海战场传感器管理技术研究*

官　斌　周亦军

(1.武汉藏龙北路1号　武汉　430205)(2.海军驻武汉438厂军事代表室　武汉　430064)

GUAN Bin1　ZHOU Yijun2

(1.No.1 Canglong North Road, Wuhan　430205) (2.Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan　430064)



海战场传感器管理技术研究*

官斌1周亦军2

(1.武汉藏龙北路1号武汉430205)(2.海军驻武汉438厂军事代表室武汉430064)

论文从编队和本舰两个层次对传感器管理进行研究。对编队级传感器管理在管理内容、资源分配以及冲突处理等方面进行了研究，提出了传感器任务规划模型和资源分配方法，提出了冲突检测和冲突解决模型。在本舰传感器管理方面，论文系统分析了单舰传感器管理的基本内容，提出了单舰多传感器集中和分布式管理模型，并提出了矩阵式分配模型。

编队； 本舰； 传感器管理

GUAN Bin1ZHOU Yijun2

(1.No.1 Canglong North Road, Wuhan430205) (2.Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan430064)

Class NumberTP311.52

1　引言

传感器管理的目的是利用有限的传感器资源，满足多个目标和扫描空间的要求，以得到各具体特性的最优化度量值(检测概率、截获概率、传感器自身的发射能力、航迹精度或丢失概率等)。简单讲传感器管理的核心问题就是依据一定的最优准则确定目标选择何种传感器以及该传感器的工作方式及参数。

2　编队传感器管理

2.1管理内容

传感器信息管理分为以下三类：以性能为主体的静态信息管理；以任务和工作状态为主体的动态信息管理；传感器协同探测需要的协同控制规则信息管理。

其管理方法主要通过数据库实现，将上述三类内容构建三个库表，并将库表的静态信息部分、动态信息部分以及协同控制规则部分关联。传感器信息管理库如表1所示。

2.2资源分配

传感器资源分配是指在探测侦察过程中，针对高威胁或打击目标实时调整和控制编队内的传感器对目标进行精确、持续跟踪，为指挥和武器等系统提供持续、准确的目标信息。

当出现威胁、重要或打击目标P1,P2,P3,…,Pn时，对传感器资源分配的过程如下：

1)对每一个目标按照传感器的用途、能力以及目标所处的位置和运动趋势预测，进行传感器预分配：

Pi={S1,…,Sm}

(1)

其中，Pi为目标，Sm为传感器。

2)设立上述预分配的每个传感器对目标的效能贡献函数集：

rij={wij,xij,yij,zij}j=1,…,m

(2)

其中rij为第j个传感器对第i个目标的效能贡献值，目标威胁程度和打击程度越高效能值贡献越大。wij为传感器j对目标i的探测重要程度。xif=fxij(α1,α2)为精度匹配度，α1为对目标特征参数向量(如目标类型识别和目标位置等)要求的精度，α2为传感器对特征参数向量贡献精度，α1和α2之间的匹配度越接近效能值，贡献越大。yij=fyij(β1，β2)为传感器对目标的持续跟踪时间的效能贡献值，β1为对目标的跟踪持续时间需求(如低空打击目标的制导时间要求)，β2为传感器能贡献的跟踪时间。当β2大于一定值时，为满足需求，不予考虑该贡献值。β2越大，贡献也越大。当β2>β1时，达到该项的贡献上限。zij为传感器j对第i个目标跟踪范围衔接贡献值。只有满足y的传感器才可作为考虑的对象。

3)建立传感器i对目标j的任务分配综合评价函数fij=f(wij,xij,yij,zij)，计算各传感器对每个目标的综合效能。根据综合效能值确定每个目标与多个传感器的任务分配关系，结合传感器的跟踪容量、状态和协同使用规则的约束等，对传感器的任务进行统筹分配：Si={p1,…,pm}，即为第Si传感器分配m个目标的探测、侦察或跟踪任务。

2.3冲突处理

2.3.1任务日历

传感器任务日历指每个传感器资源的工作和非工作时间，任务日历是传感器资源配置的依据。基于任务的传感器资源日历示例如表2所示。

2.3.2冲突检测

通过传感器任务日历，获取传感器任务流程。如果同一传感器有两个以上的任务，则需判断是否存在任务冲突。判断依据是相同时间交集内的两个任务不存在对同一传感器的工作模式的不一致(考虑到有的传感器具有预警和引导等多功能性，在同一工作模式下可以存在时间冲突)。对于非多功能传感器工作模式存在冲突的情况，若在同一任务时间内既需要传感器探测，又需要传感器对目标制导，则认为传感器有任务冲突，需进行冲突消解。

