李元鋒，劉建平，石成英，王 偉

（1．第二炮兵工程大學(xué)103教研室，陜西西安710025；2．中國人民解放軍61683部隊，北京100094；3．第二炮兵工程大學(xué)906教研室，陜西西安710025）

作戰(zhàn)仿真?zhèn)鞲衅髂Ｐ吞綔y處理通用方法

李元鋒1，劉建平2，石成英1，王 偉3

（1．第二炮兵工程大學(xué)103教研室，陜西西安710025；2．中國人民解放軍61683部隊，北京100094；3．第二炮兵工程大學(xué)906教研室，陜西西安710025）

指揮、控制、通信、計算機(jī)、情報、監(jiān)視和偵察（command，control，communication，computer，intelligence，surveillance and reconnaissance，C4ISR）模型是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的中樞和靈魂，是作戰(zhàn)仿真的重點和難點。在分析作戰(zhàn)仿真情報、監(jiān)視和偵察模型中的傳感器模型對于探測處理的建模需求基礎(chǔ)上，提出了傳感器模型探測處理的通用方法，介紹了所提方法的整體流程，通過計算過程詳細(xì)說明了所提方法的9個方面。通過模型的輸入輸出數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)并結(jié)合仿真驗證實驗，說明了該方法的適用性和通用性，提高了作戰(zhàn)仿真?zhèn)鞲衅髂Ｐ偷倪\行效率，節(jié)約了開發(fā)成本，并為ISR建模與仿真提供了參考方法。

作戰(zhàn)仿真；傳感器模型；探測處理；通用方法

0 引 言

作戰(zhàn)仿真［13］是研究現(xiàn)代戰(zhàn)爭、創(chuàng)新作戰(zhàn)理論的科學(xué)方法，是論證作戰(zhàn)方案、分析軍事行動、驗證軍事效益的定性與定量分析的有效手段。指揮、控制、通信、計算機(jī)、情報、監(jiān)視和偵察（command，control，communication，computer，intelligence，surveillance and reconnaissance，C4ISR）模型是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的中樞和靈魂，是連接傳感器、作戰(zhàn)平臺、指揮人員等一切作戰(zhàn)模型的紐帶，是作戰(zhàn)仿真運行的基礎(chǔ)，是作戰(zhàn)仿真的重點和難點，不僅需要對各類傳感器、信息傳輸和處理系統(tǒng)進(jìn)行建模，還需要對指控行為進(jìn)行建模，構(gòu)建觀察、判斷、決策、行動（observe，orient，decide and act，OODA）［4］的信息循環(huán)過程。一般傳感器建模［512］中探測處理方法是針對不同類別傳感器，針對其工作類型、功能要求對探測過程分別進(jìn)行建模，開發(fā)成本高，周期長，且在仿真時需要處理的交互計算量大，不夠高效，在建模時如果能夠使用統(tǒng)一的探測處理方法進(jìn)行建模，那么無疑會減少建模開發(fā)成本和時間，并且能夠降低運算量，能夠提高經(jīng)濟(jì)效益和運行效率。

傳感器生產(chǎn)的情報產(chǎn)品種類繁多，工作模式各異，主要包括［13］：

（1）圖像情報（紅外、光電、合成孔徑）；

（2）信號情報（電子情報、通信情報）；

（3）測量特征情報（移動目標(biāo)指示）；

（4）人力資源情報。

在本文中，傳感器模型探測處理通用方法適用于7類傳感器，分別為電子情報傳感器、雷達(dá)傳感器、紅外傳感器、通信情報傳感器、光學(xué)情報傳感器、主動聲納和被動聲納。

1 傳感器模型建模需求

傳感器能收集各種各樣的目標(biāo)信息，包括物理情報數(shù)據(jù)（如目標(biāo)位置、海拔、深度、航向、速度、類別、身份和戰(zhàn)斗毀傷狀態(tài)等）和行動情報數(shù)據(jù)（如戰(zhàn)場威脅排序、威脅就緒狀態(tài)、威脅意圖等），此外，傳感器的有效探測距離和探測概率在很大程度上取決于其運行的電磁、聲學(xué)和自然環(huán)境（如地形、水深和大氣海洋分界面等）。因此傳感器模型必須足夠簡單，既要滿足想定規(guī)模和快速運行的要求，同時又必須足夠精細(xì)，能夠解決用戶的業(yè)務(wù)分析問題，在這種平衡制約條件下，傳感器模型必須滿足下列需求：

