一种编队多传感器搜索空域协同分配算法

刘 钦 赵 刚

(中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

现代雷达具有搜索、跟踪、制导等多项功能。各雷达的探测精度、数据率、覆盖范围、工作体制不同，造成探测信息的多元化，加之敌方战场环境快速变化，均要求编队能够根据战场信息需求，快速、灵活地选择不同类型、个数、功能的传感器进行协同探测组织与控制[1]，充分发挥各雷达性能，实现传感器资源的快速最优分配，缩短系统反应时间，实现发现即锁定、发现即摧毁。

在目标跟踪阶段，较多的雷达时间资源用于威胁目标的锁定，留给目标发现的时间资源已不足。但是，海上编队往往需要面对来自敌方的低空、超低空、多批次、高强度的饱和攻击威胁，在跟踪锁定的同时仍需要对潜在威胁方向进行重点搜索，集中优势资源对敌方攻击企图的方向加强探测[2]，有效缩短探测时间，提高探测效率。

本文从编队协同作战的实际需求出发，根据实际雷达参数建立搜索空域分配模型，在将搜索空域栅格化后，以空域覆盖、扫描时间、检测概率等因子建立目标函数，设置重点搜索区域后对编队雷达的搜索资源进行统一分配，提高了编队资源的有效利用率，实现了编队的早期预警和有效防空。

1 搜索空域分配模型建立

编队中各雷达的搜索空域按空域划分，不同的搜索模式覆盖不同的空域范围且具有不同的搜索周期。

在编队雷达资源协同分配时，需要综合考虑雷达的类型、探测距离、覆盖范围、搜索速度以及针对不同电磁环境的差异性。假设雷达在不同的工作模式下具有不同的探测距离，则雷达探测距离R可表示为R=[R1,R2,…,Rn]；θ为雷达的方位角范围[θmin,θmax]，φ为雷达的俯仰角范围[φmin,φmax]；L(x,y,z)为雷达位置坐标；AR[L,R,θ,φ]为雷达的属性，则雷达可表示为RA[ID,AR,K,W]，其中，K为雷达类型标识，ID为雷达编号，W为权重系数，可根据指挥系统要求事先设定。威胁空域信息主要包括威胁空域的范围和威胁强度。令AT=[R1TH,R2TH;θ1TH,θ2TH;φ1TH,φ2TH]，分别表示威胁空域距离、方位、俯仰前后沿,LE为威胁强度等级，则威胁空域模型为TH[ID,AT,LE],其中ID为威胁空域编号。

2 多平台搜索空域分配

分配时采用以下效能指标。

1)空域覆盖

将编队警戒空域划分成多个等间距的栅格点，计算单雷达对某威胁空域栅格G=[g1,g2,…gn的覆盖情况[3]。

(1)

COVij=DD∩DA∩DP

(2)

空域中多个雷达对某威胁空域栅格的覆盖情况按如下公式计算：

(3)

其中，m为编队雷达总数，n为威胁空域的栅格总数。

2)扫描时间

在进行空域分配时，除了考虑某雷达对威胁空域的覆盖情况，还需考虑该雷达扫描该空域的时间消耗，即雷达扫描效率。雷达扫描效率按如下公式计算：

(4)

3)检测概率

(5)

(6)

3 协同分配算法

空域分配的目标函数为：

e=egq+(1-e)PagPbPD/Pg

(7)

其中，q代表威胁空域的优先级，e是威胁空域优先级对分配效能影响的权系数。

4 仿真计算

雷达1在搜索模式1、2、3下威力分别为280km、140km、70km；雷达2在搜索模式1、2、3下威力分别为320km、190km、80km。

1)单威胁区域

如图1所示，四艘舰船组成菱形编队，平台间相距20km，威胁空域的距离范围为60km～160km，方位范围为30°～110°，俯仰范围为0°～20°。

图1 场景一示意图

编队编成平台分配结果传感器搜索模式分配结果效能值编队编成1:平台1、4为雷达1,平台2、3为雷达2平台2模式2平台4模式10.8118编队编成2:平台2、4为雷达1,平台1、3为雷达2平台2模式1平台4模式10.8235编队编成3:平台3、4为雷达1,平台1、2为雷达2平台2模式2平台3模式10.8235编队编成4:平台1、2、3、4均雷达1平台2模式1平台3模式10.8353

从上表可以看出，在不同编队编成下均可进行传感器平台、传感器搜索模式的自适应分配，分配效能是在当前编成下的最大效能。从编队编成4可以看出，在各平台配置相同的情况下，分配结果主要与平台、目标位置相关；在各平台配置不同的情况下，分配结果除了与平台、目标位置相关外，还和各平台上雷达性能相关。

图2是在编队编成1下的分配结果，图中蓝色区域表示无法覆盖区域，绿色区域表示单部雷达覆盖区域，红色区域表示多部雷达覆盖区域。分配结果为平台2的雷达2采用搜索模式2，平台4的雷达1采用搜索模式1，分配效能为0.8118。

2)干扰环境目标机动运动

如图3所示，四艘舰船组成菱形编队，平台间相距20km，威胁空域1的距离范围为60km～160km，方位范围为30°～110°，俯仰范围为0°～20°；威胁空域2的距离范围为120km～200km，方位范围为150°～200°，俯仰范围为0°～10°。

图2 不同高度探测覆盖情况

图4是在编队编成1下的分配结果，图中蓝色区域表示无法覆盖区域，绿色区域表示单部雷达覆盖区域，红色区域表示多部雷达覆盖区域。分配结果为平台1的雷达1采用搜索模式1，平台4的雷达2采用搜索模式3，分配效能为0.7717。

图3 场景二示意图

编队编成平台分配结果传感器搜索模式分配结果效能值编队编成1:平台1为雷达1,平台2、3、4为雷达2平台1模式1平台4模式30.7717编队编成2:平台3、4为雷达1,平台1、2为雷达2平台3模式1平台4模式10.8083

图4 不同高度探测覆盖情况

5 结束语

单平台作战已成为历史，未来的作战方式必然是多平台协同作战，对探测系统、武器系统、指控系统提出了更高的要求。本文从编队协同作战的实际需求出发，考虑到实际雷达的受控限制，建立搜索空域分配模型对编队雷达的搜索资源进行统一分配，仿真结果证明了该算法的有效性，对实际多雷达协同搜索具有较高的指导意义。

参考文献:

[1] 胡小全,刘钦,孙建军.雷达组网协同探测范围研究[J].雷达科学与技术, 2015, 13(3): 223-232.

[2] 马健, 彭芳, 吴岚.机载预警雷达与电子侦察协同工作对作战效能的影响研究[J].西安工业大学学报, 2015, 35(10): 843-849.

[3] 梅发国, 蔡凌峰,何栿等.大区域组网雷达优化部署技术[J].指挥信息系统与技术,2016, 7(3): 58-63.

[4] Skolnik M I. 雷达系统导论(第三版)[M].北京：电子工业出版社，2012.

[5] 张欧亚, 佟明安, 钟麟. 不确定环境下编队协同搜索力最优分配[J].电光与控制, 2007, 14(2): 1-3.