基于网络中心战的信息融合结构研究

巴宏欣，何心怡，何 勇

(1.空军指挥学院，北京 100097;2.海军装备研究院，北京 100161)

1 概述

美国海军最早提出了网络中心战的概念，其优先发展也给其他军兵种提供了很多经验和借鉴。美海军以现役的3层信息网络为网络中心战的基础设施，构成了美海军网络中心战体系框架，如图1所示。

图1 网络中心战的体系框架Fig.1 The architecture of NCW

联合计划网旨在为联合作战部队共享通用作战图、制定联合作战计划、协同执行作战任务等提供支持，其数据精度可达到部队协同级，传输时延为几分钟;联合数据网，主要是由战术数据链及其中继系统组成的数据链网络，旨在为联合作战部队传输精确的战术数据，包括传感器信息、武器控制信息、通用战术图和指控命令等，其数据精度可达到部队控制级，传输时延为秒级;复合跟踪网，主要由装备有协同作战能力(CEC)系统的作战平台互联成网，能够为武器射手实时发送具有武器控制质量的传感器数据，精度达到武器控制级，传输时延为毫秒级。复合跟踪网是生成单一的空情态势(Singer Integrated Air Picture，SIAP)的基础。

以CEC网络为基础的复合跟踪网，极大提高了SIAP的可靠度和稳定性。如果使用数据链和常规通信所形成的综合空中态势图中，假航迹数目能到达35%～50%，远不能满足武器控制级的精度要求。表1对比了美军不同通信网络对目标的跟踪性能。

表1 美军不同通信网络对目标的跟踪性能Tab.1 The tracking performance of different communication network of U.S.army

但是作为美海军专用的系统，CEC作为SIAP的通用解决方案还相差甚远，CEC存在开放性先天不足的缺陷，直接影响它在其他军兵种的推广使用。为此，美海军在2005年推迟了CEC Block 2的更新计划，计划使用正在研发的JSSEO产品来取代CEC Block 2的更新［1］，一是为了节省预算，二是在研的JSSEO更具有通用性和开放性。

JSSEO构建的SIAP核心部件，被命名为“集成结构行为模型(Integrated Architecture Behavior Model，IABM)”，它是一种与平台独立的对等计算程序模型，可以提供通用服务、航迹管理、分布式资源管理和联合指控等功能及一系列接口，包括与通信、指控、传感器和武器等专用设备接口。驻留IABM的联合作战平台(如舰船、飞机或其他陆地作战平台)，称为对等节点［1］，对等节点通过P2P对等通信网络和战术数据链进行通信，将各个作战单元联接成一个执行多任务的虚拟网络系统，从而形成以网络为中心的作战。每个对等节点，遵循SIAP通用处理原则，IABM提取各自所需的相同输入数据，运行相同的对等计算程序，以产生相同的处理结果。使用P2P对等通信网络来实时传输关联测量报告(Associated Measure Report，AMR，即与已有航迹关联后的本地传感器原始数据，这样减轻了传输数据的流量)，以实现所有的对等节点共同建立、维护和管理通用的SIAP系统，如果仅仅使用数据链系统进行通信，则无法满足产生通用的SIAP，因为数据链的带宽和传输实时性等限制，只能传输共享航迹和战术数据，无法支持传感器数据的共享。

IABM这种独立于平台的构造理念，使其具有通用性和可移植性的特点，可以广泛应用于各个军兵种的作战平台，因此它将具有广泛的应用前景。

通过对美军网络中心战建设的分析研究，我军可以避免走美三军从先前独立发展各自系统、到现在发展通用系统的弯路。发展规划从顶层设计就应该走通用性的道路，开发通用于各种作战平台的、具有良好的可移植性和通用性系统，发展性能更好的新型数据链 (使用IP协议，具有更大的带宽、更高的实时性，随即入网、随即组网，可以在各个军兵种作战平台上通用)来实现作战平台之间高速、实时、大容量的通信是未来发展的必然趋势。因此，预先研究适用于网络中心战的信息融合处理的方法与技术，为我军网络中心战的建设和发展奠定技术储备，具有前瞻性和较高的军事应用价值。