假设作战中有两个任务流程a和b，如果它们存在传感器资源依赖，这两个任务流程在执行过程中，若：

[Sa,Ea]∩[Sb,Eb]≠Ø

(3)

则表明a和b任务之间有资源冲突。其中，Sa，Ea分别为任务a执行开始和结束时间，且必Sa≤Ea。

2.3.3冲突消解

假设防空任务流程F请求使用某一传感器资源，进行的操作为A，B为传感器资源管理器，F使用传感器资源的过程描述如下：

1)F先向B发送请求使用防空传感器资源的消息。

2)B接收该消息后，搜索自身规则库找到相应约束条件，判断该任务流程。如果满足传感器资源的使用条件且其处于空闲状态，则分配该传感器资源给F，执行A。

3)如果F不满足使用条件(如该传感器资源不能剥夺，且不能通过优先级分配)，则申请失败，等待该传感器资源的释放。

4)如果F满足传感器资源的使用条件，但该传感器资源正被任务流程G使用，则判断两个任务流程的初始优先级。如F的初始优先级高于G，则需动态计算两者的传感器资源使用中优先级：如果F的优先级低于G，则F等待传感器资源释放；如果F的优先级高于G，则传感器资源管理器剥夺B，并将B分配给F，而G需等待传感器资源释放。

5)如果F的任务不能等待，且不能剥夺其他正在执行的传感器资源，则需根据传感器任务的可兼顾性对相关传感器任务进行时空转换分析。即通过对传感器任务降级使用和实时切换等方法实现对F的兼顾，同时不影响传感器其他主要任务的实施。

3　本舰传感器管理

3.1基本内容

本舰传感器管理的内容主要包括空间管理、时间管理、模式管理，它由实际应用的信息需求、目标、事件的优先级等众多因素驱动。

空间管理：给出传感器的搜索检测方位，对于监测应用来说，传感器的视野(Field of View,FOV)必须有规律地移动(即扫描)，以搜索并截获新的目标，或者周期性地重复再现目标点，以获得一条运动目标的航迹。

时间管理：在传感器必须与其它传感器或与目标环境中的事件同步的情况下(例如目标检测、航迹跟踪、电子对抗)，要求对传感器的操作进行定时管理。

模式管理：大多传感器的工作模式是可变的，模式管理就是通过对传感器内部参数的设定来择传感器具体的工作模式，这包括对传感器的孔径、搜索模式、信号波形、功率级和处理技术的选择。

3.2管理模型

集中式传感器管理如图1所示，它的特点主要在于可以直接将信息进行提取，防止信息丢失，有较高的信息传输率，同时也便于对多传感器进行独立分配指令，各传感器可以有较好的独立工作环境。而不利之处在于融合中心和传感器管理系统的计算量较大。

分布式传感器管理如图2所示，在传感器管理回路中加入子传感器管理回路，将传感器管理任务进行分解。在分布式传感器管理中，首先要将传感器分类，接收到传感器管理命令后将命令分类，比较之后送往对应的子传感器管理中心，送达的命令在各子传感器管理中心要细化，将高层命令转化成传感器能接收的指令，而后分送到各传感器。

图1　集中式传感器管理

图2　分布式传感器管理

分布式多传感器管理和集中式传感器管理的比较：

1)对于融合中心所获取的信息量，前者一般较为抽象，而有时有一定的信息丢弃，后者所有的信息都传入融合中心，无论是有价值的还是无价值的全部输入。

2)针对融合中心计算量，前者计算量较小，因为信息在进入融合中心之前已经预先得到处理，后者由于所有的传感器数据都进入了最后的融合中心，计算量较大。

3)对传感器管理中心来说，后者比前者更便于管理，后者由操作员给出的指令或数据融合中心给的指令，需要获取更详细的相关信息可直接发送指令给相关传感器。而前者要先进行指令分类处理，而后再分送给各子传感器管理中心，最后送给各传感器。由此，前者给传感器管理中心的任务较后者要重的多。

