高速隱身目標多傳感器協(xié)同探測跟蹤任務(wù)分解策略

孫 文，王 剛，王晶晶，付 強

(空軍工程大學防空反導學院，陜西 西安 710051)

0 引言

高速隱身目標(HSST)具有速度快、機動性能好、RCS小等特點[1-2]，在高速隱身目標探測跟蹤任務(wù)規(guī)劃過程中存在“看不清”、“跟不上”等問題[3]，也將給任務(wù)的分解帶來高度的緊迫性、復雜性和動態(tài)性。傳統(tǒng)任務(wù)分解策略在時間性、層次性和復雜度等方面難以自適應(yīng)地高效處理高速隱身機動特性帶來的任務(wù)分解問題[4-6]。因此，亟需一種以時間為主體，具有更高的自適應(yīng)性、層次性和可執(zhí)行性的任務(wù)分解方法，以解決高速隱身目標多傳感器探測跟蹤任務(wù)分解問題。

防空反導作戰(zhàn)任務(wù)分解中，文獻[7—8]分別以分解粒度、任務(wù)均衡性為主要依據(jù)，對反導作戰(zhàn)任務(wù)進行分解。文獻[9]提出了一種分級任務(wù)分解思想，對協(xié)同空戰(zhàn)任務(wù)進行分解。文獻[10]主要從資源配置方面進行任務(wù)分解。目前，以時間為主體的任務(wù)分解策略研究相對不足，缺乏針對高速隱身目標的快速高效任務(wù)分解策略，本文借助于任務(wù)樹的層次化表現(xiàn)形式，提出了以傳感器和目標可視化關(guān)系為基礎(chǔ)，基于“最長觀測時間”、“起止時間”和“均勻時間分割”三者混合的柔性時間-任務(wù)樹分解策略，對分解思想和步驟作了深入分析。通過案例分析，驗證了分解策略的合理性和優(yōu)越性。

1 高速隱身目標探測跟蹤任務(wù)分解特點及準則

1.1 高速隱身目標探測跟蹤任務(wù)分解特點

1) 時間窗口小。HSST飛行速度快，在傳感器可視化范圍內(nèi)停留時間極短，并且要將任務(wù)分解為時間更短的元任務(wù)，使得傳感器執(zhí)行任務(wù)的時間窗口更加有限。

2) 難度層次高。HSST飛行軌跡具有不可預測性，速度快、隱身性能好。要完成對HSST的任務(wù)分解難度較大，首先分解依據(jù)缺乏確定性理論支撐，其次是分解后任務(wù)可執(zhí)行性難以保證。

3) 交鏈系數(shù)大。HSST通常具有良好的機動性能，飛行軌跡難以預測，某一元任務(wù)的執(zhí)行失敗或者相鄰元任務(wù)的間隔時間過大，都會影響任務(wù)分解的連貫性、緊湊性以及總?cè)蝿?wù)的完備性。

1.2 任務(wù)分解基本準則

高速隱身目標探測跟蹤任務(wù)分解需要考慮探測體系結(jié)構(gòu)本身的靜態(tài)信息、傳感器的動態(tài)信息以及相關(guān)狀態(tài)參數(shù)信息，同時還要考慮傳感器之間的相互聯(lián)系、相互制約的協(xié)調(diào)機制等。因此，對高速隱身目標探測跟蹤任務(wù)分解提出了更高的準則要求，一般要遵循以下準則：

1) 完備性：高速隱身目標探測跟蹤任務(wù)分解時，得到的元任務(wù)并集必須等于總?cè)蝿?wù)；

2) 獨立性：有助于各傳感器獨立的執(zhí)行元任務(wù)，減少各傳感器之間的協(xié)調(diào)以及通信；

3) 層次性：一個任務(wù)可以分解為多個子任務(wù)，子任務(wù)又可分解為多個下層子任務(wù)，層次化的任務(wù)分解有助于執(zhí)行效率的提高；

4) 粒度性：元任務(wù)的長度要適中，元任務(wù)太長，會長期占用某個傳感器資源，達不到優(yōu)化的要求；元任務(wù)太短，達不到對目標估計和預測的要求；

