基于全分布式處理的統一態勢生成技術研究

梁　健，陳晧暉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.總參陸航部裝備發展辦公室，北京 100012)

?

基于全分布式處理的統一態勢生成技術研究

梁健1，陳晧暉2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.總參陸航部裝備發展辦公室，北京 100012)

摘要戰場信息共享作為聯合作戰指揮的必要前提，發揮著極其重要的作用。簡要介紹了統一態勢的軍事需求，分析了傳統處理方法的不足，提出了統一態勢實現的關鍵技術，即全分布式信息融合、統一態勢標繪和統一情報分發數據鏈，并結合工程經驗，分析了工程應用中的具體問題和解決方法。通過一個指控系統設計，介紹了全分布式統一態勢生成技術的實際應用。

關鍵詞統一態勢；信息融合；態勢標繪；全分布式處理

0引言

態勢是指戰場空間中兵力分布和戰場環境的當前狀態及發展變化趨勢[1]。隨著“網絡中心戰”概念的提出和近幾場局部戰爭的實踐，統一態勢成為多軍兵種聯合或合同作戰指揮的“核心”，是指揮員統攬全局、知己知彼的保證。通過戰場信息共享，確定統一敵情、我情，使得不受地點約束，聯指及軍兵種指揮員能夠看到的和理解的是一致的戰場態勢，包括作戰目標的地理位置、身份信息、屬性特征和友鄰協同作戰部隊的狀態等以及可能的發展變化趨勢，這樣才能保證聯合作戰資源合理分配、無縫指揮交接及準確的任務協同，還能夠避免友軍之間相互干擾和誤傷。傳統的集中式或傳感器級處理結構為多源信息最終聚集到一個中心進行處理，已經不適應網絡環境下多節點信息交互、功能協同的要求。本文分析了基于全分布式處理的統一態勢生成技術，相對傳統處理方式具有分散處理壓力、信息共享快、航跡質量好和可靠性高等優點。

1分布式多源融合技術

戰場信息實現共享，并不是簡單的信息疊加，必須通過數據融合形成統一態勢。要實現陸海空天電彼此間不同屬性的信息匯集、去除矛盾、相互印證，彌補單一來源、單一平臺情報信息的不完整、不精確和不確定，最大限度地運用已掌握的信息，提高情報信息的質量和識別準確度，其核心技術是多源、多平臺、異構信源的情報信息融合。

1.1數據融合系統結構模式

典型多源融合系統有以下幾種結構：

① 集中式方法或“中心級融合”方法[2-4]。如圖1所示，融合系統中各源只獲取檢測信息，將分布式網絡上各傳感器跟蹤數據全部送到中心處理器，在那里只保持一個主軌跡文件，這條軌跡不斷由各個源的數據更新。

此類系統的優點是信息損失小，集中處理、錯誤關聯的機會低，可以產生更高質量的軌跡和更精密的跟蹤。但這樣傳送的數據量大，要求通信容量大、成本高，同時要求中心處理器有較強的計算能力。這種方法的可靠性不高，因為中心的單個處理器成為系統性能的關鍵。

圖1　中心級處理

② 分布式或傳感器級跟蹤。如圖 2所示，融合系統中各傳感器不僅獲取檢測信息，同時每個傳感器跟蹤所得到的觀測數據形成它自己的軌跡文件，然后將這些本地的軌跡送到中心處理器，在那里進行軌跡與軌跡的融合，最后形成一個中心的軌跡文件。

圖2　傳感器級跟蹤

此類系統的優點是通信開銷很小，但信息損失相對大。這種方法的優點是分散了計算負擔，大大降低了融合中心的計算負擔[5]，又因為傳送傳感器級軌跡的頻率要低得多，所以通信負擔也降低了。這種分級式跟蹤提高了系統的生存能力，一個傳感器出問題，對其他傳感器軌跡影響不大。但是融合處理中心對于多源情報匯集處理難度壓力仍然較大，系統用戶對于融合處理中心依賴嚴重。

