一種編隊(duì)多傳感器搜索空域協(xié)同分配算法

劉 欽 趙 剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

現(xiàn)代雷達(dá)具有搜索、跟蹤、制導(dǎo)等多項(xiàng)功能。各雷達(dá)的探測(cè)精度、數(shù)據(jù)率、覆蓋范圍、工作體制不同，造成探測(cè)信息的多元化，加之?dāng)撤綉?zhàn)場(chǎng)環(huán)境快速變化，均要求編隊(duì)能夠根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)信息需求，快速、靈活地選擇不同類型、個(gè)數(shù)、功能的傳感器進(jìn)行協(xié)同探測(cè)組織與控制[1]，充分發(fā)揮各雷達(dá)性能，實(shí)現(xiàn)傳感器資源的快速最優(yōu)分配，縮短系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即鎖定、發(fā)現(xiàn)即摧毀。

在目標(biāo)跟蹤階段，較多的雷達(dá)時(shí)間資源用于威脅目標(biāo)的鎖定，留給目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間資源已不足。但是，海上編隊(duì)往往需要面對(duì)來(lái)自敵方的低空、超低空、多批次、高強(qiáng)度的飽和攻擊威脅，在跟蹤鎖定的同時(shí)仍需要對(duì)潛在威脅方向進(jìn)行重點(diǎn)搜索，集中優(yōu)勢(shì)資源對(duì)敵方攻擊企圖的方向加強(qiáng)探測(cè)[2]，有效縮短探測(cè)時(shí)間，提高探測(cè)效率。

本文從編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)的實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)實(shí)際雷達(dá)參數(shù)建立搜索空域分配模型，在將搜索空域柵格化后，以空域覆蓋、掃描時(shí)間、檢測(cè)概率等因子建立目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置重點(diǎn)搜索區(qū)域后對(duì)編隊(duì)雷達(dá)的搜索資源進(jìn)行統(tǒng)一分配，提高了編隊(duì)資源的有效利用率，實(shí)現(xiàn)了編隊(duì)的早期預(yù)警和有效防空。

1 搜索空域分配模型建立

編隊(duì)中各雷達(dá)的搜索空域按空域劃分，不同的搜索模式覆蓋不同的空域范圍且具有不同的搜索周期。

在編隊(duì)雷達(dá)資源協(xié)同分配時(shí)，需要綜合考慮雷達(dá)的類型、探測(cè)距離、覆蓋范圍、搜索速度以及針對(duì)不同電磁環(huán)境的差異性。假設(shè)雷達(dá)在不同的工作模式下具有不同的探測(cè)距離，則雷達(dá)探測(cè)距離R可表示為R=[R1,R2,…,Rn]；θ為雷達(dá)的方位角范圍[θmin,θmax]，φ為雷達(dá)的俯仰角范圍[φmin,φmax]；L(x,y,z)為雷達(dá)位置坐標(biāo)；AR[L,R,θ,φ]為雷達(dá)的屬性，則雷達(dá)可表示為RA[ID,AR,K,W]，其中，K為雷達(dá)類型標(biāo)識(shí)，ID為雷達(dá)編號(hào)，W為權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)指揮系統(tǒng)要求事先設(shè)定。威脅空域信息主要包括威脅空域的范圍和威脅強(qiáng)度。令A(yù)T=[R1TH,R2TH;θ1TH,θ2TH;φ1TH,φ2TH]，分別表示威脅空域距離、方位、俯仰前后沿,LE為威脅強(qiáng)度等級(jí)，則威脅空域模型為TH[ID,AT,LE],其中ID為威脅空域編號(hào)。

2 多平臺(tái)搜索空域分配

分配時(shí)采用以下效能指標(biāo)。

1)空域覆蓋

將編隊(duì)警戒空域劃分成多個(gè)等間距的柵格點(diǎn)，計(jì)算單雷達(dá)對(duì)某威脅空域柵格G=[g1,g2,…gn的覆蓋情況[3]。

(1)

COVij=DD∩DA∩DP

(2)

空域中多個(gè)雷達(dá)對(duì)某威脅空域柵格的覆蓋情況按如下公式計(jì)算：

(3)

其中，m為編隊(duì)雷達(dá)總數(shù)，n為威脅空域的柵格總數(shù)。

2)掃描時(shí)間

在進(jìn)行空域分配時(shí)，除了考慮某雷達(dá)對(duì)威脅空域的覆蓋情況，還需考慮該雷達(dá)掃描該空域的時(shí)間消耗，即雷達(dá)掃描效率。雷達(dá)掃描效率按如下公式計(jì)算：

(4)

3)檢測(cè)概率

(5)

(6)

3 協(xié)同分配算法

空域分配的目標(biāo)函數(shù)為：

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

(7)

