基于多平臺(tái)信息融合的海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)研判方法*

于藝彬 王洪勝 傅學(xué)慶

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

遠(yuǎn)海大洋廣域遼闊，海戰(zhàn)場(chǎng)中的態(tài)勢(shì)研判一直以來(lái)都是各國(guó)軍隊(duì)極為重視而又難以做到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌控的難點(diǎn)問題。受到戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境、平臺(tái)裝備穩(wěn)定性、敵我斗爭(zhēng)策略等多種復(fù)雜因素影響，在己方偵測(cè)平臺(tái)數(shù)量有限、類型單一、裝備可靠性不確定等情況下，對(duì)海上目標(biāo)類型判定特別是對(duì)目標(biāo)在戰(zhàn)場(chǎng)中的價(jià)值研判始終是一個(gè)較為復(fù)雜的問題。隨著各類無(wú)人裝備的逐步列裝，包括空中、水面和水下無(wú)人力量的大量使用，未來(lái)，在對(duì)海上目標(biāo)研判時(shí)來(lái)自各個(gè)平臺(tái)的信息數(shù)據(jù)量將逐步增多，科學(xué)地進(jìn)行信息融合，準(zhǔn)確判定目標(biāo)價(jià)值對(duì)掌控海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)具有十分重要的意義。

2 海上目標(biāo)識(shí)別特征指標(biāo)

2.1 海上目標(biāo)信息主要偵測(cè)平臺(tái)

目前可以對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行偵測(cè)的平臺(tái)（裝備）主要有：

水面平臺(tái)：主要包括裝備有各類主被動(dòng)雷達(dá)、聲納及電子偵查設(shè)備的有人水面艦艇和無(wú)人水面艦艇；

空中平臺(tái)：主要包括預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、反潛機(jī)、艦載直升機(jī)、艦載固定翼飛機(jī)以及各類無(wú)人機(jī)等；

水下平臺(tái)：主要包括潛艇、水下無(wú)人潛航器以及各類水下傳感器等；

其他平臺(tái)：主要包括島岸觀通站、各類偵察衛(wèi)星等。

2.2 目標(biāo)性質(zhì)劃分

按照海上作戰(zhàn)敵方目標(biāo)的重要性和戰(zhàn)斗與非戰(zhàn)斗艦艇的性質(zhì)，海上目標(biāo)可劃分為以下幾類：

1）大型水面戰(zhàn)斗艦艇（包括航空母艦、兩棲艦等大型水面戰(zhàn)斗艦艇）；

2）中型水面戰(zhàn)斗艦艇（包括巡洋艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、登陸艦、瀕海戰(zhàn)斗艦等中型水面戰(zhàn)斗艦艇）；

3）小型水面戰(zhàn)斗艦艇（包括導(dǎo)護(hù)艇、導(dǎo)彈艇、無(wú)人攻擊艇等小型水面戰(zhàn)斗艦艇）；

4）各型軍用輔助艦船（包括掃雷艦艇、補(bǔ)給艦船、救援艦船等作戰(zhàn)輔助艦艇）；

5）民用船只（包括商船、貨船、漁船等民用船只）。

2.3 目標(biāo)識(shí)別特征指標(biāo)

結(jié)合現(xiàn)有的研究成果及文獻(xiàn)可知：海上目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)手段包含使用雷達(dá)、紅外、聲納、光學(xué)等裝備，收集到的目標(biāo)特征可分為磁、電、聲、光、尾流、紅外、地震波、重力場(chǎng)、壓力場(chǎng)等［1～5］。目前國(guó)外較為成熟的海洋信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大都采用的是運(yùn)用多種方法手段進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)，多方法可做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，最大限度發(fā)揮系統(tǒng)總體效能，比如電、聲和磁的多元化結(jié)合可有效彌補(bǔ)磁、電探測(cè)距離有限的問題，也可有效解決聲抗干擾能力弱、存在較高虛警率等問題［6～8］；另一方面，同一類目標(biāo)所產(chǎn)生的輻射噪聲往往會(huì)呈現(xiàn)出一定的相似性，而不同類別目標(biāo)發(fā)出的輻射噪聲會(huì)產(chǎn)生明顯的差異性，這也為進(jìn)一步識(shí)別海上目標(biāo)提供了重要的數(shù)字基礎(chǔ)［9～10］。

