戰(zhàn)場(chǎng)要素的認(rèn)知處理*

彭 琛，李 亮，代冀陽，殷林飛

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

近年來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素認(rèn)知處理的過程進(jìn)行研究，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1)僅分析戰(zhàn)場(chǎng)中的局部環(huán)境信息

王基祥在《現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境分析》［1］一文中介紹了現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境，并介紹了其特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了空間環(huán)境要素，但文中并沒有對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)和地面戰(zhàn)場(chǎng)中的元素信息進(jìn)行詳盡分析。

2)僅對(duì)部分戰(zhàn)場(chǎng)要素的模型進(jìn)行研究

奚大平在闡述地理要素三維表達(dá)的理論基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地分析、探討地理要素在三維空間中不同比例尺條件下顧及地形的三維符號(hào)化表達(dá)，分別研究點(diǎn)狀、線狀和面狀地理要素基于地形模型的符號(hào)化表達(dá)方法［2］。其中對(duì)地理的三維建模很仔細(xì)，但是沒有突出戰(zhàn)場(chǎng)各個(gè)要素，例如海、戰(zhàn)斗機(jī)、衛(wèi)星等戰(zhàn)場(chǎng)重要要素。

3)設(shè)計(jì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中的戰(zhàn)場(chǎng)要素不夠全面

有些文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了虛擬戰(zhàn)場(chǎng)和導(dǎo)彈，但沒有對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中所有要素進(jìn)行分析和認(rèn)知，導(dǎo)彈不能重構(gòu)出戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。趙海龍等為給某型導(dǎo)彈部隊(duì)提供一個(gè)全新的演習(xí)、訓(xùn)練和戰(zhàn)前要素熟悉平臺(tái)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境演示系統(tǒng)［3］。其中并沒有涉及衛(wèi)星通訊等戰(zhàn)場(chǎng)要素，也沒有涉及海戰(zhàn)場(chǎng)的相關(guān)要素。

本文通過對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素的分類和分析，建立數(shù)學(xué)模型，形成對(duì)所建模型的認(rèn)知處理過程。先對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的要素進(jìn)行分類分析，并建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型;然后，進(jìn)行認(rèn)知處理，將建立的模型處理成戰(zhàn)場(chǎng)要素模型。采用層次分析法和屬性識(shí)別理論評(píng)估法對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素進(jìn)行評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素的認(rèn)知處理。

1 戰(zhàn)場(chǎng)要素的分類分析和建模

根據(jù)空間位置對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素進(jìn)行分析將其分為三個(gè)部分:天空部分，海上部分和地面部分。由于電磁干擾在整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)中的特殊性，一般都對(duì)電磁干擾單獨(dú)考慮。分析各個(gè)空間的具體因素后建立其模型，對(duì)要素的重要性分析，建立要素的模型，并對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

對(duì)于天空部分而言，主要的戰(zhàn)場(chǎng)要素有:雨、雪、冰雹、霜、霧、露、風(fēng)、云、濕度、溫度、氣壓、蒸發(fā)、輻射、電磁干擾、飛機(jī)、戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈、雷達(dá)。戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈等在戰(zhàn)場(chǎng)中的位置隨戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化而變化，而且它們對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)影響比較大，所以建立戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈的簡(jiǎn)單模型，模型中包含空間位置、速度等信息。其他空中部分的戰(zhàn)場(chǎng)要素對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)影響不大，不對(duì)其進(jìn)行建模。電磁干擾要素作為干擾信號(hào)來處理，即在戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈等模型的最后加上干擾信號(hào)即可。

對(duì)于海上部分而言，主要的戰(zhàn)場(chǎng)要素有:海風(fēng)、海浪、艦艇、電磁干擾。海風(fēng)和空中部分的風(fēng)建立相同的模型，海浪要建立海浪模型(正弦面模型)，艦艇則需建立艦艇模型，對(duì)于電磁干擾的處理是在所建的模型最后加上電磁干擾的信息。

對(duì)于地面部分而言，主要的戰(zhàn)場(chǎng)要素有:山地、山丘、起伏地面、建筑、公路、坦克、裝甲車、電磁。山地、山丘和起伏地面都對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)影響不大，將坦克和裝甲車結(jié)合電磁作為敵方地面威脅建立威脅模型。

根據(jù)上述三個(gè)部分(海、陸、空)中涉及的戰(zhàn)場(chǎng)要素，分析各個(gè)部分的聯(lián)系，綜合考慮各部分特性，建立綜合的數(shù)學(xué)模型。下面分別建立數(shù)學(xué)模型。

1)地面(海面)威脅模型

將地面(海面)威脅統(tǒng)一作為一個(gè)半球形三維空間來進(jìn)行描述。假設(shè)威脅所在的中心位置坐標(biāo)為p0t=(x0t，y0t，z0t)，其威脅半徑為 Rt，其半徑根據(jù)威脅的性質(zhì)決定。那么，威脅模型所覆蓋的空間關(guān)系可用如下數(shù)學(xué)模型予以描述:

加上它的移動(dòng)速度(vxt，vyt，vzt)，若為固定點(diǎn)威脅，該速度向量為0。即在此半球之外的導(dǎo)彈則在安全區(qū)域，在半球內(nèi)部的導(dǎo)彈為在敵方威脅以內(nèi)(不安全區(qū)域)。

建立其模型為

其中，hitt為攻擊能力，攻擊能力強(qiáng)則設(shè)置hitt的值為1，當(dāng)毫無攻擊能力時(shí)設(shè)置hitt值為0，攻擊能力的數(shù)值范圍是 hitt∈ (0，1］。

2)空中威脅模型

空中威脅模型的建立和地面模型的建立類似，只是將地面模型修改為球的模型，即在威脅的半徑內(nèi)，空中任何在球內(nèi)的位置都是不安全區(qū)域。建立它的模型為

3)導(dǎo)彈模型

根據(jù)導(dǎo)彈的飛行力學(xué)的知識(shí)建立導(dǎo)彈的模型為

其中，xd、yd、zd為導(dǎo)彈的空間位置坐標(biāo)，?、φ、γ 為導(dǎo)彈的俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角，pmax、pmin為導(dǎo)引頭可視最大和最小距離，λlr、λu、λd分別為導(dǎo)引頭左右最大可視偏角、向上最大可視偏角、向下最大可視偏角，disd為干擾信號(hào)，當(dāng)沒有電磁干擾時(shí)，電磁干擾信號(hào)disd的值設(shè)置為0，此時(shí)表明敵方并沒有施加電磁干擾信號(hào)，當(dāng)有電磁干擾存在，而且非常強(qiáng)烈的時(shí)候，設(shè)置電磁干擾信號(hào)disd的值為1，即敵方施加了很強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾信號(hào)disd的范圍是disd∈［0，1］。其它情況為從0到1之間的數(shù)值，數(shù)值越大則干擾越大。

4)環(huán)境中的山地山丘模型

對(duì)山丘建立簡(jiǎn)單的模型，即建立一個(gè)圓錐體模型，有地理位置、山的大小和山的高度的特征。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其數(shù)學(xué)模型為

即山的最高點(diǎn)海拔為Hm，山地面圓的半徑Rm，山的中心點(diǎn)為(x0m，y0m)點(diǎn)。

5)海船等艦船的模型

對(duì)在海上敵方有攻擊能力的海船等艦船進(jìn)行分析，建立其模型，包括船的地理位置、船的大小和速度要素。其數(shù)學(xué)模型為

其中，P=［xb，yb，zb］為初始的位置坐標(biāo)，S=［l，w，h］為艦船的長(zhǎng)度、寬度、高度，V=［vx，vy］為艦船沿著x和y方向的速度的大小。

6)海浪和沙丘等起伏面的模型

針對(duì)海浪和沙丘等起伏面進(jìn)行分析，將之簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦的曲面，其數(shù)學(xué)的表達(dá)式為

其模型為:UPDO= ［Au0，ω，x0o］，Au0、ω、x0o為別模型的振幅、頻率、初始相位。

2 戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)的評(píng)估和認(rèn)知處理

對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)認(rèn)知處理的流程示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)的認(rèn)知處理流程示意圖

圖1中層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)寫AHP)于20世紀(jì)70年代初由美國(guó)著名的運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)教授T.L.薩迪(T.L.Saaty)提出。用于處理那些難于完全用定量方法來分析的、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的、決策準(zhǔn)則較多而且不易量化的決策問題。它可以將復(fù)雜的問題分解成若干層次，在比原問題簡(jiǎn)單得多的層次上逐步分析;可以將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理;可以提示人們對(duì)某類問題的主觀判斷前后有矛盾。屬性識(shí)別理論在文獻(xiàn)［4］戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模與環(huán)境數(shù)據(jù)評(píng)估方法中有詳細(xì)的介紹。數(shù)據(jù)融合的基本原理同人腦對(duì)信息的處理一樣，需要利用和支配來自不同傳感器的信息，并且將時(shí)間和空間等信息通過一定的準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化組合，去除冗余信息，最終目的是為了獲得對(duì)被觀測(cè)對(duì)象的一致性描述或理解。這種多傳感器系統(tǒng)充分利用多傳感器間聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的有效性，獲得的性能比由各個(gè)獨(dú)立傳感器構(gòu)成的系統(tǒng)更加優(yōu)越。

