肖 秦

(中國電子科技集團公司 第20 研究所，西安 710068)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭思想的發(fā)展，以及高新技術在武器系統(tǒng)中的廣泛及深入應用，戰(zhàn)爭的環(huán)境日趨復雜和惡劣，作戰(zhàn)空間已由原來的一維發(fā)展到現(xiàn)在的海、陸、空、天、和電磁等多維，其要求艦隊與岸基、空中作戰(zhàn)飛機以至各兵種之間進行協(xié)同作戰(zhàn)，將作戰(zhàn)艦艇部隊、作戰(zhàn)支援部隊和所屬的平臺以及衛(wèi)星平臺連接起來，實現(xiàn)各平臺、各作戰(zhàn)部隊之間高速、大容量、實時的數(shù)據(jù)和信息交換，先敵實施精確打擊和聯(lián)合作戰(zhàn)。

為此，在現(xiàn)代戰(zhàn)場中，配備和使用了大量的傳感器。但由于這些傳感器的多樣性以及信息來源的廣泛性和信息類型的復雜性，不僅限制了傳感器信息資源的有效利用，而且嚴重影響了傳感器的合理使用，要使用好多平臺傳感器，使其在空間和時間上既能冗余又能互補，既能相互支持又能避免相互干擾，以組成范圍廣、縱深大的傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)多層次、全方位的多維信息協(xié)同探測，必須對多平臺傳感器資源進行有效的協(xié)調(diào)管理控制。

多傳感器系統(tǒng)需要在保證完成任務的同時，盡可能地隱蔽自己，為此多傳感器管理系統(tǒng)必須能夠在滿足跟蹤精度要求的前提下，最大限度地降低對資源的使用。基于該目的，本文在利用Ad Hoc 網(wǎng)絡拓撲結構的基礎上，對協(xié)同探測中傳感器管理方法研究，在滿足系統(tǒng)性能的前提下，對傳感器資源，網(wǎng)絡傳輸進行優(yōu)化從而提高系統(tǒng)的抗毀性。

1 概述

通常條件下，協(xié)同探測系統(tǒng)鏈路分為3 層:以太網(wǎng)絡層、光纖視頻總線層、寬帶無線通訊層(相控陣雷達組成的微波鏈)，以太網(wǎng)絡層通信數(shù)據(jù)率為1 000 Mb/s，主要傳遞本平臺傳感器控制命令、故障信息、狀態(tài)信息、航跡信息和作戰(zhàn)信息等數(shù)據(jù);光纖視頻總線層通信數(shù)據(jù)率為2 Gb/s，主要傳遞寬帶視頻信息等數(shù)據(jù);寬帶無線通訊層通信數(shù)據(jù)率主要傳遞各平臺經(jīng)壓縮處理后的目標傳感器級態(tài)勢信息、武器和傳感器鉸鏈信息、傳感器控制信息、各平臺傳感器狀態(tài)信息等。

在本文中僅考慮究寬帶無線通訊層，即采用何種方式將分布在不同平臺上的傳感器進行組織運用，即實現(xiàn)傳感器管理。為了實現(xiàn)分布平臺中的傳感器管理的高效性與抗毀性，采用基于Ad Hoc 的無線網(wǎng)絡結構。

1.1 Ad Hoc 網(wǎng)絡結構

Ad Hoc 網(wǎng)絡的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結構:Ad Hoc 網(wǎng)絡中沒有固定的通信設施和中央管理設備，網(wǎng)絡節(jié)點可以隨機地以任意速度朝任何方向移動，即網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化。

2)多跳通信:兩個網(wǎng)絡節(jié)點由于受到可用資源的限制，不能處在同一個覆蓋網(wǎng)絡內(nèi)，可采用Ad Hoc 網(wǎng)絡多跳通信，實現(xiàn)不同覆蓋網(wǎng)絡之間的源主機與目的主機之間的通信。

