中国指挥与控制学会会刊 
机载多机协同背景下的复合跟踪是为了完成态势感知任务,利用计算机技术对获得的若干传感器观测信息,在一定的准则下加以组合分析、复合处理的过程。本质上,它是一种能将多种来源的观测数据进行有机综合、自动分析的特殊算法,能够形成对环境的综合感知,从而提供更全面精确的态势感知能力[1]。
多机协同复合跟踪技术具有反隐身能力强、抗干扰鲁棒性强等优势,是战斗机群提高态势感知能力获取对抗优势的重要方面,因而,受到国内外学者及研究机构的广泛关注[2]。
多机协同复合跟踪技术在国外起步早,发展快速且日趋成熟,尤其是美国已经将其推广至新型战斗机F-35的综合任务系统中[3],F-35所采用的多机协同复合跟踪框架技术代表了该领域的国际领先水平。
F-35拥有多种传感器组件,能够提供比传统飞机更多、更精确的目标航迹信息,如果依靠传统融合方式进行传感器和数据链复合跟踪关联,在当前信息化作战环境下,不仅容易使飞行员因接收信息过多而易陷入混乱,而且还会严重降低F-35的作战能力。对此,F-35项目开发了一种新形式的多机协同复合跟踪机制来保障飞行员对作战环境态势的感知,如图1 所示,这种新形式的复合跟踪机制采用闭环式的多传感器复合跟踪,在这种跟踪框架下,随着新成员传感器的动态关联和不同机外数据的动态丰富,整个多机协同复合跟踪系统将具有更好的延展性、功能性和通用性,综合态势感知能力得到有效提升。
多机协同复合跟踪技术在国内尚处于理论研究的初级阶段,相对于欧美等发达国家起步较晚,没有足够的工程背景及试验数据支撑,导致相关技术储备及关联工程经验匮乏。多机协同复合跟踪理论研究[4⇓⇓-7]主要包括时空网格锁定、多源异质量测融合跟踪、数据质量及算法性能在线评估、多传感器资源自主管控等四个技术方向,而多机协同跟踪框架则是将上述四个技术方向有机结合、综合应用、形成多机协同复合跟踪系统的过程,是多机协同复合跟踪的纲领性研究方向,当前机载多平台融合框架研究主要集中在集中式、分布式和混合式三个方向。
本文主要针对多机协同背景下的战斗机群雷达/红外多机协同复合跟踪机制问题,展开框架研究,提出一种新型战斗机群集中式复合跟踪通用架构。首先,介绍了所提多机协同复合跟踪通用架构的设计原理;然后,根据机群数据链通信能力强弱,基于上述通用架构分别设计了面向数据链通信能力不受限的对等集中式和面向数据链通信能力受限的动态主从集中式两种衍生架构,并详细分析了其性能特点;然后,从海上反隐身制空作战、海上广域监视与对海火力打击和低空掠海目标拦截等三个典型作战场景出发,根据两种衍生架构优势特点给出选择建议;最后,对所提通用架构进行总结和展望。
1 基本原理
典型的融合框架主要包括集中式多平台雷达融合跟踪框架、分布式多平台雷达融合跟踪框架等。结合上述典型架构的特点,本文设计了一种通用的、可扩展的闭环战斗机群雷达/红外(IRST系统)多机协同复合跟踪框架,如图2 所示,所提框架主要包括数据预处理、网格锁定、数据关联、系统复合跟踪、性能评估和数据通信等六个模块。该架构的特点在于:
1)处理多传感器测量级数据而非传感器跟踪信息,测量级处理可以较早发现环境中难以探测的目标,通过处理测量级数据,即便目标脱离当前传感器的视野,也能通过其他传感器协同共享的测量信息,获取该目标的感知信息;
2)多传感器能够充分发挥各类优势,互为补充;
3)适用性强,能够结合作战场景及现有装备平台合理使用,具有技术与战术融合的显著特点;
4)可扩展性强,一是平台数量可扩展,二是传感器种类可扩展。
