2.4.6　组网与站点部署技术

2.4.6　组网与站点部署技术

所谓组网，就是将编队内不同体制、不同频段和不同极化方式的传感器（包括指控系统、火控系统、武控系统、雷达系统和红外系统等）按一定的配置方法进行部署，实现对目标的联合探测、定位与跟踪。不同的传感器可以从不同的方向上对目标进行探测和跟踪，并把各传感器站获得的目标信息实时互通，成“网状”收集和传递，并由中心站综合处理、控制和管理，从而形成一个有机的整体。网内各传感器站的信息（如原始视频、点迹和航迹等）汇集至中心站进行数据融合，经数据融合建立起比单部传感器质量更好的航迹，得出传感器覆盖范围内的情报信息和战场态势，甚至可利用融合数据进行制导。传感器组网示意图如图2-73所示。

组网与站点部署需要具备以下几个特点：

（1）传感器分布在不同的作战节点上，为了更精确地获取目标信息，传感器必须从不同角度对目标进行探测。

（2）传感器可能是同质的，也可能是异质传感器。如雷达与红外传感器的配对就属于异质传感器间的协同探测。

（3）协同传感器管理对硬件系统的要求非常高，如通信网络的带宽、系统计算能力。

（4）协同同步不仅是传感器的工作方式，也是传感器的管理方式。

使用传感器组网系统进行协同探测，控制在不同位置上同质或异质传感器资源，按最佳时间序列对目标进行探测，达到以下目的：①测量时机最佳；②传感器位置分布最佳；③传感器-目标配对最佳。如此可见，传感器-传感器搭配最佳。

要将不同的传感器节点有机联系起来协调工作，各部传感器就必须在时域、频域、空域上协调一致地有效工作，达到数据融合处理、资源共享和互相支援的目的。传感器组网主要技术如下所述。

2.4.6.1　传感器组网技术及组网原则

传感器组网技术研究传感器组网的具体原理、方法、算法和工程实现方案。传感器组网技术又是一种战术，它包含技术和战术两个层面，需要综合考虑战术和技术因素。传感器网性能分析重点研究传感器网的威力、检测性能、效能评估、情报信息融合算法、对小目标的检测能力、多元信息提取和自适应能力分析等，另外传感器网综合设计还要考虑雷达组网设计和优化部署、传感器群网设计和优化、情报传输处理自动化系统设计开发和优化。

传感器组网要考虑的组网原则如下所述：

1）空域覆盖原则

保证传感器网管辖区的全空域覆盖衔接；一部传感器的顶空盲区必须由另外至少一部传感器的威力图所覆盖；空域覆盖要有一定的冗余；不仅要考虑水平面上的覆盖，还应考虑高度上的覆盖；保证对低空、超低空目标的探测。

2）对抗原则

部署新的、功能更强和频带更宽的传感器设备，提高其电子对抗能力。对抗方式有空域对抗、频域对抗和功率对抗等。

（1）传感器网内应尽可能采用具有以下抗干扰技术体制的传感器。

（2）高空间滤波特性，副瓣对消、副瓣消隐。

（3）自适应相控阵。

（4）高分辨力，脉冲压缩。

（5）频率分集，频率捷变。

（6）动目标选择，脉冲多普勒系统。

（7）变脉冲重复频率和积累，单脉冲体制，复杂调制波形。

（8）隐蔽接收，被动定位。

（9）新的信号检测处理技术，目标识别，极化雷达。

（10）米波雷达、毫米波雷达和超宽带高分辨率成像雷达、逆合成孔径雷达。

（11）高平均功率。

3）网络变通原则

根据作战形式的变化，传感器网的任务也会随之改变。传感器网应该具有良好的功能变通能力，以迅速适应战场形势的变化。传感器网变通分为硬变通和软变通。硬变通即在网内增加或减少传感器，或网内传感器机动转移。软变通又分为单部传感器软变通和网络软变通，传感器软变通基于传感器软件化技术，网络软变通基于通信技术和信息融合技术。

4）网络互通原则

现代高科技战争条件下，海、陆、空、天、信息五维一体化，从指挥到侦查的作战一体化，部队作战中心与网络中心一体化。这就要求网络内部以及网络之间应具有互通能力、互操作能力和互作用能力。为此，应支持同步与异步传输；支撑多频段并行数据传输；支持有线、无线、卫星通信；支持不同数据链路的交链，或全局或战区链路的转轨。增强网络的互通性和兼容性，以提高其协同作战能力。