1.2全分布式數據融合技術

在聯合合同作戰中，統一態勢是基礎，多源信息融合由參與系統的各處理節點分布處理、共同完成[6]。它不同于傳統的集中式處理和分級式的分布式或傳感器級數據處理方法，實現了融合網絡中諸節點之間在信息和功能上的完全相互支撐[7]。它要求網絡中各節點必須嚴格執行協調一致的目標報告職責和統一的航跡處理規則來實現，其結構如圖3所示。參與用戶“各獻所知，各取所需”，通過分布式處理，完成本級發現目標與全網目標的融合。此結構有如下優點：分散了集中處理的計算壓力和網絡傳輸壓力，保證了態勢信息的實時性；分布各節點融合策略一致性，保證了航跡處理質量；系統用戶對態勢的獲取不依賴于唯一的處理中心，提高了系統的可靠性。

圖3　全分布式融合處理

1.3分布節點的融合處理策略

1.3.1報告職責

報告責任用來保證網絡上報告的目標航跡只來自于擁有最優目標位置數據的單元，報告職責由首先發現或起始航跡的節點啟動，并遵循統一編批原則，應從系統統一分配給該節點的目標編識號段中為目標航跡指定標識。如果某節點持有的本地航跡質量比從網絡上收到的其他來源航跡質量高，則該節點承擔公共航跡報告職責，如果某節點持有本地航跡但是持續一段時間未收到統一航跡報告，則該節點也承擔統一航跡報告職責。

本級節點應該僅把自己具有報告職責的目標(即本地傳感器發現的目標)分發參與全網統一航跡生成，不應隨意向網絡分發不是自己發現的目標航跡，一方面可能會因為與其他來源報告冗余增加節點融合處理工作量，一方面節點融合處理統批再返回也會增加本級節點信息處理量。

采用報告節點的編號來標識網絡上目標航跡的數據來源。對于動態航跡，時空對準是必須的，因此航跡點跡報告應帶有時間戳，可以使用絕對時間或相對時間，前提是全系統進行校時。具有報告職責的節點應提供數據源的可靠性、探測精度信息，或者報告航跡質量，目的是為該航跡的使用部門在進行武器參數裝訂時提供參考。

關于數據校準，可通過如下3種方法：

① 地理位置校準。通過定位設備或相對導航定位方法確定本級節點自身的精確位置，并進行周期性調整[8]。

② 本地傳感器校準。周期監視遠端單元，通過比較合作目標報告的遠端單元位置和本地傳感器探測得到的遠端單元位置，計算出校正變量，并將計算出的這些校正變量加到本地傳感器的數據上，用于補償傳感器的校準差；另外傳感器注冊也可以通過比較遠端單元報告的遠端優質航跡和本地傳感器獲得的數據進行。

③遠端網絡參與單元誤差。通過比較從某個選定的遠端參與單元收到的遠端航跡和本地數據，確定誤差修正值，然后利用修正值修正該遠端傳感器誤差，從而修正自該參與單元收到的目標航跡位置數據。

1.3.2統一標識原則

在信息傳輸處理過程中，應對目標進行唯一識別編號。為避免目標編號沖突，各節點應劃分號段使用目標編號。

每個節點應確保不使用相同的編號報告2個不同的目標航跡，不分配多個編號給同一個航跡。各節點還可以建立自己的標準，用于航跡初始化、編號分配及批號與目標編號的關聯映射處理，并使用編號在網絡上進行報告。具有報告職責的節點應負責對編號進行說明，一旦分配某個編號用于報告戰術信息，不管是哪個節點報告的，只要該航跡的數據在網絡中報告，該編號將一直與該航跡的數據相關聯。節點應從劃分給自己的號段中，按順序分配使用可用的編號。當目標消失后應及時釋放占用的編號，以保證本節點編號達到最大允許值后再次利用。