实际上,根据数据链通信能力,上述机群复合跟踪框架可衍生出对等式和动态主从式两种。通信能力足够时,机群成员互为长机,各长机复合跟踪架构相互对等,对等式架构数据流图,基于上述通用架构形成战斗机群雷达/红外复合跟踪对等式集中框架;通信能力不足时,机群成员可根据作战需要动态组成主从式长僚机,长机复合跟踪框架与对等式基本架构一致,区别在于僚机复合跟踪时只接收长机航迹信息,不再接收其他僚机平台的传感器信息,此时,基于上述架构形成战斗机群雷达/红外复合跟踪动态主从集中式框架。
1.1 战斗机雷达/红外复合跟踪对等式集中架构
对等式测量融合结构是集中式结构向传感器/信源级全局对等集中分布的扩展。在对等式测量融合结构中,各融合节点所获取的目标测量信息是完全相同的,从而各节点融合输出的战场目标和态势信息也是相同的,其数据流如图3 所示,从这个意义上讲,各节点在信息和功能上是对等的,各节点可相互替代,因此,对等式测量融合结构也称为无中心结构。在实际的作战活动中,不可能是无中心的,如各节点组网管理、节点入网和接入、节点之间的协同控制等均须确定一个中心。在这种情况下,对等式测量融合结构的每一个融合节点都可以作为组网中心。
对等式测量融合结构的诸节点在每个采样周期内能生成相同的感知态势,因此,无须相互传输融合结果,即能实现各节点的态势统一。
对等式测量融合结构要求网络通信资源较大,通信速率通常要达数十兆,以实现在距离上的信息传输容量、时间延误和可靠性等方面达到同等水平。
战斗机群全体各长机成员通过以下过程完成复合跟踪:
1)通过网格锁定模块对多平台异类传感器的信息进行时空配准,为后续的测量级数据融合奠定基础;
2)通过评估模块对配准后的数据质量进行评估,并作为后续序贯滤波算法中权值分配的依据;
3)通过多平台异类传感器数据融合跟踪模块进行多平台变维度测量值自适应数据关联,主要是将所有的量测数据与现有的稳定航迹进行关联;
4)对关联上的量测和未关联上的量测分别进行处理,针对关联上的量测进行基于数据质量的滤波融合处理,更新现有的航迹;
5)针对未关联上的量测进行快速航迹起始处理,为建立新的复合航迹奠定基础;
6)对融合航迹进行在线性能评估。
该架构具有以下优点:
1) 灵活多变,抗毁性能强;
2) 可以实现点迹级融合;
3) 可扩展性强,平台数量可扩展,传感器种类可扩展;
4) 可以实现态势的实时全局共享。
该架构的局限性为:
1) 对数据链的要求很高;
2) 存在态势不统一的风险,需要做好一致性处理。
在数据链能力满足要求的前提下,该架构适用于任何场景。
1.2 战斗机雷达/红外复合跟踪动态主从集中式架构
战斗机群各长机成员,完成复合跟踪过程与对等式完成过程一致,主从式架构数据流向示意图如图4 所示,动态主从架构重组示意图如图5 所示,各僚机成员完成复合跟踪过程如下。
1)通过网格锁定模块对长机提供的传感器航迹信息进行时空配准,为后续的航迹级融合奠定基础;
2)通过评估模块对数据质量进行评估,作为后续序贯滤波算法中权值分配的依据;
3)通过数据关联模块进行变维度测量值自适应数据关联,主要是将所有的量测数据与现有的稳定航迹进行关联,同时,利用长机提供的传感器航迹信息进行关联;
4)对关联上的量测和未关联上的量测分别进行处理,针对关联上的量测进行基于数据质量的滤波融合处理,更新现有的航迹,对关联上的长机航迹信息进行航迹复合,更新现有航迹;
5)针对未关联上的量测进行快速航迹起始处理,为建立新的复合航迹奠定基础;
6)对融合航迹进行在线性能评估。
该架构具有以下优点:
1) 灵活多变,抗毁性能强,能够适应通信受阻的情况;
2) 相较于对等式架构来说,对数据链的要求低一些;
3) 同样可以实现测量级融合;
4) 可扩展性强。
该架构的局限性:可以实现态势的全局共享,但是相较于对等式来说可能存在一定的滞后性。
该架构的适用场景:通信受阻对态势一致性要求较高的场景。
1.3 两种集中式架构对比分析
