一種基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 鵬 劉文博 趙 娟

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院信息工程系，安徽 合肥 230031）

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)裝備在偵查監(jiān)視、輻射源識(shí)別、輻射源定位以及精確打擊等方面發(fā)揮了顯著作用。例如在俄烏沖突中，沖突雙方都對(duì)無(wú)線電頻譜進(jìn)行了探測(cè)和干擾，并在戰(zhàn)場(chǎng)上通過(guò)截取對(duì)方的電磁信號(hào)來(lái)獲取關(guān)鍵信息，從而對(duì)敵進(jìn)行精準(zhǔn)打擊。因此，設(shè)計(jì)一種基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)，識(shí)別對(duì)方的輻射源類型并獲取精準(zhǔn)的輻射源位置，對(duì)輔助完成偵查目標(biāo)反饋具有重要意義。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 輻射源識(shí)別技術(shù)

由于每個(gè)輻射源都存在發(fā)射組件的非線性現(xiàn)象，因此輻射源會(huì)發(fā)出一些非調(diào)制信號(hào)，收集這些細(xì)微的差異，形成一個(gè)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)將輻射源的參數(shù)特征與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征進(jìn)行對(duì)比，以達(dá)到識(shí)別的目的[1]。但是這種數(shù)據(jù)庫(kù)存在缺點(diǎn)，如果特征參數(shù)過(guò)多或者有重疊的參數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別的情況。為了避免出現(xiàn)這種情況，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于輻射源識(shí)別中，即先對(duì)偵查到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將處理后的信號(hào)輸入訓(xùn)練好的模型中進(jìn)行特征提取和識(shí)別，并構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)模型，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別輻射源的目標(biāo)。

1.2 輻射源定位技術(shù)

根據(jù)原理可以將輻射源定位技術(shù)大致分為主動(dòng)定位和被動(dòng)定位。由于主動(dòng)定位需要發(fā)射電磁波，容易受到干擾且極易暴露，因此該系統(tǒng)采用被動(dòng)定位技術(shù)，不需要向外輻射電磁波信號(hào)，只需要抓取目標(biāo)的輻射信號(hào)并通過(guò)分析接收信號(hào)的角度信息、信號(hào)強(qiáng)度、相位變化、頻率差或者到達(dá)時(shí)間差等信息估算輻射源的位置[2]。該系統(tǒng)利用多架無(wú)人機(jī)攜帶分析儀設(shè)備，分別采集輻射源信號(hào)的角度信息、到達(dá)時(shí)間差、信號(hào)頻段、信號(hào)以及強(qiáng)度等信息，通過(guò)混合多種傳感器采集得到的信息的最大似然估計(jì)和卡爾曼濾波求得目標(biāo)位置估計(jì)[3]。

1.3 Node.js技術(shù)

Node.js是一個(gè)基于V8引擎的JavaScript運(yùn)行環(huán)境，支持跨平臺(tái)部署，即同樣的一套JS代碼都可以部署運(yùn)行在Windows、Linux以及OSX等平臺(tái)。這主要得益于Node在操作系統(tǒng)與Node上層模塊系統(tǒng)之間構(gòu)建了一層平臺(tái)層架構(gòu)libuv。它的特點(diǎn)是可以在服務(wù)端運(yùn)行JavaScript，從而與操作系統(tǒng)直接交互，完成文件控制、網(wǎng)絡(luò)吞吐以及進(jìn)程控制等任務(wù)。Node.js雖然是單線程的，但是這個(gè)線程可以支持高并發(fā)連接，避免因大量新增的連接請(qǐng)求而出現(xiàn)內(nèi)存擠占的情況。它采用事件驅(qū)動(dòng)和異步回調(diào)的機(jī)制，在執(zhí)行代碼時(shí)，主線程從上往下依次執(zhí)行，遇到有需要回調(diào)的地方，就將該處加入事件隊(duì)列中，然后主線程繼續(xù)往下走，直到運(yùn)行結(jié)束后才執(zhí)行事件隊(duì)列中的回調(diào)。當(dāng)Node.js執(zhí)行事件隊(duì)列中的事件時(shí)，如果遇到回調(diào)，則依然按照順序添加進(jìn)入事件隊(duì)列，主線程依次往下執(zhí)行，遇到回調(diào)就添加，直至執(zhí)行完畢。Node.js是采用單線程異步非阻塞的模式，在進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)就是一個(gè)周期，在循環(huán)中會(huì)從事件隊(duì)列里查看是否有事件需要處理，如果有，就去除事件并執(zhí)行相關(guān)函數(shù)。對(duì)阻塞事件的處理任務(wù)來(lái)說(shuō)，在幕后使用線程池來(lái)確保工作正常運(yùn)行，不占用主循環(huán)流程。它使用了一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)、非阻塞式 I/O 的模型，異步編程，輕量又高效。

