王發(fā)龍，姜 寧，于 雷

(1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連116018;2.海軍航空兵學院，遼寧 葫蘆島125001;3.中國人民解放軍91278 部隊，遼寧 大連116041)

1 多傳感器資源調度問題描述

在實際的傳感器使用中，常常面臨著以下問題:一是不同類型的傳感器具備不同的任務保障能力，適用于不同的作戰(zhàn)任務;二是復雜的、高動態(tài)的戰(zhàn)場環(huán)境，對傳感器性能發(fā)揮產生強不確定性;三是有限的傳感器資源，只能為有限的作戰(zhàn)任務提供保障服務;四是隨機發(fā)生的傳感器故障或干擾，可能導致作戰(zhàn)任務無法執(zhí)行或失敗［1］。另外，單一傳感器由于工作方式、覆蓋范圍、探測精度和輻射功率有限，對多目標的探測、識別和跟蹤效果有限。因此，為了更好地保障作戰(zhàn)任務的完成，必須對艦載多傳感器資源進行合理的使用規(guī)劃和統(tǒng)一調度，實現(xiàn)信息的綜合利用和傳感器能力互補，充分發(fā)揮出艦載多傳感器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能［2］。

多傳感器資源調度就是利用有限的傳感器資源，實現(xiàn)對作戰(zhàn)空域的多批目標進行掃描、偵察、識別、跟蹤等，以獲取目標的各種具體指標特性的最優(yōu)度量值，以及最佳的干擾樣式和參數(shù)等，并根據(jù)調度最優(yōu)準則對傳感器資源進行合理科學的分配［3-4］。

2 艦載多傳感器資源規(guī)劃

2.1 傳感器性能及約束條件

對多傳感器資源進行調度之前必須獲知各個傳感器資源性能，分析和梳理出傳感器在哪些方面可進行管理和調度，主要包括:

1)傳感器的工作頻域。主要弄清楚系統(tǒng)內各傳感器工作頻率范圍，以及某一個傳感器工作頻率的頻段(頻點)劃分。如不同功能(搜索、跟蹤)的艦載雷達可能的工作頻段有米波段、L、S、C、X等;紅外跟蹤器、電視跟蹤器，導彈遙控指令收發(fā)系統(tǒng)，電子偵察系統(tǒng)，通信偵察系統(tǒng)和有源干擾系統(tǒng)的工作頻段。

2)傳感器的工作空域。主要弄清楚系統(tǒng)內各傳感器工作空域，包括傳感器的有效作用距離(最大工作距離、最小工作距離)，俯仰角范圍等。如對空雷達、對海雷達和火控雷達的工作空域存在著一定的差異，選擇不同的量程對應不同距離的目標。

3)傳感器的工作模式。主要弄清楚具有不同工作模式的傳感器各工作模式所對應的功能和參數(shù)設置等。如某些雷達具有被動、主動和低截獲概率工作模式等，新型雷達電子戰(zhàn)一體化系統(tǒng)具有雷達和電子戰(zhàn)工作模式等。

4)傳感器的資源特性。主要弄清楚傳感器的測量精度、數(shù)據(jù)率、通道數(shù)、目標容量、總功率以及發(fā)射功率的可變范圍等。

5)傳感器的隸屬性。所謂傳感器隸屬性，就是武器系統(tǒng)與傳感器的對應關系。例如，對于某一武器系統(tǒng)來說，只有某唯一指定傳感器能為其提供信息保障，那么我們稱這個傳感器為這個武器系統(tǒng)的專屬傳感器;如果有2 種或2 種以上的傳感器可以為某一武器系統(tǒng)提供信息保障，但是對這2 種傳感器選擇卻有優(yōu)先順序，優(yōu)先選擇的傳感器為主傳感器，另外的成為兼顧傳感器，調度過程中若主傳感器資源受限，調用兼顧傳感器進行信息保障。

2.2 作戰(zhàn)任務與傳感器使用規(guī)劃

以水面艦艇遂行對空作戰(zhàn)任務為例，將對空作戰(zhàn)區(qū)域劃分為遠中近三層防區(qū)，遠層防區(qū)為遠程對空警戒區(qū)域，中層防區(qū)為中程對空交戰(zhàn)區(qū)域，近層防區(qū)為近程對空交戰(zhàn)區(qū)域，層區(qū)劃分和主要作戰(zhàn)任務如圖1所示。另外，3個層區(qū)中還涉及方位范圍劃分、仰角范圍劃分等。