Ad Hoc 無線網(wǎng)絡的拓撲結構可分為2 種:對等式平面結構和分級結構。

對等式平面結構中，所有網(wǎng)絡節(jié)點地位平等。在分級結構的Ad Hoc 無線網(wǎng)絡拓撲結構中，整個網(wǎng)絡是以簇為子網(wǎng)組成的，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，簇頭形成高一級網(wǎng)絡，高一級網(wǎng)絡又可分簇形成更高一級網(wǎng)絡。每一個簇中的簇頭和簇成員是動態(tài)變化、自動組網(wǎng)的。

分級結構根據(jù)硬件的不同配置，又可以分為單頻分級結構和多頻分級結構。單頻分級結構使用單一頻率通信，所有節(jié)點使用同一頻率;而在多頻分級結構中，若存在兩級網(wǎng)絡，則低級網(wǎng)絡通信范圍小，高級網(wǎng)絡通信范圍大，簇成員用一個頻率通信，簇頭節(jié)點用一個頻率與簇成員通信，用另一個頻率來維持與簇頭之間的通信。

對等式平面結構和分級結構使用時各存在優(yōu)缺點:對等式平面結構網(wǎng)絡結構簡單，各節(jié)點地位平等，源節(jié)點與目的節(jié)點通信時存在多條路徑，不存在網(wǎng)絡瓶頸，而且網(wǎng)絡相對比較安全，但最大的缺點是網(wǎng)絡規(guī)模受到限制，當網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，路由維護的開銷呈現(xiàn)指數(shù)增長而消耗掉有限的帶寬;分級結構網(wǎng)絡規(guī)模不受限制，可擴充性好，而且由于分簇，路由開銷小，雖然分級結構中需要復雜的簇頭選擇算法，但由于分級網(wǎng)絡結構具有較高的系統(tǒng)吞吐量，節(jié)點定位簡單，目前Ad Hoc 無線網(wǎng)絡正逐漸呈現(xiàn)分級化的趨勢，許多網(wǎng)絡路由算法都是基于分級結構網(wǎng)絡模式。本文中采用分級結構的Ad Hoc 無線網(wǎng)絡將不同平臺上的傳感器進行組網(wǎng)，進而形成對不同平臺傳感器有效的管理能力。

1.2 傳感器管理

傳感器管理的范圍包括空間管理、模式管理和時間管理，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。傳感器管理功能包括目標排列、事件預測、傳感器預測、傳感器對目標的分配、空間和時間范圍控制以及配置和控制策略。

多傳感器管理體系結構與數(shù)據(jù)融合［1］系統(tǒng)的體系結構密切相關，有集中式、分散式和混合式3 種結構形式。集中式管理結構中，由融合中心完成所有的數(shù)據(jù)處理(扇區(qū)監(jiān)視、目標跟蹤、身份識別、態(tài)勢和威脅估計等)，直接向各傳感器發(fā)送控制命令，傳感器僅負責執(zhí)行控制命令。由于所有的處理工作都在融合中心進行，因此該方式存在計算量大和通訊瓶頸等缺點。在分散式結構中，數(shù)據(jù)是由一組局部代理分別在本地進行融合處理，每個傳感器或平臺可被看作是一個具有一定自動決策能力的智能設備。傳感器之間的合作通過網(wǎng)絡通訊機制來實現(xiàn)，各傳感器共享局部融合信息并進行合作。分散式數(shù)據(jù)融合結構由于結構上具有可伸縮性，生存能力強的特點，然而，在分散式數(shù)據(jù)融合網(wǎng)絡中，信息冗余會帶來嚴重問題。

混合式結構可看作集中式和分散式的組合。這種結構中存在多個層次，頂層是全局融合中心，底層則由多個局部融合中心組成，每個局部融合中心負責管理一個傳感器子集。由一個起中心作用的宏管理器和位于各傳感器的微管理器組成。宏管理器負責高層次的戰(zhàn)略決策，微管理器則負責對具體的傳感器進行戰(zhàn)術上的調(diào)度，盡最大能力執(zhí)行宏管理器的命令要求。本文采用混合式的傳感器管理方法，其結構如圖1 所示。

