數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信息融合的有中心無(wú)中心處理結(jié)構(gòu)

賴(lài)作鎂 ,涂澤中

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都610036;2.空軍裝備研究院 第八研究所,北京100076)

1 引 言

近年來(lái),軍事通信領(lǐng)域的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)正呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)用于機(jī)載平臺(tái)通信數(shù)據(jù)鏈種類(lèi)越來(lái)越多,通信傳輸速率越來(lái)越快,通信帶寬越來(lái)越大。通信能力的提升使得數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由有中心節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)到無(wú)中心節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。隨著數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,數(shù)據(jù)鏈所能支撐的應(yīng)用及業(yè)務(wù)類(lèi)型越來(lái)越豐富,指揮控制體系也發(fā)生了改變。基于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息融合處理方式也在原來(lái)有中心處理方式的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了無(wú)中心處理處理方式。

美國(guó)在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)過(guò)程中,如海軍協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)、單一集成空情圖(SIAP)等項(xiàng)目[1-2],均提倡并貫徹完全分布式的無(wú)中心融合處理概念,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,仍然存在不少技術(shù)問(wèn)題亟待解決。目前我國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信息融合處理的無(wú)中心結(jié)構(gòu)研究剛剛開(kāi)始,開(kāi)展的理論研究和實(shí)踐較少,電子科技大學(xué)胡罡[3-4]結(jié)合預(yù)警機(jī)應(yīng)用背景對(duì)情報(bào)無(wú)中心處理將面臨的問(wèn)題及解決措施進(jìn)行了分析與探索。

本文旨在對(duì)基于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信息融合處理的有中心、無(wú)中心處理方式的概念、處理流程、所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究并提出初步的解決思路,同時(shí)結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)信息融合的具體應(yīng)用需求,對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的有中心、無(wú)中心處理方式的性能作一比較,最后提出戰(zhàn)斗機(jī)信息融合應(yīng)用建議,具有重要的理論與實(shí)用價(jià)值。

2 有中心無(wú)中心處理方式的原理

2.1 有中心處理方式

有中心處理方式的基本原理是:由指控系統(tǒng)指定的融合中心為數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中唯一的融合處理單元,融合中心收集并處理本地?cái)?shù)據(jù)、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù),經(jīng)綜合處理形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì)后,將統(tǒng)一態(tài)勢(shì)下發(fā)給數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的其他成員,如圖1 所示。

圖1 有中心處理方式原理圖示Fig.1 Illustration of central processing

有中心處理方式的主要步驟如下:

(1)指控系統(tǒng)指定融合處理中心;

(2)融合中心通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)接收其他成員節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)信息;

(3)融合中心將本機(jī)探測(cè)到的本地?cái)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)上收到的其他成員節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì);

(4)融合中心下發(fā)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。

有中心處理方式的主要缺點(diǎn)是:當(dāng)融合處理中心單元工作不正常或被敵方擊毀,整個(gè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力將喪失。此時(shí),需要根據(jù)指控職責(zé)、航跡報(bào)告職責(zé)重新指定融合處理中心。

2.2 無(wú)中心處理方式

無(wú)中心處理方式的基本原理是:數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)將各自探測(cè)到的信息在網(wǎng)絡(luò)中廣播,同時(shí)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布的目標(biāo)探測(cè)信息;各個(gè)節(jié)點(diǎn)將本節(jié)點(diǎn)探測(cè)到的本地?cái)?shù)據(jù)與從數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)上收到的其他節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)形成一個(gè)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)目標(biāo)信息的綜合處理結(jié)果,由于各自的態(tài)勢(shì)必然存在差異,必須通過(guò)交互消息進(jìn)行協(xié)商、報(bào)告仲裁,以解決態(tài)勢(shì)沖突,直至各個(gè)節(jié)點(diǎn)形成統(tǒng)一的態(tài)勢(shì),如圖2 所示。

圖2 無(wú)中心處理方式原理圖示Fig.2 Illustration of non-central processing

無(wú)中心處理的主要步驟如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)中各成員節(jié)點(diǎn)將本機(jī)探測(cè)到的目標(biāo)信息在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布;

(2)網(wǎng)絡(luò)中各成員節(jié)點(diǎn)將本機(jī)探測(cè)到的本地目標(biāo)信息與數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)上收到的其他節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)端目標(biāo)信息進(jìn)行綜合處理,形成各自的綜合態(tài)勢(shì);

(3)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間互傳消息;

(4)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在收到其他節(jié)點(diǎn)的消息后,對(duì)本機(jī)信息綜合的結(jié)果和其他節(jié)點(diǎn)的信息綜合結(jié)果進(jìn)行態(tài)勢(shì)沖突分析,直至統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。

無(wú)中心處理方式下,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作不正?；虮粩撤綋魵?仍可以維持整個(gè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

