预警机异质多传感器管理架构研究

唐书娟,夏海宝,肖冰松,向建军

(空军工程大学航空工程学院，陕西 西安 710038)

0 引 言

预警机在信息化联合作战条件下担负着空中作战平台的网络中心、监视中心、通信中心和指控中心的重要作用，执行多样化的作战任务[1]。为满足对多种类型目标的尽早发现、连续跟踪和准确识别，预警机上集中配置了以雷达、敌我识别为代表的有源传感器和以电子侦察、通信侦察等为代表的无源传感器，还可以通过数据链路获得协同作战中其他平台传感器获得的战场情报[2]。通过多传感器信息融合与传感器管理技术，充分发挥预警机上多个传感器的优势是预警机在复杂战场环境下完成多样化探测任务的关键。

科学合理的传感器管理架构是实现预警机多传感器智能化管理的基础，本文在对比现有架构的基础上，针对预警机传感器管理系统特点，基于模块化思想与发布订阅机制提出了一种三层分级式的传感器管理架构。考虑到传感器管理系统内部的复杂关系，又分层次详细分析了传感器管理系统的内部设计和各模块的主要功能。文中所提为预警机传感器管理架构设计提供了一种可行方案。

1 预警机传感器管理基本架构

1.1 传感器管理架构分类

根据数据融合的闭环控制模型，按照融合中心的分布和信息处理情况，传感器管理的基本架构一般可分为集中式、分级式、分布式、网络化等。集中式管理架构是指由统一的融合中心向所有的传感器发送其需要执行的任务和完成该任务的参数集或运行模式[3]，如图1所示。

图1 集中式传感器管理架构

这种架构的突出优点是融合中心拥有整个系统最完备的信息，因而对传感器运行参数和模式的设置、对传感器任务配对和多任务间的协调可以更加精确合理。其缺点是当传感器数目增多时，融合中心的计算量会急剧上升，通信量也会大大增加，同时由于融合中心难以对各个传感器的负载情况做出实时评估，在多任务时会造成负载不均衡，甚至使个别传感器严重过载而无法完成任务。所以这种架构主要用于传感器级的管理和单平台传感器管理。

分级式管理架构是指将融合中心分布在系统的不同位置或不同传感器中，如图2所示。在分级式系统中，每一个本地融合中心负责该子传感器(组)的信息融合与传感器控制[4]。最高层的全局融合中心，则根据多个低一级融合中心提供的数据进行高级的信息融合和传感器管理。在分级式架构中常常根据传感器的位置、传感器平台、传感器的功能等因素分为几层，当只有最高级和最低级时，就构成了宏观/微观式管理架构[5]。

图2 分级式传感器管理架构

分级式架构可以用于复杂的单平台系统或多平台系统及网络化系统中。其优点是减轻了融合中心的计算量，但这种架构使任务协调变得复杂[6]。

分布式传感器管理架构是指系统有一组局部融合代理而不是一个总的融合中心，数据通过局部代理进行融合处理，传感器间的合作与协调通过网络通讯机制来实现[7]。在如图3所示的分布式传感器管理架构中，局部融合代理的可以是某个传感器，也可以是几个传感器的组合。

图3 分布式传感器管理架构

在这种架构下，每一个传感器或传感器组合都可以看作有一定自主决策能力的智能单元，各传感器可以分享来自局部融合代理的信息并且互相协作。分布式架构没有集中式架构中的运算瓶颈限制或通信带宽限制；某个传感器节点故障或传感器网络动态改变时，不影响系统的运行[8]。但在分布式融合系统中信息冗余是一个严重的问题。另外，在传感器网络中必须实现严格的点对点数据交换，发生器和接收器的延时会造成网络中的各融合代理的结果不一致，从而导致系统性能的整体下降[9]。

由于网络化防空作战、空基信息系统，无线传感器网络等军事和民用需求，网络化管理架构应运而生[10]。该架构柔和了分级式管理架构和无线网络结构体的基本思想，适用于传感器节点数量巨大，单个传感器节点能量有限的场合[11]。网络化传感器管理架构如图4所示。传感器网络A由多个簇构成，每个簇是由簇首和传感器节点组成。传感器管理可分为三层：簇间传感器管理、簇内传感器管理和传感器节点的管理。根据簇的个数、规模以及传感器节点的类型、能力，其架构可在集中式、分布式、分级式中选择。网络化管理架构的实现形式主要有基于Agent[12]、基于holon控制[13]等。

