法的先進(jìn)性，本文將其與改進(jìn)蜂群算法和粒子群算法進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行50次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本文提出的算法在預(yù)警探測(cè)體系中的重要作用，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 三種算法性能對(duì)比Fig.11 The comparison of three algorithms

圖12 三種算法運(yùn)行時(shí)間對(duì)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(dá)到最優(yōu)解而且求解精度較高同時(shí)算法運(yùn)行時(shí)間最短；相比而言粒子群算法在求解精度和算法運(yùn)行時(shí)間上次于改進(jìn)蜂群算法。通過(guò)以上分析表明本文算法在預(yù)警探測(cè)中可以起到重要作用，驗(yàn)證了算法的先進(jìn)性，同時(shí)說(shuō)明該算法可以更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)高概率探測(cè)。

4 結(jié)論

本文提出了基于多傳感器交叉提示的臨空高速目標(biāo)探測(cè)體系。該體系通過(guò)分析臨空高速目標(biāo)的探測(cè)需求并對(duì)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(jìn)行定量計(jì)算，通過(guò)搭建多傳感器協(xié)同探測(cè)仿真系統(tǒng)對(duì)比分析有無(wú)運(yùn)用交叉提示技術(shù)對(duì)目標(biāo)覆蓋效果的影響，同時(shí)對(duì)比的方式驗(yàn)證了不同算法對(duì)預(yù)警探測(cè)的影響。仿真結(jié)果表明，天基、空基、地基(?；?等多傳感器組網(wǎng)能夠有效彌補(bǔ)單一探測(cè)平臺(tái)的不足，并證明了多傳感器協(xié)同組網(wǎng)探測(cè)的必要性和可行性。同時(shí)表明本文算法在收斂速度、求解精度和算法運(yùn)行時(shí)間上均優(yōu)于改進(jìn)蜂群算法和粒子群算法，驗(yàn)證了算法的先進(jìn)性。