5) 間隔性：由于HSST飛行速度快、機動性好，元任務(wù)之間的間隔要盡可能小甚至沒有，才能保證后續(xù)元任務(wù)的成功率；

6) 可執(zhí)行性：元任務(wù)必須符合傳感器探測跟蹤條件，如果任務(wù)分解之后，超出了傳感器的執(zhí)行能力，則分解失敗。

2 柔性時間任務(wù)樹分解思想

2.1 傳感器與目標的可視化關(guān)系

傳感器對目標的可視化時間段是指從目標進入到傳感器的作用范圍開始到離開傳感器的作用范圍為止的時間段。確立傳感器與目標的可視化關(guān)系是進行任務(wù)分解的基礎(chǔ)和前提。

假定，HSST在某一時間段內(nèi)的飛行軌跡和傳感器的基本性能已知，傳感器對其可視化關(guān)系如圖1所示。

圖1 傳感器與高速隱身目標的可視化關(guān)系Fig.1 Visual relationship between sensor and HSST

2.2 混合時間任務(wù)樹分解思想

2.2.1任務(wù)樹分解

任務(wù)樹是一種層次化的任務(wù)分解形式，有且僅有一個根節(jié)點，根節(jié)點為總目標，樹中同層節(jié)點具有與/或關(guān)系，在這種與/或任務(wù)樹(and-or-tree)中，若節(jié)點T有n條邊通向節(jié)點ST1,…,STn，而且n條邊邏輯“與”關(guān)系，則表示任務(wù)T的完成有賴于整個子任務(wù)組的全部完成，即T=ST1∧ST2∧…∧STn；若n條邊邏輯“或”關(guān)系，則表示任務(wù)T的完成有賴于任務(wù)組某一子任務(wù)的完成，即T=ST1∨ST2∨…∨STn，若子任務(wù)仍不利于直接執(zhí)行，則對它作進一步分解[11-12]。其中，多傳感器探測跟蹤的基本任務(wù)樹模型如圖2所示。

圖2 高速隱身目標多傳感器探測跟蹤任務(wù)樹Fig.2 HSST multi-sensors detection and tracking mission tree

任務(wù)分解后的各子任務(wù)之間具有以下三種關(guān)系：

1) 優(yōu)先關(guān)系：子任務(wù)Ti必須先于子任務(wù)Tj執(zhí)行；

2) 并行關(guān)系：子任務(wù)Ti可以與子任務(wù)Tj并發(fā)執(zhí)行；

3) 互斥關(guān)系：子任務(wù)Ti與Tj不能同時執(zhí)行，若有沖突則采用沖突消解策略解決。

2.2.2柔性時間-任務(wù)樹分解思想

柔性時間-任務(wù)樹是指按照“起止時間”、“最長觀測時間”和“均勻分割時間”三種方式的混合方式進行總?cè)蝿?wù)的分解，運用柔性重組的方式對任務(wù)的間隔性和粒度性進行處理，然后以任務(wù)樹形式展現(xiàn)，各任務(wù)之間存在與或關(guān)系，可互斥也可并行執(zhí)行。其中，柔性主要是指系統(tǒng)對于外部及內(nèi)部產(chǎn)生的各種可預見或不可預見的變化，能夠及時響應(yīng)或動態(tài)調(diào)整的能力，在柔性時間-任務(wù)樹分解策略中主要是指根據(jù)分解需求對均勻時間、最長和最短任務(wù)長度的柔性調(diào)整、動態(tài)處理。三種時間任務(wù)分解法的優(yōu)缺點如下：

1) “起止時間”分解法：分解得到的任務(wù)中，每個任務(wù)的長度不同，同時每個任務(wù)也包含多種不同的傳感器資源。缺點是容易出現(xiàn)某個傳感器資源長期對同一個目標探測，降低了探測效果，當目標數(shù)量增多時，任務(wù)的規(guī)模將大幅度增加；

2) “最長觀測時間”分解法：每個任務(wù)對應(yīng)一個傳感器來執(zhí)行，傳感器之間的切換率較低。缺點是某個傳感器資源會長期被占用，降低了探測效果，增加了任務(wù)-資源沖突；

3) “均勻分割時間”分解法：分解得到的任務(wù)中，每個任務(wù)的長度相同，同時每個任務(wù)將包含多種不同的傳感器資源。缺點是任務(wù)長度不易確定，長度太長容易導致某些任務(wù)沒有合適的傳感器資源來完成，太短容易造成傳感器資源的頻繁切換。

