多光电侦察设备综合网络体系方案研究

赵俊成，刘建平

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

引言

未来战争将是以信息进攻和信息防御为主导而展开的斗争，并且会愈加尖锐和激烈。光电侦察系统布站组网可作为重要的情报信息源，是指挥、控制、通信、计算机、情报、监视与侦察(C4ISR)系统的支撑部分[1]。在目前高技术条件下的局部战争中，攻击无人机和巡航导弹已经成为一种重要的精确攻击武器，在历次战争的空袭中都发挥了卓越功效。无人机和巡航导弹作为一种低空突防的隐身目标，对其防御的关键就是探测与跟踪[2-6]。由于其具有低空性能和隐身性能特点，用单一的探测手段很难发现目标，且单台光电侦察设备很难实现对多目标的探测处理，同时由于光电侦察系统多采用凝视跟踪手段来实现对低空快速小目标的侦察与跟踪，很难实现全空域搜索，并且由于光的物理特性和地球曲率等因素影响，光电设备对快速小目标作用距离不远，尤其是激光探测距离很小，一般不大于50 km[7-8]。

针对单台光电设备存在的缺陷，为了扩大防御范围，需要研究将多台光电侦察设备适当布站组网，前伸警戒线，力争尽早预警，实施监控。

1 光电组网优势及必要性

光电侦察系统组网技术是通过将多部不同光谱探测、不同体制的光电侦察设备适当布站，借助通信手段链接成网，通过中心站统一调配而形成一个有机整体，使光电侦察、跟踪系统阵列化、网络化，形成区域侦察系统，实现防空要地大区域内截获目标，并可对目标进行多点接力跟踪、测量、定位，实现对目标全程跟踪，也能够通过多单元交会测量获取目标位置数据。由于单一传感器的视野范围是有限的，利用方位连续扫描或多传感器视场拼接可解决单传感器视角不足这一问题[9-10]，但是其作用距离仍然有限。通过采用阵列布站组网可以扩大光电侦察系统的侦察覆盖范围和探测距离。这种将多个光电侦察站联系起来构建的远程预警网，采用阵列式、栅格化布局，由中心站统一协调，实现多个侦察站协同工作，联合探测目标，进行顺序接力探测、跟踪，扩大了侦察范围，能够缩短预警时间，拓展防空空间，从而实现远距离大范围光电侦察。

1.1 国内外研究现状

国外较早地对侦察设备组网进行了一系列的研究，得到了大量研究成果。在20世纪90年代美国国防高级研究计划院和美国陆军一起对侦察设备组网开始了研究，主要通过分布在战场的侦察设备对陆军战场进行警戒、目标跟踪以及截获[11]。国内对侦察设备组网问题也进行了一系列的研究，但主要集中在类似对雷达等侦察设备的组网研究。

这些研究使单个侦察设备的性能得以改善，目前已经有多个国家已经使用组网技术进行公共气象服务以及进行空中交通管制。因为组网中增加一部现有侦察设备成本较低，并且能够使侦察准确度得到提升。但是多部侦察设备消耗更多资源，如何使侦察设备组网通过合理布局以及资源分配来达到最优的侦察性能是组网技术的关键。

1.2 光电组网优势

光电侦察系统布站组网后有其独特的优势：可以在所辖作战空域内实行接力跟踪，多层次警戒，探测各种来袭目标，并对目标进行多重定位、补盲，做到不漏情报和减少虚警；同时在中心站对各站上报的来袭目标数据进行融合处理和综合判断，及时列出各目标的威胁等级，并对各种威胁目标提出相应的对抗措施，实现对防区内重点目标的有效保护，提高了己方的生存能力。整套系统很容易进行网内数据共享，提高了系统的搜索效率，节省了系统的反应时间。通过网络实现信息共享并为其他光电侦察站提供目标指示信息，快速发现并捕获跟踪目标。相邻光电侦察站通过中心站协调实现对目标的接力跟踪，进一步实现对目标的远距离、多波次火力打击，也可实现全空域探测跟踪目标，提高防空系统的可靠性。

本文着眼于远距离大范围光电侦察技术，提出了侦察站的布置和组网方法，重点研究了阵列式光电侦察系统布站方法，组网单元间距的设置、组网侦察区域布置和覆盖密度分析和目标发现概率分析计算等。

