基于相似理論的復雜電磁環(huán)境逼真度評估研究?

段繼琨 韓 鵬

（1.91404部隊44分隊 秦皇島 066001）（2.海軍航空大學航空作戰(zhàn)勤務學院 煙臺 264001）

1 引言

復雜電磁環(huán)境是部隊訓練中必須直面的問題，復雜電磁環(huán)境構設的質量關系到訓練成績的評判，組訓者總是力圖構設與實戰(zhàn)類似的復雜電磁環(huán)境提高訓練效益。因此，研究復雜電磁環(huán)境逼真度具有重要的意義，本文所指的逼真度是構設裝備與模擬對象的相似程度。逼真度評估目前常用的方法有歐幾里得空間距離法、曼哈頓距離和基于Vague集相似度等方法，歐幾里得空間距離法和曼哈頓距離法適合于計算簡單系統(tǒng)，系統(tǒng)要素相對較少，而基于Vague集相似度方法計算量較大，理論性較強，不合適部隊指揮人員應用。國內對復雜電磁環(huán)境構設的方法、原理和逼真度你均進行了深入研究，并取得了一些成果。文獻［1］分析了復雜電磁環(huán)境構設的要素、構設方法，提出了指標的計算方法；文獻［2］基于層次分析法的原理將復雜電磁環(huán)境從裝備指標、體系指標進行分解，并建立了仿真模型；文獻［3］定義了逼真度的概念內涵，提出了逼真度分析方法的流程和數據處理方法，比較了層次分析法、德菲爾法和模糊綜合評判等模型的缺點；文獻［4］從復雜電磁環(huán)境指標提取逼真度宏觀相似元，根據Vague集理論，建立了Vague值與相似元的關系模型。

綜上所述，國內目前對復雜電磁環(huán)境逼真度的評估定性研究較多，定量評估的較少，雖然基于Vague集相似度的方法能夠實現量化分析，但需要綜合模糊數學知識，部隊指揮人員難以掌握而難以推廣應用。針對評估結果難以量化問題，本文從是實戰(zhàn)化角度出發(fā)，依據典型作戰(zhàn)流程，構建了復雜電磁環(huán)境逼真度指標體系，運用相似原理提出評估模型，根據層次分析法和群決策理論，優(yōu)化評估的指標權重。實例分析表明，該方法較好地解決了量化評估的難點，且計算量相對較小，原理易于理解和掌握。

2 評估指標體系建立

復雜電磁環(huán)境構設逼真度的指標可以從能域、時域和信號域等方面進行提取，用頻裝備受裝備性能的限制，不能離開性能指標去追求不切實際的作用效果，但可以發(fā)揮主觀能動性，采取不同的方法即戰(zhàn)術獲得理想的效果。因此，電磁環(huán)境構設逼真度主要從兩個方法進行評估：一是裝備的性能相似度；二是裝備戰(zhàn)術運用相似度。

戰(zhàn)場電磁環(huán)境從宏觀角度看，是一個復雜的大系統(tǒng)，其載體是戰(zhàn)場，包括地理環(huán)境，人員和武器裝備，并且隨著其中的要素變化而變化，電磁信號類型和數量均可視為不同層級的相似元。在部隊訓練中，通常根據作戰(zhàn)情節(jié)或作戰(zhàn)想定構設復雜電磁環(huán)境。信息化條件下海上局部戰(zhàn)爭是體系作戰(zhàn)，包括指揮控制體系、預警觀察體系和火力打擊體系，從電磁環(huán)境角度看，可分為雷達信號、雷達干擾、通信信號、通信干擾和末制導五類要素，根據分析可建立如圖1的逼真度指標體系。