單一的分解方法很難達到多傳感器探測跟蹤任務(wù)分解的要求，使得分解的任務(wù)沖突性強，進而造成資源分配不均衡等問題。柔性時間-任務(wù)樹的層次化思想：將高速隱身目標探測跟蹤總?cè)蝿?wù)作為任務(wù)樹的第一層；將各個傳感器對高速隱身目標的可視化任務(wù)作為任務(wù)樹的第二層；將各傳感器可視化任務(wù)按照“起止時間”分解后的子任務(wù)作為任務(wù)樹的第三層；按照“最長觀測時間”和“均勻分割時間”進行簡化、篩選、整合拆分、柔性重組處理后的子任務(wù)作為任務(wù)樹的第四層。

3 柔性時間任務(wù)樹任務(wù)分解步驟

依據(jù)柔性時間-任務(wù)樹分解思想，得到任務(wù)分解示意圖如圖3所示。

圖3 柔性時間-任務(wù)樹任務(wù)分解過程Fig.3 The flexible time-mission tree decomposition process

柔性時間-任務(wù)樹任務(wù)分解法詳細步驟：

步驟1 明確總?cè)蝿?wù)。根據(jù)來襲目標情況，確立探測跟蹤的總?cè)蝿?wù)，并作為任務(wù)樹的第一層。

步驟2 計算可視化關(guān)系。根據(jù)當前所有傳感器與所有目標的可視化關(guān)系，確定不同傳感器對目標的可視化時間段，將每個傳感器的可視化任務(wù)作為任務(wù)樹的第二層。

步驟3 時間排序。標出各個傳感器對各個HSST的可視化時間段開始和結(jié)束時刻，按照從小到大的順序排列，從而將每個傳感器總的子任務(wù)分解為每個時間段上的子任務(wù)，作為任務(wù)樹的第三層。

步驟4 簡化。按照“起止時間”分解后，分別明確各傳感器對同一目標的“最長觀測時間”節(jié)點，對比各傳感器的子任務(wù)長度，若某一時間段內(nèi)，存在相同的任務(wù)由不同的傳感器同時執(zhí)行，即兩個或者多個傳感器之間有任務(wù)重疊，則按照如下準則任務(wù)簡化。

1) 若傳感器負載率較小，不同傳感器可以同時承擔此任務(wù)，則不予簡化，提高任務(wù)的完成率；

2) 若某一傳感器連續(xù)對同一目標的探測時間長度t≥Tlong，則探測效果會降低，因此在不影響其他傳感器執(zhí)行自身任務(wù)的前提下，任務(wù)分解時將其作為其他傳感器的任務(wù)；

3) 比較傳感器對此任務(wù)的完成率，將子任務(wù)作為完成率較高的傳感器需分解的任務(wù)；

4) 若兩個或多個傳感器對同一任務(wù)的重疊探測窗口較小，則忽略，防止增加傳感器之間的切換率和后續(xù)處理的復雜度。

步驟5 篩選。對任務(wù)需執(zhí)行時間長度根據(jù)分解需求，按照“均勻時間分割”思想靈活確定，根據(jù)準則3)，假定元任務(wù)的均勻時間為D，最長為Dmax，最短為Dmin，篩選出長度大于Dmax和小于Dmin的子任務(wù)，對于長度大于Dmax的子任務(wù)，執(zhí)行步驟6；對長度小于Dmin的子任務(wù)，執(zhí)行步驟7。

步驟6 拆分。繼續(xù)拆分長度大于Dmax的子任務(wù)，保證最終分解后的元任務(wù)的長度在[Dmin,Dmax]內(nèi)，假設(shè)此子任務(wù)長度為L，拆分為N個長度為Dz的元任務(wù)，具體方法如下：

(1)

3)i=++，執(zhí)行2)；

4)k=i，把相鄰的k個子任務(wù)合并，對于達不到合并后任務(wù)長度的可視化時間段，執(zhí)行步驟8。

步驟8 柔性重組。如果子任務(wù)單獨存在且小于Dmin，左右相鄰的兩個子任務(wù)的長度都大于Dmin，則將此三個子任務(wù)整合，重新拆分成兩個或者三個在[Dmin,Dmax]內(nèi)的子任務(wù)；如果子任務(wù)單獨存在且小于Dmin任務(wù)數(shù)量較多，則更新D、Dmin和Dmax，直至滿足任務(wù)分解需求。柔性重組的目的是確保分解后元任務(wù)的完備性、連續(xù)性。將步驟4—步驟8處理后的得到的子任務(wù)作為任務(wù)樹的第四層。

