海上編隊傳感器管理架構研究*

丁春山，何佳洲

(1.東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096；2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引言

海上編隊由艦艇、潛艇、艦載直升機與固定翼飛機等組成，支持編隊完成作戰任務的情報信息除部分來源于編隊外節點，主要依靠編隊內各平臺裝備的雷達、聲納、光電、電子偵察(electronic support measures，ESM)、敵我識別器(identification friend or foe,IFF)等傳感器，合理使用編隊內多平臺傳感器、發揮最大協同效能，是海上編隊完成多樣化作戰任務的關鍵環節之一，需要編隊多平臺多傳感器管理技術支撐。文獻[1]提出如何利用海上警戒探測系統使多傳感器形成系統威力,有效對抗四大威脅,才是警戒探測系統的精髓。

文獻[2-5]分別研究了傳感器管理的定義，綜合來看傳感器管理的目的是合理調度使用有限的傳感器資源，在滿足電磁頻譜、通信、海戰場自然環境等約束下，實現對多個目標和作戰空間的最優探測(優化檢測概率、截獲概率、傳感器自身的發射能力、航跡精度或丟失概率等指標)，恰當地滿足防空、反潛、對海對陸攻擊等多樣化作戰任務的信息需求。

傳感器管理技術日益重要的原因在于，編隊傳感器向網絡化應用發展，傳感器管理工作量、難度增大，傳統依賴人工操作的模式難以為繼；傳感器管理可以獲得更優的傳感器作戰效能，在信息化戰場可拓展新的作戰手段和能力。

針對海上編隊傳感器管理，Johnson設計了海軍網絡中心戰下協同傳感器管理架構[6]。Benaskeur研究了海軍單傳感器、單平臺、多平臺3類傳感器管理問題[7]，提出了基于整子體(holonic)的傳感器管理架構[8]。文獻[9]以實現對海上多平臺傳感器資源自動或半自動協調管理控制為目標,設計了傳感器管理與控制系統的功能結構,包括傳感器信息管理、傳感器組織管理、收發通信管理、傳感器控制管理和傳感器綜合效能分析等功能模塊，采用“集中管理,分散控制”的方式管理海上多平臺傳感器。文獻[10]提出了海軍多平臺協同作戰條件下基于戰術組件網(TCN)的傳感器資源管理體系結構。文獻[11]研究了基于Holon控制的協同網絡傳感器管理體系結構。文獻[12]提出海上編隊、平臺和傳感器3級架構的網絡化管理控制體系,編隊及每個平臺都有一個宏管理器,每個平臺上的傳感器都有各自的微管理器。文獻[13]研究了基于策略的海戰場傳感器資源運維管理框架，按全局、區域和本地分層運維管理，設計了應用層、資源管理層和資源層3層結構的海戰場傳感器資源運維管理系統框架。另外文獻[14]從編隊和本艦2個層次研究了傳感器管理的內容及模型。文獻[15]構建了單艦多傳感器協同探測體系結構，提出了多傳感器協同探測資源調度模型。從以上研究成果看，海上編隊傳感器管理涉及多管理節點協同，多采用分層結構，網絡化協同是發展方向，是信息化海戰中一項困難且需要深入的研究工作。

本文研究海上編隊傳感器管理架構，第1節首先分析了編隊傳感器管理需求，第2節提出了編隊傳感器管理的總體結構，以及編隊傳感器方案事前籌劃與實時調度技術。

1 編隊傳感器管理需求

海上編隊由艦艇、飛機等多種兵力組成，部分兵力組成戰術群，負責編隊內某一方向的防空、反潛等任務。傳感器作為作戰資源之一，遵循軍事指揮的分層架構，海上編隊傳感器資源的組成架構如圖1所示。海上編隊指揮節點需管理戰術群和直屬平臺的傳感器，戰術群負責管理群內各平臺的傳感器資源，平臺負責搭載傳感器的管理使用，傳感器可精細化地設置工作模式和參數。

圖1 層次化的海上編隊傳感器資源Fig.1 Hierarchy of naval sensing resources

海上編隊傳感器管理的作用在于統一管理編隊內各平臺傳感器資源，恰當地探測數據，滿足編隊多樣化作戰活動情報需求。如圖2所示，傳感器管理使情報保障具有反饋機制，根據作戰活動情報需求和信息融合后的情報性能度量的差異，反饋控制編隊內傳感器資源，使其探測獲取能夠提升信息融合結果的原始數據；同時向信息融合模塊反饋傳感器狀態與能力、傳感器協同探測策略，使其掌握傳感器探測數據特性，采用有針對性的融合算法。

