基于威脅判斷的艦載多傳感器射頻保障優(yōu)先度研究

王龍濤

(海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018)

水面艦艇多傳感器協(xié)同使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器資源的綜合利用和能力互補(bǔ)，對(duì)充分發(fā)揮艦載信息系統(tǒng)綜合作戰(zhàn)效能具有重要意義[1-2]。射頻資源是對(duì)各輻射源傳感器進(jìn)行射頻探測(cè)、跟蹤、指導(dǎo)等信息保障資源的統(tǒng)稱，多任務(wù)、多目標(biāo)、多階段作戰(zhàn)過程中，多傳感器射頻資源保障任務(wù)復(fù)雜，資源匹配選擇多樣，當(dāng)存在傳感器射頻資源保障沖突時(shí)，如何確定射頻資源的優(yōu)先保障順序至關(guān)重要，直接影響到整個(gè)射頻資源的綜合規(guī)劃與調(diào)度性能。從作戰(zhàn)使用的角度，對(duì)“射頻資源優(yōu)先保障順序”的描述我們稱之為“射頻保障優(yōu)先度”，從作戰(zhàn)流程上看，進(jìn)行威脅等級(jí)判斷是實(shí)施射頻資源優(yōu)先保障決策的首要環(huán)節(jié)，是艦載多傳感資源分配與調(diào)度的基礎(chǔ)[3]。

當(dāng)前針對(duì)目標(biāo)威脅程度的判定方法主要集中在目標(biāo)威脅程度屬性的描述模型、算法改進(jìn)等方面，但是，針對(duì)具體作戰(zhàn)任務(wù)特點(diǎn)，結(jié)合作戰(zhàn)層區(qū)及任務(wù)屬性進(jìn)行綜合判斷的研究較少，本文綜合考慮目標(biāo)層區(qū)、任務(wù)屬性及目標(biāo)威脅程度等因素進(jìn)行綜合分析計(jì)算，求解符合實(shí)際作戰(zhàn)要求的多傳感器射頻保障優(yōu)先度，對(duì)于艦載信息系統(tǒng)資源調(diào)度與使用具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 艦載多傳感器射頻保障優(yōu)先程度的確定思路

射頻資源保障優(yōu)先程度的確定本質(zhì)上是對(duì)“目標(biāo)”在不同作戰(zhàn)階段、作戰(zhàn)任務(wù)下的威脅程度量化問題[4]，主要反映了目標(biāo)的威脅程度大小，因此，進(jìn)行威脅程度判斷是首先需要考慮的問題，除此之外，由于保障目標(biāo)跨度距離遠(yuǎn)、層區(qū)大，不同的作戰(zhàn)目標(biāo)在不同“作戰(zhàn)步驟”下的保障任務(wù)不一樣，因此，在進(jìn)行“作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度的確定時(shí)，在考慮目標(biāo)威脅程度的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)、典型作戰(zhàn)目標(biāo)屬性進(jìn)行目標(biāo)所在層區(qū)以及“作戰(zhàn)步驟”保障任務(wù)屬性的考量，以艦艇對(duì)空作戰(zhàn)為例，根據(jù)對(duì)空作戰(zhàn)的一般戰(zhàn)術(shù)要求和系統(tǒng)裝備特點(diǎn)，對(duì)“作戰(zhàn)步驟”保障優(yōu)先程度的評(píng)定指標(biāo)劃為3層，如圖1所示。

圖1 “作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度評(píng)價(jià)體系框圖

準(zhǔn)則層B：對(duì)“作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度的描述主要通過目標(biāo)層區(qū)屬性、作戰(zhàn)步驟保障任務(wù)屬性以及目標(biāo)威脅程度屬性來體現(xiàn)。

準(zhǔn)則層C：目標(biāo)所在不同的作戰(zhàn)層區(qū)，外層區(qū)作戰(zhàn)的主要任務(wù)是預(yù)警探測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)，相應(yīng)的射頻保障優(yōu)先程度低，隨著目標(biāo)作戰(zhàn)距離的接近，中層區(qū)主要進(jìn)行搜索、跟蹤識(shí)別，而在內(nèi)層區(qū)的主要作戰(zhàn)任務(wù)是抗導(dǎo)，在不同的作戰(zhàn)層區(qū)主要屬性任務(wù)的不同，相應(yīng)的權(quán)重不同，當(dāng)目標(biāo)層區(qū)不明時(shí)，一般取作戰(zhàn)中層區(qū)。

作戰(zhàn)步驟保障任務(wù)屬性，主要包括對(duì)目標(biāo)信號(hào)的電子偵察任務(wù)、目標(biāo)的搜索發(fā)現(xiàn)任務(wù)、跟蹤任務(wù)、保障武器打擊的制導(dǎo)任務(wù)、目標(biāo)識(shí)別任務(wù)以及電子干擾任務(wù)等。

目標(biāo)威脅程度屬性是指根據(jù)目標(biāo)類型、目標(biāo)距離遠(yuǎn)近、目標(biāo)速度及目標(biāo)來襲角度來判斷目標(biāo)自身的對(duì)艦艇的威脅程度大小。

