战场侦察中的异构传感器优化部署与调度

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传感器网络在现代战场中发挥了极其重要的作用。多样化的目标类型、多维度的信息状态、非同构的侦察环境以及差异性的目标威胁,对战场侦察中的传感器资源管理提出诸多新的挑战。现有研究中传感器感知模型较为理想、部署环境多为同构、管理策略相对简单,使得多数研究成果应用于战场侦察中时表现出局限性。基于此,本文针对战场侦察中的异构传感器优化部署与动态调度问题展开研究,涉及的传感器类型为:车载CCD、车载红外照相机、车载地面活动目标侦察校射雷达、车载炮位侦察雷达、机载CCD、机载红外照相机、机载合成孔径雷达、机载电子侦察设备,主要对单兵、装甲车、雷达车、指挥所、炮阵地、雷达分队、装甲分队等进行侦察。首先,结合战场环境中各类型异构传感器的实际工作原理,建立符合侦察需求的异构传感器感知范围模型;结合侦察任务特征以及异构传感器探测性能,在概率感知模型的基础上引入侦察效能因子,对传统探测效能的计算方式进行改进;受地面平台通达能力的制约,采用广度优先算法得到异构地面平台在自然环境以及敌方威胁影响下的通达性矩阵,并结合任务区域优先级差异,分别构建空、地非同构环境价值分布图;由于侦察区域地势起伏,改进复杂环境遮挡下的传感器感知范围影响模型。通过对侦察环境复杂性的分析与建模,得到可以较好反映战场侦察实际情况的模型。然后,考虑到空、地子系统在战场作用、探测能力、平台机动性能等方面的差异,分别提出机载异构传感器、以及地面异构平台优化部署策略。根据两子系统间的共同点和差异性,分别建立问题的指标函数模型,通过多目标粒子群(MOPSO)算法对模型进行优化求解,先后得到结合任务区域特征和异构传感器性能的传感器多任务区分配方案,以及基于此方案的异构传感器(平台)优化部署结果。在机载异构传感器部署策略中,考虑到机载传感器对地探测范围具有非圆性,通过坐标变换对无人机航向角进行优化,由于部分传感器存在多种工作模式,通过区分侦察区域类型,在部署方案中对某位置传感器采用的侦察工作模式进行了相应的标注;在地面异构平台部署策略中,考虑到平台载荷的约束,引入异构传感器与地面平台配系的概念,将对异构传感器的分配转化为对异构平台的分配,从部署独立传感器节点到管理地面机动平台,得到的部署方案符合战场实际情况,具有实用性。接着,针对战场环境中不同类型、不同程度的态势更新,设计了两种地面异构平台动态调度策略。采用文中提出的可移动平台判断方法,对区域中的平台状态进行统计;采用深度优先算法、图像膨胀与腐蚀等方式对侦察效能矩阵进行处理,然后基于k-means聚类算法得到环境中漏洞区域参数,并结合环境态势情况,选用不同的调度方案对侦察效能矩阵进行修正;在调度过程中通过A*算法计算平台调度前后的移动距离,从而得到准备时间尽可能短的调度方案,在提高侦察效能的同时,有效的延长了网络生存周期。最后,设计异构传感器资源优化管理系统软件,并在某侦察项目中验证本文提出的算法。利用Matlab动态链接库调用各模块对应的Matlab程序,利用QT将输出结果可视化显示在结果展示界面;经过多种想定情景、侦察环境的验证,文中提出的异构传感器资源管理策略均得到了较高的侦察效能以及全域覆盖率。仿真结果表明,本文提出的异构传感器优化部署与动态调度策略能较好的满足战场侦察需求,具有实用性和有效性。
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