步驟9 確立元任務(wù)。將每個得到的每個符合各項要求的時間段任務(wù)，按照與每個傳感器的關(guān)系進行進一步分解，得到的子任務(wù)即為元任務(wù)，將此作為任務(wù)樹的第五層。

按照以上步驟分解得到的元任務(wù)具有以下優(yōu)勢：

1) 可執(zhí)行性高。柔性時間-任務(wù)樹分解得到的元任務(wù)在傳感器可視化范圍內(nèi)，自適應(yīng)的時間長度處理，使得任務(wù)的粒度性和間隔性更加合理，保證了任務(wù)的完備性，任務(wù)之間的沖突相對較小，執(zhí)行性高。

2) 獨立性好。對任務(wù)進行簡化、篩選、整合拆分、柔性重組等一系列操作后，在時序關(guān)系上更加獨立、有序，有助于各個傳感器獨立的執(zhí)行元任務(wù)。

3) 層次性強。采用任務(wù)樹的形式對任務(wù)進行分解，具有較強的層次感，有助于提高任務(wù)的分解效率，較好地表達不同任務(wù)在不同層次中的地位和實質(zhì)。

4 案例分析

為了驗證分解策略的有效性、合理性和可行性，假定，HSST的數(shù)量為4，傳感器的數(shù)量為3，Dmax為20，Dmin為5，傳感器與目標的可視化關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳感器與目標的可視化關(guān)系Fig.4 Visual relationship between sensor and target

按照混合時間-任務(wù)樹分解步驟，HSST的數(shù)量為4，明確總?cè)蝿?wù)即對4個目標的探測跟蹤任務(wù)，為任務(wù)樹第一層；計算3個傳感器與4個目標的可視化關(guān)系，為任務(wù)樹第二層；對各個可視化關(guān)系進行起止時間的劃分，得到第三層；由圖可知，各傳感器對目標1、2、3、4的可視化都存在重疊的部分，按照簡化準則簡化；基于“均勻時間分割”的思想，對任務(wù)進行整合、拆分、柔性重組得到任務(wù)樹的第四層。分解結(jié)果如圖5所示。

圖5 多傳感器探測跟蹤任務(wù)分解結(jié)果Fig.5 Multi-sensors detection and tracking mission decomposition result

圖5中分解得到的任務(wù)并不是元任務(wù)，而是同一時間段內(nèi)，各個傳感器元任務(wù)的集合(簡稱次元任務(wù))，元任務(wù)對應(yīng)的是每個傳感器的任務(wù)。

由此分解得到具有4個層次、17個次元任務(wù)的任務(wù)樹，層次性明顯，任務(wù)之間沒有間隔，具備連續(xù)性、完備性的特點，同時，組成次元任務(wù)的各個元任務(wù)時間長度t∈[5,20]，在規(guī)定的時間長度[Dmin,Dmax]內(nèi)，任務(wù)具有合理的粒度性和較好的可執(zhí)行性。利用柔性時間-任務(wù)樹進行任務(wù)分解，有以下特點：

1) 傳感器探測時間合理，減少了某個傳感器長期被占用的幾率，同時避免了傳感器之間頻繁切換；

2) 資源利用率高，任務(wù)分解后各個傳感器任務(wù)分工明確，沒有閑置的時間段；

3) 任務(wù)連續(xù)性、完備性好，各個任務(wù)之間沒有出現(xiàn)因任務(wù)分解導致的中斷和間隔。

因此，在高動態(tài)環(huán)境下，柔性時間-任務(wù)樹分解方法有助于根據(jù)分解需求靈活自適應(yīng)地調(diào)整，有利于對任務(wù)進行高效合理地分解。

5 結(jié)論

高速隱身目標多傳感器探測跟蹤任務(wù)分解對元任務(wù)的獨立性、層次性和可執(zhí)行性有較高的要求，本文針對高速隱身目標任務(wù)分解時間緊、難度大、交鏈度高等特點，以傳感器和目標的可視化關(guān)系為前提和基礎(chǔ)，結(jié)合“起止時間”、“最長觀測時間”和“均勻分割時間”分解法和任務(wù)樹層次化得思想，提出了柔性時間-任務(wù)樹分解策略，該策略自適應(yīng)程度高、靈活性強，有效保證了任務(wù)分解的完備性和可執(zhí)行性等條件；并且通過案例分析，表明了分解策略的合理性、高效性。為未來HSST探測跟蹤體系的建立奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。下一步將重點對分解后HSST多傳感器探測跟蹤元任務(wù)的分配問題進行研究。