戰(zhàn)斗機群集中式雷達/紅外復合跟蹤通用架構*

張 存,賀豐收,鄭世友,李 翔

(中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術研究所，江蘇 無錫 214063)

機載多機協同背景下的復合跟蹤是為了完成態(tài)勢感知任務,利用計算機技術對獲得的若干傳感器觀測信息,在一定的準則下加以組合分析、復合處理的過程。本質上,它是一種能將多種來源的觀測數據進行有機綜合、自動分析的特殊算法,能夠形成對環(huán)境的綜合感知,從而提供更全面精確的態(tài)勢感知能力[1]。

多機協同復合跟蹤技術具有反隱身能力強、抗干擾魯棒性強等優(yōu)勢,是戰(zhàn)斗機群提高態(tài)勢感知能力獲取對抗優(yōu)勢的重要方面,因而，受到國內外學者及研究機構的廣泛關注[2]。

多機協同復合跟蹤技術在國外起步早,發(fā)展快速且日趨成熟,尤其是美國已經將其推廣至新型戰(zhàn)斗機F-35的綜合任務系統(tǒng)中[3],F-35所采用的多機協同復合跟蹤框架技術代表了該領域的國際領先水平。

F-35擁有多種傳感器組件，能夠提供比傳統(tǒng)飛機更多、更精確的目標航跡信息,如果依靠傳統(tǒng)融合方式進行傳感器和數據鏈復合跟蹤關聯,在當前信息化作戰(zhàn)環(huán)境下,不僅容易使飛行員因接收信息過多而易陷入混亂,而且還會嚴重降低F-35的作戰(zhàn)能力。對此,F-35項目開發(fā)了一種新形式的多機協同復合跟蹤機制來保障飛行員對作戰(zhàn)環(huán)境態(tài)勢的感知,如圖1所示,這種新形式的復合跟蹤機制采用閉環(huán)式的多傳感器復合跟蹤,在這種跟蹤框架下,隨著新成員傳感器的動態(tài)關聯和不同機外數據的動態(tài)豐富,整個多機協同復合跟蹤系統(tǒng)將具有更好的延展性、功能性和通用性,綜合態(tài)勢感知能力得到有效提升。

圖1 F-35閉環(huán)式的多傳感器復合跟蹤框架

多機協同復合跟蹤技術在國內尚處于理論研究的初級階段,相對于歐美等發(fā)達國家起步較晚,沒有足夠的工程背景及試驗數據支撐,導致相關技術儲備及關聯工程經驗匱乏。多機協同復合跟蹤理論研究[4-7]主要包括時空網格鎖定、多源異質量測融合跟蹤、數據質量及算法性能在線評估、多傳感器資源自主管控等四個技術方向,而多機協同跟蹤框架則是將上述四個技術方向有機結合、綜合應用、形成多機協同復合跟蹤系統(tǒng)的過程,是多機協同復合跟蹤的綱領性研究方向,當前機載多平臺融合框架研究主要集中在集中式、分布式和混合式三個方向。

本文主要針對多機協同背景下的戰(zhàn)斗機群雷達/紅外多機協同復合跟蹤機制問題,展開框架研究,提出一種新型戰(zhàn)斗機群集中式復合跟蹤通用架構。首先，介紹了所提多機協同復合跟蹤通用架構的設計原理；然后，根據機群數據鏈通信能力強弱,基于上述通用架構分別設計了面向數據鏈通信能力不受限的對等集中式和面向數據鏈通信能力受限的動態(tài)主從集中式兩種衍生架構,并詳細分析了其性能特點；然后，從海上反隱身制空作戰(zhàn)、海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌艉偷涂章雍Ｄ繕藬r截等三個典型作戰(zhàn)場景出發(fā),根據兩種衍生架構優(yōu)勢特點給出選擇建議；最后，對所提通用架構進行總結和展望。

1 基本原理

典型的融合框架主要包括集中式多平臺雷達融合跟蹤框架、分布式多平臺雷達融合跟蹤框架等。結合上述典型架構的特點,本文設計了一種通用的、可擴展的閉環(huán)戰(zhàn)斗機群雷達/紅外(IRST系統(tǒng))多機協同復合跟蹤框架,如圖2所示,所提框架主要包括數據預處理、網格鎖定、數據關聯、系統(tǒng)復合跟蹤、性能評估和數據通信等六個模塊。該架構的特點在于:

1)處理多傳感器測量級數據而非傳感器跟蹤信息,測量級處理可以較早發(fā)現環(huán)境中難以探測的目標,通過處理測量級數據,即便目標脫離當前傳感器的視野,也能通過其他傳感器協同共享的測量信息,獲取該目標的感知信息;