圖2 海上編隊傳感器管理作用框圖Fig.2 Function block diagram of sensor management for maritime formation

1.1 編隊多層級傳感器管理需求

海上編隊的編隊指揮節點、戰術群指揮節點、平臺、傳感器等節點需協同工作，但不同節點有不同的傳感器管理需求。

1.1.1 編隊、戰術群傳感器管理需求

戰前籌劃中，依據總體作戰方案制定編隊/戰斗群情報保障計劃；在作戰過程中，監控所屬兵力傳感器狀態，根據作戰任務、態勢變化，實時調整傳感器的任務、開關、工作頻率等，滿足多樣化作戰的情報需求。

編隊、戰術群傳感器管理需適應編隊的通信能力、信息融合架構，傳感器管理的需求包括：

(1) 任務分配

根據信息需求建立感知任務，并分配給所屬兵力群或平臺。在保證整體探測能力滿足作戰信息需求的基礎上，應減少傳感器資源的冗余使用和主動發射。

(2) 傳感器部署

從保障傳感器探測效能出發，提出編隊平臺空間部署建議，確定配屬編隊、兵力群的直升機、無人機等以警戒探測任務為主的作戰平臺航路。

(3) 組織協同

協調解決所屬各平臺傳感器的使用沖突；使我方傳感器之間的干擾最小化，包括雷達同頻干擾，主動傳感器對鄰近被動傳感器的干擾等；使敵方對我方的壓制干擾、欺騙干擾影響最小化；為編隊多平臺信息融合提供最優的探測數據輸入，實現主被動傳感器協同、主動傳感器協同、被動傳感器協同等。

1.1.2 單平臺傳感器管理需求

戰前籌劃中，單平臺主要接收上級的傳感器管理計劃，依據分配的探測任務、工作時間，以及可用頻率、禁用頻率等頻譜管理要求等確定本平臺的傳感器工作計劃。

在作戰過程中，監控本平臺傳感器狀態，根據作戰任務、對抗態勢的變化，自動/半自動地調整傳感器的開關、工作模式以及工作頻率等參數，盡量減少指揮員的工作量。

傳感器管理需求包括：

(1) 傳感器任務管理。接受上級的傳感器管理命令，并將其作為自身的感知任務之一，匯集本平臺的作戰信息需求生成傳感器任務清單；分配傳感器任務，明確各傳感器的責任區域、跟蹤目標、工作時間等；

(2) 傳感器調度，根據本平臺面臨威脅及作戰任務需求確定本平臺傳感器的開關、工作模式等；

(3) 傳感器協同，實現不同傳感器探測目標的交接，保證目標監視、跟蹤的連續性，傳感器工作沖突消解等；

(4) 監控本平臺傳感器工作狀態，并上報上級節點。

1.1.3 單傳感器管理需求

單傳感器需接收平臺、編隊的探測任務、調度命令并響應，上報自身狀態及效能評估結果；制定傳感器工作計劃，通過模式/參數控制優化自身探測能力，支撐多傳感器協同工作。

1.2 編隊傳感器協同需求

海上編隊傳感器管理的目標是使編隊內各平臺傳感器在統一管控下協同工作，如同一個有機整體，能夠形成系統威力。編隊傳感器之間的協同包括任務級的區域協同，以及多種實時協同工作需求。

1.2.1 區域協同

海上編隊傳感器最基本的協同方式是區域協同，根據對空、對潛、對海等不同方面作戰的需求，分別構建遠中近結合的協同防空、反潛和對海攻擊警戒探測圈。編隊指揮節點根據各平臺承擔的任務和位置，分配相應的警戒探測責任區，使整體探測能力滿足各方面作戰的信息需求。

1.2.2 傳感器工作協同

在編隊傳感器資源按區域配置的基礎上，傳感器工作過程中需相互協同，保證探測目標的達成。

(1) 時間協同

時間協同包括傳感器的接替工作和按一定時間要求對目標進行觀測。

雷達等傳感器一般不能長時間連續工作，故針對某一區域的警戒探測任務由相鄰平臺或同平臺傳感器分時負責。

為配合某一作戰行動，需要傳感器同時或按時序探測。如為提高目標發現概率，多平臺傳感器同時覆蓋某一重點方向；在我方對陸打擊后，立即組織對陸探測，以便快速毀傷評估；在需要對威脅目標判性時，立即調度敵我識別器對目標識別。