2 布站组网方案

2.1 布站方案设计

把分散的单个光电侦察单元进行组网，通过将资源合理配置和优化，就能从技术和战术两个方面充分挖掘和利用阵列式网站的综合效能。系统布站采用行列矩阵结构，由m×n个光电侦察阵列组成，每个光电侦察站均具有独立远距离探测和跟踪目标的能力，通过网络通信实现信息共享。

通过单站侦察能力、网络传输能力、中心站处理能力、资源优化配置等多方面综合考虑，本系统组网规模预设为30个侦察站和一个中心站，每个侦察站的侦察范围为不小于20 km。同时，整套系统目标要求侦察范围覆盖不小于100 km×100 km。

根据方案设计目标，需在保卫目标的四周各来袭方向对称布站，采取等间距四边形配置方案，30个光电侦察站矩形布站，形成5×6阵列，还需要保证阵列内相邻单元之间有一定的侦察覆盖区域，无侦察盲区。因为侦察站的侦察范围为20 km，所以各单元间隔应不小于15 km，可保证达到预定侦察覆盖面积。在布站间距为15 km时，具体布站分布如图1所示。整个网络的部署区域为60 km×75 km，系统侦察范围将能达到100 km×115 km。

图1 布站方案设计Fig.1 Design of station distribution scheme

在布阵方案的选择上，本文兼顾了纵深或者浅近纵深地区，使前沿部署与纵深部署在规定的最低侦察覆盖上有机结合，从而提高侦察系统组网的能力。在保卫目标或保卫区域的周围，根据此布站方法进行设计，采用方阵布站模式，很容易实现布站间距和排列方式均匀、对等，而其他布站模式如圆形就很难做到，因此本文采用方阵的布站方法。

2.2 组网方案设计

在完成各光电侦察设备布站后，还需要借助通信(无线或有线)手段将其链接成网[12]，从而通过中心站统一管理，形成一个有机整体，建立“信息共享，各自为战”的对等系统网络。中心站收集网内各光电侦察设备获取的数据信息，综合处理后形成组网覆盖范围内的情报信息，同时指示系统内其他设备对不同威胁等级的目标采取不同措施。

阵列式光电系统组网是典型的分布式军事信息系统。由于各站分布在不同的地域独立工作，与融合中心之间通过网络通信进行数据传输，所以我们采用分布交互式体系结构，建立在互联网络基础上，把分散在不同地点的设备联系起来，形成一个在时间和空间上相互耦合的综合作战环境体系。

本光电侦察系统组网采用层次型分布式双冗余10/100 MB自适应以太网，网络的逻辑结构见图2所示。

图2 光电侦察系统网络体系结构图Fig.2 Structure diagram of photoelectric reconnaissance system network

光电侦察系统网络的物理连接方式采用10BASE-T/100BASE-TX星型拓扑结构。核心层交换机是访问层交换机互连的高速主干，采用双冗余堆叠式结构，并配置高速以太网接口。对于交换机的配置，由系统统一组织进行配置，访问层交换机与核心层交换机连接，使用访问层交换机的各个分系统，选取同种型号的访问层交换机，并将交换机上序号顺序最后的4个百兆端口进行相互级联，用于访问层交换机之间的冗余连接。

3 布站间距分析

为了在较远的距离上提供空情，防止敌方实施突然袭击，光电布站通常在作战地域靠近前沿的地带部署一定的侦察单元，尽量前伸警戒线，力争尽早预警，实施监控。但考虑到单站侦察能力有限，增大布站间距有可能导致侦察盲区，因此还需要分析计算出一个最优的布站间距。

本文所述的阵列式光电侦察系统根据保卫对象的不同，可以采用不同的阵列结构，其布站的方法相近。为了便于分析，以上文方案中的5×6光电侦察阵列进行分析。本系统组网规模为30个侦察站和一个中心站，按照5×6阵列布置，各个侦察单元的作用距离不小于20 km。若各单元间距为20 km，即整个网络的部署区域为80 km×100 km，则系统侦察范围将达到120 km×140 km。

