肖冰松，唐書娟，許蘊(yùn)山，盧丁丁，王 瑞

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038）

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜性的日益提高，各種同質(zhì)和異質(zhì)傳感器系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，迫使人們對(duì)這些傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成［1］。這些傳感器從不同側(cè)面反映了觀測(cè)對(duì)象的特性。如何快速、有效、自動(dòng)地管理這些傳感器，直接影響著信息融合系統(tǒng)的性能［2］。傳感器管理就是利用有限的傳感器，滿足對(duì)多個(gè)目標(biāo)和掃描空間的要求，以得到各具體特性的最優(yōu)度量值（如檢測(cè)概率、截獲概率、傳感器自身的發(fā)射能力、航跡精度等）［1］。劉先?。?］對(duì)傳感器管理的基本概念、原理及基本方法進(jìn)行了綜述；羅開(kāi)平［4］從傳感器級(jí)、平臺(tái)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)3個(gè)方面對(duì)傳感器管理方法進(jìn)行了綜述；Alfred O.Hero III［5］對(duì)傳感器理論、算法和應(yīng)用進(jìn)行了回顧和展望。以往的綜述性文章對(duì)傳感器管理在武器裝備中的應(yīng)用論述較少，所以本文試圖對(duì)武器裝備中的傳感器管理研究進(jìn)行梳理，以幫助相關(guān)學(xué)者系統(tǒng)了解傳感器管理在武器裝備中的應(yīng)用情況。

1 武器裝備中的傳感器管理內(nèi)容

傳感器管理的核心問(wèn)題就是依據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則，確定目標(biāo)選擇何種傳感器以及該傳感器的工作方式及參數(shù)。根據(jù)傳感器管理的內(nèi)容，可分為空間管理、模式管理和時(shí)間管理［2］。根據(jù)傳感器系統(tǒng)所擁有的傳感器和平臺(tái)的數(shù)量不同，可分為傳感器級(jí)的管理、單平臺(tái)多傳感器管理和多平臺(tái)多傳感器管理。以下3種應(yīng)用代表了武器裝備中傳感器管理的典型內(nèi)容。

1.1 指揮控制中的傳感器管理

文獻(xiàn)［6］指出了指揮控制中的傳感器管理需求，如圖1所示。

對(duì)于單個(gè)傳感器管理，主要是傳感器的控制、參數(shù)配置和分配。對(duì)于多個(gè)傳感器管理，主要是傳感器的協(xié)調(diào)與合作，包括指示與交接。在整個(gè)任務(wù)中，時(shí)間管理、不確定管理、輻射控制、電子戰(zhàn)和人機(jī)界面貫穿其中。

1.2 戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視作戰(zhàn)中的傳感器管理

文獻(xiàn)［7］指出了戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視作戰(zhàn)中傳感器管理的主要內(nèi)容。對(duì)于單個(gè)傳感器管理，主要在于傳感器時(shí)序調(diào)度、模式控制和電子戰(zhàn)。對(duì)于單平臺(tái)的多傳感器管理，主要在于模式控制、傳感器/任務(wù)配對(duì)、傳感器合作（指示與交接）、傳感器協(xié)調(diào)（解決沖突）。對(duì)于分布式傳感器管理，由于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性，主要在于平臺(tái)/任務(wù)配對(duì)、傳感器管理體系結(jié)構(gòu)、通信限制、平臺(tái)導(dǎo)航、傳感器協(xié)調(diào)等。

文獻(xiàn)［7］還給出了具備傳感器管理的融合過(guò)程。圖2表征了一個(gè)閉環(huán)融合與感知的過(guò)程。傳感器管理被用來(lái)作為感知策略的反饋。融合過(guò)程的結(jié)果作為傳感器管理的輸入，從而調(diào)整傳感器的暫時(shí)工作模式和配置。

文獻(xiàn)［8］指出了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的傳感器管理也有類似的任務(wù)。

1.3 單平臺(tái)中的傳感器管理

文獻(xiàn)［9］指出單平臺(tái)多傳感器管理有兩大主題：傳感器任務(wù)分配（Sensor assignment）和傳感器調(diào)度（Sensor scheduling）。傳感器任務(wù)分配指決定哪個(gè)傳感器（或傳感器組合）被分配給哪個(gè)目標(biāo)（或某個(gè)區(qū)域）。傳感器時(shí)序調(diào)度指決定何時(shí)采用何種傳感器進(jìn)行何種行動(dòng)。

