李　川,李鮮武

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,西安710068)

多元代價(jià)函數(shù)的組網(wǎng)雷達(dá)控制模塊設(shè)計(jì)

李川,李鮮武

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,西安710068)

摘要：針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)隱身飛機(jī)探測(cè)發(fā)現(xiàn)的需要,需要采取不同體制的雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng),而組網(wǎng)系統(tǒng)的核心在于實(shí)時(shí)控制網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)。本文旨在設(shè)計(jì)一套包含傳感器不同階段的工作方式和控制模式,通過(guò)可控資源,實(shí)時(shí)再分配,使網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)能提早發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo),并快速建航,使融合處理的精度最優(yōu),并由此提出組網(wǎng)雷達(dá)控制模塊的處理方法和控制流程。通過(guò)仿真驗(yàn)證了多元代價(jià)函數(shù)的相關(guān)算法和處理流程的有效性,為后續(xù)科研提供可操作依據(jù)。

關(guān)鍵詞:組網(wǎng)雷達(dá)；多元代價(jià)函數(shù)；協(xié)方差矩陣；檢測(cè)概率；覆蓋系數(shù)

0引言

隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的不斷發(fā)展,利用組網(wǎng)雷達(dá)解決威脅目標(biāo)檢測(cè)不到、看不遠(yuǎn)、解析決策能力差就成了一個(gè)新的突破點(diǎn)。而如何將網(wǎng)內(nèi)不同體制、不同頻段、不同模式的多種雷達(dá)的資源協(xié)同管理、統(tǒng)一調(diào)配就成了其中最重要的關(guān)鍵技術(shù)。利用單個(gè)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的戰(zhàn)技指標(biāo)可以推廣出多雷達(dá)協(xié)同的相應(yīng)指標(biāo),由此可以根據(jù)這些指標(biāo)選出合理的代價(jià)模型進(jìn)行最優(yōu)配置求解。本文將著重介紹組網(wǎng)雷達(dá)內(nèi)如何利用各傳感器的屬性和資源,對(duì)威脅目標(biāo)盡行進(jìn)行協(xié)同探測(cè),達(dá)到最佳的搜索和跟蹤效果,并給出一種基于多元代價(jià)函數(shù)的協(xié)同控制模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

組網(wǎng)雷達(dá)是指通過(guò)將多部不同體制、不同頻段、不同工作模式、不同極化方式的雷達(dá)或者無(wú)源偵查裝備集合起來(lái),在適當(dāng)區(qū)域的位置進(jìn)行布站,并借助無(wú)線通信手段鏈接成網(wǎng),通過(guò)協(xié)同控制中心統(tǒng)一資源調(diào)配而形成的一個(gè)有機(jī)的整體。網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)和無(wú)源偵查裝備的目標(biāo)探測(cè)信息,包括原始信號(hào)、點(diǎn)跡、航跡等,由協(xié)同控制中心完成收集,并利用綜合的數(shù)據(jù)融合技術(shù)綜合處理后形成雷達(dá)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報(bào)信息,以及點(diǎn)航跡的觀測(cè)與跟蹤信息,并按照戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)變化,能自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備間的工作狀態(tài),發(fā)揮各個(gè)裝備的優(yōu)勢(shì),從而完成對(duì)整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和跟蹤等任務(wù)[1]。

多元代價(jià)函數(shù)的原始定義是指為實(shí)現(xiàn)某個(gè)目的或者一件事情的某個(gè)結(jié)果,對(duì)涉及該目的或者該事情的各個(gè)元素進(jìn)行綜合考慮,優(yōu)化量值得到最優(yōu)的結(jié)果。在組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)中,需要綜合考慮網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)的搜索、跟蹤等狀態(tài)的形成過(guò)程,綜合運(yùn)用其中各個(gè)傳感器的綜合效能,達(dá)到最優(yōu)搜索探測(cè)、最佳跟蹤效能的目的[2]。

