一種無人機群協同無源定位資源優化調度方法

蔡 偉，張曉峰

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

無人機群是近年來高速發展的一種載具平臺，可以定制攜帶多種設備，遂行多樣化的任務。在電子對抗領域，無人機群是執行電子偵察的有效載體，使用無人機群搭載無源偵察設備，可以實現快速動態部署，用于前出偵察、重點偵察和補盲偵察。

無源電磁偵察設備在每個工作節拍中，選擇適當的空間范圍和頻譜范圍，接收、檢測、分辨該范圍內出現的電磁信號，并測量信號的參數。其中一些電磁參數是與輻射源的空間行為有關系的，特別是信號的到達方位參數。以無人機群偵察結果，作為對固定或緩動輻射源的定位參數，可以低成本地實現對目標的多角度觀測，增加定位參考信息，在電子對抗作戰體系中有重要意義。

然而，與地基、船載、大型機載設備相比，由于無人機平臺負荷限制，通常無人機載無源偵察設備的天線、接收機和處理器規模受到制約，導致其電子偵察的瞬時空-頻域覆蓋能力較弱；并且受限于可搭載的測量體制，導致參數測量精度較差。例如在測向能力上，大型設備可以采用長基線干涉儀、數字波束合成等技術，將測量誤差均方根控制到0.1°數量級；而無人機載設備，特別是小型無人機的載荷設備，測量誤差均方根在較惡劣條件下可能達到10°或更高。

在參數測量能力本身受到限制的情況下，為了提升系統總體效能，需要研究無人機群協同工作方法，例如協同定位。但現有的對無人機群協同定位的研究工作，在無源偵察設備的情形中應用存在問題。一部分工作的定位目標是無人機群自身，用于解決導航引導不足的問題[1-2]；而定位目標是無人機群的偵察或攻擊目標的研究工作中，優化的資源通常都是無人機航跡[3-4]。然而，在無人機群的實際應用中，電子偵察子系統對航跡的決定權往往低于主動雷達子系統和火力子系統，因此無法按電子偵察子系統的要求申請到最優航跡，只能獲取到后續航跡設定。

針對上述情況，必須從偵察控制著手，研究一定航跡下的優化措施。本文提出了一種無人機群協同無源定位系統的設計，優化當前場面下各機電子偵察的瞬時空-頻域覆蓋選擇，在定位性能達到要求的前提下，降低獲取定位參數所需要的對偵察資源的占用，從而增大無人機群的偵察自由度，提升無人機群可同時應對的目標數。

1 偵察資源優化調度控制框架

執行電子偵察任務的無人機群，在通信層面上可能以自組網方式或星狀拓撲相連接，而在控制邏輯層面上，通常都服從單一控制站的指控，如圖1所示。其中有1個控制站和4架無人機，雙虛線表示通信連接，雙箭頭實線表示控制邏輯連接。

圖1 典型的無人機群

將當前時間記為時間零點。控制站知道每架無人機的航路規劃，也就是后續各時間點t時無人機的位置si(t)和姿態：機首方向單位矢量ψi(t)、右側方向單位矢量ξi(t)。

無人機的偵察能力在時空頻域都是受限的。在空間域，記瞬時空間覆蓋的各種可選范圍為D1～DD，其中每種可選范圍是相對于本機的一個方位角范圍；在頻譜域，記瞬時頻域覆蓋的各種可選范圍為F1～FF。無人機的控制策略就是決定空域和頻域覆蓋的選擇，每架無人機具有相同的偵察控制時間節拍Ts。1組時空頻選擇稱為1個觀察窗口。與目標的時空頻行為匹配的觀察窗口里才能偵收到目標的信號。

針對某個固定或緩動目標，整個系統對它的偵察過程分為掃描、發現和跟蹤3個階段。系統一開始工作在掃描階段；當觀察到目標的電磁信號時，進入發現階段，此時不知道目標位置；當對目標的觀測足夠多，可以確定目標位置時，進入跟蹤階段。為了提高效能，需要特別關注處于發現階段的目標。但發現階段目標的位置不明或不夠確定，因此需要無人機群配合，擴大對目標的觀察窗口的覆蓋范圍，以盡早確認目標位置。在跟蹤階段，主要任務是確認目標異動和提高定位精度，因此可以適當減少觀察窗口，選擇其中效用最高的，從而減少資源占用。設計調度控制框架如圖2所示。

圖2 調度控制框架

其中省略了系統默認保留的用于場面監視的掃描節拍。可以看到，發現階段與跟蹤階段的行為模式是相似的，都需要選擇能觀測到目標的觀察窗口。但這2個階段的具體策略有所不同。在發現階段，為了盡快確認目標，應該盡可能分配到這些觀察窗口；而在跟蹤階段，需要考慮如何在這些觀察窗口中精選，收斂性判斷也與此具有相同的判據。