在单个光电侦察站侦察距离固定的情况下，为了选出最优的布站间距，我们分别采取10 km，15 km，18 km，20 km等多种不同间距进行组网布站分析。图3为采取5×6阵列布站，在4种不同间距下的布站分布图。

4种不同间距情况下的部署区域、侦察范围和最大覆盖密度比较见表1所示。

图3 不同间距下的网络覆盖范围示意图Fig.3 Schematic diagram of network coverage area at different spacings

表1 相同单元不同布站间距比较Table 1 Comparison of the same unit at different spacings

从图3和表1可以看出，布站间距的选择和单站的作用距离有关。布站间距越小，阵列内覆盖密度越高，在单站的作用距离一定，侦察总范围相同的情况下，使用的单元数越多，成本就越高，资源利用率比较低，处理的数据量也比较大，不过其数据的可信度却比较高。通过对几种阵列化布站研究和分析，在单站作用距离不小于20 km时，合理的布站间距在15 km～20 km之间，按照15 km间距布站，系统联合作战效能最优。为了减少阵列单元的数量，降低成本，在单站作用距离不小于20 km时，可以将布站间距提高到20 km。

4 作战效能分析

作战效能分析从两方面入手，即整体性和协同性。从整体出发而不是从分系统或部件出发，对侦察系统组网作战能力的分析应该遵循整体性的原则，真正的理解侦察系统组网所具有的单站无法比拟的优势。协同性方面，任何系统均由多个分系统和多个要素组成，它们之间并不是简单的拼凑，而是密切关联，具有因果关系、协同关系和总体均衡性，不只是需要优化某一方面。因此我们分析系统的问题就以这种因果关系、协同关系为条件，研究系统中要素与要素、要素与系统、系统与环境间的各种关系，把握这种关系。

为了客观地量化分析阵列式光电侦察系统相对于单站作战效能的指标提升，我们建立如下数学模型：

1) 系统组网规模为5×6个单元，各单元间距选择上文中分析得出的最优间距R=15 km;

2) 计算出单站侦察范围，每个光电侦察单元对巡航导弹的探测距离r≥20 km，则单站全向扫描覆盖的区域为：πr2=3.14×202=1 256 km2；

3) 计算网络覆盖范围，整个侦察网络覆盖范围为100 km×115 km；

4) 定位网络保护目标，被保护目标在指定侦察覆盖范围中心。

在上述模型基础上，可以量化分析系统网络作战效能。按照图1所示布站，网络部署区域SS可表示为

SS=((m-1)×R)×(n-1)×R

(1)

式中R为布站间距。那么5×6阵列网络部署区域为60 km×75 km。

网络覆盖范围ST可近似表示为

ST=((m-1)×R+2r)×((n-1)×R+2r)

(2)

式中r为单站作用距离。5×6阵列网络覆盖范围约为100 km×115 km。

4.1 覆盖密度分析

对使用30个光电侦察单元在最优布站方式下的威力覆盖密度进行分析。5×6阵列式光电侦察系统在间距15 km时网络覆盖比例的简化图如图4所示。

图4 网络覆盖比例简化图Fig.4 Simplified diagram of network coverage scale

威力区覆盖密度Ccd定义为网内所有光电侦察威力区面积之和与侦察网威力区面积之比，即：

(3)

式中：Ai为i类区域的面积；Anet为侦察网威力区面积。

威力区覆盖密度最小为1，对应于阵列内各光电侦察威力区互不重叠，若有部分威力区互相重叠，威力区覆盖密度则大于1。在侦察网威力区面积固定的情况下，覆盖密度越大，说明阵列式光电网的探测空间越严密，也就需要以多部署侦察站为代价。

图4中整个系统光电侦察网络覆盖区域根据系统覆盖密度可分为下列6类区域。根据图3(b)可以计算各类区域大约所占比例，即：

(4)