本文在研究网络中心战和传统的信息融合结构的基础上，提出了适用于网络中心战的信息融合结构、分析了其信息流程，给出了适用于网络中心战航迹融合合成的基本框架和接力跟踪的准则框架。

2 基于网络中心战的信息融合结构

常用多传感器多目标跟踪的融合结构，从信息流和综合处理层次上看，主要融合结构有集中式、分布式和混合式融合结构［2］。这常见的几种融合结构，已用于雷达组网系统、单平台上的多传感器数据融合处理等。但是在网络中心战环境中，网络是由具有信息优势、地理上分散的作战平台(力量)组成，每个作战平台既是信息的提供者，也是信息的处理者和使用者，其战斗力由网络中所有作战平台(力量)的传感器系统和武器系统形成整体探测、整体交战的能力。由此带来了各个作战平台(力量)之间的信息传输、信息处理结构及处理方法技术的新变化，导致已有的融合结构和处理方法技术不能完全适用于网络中心战的环境条件。

本文提出的适用于网络中心战的信息融合结构，如图2所示。该融合结构融合处理的信息主要可划分为以下几类:1)本平台的传感器系统对目标的侦察和探测数据;2)其他作战平台通过P2P通信网络传送过来的:关联测量报告AMRs、非关联测量报告、首创航迹报告等;3)其他作战平台通过数据链传送过来的目标航迹和身份属性数据(即目标ID)。

其信息处理流程如下:

本平台传感器通过对目标的侦察和探测，产生了本地传感器数据。其中，本平台传感器中的独立跟踪传感器数据，如火控雷达数据，这类传感器数据经过其跟踪器的独立处理，包括检测、数据关联、跟踪滤波等，形成了实时高精度的目标跟踪航迹，该数据既可以直接为武器系统提供目标指示和制导，其航迹信息也可以为融合系统生成统一的空情态势所用，图2中传感器1～传感器m属于这类独立跟踪传感器。本地平台的其他传感器数据，与P2P网络传送过来的其他平台传感器数据一起，可以形成多传感器的信息互补，通过多传感器的数据关联、组合滤波和分类识别等融合处理，生成目标的航迹和ID。

其他作战平台通过P2P通信网络传送过来的数据首先要变换到本作战平台的公共时空坐标系下，然后与本平台传感器数据进行融合处理;通过数据链传送过来的目标航迹信息和属性信息，首先进行时空坐标系的变换，然后进行航迹配准、航迹关联和综合属性识别，最终生成目标单一的合成航迹和唯一的身份属性。

网络中心的重要原则是［1］:1)先传递后处理，避免额外的处理时延;2)用户提取各自所需的数据;3)协同解释数据的含义;4)一次性处理信息;5)可靠保密的网络通信。

在网络中心战中，网络中的各个平台之间需要实时交换传感器数据来实现数据共享和一致，并且使用相同的算法和处理软件处理相同的数据，以期产生相同的结果(包括一致的战场态势图、评估和决策等)。但是因无线通信带宽有限，必须限制网络上的传感器数据流量。因此，融合系统在分发本地传感器数据之前，首先对其进行数据关联。对于一个传感器数据，若对其进行数据关联，其结果是下面3种可能的情况之一:1)是目标数据，与已有的航迹关联，称之为关联测量报告AMR;2)是目标数据，但是未与任何已有的航迹关联，称之为非关联测量报告;3)非目标数据，是虚警或杂波。

如果该传感器数据经过数据关联后，判断是虚警或杂波，则不予处理;如果经过数据关联后，属于前2种情况，则将其通过P2P对等通信网络分发给其他联合作战平台。如果本地融合系统经过融合后，将一组非关联测量报告升级为一个航迹，则需要通知其他相关平台也初始化这个航迹，这是首创航迹报告的来源。预先进行数据关联，可以避免网络上传输虚警或杂波这类传感器原始数据，尤其在虚警和杂波比较高的情况下，会大大降低网络上无效数据的流量。

图2 适用于网络中心战的信息融合结构Fig.2 The architecture of information fusion based on Network-Centric Warfare

