第八讲多传感器信息PPT课件

.,1,8传感器管理技术,在多传感器信息融合系统特别是大型的信息融合系统中，存在大量的同质和异质传感器，它们从不同侧面反映了观测对象的特性，如何有效地管理这些传感器直接影响融合系统的性能。,该节主要讨论传感器管理的内容、体系结构、功能和方法。,.,2,8.1传感器管理的内容与体系结构,在多传感器信息融合系统中，只有有效地管理和利用有限的传感器资源，才能满足对多个目标和扫描空间的要求，获得最优的检测概率和截获概率，提高传感器自身的发射能力和目标跟踪精度，减小目标丢失概率。,.,3,虽然不同传感器的物理特性和担负的任务不同，但传感器管理的基本内容是相似的。,8.1.1传感器管理的内容,（1）空间管理,传感器的空间管理包括确定非全向传感器的空间监测方向；控制传感器的视野在监测范围内有规律的移动（即扫描），以搜索和截获新的目标，或者周期性地再现目标点，获得运动目标的轨迹。,传感器管理的内容一般包括以下三个方面。,.,4,（2）模式管理,传感器的模式管理是选择传感器的内部参数，确定传感器的工作模式，主要包括对传感器的孔径、搜索模式、信号波形、功率大小和处理技术的选择。,（3）时间管理,时间管理主要是对传感器的操作进行定时管理，保证传感器与其他传感器或与目标环境中的事件（如目标检测、丢失、对抗活动）同步。,.,5,根据多传感器系统所拥有的传感器和平台的数量不同，传感器管理具体可分为以下三类：,（1）传感器级的管理,在传感器级的管理中，传感器需要根据探测概率、航迹精度和分类准确度等需求，对其监测方向、航迹更新和回波采集的优先级等进行控制，高度灵活地调整目标扫描时间和再现目标时间，保证维持航迹和一定的照射目标时间，获得目标的特征测量。这类传感器管理的目的是最有效的使用时间。,.,6,（2）基于单平台的多传感器管理,在基于单平台的多传感器管理中，传感器的管理就是最有效地利用各个传感器的不同特征和时间。,.,7,（3）基于多平台的多传感器管理,在基于多平台的多传感器管理中，为了实现多传感器对同一目标的监视，获取目标的精确定位数据，需要根据各传感器的位置坐标，控制传感器之间的目标交接，保证当目标从一个传感器视野进入另一个传感器的视野时，后者可取代前者对目标继续进行监视跟踪。,.,8,总之，传感器资源管理的目的是充分利用有限的传感器资源，尽可能扫描整个目标空间，监视多个目标，得到最优的目标探测性能。,.,9,传感器管理的结构分为集中式管理结构和分布式管理结构。,8.1.2传感器管理系统的体系结构,（1）集中式管理结构,集中式管理结构是指传感器的管理由融合中心统一负责，各个传感器需要执行的任务和完成该任务的参数集或运行模式由融合中心控制，传感器只需要对其物理资源进行管理。集中式管理结构主要用于传感器级和简单的单平台多传感器系统中。,.,10,集中式管理结构简单，融合中心拥有整个系统最完备的信息，能够实现精确合理的传感器运行参数和模式的设置、传感器与任务的配对以及多任务间的协调等功能。,集中式管理结构的缺点,集中式管理结构的优点,在集中式管理结构中，融合中心难以对各个传感器的负载情况作出适时的评估，在多任务时容易造成负载不均衡，甚至出现个别传感器严重过载无法完成任务的情况。此外，随着系统中传感器数目的增多，融合中心的计算量会急剧上升，通信量也会大大增加,.,11,（2）分布式管理结构,分布式管理结构是指传感器的管理功能分布在系统的不同位置或不同传感器中。分布式管理结构主要用于复杂的单平台多传感器系统或多平台多传感器系统中。,在分布式管理结构中，处理任务分布在不同的处理器中，这样可以把内部的快速循环时间和低速运行的循环时间分割开来（比如：关于波形的选用或驻留时间的决策要比关于目标优先权的决策时间快）。,.,12,分布式管理结构可以最小化系统的通信负载，改善系统的集成性能，但任务冲突和竞争使任务协调变得更加复杂。,在分布式管理结构中，传感器的管理可以采用宏观管理/微观管理相结合的分层管理模式。单平台多传感器系统的宏观/微观管理如图8.1所示，而多平台多传感器系统可以通过多个类似这样的系统交互形成网络化的系统。