对等式和动态主从式两种集中式架构的优缺点对比分析如表1 所示。
表1 架构优缺点对比分析表 |
| 特性 | 类型 | |
|---|---|---|
| 对等式 | 动态主从式 | |
| 抗毁性 | 较好 | 好 |
| 通信量 | 较大 | 大 |
| 态势共享实时性 | 态势实时共享 | 态势共享存在一定的滞后 |
| 态势共享一致性 | 存在态势不一致的风险 | 态势一致 |
| 管控能力 | 一般 | 强 |
| 决策实时性 | 一般 | 高 |
| 架构实现难易程度 | 简单 | 较难 |
2 基于作战场景的复合跟踪架构选择分析
舰载战斗机群为母舰提供海上侦察监视,获取远距空中目标态势信息,为母舰提供海上空情情报数据。针对来袭空中目标威胁,为保障我军舰船编队安全,在母舰指挥下舰载战斗机群需要应对以下三种典型作战场景:多机海上分布式反隐身制空作战、海上广域监视与对海火力打击作战、低空掠海目标拦截等。以下基于上述作战场景分别作复合跟踪框架选择分析。
1)海上反隐身制空作战场景
场景描述:海上反隐身制空作战时,我方预警系统发现某区域存在疑似敌方隐身战机目标,派出战斗机群突前拦截,机载雷达进行对中低空、高空目标搜索及辅助目标识别,重点针对威胁等级较高的隐身飞机进行跟踪、识别、火控攻击等。海上反隐身制空作战场景如图6 所示。
2)海上广域监视与对海火力打击场景
场景描述:海上广域监视与对海火力打击时,战斗机群突前母舰前方,机载雷达进行对海探测、对空探测及辅助目标识别,重点针对海面舰船目标进行跟踪与识别。海上广域监视与对海火力打击作战场景如图7 所示。
3)低空掠海目标拦截场景
场景描述:战斗机群为母舰提供海上侦察监视,获取低空掠海目标态势信息,在母舰指挥下完成多机拦截,保障我军舰船编队安全。战斗机群突前母舰前方,机载雷达/红外协同进行探测,快速对低空掠海目标建立稳定跟踪。低空掠海目标拦截作战场景如图8 所示。
基于上述三种典型作战场景对各类因素的需求进行分析,典型作战场景架构选择依据如表2 所示。
表2 典型作战场景架构选择依据表 |
| 海上反隐身制空作战 | 海上广域监视与对海火力打击 | 低空掠海目标拦截 | |
|---|---|---|---|
| 抗毁性 | ▲▲▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ |
| 数据链 | ▲▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ |
| 管控能力 | ▲▲▲▲▲ | ▲▲ | ▲▲▲▲▲ |
| 决策实时性 | ▲▲▲▲ | ▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ |
| 态势更新实时性 | ▲▲▲▲▲ | ▲▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ |
| 态势一致性 | ▲▲▲▲▲ | ▲▲▲ | ▲▲▲▲▲ |
| 架构选择 | 动态主从式 | 对等式 | 搜索阶段:对等式 拦截阶段:动态主从式 |
1)海上反隐身制空作战场景
对于系统抗毁性的要求比较高,这是由于多平台反隐身本身就利用了空间分集的优势,如果系统的抗毁性能差,平台之间无法协同,反隐身能力也会大幅度下降;
对于数据链的要求高,这是由于在该作战场景下存在对海探测的过程,由于海面目标数量大,且存在SAR图像的传输,传输的数据量大;
对于管控能力的要求高,由于反隐身作战过程中对平台的协同能力要求较高,因此,需要有较强的管控能力作为数据融合的基础;
对于决策实时性要求高,这是由于空中目标速度快、机动能力强,因此,在作战过程中,决策速度必须要快;