在比較有中心、無(wú)中心處理結(jié)構(gòu)時(shí),需要重點(diǎn)考慮以下的5 個(gè)方面,即通信帶寬、信息重復(fù)利用、指控職責(zé)轉(zhuǎn)移和航跡報(bào)告職責(zé)轉(zhuǎn)移、態(tài)勢(shì)沖突、系統(tǒng)融合精度。權(quán)衡利弊,以提出最優(yōu)的融合處理結(jié)構(gòu)。

考慮到文章篇幅,本文不對(duì)通信帶寬的原理及其計(jì)算進(jìn)行描述,第4 節(jié)中的對(duì)比表格將直接給出有關(guān)通信帶寬的計(jì)算結(jié)論。以下將重點(diǎn)對(duì)后4 個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析,并提出解決措施。

3.1 信息重復(fù)利用的消除

由于數(shù)據(jù)鏈的功能越來(lái)越強(qiáng)大,基于數(shù)據(jù)鏈的上層功能應(yīng)用越來(lái)越多,信息重復(fù)利用的現(xiàn)象越來(lái)越普遍,通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的不確定性加劇了問(wèn)題的難度[5]。信息重復(fù)利用的原理示意圖如圖3 所示。

圖3 信息重復(fù)利用示意圖Fig.3 Illustration of information processing repeatedly

假設(shè)傳感器A 的輸出信息表示為xA,傳感器B的輸出信息表示為xB ,傳感器C 的輸出信息表示為xC,融合中心3 的系統(tǒng)輸出信息表示為Y ,經(jīng)過(guò)消除信息重復(fù)利用處理以后,必須滿(mǎn)足以下公式:式中,p(Y xA, xB, xB, xC)為信息重復(fù)利用消除以前融合中心3 輸出的概率密度函數(shù),p(Y xA, xB, xC)為信息重復(fù)利用消除以后融合中心3 輸出的概率密度函數(shù),p(xBY)為信息重復(fù)利用污染概率密度, δ為信息重復(fù)利用消除因素。經(jīng)過(guò)消除信息重復(fù)利用以后,基本能獲得最優(yōu)融合估計(jì)。

直觀上看,信息重復(fù)利用的直接影響就是相當(dāng)于傳感器B 的權(quán)重增加了,不能獲得可信的融合精度,當(dāng)傳感器B 的精度很差時(shí)帶來(lái)的結(jié)果更加致命。另外,傳感器B 的信息重復(fù)使用將導(dǎo)致誤差的增長(zhǎng)和累積,誤差的增長(zhǎng)主要是由于重復(fù)利用信息的共同過(guò)程噪聲、共同先驗(yàn)信息為后續(xù)信息重復(fù)利用節(jié)點(diǎn)使用多次產(chǎn)生的。

考慮極端的情況,如果傳感器A 沒(méi)有數(shù)據(jù)輸出,傳感器B 與融合中心1 的融合結(jié)果AB 相差較大的延遲到達(dá)融合節(jié)點(diǎn)2(相當(dāng)于同一批目標(biāo)信息,相隔一段時(shí)間送了兩遍),此時(shí)最終的融合輸出將產(chǎn)生混亂。如果傳感器B 存在假目標(biāo),將出現(xiàn)假目標(biāo)重復(fù)傳輸與利用,導(dǎo)致系統(tǒng)航跡中假目標(biāo)的成倍增長(zhǎng)。

3.2 基于航跡質(zhì)量等級(jí)的職責(zé)轉(zhuǎn)移

在有中心處理方式下,當(dāng)融合處理中心工作不正?；虮粨魵?將存在指控職責(zé)、航跡報(bào)告職責(zé)轉(zhuǎn)移問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)指控職責(zé)、航跡報(bào)告的平滑交接。為實(shí)現(xiàn)航跡報(bào)告的平滑交接,主要根據(jù)航跡質(zhì)量等級(jí)依次選擇下一等級(jí)的成員平臺(tái)作為新的融合處理中心。航跡質(zhì)量的概念及處理規(guī)則詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6] 。

另外,發(fā)布目標(biāo)航跡時(shí),同樣需要根據(jù)報(bào)告職責(zé)來(lái)確定是否滿(mǎn)足報(bào)告條件,報(bào)告職責(zé)的首要考慮因素也是航跡質(zhì)量等級(jí)。

3.3 態(tài)勢(shì)沖突及其消解

在無(wú)中心處理方式下,首先需要形成各自的綜合態(tài)勢(shì)。由于各成員平臺(tái)所融合信息源的系統(tǒng)誤差、探測(cè)誤差及其誤差傳遞環(huán)節(jié)不盡相同,以及不同通信環(huán)境導(dǎo)致的通信質(zhì)量也存在差異,所以導(dǎo)致各自綜合態(tài)勢(shì)必然存在沖突[7]。主要的態(tài)勢(shì)沖突包括以下幾類(lèi)。

