多傳感器交叉提示技術若干問題

樊 浩， 黃樹彩， 韋道知， 高美鳳

(1.空軍工程大學防空反導學院，陜西 三原 713800; 2.中國人民解放軍93507部隊，石家莊 050207)

0 引言

多傳感器組網協同探測可以有效發揮不同傳感器的能力以增強對目標的探測、識別和跟蹤能力。其中，傳感器交叉提示是協同探測的一個重要方式。所謂一個傳感器對另一個傳感器的提示，就是當一個傳感器得到有關目標的估計信息后提示給另一個傳感器，被提示傳感器根據提示傳感器提供的提示信息迅速指向目標進行協同探測，為信息融合提供必需的數據。

本文在系統總結多傳感器交叉提示技術研究現狀的基礎上，詳細分析研究了多傳感器交叉提示的若干相關問題，對多傳感器交叉提示問題進行了有益的嘗試和探索，為更好地研究多傳感器協同技術奠定了基礎。

1 多傳感器交叉提示技術研究現狀

文獻［1］認為傳感器的提示是一個協作的處理過程，對共同的目標利用不同的傳感器獲取數據，即可利用一個傳感器的觀測或跟蹤數據使另一個傳感器指向目標，通過分析另一個傳感器的探測信息來確認獲取的目標和先前獲取的目標是同一目標。文獻［2］認為一個傳感器獲取的信息可能被另外的傳感器利用來達到更快的探測。以上對交叉提示的描述表明其可以增強探測預警的準確性和及時性。

文獻［3］認為傳感器提示就是當單個傳感器探測到目標后提示其他傳感器監視這個目標的區域，被動傳感器提示主動傳感器，以使主動傳感器在需要的時候開啟，低分辨率傳感器提示高分辨率傳感器，虛警率高的提示虛警率低的傳感器，以提供關于目標的高可靠信息。

文獻［4］把傳感器管理和傳感器提示聯系起來，認為傳感器管理不僅包括傳感器的控制還包括傳感器的提示，而且把傳感器提示定義為兩個形式:一是傳感器的交接，以確保大跨區目標平滑的轉換和跟蹤誤差的降低;二是通過另一個傳感器來協助進行目標額外或更詳細信息的獲取。

文獻［5］集中討論軍事監視環境下通過提示和交接協同地跟蹤目標，提出了基于整子(holon)控制結構對不同的傳感器資源進行管理，并指出提示和交接的兩種情形:同一平臺的傳感器之間以及不同平臺的傳感器之間的交接和提示。

文獻［6］認為在多傳感器多平臺系統中，把正確的傳感器在正確的時間分配給正確的目標的能力需要傳感器之間的交叉提示，同時這對于融合操作和優化資源配置是必須的。

文獻［7］研究了同地配置下ESM(電子支援措施)對2D雷達、3D雷達以及紅外傳感器(主要是IRST)對3D雷達的引導提示概率并對其進行了解析表達，討論了引導提示成功概率的性質。

文獻［8－9］研究了同一平面異地配置下ESM對2D雷達以及IRST對3D雷達的引導，推導了引導方程，分析了引導誤差，并對引導誤差和引導概率進行了仿真。

文獻［10 －11］利用多智能體(Multi－Agent，MA)理論研究了基于多智能體理論的分布式協同策略，較好地解決了傳感器網絡的協同目標跟蹤問題。多智能體之間通過協作協議來實現智能體之間的協同，使多個智能體的行為呈現一致性，從而實現整體目標。可以起到實現信息共享、統一協調傳感器探測行為、提高信息融合系統綜合效能的作用。其符合自動交叉提示的要求，用于交叉提示將會取得較好效果。

文獻［12］提出了一種基于MA協商的自動交叉提示技術，一個傳感器Agent感知到環境中的一個事件后，首先建立一個能夠響應這個事件的候選Agent聯合，然后與聯合中的Agent進行協商以實現任務的最佳執行，并采用一個多維、多步的協商策略，發起協商的Agent與響應Agent之間充分就傳感器完成協作任務的資源約束和時間約束進行協商，以期任務能在最合適的時間以最大的合成效用得以執行。