对于态势更新实时性要求较高,由于实时决策是以实时的全局态势为基础的(动态主从式中的长机上的态势更新实时性是可以满足要求的);
对于态势一致性要求高,这是因为系统在进行管控和决策的过程中,当前态势是重要的依据,如果网络中存在多个决策中心,而各个决策中心的态势存在不一致性,此时各决策中心做出的决策必然会存在偏差,从而影响整体的作战效能,尤其是针对反隐身作战来说,对系统决策和管控要求极高的情况下更需要保持态势的一致性。
基于上述分析及表2 可知,该场景的典型特征和要求是数据链通信可能受阻及对态势一致性要求非常高,而在数据链通信受阻情况下,动态主从式架构的态势一致性优于对等式架构,因此,动态主从式架构更能满足海上反隐身作战场景对复合跟踪框架的要求。
2)海上广域监视与对海火力打击场景
对于系统抗毁性的要求比较高,这是由于海上广域监视同样需要利用多平台空间分集的优势,如果系统的抗毁性能差,平台之间的数据无法有效融合,也就无法实现广域监视;
对于数据链的要求高,在该作战场景下以对海探测为主,由于海面目标数量大,且存在SAR图像的传输,传输的数据量大;
对于管控能力的要求不高,这是由于广域监视以及对海打击虽然需要以数据融合为基础,但是对于平台之间协同的要求不高;
对于决策实时性要求不高,这是由于海上目标运动速度慢,态势变化也较慢;
对于态势更新实时性要求不高,同样是因为海上目标运动速度慢,态势变化也较慢;
对于态势一致性要求一般,这是由于广域监视和对海打击场景下,态势变化慢且对协同管控和决策的要求也不高。
基于上述分析及表2 可知,海上广域监视与对海火力打击场景的典型特征是数据链通信足够,且对管控能力及态势一致性要求不高,而此种情况下,对等式架构比主从式架构简单,且更容易实现,因此,从性价比及实现简单的角度考虑,对等式架构更适合海上广域监视与对海火力打击场景。
3)低空掠海目标拦截场景
对于系统抗毁性的要求高,在该作战场景下,距离维采用多平台前突不同基线进行组合防御,要求不同平台对低空掠海目标的探测威力重叠区域进行协同探测及融合;
对于数据链的要求高,在该作战场景中的探测对象主要是低空掠海目标,在探测过程中同样会探测到大量的海面目标,传输的数据量大;
对于管控能力的要求需要分阶段考虑:前期在发现目标的过程中,对管控能力的要求较低,后期锁定目标需要进行协同拦截时,对平台的协同能力要求高;
对于决策实时性要求同样需要分阶段考虑:前期,在搜索目标的过程中,对决策实时性要求较低,后期锁定目标需要进行协同拦截时,对决策实时性要求高;
对于态势更新实时性要求较高,由于低空掠海目标速度快,因此,需要实时的态势更新能力。
基于上述分析及表2 可知,两种衍生架构中的任何一种对低空掠海目标拦截场景都不是完全适用的,故不妨将上述场景分成前后两个阶段:1)前期搜索阶段,场景的典型特征为数据链通信足够,对态势一致性要求不高,因而,建议采用架构实现简单的对等式架构;2)后期拦截阶段,场景的典型特征是数据链通信大概率受阻,且对态势一致性要求非常高,而动态主从式架构的态势一致性优于对等式,因此,为了保障拦截任务的有效执行,建议选择动态主从式架构。
3 结束语
战斗机群多机协同复合跟踪通过整合机载和机外数据源信息,开展数据关联、状态估计,利用数据链,打通机群成员之间的实时数据共享,引入雷达/红外自主传感器管理,实现跟踪、关联、共享和协同自动化处理。而本文研究的复合跟踪集中式通用框架技术及其使用方法,可以更好地实现多机协同复合跟踪技术与战术任务的紧密结合,从而为飞行员提供更全面完整的战场态势、更高精度的目标运动状态和更强的作战环境变化反应能力,使飞行员回归战术家角色,提升战斗机群网络化协同作战能力。