圖1 混合式的傳感器管理示意圖

2 實現(xiàn)方法

2.1 利用Ad Hoc 對傳感器組網(wǎng)

在傳感器組網(wǎng)中首先設定傳感器管理中心，負責對各平臺傳感器進行調(diào)度。為了減少傳感器管理中心本身的計算量及傳感器管理中心與其它傳感器平臺之間的通信開銷，可以將位于管理中心而與傳感器有關的功能模塊搬遷到傳感器所在平臺，各傳感器平臺本身具有管理能力，傳感器對任務的分配可通過傳感器之間的相互協(xié)商來確定，從而構成一個基于多代理的混合式管理結構［2］。這種結構中存在多個層次，頂層是全局管理中心，底層則由多個局部管理中心組成，每個局部管理中心負責管理一個傳感器子集。該方法遵循如下的協(xié)商策略:管理中心將系統(tǒng)任務發(fā)送給能獨立完成該任務的傳感器，或能聯(lián)合完成該任務的傳感器組。此后，各傳感器根據(jù)其自身的需要與相關的傳感器，這一過程一直持續(xù)到管理中心發(fā)出下一組任務時為止。針對這一特點在傳感器組網(wǎng)中采用2 層的分級結構。其網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 兩層結構的傳感器結構

使用分簇機制，每個簇內(nèi)將數(shù)據(jù)匯聚到局部傳感器管理中心，在此過程中未減少數(shù)據(jù)流量，而在局部管理中心將本簇的傳感器數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給傳感器管理中心。假設有m 個簇，一個簇有n 個成員，局部傳感器管理處理后的數(shù)據(jù)能夠減少到1/n，則在簇頭將數(shù)據(jù)匯聚到融合中心的過程中節(jié)省(n-1)/n 的數(shù)據(jù)量。考慮到在局部管理中心匯聚過程中未減少數(shù)據(jù)量，而總的節(jié)省數(shù)據(jù)量為(n-1)/2n。

2.2 基于線性規(guī)劃的傳感器管理算法

目前傳感器管理算法包括決策論或效用論、信息論、線形規(guī)劃［3］、動態(tài)規(guī)劃［4］、模糊集合論［5］以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。本文中采用改進的線性規(guī)劃法。

步驟1:目標-傳感器進行再分配

將目標與傳感器進行組合。如有3 個傳感器，其構成的虛擬傳感器組合序列為:c = {c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7}其中:c1={1}，c2= {2}，c3= {3}，c4= {1，2}，c5= {1，3}，c6={2，3}，c7={1，2，3}，3 個傳感器可以構造5 個子序列，子序列為p={p1，p2，p3，p4，p5}，其中:p1={{1}，{2}，{3}}，p2={{1，2}，{3}}，p3={{1，3}，{2}}，p4={{2，3}，{1}}，p5={{1，2，3}}它們的組合數(shù)依次為3，2，2，2，1:其中用U ={i，j}表示傳感器組合和目標配對的分配效用，其中i 表示一個傳感器組合，j 表示目標。傳感器所有可能的分割序列用P 表示，分割p∈P 由Sp個組合組成。最佳規(guī)劃是評估所有的可能的分割p∈P 中傳感器組合，對目標t∈T 配對的效用和，最大的分割效用配對就是最佳規(guī)劃。

xi，j=0 或1?i=1，2…，Sp，j=1，2…t

xij=1 表示傳感器組合i 與j 配對，xij=0 表示組合i 與j不構成配對。

為了工程中的使用方便，對線性規(guī)劃算法進行優(yōu)化設計，結合目標威脅等級與協(xié)同探測覆蓋范圍的約束條件將Ad Hoc 的分級結構應用于傳感器組網(wǎng)中，以減少對通信資源的占用。