其中，q代表威脅空域的優(yōu)先級(jí)，e是威脅空域優(yōu)先級(jí)對(duì)分配效能影響的權(quán)系數(shù)。

4 仿真計(jì)算

雷達(dá)1在搜索模式1、2、3下威力分別為280km、140km、70km；雷達(dá)2在搜索模式1、2、3下威力分別為320km、190km、80km。

1)單威脅區(qū)域

如圖1所示，四艘艦船組成菱形編隊(duì)，平臺(tái)間相距20km，威脅空域的距離范圍為60km～160km，方位范圍為30°～110°，俯仰范圍為0°～20°。

圖1 場(chǎng)景一示意圖

編隊(duì)編成平臺(tái)分配結(jié)果傳感器搜索模式分配結(jié)果效能值編隊(duì)編成1:平臺(tái)1、4為雷達(dá)1,平臺(tái)2、3為雷達(dá)2平臺(tái)2模式2平臺(tái)4模式10.8118編隊(duì)編成2:平臺(tái)2、4為雷達(dá)1,平臺(tái)1、3為雷達(dá)2平臺(tái)2模式1平臺(tái)4模式10.8235編隊(duì)編成3:平臺(tái)3、4為雷達(dá)1,平臺(tái)1、2為雷達(dá)2平臺(tái)2模式2平臺(tái)3模式10.8235編隊(duì)編成4:平臺(tái)1、2、3、4均雷達(dá)1平臺(tái)2模式1平臺(tái)3模式10.8353

從上表可以看出，在不同編隊(duì)編成下均可進(jìn)行傳感器平臺(tái)、傳感器搜索模式的自適應(yīng)分配，分配效能是在當(dāng)前編成下的最大效能。從編隊(duì)編成4可以看出，在各平臺(tái)配置相同的情況下，分配結(jié)果主要與平臺(tái)、目標(biāo)位置相關(guān)；在各平臺(tái)配置不同的情況下，分配結(jié)果除了與平臺(tái)、目標(biāo)位置相關(guān)外，還和各平臺(tái)上雷達(dá)性能相關(guān)。

圖2是在編隊(duì)編成1下的分配結(jié)果，圖中藍(lán)色區(qū)域表示無(wú)法覆蓋區(qū)域，綠色區(qū)域表示單部雷達(dá)覆蓋區(qū)域，紅色區(qū)域表示多部雷達(dá)覆蓋區(qū)域。分配結(jié)果為平臺(tái)2的雷達(dá)2采用搜索模式2，平臺(tái)4的雷達(dá)1采用搜索模式1，分配效能為0.8118。

2)干擾環(huán)境目標(biāo)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)

如圖3所示，四艘艦船組成菱形編隊(duì)，平臺(tái)間相距20km，威脅空域1的距離范圍為60km～160km，方位范圍為30°～110°，俯仰范圍為0°～20°；威脅空域2的距離范圍為120km～200km，方位范圍為150°～200°，俯仰范圍為0°～10°。

圖2 不同高度探測(cè)覆蓋情況

圖4是在編隊(duì)編成1下的分配結(jié)果，圖中藍(lán)色區(qū)域表示無(wú)法覆蓋區(qū)域，綠色區(qū)域表示單部雷達(dá)覆蓋區(qū)域，紅色區(qū)域表示多部雷達(dá)覆蓋區(qū)域。分配結(jié)果為平臺(tái)1的雷達(dá)1采用搜索模式1，平臺(tái)4的雷達(dá)2采用搜索模式3，分配效能為0.7717。

圖3 場(chǎng)景二示意圖

編隊(duì)編成平臺(tái)分配結(jié)果傳感器搜索模式分配結(jié)果效能值編隊(duì)編成1:平臺(tái)1為雷達(dá)1,平臺(tái)2、3、4為雷達(dá)2平臺(tái)1模式1平臺(tái)4模式30.7717編隊(duì)編成2:平臺(tái)3、4為雷達(dá)1,平臺(tái)1、2為雷達(dá)2平臺(tái)3模式1平臺(tái)4模式10.8083

圖4 不同高度探測(cè)覆蓋情況

5 結(jié)束語(yǔ)

單平臺(tái)作戰(zhàn)已成為歷史，未來(lái)的作戰(zhàn)方式必然是多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)，對(duì)探測(cè)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、指控系統(tǒng)提出了更高的要求。本文從編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)的實(shí)際需求出發(fā)，考慮到實(shí)際雷達(dá)的受控限制，建立搜索空域分配模型對(duì)編隊(duì)雷達(dá)的搜索資源進(jìn)行統(tǒng)一分配，仿真結(jié)果證明了該算法的有效性，對(duì)實(shí)際多雷達(dá)協(xié)同搜索具有較高的指導(dǎo)意義。

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