文獻(xiàn)［10］給出了一種無(wú)人機(jī)上的傳感器管理高層架構(gòu)，它是具有火控需求的，如下頁(yè)圖3所示。該結(jié)構(gòu)全面地考慮了傳感器管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合各層次之間的關(guān)系，詳盡描述了傳感器管理系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，以及數(shù)據(jù)支援、人工干預(yù)等外部條件。

1.4 武器裝備中的傳感器管理

武器裝備中的傳感器管理包括體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配、傳感器合作、傳感器調(diào)度四大內(nèi)容。

體系結(jié)構(gòu)主要解決傳感器管理總體框架的問(wèn)題。

任務(wù)分配主要在于平臺(tái)/傳感器與任務(wù)/目標(biāo)的分配。主要解決傳感器選擇的問(wèn)題。

傳感器合作主要在于目標(biāo)的指示與交接。文獻(xiàn)［2］指出了傳感器指示與交接的定義和原因。傳感器指示就是根據(jù)一種傳感器的檢測(cè)信息去引導(dǎo)另一種傳感器來(lái)對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)目標(biāo)或事件。傳感器交接則出現(xiàn)在兩個(gè)傳感器之間移交監(jiān)測(cè)目標(biāo)或者有火控任務(wù)時(shí)，主要解決傳感器之間互牽引的問(wèn)題。

傳感器調(diào)度在于傳感器模式管理、空間管理、時(shí)間管理、報(bào)告管理等。主要解決單個(gè)傳感器如何工作的問(wèn)題。

2 傳感器管理理論與方法現(xiàn)狀

2.1 傳感器管理體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

文獻(xiàn)［12］對(duì)海上平臺(tái)的傳感器任務(wù)進(jìn)行了闡述，包括敵我識(shí)別器、跟蹤雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、聲納、電子支援設(shè)備、武器控制雷達(dá)等。Erik Blasch［13］指出了傳感器資源管理與信息融合的關(guān)系、中間的問(wèn)題、面臨的挑戰(zhàn)。Muharrem Mane［14］針對(duì)彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，在多威脅環(huán)境下，設(shè)計(jì)了一種基于Agent的傳感器平臺(tái)管理仿真系統(tǒng)。Abderrezak Benaskeur［15］對(duì)軍事監(jiān)視系統(tǒng)，提出了一種基于Holonic控制的傳感器管理結(jié)構(gòu)，并對(duì)目標(biāo)指示與交接場(chǎng)景分別進(jìn)行了描述。Abderrezak Benaskeur［16］還設(shè)計(jì)了一種基于Holonic控制的傳感器管理結(jié)構(gòu)，并給出了兩種傳感器管理策略：開(kāi)環(huán)管理和閉環(huán)管理。文獻(xiàn)［17］以火控系統(tǒng)組網(wǎng)為背景，將Agent技術(shù)應(yīng)用于組網(wǎng)系統(tǒng)中的多傳感器管理，并采用了基于角色的任務(wù)分解思想，提出了基于多Agent的傳感器管理結(jié)構(gòu)模型，分析了各個(gè)組件Agent的功能。文獻(xiàn)［18］對(duì)比分析已有傳感器管理體系結(jié)構(gòu)在協(xié)同作戰(zhàn)中的特點(diǎn)，基于Holon系統(tǒng)的基本特征，構(gòu)建了協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器管理體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［19］給出了一種基于戰(zhàn)術(shù)組建網(wǎng)思想的多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)傳感器資源管理結(jié)構(gòu)。