(2) 頻率協同

1) 避免我方傳感器同頻干擾。編隊各平臺常配置同型號雷達，如果采用相同的頻率等工作參數，可能導致我方雷達同頻干擾。

2) 反對抗。控制我方傳感器工作的頻率、空間覆蓋和時間，優化我方傳感器對敵方干擾、欺騙等對抗措施的抗干擾能力，避免或減小敵方對抗措施對我方傳感器探測的影響。

3) 發射控制。由于有源傳感器發射的能量可被敵方偵測并被利用，需要控制有源傳感器的發射功率、脈寬等信號參數及空間覆蓋等，使我方傳感器被檢測或被識別的可能性降至最低。

(3) 引導協同

由于傳感器的空間覆蓋和搜索能力有限，當目標從傳感器A的探測區域進入另一傳感器B的探測區域時，需要向傳感器B發送引導信息，使傳感器B搜索并截獲由傳感器A指示的目標。如紅外警戒探測設備與雷達協同,由雷達提供跟蹤引導數據,紅外警戒探測設備工作于跟蹤狀態,可以克服紅外警戒探測設備視野小、搜索時間長的弱點,快速捕獲目標、輸出圖像。又如電子偵察設備獲得目標信號,基于基本分選參數和細微特征分析,對輻射源個體特征進行辨認和識別,解算出輻射源大致位置后可引導主動雷達進行高精度目標定位跟蹤。

(4) 無源協同

無源傳感器具有良好的隱身效果，是海上編隊重要的傳感器資源。雷達在受到敵方有源壓制性干擾時將無法對目標繼續探測，但ESM仍然能夠獲得輻射源的方位和屬性信息，紅外警戒探測設備能夠探測目標的方位俯仰，雷達能夠確定干擾源的方位俯仰，通過艦艇編隊多平臺無源傳感器協同，在一定程度上能夠達到對海戰場的有效監視。

2 編隊傳感器管理架構

2.1 混合式體系結構

傳感器管理體系結構一般與系統采用的信息融合體系結構相一致，常見的有分布式、分層式、集中式，如圖3所示。

圖3 傳感器管理常用結構Fig.3 Common structures for sensor management

集中式是指所有傳感器的管理由中心節點集中決策，該方式邏輯簡單，但決策中心計算復雜、平臺間通信需求大，決策中心易成為系統瓶頸，整體的抗毀性、可靠性、擴展性差。完全分布式是指傳感器管理任務由多個處理節點協作完成，無中心節點，該方式對平臺間通信需求大、分布式算法設計困難，最重要的是不符合海上編隊分層的指揮結構。分層式結構是一種至上而下分解任務并分工協作的結構，與層次式指揮結構匹配，但嚴格的分層結構缺少靈活性，具有很多與集中式相似的缺點。

海上編隊傳感器管理的目標是使編隊內傳感器成為一個整體，具有任務級、參數級、信號級等多層次管控能力，編隊、戰術群、平臺、傳感器等多類管理節點分工協作，是系統之系統，單純的分布式、分層式、集中式體系結構難以勝任。

作為典型的多平臺多傳感器管理問題，為適應艦艇編隊分層的指揮模式和數據融合處理、信息傳遞結構，海上編隊傳感器管理總體上宜采用分層式結構。即編隊級傳感器管理主要負責確定戰術群的傳感器探測任務，戰術群級傳感器管理主要負責確定所屬平臺的傳感器探測任務，平臺級傳感器管理主要負責本平臺傳感器應用，對艦載雷達、聲納、光電、IFF、ESM及配置的無人平臺進行管理。

兼顧不同節點之間的協同關系，在分層式結構的基礎上，應兼容部分節點之間的分布式、集中式關系，構建海上編隊傳感器管理的混合式結構，如圖4所示。在某一層級內部可采用分布式或集中式結構。在同一層級，節點之間可分布式協同，如無人集群；在某一節點內，如艦艇平臺可采用集中式的傳感器管理結構，由傳感器管理中心節點對本艦所有傳感器集中管控。

圖4 混合式編隊傳感器管理體系結構Fig.4 Hybrid formation sensor management architecture

海上編隊傳感器管理的混合式結構是分層、遞歸的，如圖5所示，上級節點將下級節點作為一個整體管控，下級節點再將次級節點作為一個整體管控，即編隊級傳感器管理對象可以是戰斗群或平臺，戰斗群傳感器管理可再分解成對平臺的管理，平臺級傳感器管理再對單傳感器管理。