1.3.3航跡一致性原則

航跡一致性原則包括：

① 合作目標飛行航跡報告與監視目標航跡關聯綜合。由于合作目標運動航跡也會被我方傳感器(本地傳感器和遠方傳感器)發現，會造成目標主動報告與傳感器報告的冗余，因此需要進行航跡關聯去重。關聯成功后應保留唯一目標航跡號以去除網絡上冗余航跡信息，并將航跡信息保存到本地航跡記錄中。

② 本級報告的監視目標與統一態勢目標關聯綜合。 本地傳感器發現的目標與統一發布態勢目標進行融合，與統一態勢相關的目標不在網絡進行報告，同時記錄其關聯關系，維護批號對照表；不相關目標統一編批后再進行網絡分發；同樣記錄本地編號與統一態勢批號對照關系。

③ 統一態勢與本地其他來源態勢融合。本級節點接收網絡分發的統一態勢目標后，與本地其他來源綜合情報進行航跡融合(可按本地編批規則編批)，識別其關聯關系，如本級綜合航跡與全網統一航跡相關則通知本級各應用部位，在目標標牌顯示中增加顯示統一目標編號。

各分布節點應及時將目標航跡相關信息進行交互以減少全網信息報告的冗余。

1.3.4航跡統一管理原則

態勢是動態變化的，因此各節點應及時響應航跡管理命令，實現目標消失、合批、分批、改批和糾批，以及時反映態勢變化，例如空情分鐘級不更新應及時刪除。應該為本地局部航跡和全局統一態勢航跡設置不同的消批時間，因為本地發現的航跡往往需要通過多個周期的連續跟蹤檢驗以確認目標，而統一態勢目標具有較高置信度。

通過本地報告與網絡中統一態勢的融合，保證全網態勢的一致性，并盡量避免目標航跡重名多名沖突現象。一旦發現沖突應以目標航跡相關命令進行全網通報。

航跡管理應以自動處理為主，人工處理為輔，通過人工干預修正自動處理的問題。

1.3.5作戰信息的按需分發規則

由于網絡中大量目標航跡情報近實時傳輸以實現信息快速共享，但各用戶可能不需要全部的信息，因此各節點應具有篩選過濾功能，以滿足不同用戶的對不同區域、不同類型的目標態勢的需求。通常可按陸海空類別、敵我、型號和地理范圍等進行篩選。可分為本地過濾和遠端過濾，可以為遠端任務平臺進行信息過濾，也可以根據任務用戶需求對本地使用信息進行過濾，以實現信息按需分發并減輕信道傳輸壓力。

2統一態勢展現規則

態勢的可視化形式是態勢圖，該圖由底圖及在底圖上標繪的描述各態勢元素信息的一系列軍標隊列符號覆蓋層構成[1]。態勢圖的本質是用圖形描述的數據。要實現各類相關人員共享的態勢感知作戰圖像一致，做到“一圖抵千言”，必須對態勢表現的方法進行規范化統一要求。

2.1統一軍標標繪要求

全系統應對態勢標繪使用的軍標形狀、顏色、大小、方向和顯示方式等進行統一規范，以保證態勢顯示效果的一致性和表達含義的確定性。例如使用統一的顏色標識敵我友，對特定事件用紅色進行標繪，重點關注目標出現大機動事件通過軍標閃爍進行用戶提示等，以保證各級不同地點的用戶看到的和理解的態勢沒有二義性。

2.2目標/航跡顯示要求

動目標標牌應采用可拖動方式顯示其目標編號、運動參數和來源等信息，應提供簡標牌、全標牌和定制標牌等，以保持目標批量較大時態勢視圖直觀、簡潔、清晰；提供圖上目標的基礎資料關聯查詢顯示功能；提供重點目標列表顯示功能；運動目標應提供全航跡和部分航跡顯示功能，支持航跡拖尾用點和線不同方式顯示，以更好滿足用戶對于全程監視和當前態勢的認知的需求。