在科索沃戰爭中，美國空軍利用U2偵察機和“捕食者”無人機的交叉提示來精確定位目標。同樣在阿富汗戰爭中，“全球鷹”提示“捕食者”飛向可疑目標進行偵察。

交叉提示將在未來的情報、監視、偵察(ISR)系統的發展中占據中心的位置，其中很顯著的應用即美國空軍的目標導向和交叉提示系統［13］(Airborne Targeting and Cross－Cueing System，ATACCS)。該系統運用多傳感器交叉提示技術，允許系統用一個傳感器檢測目標，然后動態地重新分配任務給其他傳感器實時地收集額外的關于目標的信息;然后再利用成熟的ATC/R算法來確定目標的身份信息;最后，該系統將預處理大量的傳感器平臺上的數據，用地理位置的數據進行融合，通過數據鏈僅發送相關的信息給地面站。這不但能減少圖像分析者的工作量，而且還能減少數據鏈的負擔。

2003年5月8日～14日，美國陸軍利用裝備了戰術無人機雷達(TUAVR)的“獵犬”無人機進行了一系列作戰任務試驗，成功地演示了增強的偵察能力。演示的高潮是兩架“獵犬”執行作戰任務，一架裝有合成孔徑雷達(SAR)/活動目標指示器(MTI)，另一架裝有“獵犬”標準電光/紅外傳感器(EO/IR)有效載荷。操作員接受不到兩周時間的熟悉雷達訓練，便能夠使用SAR/MTI套接能力以及傳感器交叉提示技術縱覽探測整個目標區域。即利用TUAVR探測目標，并用EO/IR有效載荷確認識別它們。

文獻［14］給出了用MTI數據來增強無人機定位、跟蹤、分類和鑒別目標的能力，給出了兩個驗證方案:1)聯合監視目標攻擊雷達系統(JSTARS)和無人機(UAV)之間的交叉提示，接收衛星鏈下傳的JSTARS數據來提示“捕食者”UAV的地面控制站以快速地定位、跟蹤、分類移動的目標;2)無人機內部戰術增強合成孔徑雷達(TESAR)和EO/IR之間的交叉提示。

縱觀多傳感器交叉提示技術研究的現狀，只是片面描述了傳感器交叉提示的含義及在某一方面的應用，沒有給出其完整的定義，對交叉提示技術的其他相關問題研究甚少，且沒有進行全面梳理與研究。

2 傳感器交叉提示的概念

綜合現有文獻，將傳感器交叉提示定義為:當一個傳感器發現了潛在的目標時，會提示其他傳感器直接對該目標進行額外或更詳細信息的獲取，為信息融合提供必需的數據;同時又能夠在目標稍縱即逝的情況下，要求其他傳感器馬上對這個可疑目標進行觀測，以滿足時間上的緊迫信息需求，即進行目標交接;交叉指的是傳感器彼此之間互相提示，被提示的傳感器也可能是發送提示的傳感器，反之亦然。其中包括和哪個傳感器進行協作、協作時傳感器資源沖突的解決方法，即多傳感器交叉提示中的協作、協調機制以及協作的傳感器怎樣協商進行對任務的更好執行調度，即多傳感器交叉提示中的協商機制。

3 多傳感器交叉提示的地位及作用

3.1 多傳感器交叉提示地位

1)與傳感器管理的關系。

交叉提示技術和傳感器控制共同構成了傳感器管理的內容，傳感器交叉提示是傳感器管理系統的一個重要組成部分［4，15］。

2)與信息融合的關系。

信息融合是集中式的，它把所有傳感器發送來的信息進行融合得到一個較為精確的信息［16］，所需信息量大，處理耗時長。傳感器交叉提示是分散式的，在傳感器數據豐富的環境下，通過控制數據獲取過程有選擇地獲取傳感器的信息，僅收集和存儲那些真正需要的數據，從而使各傳感器避免過量的數據存儲和計算。

同時，傳感器交叉提示是更好地進行信息融合的技術基礎，構成了信息融合系統的反饋環節，彌補了信息融合的不足，提高了傳感器的利用率。由此看出，兩者是相反又互補的關系。

3)與傳感器指示交接的關系。

傳感器交叉提示強調交叉，提示是對等的，傳感器之間彼此互相提示，被提示者不必一定要對其做出響應，提示也可以分等級，等級越高的提示要求越快地響應，目的是更精確地探測、識別以及跟蹤目標等。傳感器指示交接是命令式的，被指示的要對其做出響應，目的是保證目標軌跡觀測的連續性。傳感器交叉提示廣義上也包含了傳感器的指示交接內容。

3.2 多傳感器交叉提示作用

1)交叉提示減少了融合所需的時間和資源，將很大程度上減少目標搜索分類時間并減少關聯/融合所必需的資源，同時降低了處理器的能力及通訊要求，提高了決策時間和數據融合系統的精度并增加態勢感知。