1實(shí)時(shí)控制模塊優(yōu)化模型

1.1　代價(jià)函數(shù)一般優(yōu)化模型

如果存在有Ns個(gè)雷達(dá)組成的雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)S={1,2,…,Ns},定義對(duì)應(yīng)著單個(gè)傳感器的資源代價(jià)為R={r1,r2，…,rNs}。令集合D(tk)為傳感器集合S的一個(gè)子集合,表示在tk時(shí)刻所有可能被分配觀測(cè)任務(wù)的傳感器集合。傳感器對(duì)目標(biāo)的搜索和跟蹤階段的期望值和考察值是不一樣的,因此統(tǒng)一設(shè)定對(duì)目標(biāo)觀測(cè)的期望值為P0。那么在當(dāng)前時(shí)刻的傳感器分配結(jié)果為D(tk)所付出的代價(jià)可表示為[3]

(1)

式中,P(tk|D(tk))表示在tk時(shí)刻選取傳感器集合D(tk)后得到的該目標(biāo)在該狀態(tài)的觀測(cè)矩陣；函數(shù)ψ(A,B)表示兩個(gè)矩陣A,B之間的差異度量值；φ(D)為D中所有傳感器資源代價(jià)和；α,β分別為觀測(cè)代價(jià)和資源損耗代價(jià),有α+β=1。根據(jù)代價(jià)函數(shù)期望總代價(jià)最小的原則,得出傳感器管理的優(yōu)化模型為

(2)

上式中矩陣差異性度量函數(shù)ψ可以根據(jù)實(shí)際需要,比如組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)中的雷達(dá)目前所處的狀態(tài)或者雷達(dá)參數(shù)可以有多種選擇。

下面著重討論組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)搜索、跟蹤各個(gè)時(shí)段的效能最優(yōu)因素。

1.2　協(xié)同搜索階段的處理

在組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)的協(xié)同搜索階段,一般對(duì)網(wǎng)內(nèi)多雷達(dá)的空間覆蓋能力、探測(cè)威力、抗干擾能力、信號(hào)覆蓋能力、檢測(cè)概率等以傳感器自身性能為主的能力建立統(tǒng)一的評(píng)估模型,對(duì)系統(tǒng)探測(cè)性能進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。其中,最具有量化效能的是檢測(cè)概率的估算和空間覆蓋系數(shù)的計(jì)算。

(1) 協(xié)同檢測(cè)概率

組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同搜索的特點(diǎn)是在信息共享的基礎(chǔ)上,利用確定的信息融合規(guī)則,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的聯(lián)合探測(cè)、跟蹤[4]。然而,目前對(duì)多傳感器的協(xié)同搜索研究主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精準(zhǔn)定位,而對(duì)目標(biāo)的協(xié)同探測(cè)的研究往往是將各傳感器對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合。常見(jiàn)的Pd計(jì)算模型為

假設(shè)n部雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)的檢測(cè)概率分別為Pd1,Pd2,…,Pdn,各雷達(dá)在其檢測(cè)概率一定的值時(shí)才輸出點(diǎn)跡。在此條件下,對(duì)各雷達(dá)輸出點(diǎn)跡進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理,則對(duì)該目標(biāo)的協(xié)同等效檢測(cè)概率為[5]

(3)

在搜索階段,協(xié)同探測(cè)概率是表征了多傳感器對(duì)于目標(biāo)信噪比以及探測(cè)威力的一個(gè)度量值,也是組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)規(guī)劃的首要考慮因素。當(dāng)產(chǎn)生的點(diǎn)跡尚未建航時(shí),可以通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)傳感器對(duì)于每個(gè)目標(biāo)的探測(cè)概率來(lái)確定對(duì)于目標(biāo)反射的信號(hào)幅度的強(qiáng)弱,從而通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整保證對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率以使傳感器網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)盡快產(chǎn)生航跡。

(2) 空間覆蓋系數(shù)

空間覆蓋系數(shù)是把組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)傳感器和目標(biāo)的配對(duì)關(guān)系看作一個(gè)單一覆蓋的問(wèn)題,因此需要從任務(wù)所給定的協(xié)同探測(cè)區(qū)域進(jìn)行一些分析[6]。