图4 网络化传感器管理架构

1.2 预警机传感器管理架构分析

预警机作为战场信息和指控的核心节点，不但要进行本平台的传感器管理而且还将其他传感器平台的信息纳入管理范围。由于带宽限制和时延等问题，预警机通常不能直接控制其他平台上的传感器资源，而是将其他信息汇入本平台形成统一的态势图，再根据态势信息控制本平台传感器，并向其他平台发出信息需求。因此，预警机传感器管理本质上属于单平台的管理。然而预警机处理的信息量远大于简单信息平台，将信息融合获得的数据都在同一层进行处理，会导致庞大的计算量、耗费大量的时间，因此集中式传感器管理架构是不甚合理的。

预警机上搭载的单个传感器功能强大。单就有源相控阵雷达来说，在传感器级的管理就是一个十分复杂的课题。电子侦察、通信侦察等都有不同程度的传感器级管理。对于预警机多样化的作战任务，单纯依靠目标跟踪与识别层的融合信息进行传感器低层级的管理也无法满足对战场态势的灵活响应。预警机传感器管理的重点是集中配置的多种异质传感器之间的协调与协作，采用分级式传感器管理架构将复杂的传感器管理功能分解到各层中，在满足预警机多样化任务同时兼顾到系统的计算量和分系统之间的信息交互量，是较为合理的架构。

分布式融合架构由于严重的信息冗余和严格点对点的数据交换等特点，不适用于传感器集中配置、信息融合中心计算能力限制的预警机，相对而言更适用于有大量节点,地位相差不多的大型传感器网络。而网络化的传感器管理架构更适用于网络化作战条件下整个空战体系的传感器管理，具体到网络中起核心节点作用的预警机而言体系庞大且过于繁琐。

由于传感器管理的来源信息不同、目的不同、准则不同，不同级别的传感器管理所关注的重点问题也有所差异[14]。因此预警机传感器管理架构在选择分级式基本架构的基础上，需采用分层设计的思想进行设计。图5描述了不同层级传感器管理所要解决的主要问题。底层传感器管理(传感器级)的管理对象是某一传感器，主要对该传感器进行控制、配置和资源分配等方面的管理。以相控阵雷达搜索目标任务为例，通过控制传感器指向、航迹更新或回波采样优先级等，优化完成任务的时间。而中间层次的传感器管理，对于预警机而言是配置在该平台上的多个传感器系统。这一层次的传感器管理侧重于多传感器间的协同，包括协调(Coordinator)与协作(Cooperation)两个方面。协调是指根据任务需求或优先级对传感器资源进行划分，也被称为多传感器与多目标分配。协作是指为填补传感器的覆盖盲区或确保目标的持续可见，利用多部传感器获取同一个目标的量测信息，也被称为多传感器互牵引或目标指示交接。体系化作战条件下由于其他平台的信息支援，信息来源和指控命令更为复杂。

图5 不同层级的传感器管理

2 基于模块化与发布订阅的传感器管理架构

2.1 传感器管理模块化设计

以信息融合JDL模型为基本框架，采用模块化的设计思想将信息融合与传感器管理分成了若干相对独立又互相联系的功能模块[14]。本文借鉴模块化的设计思路，将信息融合大系统划分为：传感器系统、跟踪和识别、态势估计和威胁估计、决策支持系统、传感器管理系统等5个功能模块。考虑到预警机多种作战任务的需求和人在回路的使用特点，提出了一种三层分级式传感器管理架构。图6明确了传感器管理与数据融合各模块之间的关系。

图6 传感器管理与数据融合模块间的关系

2.2 各模块的主要功能

传感器系统：包括预警机配置的多种传感器，主要完成目标环境的探测任务。传感器系统的量测信息将送入数据融合模块，进行初级融合处理。同时，传感器系统的量测信息以及传感器的工作状态和负载情况信息将会送入传感器管理模块，作为底层传感器管理的数据来源。传感器管理的指令直接作用于传感器系统。

跟踪与识别：主要进行初级数据融合工作，完成目标的跟踪和识别任务。数据融合模块接收传感器系统送入的量测信息，在数据库和先验信息库的支持下，通过数据关联和状态融合估计等技术，完成航迹关联、航迹状态估计等工作。通过具体的信息融合技术完成目标的属性识别和类型识别。之后将跟踪和识别结果一方面送入态势/威胁估计模块进行高级数据融合，另一方面送入传感器管理模块，作为中间层传感器管理的数据来源。