2 計(jì)算模型及方法

2.1 目標(biāo)威脅程度大小確定的說明

對(duì)于目標(biāo)威脅程度屬性主要選取目標(biāo)類型(S31)、目標(biāo)距離(D32)、目標(biāo)速度(V33)及來襲角度(A34)4個(gè)指標(biāo)，各指標(biāo)反應(yīng)的權(quán)目標(biāo)威脅程度大小定量取值屬于“模糊”決策問題[5-6]，適用于模糊集理論的隸屬度函數(shù)(取值范圍0～1)確定各指標(biāo)的值，通過取值大小表示此隸屬度函數(shù)對(duì)指標(biāo)大小影響的度量。

2.1.1目標(biāo)類型

目標(biāo)類型主要是指來襲目標(biāo)是飛機(jī)或者是導(dǎo)彈，當(dāng)已確定來襲目標(biāo)是反艦導(dǎo)彈時(shí)，此時(shí)的目標(biāo)威脅程度最高，同時(shí)在同一距離上，不同類型的飛機(jī)、導(dǎo)彈對(duì)艦艇的殺傷程度不同，比如殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、電子干擾飛機(jī)、不明類型飛機(jī)、反艦導(dǎo)彈等，與“作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度關(guān)系緊密，基于此，對(duì)目標(biāo)類型的隸屬度函數(shù)為：

(1)

2.1.2目標(biāo)距離

目標(biāo)距離主要是指目標(biāo)距離艦艇越近，相應(yīng)的威脅程度越高，“作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度也就越高。

(2)

其中DM是指所有來襲目標(biāo)的最遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)距離。

2.1.3目標(biāo)速度

目標(biāo)速度主要是指導(dǎo)彈或者飛機(jī)的飛行速度，一般速度越高，接近時(shí)間越短，對(duì)艦艇的威脅程度越高，“作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度也就越高。

(3)

其中VM是指所有來襲目標(biāo)的最大飛行速度。

2.1.4來襲角度

來襲角度主要是指目標(biāo)飛行方向相對(duì)艦艇的來襲角度(在0°～90°)，如果目標(biāo)勾徑為零，則此時(shí)威脅程度最高，如果目標(biāo)遠(yuǎn)離，則威脅程度最小，顯然相對(duì)艦艇，來襲角度越小，威脅程度越高，“作戰(zhàn)步驟”射頻保障優(yōu)先程度也就越高。

(4)

2.2 權(quán)重的確定方法

對(duì)射頻保障優(yōu)先程度各層權(quán)重的確定，指標(biāo)選擇、參數(shù)的確定，都需要結(jié)合理論基礎(chǔ)和實(shí)際作戰(zhàn)、訓(xùn)練得出的經(jīng)驗(yàn)共同得到數(shù)據(jù)[7]，這里的權(quán)重確定、評(píng)價(jià)為了給研究人員提供參考，往往又要有超前和預(yù)測(cè)性，這就需要請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域的權(quán)威專家對(duì)相應(yīng)的權(quán)重指標(biāo)打分，通常可用層次分析法(AHP)進(jìn)行確定。

運(yùn)用層次分析法時(shí)，對(duì)人的主觀因素要求較高，不同專家對(duì)判斷矩陣中各層參數(shù)的確定各有不同，各有側(cè)重，具有一定的不確定性?；诖?，為了降低這種人工決策導(dǎo)致的參數(shù)確定盲目性，可采用最優(yōu)傳遞矩陣對(duì)此進(jìn)行調(diào)整，一方面不需要再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，同時(shí)可直接給出權(quán)重值，得到最大優(yōu)化程度的一致陣，無論是從計(jì)算理論還是過程實(shí)驗(yàn)都表明此種方法的快捷性和有效性。

1)最優(yōu)傳遞矩陣。首先確定3個(gè)矩陣(實(shí)數(shù))A=[aij]、B=[bij]、C=[cij],A,B,C∈Rn×n；

顯然若A是一致陣，則B=lgA(bij=lgaij,?i,j)是傳遞的，反之若B是反對(duì)稱矩陣，則A=10B(aij=10bij,?i,j)是一致的。

若B是反對(duì)稱矩陣，則B的最優(yōu)傳遞矩陣C，可以找到x1,x2,…,xn≥0,使cij=xi-xj, 有定義3可知

則：

(5)

2)計(jì)算步驟。計(jì)算步驟如下：

第1步：針對(duì)具體目標(biāo)問題，分析層次框架，建立層次結(jié)構(gòu)，對(duì)各次參數(shù)進(jìn)行度量。

第2步：在進(jìn)行各參數(shù)相互比較的基礎(chǔ)上，構(gòu)造出層次分析的判斷矩陣，參數(shù)量化值采用1～9度量。

第3步：通過最優(yōu)傳遞矩陣記性計(jì)算，得到特征向量，最后得出特征值。

應(yīng)用改進(jìn)層析分析法的流程框圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)AHP應(yīng)用流程框圖