2)傳感器交叉提示優化了傳感器的覆蓋和傳感器平臺之間的信息流動，從而更有效地搜索，增強檢測效能。

3)傳感器在需要時被開啟，其余時刻處于休眠狀態，節省資源且提高資源利用率。

4)在出現稍縱即逝目標的情況下，要求其他傳感器能夠馬上對這個可疑目標進行觀測，以滿足時間上的緊急信息需求。

4 多傳感器交叉提示的條件及內容

傳感器交叉提示的條件描述了傳感器網絡在何時需要傳感器之間的提示，描述如下。

當傳感器網絡中的一個傳感器發現了潛在的目標時，傳感器(或融合中心)根據當前所獲取目標信息融合判斷:

1)是否達到融合中心預先設置的期望性能指標(包括期望的目標探測概率、正確識別概率以及跟蹤的精度等);

2)目標是否還在當前傳感器的探測、跟蹤范圍內，進而決定是否需要進行目標交接，其交接條件為①目標即將離開當前傳感器的跟蹤區域;② 另一個更高優先級的目標進入當前傳感器的可跟蹤區域，且當前傳感器同時只能探測跟蹤一個目標;③ 當前正在跟蹤目標的傳感器只有一個(例如雷達)，且由于某種原因(故障或受到反輻射導彈威脅必須關機)不能工作時，需要把目標交接給其他傳感器。

綜上，當信息量不足以達到期望的探測、識別、跟蹤性能指標以及需要目標交接時，傳感器之間需要交叉提示以獲取更多、更詳細的信息從而確認目標、提高正確識別率以及跟蹤精度。

滿足了交叉提示的條件，開始進行傳感器的提示。軍事上，自動交叉提示的內容是目標信息等內容，包含以下幾方面:

1)所執行的具體任務項(包括任務的類型，如探測、識別、跟蹤，開始、結束時間，所探測的信息種類及精度);

2)發送提示信息的傳感器平臺位置信息(經緯度、高度或在某坐標系中的位置等);

3)發送提示信息的傳感器所探測到的關于目標或可疑區域的信息(目標狀態或身份的粗略估計或可疑區域的大致范圍)。

5 多傳感器交叉提示技術需求

5.1 交叉提示技術對傳感器的要求

傳感器交叉提示對傳感器以及系統設計的要求可歸納為4個方面:

1)要求傳感器能夠實時、在線彼此交叉提示;

2)平臺設計要考慮到交叉提示軟件的代價，通信鏈路要便于交叉提示;

3)要考慮到傳感器的可獲得性，即目前的信息知識對于期望的行動所需的額外信息;

4)傳感器不僅要能作為探測系統獨立進行目標信息獲取，而且還要能成為“系統中的系統”，在作戰中心的指揮和控制下，通過通訊網絡與其他傳感器聯合進行目標信息的獲取，即要求傳感器具有一定的自主性。

綜上，根據現有文獻和技術發展可預測實現多傳感器交叉提示最佳的方式就是多智能體技術(Multi－Agent Technology，MAT)［17］，它也將成為交叉提示技術的發展趨勢，即把探測網中的傳感器看作一個智能體(Agent)，單個傳感器Agent可以單獨執行任務，也可以和其他傳感器Agent組成多Agent系統協作共同完成任務，以解決單個Agent不能解決的復雜問題，體現了傳感器的自主性和協作性。把MAT應用于傳感器的交叉提示中，必然對傳感器管理結構以及其作為反饋環節組成的信息融合系統結構提出了新要求，所以應首先基于MAT來構建傳感器網絡中的多傳感器協作管理結構以及多傳感器交叉提示的信息融合結構。

5.2 基于MAT的多傳感器協作管理結構

從地理位置上看，傳感器在戰場空間的分布兼具“集中性”和“分散性”，“集中性”是指傳感器都是以作戰平臺為載體相對集中分布，且受本平臺的控制和管理;“分散性”指傳感器分布在陸海空天的立體空間中，占據的總體空間范圍大，通過戰術信息網連接而構成龐大的傳感器立體探測網［18］。基于MAT構建的具有多傳感器交叉提示功能的傳感器協作管理結構如圖1所示。

圖1 基于MAT的多傳感器協作管理結構Fig.1 Configuration map of multi－sensor cooperation management based on MAT