在分发前进行数据关联(但没有进行进一步的滤波处理和跟踪等)，是适应上述网络中心的第一项原则先传递后处理，避免额外的处理时延，同时又减少通信网络中传感器原始数据的流量，是目前可选的折中方案。由于P2P对等通信网络可以支持平台间的传感器数据共享，因此各作战平台可以产生通用一致的SIAP。

如果作战平台上仅有数据链系统作为平台间的通信手段，因数据链只能传输共享航迹和战术数据，无力支持传感器数据的共享，因此无法产生通用的SIAP，只能产生本地的SIAP。

3 基于网络中心战的航迹融合合成方法的基本框架

在传统的数据融合系统中，多传感器协同组网共同观测目标，由融合中心收集传感器数据并进行融合处理，系统航迹由多个传感器数据融合生成。而在网络中心战环境下，由于各平台在空间部署上的分散性以及每个平台都是独立的融合中心，必须考虑各平台传感器之间在探测空间完全独立的情况，此时的系统航迹无法由多个传感器的数据融合生成，而是由不同探测区的目标航迹进行接续来实现对目标的接力跟踪;此外，即使各平台传感器的探测区重叠，但由于恶劣的作战环境、传感器的探测盲区、传感器故障等原因，会导致某个或某几个传感器对目标的观测存在盲区或航迹缺失的情况发生，此时需要使用网络内其他传感器的数据填补空白，来生成全局稳定的航迹。

以雷达为例，网络中心战中由各个平台雷达组成的雷达探测网中，从探测区的角度可以这样划分探测数据之间的关系，如图3所示。

1)各雷达公共探测区内的探测数据。如图3中，雷达A与雷达B探测区的交集为雷达A和雷达B对目标的共同跟踪区域。

2)各雷达非公共探测区的探测数据。如图3中，雷达A与雷达B探测区的交集之外的区域，为雷达A或雷达B对目标的独立跟踪区域。

3)各雷达独立探测区内的探测数据。如图3所示，独立探测区为雷达C的探测区，与其他雷达的探测区相互独立，无任何交集。

每个作战平台的本地传感器采用自己的探测数据进行初始化、航迹起始和关联滤波来跟踪目标，经本地传感器跟踪器确定属于有效航迹的关联测量报告AMR和非关联测量报告以及创建新航迹报告，由P2P对等通信网络传送到其他作战平台。在每个作战平台的融合中心，首先将所有测量报告数据进行时间对准和坐标变换，使其具有公共的时空坐标系。再根据变换后的各数据之间的位置关系，判断其是否处于独立探测区，如不处于独立探测区，则用本文提出的方法进行航迹的融合/互补/延续，以实现对目标的融合/互补/独立跟踪;如果处于独立探测区，则需要对不同探测区内的目标航迹进行接续，以实现对目标的接力跟踪。图4为基于网络中心战的航迹融合合成的基本框架。

4 接力跟踪的航迹合成准则

当各个传感器观测区相互独立时，且尽管所有传感器皆可检测到目标，并向融合中心输出AMRs(或目标状态估计)，但所得的局部航迹无任何交集时，此种情况属于接力跟踪。在传统的单传感器平台或多雷达组网系统中，由于受观测范围以及数据传输数据率或实时性的限制，对于超出观测范围的部分一般采用简单的按模型外推或根据经验判断，因此大大制约了对目标的跟踪精度和连续性。在网络中心战的环境下，由于采用了高速数据传输网络，各个作战平台可以实时共享数据，也可以进行传感器的联网管理，当目标可能要超出某个平台传感器的观测区域时，可以根据目标的运动趋势，恰当地选择其他平台的传感器对目标可能进入的观测区域进行重点观测，以便在某一范围内等待目标出现并继续跟踪。

关于接力跟踪，国内已有少数学者开始做这方面的研究［3］，但其研究主要局限于目标做匀速直线运动和匀加速直线运动的情况。而实际目标类型及其运动变化规律是多种多样的，例如弹道导弹的运动模型就不能用匀速和匀加速直线运动来描述。本文总结了各种可能目标及其运动变化规律，提出了统一的接力跟踪航迹合成准则框架，如图5所示。