首先,從覆蓋的連續(xù)性與嚴(yán)密性,引入用盲區(qū)系數(shù)表示覆蓋的連續(xù)性,定義為

(4)

式中,∑ABL是組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)各雷達(dá)探測(cè)盲區(qū)的面積和,A0是要求的雷達(dá)網(wǎng)協(xié)同探測(cè)區(qū)域的總面積。

同樣,可以利用覆蓋系數(shù)Cov的概念表征覆蓋嚴(yán)密性定義:

(5)

式中A1,A2,…,Ai是雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)雷達(dá)各自在責(zé)任區(qū)內(nèi)的覆蓋面積,則空域平均覆蓋系數(shù)定義為網(wǎng)內(nèi)所有雷達(dá)在M個(gè)高度層上覆蓋面積的平均值之和與雷達(dá)網(wǎng)責(zé)任區(qū)的總面積之比。

(6)

式中A1,A2,…,AM為雷達(dá)網(wǎng)內(nèi)所有雷達(dá)在M個(gè)高度層上覆蓋面積的平均值。

(3) 建立優(yōu)化模型

在考慮協(xié)同探測(cè)概率(P協(xié)同)和空間覆蓋能力(Cov)所建立多元代價(jià)函數(shù)的模型,其意義在于可以較為直觀地反映組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效能。

因此,從給定的協(xié)同探測(cè)區(qū)域的角度來(lái)說(shuō),一方面要獲得最大的探測(cè)區(qū)域,另一方面又要關(guān)注重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域Score,既要獲得最大的平均覆蓋系數(shù)Rguard,又要獲得最大的重點(diǎn)區(qū)域覆蓋系數(shù)Rcore。通常,要同時(shí)滿足上述兩個(gè)方面的要求,不一定能做得到。但是,能夠選擇一種最優(yōu)的方案,使獲得的最大探測(cè)區(qū)域S,最接近所要求的警戒空域Sguard。同時(shí),使所獲得的重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域Score最符合實(shí)際情況下所需要的重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域Cguard,使Rguard和Rcore趨向于最大。使用加權(quán)合成的方法,將多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。建立協(xié)同探測(cè)區(qū)域的性能綜合評(píng)估模型如下:

(7)

其中,w為選取的權(quán)系數(shù),取值在0～1。將組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)視為二元檢測(cè)。設(shè)組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)有N個(gè)獨(dú)立觀察的傳感器,每個(gè)傳感器都做出一個(gè)局部判決ui(i=1,2,…,N),其中

(8)

令協(xié)同控制中心采取基于雷達(dá)資源代價(jià)最小化的決策規(guī)則:

(9)

其中,w為上文參數(shù)相關(guān)的權(quán)系數(shù),cij表示當(dāng)Hj成立時(shí)全局判決是Hi時(shí)的代價(jià),η為進(jìn)行綜合判決的閾值。以上就是在組網(wǎng)雷達(dá)搜索階段所建立的基于檢測(cè)概率和覆蓋能力的代價(jià)函數(shù)。

1.3　協(xié)同跟蹤階段的處理

在組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)的跟蹤階段,度量的標(biāo)準(zhǔn)就是目標(biāo)航跡產(chǎn)生的精度問(wèn)題。通常用目標(biāo)跟蹤誤差的協(xié)方差表征來(lái)估計(jì)航跡產(chǎn)生的精度。在跟蹤系統(tǒng)中,預(yù)先設(shè)定一個(gè)期望的協(xié)方差,表示期望的跟蹤精度。這個(gè)期望的協(xié)方差與主要威脅目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)因素等有關(guān)。當(dāng)目標(biāo)跟蹤狀態(tài)的真實(shí)協(xié)方差與期望的協(xié)方差滿足一定關(guān)系時(shí),認(rèn)為跟蹤目標(biāo)精度達(dá)到要求。為此需要一個(gè)表征期望協(xié)方差陣與真實(shí)協(xié)方差陣關(guān)系的度量方法。