2.3專題態勢視圖定制要求

面向戰役指揮、戰術決策等不同應用，會產生不同的態勢圖。應用于戰術層次的共用戰場態勢圖按其支持功能分為戰術級態勢圖和武器級態勢圖2個層次[9]。由于關注重點不同，用戶可按多種視圖進行全局態勢和局部態勢定制，比如敵情態勢圖、包含交戰各方空、地、水動態和靜態目標當前位置、可能的機動、部隊部署及行動的作戰態勢圖等，還可針對重點關注目標、熱點關注區域等生成專題態勢圖，以滿足不同用戶不同任務的需求。

3支持戰術級應用的專用數據鏈

準確的態勢必須要從傳感器快速分發到指控系統和武器平臺，才能夠充分發揮對作戰的保障作用，才能將信息優勢轉化為決策優勢和火力優勢。全分布式融合系統的效能與其依賴的通信網絡結構有密切關系，數據鏈是各平臺數據融合節點之間快速交換傳感器數據的主要手段[10,11]。

戰術數據鏈是用于傳輸機器可讀的戰術數字信息的標準通信鏈路。戰術數據鏈通過單一網絡體系結構和多種通信媒體，將2個或多個指控或武器系統連接在一起，從而進行戰術信息的交換。與一般的通信系統不同，數據鏈系統傳輸的主要信息是實時的格式化作戰數據。數據鏈具有以下幾個主要特點：信息傳輸實時性、信息傳輸可靠性、信息傳輸安全性、信息格式一致性、通信協議有效性和系統運行自動化。這樣才能充分利用共享信息探測感知優勢，使得對目標進行“發現—鎖定—跟蹤—攻擊—評估”這一攻擊鏈縮得盡可能短。

4全分布式融合系統應用

以英國Mk2A-AEW海王預警直升機系統為例說明全分布式融合處理應用。該機加裝了監視雷達、敵我識別詢問/應答機等，可利用Link16號數據鏈與網內其他用戶及聯軍“阿帕奇”等攻擊平臺實現作戰信息共享，并可引導6架飛機對空中目標實施截擊。以地面指揮中心和預警直升機協同指揮聯軍飛行編隊對敵方空中目標進行截擊為例，來分析各階段態勢生成與共享的過程。

地面指揮中心、預警直升機及飛行編隊構成了一個全分布式三級融合結構，融合結構如圖4所示。

圖4　系統融合結構

地面指揮中心節點融合功能：接收來自地面多個信息源以及預警直升機、作戰編隊報告的空情，生成廣域空中態勢；向空中平臺廣播態勢；出航階段指揮引導所有空中平臺，進入作戰空域后向預警機移交編隊指揮權，監控編隊作戰態勢。

預警直升機節點融合功能：自身攜帶的雷達、ESM和IFF等多傳感器探測信息進行一次融合，生成機載局部航跡，獲得目標屬性信息；與接收的地面指揮中心以及編隊報告目標航跡進行二次融合，生成空戰區域全局空情態勢并進行威脅分析；通過空地鏈路向地面指揮中心報告空中態勢，使預警直升機全局態勢與地面指揮中心廣域態勢一致，通過空空鏈路對編隊進行態勢分發和威脅告警，使其掌握全局態勢，從而使得空地、空空態勢保持一致；通過空空鏈路為編隊各機合理分配攔截目標和進行引導解算提供支持。

編隊各機融合功能：出航階段，編隊長機和僚機接受地面指揮中心指揮，接收地面指揮中心和空中預警直升機分發的空情態勢；空戰階段，指揮權移交空中預警直升機，預警直升機分配目標或者長機為僚機分配目標；各機通過本機觀瞄或雷達搜索標定目標生成局部航跡，并向預警直升機報告，接收預警直升機分發的目標指示消息，進行關聯處理以確定鎖定目標是否為分配攔截的目標。