步驟2:傳感器探測范圍內(nèi)目標進行預分配

根據(jù)作戰(zhàn)任務要求、可能的威脅目標環(huán)境，確定傳感器網(wǎng)內(nèi)所采用的雷達類型配置，即按照區(qū)域的作戰(zhàn)要求和攻防體系的層次，并兼顧到高、中、低空防空需求，量化傳感器系統(tǒng)應達到的主要威力范圍指標信息質(zhì)量要求，從而可以有效降低線性規(guī)劃算法的計算量。

所有傳感器網(wǎng)內(nèi)的傳感器將所探測到的目標上報傳感器管理中心節(jié)點，由中心節(jié)點進行數(shù)據(jù)處理，形成戰(zhàn)場態(tài)勢，并根據(jù)各個傳感器探測范圍對目標完成初次分配，確定該目標由哪個或哪幾個傳感器進行探測。如圖3 所示，假設有3個傳感器對應A、B、C，在其探測范圍內(nèi)共有1 ～12 個。其中目標1、2、3 直接由傳感器A 進行探測，4、5、6 由傳感器B 進行探測，7，8 由傳感器C 進行探測，剩下的9，10，11，12 號目標再進行下一步的處理。

圖3 傳感器探測范圍示意圖

步驟3:判定目標優(yōu)先級

基于信息論的傳感器管理算法。以觀測獲取的信息增量最大的原則為被優(yōu)化的指標，信息增量作為指標運算的度量方法，傳感器的跟蹤能力為約束參數(shù)。這種傳感器管理算法僅僅考慮了傳感器實施觀測可以獲取的信息，未考慮實際情況中目標的優(yōu)先級，而在實際系統(tǒng)中，優(yōu)先級高的目標應該首先予以觀測。為此，在基于傳感器管理算法中引入優(yōu)先級的概念，對從各個目標獲取的信息增量進行加權。

決定目標優(yōu)先級的因素包括:身份(ID):目標身份(敵、我、不明)和類型(如殲擊機、轟炸機、偵察機、運輸機等)是確定目標優(yōu)先級的關鍵因素;信息需求(IM):需要附加傳感器信息以建立、提煉、更新被檢測目標的位置，這是建立優(yōu)先級的另一因素;威脅(TR):通常每個目標對本機的威脅程度可以依據(jù)敵方對我方的攻擊時機、敵方殺傷力等來確定;時機(CH):使用我方武器打擊并摧毀目標的能力的一個度量值，是指本機使用武器攻擊并摧毀目標能力的度量值?；鹂匦枨?FR):若數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)使用的傳感器同時擔負火控功能，則必須優(yōu)先考慮火控請求。

根據(jù)以上細則，定義Γ(ID，IM，TR，CH，F(xiàn)R)為目標的優(yōu)先級函數(shù)，它的最小值為0，最大值為1。其值是由所列因素經(jīng)過適當?shù)倪\算而獲得。當有外部命令作用于目標時，其優(yōu)先級最高，取Γ(.)=1，此時最佳規(guī)劃函數(shù)(公式1)轉(zhuǎn)化成

其中Γt為目標tj的優(yōu)先級;

于是，在每個管理周期，傳感器管理過程可以描述如下:1)計算傳感器組合對目標的信息增量;

2)引入目標優(yōu)先級;

3)計算綜合信息增量;

4)解所示的最優(yōu)化模型，即可得到傳感器分配矩陣。

結合基于信息論傳感器管理方法的優(yōu)化問題，在選擇傳感器—目標配對時，采用以下準則:選擇使綜合信息增量最大的傳感器—目標對。算法開始計算出S×m 個傳感器—目標對的各自的綜合信息增量，確定綜合信息增量最大的傳感器—目標對，假設為傳感器j，目標t，則將傳感器j 分配給使目標t。然后將傳感器j 從傳感器集合中刪除，并更新剩余的傳感器對目標t 的綜合信息增量。這樣一個傳感器分配完畢。在更新后的(S-1)×m 個綜合信息增量中，依據(jù)上面的步驟再次進行分配，直至傳感器資源用完。