（1）探測概率作為輸入?yún)?shù)由用戶控制；

（2）傳感器可搭載于空間、空中、海面、海下或陸地平臺上，每個傳感器系統(tǒng)的探測范圍隨搭載平臺運動；

（3）影響傳感器覆蓋范圍的因素有：距離、方位角、俯仰角、目標(biāo)接近速度、其他相關(guān)的目標(biāo)信號增強(qiáng)因素等，對這些因素進(jìn)行不同程度的限制，決定了復(fù)雜的、三維的傳感器覆蓋范圍；

（4）假設(shè)某個傳感器系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)存在目標(biāo)，使用不同形式的“掃描率”探測模型。在此模型中，每個Δt（Δt為連續(xù)探測時機(jī)間的間隔）與收集不同類型數(shù)據(jù)的探測概率相關(guān)。對Δt和數(shù)據(jù)收集概率的選擇通常為可以獲得的、用于傳感器系統(tǒng)、目標(biāo)和感興趣區(qū)域自然環(huán)境的瞬時概率和累積概率的符合條件對象。

2 傳感器模型探測處理通用方法

2.1 方法流程

建?？傮w方法為，通過每個活動的傳感器對目標(biāo)進(jìn)行掃描，對于每一個目標(biāo)，首先檢測傳感器的掃描時間和目標(biāo)活動時間是否匹配，其次為了方便輸入和簡化計算目的，對于傳感器搭載的平臺進(jìn)行適當(dāng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，隨后對于目標(biāo)的作戰(zhàn)隸屬方、目標(biāo)類型進(jìn)行目標(biāo)適應(yīng)性檢測，并對傳感器的視場進(jìn)行檢查，針對特定類型傳感器（如雷達(dá)、聲納、紅外等傳感器）的特定屬性進(jìn)行檢查（考慮計算環(huán)境、電子干擾因素影響等），如果通過檢查，計算傳感器的累積探測概率，并根據(jù)跟蹤目標(biāo)軌跡的性能計算跟蹤質(zhì)量，最后生成探測報告，如圖1所示。

2.2 傳感掃描時間檢查

傳感器必須具有實時探測目標(biāo)的能力，在傳感器掃描前，傳感器搭載平臺必須處于激活狀態(tài)且傳感器必須處于工作狀態(tài)，傳感器的掃描時間必須為仿真系統(tǒng)步長時間的整數(shù)倍。舉例說明，想定仿真時間步長為3 s，傳感器掃描周期為6 s，第一次掃描時間為3 s，那么傳感器將在3 s，9 s，15 s，21 s等時間進(jìn)行掃描。如果步長周期為7 s，那么掃描時間為3 s，12 s，15 s，21 s等。

圖1 傳感器模型探測處理通用方法

2.3 傳感器搭載平臺坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

（1）使用坐標(biāo)系

在仿真中，傳感器的坐標(biāo)系使用直接關(guān)系到傳感器視場（field of view，F(xiàn)OV）的計算以及傳感器與目標(biāo)視線位置的計算是否方便，考慮到計算的方便性和輸入數(shù)據(jù)的方便性兩個方面，使用下列坐標(biāo)系：

①地心直角坐標(biāo)系（earth centered erath fixed，ECEF）［14］

ECEF隨地球的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，它以地心為原點，Z軸指向北極點，X軸和Y軸位于地球赤道平面內(nèi)，X軸指向赤道與本初子午線的交點，Y軸指向赤道與90°子午線的交點，該坐標(biāo)系在系統(tǒng)進(jìn)行運算時較為方便，其他坐標(biāo)系一律轉(zhuǎn)換為該坐標(biāo)系進(jìn)行計算。

② 速度軸坐標(biāo)系

速度軸坐標(biāo)系以平臺為原點，X軸沿平臺速度矢量方向，Y軸垂直于X軸指向左側(cè)，Z軸與X、Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系能夠方便地設(shè)置運動平臺的屬性數(shù)據(jù)。

