一種無人機群協(xié)同無源定位資源優(yōu)化調(diào)度方法

蔡 偉，張曉峰

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

無人機群是近年來高速發(fā)展的一種載具平臺，可以定制攜帶多種設(shè)備，遂行多樣化的任務(wù)。在電子對抗領(lǐng)域，無人機群是執(zhí)行電子偵察的有效載體，使用無人機群搭載無源偵察設(shè)備，可以實現(xiàn)快速動態(tài)部署，用于前出偵察、重點偵察和補盲偵察。

無源電磁偵察設(shè)備在每個工作節(jié)拍中，選擇適當?shù)目臻g范圍和頻譜范圍，接收、檢測、分辨該范圍內(nèi)出現(xiàn)的電磁信號，并測量信號的參數(shù)。其中一些電磁參數(shù)是與輻射源的空間行為有關(guān)系的，特別是信號的到達方位參數(shù)。以無人機群偵察結(jié)果，作為對固定或緩動輻射源的定位參數(shù)，可以低成本地實現(xiàn)對目標的多角度觀測，增加定位參考信息，在電子對抗作戰(zhàn)體系中有重要意義。

然而，與地基、船載、大型機載設(shè)備相比，由于無人機平臺負荷限制，通常無人機載無源偵察設(shè)備的天線、接收機和處理器規(guī)模受到制約，導(dǎo)致其電子偵察的瞬時空-頻域覆蓋能力較弱；并且受限于可搭載的測量體制，導(dǎo)致參數(shù)測量精度較差。例如在測向能力上，大型設(shè)備可以采用長基線干涉儀、數(shù)字波束合成等技術(shù)，將測量誤差均方根控制到0.1°數(shù)量級；而無人機載設(shè)備，特別是小型無人機的載荷設(shè)備，測量誤差均方根在較惡劣條件下可能達到10°或更高。

在參數(shù)測量能力本身受到限制的情況下，為了提升系統(tǒng)總體效能，需要研究無人機群協(xié)同工作方法，例如協(xié)同定位。但現(xiàn)有的對無人機群協(xié)同定位的研究工作，在無源偵察設(shè)備的情形中應(yīng)用存在問題。一部分工作的定位目標是無人機群自身，用于解決導(dǎo)航引導(dǎo)不足的問題[1-2]；而定位目標是無人機群的偵察或攻擊目標的研究工作中，優(yōu)化的資源通常都是無人機航跡[3-4]。然而，在無人機群的實際應(yīng)用中，電子偵察子系統(tǒng)對航跡的決定權(quán)往往低于主動雷達子系統(tǒng)和火力子系統(tǒng)，因此無法按電子偵察子系統(tǒng)的要求申請到最優(yōu)航跡，只能獲取到后續(xù)航跡設(shè)定。

針對上述情況，必須從偵察控制著手，研究一定航跡下的優(yōu)化措施。本文提出了一種無人機群協(xié)同無源定位系統(tǒng)的設(shè)計，優(yōu)化當前場面下各機電子偵察的瞬時空-頻域覆蓋選擇，在定位性能達到要求的前提下，降低獲取定位參數(shù)所需要的對偵察資源的占用，從而增大無人機群的偵察自由度，提升無人機群可同時應(yīng)對的目標數(shù)。

1 偵察資源優(yōu)化調(diào)度控制框架

執(zhí)行電子偵察任務(wù)的無人機群，在通信層面上可能以自組網(wǎng)方式或星狀拓撲相連接，而在控制邏輯層面上，通常都服從單一控制站的指控，如圖1所示。其中有1個控制站和4架無人機，雙虛線表示通信連接，雙箭頭實線表示控制邏輯連接。

圖1 典型的無人機群

將當前時間記為時間零點。控制站知道每架無人機的航路規(guī)劃，也就是后續(xù)各時間點t時無人機的位置si(t)和姿態(tài)：機首方向單位矢量ψi(t)、右側(cè)方向單位矢量ξi(t)。

無人機的偵察能力在時空頻域都是受限的。在空間域，記瞬時空間覆蓋的各種可選范圍為D1～DD，其中每種可選范圍是相對于本機的一個方位角范圍；在頻譜域，記瞬時頻域覆蓋的各種可選范圍為F1～FF。無人機的控制策略就是決定空域和頻域覆蓋的選擇，每架無人機具有相同的偵察控制時間節(jié)拍Ts。1組時空頻選擇稱為1個觀察窗口。與目標的時空頻行為匹配的觀察窗口里才能偵收到目標的信號。

針對某個固定或緩動目標，整個系統(tǒng)對它的偵察過程分為掃描、發(fā)現(xiàn)和跟蹤3個階段。系統(tǒng)一開始工作在掃描階段；當觀察到目標的電磁信號時，進入發(fā)現(xiàn)階段，此時不知道目標位置；當對目標的觀測足夠多，可以確定目標位置時，進入跟蹤階段。為了提高效能，需要特別關(guān)注處于發(fā)現(xiàn)階段的目標。但發(fā)現(xiàn)階段目標的位置不明或不夠確定，因此需要無人機群配合，擴大對目標的觀察窗口的覆蓋范圍，以盡早確認目標位置。在跟蹤階段，主要任務(wù)是確認目標異動和提高定位精度，因此可以適當減少觀察窗口，選擇其中效用最高的，從而減少資源占用。設(shè)計調(diào)度控制框架如圖2所示。