圖1 復雜電磁環(huán)境逼真度評估指標體系圖

3 基于相似理論的復雜電磁環(huán)境逼真度評估模型

從系統(tǒng)論角度看，自然界中的一切事物都可認為是一個系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)都存在具體的屬性和特征，簡稱特性，當刻畫這些特性的特征值時，可能會有差異。當系統(tǒng)間存在共有特性，其特征值有差異，則對應共有的特性稱相似特性，當系統(tǒng)間存在相似特性時，認為系統(tǒng)間存在相似性。反應系統(tǒng)相似程度大小稱為系統(tǒng)相似度，值域為［0，1］。系統(tǒng)間存在一個相似要素或一個相似特性，便在系統(tǒng)間構成一個相似單元，簡稱相似元。相似理論指出：系統(tǒng)間相似性存在一個相似程度大小問題。系統(tǒng)相似性大小與系統(tǒng)組成要素多少及其特性有關，與系統(tǒng)間相似要素數量和相似要素的相似程度大小有關。設系統(tǒng)A由K個要素組成，系統(tǒng)B由L個要素組成，A與B存在N個相似要素構成的相似元，表示每一相似要素的相似程度用相似元值q(ui)大小表示。

圖2 相似理論示意圖

相似系統(tǒng)的相似度是多元函數，其簡明數學描述可進一步表示為

基于上述相似系統(tǒng)分析度量模型，系統(tǒng)相似度量在系統(tǒng)組成要素及特性一定的條件下，系統(tǒng)間存在一定的相似要素，且每一相似要素存在一定相似程度的函數。在進行訓練試驗時，由于藍方根據想定情況進行設定，復雜電磁環(huán)境構設裝備可靈活控制，即可控制K和L相等。則系統(tǒng)相似度可進一步簡化為

3.1 評估指標權重確定

層次分析法把研究對象作為一個系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行決策，成為繼機理分析、統(tǒng)計分析之后發(fā)展起來的系統(tǒng)分析的重要工具。系統(tǒng)的思想在于不割斷各個因素對結果的影響，而層次分析法中每一層的權重設置都會直接間接影響結果，而且在每個層次中每個因素對結果的影響程度都是量化的，非常清晰明確，適于無結構特性的系統(tǒng)評價及多目標、多準則的系統(tǒng)評價。層次分析法是將決策問題按照總目標、各層子目標、評價標準直至方案的順序分解為不同的層次結構，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權重，最后加權的方法得到對總目標的最終權重。層次分析法通常采取以下步驟：一是構造判斷，求取指標權重；二是一性檢驗；三是權重歸一化。

3.1.1 構造判斷矩陣

在確定各層次之間的權重時，如果只是定性的結果，則常常不容易被別人接受。為了讓判斷結果定量化，關鍵在于設法使任意兩個指標對某一準則的相對優(yōu)越程度得到定量描述。一般對單一準則來說，兩個指標進行比較總能判斷出優(yōu)劣，采用1-9標度法，建立如下判斷矩陣。

指標的權重向量由該層的判斷矩陣計算元素之間關于其準則相對重要性權重。

B是判斷矩陣，λmax是B的最大特征值，W是對應的特征向量，我們所要找的就是判斷矩陣B的最大特征值λmax對應的向量。

3.1.2 一致性檢驗

對構造的判斷矩陣需要進行一致性檢驗，其計算步驟為

表1 平均隨機一致性指標

計算結果如表2所示。

3.2 指標權重優(yōu)化

層次分析法的權重向量是通過計算判斷矩陣而得到的，判斷矩陣是由某一專家對指標的重要性兩兩比較而形成的，具有一定的主觀性，為了使權重向量的計算更加合理，引入群決策概念。群決策理論是指以群體為決策主體所進行的決策活動。群決策時決策活動的主要形式，由個人決策過渡到群決策是人類社會決策活動的進步。首先做如下假設：一是專家具有獨立選擇的機會；二是決策成員都在已知的共同條件下決策；三是群體做出的決策必然是所有決策者都能接受的方案。