态势/威胁估计：主要进行高级数据融合，完成态势估计和威胁估计任务。态势/威胁估计模块接收数据融合模块送入的目标航迹及其估计信息和目标识别结果，在数据库和先验信息库的支持下，通过匹配和推理等技术推测敌方意图或活动、我方攻击敌方目标的机会、敌方的威胁、我方的对抗措施等。之后将态势/威胁估计结果一方面作为决策支持系统的来源信息，另一方面送入传感器管理模块，用于进行中间层传感器管理的数据来源。

决策支持系统：接收高级数据融合信息，应用模型化的定量分析方法和知识推理等方法进行数据处理和决策分析，建立目标环境与作战任务的匹配关系，生成任务列表信息。决策支持系统提供人机交互界面，在人工干预下，决策信息送入传感器管理模块进行高层传感器管理。

传感器管理：分成三层管理架构，完成对多传感器的协调、协作与控制功能。顶层传感器管理根据决策支持系统提供的目标环境与作战任务的匹配情况，生成任务列表，判断传感器协同模式，设置各传感器的初始工作模式。高层传感器管理根据跟踪与识别信息和态势/威胁估计信息，生成目标任务优先级，通过多传感器对多任务的有效分配和传感器互牵引完成传感器协调与协作。并将传感器控制指令发送给底层传感器管理。底层传感器管理，根据传感器自身的工作状态和负载情况对传感器资源合理配置，并向传感器输出控制指令，完成上层传感器控制指令任务。

人工干预：操作员，包括指挥员、引导员、情报员等，根据任务态势和作战命令，经综合判断后可对传感器系统、跟踪和识别、态势/威胁估计、决策支持系统、传感器管理等各层次发出控制指令，且人工干预指令优先级高于系统自动指令。

2.3 模块间信息交互关系

由于预警机上搭载传感器的异质特性，信息交互存在异步、多对多等问题。传感器管理要选择性的接收各模块的信息，高层融合需要低层次融合发出的数据，模块之间的信息交互关系较为复杂。基于发布/订阅中间件可以使多个子系统之间呈现松耦合的关系，各系统只需订阅所需信息即可，避免了多系统之间信息交互的复杂性[15-17]，在解决预警机信息融合系统各模块间的数据交互问题上具有优势。图7描述了模块间基于发布/订阅中间件的信息交互关系。

图7 基于发布/订阅中间件的信息交互关系

图8 传感器管理的功能模型

信息交互过程是：预警机上的多个异构传感器发布探测到的目标原始数据及自身状态、负荷等信息，同时订阅传感器管理指令。数据融合中心订阅目标原始数据和外部支援信息，通过融合算法处理，发布各目标状态的估计信息及航迹信息。态势、威胁估计子系统订阅目标原始数据、外部支援信息、融合输出信息和支持数据库信息，进行目标属性、类型的识别、目标威胁等级评估等工作，发布目标态势/威胁估计信息。决策支持子系统订阅目标态势/威胁估计和外来指控信息，进行目标综合优先级排序、任务控制等工作，发布任务列表信息。传感器管理子系统订阅任务列表信息、态势/威胁估计信息、数据融合信息和传感器状态信息，依据一定的准则完成探测任务优化，发布传感器管理指令。人工干预可以通过发布/订阅中间件对任一个子系统发出指令。

3 三层分级式传感器管理内部架构设计

3.1 三层分级式传感器管理的模型

如图8所示的是各层传感器管理的基本功能。由于采用了三层分级式的管理架构，将预警机传感器管理的复杂逻辑关系分解到底层、中间层和高层。高层传感器管理主要是通过改变传感器协同模式的方法，实现多样化作战任务与传感器管理准则和传感器工作参数的对接。中间层传感器管理是在确定的传感器协同模式下，通过对多传感器统一调度和传感器的互牵引优化目标探测效果；底层传感器管理主要是依据高层和中间层发出的管理指令，通过优化自身工作参数完成目标探测任务。

3.2 传感器管理各模块的功能

3.2.1高层传感器管理

传感器协同模式判断：结合获取的战场态势、宏观任务、当前任务完成情况、当前传感器状态，对当前多传感器协同模式判断。通过对传感器协同模式下传感器管理准则、传感器工作模式和参数的预设定，建立任务场景与传感器管理的对接。通过人工干预的方式，控制传感器协同模式，进而控制中层传感器任务调度的准则，以及底层传感器的工作模式和参数，以适应随着战场态势和作战任务的变化。在决策支持系统和态势/威胁系统的支持下，通过合理设置传感器协同模式转换的触发条件，也可以实现传感器协同模式的自动切换。