綜上所述，綜合使用各類主動(dòng)、被動(dòng)探測(cè)器材及外部信息，在缺少直接的光學(xué)觀測(cè)和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）信息情況下，從可偵測(cè)到的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)，可對(duì)不確定的海上目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的特征指標(biāo)歸納為以下三類：

1）電磁信號(hào)特征方面：主要通過被動(dòng)雷達(dá)、電子偵測(cè)設(shè)備偵測(cè)到目標(biāo)的電磁信號(hào)輻射情況，可區(qū)分為軍用電磁信號(hào)、民用電磁信號(hào)、無(wú)電磁信號(hào)三大類。

2）雷達(dá)散射截面方面：主要通過主動(dòng)雷達(dá)，偵測(cè)到目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積，可分為大型目標(biāo)、中型目標(biāo)、小型目標(biāo)等。（考慮到現(xiàn)役艦艇中除朱姆沃爾特級(jí)等少數(shù)艦艇具備一定的隱身性能，且裝備數(shù)量極其有限外，大多數(shù)艦艇并不具備隱身能力，因此該指標(biāo)仍具有較強(qiáng)的適用性）。

3）海上噪聲目標(biāo)輻射信號(hào)方面：在小樣本、低信噪比條件下對(duì)海上目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)采集后，可區(qū)分為軍用噪聲信號(hào)、民用噪聲信號(hào)、無(wú)噪聲信號(hào)三大類，其中軍用噪聲信號(hào)又可以根據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)信息比對(duì)辨識(shí)情況［10］，進(jìn)行初步對(duì)比判定。

3 海上作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)目標(biāo)研判及決策模型

由于對(duì)目標(biāo)電磁信號(hào)特征、海上噪聲輻射信號(hào)、雷達(dá)散射截面等進(jìn)行的數(shù)據(jù)信息采集局限于時(shí)-空-頻率的不斷變化，且存在一定的背景干擾，而不同平臺(tái)（裝備）偵獲到的數(shù)據(jù)信息又具有不完整、不連續(xù)、不精確等問題，屬于不完備樣本，而D-S證據(jù)理論是解決不確定信息處理、降低信噪比和進(jìn)行信息融合的較為適用的方法之一。

3.1 D-S理論概述

定義1：設(shè)定Θ做為辨識(shí)框架，如若2Θ→［0，1］（其中2Θ為Θ的冪集）為集函數(shù)，并且同時(shí)滿足：

則稱m 是辨識(shí)框架Θ 的基本可信度分配，?A?Θ，m（A）即為基本可信數(shù)。

定義2：設(shè)定m：2Θ→［0，1］為框架Θ的基本可信度分配，那么把由所定義的函數(shù)Bel：2Θ→［0，1］稱為Θ的信度函數(shù)。

定義3：設(shè)定用Bel1和Bel2表示同一個(gè)識(shí)別框架Θ上的兩個(gè)置信度函數(shù)，將m1和m2用于表示與其相對(duì)應(yīng)的基本概率分配函數(shù)，用A1，A2，…，Ai和B1，B2，…，Bj分別表示其各自的焦元，設(shè)m1(Ai)m2(Bj)＜1，則合成規(guī)則為［11～12］：

3.2 改進(jìn)后的信息數(shù)據(jù)合成方法

考慮到信息融合時(shí)應(yīng)盡可能充分融合來(lái)自各個(gè)平臺(tái)的不同的偵測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)源于越多偵測(cè)平臺(tái)、信息量越大，即樣本數(shù)量越多，結(jié)果的準(zhǔn)確性就會(huì)越高。對(duì)于多個(gè)證據(jù)的合成可參考Dempster 證據(jù)組合規(guī)則：設(shè)某個(gè)辨識(shí)框架Θ 上的證據(jù)為m1，m2，…，mn，其相應(yīng)的合成規(guī)則為［13］