5）信息防护原则

增强信息防护能力，保证我方信息系统的安全，防护敌方对我信息网络的利用、干扰和破坏。应特别注意计算机网络安全问题和空间电磁信息安全。

6）快速机动原则

传感器应具有快速的转移和建站的能力，这是抗干扰、避攻击和战场支援的有效手段。机动将成为传感器未来作战的一种主要方式，是传感器生存、情报保障和保持持续战斗力的关键。在传感器网部署时，固定传感器、机动传感器和隐蔽传感器应有机结合，根据战场环境合理布局。

7）快速反应原则

传感器网快速提供可靠、安全、大容量与高精度的信息，可以为部队提供作战的先期规划、胜出一筹的作战部署，支持部队的机动行动，确保全面优势。传感器网快速反应能力取决于网络通信结构、信息融合技术和单部传感器信息的获取速度。

8）准确性原则

传感器网的信息准确性基于单部传感器的信息准确性。单部传感器信息准确性取决于距离方位精度和分辨力、发现概率和虚警概率等。传感器网信息准确性取决于传感器网信息融合技术。所谓信息融合技术，是协同利用多源信息，对同一事物或目标的各种特征信息进行综合处理，从而更好地识别目标的技术。

9）生存威胁

传感器网的生存威胁来自反辐射导弹、计算机对抗、分布式电子干扰、定向能武器、弹道导弹、巡航导弹、隐身飞机和无人攻击机等。主要的生存威胁来自反辐射导弹和电子对抗。

传感器网的生存能力基于网内单部传感器的生存能力，同时与组网方式、通信方式、作战指挥手段、传感器网信息融合技术和机动能力等因素有关。传感器网的稳定性是体现传感器网生存能力的一个因素。传感器网的有效性很大程度上取决于其抗电子干扰的生存能力。

10）效费比原则

传感器是一种大型的高科技电子装备，其造价很高；传感器网是由大量传感器装备构成的，因而其综合造价惊人。如何在保证传感器网的综合性能条件下使传感器网的综合造价最低，这是很有必要深入研究的课题。

图2-74所示为地面对空监视传感器网的体系结构，国家地面对空监视传感器网下辖国内各战区网，并在必要时直接或通过战区网调用星载预警传感器、机载预警传感器、气球载预警传感器、超视距传感器和大型相控阵雷达的情报信息，与常规地面传感器网信息进行融合。

2.4.6.2　空间同步和相位同步技术

1）空间同步技术

当发射天线转动时，发生脉冲就在空间传播，遇到目标便反射电磁波，接收站接收到回波，并从中检测出目标。由于接收和发射异地，因此需要利用发射波束与基线的夹角、距离以及基线距离来求解空间三角形，得出目标到发射站或接收站的距离和目标到接收站与基线的夹角，这样接收站形成波束对准回波方向，并接收到目标信息，此过程称为空间同步（图2-75）。它可以采用脉冲追赶方式实现，即发射脉冲在空间传播，接收波束对准可能有回波返回的方向1、2、3、…。因为电磁波在空间以光速传播，所以接收波束的调整应很快，用数字方法形成波束能满足要求。

2）相位同步技术

接收站要接收回波信号必须知道其发射频率，发射站可能工作于捷变频状态，因此要将其频率码传到接收站。同时在两站各放置一台高稳定的原子钟，使两站的频率基准一致。利用原子钟和发射站的频率码使发射站与接收站的频率一致叫相位同步。其优点是接收站可以进行信号相参处理，有利于杂波抑制。

2.4.6.3　站位标定和时间同步技术

1）站位标定技术

站位标定是指对传感器网内各站进行精确定位和空间几何标校，标定误差将直接进入数据融合处理系统，形成目标定位的系统误差，从而影响传感器的跟踪精度。对传感器网中的各单站传感器进行精确定位和空间几何标定，是各站之间通过坐标变换共享数据、对目标进行精确定位和对测量数据进行融合处理的基础。同时，多目标环境下数据融合需要统一的采样时间。因此，站位标定和时间同步成为必须解决的重要问题之一。陆基雷达的标定可以利用卫星定位的方法获得各站的精确地理位置，其精度可以达到3 m 以下。