2.3 射頻保障優(yōu)先程度計(jì)算方法

根據(jù)以上最終確定的目標(biāo)層區(qū)屬性權(quán)重λ1、作戰(zhàn)步驟保障任務(wù)屬性權(quán)重λ2以及目標(biāo)威脅程度屬性權(quán)重λ3的基礎(chǔ)上，“作戰(zhàn)步驟”保障優(yōu)先程度的數(shù)學(xué)量化根據(jù)目標(biāo)威脅程度的隸屬度函數(shù)取值進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(6)

其中：ηi表示“作戰(zhàn)步驟”i的保障優(yōu)先程度值；λix表示“作戰(zhàn)步驟”i的層區(qū)屬性權(quán)重值，x∈(1,2,3)；λiy表示“作戰(zhàn)步驟”i的保障任務(wù)屬性權(quán)重值，y∈(1,2,3,4)；λij表示“作戰(zhàn)步驟”i的威脅程度屬性權(quán)重值，j∈(1,2,3,4)；φ(λij)表示“作戰(zhàn)步驟”i的威脅程度隸屬度函數(shù)值。

2.4 計(jì)算步驟

基于威脅判斷的多傳感器射頻保障優(yōu)先程度計(jì)算步驟框圖如圖3所示。

2.5 算例分析與應(yīng)用

單艦作戰(zhàn)中，其艦載多傳感器射頻資源可以執(zhí)行偵察、引導(dǎo)、搜索、跟蹤、干擾、制導(dǎo)等多種任務(wù)，每一類射頻資源都能執(zhí)行不同的射頻保障任務(wù)，通過艦載有源探測(cè)及無源偵察獲得來襲5批目標(biāo)的初始態(tài)勢(shì)參數(shù)如表1所示。

圖3 射頻保障優(yōu)先程度計(jì)算步驟框圖

表1 初始態(tài)勢(shì)參數(shù)

目標(biāo)類型距離速度/(m·s-1)角度/(°)任務(wù)屬性層區(qū)目標(biāo)1飛機(jī)18050050跟蹤外目標(biāo)2機(jī)載雷達(dá)信號(hào)未知未知30干擾中目標(biāo)3導(dǎo)彈3030030制導(dǎo)內(nèi)目標(biāo)4導(dǎo)彈末制導(dǎo)信號(hào)未知未知0制導(dǎo)中目標(biāo)5不明403500制導(dǎo)內(nèi)

應(yīng)用改進(jìn)層次分析法，對(duì)各層權(quán)重進(jìn)行確定，以“作戰(zhàn)步驟”i的威脅程度屬性權(quán)重計(jì)算為例。

步驟1：首先從射頻資源作戰(zhàn)效益及要素構(gòu)成出發(fā)，對(duì)目標(biāo)威脅程度屬性的4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在參考專家經(jīng)驗(yàn)后得出判斷矩陣如下：

其中E1,E2,E3,E4為4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(以后不再說明)。對(duì)矩陣A進(jìn)行變換，得出矩陣B，B=lgA：

根據(jù)2.2所述方法，得到矩陣C及A*。

運(yùn)用方根法求解A*的特征向量W：

歸一化后，可得

W=[0.232, 0.433, 0.210, 0.125]

步驟2：將表2初始態(tài)勢(shì)參數(shù)分別帶入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的隸屬度函數(shù)，可得隸屬度函數(shù)矩陣為

同理，可求得目標(biāo)層區(qū)屬性，及目標(biāo)任務(wù)屬性的權(quán)重值：

步驟3：將以上計(jì)算出的數(shù)據(jù)帶入保障優(yōu)先程度計(jì)算公式，進(jìn)行計(jì)算，個(gè)目標(biāo)的優(yōu)先保障度值分別為：0.035 514、0.018 422、0.334 1、0.081 42、0.164 9。歸一化后，得到最終的各目標(biāo)射頻保障優(yōu)先程度值如表2所示。

表2 各目標(biāo)射頻保障優(yōu)先程度值

由計(jì)算可以看出，各目標(biāo)的射頻保障優(yōu)先度為目標(biāo)3、目標(biāo)5、目標(biāo)4、目標(biāo)1、目標(biāo)2。從一致目標(biāo)信息及保障任務(wù)屬性來看，所得結(jié)論符合單艦對(duì)空作戰(zhàn)的一般原則和規(guī)律，也證明了所用計(jì)算方法的科學(xué)性和便捷性。

3 結(jié)論

針對(duì)艦載多傳感器射頻資源保障優(yōu)先程度確定問題，基于目標(biāo)威脅程度判斷提出了射頻保障優(yōu)先度量化的模型及算法，應(yīng)用模糊多屬性決策方法對(duì)目標(biāo)威脅程度大小進(jìn)行了度量，基于改進(jìn)層次分析法給出了各層權(quán)重的計(jì)算方法，最后運(yùn)用該方法進(jìn)行了仿真示例計(jì)算，對(duì)艦載多傳感器進(jìn)行多任務(wù)作戰(zhàn)中的射頻保障優(yōu)先級(jí)確定、射頻資源綜合調(diào)度具有重要的指導(dǎo)意義。