基于協(xié)方差控制的一般過(guò)程可以由圖1表征[7]。

圖1　傳感器跟蹤階段的協(xié)方差控制原理

為解決以上問(wèn)題,首先需要一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述傳感器與目標(biāo)的配對(duì)關(guān)系。這里定義目標(biāo)-傳感器選擇矩陣Xt,矩陣Xrt的列表示目標(biāo),傳感器的行表示傳感器。如果目標(biāo)Ti落入傳感器Rj的威力范圍內(nèi),則可以目標(biāo)Ti與傳感器Rj就構(gòu)成一種可能的配對(duì)選擇。這樣在目標(biāo)-傳感器Rj選擇矩陣Xt中將相應(yīng)行和列的值設(shè)為1；如果目標(biāo)Ti沒(méi)有落在傳感器Rj的威力范圍內(nèi),則矩陣Xt中將相應(yīng)行和列的值設(shè)為0。

(10)

其中

(11)

采用卡爾曼濾波進(jìn)行協(xié)方差矩陣的運(yùn)算,則跟蹤階段的效能Ef可以按照如下順序得出:假設(shè)目標(biāo)i對(duì)傳感器j的量測(cè)誤差協(xié)方差矩陣為Sij。如果用傳感器i去跟蹤目標(biāo)j,則可以用量測(cè)誤差協(xié)方差矩陣為Sij去近似地預(yù)測(cè)傳感器i對(duì)目標(biāo)j的跟蹤精度。量測(cè)誤差協(xié)方差矩陣為Sij的跡越小,對(duì)應(yīng)的跟蹤誤差就越小,反映的跟蹤精度就越高。為了獲得效能最大值,取

(12)

則效能函數(shù)Ef函數(shù)如下:

(13)

通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)化管理與控制處理,求出使效能函數(shù)Ef為最小的目標(biāo)-傳感器分配矩陣Xrt。因此,只需采用優(yōu)化算法,即可求出最優(yōu)解。

2實(shí)時(shí)控制模塊的設(shè)計(jì)

傳感器實(shí)時(shí)控制模塊需要將傳感器資源全部掌握(感知到),進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。在組網(wǎng)系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)控制模塊作為組網(wǎng)系統(tǒng)雷達(dá)中樞對(duì)各個(gè)雷達(dá)進(jìn)行直接控制[8]。例如,在下面一個(gè)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模塊與其余模塊的關(guān)系,如圖2所示。

圖2　仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的控制模塊

圖2中,任務(wù)和想定模塊向傳感器實(shí)時(shí)控制模塊提供相應(yīng)的任務(wù)參數(shù)、已知的各個(gè)雷達(dá)參數(shù)及關(guān)于目標(biāo)的粗略參數(shù)。有n個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)輸出各自對(duì)目標(biāo)探測(cè)的回波信號(hào)信息、點(diǎn)跡信息及其航跡信息等數(shù)據(jù),并接收來(lái)自實(shí)時(shí)控制模塊的控制信息。評(píng)估模塊將輸出組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)融合所需要的真值和閥值數(shù)據(jù),包括仿真系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)航跡的評(píng)估值,對(duì)傳感器實(shí)時(shí)控制模塊的決策信息產(chǎn)生相應(yīng)作用。數(shù)據(jù)處理模塊輸出多傳感器的最終點(diǎn)航跡融合信息和信號(hào)融合信息,結(jié)果再傳輸給實(shí)時(shí)控制模塊。