GPS是当前卫星导航定位系统应用最广泛的一种。它是美国陆海空三军共用的新一代卫星导航系统，由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS系统由24颗卫星组成，工作卫星分布在轨道高度为20 200 km的六个轨道面内，每个轨道上分布4颗卫星。自1994年整个系统投入使用以来，在地球上任何位置、任何时刻，GPS都可为各类用户连续地提供动态的三维位置、三维速度和时间信息，实现了全球、全天候的连续实时导航、定位和授时。GPS卫星发射的无线电信号含有两种精度不同的测距码，即P码（精码）和C/A码（粗码）。相对这两种测距码，GPS提供两种定位服务方式，即精密定位服务（precise positioning service，PPS）和标准定位服务（standard positioning service，SPS）。精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其特许的部门或同盟国。这类用户可利用P码获得较高的定位精度，单点实时定位精度可优于10 m。标准定位服务的主要对象是民间用户，这类用户只能利用C/A 码获得较低的定位精度，单点实时定位精度约为30 m。由于GPS与美国国防现代化发展密切相关，为了降低其他国家使用GPS的导航定位精度，美国实行了所谓选择可用性政策，即人为地将GPS标准定位服务的精度降低到约100 m。

美国政府对GPS用户实施了限制GPS定位精度政策后，引起广大民间用户特别是欧洲国家的不满。为了摆脱这种限制，国际民航组织、加拿大和欧洲等国家都在建立区域性或全球性卫星导航定位系统，并主张发展由民间控制的全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）。在这种情况下，美国政府为了维持其在全球卫星定位系统中的主导地位和对该领域的控制，抑制其他国家发展卫星导航定位系统的计划，同时扩大美国GPS产业的快速发展，还制定了相应的GPS政策，并对GPS系统进行了重要改进，以便实现GPS现代化。GPS系统的现代化措施包括以下内容：

（1）美国政府自2000年起取消了限制GPS定位精度政策，这是GPS现代化的第一步。对全世界接受标准定位服务SPS的广大民间GPS用户，限制GPS定位精度政策关闭后单点实时定位精度可提高到10 m 左右。

（2）增加第三民用频率L5，提高民用用户的定位精度。GPS卫星信号分量除包含上面提到的测距码还包含L波段的两种不同频率的电磁波载波，即L1=1 575.42 MHz和L2=1 227.60 MHz载波。经多方面的综合考虑和协调，1999年初美国决定增加第三民用频率L5，该信号的频率为1 176.45 MHz。民用用户可利用新增加的第三民用频率来直接补偿电离层延迟产生的定位误差，以提高定位精度。同时，增加民用频率还将提高GPS信号的安全性和抗干扰能力。

（3）更新和改进GPS信号结构，增强抗干扰能力。GPS卫星发展可分为BlockⅠ、BlockⅡ、BlockⅡA、BlockⅡR和BlockⅡF五个阶段。BlockⅠ卫星的设计寿命为4.5a，BlockⅡ和BlockⅡA卫星为7.5a，BlockⅡR卫星为10a。BlockⅠ为试验卫星现在已到了最初的设计寿命，目前仅有3颗还能工作，其余的均已退役。BlockⅡ和BlockⅡA 卫星的功能相当，它们均被BlockⅡR取代。BlockⅡF预计2003年发射。为了实现GPS的现代化，目前美国正在改进BlockⅡR和BlockⅡF卫星信号结构，决定在L2上加载民用C/A码信号，将为救生服务设计第三频率L5，该信号将在2005年开始广播。在军用方面，将采用新的军用信号和编码结构，克服军用信号容易受干扰的缺点，主要措施是在L1和L2上加载专供军用的M 码信号。这些改进将为美国及其盟国在世界范围内的军事行动提供更强的抗干扰能力和更好的信号安全性。

（4）启动GPS第三代卫星BlockⅢ计划，目标是设计一种能满足军用和民用的GPS结构方案，为2010年以后的使用发展新一代卫星。现有GPS信号结构的缺点是易受到干扰，BlockⅢ卫星将增加更高功率的M 码和许多功能，进一步提高抗干扰能力，实现对军方安全可靠、对民用更易利用的目的。