2.2 傳感器任務(wù)分配現(xiàn)狀

Xiaokun Li［20］基于游戲理論對(duì)傳感器分配問(wèn)題進(jìn)行了建模仿真。Olivier Toupet［21］對(duì)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，建立了累積跟蹤質(zhì)量最大化的目標(biāo)函數(shù)。Boris Kovalerchuk［22］針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間計(jì)劃和實(shí)時(shí)傳感器管理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)智能，基于嚴(yán)密的自適應(yīng)數(shù)學(xué)方法，提出了一種傳感器任務(wù)分配方法和最優(yōu)化模型，從而最小化傳感器平臺(tái)數(shù)量，最小化傳感器平臺(tái)的代價(jià)。Tracie A.Severson［23］針對(duì)彈道導(dǎo)彈跟蹤，對(duì)雷達(dá)資源進(jìn)行分配，采用圖論進(jìn)行求解。Mark P.Kolba［24］在傳感器的發(fā)現(xiàn)概率Pd和虛警概率Pf不確定情況下，研究了一種傳感器合作方法。Mark P.Kolba［25］還設(shè)計(jì)了一種傳感器管理框架，使得每個(gè)傳感器觀測(cè)的信息增益最大化。WANG Ji［26］根據(jù)傳感器的跟蹤能力和限制條件，基于信息增益和蟻群算法，提出了一種多傳感器多目標(biāo)分配方案。Rajnikant Sharma［27］針對(duì)小型固定翼無(wú)人飛行器編隊(duì)跟蹤地面目標(biāo)，提出了一種目標(biāo)函數(shù)，來(lái)優(yōu)化飛行器的路徑和對(duì)目標(biāo)的分配任務(wù)。Kristopher L.Ezra［28］將傳感器管理和武器目標(biāo)分配問(wèn)題進(jìn)行了綜合，提出了傳感器、武器、目標(biāo)分配問(wèn)題，并指出了各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)。這是一種較為新穎的提法，使傳感器-目標(biāo)分配、武器-目標(biāo)分配不再獨(dú)立研究。Volkan Isler［29］采用凸集理論解決傳感器選擇問(wèn)題，從而最小化目標(biāo)估計(jì)誤差。De-yun ZHOU［30］采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)空戰(zhàn)傳感器資源進(jìn)行分配。Emre Ertin［31］采用零和游戲模型進(jìn)行傳感器選擇決策。Muhammad Naeem［32］采用二進(jìn)制粒子群優(yōu)化解決傳感器選擇問(wèn)題。

2.3 傳感器合作現(xiàn)狀

文獻(xiàn)［1-2］介紹了指示的具體方法和一些影響目標(biāo)指示的主要因素。文獻(xiàn)［33］指出傳感器合作是傳感器管理的重要組成，包括傳感器的交接和通過(guò)另一個(gè)傳感器來(lái)獲取信息。Abderrezak［34］對(duì)3種典型場(chǎng)景進(jìn)行了描述，包括單平臺(tái)內(nèi)的目標(biāo)指示與交接、平臺(tái)之間的目標(biāo)指示、平臺(tái)之間的交接。文獻(xiàn)［35］以現(xiàn)代艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)為背景，分析了目標(biāo)的指示需求以及目標(biāo)指示對(duì)作戰(zhàn)性能的影響。文獻(xiàn)［36］針對(duì)單平臺(tái)、單目標(biāo)情況下IRST對(duì)雷達(dá)的引導(dǎo)問(wèn)題作了重要闡述。文獻(xiàn)［37-39］研究了異地配置時(shí)，在不同類型傳感器之間引導(dǎo)時(shí)，目標(biāo)的指示性能。文獻(xiàn)［40］針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的波位搜索，分析了在預(yù)警雷達(dá)的引導(dǎo)下，該雷達(dá)捕獲彈道導(dǎo)彈時(shí)的最優(yōu)波位搜索時(shí)序。文獻(xiàn)［41］針對(duì)多目標(biāo)情況下IRST對(duì)雷達(dá)的引導(dǎo)問(wèn)題，通過(guò)評(píng)價(jià)交接性能的因素和分析指示搜索的過(guò)程，確定了解決目標(biāo)指示交接問(wèn)題的主要步驟。文獻(xiàn)［42］對(duì)多傳感器交叉提示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并指出了該領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容和方法、結(jié)構(gòu)等。

2.4 傳感器調(diào)度現(xiàn)狀

Francois Rheaume［43］基于火力控制需求，對(duì)雷達(dá)資源調(diào)度算法進(jìn)行研究。Kruger White［44］基于兩條準(zhǔn)則，對(duì)有源相控陣監(jiān)視雷達(dá)的搜索和跟蹤任務(wù)進(jìn)行了有效分配：回掃是基于期望的信息增量，搜索是基于之前未探測(cè)的目標(biāo)的探測(cè)概率決定。Y.Wang［45］考慮目標(biāo)威脅，基于貝葉斯理論和Renyi信息熵進(jìn)行傳感器管理。Dimitri Papageorgiou［46］針對(duì)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，考慮目標(biāo)威脅和花費(fèi)成本，建立了傳感器控制結(jié)構(gòu)和算法。Michael K.Schneider［47］采用馬爾科夫理論對(duì)雷達(dá)資源進(jìn)行了調(diào)度。A.Whitewood［48］設(shè)計(jì)了一種針對(duì)機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)的調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠增加探測(cè)距離，減小航跡起始時(shí)間，而且能夠更加智能地進(jìn)行地圖測(cè)繪。P.Sgambato［49］根據(jù)信息流，設(shè)計(jì)了一種有源相控陣?yán)走_(dá)調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)和事后的調(diào)度仿真。