圖1 對空作戰(zhàn)區(qū)域劃分和傳感器武器使用示意圖Fig.1 Illustration of the combat area division and the main operational task

1)目標探測任務。主要利用艦載雷達對指定空域(全空域、威脅扇面、海面)進行搜索跟蹤，盡早發(fā)現(xiàn)來襲目標。

2)電子偵察任務。主要利用電子偵察系統(tǒng)、通信偵察系統(tǒng)以及雷達系統(tǒng)(被動工作方式)對作戰(zhàn)空域指定頻率范圍進行偵察，盡早發(fā)現(xiàn)敵通信信號(短波、超短波、數(shù)據(jù)鏈等)、雷達輻射源信號(機載和艦載搜索警戒雷達、跟蹤雷達、火控雷達，以及導彈末制導雷達)，為綜合態(tài)勢和威脅預估提供信息。

3)目標識別任務。主要利用敵我識別系統(tǒng)、電子偵察系統(tǒng)、雷達、紅外跟蹤系統(tǒng)、電視跟蹤系統(tǒng)等，對已發(fā)現(xiàn)或疑似存在目標(或假目標)進行身份識別(敵方、我方、友方)和屬性識別(飛機、艦艇、導彈等)。

4)目標跟蹤任務。主要利用雷達(米波段、S波段、X 波段、雷達電子戰(zhàn)一體化設備)、紅外跟蹤系統(tǒng)、電視跟蹤系統(tǒng)等，對指定目標進行穩(wěn)定跟蹤，為武器打擊提供信息保障(精確跟蹤)。

5)電子干擾任務。主要利用電子偵察系統(tǒng)、電子干擾系統(tǒng)、通信干擾系統(tǒng)等，對敵搜索雷達、火控雷達、導彈末制導雷達、指揮系統(tǒng)、通信網(wǎng)、指揮網(wǎng)等采取電子干擾和反干擾措施。

2.3 傳感器使用策略規(guī)劃

只有對傳感器使用策略進行準確詳細的規(guī)劃，才能圍繞使用策略采取優(yōu)化措施和方法，提高傳感器工作效能。艦載多傳感器使用策略規(guī)劃包含傳感器單獨使用策略規(guī)劃和傳感器協(xié)同使用策略規(guī)劃兩部分。

1)傳感器單獨使用策略規(guī)劃。指的是找出系統(tǒng)中可獨立保障某一作戰(zhàn)任務的傳感器及其使用策略。如，敵我識別系統(tǒng)可獨立保障目標敵我屬性的判斷任務;某些雷達可獨立完成某一空域目標的搜索和跟蹤任務;電子偵察系統(tǒng)可獨立完成某一頻段電磁信號的偵察告警和威脅判斷等任務。使用策略規(guī)劃主要指根據(jù)傳感器在不同條件下的性能指標，對傳感器的使用進行預處理。如根據(jù)各雷達在不同距離、不同高度、不同方位上探測威力(對目標的搜索概率值、跟蹤精度等)不同，預先對系統(tǒng)內各雷達的使用范圍和時機進行規(guī)劃，構建完整的遠中近銜接緊密，高中低搭配合理的雷達探測體系;電子干擾系統(tǒng)有效干擾區(qū)間;

2)傳感器協(xié)同使用策略規(guī)劃。指的是找出系統(tǒng)中可按指定的時間順序依次或同時完成某一作戰(zhàn)任務的2 種或2 種以上傳感器組合及其使用策略。傳感器協(xié)同使用策略規(guī)劃最重要的內容是尋求傳感器之間是否存在協(xié)同機會，以及協(xié)同使用是否會提高傳感器的效能值。如，傳感器協(xié)同工作，是否會提高探測空域覆蓋范圍?是否會提高對目標發(fā)現(xiàn)概率?是否會提高目標跟蹤精度?是否會提高目標識別率等。

協(xié)同策略規(guī)劃可從任務需求分析和傳感器互補2個方面進行:

①從任務需求分析上，主要體現(xiàn)在作戰(zhàn)任務對應的目標類型、空域范圍、識別正確率、跟蹤精度、抗干擾能力等方面。

②從傳感器互補性上，則主要體現(xiàn)在傳感器工作頻段、工作模式、空域覆蓋范圍、環(huán)境適應能力等方面。例如，為了減少傳感器之間的相互干擾，傳感器大都選擇在不同的工作波段;若不可避免地選擇相同的工作波段，則應選擇不同的工作方式，即一個為主動式，一個被動式;為縮短雷達搜索時間，可選擇電子偵察系統(tǒng)引導雷達對指定方位進行目標搜索和跟蹤［4］。

3 艦載多傳感器資源調度模型

設艦載傳感器系統(tǒng)的傳感器論域為U={Ui}，i=1，2，…，n，n 為傳感器(傳感器組)數(shù)目，作戰(zhàn)任務論域為V={Vj}，j=1，2，…，m，m 為任務數(shù)量。

3.1 “傳感器-任務”效能因子

定義rij為傳感器Ui對任務Vj的效能因子。rij表示傳感器Ui對任務Vj進行保障時，傳感器Ui對系統(tǒng)所做貢獻值，它是任務優(yōu)先級threat(Vj)與傳感器與任務的匹配度match(Ui)的函數(shù)。效能因子rij的確定是多傳感器資源分配的關鍵，由rij組成效能矩陣R，既是多傳感器分配的基礎［6］。

其中threat(Vj)為任務Vj的優(yōu)先級，它與作戰(zhàn)任務所對應目標的威脅等級和任務的緊迫程度有關。例如，對于同一傳感器，它所保障的任務優(yōu)先級越高，對系統(tǒng)的貢獻值就越大，則效能因子就越大;反之，越小?？梢妑ij與threat(Vj)成正比關系。

match(Ui)為傳感器Ui保障作戰(zhàn)任務Vj的匹配度。對于不同的傳感器與任務，匹配度的計算方法也會不同。它可以是傳感器工作覆蓋范圍與任務要求的范圍大小的比例關系;也可以是傳感器獲取目標特征參數(shù)精度與系統(tǒng)需求的參數(shù)精度比例關系等，應具體問題具體分析。例如，有的傳感器獲取目標特征參數(shù)精度很高，而當系統(tǒng)對這些特征參數(shù)精確要求不高時，若將此傳感器用于此目標，必然造成資源浪費;若傳感器獲取目標特征參數(shù)精度較低，而系統(tǒng)對這些特征參數(shù)精度要求較高時，若將此傳感器用于此目標，則會影響系統(tǒng)性能，甚至導致任務的失敗。設傳感器測得各參數(shù)精度為A=(α1d，α2d，…，αbd)，系統(tǒng)對各參數(shù)精度要求為B=(α1s，α2s，…，αbs)，則

當match(Ui)=1 時，說明傳感器與任務取得最佳匹配，否則，或造成資源浪費，或無法滿足需求。

3.2 多傳感器資源調度模型

艦載多傳感器資源調度是以滿足任務需求為目的，根據(jù)“傳感器-任務”效能因子和傳感器性能約束，對所有任務與傳感器策略進行優(yōu)化匹配，對傳感器資源進行合理調度，充分發(fā)揮傳感器最佳效能，從獲得最優(yōu)的系統(tǒng)綜合效能。建立資源調度模型如下:

式中:k 為傳感器Ui的某種工作模式;為Ui在工作模式k下的最大任務容量。

4 資源調度系統(tǒng)功能設計

艦載多傳感器資源調度系統(tǒng)主要功能:一是解決何時選用何種傳感器提供服務保障;二是解決何時選擇2 種或2 種以上傳感器進行協(xié)同工作;三是指定傳感器的工作狀態(tài)、工作時機、工作模式以及工作參數(shù)等;四是對傳感器資源使用情況進行實時統(tǒng)計和傳感器能力預估。系統(tǒng)功能示意圖如圖2所示。

圖2 艦載多傳感器資源調度系統(tǒng)示意圖Fig.2 Illustration of the shipboard multi-sensor resource scheduling system