圖5 編隊傳感器管理的分層遞歸性Fig.5 Hierarchical recursion of formation sensor management

2.2 事前規劃與實時調度

海上編隊傳感器管理包括作戰前方案規劃和作戰中實時調度2個方面，如圖6所示。在戰前，根據作戰籌劃模塊的作戰計劃、情報保障需求等，制定傳感器使用方案并反饋作戰籌劃模塊。在作戰過程中，根據信息融合模塊提供的目標、態勢分析結果、探測需求，以及指揮控制模塊的傳感器管理命令、情報保障需求實時決策傳感器調度策略，向傳感器、作戰平臺等管控對象下達傳感器管理指令。

圖6 傳感器管理功能關系圖Fig.6 Function relationship diagram of sensor management

2.2.1 傳感器使用方案規劃

傳感器使用方案規劃功能主要在編隊、兵力群節點實現，在作戰準備階段的作戰方案籌劃過程中，負責根據作戰計劃和情報保障需求，籌劃管理對象(兵力群、平臺或傳感器)的探測任務、計劃，生成傳感器使用方案。

傳感器使用方案規劃處理流程如圖7所示。首先根據作戰任務、計劃分析探測任務，按照兵力群、探測空間等維度分解總探測任務，然后籌劃每個子探測任務方案。

圖7 傳感器使用方案規劃流程圖Fig.7 Flow chart of sensor use scheme planning

傳感器使用方案規劃的輸入主要包括以下4個方面。

(1) 雷達、ESM、IFF等傳感器的工作性能參數，如雷達參數：

1) 具有的工作模式；

2) 各工作模式下，對不同雷達散射截面積(radar cross secrion,RCS)目標在規定的探測概率條件下的作用距離；

3) 方位、仰角的覆蓋范圍；

4) 各工作模式下，目標測量精度、數據率；

5) 抗干擾措施；

6) 設備開機時間；

7) 目標處理容量。

(2) 作戰計劃，包括兵力編成、可用傳感器資源組成及位置、我方作戰意圖(作戰地域、階段劃分、編隊隊形、平臺運動的預定路線、威脅方向、打擊目標區域等)、編隊頻譜管理計劃等。

(3) 情報保障需求：可由操作員設置的重點探測方位、偵察區域，重點探測目標類型，信息質量要求等。

(4) 戰場態勢：地形(高度地圖)、氣象等環境信息、敵方已被偵察目標的可能位置及威脅等級(我方目標被發現或受打擊的風險)。

傳感器使用方案規劃的結果為傳感器使用方案，內容包括：

(1) 階段劃分；

(2) 每個階段內的平臺/傳感器工作計劃列表，包括平臺/傳感器名稱、開始/結束時間、對空/對海傳感器工作模式、可用頻率等；

(3) 每個階段內的探測預案，在出現隱身飛機、低空突防目標等情形下，編隊傳感器的調整方案；

(4) 專用探測平臺(直升機、無人機)的配置、航路規劃。

傳感器使用方案規劃應在滿足約束條件，盡量滿足情報保障需求的基礎上優化傳感器效能。典型的約束條件包括：只使用編隊內可用的傳感器資源；以編隊作戰方案中確定的隊形、航路為基礎；主動傳感器的使用需滿足編隊頻譜管控要求，在需電子靜默時，主動傳感器關機；主動傳感器使用規定的頻率段；避免我方主動傳感器之間的干擾，對于無編隊使用模式的同型雷達需在一定的間距外才能使用同一頻率，在一定的間距內要錯開頻率。規劃的方案需滿足編隊作戰情報保障需求，如對空中目標的探測覆蓋范圍、質量滿足對空作戰需求；對水面目標的探測覆蓋范圍、質量滿足對海作戰需求；對空、海目標具備識別能力；傳感器配置預留反隱身、反低空目標能力。優化傳感器效能的目標是多樣化的，如雷達主動輻射時間最短、預警時間最長等。

2.2.2 傳感器實時調度

在作戰過程中，傳感器管理模塊一方面基于審核后的傳感器使用方案組織傳感器工作；另一方面根據作戰過程中的態勢變化，基于事件動態調度傳感器，事件分成優化目標感知、信息對抗2類，包括響應信息融合模塊的反饋、滿足協同探測要求、反偵察、反輻射攻擊、反低空突防、反隱身目標、反電子干擾、傳感器戰損、通信中斷、戰場氣象條件變化等。在戰場態勢演變、干擾對抗過程中，艦艇編隊傳感器需適時調整，一方面保證對抗中傳感器有效工作，另一方面提高編隊傳感器的搜索、跟蹤、識別、作戰支持能力，其處理過程如圖8所示。