,.,13,操作员,要完成什么任务,如何完成指定任务,传感器状态和能力,探测波形、工作模式选择,高层任务指令,目标跟踪识别数据,传感器1,传感器3,传感器2,图8.1单平台多传感器的宏观/微观管理框图,.,14,传感器的宏观管理主要决定传感器要执行什么任务，主要涉及传感器调度、线性规划和动态规划、目标排序、决策支持和态势威胁估计等技术。,传感器的微观管理决定某个传感器怎么去完成分配给的任务，即各个传感器如何选取参数控制或模式。微观管理主要涉及控制与优化、多属性决策和时间调度等技术。,.,15,传感器管理的通用功能模型如图8.2所示。,8.1.3传感器管理的功能模型,.,16,事件预测,目标优先级处理：威胁捕捉时机信息需求,传感器预测,传感器实现模型,空间时间作用范围控制,传感器目标分配,分配目录与控制,传感器接口,目标评估（目标状态与属性）,态势与威胁估计,传感器状态,传感器管理功能,人工优先级控制,任务控制,指示,控制,数据状态,目标优先级,传感器实现,传感器能力,搜索优先级,空间时间参数,.,17,（1）事件预测,时间预测是根据当前事件、目标状态以及战术原则，预测目标未来事件，检测或验证期望事件。例如：目标跟踪过程中的，可以根据状态预测数据来控制传感器的空间检测方向。,.,18,（2）目标优先级处理,目标优先级处理是根据目标状态与属性、态势评估与威胁估计、目标事件预测以及人工优先级控制等信息建立一定搜索空间内目标的相对优先级。当传感器资源有限而又有多个目标存在时，目标优先级的设置是十分必要的，它是确定传感器资源综合使用方案的前提。,.,19,（3）传感器预测,传感器预测是根据传感器性能模型、传感器状态（来自传感器接口）以及传感器空间时间覆盖控制等信息确定传感器的能力和对目标的有效性。为传感器向目标分配方案的确定提供依据。,.,20,（4）传感器向目标的分配,在多传感器多目标情况下，传感器向目标的分配是根据目标优先级、传感器预测结果、空间时间搜索优先级将多个传感器分配给多个目标。分配方案通常是在优化某个组合目标函数的基础上形成的。,.,21,（5）传感器空间时间作用范围控制,传感器空间时间作用范围控制是根据传感器系统对敌方目标的检测、跟踪和识别性能以及我方传感器被检测概率等要求控制各个传感器的空间覆盖范围和时间覆盖范围。该控制的主要目的是保证传感器系统不丢失已发现的目标，同时还要搜索进入系统监视空间的新目标。,.,22,（6）传感器配置和控制策略,利用传感器空间时间范围控制提供的信息，将传感器分配方案转换成对传感器的操作命令，必须考虑的因素有以下几个方面。,反对抗措施,为了使我方传感器的抗干扰能力达到最优，在管理传感器时就需要控制传感器频带、空间和时间的使用，避免敌方对抗措施对我方传感器系统的影响。,.,23,发射控制,为了避免我方传感器被敌方侦查到，需要控制这些传感器的发射功率、脉冲宽度、空间覆盖和工作模式等，将传感器的被检测概率或被识别率降至最小。,目标指示和交接,任何一个传感器的空间覆盖范围和搜索能力是有限的，为了实现对目标的连续跟踪，就必须实现传感器之间的目标指示和交接，保证当目标从传感器1的搜索区域进入传感器2的搜索区域时，传感器2能够连续跟踪到同一目标。,.,24,调度,将传感器的工作模式、监测指向以及是否有源工作等操作按时序进行控制和调度。调度时需考虑的约束条件有以下几个方面：,a）为了使目标的时空校准误差最小，应采用多个传感器同时对目标进行观测；,b）为了提高传感器的工作效率，尽可能减小传感器复位时间与探测目标时间的比值；,.,25,c）为了避免丢失目标或使目标航迹不连续，要求传感器之间的目标指示和交接时间同步；,d）为了降低我方传感器被探测和发现的概率，需要根据敌方传感器的扫描方式确定我方有源发射的时间；,e）为了保持目标航迹的连续性，传感器应具有一定的目标再现率。,.,26,8.2传感器管理的功能,主要介绍传感器管理的功能，包括目标优先级建立、传感器向目标分配、传感器控制、传感器指示与交接以及传感器系统资源优化等。,8.2.1目标优先级的建立,当传感器资源有限而又有多个目标需要同时监视时，把传感器向这些目标分配之前需要按照目标的重要性确定目标优先级。