2 態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行收集、分析、處理和定位，再與地面控制終端數(shù)據(jù)通信，獲取的數(shù)據(jù)最終由地面終端完成可視化展示。如圖1所示，該系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面控制終端2個(gè)部分。其中，無(wú)人機(jī)平臺(tái)部分主要包括頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊；地面控制終端主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、飛控模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要工作流程如下：首先，由控制終端下達(dá)區(qū)域搜索指令，并預(yù)先規(guī)劃飛行軌跡。多臺(tái)無(wú)人機(jī)在接到搜索指令后開(kāi)始按照規(guī)劃軌跡對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析。其次，存儲(chǔ)該監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的可疑輻射的位置信息。最后，前往下一飛行位置點(diǎn)工作。如此循環(huán)往復(fù)，由多臺(tái)無(wú)人機(jī)協(xié)作完成區(qū)域輻射點(diǎn)位置信息的監(jiān)測(cè)工作。為保持電磁沉默，期間不與地面控制終端進(jìn)行通信，全程采用靜默航行的模式。在完成所有既定位置點(diǎn)的頻譜分析后，自動(dòng)返回出發(fā)點(diǎn)。在距離出發(fā)點(diǎn)500 m時(shí)可開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至控制終端。控制終端收集數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，篩除噪聲后，最終完成輻射源的態(tài)勢(shì)圖展示工作。

2.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)平臺(tái)最主要的功能是分析戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，其功能模塊主要有位置信息模塊、頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的功能模塊

其中，位置信息模塊主要用來(lái)獲取當(dāng)前機(jī)身位置信息并提供數(shù)據(jù)用于定位計(jì)算輻射源，除此之外，還要具備規(guī)劃監(jiān)測(cè)點(diǎn)的功能。頻譜分析模塊主要是根據(jù)預(yù)先設(shè)置的掃描模式和掃描頻段進(jìn)行針對(duì)性掃描。數(shù)據(jù)處理模塊則是在獲得輻射源信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)的角度信息和到達(dá)時(shí)間差并結(jié)合天線的方向信息測(cè)算具體的輻射源位置信息。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)接收任務(wù)信息并將處理后的數(shù)據(jù)打包傳送至地面控制系統(tǒng)。

2.3 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要包括航跡規(guī)劃子系統(tǒng)、任務(wù)管理子系統(tǒng)、態(tài)勢(shì)圖展示子系統(tǒng)以及用戶權(quán)限子系統(tǒng)等功能模塊，系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 邏輯架構(gòu)圖

其中，用戶層主要提供操作界面，操控人員通過(guò)計(jì)算機(jī)登錄系統(tǒng)。應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心，主要提供航跡規(guī)劃、態(tài)勢(shì)圖展示等子系統(tǒng)的訪問(wèn)接口。服務(wù)層主要包括權(quán)限管理、數(shù)據(jù)訪問(wèn)以及應(yīng)用服務(wù)等。數(shù)據(jù)層主要由存放任務(wù)下發(fā)流程的數(shù)據(jù)庫(kù)和航跡規(guī)劃等業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)以及用于存放輻射源的空間位置信息的數(shù)據(jù)庫(kù)組成。邏輯架構(gòu)的最底層是由數(shù)傳系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)層。

其主要工作流程如圖4所示。首先，在控制終端上進(jìn)行航跡規(guī)劃。其次，將偵查任務(wù)派發(fā)給不同的無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)完成偵查后，由控制終端收集偵查數(shù)據(jù)并進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)加工處理。最后，形成電磁環(huán)境的態(tài)勢(shì)感知。

圖4 工作流程

2.4 基于改進(jìn)K-均值聚類算法的態(tài)勢(shì)圖

通過(guò)將無(wú)人機(jī)獲取的各類輻射源數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)集，據(jù)此提出的態(tài)勢(shì)圖呈現(xiàn)算法是基于輻射源之間的間距進(jìn)行判斷并依托經(jīng)過(guò)改進(jìn)的K-均值聚類算法對(duì)多個(gè)輻射點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)聚類的，合并了同一區(qū)域多個(gè)距離過(guò)近的輻射源，從而提高輻射源坐標(biāo)的精度。具體算法流程如圖5所示。