3.2.2中间层传感器管理

传感器任务分配：多个传感器面临多样化的探测任务时，需要对传感器作用于哪些目标进行动态选择，即在一定的约束条件下，解决多传感器完成多任务时的目标-传感器配对问题。动态分配的准则是以较少的传感器使用代价，满足任务需求，并对高优先级的目标优先保障。同时要考虑传感器自身最大探测能力、目标覆盖率、传感器状态等约束条件。传感器任务分配的准则需要对传感器协同模式做出响应，不同的传感器协同模式下，传感器任务分配的优化目标有所差异。

传感器互牵引：为了充分发挥预警机上多传感器的异质特性优势，实现异类传感器协同工作，以快速获取目标准确信息，确保目标指示与交接顺利进行。传感器互相牵引必须能够完成目标探测过程中两个层面问题：一是根据已知条件，确定互牵引传感器组合，也就是用谁牵引谁的问题；第二是确定被牵引的传感器在信息引导条件下，如何在规定的时间内准确的完成探测任务问题。

3.2.3底层传感器管理

根据高层和中间层的传感器管理指令，结合传感器系统上报的各传感器工作状态，在统一的传感器管理时序下，通过优化自身工作参数发出具体的传感器控制指令。

3.2.4其他辅助功能

传感器/任务监测：用于实时监测传感器工作状态和任务完成的情况。像传感器任务分配、传感器交叉提示、传感器协同模式管理报告传感器的工作状态。

任务/传感器时间序列：以预警机作战任务为出发点的高层传感器管理、以检测、跟踪、识别性能为出发点的中间层管理、以单个传感器资源分配为出发点的底层传感器管理，在管理周期上有很大的差异，一般来说管理周期高层>>中间层>>底层。任务/传感器时间序列用以确定传感器管理周期。任务管理周期一般根据任务数量、传感器可用性、目标状态和态势/威胁估计结果等多种因素综合的动态确定，而传感器管理周期根据传感器特性和目标负载等因素确定。

管理指令生成：将传感器管理的结果，以传感器可执行的命令形式，以一定的周期向传感器发出，完成对传感器的控制。

3.3 基于发布/订阅的三层分级式架构的优势

相较与传统的传感器管理架构，预警机上采用基于发布/订阅的三层分级式架构的优势主要体现在：

(1)预警机上配置了多个性能优越的异质传感器，采用分级式架构避免了集中式架构中的融合中心计算量急剧上升问题。考虑到单架预警机上的传感器数量有限，采用分级式架构避免了采用分布式架构中任务协调难度大以及通信负担重的问题。预警机上采用分级式架构将复杂的传感器管理功能分解到各层中，在满足预警机多样化任务同时兼顾到系统的计算量和分系统之间的信息交互量，是较为合理的架构选择。

(2)预警机上搭载的单个传感器功能强大。采用分级式管理架构，并把传感器级的管理划归为传感器管理系统中的底层管理，有利于充分发挥各传感器的自身优势，中高层传感器管理重点解决态势融合中的灵活性问题。通过这种设计既避免了对底层信息融合的过多干预又兼顾了预警机作战需要。

(3)预警机传感器管理架构除了考虑提高系统性能和智能化程度之外，也必须考虑到训练有素的操作人员“人在回路”的重要特点。通过三层分级式架构较好的解决了底层信息融合、中间层指控系统和顶层人的操作之间的关系。

(4)基于发布/订阅的架构解决了预警机上搭载的传感器之间以及信息融合与指控命令等之间的信息交互存在异步、多对多等问题，使多个子系统之间呈现松耦合的关系，简化了模块之间的信息交互关系。

4 结 语

本文首先分析了基于信息融合模式的集中式、分布式、分级式和网络化传感器管理架构，然后根据预警机传感器管理的特点，基于模块化的设计和系统信息交互松耦合思想，提出了一种基于发布/订阅的三层分级式的传感器管理架构。分析了传感器系统、跟踪和识别、态势估计和威胁估计、决策支持系统、传感器管理系统等模块的功能定位，和基于发布/订阅中间件技术的分系统之间信息交互关系。在传感器管理系统内部，通过将复杂的传感器管理功能分解到高层、中间层和底层传感器管理中，提供了一种解决复杂信息系统传感器管理架构设计问题的方法。