此方法較為適用于除存在高沖突情況下的證據(jù)融合，但僅僅依據(jù)各個(gè)證據(jù)本身提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行單一的融合并不完全符合準(zhǔn)確性要求，主要局限于：一是各個(gè)證據(jù)本身的可信度無(wú)從衡量。沒有考慮信息源的可信度，這是由證據(jù)理論本身的特性所決定的，即認(rèn)定證據(jù)源提供的信息客觀為真，而缺少對(duì)信息可信度的判定；二是無(wú)法體現(xiàn)信息源所提供信息的可靠度，例如證據(jù)源提供的信息本身就存在沖突的情況下，應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行融合，使得在最后進(jìn)行信息融合時(shí)能夠基于相對(duì)準(zhǔn)確的基本信任分配函數(shù)進(jìn)行，以得到更加科學(xué)的最終信任分配。

對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)中各個(gè)平臺(tái)提供的偵測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)預(yù)先進(jìn)行處理，針對(duì)平臺(tái)偵測(cè)能力、海區(qū)環(huán)境得到平臺(tái)實(shí)時(shí)信息偵測(cè)能力可信度，而后針對(duì)平臺(tái)偵測(cè)到的各個(gè)信息（即焦元）沖突情況進(jìn)行單平臺(tái)偵測(cè)信息匹配度分析，并結(jié)合價(jià)值賦值區(qū)間，使用嵌套證據(jù)理論的方法進(jìn)行融合疊加，最終得出目標(biāo)在態(tài)勢(shì)中的價(jià)值判定。

用Ui表示對(duì)第i個(gè)平臺(tái)的信任度，Uxi表示第x個(gè)專家對(duì)第i 個(gè)平臺(tái)的信任度，考慮到證據(jù)理論中=1準(zhǔn)則，建立歸一化原則：

融合基于專家打分的平臺(tái)信任度，使用嵌套融合方法得到平臺(tái)實(shí)時(shí)信息偵測(cè)能力可信度Qkxi，依據(jù)信息匹配度規(guī)則得到初步的平臺(tái)偵測(cè)信息匹配度Qcxpi，由指揮員戰(zhàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行初步價(jià)值賦值Jqji?？紤]到海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊性，個(gè)別偵測(cè)平臺(tái)存在偵測(cè)信息匹配度低的情況，但匹配度低并不能完全證明該平臺(tái)偵測(cè)的信息就是無(wú)用的或失準(zhǔn)的，特別是在偵測(cè)窗口較窄、局部海域存在海況特殊性以及目標(biāo)采取靜默行動(dòng)等情況下，依此進(jìn)行證據(jù)融合將會(huì)造成較大偏差，此時(shí)應(yīng)考慮加入干預(yù)閾值，干預(yù)閾值主要取決于該平臺(tái)的偵察信息可信度分配，得到最終的平臺(tái)偵測(cè)信息匹配度：

而后對(duì)三類信息進(jìn)行融合，得到目標(biāo)獨(dú)立判定價(jià)值Ti：

最后，基于歸一化準(zhǔn)則對(duì)各個(gè)目標(biāo)獨(dú)立判定價(jià)值重新建立mass 函數(shù)，并依據(jù)Dempster 證據(jù)組合規(guī)則，融合得到最終的價(jià)值判定置信度函數(shù)。

4 算法應(yīng)用舉例

某艦艇編隊(duì)在遠(yuǎn)海航行過程中，發(fā)現(xiàn)前方有不明船隊(duì)（無(wú)AIS 信息），通過各類平臺(tái)（裝備）偵測(cè)情況，在一定時(shí)間內(nèi)匯總到3 艘不明艦船的相關(guān)信息特征如表1所示。

表1 不明目標(biāo)信息特征表

由于海上目標(biāo)信息探測(cè)存在偵測(cè)平臺(tái)功能的局限性和偵測(cè)到的信息臨時(shí)性及不穩(wěn)定性，因此對(duì)偵測(cè)到的信息設(shè)立匹配度規(guī)則，如表2所示。