2)多傳感器能夠充分發(fā)揮各類優(yōu)勢,互為補充;

3)適用性強,能夠結合作戰(zhàn)場景及現有裝備平臺合理使用,具有技術與戰(zhàn)術融合的顯著特點；

4)可擴展性強,一是平臺數量可擴展,二是傳感器種類可擴展。

圖2 戰(zhàn)斗機群雷達/紅外(IRST系統(tǒng))多機協同復合跟蹤框架示意圖

實際上,根據數據鏈通信能力,上述機群復合跟蹤框架可衍生出對等式和動態(tài)主從式兩種。通信能力足夠時,機群成員互為長機,各長機復合跟蹤架構相互對等,對等式架構數據流圖,基于上述通用架構形成戰(zhàn)斗機群雷達/紅外復合跟蹤對等式集中框架;通信能力不足時,機群成員可根據作戰(zhàn)需要動態(tài)組成主從式長僚機,長機復合跟蹤框架與對等式基本架構一致,區(qū)別在于僚機復合跟蹤時只接收長機航跡信息,不再接收其他僚機平臺的傳感器信息,此時，基于上述架構形成戰(zhàn)斗機群雷達/紅外復合跟蹤動態(tài)主從集中式框架。

1.1 戰(zhàn)斗機雷達/紅外復合跟蹤對等式集中架構

對等式測量融合結構是集中式結構向傳感器/信源級全局對等集中分布的擴展。在對等式測量融合結構中,各融合節(jié)點所獲取的目標測量信息是完全相同的,從而各節(jié)點融合輸出的戰(zhàn)場目標和態(tài)勢信息也是相同的,其數據流如圖3所示,從這個意義上講,各節(jié)點在信息和功能上是對等的,各節(jié)點可相互替代,因此,對等式測量融合結構也稱為無中心結構。在實際的作戰(zhàn)活動中,不可能是無中心的,如各節(jié)點組網管理、節(jié)點入網和接入、節(jié)點之間的協同控制等均須確定一個中心。在這種情況下,對等式測量融合結構的每一個融合節(jié)點都可以作為組網中心。

圖3 對等式架構數據流向示意圖

對等式測量融合結構的諸節(jié)點在每個采樣周期內能生成相同的感知態(tài)勢,因此,無須相互傳輸融合結果,即能實現各節(jié)點的態(tài)勢統(tǒng)一。

對等式測量融合結構要求網絡通信資源較大,通信速率通常要達數十兆,以實現在距離上的信息傳輸容量、時間延誤和可靠性等方面達到同等水平。

戰(zhàn)斗機群全體各長機成員通過以下過程完成復合跟蹤:

1)通過網格鎖定模塊對多平臺異類傳感器的信息進行時空配準,為后續(xù)的測量級數據融合奠定基礎;

2)通過評估模塊對配準后的數據質量進行評估,并作為后續(xù)序貫濾波算法中權值分配的依據;

3)通過多平臺異類傳感器數據融合跟蹤模塊進行多平臺變維度測量值自適應數據關聯,主要是將所有的量測數據與現有的穩(wěn)定航跡進行關聯;

4)對關聯上的量測和未關聯上的量測分別進行處理,針對關聯上的量測進行基于數據質量的濾波融合處理,更新現有的航跡;

5)針對未關聯上的量測進行快速航跡起始處理,為建立新的復合航跡奠定基礎;

6)對融合航跡進行在線性能評估。

該架構具有以下優(yōu)點:

1) 靈活多變,抗毀性能強;

2) 可以實現點跡級融合;

3) 可擴展性強,平臺數量可擴展,傳感器種類可擴展;

4) 可以實現態(tài)勢的實時全局共享。

該架構的局限性為:

1) 對數據鏈的要求很高;

2) 存在態(tài)勢不統(tǒng)一的風險,需要做好一致性處理。

在數據鏈能力滿足要求的前提下,該架構適用于任何場景。

1.2 戰(zhàn)斗機雷達/紅外復合跟蹤動態(tài)主從集中式架構

戰(zhàn)斗機群各長機成員,完成復合跟蹤過程與對等式完成過程一致,主從式架構數據流向示意圖如圖4所示,動態(tài)主從架構重組示意圖如圖5所示,各僚機成員完成復合跟蹤過程如下。

圖4 主從式架構數據流向示意圖

圖5 動態(tài)主從架構重組示意圖

1)通過網格鎖定模塊對長機提供的傳感器航跡信息進行時空配準,為后續(xù)的航跡級融合奠定基礎;

2)通過評估模塊對數據質量進行評估,作為后續(xù)序貫濾波算法中權值分配的依據;