作為資源調度系統(tǒng)，首先要確定系統(tǒng)的輸入和輸出變量，以及系統(tǒng)決策機制。

4.1 系統(tǒng)輸入變量

系統(tǒng)的輸入變量是水面艦艇遂行作戰(zhàn)任務過程中各種作戰(zhàn)任務的集合T。設Tyj為預警探測任務子集，Tyj={Tyj1，Tyj2，…，TyjE};Tzc為電子偵察任務子集，Tzc={Tzc1，Tzc2，…，TzcF};Tsb為目標識別任務子集，Tsb={Tsb1，Tsb2，…，TsbG};Tgz為目標跟蹤任務子集，Tgz={Tgz1，Tgz2，…，TgzH};Tgr為電子干擾任務子集，Tgr={Tgr1，Tgr2，…，TgrI};則作戰(zhàn)任務集T={T1，T2，…，TN}，Ti∈(Tyj∪Tzc∪Tsb∪Tgz∪Tgr)，N=E+ F+ G+ H+ I，N 為作戰(zhàn)任務集中任務總數(shù)等于任務子集任務數(shù)之和。

在資源調度前，系統(tǒng)需要對作戰(zhàn)任務集T 中的作戰(zhàn)任務進行優(yōu)先級排序。

4.2 系統(tǒng)決策機制

系統(tǒng)決策機制就是根據(jù)傳感器策略集、傳感器約束集和傳感器效能集，通過查詢機制，為任務集中的每個任務安排傳感器使用策略，并對傳感器(傳感器組)工作時序、工作模式、工作參數(shù)等進行管理，以便及時獲取和提供任務所需的各種信息。具體步驟為:第1 步，查詢傳感器策略集中滿足任務集中每個任務需求的傳感器(傳感器組)策略，可能存在一個或多個策略，生成任務與傳感器策略的對應關系圖;第2 步，查詢傳感器資源約束集，查看滿足任務需求傳感器策略對應的傳感器資源剩余情況、使用情況和約束條件，判斷哪幾個傳感器策略可用;第3步，計算可用傳感器策略對任務的貢獻度大小，也就是“傳感器—任務”的效能值，并進行排序和選擇優(yōu)化;第4 步，綜合分析所有作戰(zhàn)任務和傳感器策略，在保證系統(tǒng)獲取最大作戰(zhàn)效能的前提下，為每個作戰(zhàn)任務安排最優(yōu)的傳感器策略，生成具體的傳感器工作指令。圖3所示為系統(tǒng)資源調度流程圖。

圖3 系統(tǒng)資源調度流程圖Fig.3 The flow chart of system resource scheduling

4.3 系統(tǒng)輸出變量

系統(tǒng)輸出變量，就是根據(jù)最終的作戰(zhàn)任務與傳感器策略的對應關系，系統(tǒng)將給出每個傳感器工作的時間、模式、空間范圍、頻率、功率，以及傳感器組合協(xié)同工作樣式(先后順序工作、同時工作、交接、引導)等具體參數(shù)指令，進而控制艦載多傳感器系統(tǒng)按指令協(xié)調統(tǒng)一工作。對目標探測任務來說，指定了傳感器工作的空域范圍φ=［α，h，d］(方位區(qū)間α，高度區(qū)間h，距離區(qū)間d);對于電子偵察任務來說，指定了傳感器工作的空域和頻率范圍;對于目標識別任務來說，指定了傳感器工作內容，如目標身份或目標屬性的判斷;對于目標跟蹤任務來說，指定了傳感器獲取目標參數(shù)的種類和精度，如目標航向、速度、高度、距離以及數(shù)據(jù)率等信息;對于電子干擾任務來說，指定了傳感器工作的功率大小、干擾樣式、干擾參數(shù)等信息。

5 結 語

首先根據(jù)傳感器的性能和約束條件以及作戰(zhàn)空域的劃分，對傳感器的使用策略進行合理規(guī)劃，生成傳感器策略集。其次計算“傳感器-任務”效能因子，生成“傳感器-任務”效能集。最后根據(jù)統(tǒng)的輸入變量、輸出變量，制訂了資源調度的查詢機制和決策機制。從而對艦載多傳感器資源調度系統(tǒng)進行了初步設計。需要下一步深入研究的問題有:一是傳感器協(xié)同工作機制與融合算法研究;二是不同“傳感器-任務”效能因子的計算參數(shù)指標和計算方法研究等。

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