(1)目標(biāo)編號(hào)沖突

包括多名沖突和重名沖突。多名沖突指對(duì)同一目標(biāo)編了多個(gè)系統(tǒng)航跡號(hào),重名沖突指對(duì)多個(gè)目標(biāo)編了同一個(gè)系統(tǒng)航跡號(hào)。

(2)位置沖突

由于探測(cè)誤差、通信質(zhì)量誤差、跟蹤融合處理算法等因素導(dǎo)致的目標(biāo)位置相差超出一定范圍視為位置沖突。

(3)屬性沖突

包括敵我屬性沖突和目標(biāo)類(lèi)型沖突。敵我屬性沖突指敵我識(shí)別器等手段的誤差及串?dāng)_混擾、綜合敵我識(shí)別算法等造成的目標(biāo)敵我屬性沖突;目標(biāo)類(lèi)型沖突指電子戰(zhàn)、敵我識(shí)別器等手段的測(cè)量誤差、綜合類(lèi)型識(shí)別算法等原因所造成的目標(biāo)類(lèi)型沖突。

態(tài)勢(shì)沖突消解處理過(guò)程是指各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)消息交互、協(xié)商解決上述三大類(lèi)沖突的處理過(guò)程,主要通過(guò)航跡管理消息實(shí)現(xiàn)。以航跡管理消息中的航跡相關(guān)操作為例,其主要實(shí)現(xiàn)機(jī)理是:在某個(gè)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)出航跡相關(guān)/解相關(guān)請(qǐng)求消息之后,如果沒(méi)有收到其他成員節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答,則認(rèn)為其他節(jié)點(diǎn)同意該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行此次相關(guān),則進(jìn)行后續(xù)的航跡相關(guān)處理;如果收到了其他節(jié)點(diǎn)的拒絕相關(guān)應(yīng)答或解相關(guān)應(yīng)答,則進(jìn)行拒絕相關(guān)操作。

有研究發(fā)現(xiàn)[7],數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量必須滿(mǎn)足一定要求,沖突消解才能正常進(jìn)行并獲得統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。

3.4 融合精度仿真分析

無(wú)中心信息融合處理由于容易出現(xiàn)信息重復(fù)利用現(xiàn)象,將導(dǎo)致有偏的系統(tǒng)融合估計(jì)。有中心信息融合處理采用傳統(tǒng)的融合處理機(jī)理,從原理上說(shuō),可以獲得最優(yōu)融合估計(jì)。假設(shè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中有飛機(jī)平臺(tái)成員2 個(gè),飛機(jī)1 和飛機(jī)2 均搭載雷達(dá),飛機(jī)之間通過(guò)數(shù)據(jù)鏈相互傳遞雷達(dá)信息,飛機(jī)1 雷達(dá)距離方位俯仰精度分別為107.5 m、0.54°、0.23°,飛機(jī)2 雷達(dá)距離方位俯仰精度分別為412.3 m、0.25°、0.39°,兩飛機(jī)的導(dǎo)航位置精度為15 m,姿態(tài)精度為0.1°。不考慮通信時(shí)延、丟包等因素,無(wú)中心融合處理與有中心融合處理的融合精度仿真比較結(jié)果如圖4 所示。

圖4 融合精度比較Fig.4 Comparision of fusion precision

從圖4 可以看出,不管是誤差均值還是誤差協(xié)方差,無(wú)中心處理的融合精度比有中心處理的融合精度稍差,無(wú)中心處理方式在距離維度上的融合精度還存在一定鋸齒及不平滑性。

4 有中心無(wú)中心處理結(jié)構(gòu)的性能比較及建議

為了對(duì)有中心處理結(jié)構(gòu)、無(wú)中心處理結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)劣進(jìn)行比較,針對(duì)多個(gè)機(jī)載平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)3 種同類(lèi)組網(wǎng)、一種異類(lèi)組網(wǎng)的融合功能應(yīng)用,并假定4 種功能能夠同時(shí)發(fā)生的極限情況。4種融合功能分別描述如下:

(1)雷達(dá)組網(wǎng)融合功能:通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)共享雷達(dá)點(diǎn)跡信息, 輸出精度更高、連續(xù)性更強(qiáng)的目標(biāo)航跡;

(2)光學(xué)傳感器組網(wǎng)融合功能:通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)共享光學(xué)傳感器的航跡信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)敵目標(biāo)的定位、跟蹤;

(3)電子戰(zhàn)組網(wǎng)融合功能:通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)共享電子戰(zhàn)的方位線(xiàn)、時(shí)差等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)敵目標(biāo)的定位、跟蹤;