表2 復雜電磁環(huán)境逼真度權重

分別對上述5個矩陣求其權重并進行一致性檢驗，其均通過檢驗：

令所有的λ=0.2，代入式（4）可得最終權重向量為W=(0.1211,0.2236,0.1092,0.2048,0.3413)T。

圖3 指標權重對比圖

分析上圖曲線，經過5個專家決策后，指標權重得到優(yōu)化，數據更加合理。

3.3 評估指標量化處理

3.3.1 精確值指標量化處理

設A為作戰(zhàn)對象裝備，B為構設裝備，二者是被模擬和模擬關系，ai、bi分別為A、B的參數，則二者的指標量化模型為

3.3.2 區(qū)間值指標量化處理

全景漫游技術作為虛擬現實技術中應用最廣泛的技術，其構思性、沉浸感、交互性的特征尤為凸顯，得圖F4全景相機和大疆精靈Phantom 4 Pro無人機的使用更是錦上添花。選擇高質量的拼圖軟件對于無縫全景圖像至關重要，優(yōu)秀的拼圖軟件將具有更出色的操作邏輯和更精準的算法，才能獲得更高質量的全景圖像。如圖1所示，三維全景漫游系統(tǒng)的制作流程。

設A為作戰(zhàn)對象裝備，B為構設裝備，二者是被模擬和模擬關系，A、B的參數分別為、[bm,bn]，則二者的指標量化模型為

3.3.3 枚舉值指標量化處理

設A為作戰(zhàn)對象裝備，B為構設裝備，二者是被模擬和模擬關系，ai、bi分別為A、B的參數，則二者的指標量化模型為

式中N為裝備性能參數值得個數。

3.3.4 枚舉值指標量化處理

當裝備中許多指標難以用1個簡單的數值加以表達時，通常采用模糊語言給出評價，如較好、好、一般等。因此，利用模糊理論就顯得很重要。設影響相似的指標有m個，它們組成指標集X=(X1,X2,…,Xm)，所有可能出現的評語有n個，它們注冊以后的集合稱為評語集V=(V1,V2,…,Vn)；然后對指標集X中的單個指標進行評價，確定該事物對評語的隸屬度，從而得出第i個指標的評價集r=(r1,r2,…,rm)，它是V上的模糊集，把m個指標做為行，得到一個總的評價矩陣。

4 實例分析

4.1 相似元權重計算

以蘇-30飛機4架、蘇-24飛機電子戰(zhàn)1架（掛載SPS-22）、A-50預警機模擬藍軍裝備，其中蘇-30飛機模擬F-18、蘇-24飛機模擬F-16（掛載184吊艙）、A-50預警機模擬E-2C飛機。典型作戰(zhàn)流程為A-50預警機搜索發(fā)現目標，把目標信息傳遞給蘇-30飛機，蘇-24飛機實施干擾掩護，蘇-30飛機實施發(fā)射導彈實施攻擊。以蘇-24飛機掛載的干擾吊艙為例介紹雷達干擾相似元的計算方法。要計算雷達干擾相似元就必須先計算雷達干擾裝備性能相似元和雷達干擾戰(zhàn)術運用相似元，根據式（2）可知，必須知道其權重，運用層次分析法可計算得出。雷達干擾裝備工作時，其主要的相似特性為干擾功率、工作頻段、干擾樣式和干擾數量進行計算。雷達干擾戰(zhàn)術運用可以從運用時機、干擾距離和干擾方式進行計算。

表3 雷達干擾相似度權重

4.2 相似元合成

上面計算了相似元的權重，要計算相似元還必須對相似特性進行量化處理，運用指標量化模型可得出相似特性數值。

運用區(qū)間值量化模型計算干擾頻段相似度：

運用精確值量化模型計算干擾功率相似度：

運用枚舉值量化模型計算干擾樣式相似度：

表4 雷達干擾相似度

根據式（2）可得

通過以上分析，得到了雷達干擾相似度，如果求出雷達信號、通信信號、通信干擾等相似度，則可求出復雜電磁環(huán)境的逼真度。

5 結語

本文針對復雜電磁環(huán)境逼真度量化評估困難的問題，提出了基于相似原理的評估模型，針對層次分析法在求取指標權重受專家個人偏好影響較大的問題，引入了群決策理論，有效改善了指標權重的計算方法。實例分析表明，本文提出的方法簡潔實用，理論通俗易懂，特別適合部隊指揮人員采用。