地空指揮機構態勢和作戰平臺綜顯畫面顯示遵循統一標繪要求，使用相同軍標、顏色等對目標及其行動進行繪制，以保持指揮員和飛行員對于態勢理解的相對一致性。

戰場態勢一致性分析：

① 作戰編隊局部航跡與空中預警直升機全局航跡一致。預警直升機發現目標后對作戰編隊進行目標指示，作戰飛機利用機載觀瞄或雷達搜索發現目標后生成局部航跡并向預警直升機報告，預警直升機將其與自身傳感器探測的目標局部航跡進行關聯、融合，以生成預警直升機的全局航跡，并將關聯融合結果反饋作戰飛機，從而保持了態勢一致性。

② 地面指揮中心、預警直升機和飛行編隊作戰態勢一致。空地、空空各平臺之間因為作戰信息的分發、融合處理及融合結果交互實現了敵方目標航跡以及屬性信息共享，通過統一標繪原則實現了敵方態勢展現一致，疊加己方平臺飛行航跡和指揮關系后實現了作戰態勢的一致。

5結束語

全分布式融合處理面臨幾方面的挑戰，包括接入的情報信源多，來自陸海空天電多種傳感器，種類繁多，數據量大，情報處理差異性大[12]；多節點輸入信息差異較大造成傳統算法不適應；節點信息共用造成后續節點信息冗余；后續節點估計和噪聲受共用節點多次影響等等。還需要從消除信息冗余、濾除共用信息節點估計和噪聲對后續節點多次影響、尋求多源大差異信息的柔性融合方法等方面入手進行研究解決。

參考文獻

[1]趙宗貴,李君靈,王珂,等.共用作戰圖現狀與發展趨勢[J].中國電子科學研究院學報,2008(4):384-392.

[2]何友,王國宏,彭應寧,等.多傳感器信息融合及應用[M].北京:電子工業出版社,2000:39-40.

[3]高義,劉承禹.基于軟件架構設計的多源信息融合系統[J].無線電通信技術,2012,38(5):60-63.

[4]楊露菁,余華.多源信息融合理論與應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2006.

[5]彭冬亮,文成林,薛安克.多傳感器信息融合理論及應用[M].北京:科學出版社,2010.

[6]李云茹.戰術數據鏈及其應用技術[J].中國電子科學研究院學報,2007(2):211-217.

[7]趙宗貴,熊朝華,王珂,等.信息融合概念、方法與應用[M].北京:國防工業出版社,2012.

[8]周春福,黃鹍.多數據鏈綜合組網應用及其信息分發與處理[J].艦船電子工程,2010,30(7):11-13.

[9]陳建林,巴宏欣,朱孟平,等.聯合作戰共用戰場態勢圖的構建[J].指揮控制與仿真,2013,35(2):21-24.

[10]黃鶴.機載多傳感器數據融合的數據鏈應用技術[J].電訊技術,2004(4):103-106.

[11]孫義明,楊麗萍.信息化戰爭中的戰術數據鏈[M].北京:北京郵電大學出版社,2005.

[12]劉秀文,楊永華.大型綜合電子信息系統軟件體系結構設計[J].無線電工程,2013,43(1):7-9.

梁健女，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：信息處理。

陳晧暉男，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：指揮自動化和裝備定型。

引用格式：梁健,陳晧暉.基于全分布式處理的統一態勢生成技術研究[J].無線電工程,2016,46(1):12-15,24.

Research on Uniform Situation Generation Technology

Based on Full Distributed Processing

LIANG Jian1,CHEN Hao-hui2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.EquipmentDevelopmentOfficeofArmyAviation,PLAGeneralStaffHeadquarters,Beijing100012,China)

AbstractAs the basis for Joint Operation Command,battlefield information sharing plays a very important role.This paper briefs readers on the military demands on uniform situation,analyses the demerits of traditional processing methods,and then brings forward the key technologiesto achieve uniform situation:full distributed information fusion,uniform situation plotting and uniform information distribution data link.With project experience combined,the paper analyses problems in engineering applications and the correspondent solutions.Finally,the practical application of theuniform situation generation technology based on full distributed processing is introduced through a Command and Control system.

Key wordsuniform situation;information fusion;situation plotting;full distributed processingg

作者簡介

收稿日期：2015-10-14

中圖分類號E994

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0012-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.03