將此優(yōu)化算法引入傳感器管理算法后，算法改進為:

1)計算各個傳感器對m 個目標各自的綜合信息增量;

2)選擇綜合信息增量最大的傳感器——目標對(j，t);

3)將傳感器j 分配給目標t;更新目標t 的濾波誤差協(xié)方差矩陣;

4)將傳感器j 從傳感器集合中刪除;

5)若傳感器資源用完，則算法結束;

6)更新傳感器集合中傳感器對目標t 的綜合信息增量;

7)利用新的綜合信息增量和目標集合重復步驟2。

為了得到一次傳感器分配方案，這種近似算法大約需計算ms+s(s-1)/2 次濾波協(xié)方差更新，而在窮舉法中，由于有ts種分配方案，每種分配方案需計算s 次，則它共需計算mss 次協(xié)方差更新，近似算法的計算量大大減少了，而且隨目標與傳感器數(shù)量的增加窮舉法的計算量增長非常尖銳，而近似算法的計算量增長相對平緩。

3 仿真驗證

3.1 場景

仿真中，在400 km×400 km，隨機生成1 ～6 部傳感器，不考慮其架高與視距。其探測范圍依次是(50 km、100 km、200 km、250 km、300 km、400 km)仿真中，6 部傳感器依次增加，并設定空域中有40 批目標，目標的位置在區(qū)域中隨機放置，并在仿真中依次增加。

3.2 結果

經(jīng)過仿真，結果如圖4 所示，增加傳感器探測范圍內(nèi)目標進行預分配及目標優(yōu)先級判斷條件算法(結合近似算法)前后進行比較可以看出，通過該算法大大提高了傳感器與目標分配的效率。

圖4 兩種條件下的仿真結果

4 結束語

本文將傳感器探測范圍及目標優(yōu)先級引入傳感器管理算法的預處理中，能夠有效減少傳統(tǒng)算法的計算量，提高算法效率，如圖4 所示，并在傳感器組網(wǎng)中采用分層的Ad Hoc網(wǎng)絡拓撲結構，可以降低傳感器管理中信息傳輸負荷。隨著傳感器種類和數(shù)量的不斷增加，在今后的研究中還需進一步的對同質(zhì)、異質(zhì)傳感器，合作、非合作目標進行針對性的研究，提高傳感器管理在工程上應用的合理性。

［1］周成偉，陳春良.基于D_S 證據(jù)理論的多傳感器目標識別信息融合方法［J］. 四川兵工學報，2011，32（4）:56-58.

［2］田康生，朱光喜. 基于多代理技術的傳感器管理系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代雷達，2004，26（2）9-13.

［3］Nash JM. Optimal allocation of tracking resources［C］//Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control.New Orleans，Louisiana:IEEE，1977P:479-482.

［4］David A CastaAon. Approximate Dynamic Programming for Sensor Management［EB/OL］.［2002-02-07］.http//www.1go1.con.

［5］Keith Kastella. Discrimination Gain to Optimize Detection and Classification［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics，Part-A，1997，27（1）:112-116.

［6］陶鳴，俞鶴偉.分層結構Ad Hoc 網(wǎng)絡中基于節(jié)點位置的通信改進［J］.通信技術，2009，42（1）134-136.

［7］李超良，胡春華.無線傳感器網(wǎng)絡中面向動態(tài)多跳的非均勻分簇路由［J］.中南大學學報:自然科學版，2011，42（7），2049-2053.

［8］陳林星，曾曦.移動Ad Hoc 網(wǎng)絡——一種自組織分組無線網(wǎng)絡技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［9］方江，胡威標.空海一體戰(zhàn)［M］.南京:中國人民解放軍海軍指揮學院出版社，2010.

［10］王小非.C3I 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2006.

［11］侯長軍 黃清菁 霍丹群.檢測金屬離子的R-S-F 結構型熒光分子傳感器研究進展［J］. 功能材料，2011，42（4）:581-585