式中Ki为i类区域所占侦察网威力区的百分比。

只有1部光电侦察单元能够覆盖的区域(简称Ⅰ类区域)，如图4中标注1的区域，覆盖密度等于1，A1约占整个覆盖区域23.3%。

有2部光电侦察单元能够覆盖的区域(简称Ⅱ类区域)，如图4中标注2的区域，覆盖密度等于2，A2约占整个覆盖区域18.7%。

有3部光电侦察单元能够覆盖的区域(简称Ⅲ类区域)，如图4中标注3的区域，覆盖密度等于3，A3约占整个覆盖区域8.9%。

有4部光电侦察单元能够覆盖的区域(简称Ⅳ类区域)，如图4中标注4的区域，覆盖密度等于4，A4约占整个覆盖区域19.7%。

有5部光电侦察单元能够覆盖的区域(简称Ⅴ类区域)，如图4中标注5的区域，覆盖密度等于5，A5约占整个覆盖区域19.7%。

有6部光电侦察单元能够覆盖的区域(简称VI类区域)，如图4中标注6的区域，覆盖密度等于6，A6约占整个覆盖区域9.7%。

从图4中可以看出，整个覆盖范围呈现出由边缘到中心，覆盖密度由低到高的态势，同时各个方面覆盖密度分布均匀，可以从容应对来自四面八方的威胁。整套系统能够实现对中心区域的最优保护。

由于需要总覆盖范围和重点探测范围2个参数，由分析结果可以看出，2个指标是矛盾的，当总覆盖范围较大时，此时光电单元位置确定后，重点探测范围就会变小；而重点探测范围变大时，由于覆盖范围重叠的光电单元也变多，那么总覆盖区域的范围就变小了。因此需根据实际情况来确定侧重哪一个指标，以此优化模型参数，进行位置优化来满足实际需求。

4.2 目标发现概率分析

对于目标的发现概率，根据概率论原理进行分析[13-15]。若单部光电侦察站的目标发现概率为Ps≥90%，那么当侦察目标在覆盖范围内，且30个光电侦察站全部投入工作的情况下，由于Ⅰ类区域只有一个光电侦察单元能够覆盖，所以Ⅰ类区域的目标发现概率PI≥90.0%。

在Ⅱ类区域内，由于网内各单元信息共享，第一个单元发现目标概率为90%，则第二个单元共享此数据，而对于第一个单元未发现的10%，第二个单元又有90%的发现概率，则Ⅱ类区域内目标的发现概率PII为90%+10%×90%=99%。根据概率论原理计算[16-17]，目标的发现概率可以用下式表示：

Pi=1-(1-Ps)i

(5)

式中：i为区域类别或覆盖密度；Pi为i类区域的目标发现概率。

以此类推可以计算出：

Ⅲ类区域的目标发现概率PIII≥99.9%；Ⅳ类区域的目标发现概率PIV≥99.99%；Ⅴ类区域的目标发现概率PV≥99.999%；VI类区域的目标发现概率PVI≥99.999 9%。这说明威力范围内具有一定重叠系数的阵列式光电侦察系统可以提高目标的发现概率。

除此之外，无论哪个区域发现目标，通过中心站信息共享，对其他区域内的光电单元均具有预警作用，也可以提高目标的发现概率，但这类概率提高无法准确量化。

在Ⅱ类以上区域，系统也可通过2台以上交会测量(2台以上同时测量同一目标)获取有效目标定位数据，即有效获取目标定位数据概率≥99.0%。

整个系统网络的目标发现概率Pnet为

(6)

在整个系统网络覆盖的100 km×115 km区域内，目标综合发现概率为97.472%。由此可知，阵列式光电侦察系统通过合理布站部署，可实现大范围防护，并有效提高发现目标的概率。

5 结论

本文把分散的光电侦察单元进行组网，进行了合理配置和优化，通过理论研究和实际计算，从技术和战术两个方面充分挖掘和利用阵列式网络的综合效能。本系统布站由5×6光电侦察阵列组成，每个光电侦察站均具有远距离探测和跟踪目标的能力，通过网络通信实现信息共享并为其他光电侦察站提供目标指示信息。相邻光电侦察站通过中心站协调实现对目标接力跟踪，进一步实现对目标的远距离、多波次火力打击，也可实现全空域探测跟踪目标，提高防空系统的可靠性。针对复杂电磁环境下低空突防的快速小目标，实现了远距离、大范围搜索、发现、跟踪，阵列式组网技术对巡航导弹、无人机等目标的预警侦察，目标指示及火力控制等等问题的解决提供了新思路。