這個(gè)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想是在目標(biāo)尚未出現(xiàn)時(shí),根據(jù)任務(wù)要求和簇內(nèi)的雷達(dá)節(jié)點(diǎn)分布,以全區(qū)域無(wú)縫覆蓋和重點(diǎn)區(qū)域覆蓋的原則,依次對(duì)簇內(nèi)雷達(dá)進(jìn)行區(qū)域、時(shí)域、頻域規(guī)劃部署,保證區(qū)域覆蓋的嚴(yán)密度[9]。這期間,除了對(duì)防區(qū)的位置布站要求外,主要部署的代價(jià)函數(shù)則由以上建立模型中的平均區(qū)域覆蓋系數(shù)和重點(diǎn)區(qū)域覆蓋系數(shù)給出。接下來(lái)的主要工作則是需要根據(jù)實(shí)時(shí)作戰(zhàn)的要求,能靈活地調(diào)配出最優(yōu)權(quán)系數(shù),保證對(duì)戰(zhàn)區(qū)的有力覆蓋。而在隱身目標(biāo)被協(xié)同探測(cè)到并從信號(hào)融合至點(diǎn)跡融合的全序情況下,根據(jù)任務(wù)和簇內(nèi)雷達(dá)的分布情況(已知),以及各個(gè)雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的標(biāo)稱檢測(cè)概率和實(shí)測(cè)檢測(cè)概率,建立一個(gè)基于傳感器-目標(biāo)的矩陣,利用多元代價(jià)函數(shù)模型的最優(yōu)化分析方法,得出基于整個(gè)目標(biāo)集合的最優(yōu)效能的分配矩陣。

3實(shí)時(shí)控制模塊的仿真結(jié)果

3.1　仿真基本參數(shù)和設(shè)定

仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)將設(shè)有4個(gè)站點(diǎn),布站坐標(biāo)分別是雷達(dá)1(0,21.65)、雷達(dá)2(12.5,0)、雷達(dá)3(0,-21.65)和雷達(dá)4(0,-12.5)。初始雷達(dá)1的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度和高度是(118°,38°,10m)。在所要求的探測(cè)區(qū)域內(nèi),假設(shè)有2個(gè)目標(biāo)的初始坐標(biāo)為:目標(biāo)1(經(jīng)度118.0006°,緯度37.9986°,高度6000m),目標(biāo)2(經(jīng)度117.7543°,緯度37.8897°,高度6000m)。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)、勻加/減速和圓周運(yùn)動(dòng)等,目標(biāo)運(yùn)行時(shí)間總長(zhǎng)設(shè)為1000s。

在組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)中,這個(gè)實(shí)時(shí)控制模塊主要完成協(xié)同搜索、跟蹤等目標(biāo)時(shí)段下,分別采用多元代價(jià)函數(shù)模型,對(duì)所有資源進(jìn)行合理分配。根據(jù)模型分析,仿真系統(tǒng)分別驗(yàn)證以下3種結(jié)果。

采用matlab仿真軟件,主要考慮在4個(gè)雷達(dá)布陣情況下對(duì)兩個(gè)目標(biāo)的探測(cè),并在其搜索、跟蹤條件下分別采用前文所述的多元代價(jià)函數(shù)對(duì)其資源進(jìn)行合理分配,進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)的功能的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上文分析的雷達(dá)在各種情況所出現(xiàn)的性能代價(jià)函數(shù),分別驗(yàn)證協(xié)同搜索代價(jià)函數(shù)和協(xié)同跟蹤代價(jià)函數(shù)的仿真情況:

3.2　協(xié)同搜索的代價(jià)函數(shù)反饋

在協(xié)同搜索狀態(tài)下,組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)代價(jià)函數(shù)反饋是基于檢測(cè)概率和目標(biāo)覆蓋系數(shù)。根據(jù)上述對(duì)傳感器空間覆蓋系數(shù)的模型計(jì)算,結(jié)合雷達(dá)參數(shù)的確定對(duì)該區(qū)域內(nèi)的平均覆蓋系數(shù)和重點(diǎn)覆蓋系數(shù)作出統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表1。

表1　組網(wǎng)雷達(dá)協(xié)同搜索代價(jià)函數(shù)相關(guān)指標(biāo)比較

從表1可以看出,在協(xié)同條件下相鄰兩雷達(dá)布站間距越遠(yuǎn),其覆蓋能力越強(qiáng)。在協(xié)同搜索狀態(tài)下,對(duì)目標(biāo)探測(cè)任務(wù)主要是以快速發(fā)現(xiàn)為主。主要考慮各個(gè)傳感器的檢測(cè)概率和覆蓋系數(shù),組成了多元代價(jià)函數(shù)所計(jì)算出的協(xié)同檢測(cè)概率與虛警率和信噪比的得益。這些參數(shù)之間的固有關(guān)系,例如:當(dāng)其中一部雷達(dá)能持續(xù)觀測(cè)同一目標(biāo)時(shí),其虛警率將會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)是固定的。根據(jù)這一關(guān)系就可以仿真出雷達(dá)探測(cè)距離(信噪比、虛警率)和雷達(dá)檢測(cè)概率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表2(其中橫標(biāo)為信噪比)。