（5）改进接收机，采取功能模块标准化和开放式结构，并应用选择性可用率抗欺骗模块（selective availability anti-spoofing module，SAASM）提高接收机的抗干扰能力。

GLONASS是继GPS之后应用较广泛的卫星导航定位系统。它是由苏联国防部独立研制和控制的军用导航定位系统，采用与GPS相近的24颗卫星的星座结构。自1996年初正式投入使用以来，GLONASS可为各类用户连续地提供动态的三维位置、三维速度和时间信息，并一直是以GPS/GLONASS组合的接收机出现在实际应用中，其定位精度可达到10～15 m。表2-4列举了不同国家地区的GPS精度对比。

2）时间同步技术

时间同步是指组成传感器网的各单站传感器在时间上必须严格一致。通常各传感器天线的扫描是完全异步的，如无统一的时标，就很难进行信息融合。目标速度越快，机动越大，对时标误差的要求就越严格。多目标环境下，数据融合需要统一的采样时间，而不同体制的传感器组网时有着不同的数据格式及采样时刻。因此，时间同步成为必须解决的重要问题之一。

所谓时间同步，是使2个时钟对准，或是确切知道2个时钟的钟差，在后续处理中补偿这个钟差。在协同作战过程中，将现有作战系统中各种传感器获得的数据，进行共享、融合，通过相关算法，进一步计算出威胁目标的相关信息，如定位信息、各传感器获得的目标信息进行相互补充等，建立起一个单一的、共用的敌方目标态势图，并针对敌方态势做出相应的作战及防御措施。

由于现有作战系统中各单站都有自己的本地时钟，因此不同站点的晶体振荡器频率存在的偏差，以及温度和电磁波的干扰等都会造成站点之间的运行时间偏差，要将各站点中传感器获得的数据进行共享、融合，获得正确的敌方目标态势，必须即时校准各单独站点的时钟，保持各站点时间的高精度同步。本书就协同作战中的时间同步技术展开讨论，寻找出最佳的时间同步方案。

目前解决时间同步的途径有三个：一是利用卫星定位系统的高稳定时钟，例如美国的全球卫星定位系统（GPS）和中国的北斗卫星定位系统，其测时精度可达30～40 ns，精度满足要求，但战时易受干扰；二是在各传感器站使用高稳定的枷原子钟作为同步信号，使用前进行统一时间校准，这种方法经外军采用，精度可达20 ns，且被证明是可行的。三是将一个高精度的原子钟分别搬到网内各个制导站，分别使站上时间与钟上时间同步，已达到同步整个网的目的，其精度可达到80 ns左右，其优点是依赖性小，但工作量大。采用北斗卫星定位系统来进行时间同步，其授时精度约100 ns。

（1）常用时间同步算法。无线传感器网络中常见的几种时间同步算法包括RBS算法、TPSN算法、Mini2Sync及Tiny2Sync算法、FTSP算法、LTS算法和RSP算法等。目前常用的典型算法有：RBS算法、TPSN算法和FTSP算法。

RBS（reference broadcast synchronization）算法是Elson等以“第三节点”实现同步的思想而提出的，其算法关键路径如图2-76所示。其基本思想是某一节点广播参考消息给他的邻居节点，这个参考消息不包括时戳，相反，它的到达时间被节点用来作为参考对比时钟。节点广播单个脉冲给其他接收者，接收者在收到脉冲的基础上再交换记录脉冲的时间，进而估计节点间的相对相位偏移。

TPSN（timing2Sync protocol for sensor networks）算法是由加州大学网络和嵌入式系统实验室S.Ganeriwal等提出的基于Pair-wise的同步算法，其时间同步交换示意图如图2-77所示。

TPSN算法时间同步交换分为两个阶段：第一阶段为层次发现阶段，其目的是在网络中产生一个分层的拓扑结构，并使每个节点都赋予一个层次号；第二阶段为同步阶段，其基本模块就是成对节点间双向的消息交换，并假定节点间时钟偏移量在单消息交换的短时期内是不变的，双向的传输延迟也是相同的：