圖5 算法流程

該文使用的重要指標(biāo)為輻射源之間的距離，該實(shí)際距離是根據(jù)輻射源的經(jīng)緯度進(jìn)行計(jì)算的，算法步驟如下：1）步驟1。將不同分類的輻射源經(jīng)緯度數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)集S。2） 步驟2。因?yàn)榻?jīng)緯度第三位小數(shù)的精度為百米級(jí)，所以取經(jīng)緯度的前三位對(duì)數(shù)據(jù)集S進(jìn)行初次分組。3） 步驟3。初始分組是取步驟2里分組數(shù)最大的一組，分組的數(shù)量作為偵查到的輻射源的數(shù)量，也即是算法中的K。4） 步驟4。對(duì)每個(gè)分組來(lái)說(shuō)，取數(shù)量最大的輻射源類型作為該分組的輻射源分類屬性（例如偵查結(jié)果判定該地為雷達(dá)站的數(shù)量最多，則該輻射源的類型就判定為雷達(dá)站），并設(shè)定對(duì)應(yīng)的閾值距離，通常設(shè)定信息中心為100 m，通信電臺(tái)為10 m，雷達(dá)站為30 m。再計(jì)算這個(gè)簇的幾何中心位置，計(jì)算完成后形成初始的聚類中心集合G0。5） 步驟5。分別計(jì)算每個(gè)輻射源與中所有聚類中心的實(shí)際距離，將實(shí)際距離除以該聚類中心的分類屬性的閾值距離，得到歸一化的權(quán)值距離。假設(shè)已知N個(gè)聚類中心，Mmin表示某個(gè)輻射源點(diǎn)與這N個(gè)聚類中心權(quán)值距離的最小值，如公式（1）所示。6） 步驟6。判斷Mmin是否大于1，如果是，那么計(jì)算流程跳轉(zhuǎn)步驟7；如果否，那么跳轉(zhuǎn)到步驟8。7） 步驟7。Mmin＞1，說(shuō)明該輻射源超出了所有聚類中心的閾值距離，算法判定其為獨(dú)立輻射源，不屬于已知的聚類，同時(shí)將該點(diǎn)作為獨(dú)立點(diǎn)加入集合S0。8） 步驟8。MMin<1，通過(guò)遍歷該輻射源的權(quán)值距離，取其最小值，將該輻射源歸入該最小值對(duì)應(yīng)的聚類中心，形成新的分組。在完成所有輻射源的權(quán)值距離計(jì)算后，將獲得了一個(gè)新的分組方案。9） 步驟9。針對(duì)上一步驟產(chǎn)生的方案，重新計(jì)算每個(gè)分組的中心位置，并將這些中心點(diǎn)形成T0集合。10） 步驟10。將獨(dú)立點(diǎn)的集合S0與步驟9的T0進(jìn)行合并處理，從而獲得新的聚類中心集合G1。11） 步驟11。如果新的集合G與上一次的集合相同，那么算法結(jié)束；如果不同，那么跳轉(zhuǎn)到步驟5，進(jìn)行新一輪的計(jì)算。

式中：Mi（i=1，2，…，N）為該輻射源到每個(gè)聚類中心的權(quán)值距離。

在算法計(jì)算結(jié)束后，各個(gè)分組方案的中心位置將作為最終確定的輻射源的位置。將處理前的輻射源點(diǎn)標(biāo)注在地圖上，如果這些初始點(diǎn)坐標(biāo)沒(méi)有與處理后的中心點(diǎn)重疊，則對(duì)中心點(diǎn)到原始點(diǎn)之間進(jìn)行漸變色處理。

2.5 試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)已知坐標(biāo)點(diǎn)的輻射源目標(biāo)進(jìn)行定位試驗(yàn)，得出以下3個(gè)結(jié)論：1） 對(duì)發(fā)射功率較大的輻射源定位效果較好，而對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)存在不足。2）通過(guò)聚類算法處理后的輻射源坐標(biāo)精度變高。3） 對(duì)不同航跡規(guī)劃定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，定位精度對(duì)航跡的變化依賴性很小，說(shuō)明該算法適合于不同的搜索航跡規(guī)劃以及不同的搜索時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

面向現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)軍事目標(biāo)的電磁特征識(shí)別以及精確定位軍事目標(biāo)位置的需求，該文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)偵察的輻射源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，以熱力圖的方式展示輻射源的類型和具體分布位置，為遠(yuǎn)程火力精確打擊提供依據(jù)。