這里對作戰平臺采用兩類Agent:傳感器管理Agent和成員Agent。傳感器管理Agent一般由作戰平臺的指揮控制系統擔任，它有雙重職能:1)根據指揮控制融合中心傳感器管理的任務與其他平臺的傳感器管理Agent進行交互，實現作戰平臺之間的任務協同和交叉提示;2)對平臺內的傳感器成員進行管理，即將平臺作戰任務進行分解，分配給本平臺內的個體傳感器成員，并對其任務執行過程進行監控，以及擔當不同平臺個體傳感器進行通訊協作的“橋梁”。成員Agent可以是單個傳感器，也可以是傳感器的組合，負責執行傳感器管理Agent分配的任務，它們之間也可以通過通信和協調實現作戰平臺內的任務協同和交叉提示。

5.3 基于MAT的交叉提示信息融合結構

多傳感器交叉提示的目的是為了更好地進行信息融合，是構成信息融合體系的重要反饋環節。一方面，信息融合中心可對各傳感器獲取的以及其自身的狀態信息進行分析、處理與融合，從而產生融合結果，確定所需執行的目標任務;另一方面，融合中心得出的關于任務的完成情況、還需執行的任務等可以作為驅動多傳感器交叉提示的依據。MAT較好地滿足了構建具有交叉提示功能多傳感器信息融合系統的需求，結合以上所提出的基于MAT的多傳感器協作管理結構，構造基于MAT的多傳感器交叉提示信息融合結構，如圖2 所示［19－21］。

圖2 基于MAT的交叉提示信息融合結構Fig.2 Configuration of information fusion with cross－cueing based on MAT

其中各Agent的功能及其運行機制如下。

1)平臺融合Agent。

①從全局融合Agent獲取各平臺傳感器Agent的地理位置、狀態、能力等信息;

②各平臺融合Agent將下轄的各傳感器的情況和能力(傳感器工作是否正常、傳感器的最大跟蹤能力、最大跟蹤距離、跟蹤精度等)等信息提交給傳感器管理Agent;

③對各傳感器Agent發送來的所有相關信息進行融合并進行局部態勢和威脅估計;

④根據傳感器管理Agent的需求，把融合后的目標估計信息作為傳感器管理Agent優化傳感器管理策略的依據;

⑤根據傳感器管理Agent的分配任務(傳感器目標配對)對特定的傳感器組合的數據使用適當的融合策略進行融合估計;

⑥接受傳感器Agent的請求，為傳感器Agent提供其他傳感器Agent的行為策略、其他相關資源以及融合結果。

2)全局融合Agent。

①存儲以及實時更新各平臺傳感器Agent的地理位置、狀態、能力等信息，相當于一個傳感器性能、配置知識庫;

②對各平臺融合Agent發送來的所有相關信息進行數據融合，并進行態勢和威脅估計以及產生、分配相應的目標任務;

③對系統任務的性能指標以及是否需要目標交接進行監控，以便確認所要求的總體性能指標是否達到和保證目標盡可能連續“可見”。

3)傳感器管理Agent。

①接收傳感器Agent不能完成的任務或需要協作完成的任務以及協作的提示請求信息;

②根據協作任務的請求獲取平臺下傳感器Agent執行任務的現狀和能力，并提供給發出協作的傳感器Agent;

③根據平臺/全局融合Agent的態勢、威脅估計和信息需求確定下一個管理周期需要執行的任務清單(包括任務優先級和性能指標)，并對管理員根據戰術需求輸入的任務以及傳感器Agent提出的請求任務進行管理并把任務傳遞給傳感器平臺下的單個傳感器。

4)傳感器Agent。

傳感器Agent的內部結構如圖2所示，它進行任務規劃與目標信息獲取，并將測量數據傳送給平臺融合Agent。

①任務規劃層根據平臺/全局融合Agent、其他傳感器Agent發送來的信息、傳感器管理Agent分配的任務和其優先級以及自身的能力狀態確定在下一個傳感器管理周期各傳感器需完成的任務集及如何對其任務執行進行調度;

②通訊層通過規劃層可了解傳感器Agent完成任務的狀態和能力，只有那些能被該傳感器Agent完成的任務(或把該任務分解成若干個子任務，把可以執行的子任務交由此傳感器Agent來執行)才被傳送到規劃層，如果某些任務無法執行，通訊層將確定應該由其他傳感器Agent協作執行的任務，或者將結果通知給其他傳感器Agent;

③Agent內部規劃層和執行層之間的信息傳送由通訊層負責，它發送其不能完成的任務/分解后的子任務(需要協作完成的任務)以及協作的請求提示信息，也接收來自本平臺或其他平臺傳感器Agent以及融合中心的任務執行請求、通知、提示或結果信息，同時該層也支持分布式決策中的協商過程，根據傳感器Agent中的任務安排協商以怎樣的調度形式完成提示的任務，最后確定下一個管理周期內所要執行的傳感器任務及其優先級;