例如，边跟踪边扫描雷达，为了完成同时监视一个以上目标的任务，它需要对正在检测的每个目标和将要搜索的新目标进行优先级排序，选择传感器对目标的分配。,.,27,（1）自主地建立目标优先级,自主建立目标优先级主要适用于集中式数据融合系统或单个自主式多传感器武器平台，它们根据观测到的目标特性建立目标优先级。在目标优先级确定中需要考虑如下因素：,目标优先级建立的方式可分为自主地建立目标优先级和协调地建立目标优先级，不同的传感器系统对应不同的方法。,.,28,目标身份和类型,军事目标的身份（敌/我/友方）和类型（航空母舰、驱逐舰、护卫舰、导弹快艇、运输舰等）是目标优先级确定的关键因素，它直接关系到目标是否对我方防御系统构成威胁以及我方进攻性武器实施攻击的时机。,.,29,信息需求,信息需求是为了准确地建立、更新目标的位置和身份所需要的传感器附加信息。例如，在定位和跟踪系统中状态估计的误差协方差信息；目标识别系统中识别可信度信息等。,目标威胁等级,目标威胁等级是敌方目标对我方具有的威胁程度，它通常与目标的作战意图、作战能力和威胁时间等因素有关。在建立目标优先级时，目标的威胁等级通常作为一种“防御”因素来考虑。,.,30,攻击时机,攻击时机是对我方武器打击并摧毁敌方目标能力的一种度量，它是一个“进攻”因素。例如，对于一个导弹系统，攻击时机是由与导弹发射包络线有关的目标几何位置决定的，它可以用预测的摧毁概率作为时机的度量值。,.,31,火控需求,如果融合系统所使用的传感器同时担负火控任务，则需要首先考虑火控需求。例如，假如需要火控雷达对飞行中的制导导弹提供数据链时，就必须在导弹自动结束战斗或完成命中估计前优先考虑火控雷达的需求。,.,32,（2）协调地建立目标优先级,当使用两个以上的传感器平台对目标进行检测时，就需要在各平台之间协调，统一进行目标优先级排列。在这种情况下，目标优先级的建立首先是对目标进行分组，并把所有的传感器平台分配给这些目标组，然后各平台自主地建立相应目标组中各目标的优先级。目标分组的方法有很多，可按照目标相对于传感器平台的空间位置来划分，也可按照传感器相对于目标进行观测所能达到的最大综合效能来划分。,.,33,8.2.2传感器向目标分配,当传感器系统工作在多目标环境时，传感器管理需要解决多传感器到多目标的分配问题。当被监视目标相对于传感器的数目和传感器的观测范围来说较少时，传感器的分配问题可以采用一种传感器引导其他传感器的方法。例如：用一种分辨率较低但是视野较大的传感器进行大范围的快速搜索，发现目标并获得目标位置估计，然后引导高分辨力的传感器去跟踪目标。但是，在目标分布密度较高时，由于传感器资源是有限的，这就需要复杂的分配方法。,.,34,常用的处理方法有两种：一种是时间片轮转法，即在同时对多个目标进行跟踪时，按一定的时间周期，轮流更新所有目标的航迹文件；另一种方法是首先建立目标之间的相对优先级，优先级越高的目标被跟踪的频率也越高。,.,35,传感器分配方案的确定原则是使系统的综合探测性能达到最优。,对于同类传感器系统，要求最优分配方案能够使所有传感器的合成视场覆盖所有目标，并且对任一目标的漏检率最小。,.,36,对于不同类传感器向目标分配，需要考虑以下因素：,（1）所有传感器的总覆盖区域或监视空间的大小；,（2）航迹估计的连续性及估计精度；,（3）传感器发射控制。例如：控制主动式（有源）传感器的发射信号，使其不被敌方传感器发现；,（4）目标的分类方法和分类的模糊性。,.,37,在进行传感器分配时，首先要建立分配准则，然后通过线性规划方法来解决。分配准则是满足以下条件的目标函数：,（1）能够计算互不相容的各个分配方案的最大代价和最小代价；,（2）能够从数学上定义传感器使用的线性约束条件；,（3）能够量化有限的传感器资源。,.,38,Nash提出的传感器分配的形式化表示结构，在同时考虑了传感器的能力限制和目标分配要求（每个目标至少应有一个传感器来检测）的情况下，给出了多传感器对多个独立目标的分配方法，并用一个增广分配矩阵表示。增广分配矩阵不仅能够表示所有单传感器到目标配对，还能够给出传感器所有可能的组合到目标的配对。,.,39,图8.3(下图)给出了n个传感器分配给m个目标时的基本分配矩阵。