(4)編隊(duì)數(shù)據(jù)共享融合功能:通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)共享雷達(dá)航跡、電子戰(zhàn)航跡、光學(xué)傳感器航跡、融合態(tài)勢(shì)等信息,實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)的信息共享融合。

假定基于數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)形成的四機(jī)編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò),僅考慮目標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)的消息傳輸,經(jīng)過(guò)計(jì)算及分析,可以獲得表1。

表1 性能比較Table 1 Illustration of performance evaluation

從表1 可以看出,無(wú)中心處理方式占用的帶寬非常大、帶來(lái)的信息重復(fù)利用現(xiàn)象較多,且?guī)?lái)的處理復(fù)雜度也增加, 還極有可能帶來(lái)無(wú)法統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。另外,從作戰(zhàn)使用上來(lái)看,無(wú)中心融合處理方式抗毀性好,但目標(biāo)分配容易產(chǎn)生錯(cuò)誤,而有中心融合方式抗毀性差,但目標(biāo)分配非常容易。從信息融合處理的難度來(lái)說(shuō),如果通信質(zhì)量較差,基于無(wú)中心處理的態(tài)勢(shì)沖突消解非常困難,很可能導(dǎo)致無(wú)法形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。

由于當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信息融合功能處理的應(yīng)用及業(yè)務(wù)較多,綜合考慮以上特點(diǎn)以及當(dāng)前機(jī)載環(huán)境下的實(shí)用性,建議采用有中心與無(wú)中心混合架構(gòu),其中,整體架構(gòu)上仍采用符合指揮控制規(guī)范的有中心融合處理方式,局部應(yīng)用如電子戰(zhàn)組網(wǎng)融合可以采用無(wú)中心融合處理方式,以提高多平臺(tái)被動(dòng)定位的準(zhǔn)確性和魯棒性。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)目前數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)以及機(jī)載信息融合領(lǐng)域的應(yīng)用需求,首次系統(tǒng)性地論述了有中心無(wú)中心融合處理的基本原理、處理流程、所涉及的關(guān)鍵技術(shù)等。本文的主要結(jié)論如下:

(1)針對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信息融合應(yīng)用,首次揭示分析了有中心無(wú)中心處理的基本原理;

(2)結(jié)合機(jī)載信息融合的功能與應(yīng)用,分析對(duì)比了有中心無(wú)中心信息融合處理結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),并給出了適合當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀的融合處理方式建議,對(duì)網(wǎng)絡(luò)化多平臺(tái)信息系統(tǒng)的信息融合架構(gòu)設(shè)計(jì)、方案選擇具有重要參考意義。

下一步的研究將對(duì)信息重復(fù)利用技術(shù)和態(tài)勢(shì)沖突消解技術(shù)進(jìn)行深入研究并進(jìn)行仿真分析。

[ 1] 張強(qiáng),郭克平.美軍數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展及應(yīng)用[ J] .艦船電子工程,2010, 30(2):8-21.

ZHANG Qiang, GUO Ke-ping.Development and Application of American Date Link[ J] .Ship Electronic Engineering,2010,30(2):18-21.(in Chinese)

[ 2] 白劍林,高洪星, 梁雨,等.數(shù)據(jù)鏈對(duì)未來(lái)信息化作戰(zhàn)的影響及建議[J] .航空科學(xué)技術(shù),2010, 6(1):6-9.

BAI Jian-lin,GAO Hong-xing,LIANG Yu,et al.The Influence of Data Link on Future Information Warfare[ J] .Aeronautical Science and Technology,2010,6(1):6-9.(in Chinese)

[ 3] 胡罡.數(shù)據(jù)鏈情報(bào)無(wú)中心處理中的解多名沖突和航跡報(bào)告職責(zé)處理研究[ D] .成都:電子科技大學(xué), 2008.

HU Gang.The Research of Solving Dual Designation and Track Reporting Responsibility on Data Link Non-central Handling Information Fusion[ D] .Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2008.(in Chinese)

[ 4] 胡罡,邵懷宗,羅輔仁.一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈無(wú)中心處理研究[J] .中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2008,6(3):300-302.

HU Gang, SHAO Huai-zong, LUO Fu-ren.No Centre Handling Research of a Wireless Data Link[ J] .Journal of CAEIT,2008,6(3):300-302.(in Chinese)

[5] Makarenko A, Brooks A, Williams S,et al.A Decentralized Architecture for Active Sensor Networks[ C]//Proceedings of 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New Orleans, LA, USA:IEEE,2004:1097-1102.

[6] XIA Min, Xiao Li, YAN Jin-tun.A Calculation Method of Track Quality[C]//Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering.Wuhan:IEEE,2010:4580-4584.

[7] Yanni P.Rosetta:A Platform for Correlation in the JDN and JCTN[C]//Proceedings of Spring 2000 Simulation Interoperability Workshop.San Diego,CA:Philip Yanni ANZUS Inc.,2000.