當(dāng)大量的戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)使用于系統(tǒng)后，這些數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的誤差會(huì)有影響［4］。為了盡量減少戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差的影響，有必要對(duì)所使用的戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)主要有以下的特點(diǎn)。1)戰(zhàn)場(chǎng)要素比較多，導(dǎo)致要素?cái)?shù)據(jù)比較龐大;2)戰(zhàn)場(chǎng)要素比較明確，容易確定要評(píng)估的要素;3)仿真系統(tǒng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)的需求較多，難以區(qū)分要素?cái)?shù)據(jù)的主次。

這些特點(diǎn)中的1)和3)是戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)有別于其他數(shù)據(jù)的主要方面，也是戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)評(píng)估方法區(qū)別于其它仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)評(píng)估的主要原因。從這兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)評(píng)估方法進(jìn)行了研究，采用針對(duì)特定問題的評(píng)估方法:層次分析法和屬性識(shí)別理論評(píng)估法，分別用來解決戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)龐大和戰(zhàn)場(chǎng)要素?cái)?shù)據(jù)難以區(qū)分主次的問題［4］。

模型中的參數(shù)隨著戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化而不斷變化的過程，則是戰(zhàn)場(chǎng)要素的認(rèn)知處理的過程。對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中的要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估之后，需要將各個(gè)導(dǎo)彈之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，之后修改戰(zhàn)場(chǎng)要素模型中的參數(shù)。

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)能充分利用多個(gè)傳感器資源、對(duì)各種傳感器及其觀測(cè)信息合理支配與使用，將各種傳感器在空間或時(shí)間上的互補(bǔ)或冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來，產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋和描述［5］。因此，數(shù)據(jù)融合是基于編隊(duì)中各個(gè)導(dǎo)彈的分離觀測(cè)信息數(shù)據(jù)的處理操作，通過對(duì)數(shù)據(jù)的評(píng)估和處理導(dǎo)出更多的有效數(shù)據(jù)，最終目的是利用導(dǎo)彈編隊(duì)中各個(gè)導(dǎo)彈聯(lián)合的優(yōu)勢(shì)，提高整個(gè)編隊(duì)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素認(rèn)知處理的有效性。

3 戰(zhàn)場(chǎng)要素認(rèn)知處理仿真

本文建立一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例進(jìn)行仿真。假設(shè)我方有導(dǎo)彈6枚組成導(dǎo)彈編隊(duì)，衛(wèi)星1顆，敵方威脅有航母1艘，艦艇2艘，敵機(jī)4架，敵方是由航母組成的一個(gè)航母編隊(duì)，實(shí)例環(huán)境中有，敵方坦克一部，山丘2處。制作一個(gè)簡(jiǎn)單的模型效果如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)仿真圖

將我方導(dǎo)彈編隊(duì)的導(dǎo)彈進(jìn)行編號(hào)1－6號(hào)，當(dāng)導(dǎo)彈1和導(dǎo)彈2，導(dǎo)彈3和導(dǎo)彈4，導(dǎo)彈5和導(dǎo)彈6分別組成小分隊(duì)。每枚導(dǎo)彈從戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)中得知戰(zhàn)場(chǎng)要素的數(shù)據(jù)，例如地面威脅(圖中的坦克)的初始化位置為

導(dǎo)彈獲知地面威脅位置的數(shù)據(jù)為:

然后采用層次分析法，設(shè)定各位專家權(quán)重為

歸一化各位專家的權(quán)重為

對(duì)地面威脅的精度評(píng)估表如表1所示。

表1 地面威脅位置數(shù)據(jù)的精度評(píng)估表

位置數(shù)據(jù)精度的正確性為

根據(jù)地面威脅位置的精度評(píng)估屬性值表得到表2評(píng)估結(jié)果表如下。

表2 專家評(píng)估結(jié)果表

所以位置對(duì)應(yīng)的置信度為

置信度權(quán)重為

歸一化置信度為

所以參數(shù)更新為

根據(jù)式(9)和式(10)以及計(jì)算公式

得到每枚導(dǎo)彈的誤差分別為11.0362%，3.6755%，7.2727%，18.5337%，15.4839%和 7.9765%，平均值為10.6631%。

根據(jù)式(9)和式(11)得到認(rèn)知處理后的誤差為6.0099%。

由此可見認(rèn)知處理減少了4.6532%的誤差，提高了系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)要素的分類和分析，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)所建模型進(jìn)行認(rèn)知處理。然后設(shè)計(jì)仿真實(shí)例，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)模型及算法的真實(shí)性和有效性。

由于戰(zhàn)場(chǎng)要素的模型相對(duì)簡(jiǎn)單，因此一個(gè)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)模型需要由很多簡(jiǎn)單的模型構(gòu)成，這就會(huì)增加戰(zhàn)場(chǎng)中模型的個(gè)數(shù)，進(jìn)而會(huì)存在大量的數(shù)據(jù)需要系統(tǒng)來處理，這將給系統(tǒng)帶來處理速度慢的問題，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性受到影響，這是需要進(jìn)一步研究解決的問題。

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