,.,40,图8.4(下图)是n个传感器分配给m个目标时的增广分配矩阵。,.,41,在上图中，增广矩阵的行数是基本矩阵行数的函数，为。增广矩阵中的元素表示传感器i分配给目标j的代价函数，增广矩阵中还增加了代价为零的目标列，它的作用是辅助分配过程得到初始解，并把组合传感器的能力确定为在组合中所使用的传感器的最小能力。表示每个传感器的最大跟踪能力。,.,42,对于前面给出的增广矩阵，定义目标函数为,（8.1）,式中：称判定变量。当时，表示传感器i未分配给传感器j；时，表示传感器i分配给传感器j，满足以下约束条件：,.,43,（1）最大跟踪能力约束，即增广矩阵的每行之和应该等于传感器的跟踪能力，即,（8.2）,（2）目标的覆盖约束，即必须保证有一个单一传感器或传感器组合分配给了某个目标，即,（8.3）,目标函数可根据量化目标的优先级因子构成一个组合函数。,.,44,8.2.3传感器控制,现代传感器系统一般都比较复杂，包括多种类型的传感器，传感器控制也涉及很多因素。尽管不同类型传感器的控制参数是不同的，但它们存在一些公共参数，表8.1别出了一组一般意义上的参数，可以作为传感器控制的依据。,.,45,通用传感器控制一般有以下几种类型。,控制类型,模式控制,控制参数,开机/关机控制,传感器工作模式选择,发射功率（主动传感器）,波形或处理模式（远距离搜索、高分辨率、窄范围跟踪等）,扫描、跟踪、边扫描边跟踪,传感器处理参数：判决门限，检测、跟踪、识别准则,.,46,控制类型,空间控制,控制参数,指定坐标系（视野中心位置）,视野选择,扫描/搜索速率,扫描/搜索模式选择,独立扇区控制参数：扇区坐标、扇区工作模式选择,控制各传感器的参数：传感器坐标、扇区工作模式,指定目标参数：目标或航迹索引号、坐标或搜索空间、使用的工作模式、预测的出现时间、锁定目标时间,.,47,控制类型,时间控制,控制参数,模式、扇区控制的起止时间,指定扇区的查看时间,锁定目标或搜索规定时间,允许的最大功率发射时间,基于目标属性的报告过滤：友、敌或两者，按类别或类型过滤，按武器效能过滤,基于空间属性的报告过滤：最小/最大距离限制，高度分层过滤，空间区域过滤,指定目标的优先级（根据索引）,报告控制,.,48,传感器管理系统通过选择不同的控制参数控制传感器的运行方式，主要有全局控制、分扇区控制、指定目标控制和搜索控制四种方式。,（1）全局控制方式,全局控制方式可以用来建立传感器运行的全部参数。对于不具有并行或时分多路复用工作方式的传感器，它是传感器的单一控制状态。对于那些允许按扇区，或者按扫描航迹并行操作的传感器，除对指定扇区或指定目标活动区域进行控制外，全局控制方式仍是主要的控制方式。,.,49,（2）分扇区控制,分扇区控制是将传感器的监视空间划分为不同的扇区，各扇区可以选择不同的传感器工作参数。扇区控制数据的存储、工作模式或参数的选择开关，可以直接设置在传感器中，也可以由融合系统的管理员直接从外界实时输入。,.,50,（3）指定目标控制,指定目标控制是控制传感器去完成某个监视扇区中的特定功能，或对传感器的特定动作指定不同的目标，如周期性地跟踪复现目标。为了控制传感器对目标的动作，传感器管理系统必须提供目标的位置和方位估计，以及关于估计和模型参数的搜索范围。,.,51,（4）搜索控制,搜索控制是指传感器管理系统要求传感器去搜索一个特定的空间。此时，除了要设置传感器的工作模式外，还要给出方位、距离、高度等空间限制参数和滤波参数，并根据目标的型号、高度、速度等属性特征来限制传感器探测目标的种类。,.,52,8.2.4传感器的指示与交接,传感器管理的根本目的是通过协调各种传感器的观测行为，提高整个系统的监测效能。传感器的指示与交接是传感器行为协调的两个重要方面。传感器指示就是根据一种传感器的检测信息去引导另一种传感器来对准同一个目标或事件。传感器交接则出现在两个传感器之间移交监测目标或者火控任务时。,.,53,需要进行传感器指示与交接的原因：,（1）在多传感器系统中，当一个目标即将脱离传感器A的监控而进入其他传感器的观测范围（时间和空间）时，传感器A应该及时提示其他传感器，保证它们迅速地发现该目标和恢复其航迹。