3)通過數據關聯模塊進行變維度測量值自適應數據關聯,主要是將所有的量測數據與現有的穩(wěn)定航跡進行關聯,同時，利用長機提供的傳感器航跡信息進行關聯;

4)對關聯上的量測和未關聯上的量測分別進行處理,針對關聯上的量測進行基于數據質量的濾波融合處理,更新現有的航跡,對關聯上的長機航跡信息進行航跡復合,更新現有航跡;

5)針對未關聯上的量測進行快速航跡起始處理,為建立新的復合航跡奠定基礎；

6)對融合航跡進行在線性能評估。

該架構具有以下優(yōu)點:

1) 靈活多變,抗毀性能強,能夠適應通信受阻的情況;

2) 相較于對等式架構來說,對數據鏈的要求低一些;

3) 同樣可以實現測量級融合;

4) 可擴展性強。

該架構的局限性:可以實現態(tài)勢的全局共享,但是相較于對等式來說可能存在一定的滯后性。

該架構的適用場景:通信受阻對態(tài)勢一致性要求較高的場景。

1.3 兩種集中式架構對比分析

對等式和動態(tài)主從式兩種集中式架構的優(yōu)缺點對比分析如表1所示。

表1 架構優(yōu)缺點對比分析表

2 基于作戰(zhàn)場景的復合跟蹤架構選擇分析

艦載戰(zhàn)斗機群為母艦提供海上偵察監(jiān)視,獲取遠距空中目標態(tài)勢信息,為母艦提供海上空情情報數據。針對來襲空中目標威脅,為保障我軍艦船編隊安全,在母艦指揮下艦載戰(zhàn)斗機群需要應對以下三種典型作戰(zhàn)場景:多機海上分布式反隱身制空作戰(zhàn)、海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌糇鲬?zhàn)、低空掠海目標攔截等。以下基于上述作戰(zhàn)場景分別作復合跟蹤框架選擇分析。

1)海上反隱身制空作戰(zhàn)場景

場景描述:海上反隱身制空作戰(zhàn)時,我方預警系統(tǒng)發(fā)現某區(qū)域存在疑似敵方隱身戰(zhàn)機目標,派出戰(zhàn)斗機群突前攔截,機載雷達進行對中低空、高空目標搜索及輔助目標識別,重點針對威脅等級較高的隱身飛機進行跟蹤、識別、火控攻擊等。海上反隱身制空作戰(zhàn)場景如圖6所示。

圖6 海上反隱身制空作戰(zhàn)場景

2)海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌魣鼍?/p>

場景描述:海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌魰r,戰(zhàn)斗機群突前母艦前方,機載雷達進行對海探測、對空探測及輔助目標識別,重點針對海面艦船目標進行跟蹤與識別。海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌糇鲬?zhàn)場景如圖7所示。

圖7 海上廣域監(jiān)視與對海火力打擊場景

3)低空掠海目標攔截場景

場景描述:戰(zhàn)斗機群為母艦提供海上偵察監(jiān)視,獲取低空掠海目標態(tài)勢信息,在母艦指揮下完成多機攔截,保障我軍艦船編隊安全。戰(zhàn)斗機群突前母艦前方,機載雷達/紅外協同進行探測,快速對低空掠海目標建立穩(wěn)定跟蹤。低空掠海目標攔截作戰(zhàn)場景如圖8所示。

圖8 低空掠海目標攔截場景

基于上述三種典型作戰(zhàn)場景對各類因素的需求進行分析,典型作戰(zhàn)場景架構選擇依據如表2所示。

1)海上反隱身制空作戰(zhàn)場景

對于系統(tǒng)抗毀性的要求比較高,這是由于多平臺反隱身本身就利用了空間分集的優(yōu)勢,如果系統(tǒng)的抗毀性能差,平臺之間無法協同,反隱身能力也會大幅度下降;

對于數據鏈的要求高,這是由于在該作戰(zhàn)場景下存在對海探測的過程,由于海面目標數量大,且存在SAR圖像的傳輸,傳輸的數據量大;

表2 典型作戰(zhàn)場景架構選擇依據表

對于管控能力的要求高,由于反隱身作戰(zhàn)過程中對平臺的協同能力要求較高,因此,需要有較強的管控能力作為數據融合的基礎;

對于決策實時性要求高,這是由于空中目標速度快、機動能力強,因此,在作戰(zhàn)過程中,決策速度必須要快;

對于態(tài)勢更新實時性要求較高,由于實時決策是以實時的全局態(tài)勢為基礎的(動態(tài)主從式中的長機上的態(tài)勢更新實時性是可以滿足要求的);