圖2 調(diào)度控制框架

其中省略了系統(tǒng)默認保留的用于場面監(jiān)視的掃描節(jié)拍?？梢钥吹?，發(fā)現(xiàn)階段與跟蹤階段的行為模式是相似的，都需要選擇能觀測到目標的觀察窗口。但這2個階段的具體策略有所不同。在發(fā)現(xiàn)階段，為了盡快確認目標，應(yīng)該盡可能分配到這些觀察窗口；而在跟蹤階段，需要考慮如何在這些觀察窗口中精選，收斂性判斷也與此具有相同的判據(jù)。

2 觀察窗口匹配

圖2所示的調(diào)度控制框架依賴于對觀察窗口選擇。下面依次從頻、空、時3個方面研究匹配要求。

首先是頻域方面。根據(jù)無源電子偵察的特性，接收的電磁波是單程傳播，而不是雷達的雙程傳播，因此通常只要接收天線主瓣對準目標，無論目標是以主瓣還是副瓣對準接收機，都能收到信號。所以，頻域的主要選擇依據(jù)是將接收機通帶控制到目標發(fā)射頻點。

其次是空域方面。受限于測向精度，目標的推測位置可能會分布在較大的范圍。因此，需要盡量讓各機的空域選擇覆蓋可能區(qū)域。設(shè)計算法流程如圖3所示。其中覆蓋數(shù)是指待覆蓋區(qū)中所有點最少被幾個空域覆蓋到。提高覆蓋數(shù)有利于提高總的截獲概率。

圖3 觀察窗口的空域協(xié)同

再次是時域方面。如果不需要對目標的電磁特性做詳細刻畫，對時窗選擇就沒有嚴格的限制，因此可以根據(jù)對定位的效用來釋放時窗。

3 觀察窗口效用評判

在跟蹤階段以及在判斷定位收斂時，需要分析定位精度情況和預(yù)計下一個觀察窗口對定位的效用。這需要根據(jù)定位情況進行推算。

〈x-sn,-ψnsinθn+ξncosθn〉=0

(1)

δθn≈sinδθn=(x-sn),-ψnsinθn+ξncosθn

(2)

(3)

考慮所有δθn的聯(lián)合概率分布的似然比：

(4)

通常測向誤差δθn和位置估計誤差δx不會過于巨大，近似地有：

(5)

(6)

則對定位結(jié)果應(yīng)有如下矢量為0：

(7)

(8)

varδx=A-1bbTA-1

(9)

(10)

(11)

二維情況下，可以進一步得到CEP50橢圓的軸長平方和為2ln2tr(varδx)。

4 場景仿真

為了驗證本文協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法的效能，按照作戰(zhàn)作用方式，設(shè)計如下測試場景：我方使用3架無人機A、B、C，起始位置分別位于(0 km,0 km)、(30 km,0 km)、(60 km,0 km)，均以50 m/s速度沿x軸正向移動。無人機具有4個90°空域覆蓋，中心方向分別為前、左、后、右。各機測向誤差均方根為10°，偵測范圍300 km。為簡化記，假設(shè)頻域是寬開的，偵察節(jié)拍為1 s，輻射源目標位于(25 km,200 km)處，假設(shè)無人機A先發(fā)現(xiàn)目標。

根據(jù)本文協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法，進行了100次平行仿真試驗。將結(jié)果分為對發(fā)現(xiàn)階段的變化情況和跟蹤階段的選擇情況兩部分介紹。

發(fā)現(xiàn)階段，工作情況如下所述。

起始節(jié)拍，A發(fā)現(xiàn)目標。下一節(jié)拍A、B、C將分別選擇左、左、后空域，以保證覆蓋數(shù)達到2，如圖4所示。

第2個節(jié)拍，B也收到目標信號，C收不到信號?？梢源_認目標位于此時的A、B、C的左空域，如圖5所示。

圖5 發(fā)現(xiàn)階段工作情況2

雖然由于測向誤差較大，定位誤差范圍可能很大，但目標的可能范圍已經(jīng)大致確認。此時可以轉(zhuǎn)入跟蹤階段。下一節(jié)拍中，C收到信號，由于基線AC較長，可以在第3個節(jié)拍就獲得相對可用的定位結(jié)果。如果不做B、C的協(xié)同，僅由A觀測，由于無人機位置僅移動了100 m，對200 km外的目標完全無法形成有意義的測向交叉，無法確定目標的大致位置。

然后統(tǒng)計了300個節(jié)拍下各次平行試驗的觀察窗口占用(圖6)、定位精度收斂情況(圖7)。作為對比，也測試了僅使用A單機定位的情況(圖8)。可以看到，一方面，本方法使得資源占用有明顯降低，省出來的資源可以用來觀察其他目標；另一方面，通過協(xié)作方式可以使在單機下無法定位的短時間內(nèi)，形成有一定實用意義的結(jié)果(根據(jù)圖7，相當于在1 min內(nèi)達到約30%的定位精度，這是在10°這種非常大的測向誤差下)。

圖6 觀察窗口占用情況

圖7 定位收斂情況

5 結(jié)束語

本文通過分析無人機群協(xié)同執(zhí)行無源電子偵察任務(wù)時對觀察窗口的使用效用，提出了一種對觀察窗口偵察資源的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法。通過對觀察窗口與目標的匹配，以及觀察窗口效用的評估，提高了觀察窗口的利用效率。仿真結(jié)果表明，該方法可有效地降低同一目標的重訪頻次需求，這能顯著提高可同時處理的目標數(shù)；并在較差的測向指標下仍能達到有意義的定位性能。

圖8 定位收斂情況與單機對比