組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)綜合判決的閾值(檢測(cè)門限):協(xié)同檢測(cè)概率達(dá)到50%即認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo),檢測(cè)概率達(dá)到80%即認(rèn)為穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。根據(jù)實(shí)測(cè)信噪比和空域覆蓋系數(shù)的計(jì)算,所建立的多元代價(jià)模型可以感知網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)的工作狀態(tài),并實(shí)施自適應(yīng)控制——基于協(xié)同檢測(cè)概率的傳感器分段控制情況,見(jiàn)表3。

表2　組網(wǎng)雷達(dá)探測(cè)信噪比、虛情率與檢測(cè)概率之間的關(guān)系

表3　基于協(xié)同檢測(cè)概率的傳感器分段協(xié)同控制情況

從表3可以看出,在仿真場(chǎng)景運(yùn)行的0～300 s階段,部署兩部雷達(dá)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。兩部雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)概率都不足以穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。因此,在300～600 s區(qū)間內(nèi)4部雷達(dá)檢測(cè)概率均不能達(dá)到50%的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)情況下,控制模塊將自適應(yīng)調(diào)用并增加了雷達(dá)3去觀測(cè)兩個(gè)目標(biāo),使得系統(tǒng)協(xié)同檢測(cè)概率提高,達(dá)到了可快速形成目標(biāo)航跡的結(jié)果。該結(jié)果說(shuō)明:協(xié)同控制中心采取基于檢測(cè)概率和覆蓋系數(shù)的代價(jià)函數(shù)和綜合判決的閾值,并按以上模型式(9)中所建立的資源代價(jià)最小化的決策規(guī)則,在組網(wǎng)雷達(dá)協(xié)同搜索階段,調(diào)配出了最優(yōu)權(quán)系數(shù)。

3.3　協(xié)同跟蹤的代價(jià)函數(shù)反饋

在協(xié)同跟蹤狀態(tài)下,組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)代價(jià)函數(shù)反饋是基于目標(biāo)精度的協(xié)方差矩陣的控制反饋。采用直觀的精度比較方法,比較UKF濾波方法后,傳感器對(duì)于目標(biāo)量測(cè)的精度也就是協(xié)方差矩陣的控制反饋。

圖3的仿真結(jié)果是4部雷達(dá)對(duì)目標(biāo)1在x-y-z坐標(biāo)系中量測(cè)與真值間的誤差。

目標(biāo)1在230 s時(shí)段時(shí),融合航跡的誤差開(kāi)始變大,這時(shí)控制模塊能實(shí)時(shí)對(duì)網(wǎng)內(nèi)傳感器進(jìn)行再分配,就出現(xiàn)了如圖4所示的基準(zhǔn)傳感器變更跟蹤情形的控制。這是依照所采取雷達(dá)-目標(biāo)配對(duì)模型處理,完成對(duì)傳感器-目標(biāo)的實(shí)時(shí)再分配情況。

圖4中,通過(guò)實(shí)時(shí)再分配,已形成了新的跟蹤方案。仿真結(jié)果是目標(biāo)1在整個(gè)時(shí)段的航跡質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果——即傳感器融合精度轉(zhuǎn)換到經(jīng)度、緯度、高度上的值,如圖5所示。由于實(shí)時(shí)再分配,通過(guò)驗(yàn)證多傳感器融合系統(tǒng)的航跡質(zhì)量,以驗(yàn)證是否滿足跟蹤精度的要求。融合航跡時(shí)間誤差統(tǒng)計(jì)精度列入表4。

在這個(gè)階段,傳感器融合的精度轉(zhuǎn)換到經(jīng)度、緯度、高度情形如圖5所示。由于實(shí)時(shí)進(jìn)行了傳感器管理控制,傳感器對(duì)目標(biāo)的感知程度均滿足要求。