④任務執行層的功能取決于傳感器的類型及其完成傳感器任務的能力。

5)傳感器控制Agent。

與傳感器實體綁定，用來直接驅動或控制所對應的資源，負責把傳感器任務協商方案轉換為傳感器可執行的命令，同時還完成傳感器的模式、參數選擇等具體操作。

6 基于任務驅動的多傳感器交叉提示過程

傳感器交叉提示本質上是根據當前的信息，對于期望的行動獲取額外信息或執行其他操作的過程。其中期望的行動就是系統所要執行的任務，當前的信息就是當前所獲取的關于目標信息以及態勢、威脅評估結果，所需的額外信息就是提示其他傳感器獲取額外的或更精確的目標信息，最后信息融合中心通過融合多個傳感器獲取的目標信息來完成系統所要執行的任務。任務的產生、執行驅動著交叉提示過程的完成，并貫穿于多傳感器交叉提示過程的始終。基于任務驅動的多傳感器交叉提示過程的示意圖如圖3所示。

圖3 基于任務驅動的多傳感器交叉提示過程示意圖Fig.3 Sketch map of multi－sensor cross－cueing course based on task driving

首先，平臺融合中心根據發現目標的傳感器節點獲得的關于目標身份和狀態的粗略估計信息，全局融合中心預先存儲的或實時偵察到的戰場動態變化的傳感器配置、位置、性能知識、態勢、威脅評估結果，以及所要完成的目標任務性能等信息確定當前時刻的所需執行的任務，并根據相關信息將其分成兩種:1)平臺融合中心確定的或全局融合中心分配的，只需某個傳感器就能夠獨立完成而不需要協作執行的任務或只能由某個傳感器執行的任務，同時找出只能被某個傳感器執行的，以及可以單獨完成該任務的傳感器集合;2)需要和其他傳感器協作執行的目標任務，或把協作任務按照一定的原則、策略進行分解后需由其他傳感器節點執行的子任務，同時為每個協作任務確定一個將能夠執行這些任務的傳感器集合。

其次，需要協作完成某些任務的傳感器直接(當距離較遠時通過融合中心)給當前時刻某協作任務所確定的傳感器集合中的所有傳感器發送提示信息(任務或分解后的任務及相關信息)，接收提示信息的傳感器根據自己的性能、執行任務的情況，預測響應提示后協作執行任務的效益，隨后發送提示信息的傳感器根據某種協作、協調機制(當需要協作的傳感器資源沖突時的解決方法)確定需要和集合中的哪個/些傳感器進行協作，即解決任務提示給誰的問題，隨即協作的傳感器進行響應，其他傳感器則不響應協作。

再次，發送提示信息的傳感器和確定需要協作執行某些任務的傳感器，依據某種協商機制就任務在發送提示信息的傳感器和響應提示信息的傳感器之間進行協商，即發送提示信息的傳感器和響應提示信息的傳感器根據自己的任務安排進行協作任務的調度，以解決任務怎樣協作執行的問題，隨即控制傳感器的模式、工作參數、任務安排進行任務的執行。

最后，各傳感器把獲取的傳感器報告發送給融合中心進行融合，計算是否滿足任務要求的性能指標以及目標是否需要交接，當不滿足時，繼續產生任務和協作的傳感器集合進行任務的協商、協作，此過程是一個多次循環的提示過程，直到滿足下列條件之一時不再進行提示協作:1)達到任務時限要求;2)達到要求的性能指標;3)沒有可以協作的傳感器資源;4)目標任務完成的性能不再提高。該過程只需和相關的傳感器資源進行協作，不需要所有傳感器的觀測數據，減少信息的處理量，同時降低處理器的能力及通訊要求，使傳感器資源得到充分利用。

7 結束語

多傳感器交叉提示技術是多傳感器協同的重要內容，本文對其若干問題進行了分析與研究，并利用多智能體技術對交叉提示技術進行了初步研究，交叉提示技術隨著智能體技術的不斷發展必將獲得很大的發展，同時，傳感器智能化水平的不斷提高也支撐著交叉提示技術更快更好地應用于實際，所以應瞄準多智能體技術在多傳感器交叉提示技術中的應用。下一步還應研究多傳感器交叉提示技術應用于目標探測、識別以及跟蹤的數學模型，并進行實例仿真。

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