表2 匹配度賦值規(guī)則表

首先，對(duì)平臺(tái)偵察信息可信度進(jìn)行第一次信息融合，可由專家依據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)以及各平臺(tái)的偵測(cè)能力進(jìn)行打分，由3 名專家對(duì)3 個(gè)提供信息的平臺(tái)進(jìn)行可信度打分，如表3所示。

表3 平臺(tái)可信度專家評(píng)分表

依據(jù)式（5），進(jìn)行歸一化后，得到：

專家1專家2專家3平臺(tái)一0.44 0.44 0.45平臺(tái)二0.39 0.31 0.30平臺(tái)三0.17 0.25 0.25

由式（4），得到β=0.866，由式（3），進(jìn)一步計(jì)算得到：mass（Qkx）=（0.650，0.271，0.079），即為各個(gè)平臺(tái)的偵察信息可信度分配。

而后，依據(jù)偵測(cè)信息匹配度規(guī)則，基于各平臺(tái)偵測(cè)到的信息匹配程度及式（6）確定Qxp，如表4所示。

表4 平臺(tái)偵測(cè)信息匹配度情況表

基于指揮員經(jīng)驗(yàn)判定，按照作戰(zhàn)中的高價(jià)值目標(biāo)排序，得：某A 型驅(qū)逐艦＞某B 型驅(qū)逐艦＞某C型護(hù)衛(wèi)艦＞某D型登陸艦＞某F型補(bǔ)給艦＞某E型掃雷艇，根據(jù)歸一化原則，對(duì)5 個(gè)目標(biāo)類型進(jìn)行價(jià)值分配，如表5所示。

表5 目標(biāo)價(jià)值分配表

根據(jù)各平臺(tái)偵測(cè)到的海上噪聲目標(biāo)輻射信號(hào)的初步比對(duì)結(jié)果，依據(jù)價(jià)值分配，得到目標(biāo)初步的價(jià)值區(qū)間值Jqj，如表6所示。

表6 目標(biāo)初步價(jià)值區(qū)間值情況表

根據(jù)式（7）得到mass 函數(shù)：m(T1) =（0.2275，0.065，0.0195），m(T2)=（0.0949，0.0108，0.0029），m(T3)=（0.0099，0.0079，0.0008）。

依據(jù)式（5）計(jì)算得到新的mass 函數(shù)：(0.729，0.208，0.063)，(0.874，0.099，0.027)，=(0.532，0.425，0.043)。

依據(jù)Dempster組合規(guī)則，對(duì)各個(gè)平臺(tái)信息進(jìn)行最終融合，得到：β=0.6521，最終的目標(biāo)價(jià)值置信度=(0.9743，0.0252，0.0002)，即目標(biāo)1 價(jià)值＞目標(biāo)2價(jià)值＞目標(biāo)3價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

水面艦艇在執(zhí)行作戰(zhàn)或多樣化軍事任務(wù)時(shí)，由于受到地球曲率影響，艦艇單艦或小規(guī)模編隊(duì)僅依靠艦載雷達(dá)等設(shè)備對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別較為困難，依托衛(wèi)星、島岸觀通站等手段又受到衛(wèi)星過頂時(shí)間、海區(qū)氣象和目標(biāo)距島岸距離等諸多因素的制約。因此艦艇編隊(duì)?wèi)?yīng)充分使用艦載有人機(jī)/無(wú)人機(jī)，以多平臺(tái)融合的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索識(shí)別和綜合研判是非常重要的方法手段［14］。本文基于證據(jù)理論，改進(jìn)了Dempster組合規(guī)則具有的局限性問題，所提出的方法在科學(xué)研判海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)上具有較好的借鑒意義。同時(shí)，通過平臺(tái)可信度融合與偵測(cè)信息匹配度衡量，也能夠有效反饋出各類平臺(tái)對(duì)海上目標(biāo)偵測(cè)的能力，為更好地改進(jìn)和優(yōu)化相關(guān)平臺(tái)的使用提供一定的算法依據(jù)。