2 觀察窗口匹配

圖2所示的調度控制框架依賴于對觀察窗口選擇。下面依次從頻、空、時3個方面研究匹配要求。

首先是頻域方面。根據無源電子偵察的特性，接收的電磁波是單程傳播，而不是雷達的雙程傳播，因此通常只要接收天線主瓣對準目標，無論目標是以主瓣還是副瓣對準接收機，都能收到信號。所以，頻域的主要選擇依據是將接收機通帶控制到目標發射頻點。

其次是空域方面。受限于測向精度，目標的推測位置可能會分布在較大的范圍。因此，需要盡量讓各機的空域選擇覆蓋可能區域。設計算法流程如圖3所示。其中覆蓋數是指待覆蓋區中所有點最少被幾個空域覆蓋到。提高覆蓋數有利于提高總的截獲概率。

圖3 觀察窗口的空域協同

再次是時域方面。如果不需要對目標的電磁特性做詳細刻畫，對時窗選擇就沒有嚴格的限制，因此可以根據對定位的效用來釋放時窗。

3 觀察窗口效用評判

在跟蹤階段以及在判斷定位收斂時，需要分析定位精度情況和預計下一個觀察窗口對定位的效用。這需要根據定位情況進行推算。

〈x-sn,-ψnsinθn+ξncosθn〉=0

(1)

δθn≈sinδθn=(x-sn),-ψnsinθn+ξncosθn

(2)

(3)

考慮所有δθn的聯合概率分布的似然比：

(4)

通常測向誤差δθn和位置估計誤差δx不會過于巨大，近似地有：

(5)

(6)

則對定位結果應有如下矢量為0：

(7)

(8)

varδx=A-1bbTA-1

(9)

(10)

(11)

二維情況下，可以進一步得到CEP50橢圓的軸長平方和為2ln2tr(varδx)。

4 場景仿真

為了驗證本文協同優化調度方法的效能，按照作戰作用方式，設計如下測試場景：我方使用3架無人機A、B、C，起始位置分別位于(0 km,0 km)、(30 km,0 km)、(60 km,0 km)，均以50 m/s速度沿x軸正向移動。無人機具有4個90°空域覆蓋，中心方向分別為前、左、后、右。各機測向誤差均方根為10°，偵測范圍300 km。為簡化記，假設頻域是寬開的，偵察節拍為1 s，輻射源目標位于(25 km,200 km)處，假設無人機A先發現目標。

根據本文協同優化調度方法，進行了100次平行仿真試驗。將結果分為對發現階段的變化情況和跟蹤階段的選擇情況兩部分介紹。

發現階段，工作情況如下所述。

起始節拍，A發現目標。下一節拍A、B、C將分別選擇左、左、后空域，以保證覆蓋數達到2，如圖4所示。

第2個節拍，B也收到目標信號，C收不到信號。可以確認目標位于此時的A、B、C的左空域，如圖5所示。

圖5 發現階段工作情況2

雖然由于測向誤差較大，定位誤差范圍可能很大，但目標的可能范圍已經大致確認。此時可以轉入跟蹤階段。下一節拍中，C收到信號，由于基線AC較長，可以在第3個節拍就獲得相對可用的定位結果。如果不做B、C的協同，僅由A觀測，由于無人機位置僅移動了100 m，對200 km外的目標完全無法形成有意義的測向交叉，無法確定目標的大致位置。

然后統計了300個節拍下各次平行試驗的觀察窗口占用(圖6)、定位精度收斂情況(圖7)。作為對比，也測試了僅使用A單機定位的情況(圖8)。可以看到，一方面，本方法使得資源占用有明顯降低，省出來的資源可以用來觀察其他目標；另一方面，通過協作方式可以使在單機下無法定位的短時間內，形成有一定實用意義的結果(根據圖7，相當于在1 min內達到約30%的定位精度，這是在10°這種非常大的測向誤差下)。

圖6 觀察窗口占用情況

圖7 定位收斂情況

5 結束語

本文通過分析無人機群協同執行無源電子偵察任務時對觀察窗口的使用效用，提出了一種對觀察窗口偵察資源的協同優化調度方法。通過對觀察窗口與目標的匹配，以及觀察窗口效用的評估，提高了觀察窗口的利用效率。仿真結果表明，該方法可有效地降低同一目標的重訪頻次需求，這能顯著提高可同時處理的目標數；并在較差的測向指標下仍能達到有意義的定位性能。

圖8 定位收斂情況與單機對比