圖3　在跟蹤狀態(tài)實(shí)時(shí)控制下融合航跡與真值在地心直角坐標(biāo)下的比較

圖4　在跟蹤狀態(tài)實(shí)時(shí)控制下目標(biāo)分配情況

圖6　整個(gè)階段航跡質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)

時(shí)間段經(jīng)度(m)緯度(m)0~250s2.996.054.8310.144.9612.078.2620.66250~500s2.753.983.915.823.976.646.5610.98500~750s2.492.804.014.153.665.576.078.86750~1000s2.332.703.984.423.665.205.348.70

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)采取不同體制的雷達(dá)組網(wǎng)設(shè)計(jì)一套包含多傳感器在不同階段的工作方式和控制模式的實(shí)時(shí)控制模塊。在組網(wǎng)雷達(dá)協(xié)同搜索階段,建立了基于檢測(cè)概率和覆蓋系數(shù)及綜合判決閾值等,獲得多元代價(jià)函數(shù)的最優(yōu)權(quán)系,使網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)能提早發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)。在協(xié)同跟蹤階段,通過(guò)可控傳感器資源,實(shí)時(shí)再分配,快速建立目標(biāo)航跡,使融合處理的精度最優(yōu)。通過(guò)仿真驗(yàn)證了相關(guān)算法和處理流程的有效性,能為后續(xù)科研提供方法依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]盧雪林,程望東.靶場(chǎng)脈沖測(cè)量雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2015(3):5-8.

[2]周文輝,胡衛(wèi)東,余安喜,等.基于協(xié)方差控制的集中式傳感器分配算法研究[J].電子學(xué)報(bào),2003,31(12A):2158-2162.

[3]盧建斌,肖慧,胡衛(wèi)東,郁文賢.基于代價(jià)函數(shù)的傳感器管理算法研究[J].航天電子對(duì)抗,2007,23(3):61-64.

[4]賀志強(qiáng),趙鋒,趙幫緒,劉忠.王雪松.噪聲干擾下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)概率計(jì)算模型研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2012(1):119-123.

[5]EFishler,AHaimovich,R Blum,LCimini,DChizhik,RValenzuela.Spatial diversity in radars-models and detection performance[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2006,54( 3):823-838.

[6]何友,修建娟,張晶煒,關(guān)欣,等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.3.

[7]寧忠磊,王宏琦,張正.一種基于協(xié)方差矩陣的自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法[J].中國(guó)科學(xué)院研究生學(xué)報(bào),2010(3):370-375.

[8]王鼎,等,一種均勻線陣幅相誤差校正算法[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2009(4):289-295.

[9]莫海生,等,基于NLS的MIMO雷達(dá)方向圖綜合[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008 (6):476-480.

Design of a control module based on multiple cost function

for netted radars

LI Chuan, LI Xian-wu

(No.20 Research Institute of CETC, Xi′an 710068)

Abstract:In order to detect the stealth aircraft on modern battlefields, various radars with different systems are required to be adopted and acted as a netted system whose core is to control each radar in real-time. A real-time control module is designed with the operating and control modes in different phases for multiple sensors. The controllable resources are redistributed in real-time to make multiple radars have the ability to detect the stealth targets early and initiate the tracks rapidly, and optimize the accuracy of the fusion processing. The processing method and control flow of the control module are proposed for the netted radar. The simulation results indicate that the relevant algorithm and processing flow based on the multiple cost function are verified to be effective, providing an operational basis for the subsequent scientific research.

Keywords:netted radar; multiple cost function; covariance matrix; detection probability; coverage coefficient

中圖分類號(hào):TN954.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2015)04-0001-06

作者簡(jiǎn)介:李川(1983-),男,工程師,工程碩士,研究方向:雷達(dá)中心機(jī)控制、雷達(dá)協(xié)同控制、協(xié)同作戰(zhàn)等相關(guān)技術(shù)；李鮮武(1960-),男,研究員,研究方向:火控雷達(dá)。

收稿日期:2015-09-08