③東-北-天坐標(biāo)系（east-north-up，ENU）［15］

ENU以傳感器搭載平臺點（以經(jīng)緯度定義）為原點，X軸指向北方向，Y軸指向東方向，Z軸延當(dāng)?shù)劂U垂方向指向上。X軸和Y軸定義了ENU的地平面，ENU一般用于設(shè)置靜止平臺的屬性數(shù)據(jù)。

一般在輸入傳感器搭載平臺位置時，用戶習(xí)慣使用速度軸坐標(biāo)系和ENU進(jìn)行輸入，但模型在系統(tǒng)中參與計算時，為了簡化計算過程，需要將速度軸坐標(biāo)系和ENU轉(zhuǎn)換為ECEF。由于速度軸坐標(biāo)系使用較多，在本文中給出速度坐標(biāo)系和ECEF的轉(zhuǎn)換關(guān)系和轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2 速度軸坐標(biāo)系與ECEF轉(zhuǎn)換關(guān)系

假設(shè)傳感器搭載平臺的瞬時的中心位于OC點，坐標(biāo)系為XC-YC-ZC，ECEF原點為O，坐標(biāo)系為X-Y-Z，Ψ為XC軸在平面XOY內(nèi)的投影與X軸之間的夾角，Θ為XC軸與平面XOY之間的夾角，Φ為YC軸與平面XOY面之間的夾角，轉(zhuǎn)換步驟如下：

步驟1 先將速度軸坐標(biāo)系沿著地心矢徑方向平移到地心O點。

步驟2 第一次旋轉(zhuǎn)，繞ECEF的Z軸旋轉(zhuǎn)Ψ角度，形成新的坐標(biāo)系O-X1Y1Z1，如圖2所示。

步驟3 第二次旋轉(zhuǎn)，繞新的坐標(biāo)系的Y 1軸旋轉(zhuǎn)Θ角度，使X 2軸與XC軸重合，形成新的坐標(biāo)系O-X2Y2Z2，如圖2所示。

步驟4 第三次旋轉(zhuǎn)，繞新坐標(biāo)系X2旋轉(zhuǎn)Φ角度，使得Y2軸、Z2軸分別與YC軸、ZC軸重合。至此，就完成了地心直角坐標(biāo)系向速度軸坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

從速度坐標(biāo)到ECEF 的轉(zhuǎn)換矩陣為

2.4 目標(biāo)適應(yīng)性檢查

目標(biāo)適應(yīng)性檢查需要檢測目標(biāo)的作戰(zhàn)方和目標(biāo)可探測信號與傳感器探測特征的對應(yīng)關(guān)系，如果目標(biāo)是友方或己方目標(biāo)，那么不需要進(jìn)行探測計算。目標(biāo)可探測信號和傳感器探測特征必須滿足對應(yīng)關(guān)系，如果不滿足條件，則不能進(jìn)行探測。如圖3所示，圖3中實線的雙向箭頭表示探測與被探測關(guān)系，虛線表示不僅是一種傳感器探測特征類型，而且是一種被探測信號，如雷達(dá)本身是電磁發(fā)射源，同時也能夠探測雷達(dá)反射信號，主動聲納本身既是聲源，也可以探測聲波的反射。

圖3 目標(biāo)發(fā)射信號與傳感器探測特征關(guān)系

同時，還需要檢查傳感器和目標(biāo)的距離（絕對、相對）閾值、目標(biāo)速度（絕對、相對）閾值、目標(biāo)高度（絕對、相對）閾值等條件，如果檢查通過，則進(jìn)行下一項檢查。

2.5 傳感器視場檢查

根據(jù)傳感器視場類型，將傳感器視場類型設(shè)為3種，分別為矩形、圓形和無。

（1）矩形視場

如果傳感器是矩形視場，需要通過俯仰角、方位角和傳感器的最大探測距離這3個參數(shù)來確定目標(biāo)是否處于傳感器探測區(qū)域中。方位角的測量以傳感器視場中心軸矢量在水平面的投影為中心，俯仰角的測量是以視場中心軸矢量在垂直平面上投影為中心，計算過程如下：

首先檢測目標(biāo)到傳感器的距離為

式中，range為傳感器到目標(biāo)的距離；D為傳感器在速度軸坐標(biāo)系中指向目標(biāo)的矢量，表示為

式中，Pt為目標(biāo)在ECEF中的位置矢量；Ps為傳感器在ECEF中的位置矢量。如果range計算所得值小于傳感器的最大觀察距離，那么目標(biāo)就處在傳感器的探測區(qū)域內(nèi)，可以進(jìn)行探測。