3 武器裝備中的傳感器管理應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著對(duì)傳感器管理技術(shù)研究的深入，傳感器管理在實(shí)際裝備中，尤其是國(guó)外軍事裝備中得到廣泛應(yīng)用。傳感器管理的應(yīng)用根據(jù)所在平臺(tái)的不同主要分為3類：通用平臺(tái)、戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)、偵察監(jiān)視平臺(tái)。

在通用平臺(tái)上的應(yīng)用主要有：德國(guó)戴姆勒克萊斯勒航空公司在2000年研究了多傳感器綜合概念，建立了多傳感器綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多傳感器跟蹤與識(shí)別。加拿大國(guó)防研究與發(fā)展中心決策支持系統(tǒng)部在2002年指出了在指揮與控制中的傳感器管理問(wèn)題，他們認(rèn)為核心是如何高效管理和協(xié)調(diào)傳感器資源，來(lái)提高對(duì)信息的獲取、感知和理解能力。2007年指出了在戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視作戰(zhàn)中的傳感器管理問(wèn)題，包括單傳感器、單平臺(tái)多傳感器、分布式傳感器等。美國(guó)空軍“以網(wǎng)絡(luò)為中心的協(xié)同式目標(biāo)指示”系統(tǒng)的機(jī)載處理器交叉指引各飛機(jī)的電子情報(bào)或雷達(dá)傳感器對(duì)某一架飛機(jī)所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行偵察。

在戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)上的應(yīng)用主要有：20世紀(jì)80年代末，美國(guó)密蘇里州大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)可為戰(zhàn)斗機(jī)操作員提供與多傳感器交互的傳感器管理專家系統(tǒng)，通過(guò)人工智能技術(shù)對(duì)多傳感器進(jìn)行集成，用于傳感器分配與控制的多傳感器系統(tǒng)狀態(tài)選擇處理器。2008年，英國(guó)的Isabella給出了無(wú)人機(jī)傳感器管理系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)。F-22飛機(jī)的傳感器管理區(qū)用于對(duì)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、CNI等傳感器進(jìn)行綜合管理和數(shù)據(jù)的綜合處理。2011年7月8日，美國(guó)導(dǎo)彈防御局舉行的早期攔截概念驗(yàn)證演習(xí)中，諾·格公司研發(fā)的一體化傳感器管理系統(tǒng)首次得到驗(yàn)證，它對(duì)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)機(jī)載紅外傳感器探測(cè)靶標(biāo)的過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)引導(dǎo)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美空軍從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到實(shí)施打擊的反應(yīng)時(shí)間是80 min～101 min，而到了伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)則縮短至10 min左右，在打擊鏈的整個(gè)過(guò)程中，傳感器管理系統(tǒng)是連接各個(gè)平臺(tái)之間的通信橋梁，是整個(gè)時(shí)敏目標(biāo)打擊系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它是形成機(jī)群整體作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。我國(guó)王琳［50］等對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)火控系統(tǒng)建立了以任務(wù)需求為驅(qū)動(dòng)的傳感器管理結(jié)構(gòu)。

在偵察監(jiān)視平臺(tái)上的應(yīng)用主要有：M Ulvklo結(jié)合圖像處理、任務(wù)規(guī)劃、傳感器及其平臺(tái)、傳感器數(shù)據(jù)融合，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人值守飛機(jī)機(jī)載偵查傳感器管理系統(tǒng)架構(gòu)。美國(guó)洛克希德馬丁公司在1999年提出了下一代預(yù)警機(jī)的融合和跟蹤問(wèn)題。2009年，美國(guó)德萊頓飛行研究中心給出了機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)的賽博結(jié)構(gòu)。2010年2月開(kāi)始，波音公司開(kāi)始為法國(guó)的E-3F Block40/45系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，其中包括資源和傳感器管理。該系統(tǒng)已經(jīng)在2012年開(kāi)始安裝。美國(guó)的“多平臺(tái)雷達(dá)技術(shù)升級(jí)計(jì)劃”提高E-8C與其他平臺(tái)的傳感器實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)和相互引導(dǎo)能力［51］。

4 結(jié)論

本文對(duì)武器裝備中的傳感器管理技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)起來(lái)，當(dāng)前研究主要集中于模型和算法兩個(gè)方面。模型方面，需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，綜合考慮應(yīng)用環(huán)境，建立相應(yīng)的應(yīng)用模型。算法方面，主要集中于如何快速、有效地對(duì)模型進(jìn)行求解。隨著信息化武器裝備的進(jìn)一步發(fā)展，傳感器越來(lái)越多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化傳感器的管理還需更進(jìn)一步的研究。

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