,（2）不同类型传感器只能提供被探测目标的一些有限的空间测量信息（如单一的无源传感器只能提供目标的方位信息）或标识信息，此时，为了获得目标更全面的信息就需要指示其他传感器去收集目标其他方面的数据。,.,54,（3）在无源定位系统中，为了实现对目标的协同定位，一个无源传感器需要指示另一个远程定位传感器去采集其他方位数据。这时，指示传感器应该向被指示的传感器提供发射体属性、时限、预测的搜索方位等数据，以辅助其搜索。,（4）武器系统上的主传感器在分辨率、灵敏性等方面都优于自动寻的武器上的传感器，当主传感器探测识别到一个被自动寻的武器攻击的目标时，需要将目标属性信息传送给自动寻的武器，指引该武器截获并锁定目标。,.,55,一般来说，用来指示的传感器视场较大，分辨率较低，被指示的传感器视场较小，分辨率较高，因此传感器的指示和交接功能在一定程度上节约了传感器资源。,传感器在指示和交接过程中必须进行两方面的处理：,（1）指示传感器向被指示传感器提供目标的充分信息；,（2）被指示的传感器必须到指定的范围内搜索指定目标，并证实已经截获了该目标；,.,56,传感器的指示方式主要有静态指示和动态指示两种。,在静态指示中，指示传感器直接把被指示传感器引导到自己的视场中心进行检测，如果已知指示传感器的误差估计量，就可以将中心位置上的正确指示概率作为指示传感器的视场函数来计算。,在动态指示中，指示传感器不是固定在一个点进行探测，而是根据误差统计量选择一种特定的搜索模式，并按照这个模式在指示传感器的视场内进行搜索和检测。,.,57,传感器之间交接的方法主要有人工交接、粗交接、先粗后细交接、纯细交接、先粗后简细交接和简化细交接六种。,人工交接的门限是人为设定的。,粗交接中的门限设定得较宽。,先粗后细交接是先用一个较宽的门限进行预过滤，再从落入门限内的跟踪数据中进行交接处理，该方法适合密集目标环境。,.,58,先粗后简细交接与先粗后细交接的思路是一样的，只是采用了简化的细交接算法。,简化细交接是被指示传感器对所有跟踪轨迹作简化的交接运算，从中选出应该交接的跟踪轨迹。,纯细交接是被指示传感器计算本站所有跟踪轨迹，从中选择一条交接概率接近1的跟踪轨迹进行交接，这种方法的计算量很大。,.,59,如何确定正确交接与否？,传感器的指示与交接是否成功，不仅取决于指示传感器和被指示传感器对同一目标跟踪轨迹的指示与交接，而且取决于它们对不同目标跟踪轨迹的鉴别。,可以在指示传感器传到被指示传感器的目标跟踪轨迹数据附近设置一个门限，若被指示传感器的目标跟踪轨迹落入这个门，则实现正确交接。在这种方法中，影响交接的主要因素是目标密度、门宽和被指示传感器的测量误差。,.,60,8.2.5传感器系统资源优化,在传感器管理过程中，系统要在满足检测概率、目标识别率以及目标定位精度等性能要求的条件下对传感器资源进行优化使用，所以需要讨论传感器系统度量指标和基于这些指标的优化方法。,.,61,（1）传感器系统度量,传感器系统度量指标有两个：一个是系统的性能度量（MOPMeasureofPerformance）；另一个是系统的效能度量（MOEMeasureofEffective）。,.,62,MOP是系统中各种传感器和融合算法的具体行为属性度量，取决于检测概率、虚警概率、识别概率、识别距离、定位精度、信号的发射和检测时间差以及目标分类的准确性等指标。,.,63,MOE是对系统功能在辅助完成某种任务过程中所发挥的作用程度的一种描述，主要包括目标指定率、信息的实时性、警告时间、目标漏检率和对抗消除等。其中目标指定率是指融合系统被敌方武器系统正确识别并指定为攻击目标的概率；信息的实时性是指实时获得信息并辅助决策的过程；警告时间是指正在逼近的威胁和敌方行动的发生时间；目标漏检率是敌方目标逃避我方传感器系统检测的概率；对抗消除是融合系统避免由于敌方采用电子对抗措施而导致性能降低的能力。,.,64,以上所述的度量指标可以用来估计怎样很好地实现一个传感器系统。MOP/MOE的表现形式很多，下表列出了一部分。,.,65,MOP/MOE类别,MOP/MOE例子,检测与漏检,目标探测范围,指定距离的目标探测率,指定最小距离的目标探测率,观测空域内的漏检目标数目,观测空域内目标检测率,目标跟踪,航迹变化率,