接力跟踪航迹合成准则，包括时间关联准则、属性关联准则、航向关联准则和位置关联准则。尤其在目标机动或存在多目标时，时间关联、航向关联和属性关联可以降低误关联概率。

首先进行时间和属性关联。以A和B两个雷达站为例，目标从A站探测区进入B站探测区，A站和B站探测区无交集。在A站探测区，融合中心已形成了由A站探测数据形成的航迹数据。目标进入B站探测区后，A站已无法探测到目标，在对目标进行接力跟踪而进行的航迹接续时，首先需要进行时间关联，即从A站外推航迹到达B站探测区的末端时间，应与B站航迹起始时间同步;同时通过A和B两站分别对目标属性进行判断，如果相同(或相似度超过某一阈值)，则认定是同一目标。

其次进行航向关联和位置关联，即进行多假设航向外推和航迹外推。为解决目标在雷达探测区外的航迹合成问题，要根据原有航迹的状态参数 (位置、速度和加速度估计参数)来假设外推点的状态。

目标的类型，目前主要考虑弹道导弹、巡航导弹和飞机3种类型。其中，弹道导弹的飞行轨迹，可以根据重力加速度模型来实时计算其可能的位置、速度和加速度参数;巡航导弹是按照规划或临时指定的路线飞行，除了上升、下降、转弯等情况，处于匀速平飞状态较多，所以可以用匀速直线运动为主、匀加速直线运动和转弯运动为辅来描述其运动状态;飞机的机动变化情况是未知的、时变的，必须实时估计，但是其运动模型可以用匀速直线运动、匀加速直线运动和机动转弯等几种模型来建模。

综上所述，图5包含了目标可能的运动状态，按不同的运动状态列举了所有可能的假设条件。根据不同的加速度模型，来进行航迹和航向外推。其中，如果目标是匀速直线运动，则用不同的观测噪声方差来外推航迹点，而航向基本保持不变;如果目标是匀加速直线运动，则用不同的加速度来外推航迹点，而航向基本保持不变;如果目标是机动转弯运动，则用不同的机动转弯率来外推航迹点，航迹计算随时间和转弯率大小可以估计出来;如果目标是弹道导弹，则根据重力加速度计算模型，来外推航迹点和其相应的航向。

根据目标类型和已有航迹的状态参数，来确定外推下一段航迹的初始条件，其运动状态和加速度并不是完全未知，因此，在实际应用中，不需要对所有的假设进行计算，可根据A站待外推航迹的状态，来限定假设数目。如估计精度很差或目标机动变化很大时，可增加假设数目。

最后进行航迹拟合。如果同时满足时间、属性、航向和位置4个关联条件，则进行航迹拟合接续;否则不能进行航迹拟合。在确定2条航迹需要接续后，对于航迹没有连续的盲区部分，需要用现有两段航迹进行拟合，可以用最小二乘法拟合航迹。

对于目标的实时跟踪来说，在接力跟踪这种情况下，航迹接续的合成准则、多假设航迹和航向外推技术很重要，因为它是实现目标正确关联、实时跟踪、提高航迹精度和连续性的基础。而航迹拟合从某种意义上，是对旧有的航迹数据进行拟合接续，对于目标的实时跟踪的状态参数估计意义不大，其主要意义在于目标航迹显示的连续性和机动性分析。

5 结语

本文在研究网络中心战和传统的信息融合结构的基础上，提出了适用于网络中心战的信息融合结构、分析了其信息流程，给出了适用于网络中心战的航迹融合合成方法的基本框架和接力跟踪的准则框架，对于网络中心战环境下生成单一的空情态势SIAP有一定的借鉴意义。

［1］梁炎.美军联合空情图构思及其发展［J］.舰船电子工程，2007，27(3):13 －16，41，219.

［2］赵宗贵，等编译.多传感器数据融合［M］.电子工业部二十八研究所，1993.

［3］权太范.目标跟踪新理论与技术［M］.北京:国防工业出版社，2009.