圖8 傳感器作戰管理流程圖Fig.8 Flow chart of sensor operation management

傳感器實時調度的輸入元素與傳感器使用方案規劃基本相同，不同之處在于傳感器狀態、環境信息、目標態勢、作戰計劃、電磁干擾等信息是實時的。

傳感器實時調度的輸出為傳感器工作調整指令，如編隊內傳感器開關、工作模式切換、分配任務、探測平臺航路更新等。

傳感器實時調度中，需滿足一系列約束條件，如：

(1) 主動傳感器的使用需滿足編隊頻譜管控要求：在需電子靜默時，主動傳感器關機；主動傳感器使用規定的頻率段。

(2) 考慮實際的地理約束條件、氣象及通信條件。

(3) 考慮敵方實施的有源、無源干擾。

(4) 考慮我方主動傳感器、電子干擾對我方傳感器的影響。

(5) 工作頻率有重疊的雷達部署間距不能太小，避免同頻干擾。

在此基礎上，應滿足情報保障需求，對已發現的目標，評估目標的傳感器探測需求，對重點目標應盡可能連續可靠探測及穩定跟蹤，識別目標身份；保證對未知目標的預警能力，使傳感器網的探測范圍盡可能地大，盡可能早地探測到隱身飛機、低空目標，增大預警距離，延長預警時間；選取合適的責任區域雷達冗余覆蓋數量，以提高反隱身能力；重點區域應盡可能地全部覆蓋。

傳感器實時調度可選的優化目標眾多，如在需輻射控制時，盡量減少雷達主動輻射；優化編隊被動協同探測能力；優化編隊主被動協同探測能力；在責任區域內雷達對同一地域的重疊覆蓋數目不宜過多。

傳感器實時調度的核心在于傳感器狀態臨機調整決策，采用基于事件驅動的傳感器作戰管理技術，解決傳感器調整事件檢測和處理的問題，功能框圖如圖9所示。

圖9 事件驅動的傳感器作戰管理技術框圖Fig.9 Block diagram of event driven sensor operation management technology

根據信息融合的反饋以及綜合指揮部位判明戰場態勢確定傳感器管控事件，在分析排序后，分類為傳感器狀態調整、傳感器探測2類事件分別處理。優先響應傳感器狀態調整事件，主要是反干擾、反偵察、反輻射攻擊等對抗事件，根據作戰條例、命令等調整傳感器的開關、工作頻率等；響應傳感器引導、識別、傳感器協同等傳感器探測事件時，首先根據當前環境和傳感器模塊預測各傳感器的可用性和能力，進而評估編隊整體傳感器探測效能，對照作戰活動情報需求，分析傳感器探測的薄弱環節，輸出傳感器開關、工作模式切換等調度指令，以提高傳感器探測效能。

各處理模塊的功能如下：

探測任務管理：接收上級下達、指揮員人工指定的探測任務，根據作戰任務分解傳感器探測任務。

目標收集管理：接收目標綜合態勢，分析目標信息完整性及威脅，生成需調用傳感器資源進一步探測識別的目標。

虛擬探測任務優先級排序：根據探測任務及需進一步探測識別的目標生成虛擬探測任務，并根據目標威脅等排序。

環境信息收集管理：收集管理戰場地理、氣象、電磁干擾等信息。

傳感器探測能力估計：根據傳感器的物理特性、目標特性、戰場環境估計傳感器的探測能力。

傳感器組網能力估計：根據傳感器組網應用策略，在單傳感器探測能力估計基礎上，計算傳感器組網后的虛擬探測任務探測效能。

傳感器探測策略優化選擇：根據虛擬探測任務的探測效能及優先級，優化選擇最佳傳感器探測方案。

傳感器狀態管理：接收傳感器的工作狀態參數，匯總傳感器狀態表。

傳感器控制接口：將確定的傳感器工作要求，轉換成符合傳感器接口的規范管理指令，并下發執行。

3 結束語

本文分析了海上編隊傳感器管理需求，研究了海上編隊傳感器管理總體架構，是海上編隊傳感器管理的頂層設計。編隊傳感器管理由編隊、戰術群、平臺等多層級節點構成，需分布協同工作共同支撐編隊傳感器資源高效管理，混合式結構下的協同工作機制是編隊傳感器管理有待深入研究的關鍵技術。傳感器管理包括事前規劃和實時調度2個方面，核心是傳感器任務分配、調度等算法，國內外對此開展了廣泛研究，但設計滿足海上編隊多異類平臺，特別是未來無人裝備參與下的傳感器管理算法是有待開展的挑戰性工作。