4)在传感器管理连接上，分布式传感器管理连接较复杂，但省料；集中式传感器管理连接简单但费料。

3.3分配矩阵

本文提出一种形式化表示结构，并在考虑了传感器的能力限制和目标覆盖要求(即每个目标至少由一个传感器来监测)的情况下，给出了多传感器对多个独立目标的分配方法。这种方法使用了一个增广的分配矩阵，它不但包含了所有的单一传感器/目标配对，还包括能够分配给每个目标的传感器所有可能的组合。如图3、图4所示。

图3　传感器-目标分配矩阵

图4　增广的传感器-目标分配矩阵

在图4中，为了把组合传感器的分配情况也包括进来，增广矩阵的维数由n扩展到n′∶n′=2r。增广矩阵的元素是每个分配的代价函数，以及为了得到传感器分配的初始解而附加的一列零向量(松弛变量)，另外还有表示每个传感器的最大跟踪能力的量。

在这种情况下，备选解可以视为判定变量(Xij表示不把传感器i分配给目标j，Xij表示把传感器i分配给目标j)的一个矩阵，它满足目标覆盖要求和传感器跟踪能力约束，并且使如下的描述多传感器系统综合能力的目标函数达到极大：

(4)

约束表示为判定变量矩阵的一个函数。

1)最大跟踪能力约束(每行之和应该等于传感器跟踪能力)：

(5)

2)目标的覆盖约束(必须保证有一个单一传感器或传感器组合已分配给了这个目标)：

(6)

4　结语

本文从编队和本舰两个层次对多传感器管理进行研究。对编队级传感器管理在管理内容、资源分配以及冲突处理等方面进行了研究。在本舰级传感器管理方面，本文系统分析了单舰传感器管理的基本内容，提出了单舰多传感器集中和分布式管理模型，并提出了矩阵式分配模型。本文所做的研究为指控系统更高效地进行传感器管理做出了一定铺垫。

[1] 王航字,李鹏,张泉.多平台协同跟踪中的传感器分配方法研究[J].电子科技大学学报,2008,37(1):74-76.

[2] 赵宗贵,王国强,刁联旺.战场感知资源管理与信息融合[J].指挥信息系统与技术,2012,2(1):12-19.

[3] Wegrzyn J,Kastella K. Intelligent Sensor Management to Minimize Detection Error[C] //Proceedings of SPIE. Orlando, FL: IEEE,2003:502-513.

[4] Maheswararajah S, HalgamugeSK, Premaratne M. Sensor Scheduling for Target Tracking by Suboptimal Algorithms[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(3):1467- 1479.

[5] Nash J M. Optimal Allocation of Tracking Resources[C] //Proceedings of 1977 IEEE Conference on Decision and Control including the 16th Symposium on Adaptive Processes and A Special Symposium on Fuzzy Set Theory and Applications. New Orleans, LA: IEEE,1977:1177-1180.

[6] Aerons S, Saligrama V. Castanon D A. Efficient Sensor Management Policies for Distributed Target Tracking in MuhihopSensor Networks[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2008,56(6):2562-2574.

[7] 石章松，王辉华，王航宇.协同传感器管理体系结构及方法[J].电子器件，2005，28(3)：571-576.

[8] 罗玉臣，周兴林，陈龙，等.海上多平台传感器管理与控制的设计与实现[J].宇航计测技术，2007,27(6):56-60.

[9] Xiong N, Svensson P. Multi-sensor management for information fusion: issues and approaches[J]. Information Fusion,2002,3(2):163-186.

[10] Zhang L, Hong C D. Study on algorithm of sensor management based on functions of efficiency and waste[J].Chinese Journal of Aeronautics,2000,13(1).

Sensor Management Technology on the Sea Battle Field*

This paper makes research on the sensor management of naval formation and single-ship. By studying the management content and resource allocation and de-conflicting technology of sensors, this paper presents a task schedule model and a method for resource allocation. Also models for conflict detecting and conflict solving are presented. Considering the single-ship sensor management, this paper introduces a centralized sensor management model and a distributed sensor management model. And a matrix allocation model is presented too.

naval formation, single-ship, sensor management

2016年2月7日,

2016年3月29日

官斌，男，硕士研究生，研究方向：军事装备系统监造及效能评估。周亦军，男，高级工程师，研究方向，舰船电子武备系统和设备监督。

TP311.52

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.016