式中，Δ 为两个节点之时间偏差值（同一时间节点B 的时刻减去节点A 的时刻），为固定值；d 为两节点封包传递延迟时间。

FTSP（flooding time synchronization protocol）算法中，同步节点使用一个封包，利用广播方式，将时间同时发送给其他节点。广播消息由时间戳、根节点ID号和顺序号三个域组成。当接收到消息，节点计算其全局时间与嵌入在消息中发送节点的全局时间之间的偏移，更新自己的全局时间，并广播自己的全局时间到邻节点。FTSP算法相对于一般同步算法的主要改进是：根节点动态选取，任何节点如果在预设的时间间隔内没有收到时间更新消息就宣布自己为根节点。为确保网络中仅有一个根节点，如果一个根节点听到来自节点号更低的节点的时间同步消息，就放弃自己的根节点状态。

（2）协同作战系统中适合的时间同步算法。首先，对这几种传统算法进行比较，可以发现，RBS算法时间误差的主要来源是传输时间和接收时间的不确定性，当广播范围较大时，传输误差是不可以忽略的，且同步范围不包括参考节点，则其不适合协同作战系统。TPSN算法中在计算钟差固定值Δ时，假设双向传输延时是相等的，并通过计算将延时消除。双向传输的延时包括两个部分：电磁波空间传播的时间，发送及接收信号的处理时间。协同作战系统以三站为例，如图2-78所示。

信号的发送和接收由通信设备完成。一般系统中各站点之间的距离不超过100 km，这样选择适合的硬件设施及相应的通信设备，同步过程可以在很短时间内完成，则各个站点可看作相对静止。计算钟差时，传输误差可以认为是相等的，这样可以达到较高的时间同步精度。然而，TPSN算法中的拓扑结构不太适合协同作战系统。因为当某个节点遭到破坏时，很容易连续影响若干个正常运行的节点的时间。针对这点选用FTSP算法中的根节点动态选取来替代。这样不仅保证了同步网络的健壮性，而且可以任意拓展节点数，即具有较好的伸缩性。

同步算法的步骤是：将系统中的各站点编排节点号，使用TPSN 中的同步封包交换方法，在发送时间封包时，都须附上发出节点号及接收节点号，且由非主站来收齐T1、T2、T3、T4后，计算自己相对于主站的钟差Δ，并进行修正。

2.4.6.4　数据传输技术

传感器网中，各单站传感器之间是靠通信系统相互联系构成一个整体，通信系统的性能对传感器组网后的性能有着决定性的影响。因此，必须建立起一套传输速率高、稳定性高、误码率低、延时短和安全性高的通信系统。传感器网常用的传输方式及其特点见表2-5。

从稳定、高速、保密、机动性和费用等因素考虑，一般对于站间距小于30 km 的，可以采用短波、超短波通信；对于站间距大约为60 km 的，通信网可以考虑用卫星通信，或采用微波通信的方案，使用中继站进行接力。

网内传感器要协同工作，达到指火控一体化协同的目的，各个传感器站之间要传输的信息量相对较少，主要为目标信息，因而可选择微波通信。

2.4.6.5　坐标转换和统一

在传感器组网系统中，各传感器上报的目标点迹是相对各自站址参照坐标系而言的。因此在进行多站信息综合之前，要将所有外地传感器的测量值转换到统一坐标系中，然后在统一坐标系进行相关、滤波和外推。考虑到坐标转换以后的误差相关性、状态变量和卡尔曼滤波都是高维的，通常选主站传感器（一般是三坐标目标指示雷达）的测量坐标系，即方位A、仰角E、斜距R作为统一坐标系。传感器坐标统一后，虽然原来匀速直线运动的目标航迹，在传感器测量坐标系A-E-R中的每一维都变成非线性了，即产生了附加加速度，但由于系统采用了AGX 模型和卡尔曼滤波，对附加加速度同样能进行自适应跟踪，因而采用主站传感器的测量坐标系作为航迹融合的统一坐标系，不再存在由于附加加速度引起的动态滞后或航迹精度降低的问题。卡尔曼滤波可以对方位A、仰角E、斜距R分别进行，每一种滤波的状态变量是三维的。