對于態(tài)勢一致性要求高,這是因為系統(tǒng)在進行管控和決策的過程中,當前態(tài)勢是重要的依據,如果網絡中存在多個決策中心,而各個決策中心的態(tài)勢存在不一致性,此時各決策中心做出的決策必然會存在偏差,從而影響整體的作戰(zhàn)效能,尤其是針對反隱身作戰(zhàn)來說,對系統(tǒng)決策和管控要求極高的情況下更需要保持態(tài)勢的一致性。

基于上述分析及表2可知,該場景的典型特征和要求是數據鏈通信可能受阻及對態(tài)勢一致性要求非常高,而在數據鏈通信受阻情況下，動態(tài)主從式架構的態(tài)勢一致性優(yōu)于對等式架構,因此，動態(tài)主從式架構更能滿足海上反隱身作戰(zhàn)場景對復合跟蹤框架的要求。

2)海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌魣鼍?/p>

對于系統(tǒng)抗毀性的要求比較高,這是由于海上廣域監(jiān)視同樣需要利用多平臺空間分集的優(yōu)勢,如果系統(tǒng)的抗毀性能差,平臺之間的數據無法有效融合,也就無法實現廣域監(jiān)視;

對于數據鏈的要求高,在該作戰(zhàn)場景下以對海探測為主,由于海面目標數量大,且存在SAR圖像的傳輸,傳輸的數據量大;

對于管控能力的要求不高,這是由于廣域監(jiān)視以及對海打擊雖然需要以數據融合為基礎,但是對于平臺之間協同的要求不高;

對于決策實時性要求不高,這是由于海上目標運動速度慢,態(tài)勢變化也較慢;

對于態(tài)勢更新實時性要求不高,同樣是因為海上目標運動速度慢,態(tài)勢變化也較慢;

對于態(tài)勢一致性要求一般,這是由于廣域監(jiān)視和對海打擊場景下,態(tài)勢變化慢且對協同管控和決策的要求也不高。

基于上述分析及表2可知,海上廣域監(jiān)視與對海火力打擊場景的典型特征是數據鏈通信足夠,且對管控能力及態(tài)勢一致性要求不高,而此種情況下，對等式架構比主從式架構簡單，且更容易實現,因此，從性價比及實現簡單的角度考慮,對等式架構更適合海上廣域監(jiān)視與對?；鹆Υ驌魣鼍?。

3)低空掠海目標攔截場景

對于系統(tǒng)抗毀性的要求高,在該作戰(zhàn)場景下,距離維采用多平臺前突不同基線進行組合防御,要求不同平臺對低空掠海目標的探測威力重疊區(qū)域進行協同探測及融合;

對于數據鏈的要求高,在該作戰(zhàn)場景中的探測對象主要是低空掠海目標,在探測過程中同樣會探測到大量的海面目標,傳輸的數據量大;

對于管控能力的要求需要分階段考慮：前期在發(fā)現目標的過程中,對管控能力的要求較低,后期鎖定目標需要進行協同攔截時,對平臺的協同能力要求高;

對于決策實時性要求同樣需要分階段考慮：前期,在搜索目標的過程中,對決策實時性要求較低,后期鎖定目標需要進行協同攔截時,對決策實時性要求高;

對于態(tài)勢更新實時性要求較高,由于低空掠海目標速度快,因此,需要實時的態(tài)勢更新能力。

基于上述分析及表2可知,兩種衍生架構中的任何一種對低空掠海目標攔截場景都不是完全適用的,故不妨將上述場景分成前后兩個階段:1)前期搜索階段,場景的典型特征為數據鏈通信足夠,對態(tài)勢一致性要求不高,因而，建議采用架構實現簡單的對等式架構;2)后期攔截階段,場景的典型特征是數據鏈通信大概率受阻,且對態(tài)勢一致性要求非常高,而動態(tài)主從式架構的態(tài)勢一致性優(yōu)于對等式,因此，為了保障攔截任務的有效執(zhí)行,建議選擇動態(tài)主從式架構。

3 結束語

戰(zhàn)斗機群多機協同復合跟蹤通過整合機載和機外數據源信息,開展數據關聯、狀態(tài)估計,利用數據鏈,打通機群成員之間的實時數據共享,引入雷達/紅外自主傳感器管理,實現跟蹤、關聯、共享和協同自動化處理。而本文研究的復合跟蹤集中式通用框架技術及其使用方法,可以更好地實現多機協同復合跟蹤技術與戰(zhàn)術任務的緊密結合,從而為飛行員提供更全面完整的戰(zhàn)場態(tài)勢、更高精度的目標運動狀態(tài)和更強的作戰(zhàn)環(huán)境變化反應能力,使飛行員回歸戰(zhàn)術家角色,提升戰(zhàn)斗機群網絡化協同作戰(zhàn)能力。