由主站、副站传感器组成一个传感器网后，系统覆盖区域很大，由于地球曲率的影响，坐标存在畸变误差，会导致目标分裂，因而在进行坐标变换时，不能将地面看成是一个平面，而应将其看成一个旋转的椭球面。先将副站的传感器测量值转换到直角坐标系中，然后变换到地心坐标系中，最后再从地心坐标系变换到主站传感器测量坐标系中。

2.4.6.6　系统误差校准

在传感器网中，当两部传感器在重叠覆盖域内观测到同一批目标时，经坐标转换到公共的统一坐标系后，由于存在传感器系统误差，因此两航迹往往发生较大分裂，严重时会影响两部传感器的交接跟踪，把一批目标误判为两批目标。为保证同一批目标在空间上的叠合，减少相关处理中的错误关联概率，提高情报综合的准确性，对坐标转换之后的各传感器数据进行系统误差校正是雷达组网数据处理中的重要内容之一。对传感器测量数据中包含的系统误差修正有两种方法：一种是设备校准，另一种是数据校准。设备校准是采用更精密的仪器对雷达测距、测角进行标校，使其达到更精确的目的，该校准方法具有很大的局限性。然而数据校准是较通用、可实际操作的校准方法。在中心坐标系中对各传感器测量数据进行修正，以达到在同一坐标内观测结果的一致性。常用的数据校准方法有：实时精度控制法、最小平方配准法和相对系统误差估计法等。校正后的目标分裂程度仅为原来的10%左右，这就基本解决了传感器组网测量数据对不准的问题。

2.4.6.7　中心站设计

中心站是整个组网系统中的核心，它接收各个制导站送来的目标斜距、方位角、俯仰角以及测量这些参数的时间，然后利用内插、外推、滤波对上述数据进行时间对准，送交数据融合处理系统进行数据处理，得到目标的准确位置。因此，中心站的软硬件系统的研制设计对整个组网系统的性能起着非常重要的作用。采用针对不同型号指火控组网数据融合的要求，研制实用的、功能完善的中心站及数据融合处理算法，特别要考虑多目标情况下假目标的消除、数据配对，以及尽量减少计算机时间开销以满足多目标数据处理的要求。

2.4.6.8　优化布站

从着重防御上来考虑防空系统的设置，对指火控一体化系统提出优化部署方法，网内各传感器在空间位置上的配置结构，既要使传感器网能覆盖所需要的空域和监视范围，特别是要在低空、多目标探测时不能出现大的漏洞，又要考虑为了对低可观测目标达到一定的检测概率，网内传感器在监视空间要保持一定的重叠度。对传感器网布站进行优化，可以更大地发挥组网威力。

1）从探测隐身目标角度出发

为了防止指火控一体化系统出现对威胁目标漏报的情况，对系统布局时从最不利的隐身目标出发，即将检测隐身目标所需的最小的RCS随角度变化的曲线及该目标所能提供的RCS随照射角度变化的曲线画在同一坐标平面内，通过比较所需的与所能提供的RCS之间的差值，计算差值等于零时所对应的临界散射截面，并计算最大作用距离在地面上的投影距离，从而得到雷达对目标的可探测范围图。应用该方法的关键是绘制指火控一体化系统的可探测范围图。

2）从探测网连接的无缝原则出发

系统的垂直覆盖图具有这样的特点：探测目标的最大距离随目标高度升高而增加，在顶空通常存在一个张角为60°～70°的锥形盲区。因此，通过合理布站应使系统的覆盖系数大于1，对顶空盲区进行补盲，并且应以监视区域中预定目标的最低高度为基准。应用该方法的关键是要绘制出系统的垂直覆盖范围图，同时威力的全域覆盖，低空、超低空性能也是应考虑的因素。

3）从抗干扰原则出发

在网内首先选择平均功率较大、捷变频带宽较大和天线副瓣较低的传感器；其次，在系统的布局上，要把抗干扰能力较强的传感器放置在距敌干扰机较近的位置，即当来袭目标的主要方向明确时，把抗干扰能力最强的传感器布置在重点防空区域的边缘。应用该方法的关键是综合确定网内各传感器以及系统的抗干扰效能，建立抗干扰效能与传感器布站间的映射关系或数学模型。

在布站时应优先考虑探测多方位、多航路的目标，然后结合无缝连接和抗干扰的原则，设计最优的布站方案。