將傳感器到目標(biāo)的矢量轉(zhuǎn)換為速度軸坐標(biāo)系，由此計算目標(biāo)的方位角和俯仰角。

式中，D＝｛xd，yd，zd｝T為ECEF傳感器到目標(biāo)的矢量；Ts為ECEF到速度軸坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，如式（1）所示。假設(shè)α為目標(biāo)方位角，β為目標(biāo)俯仰角，計算公式為

（2）圓形視場

如果傳感器視場是圓形視場，那么需要測度兩個因素，一是傳感器與目標(biāo)的距離，另一個是傳感器目標(biāo)矢量與視場中心軸矢量的夾角，計算方法為

式中，α為傳感器目標(biāo)矢量與視場中心軸矢量之間的夾角；B為視場中心軸矢量對應(yīng)的單位矢量；Ds為速度軸坐標(biāo)系中的傳感器目標(biāo)矢量。

如果計算的角度小于傳感器定義的視場角，那么通過視場檢查。

（3）無

當(dāng)視場類型為無時，不需要進(jìn)行視場檢查。

2.6 通視條件檢查

通視條件檢查一般檢測探測目標(biāo)和傳感器之間是否有地形遮蔽。設(shè)置地球曲率放大倍數(shù)結(jié)合傳感器的高度、位置和目標(biāo)的高度、位置進(jìn)行計算并與檢查條件對比，如果可以通視則通過檢查。一般情況，對于雷達(dá)和電子信號傳感器地球曲率放大倍數(shù)通常設(shè)置為4／3，對于光學(xué)和紅外傳感器，一般設(shè)置為1。

2.7 特定類型傳感器屬性檢查

不同領(lǐng)域的傳感器，具有不同的功能和類型，針對不同類型傳感器，需要檢驗不同的特征屬性、環(huán)境、干擾因素影響檢查，以雷達(dá)和聲納的主要特征屬性［1618］進(jìn)行比較說明。

（1）雷達(dá)

雷達(dá)傳感器對外發(fā)送電磁信號，并能根據(jù)回波計算出目標(biāo)的位置和速度等信息。對于在距離r的目標(biāo)，雷達(dá)收到的回波信號能量計算公式為

式中，PR為雷達(dá)接收功率；PT為雷達(dá)發(fā)射功率；G＝4πAe／λ2為天線增益；1／4πr2為回波的空間衰減因子；Ae為天線有效面積；σ為目標(biāo)橫截面面積。那么雷達(dá)探測距離方程為

式中，S為雷達(dá)接收功率PR最小值。其中，雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波能量必須大于等于S值，才有可能探測到目標(biāo)。從雷達(dá)距離方程，可推導(dǎo)出式（9），說明了RCS值為σ0時的雷達(dá)目標(biāo)距離r0與RCS值為σ1時的雷達(dá)目標(biāo)距離r1的關(guān)系。

對于比較小的目標(biāo)（雷達(dá)橫截面非常?。?，其RCS值會隨雷達(dá)頻率在某個頻段范圍內(nèi)發(fā)生變化而變化。假設(shè)雷達(dá)頻率為f0（波長為λ0）時目標(biāo)的RCS值為σ0，雷達(dá)頻率為f1（波長為λ1）時，目標(biāo)的RCS值為σ1，兩個RCS值之間的關(guān)系非常復(fù)雜，但可以簡單表示為

式中，在1 GHz≤f1≤10 GHz時e＝2，否則e＝0。已知雷達(dá)頻率為f0時，某個小目標(biāo)的RCS值為σ0，可用式（10）計算出在雷達(dá)頻率為f1時，該小目標(biāo)的RCS值為σ1。需要指出，雷達(dá)頻率的變化只適用于RCS值比較小的情況，不應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致RCS值增加至3～30 m2，因而，如果頻率的變化導(dǎo)致計算出的σ1變化幅度超過了這個數(shù)值，應(yīng)使用式（11）。

在雷達(dá)傳感器中，需要重點檢查的是信噪比參數(shù)，如果雷達(dá)接收功率過小，那么無法看到目標(biāo)。同時還需要考慮大氣吸收損耗、多路徑傳輸以及地雜波和海雜波的影響計算信噪比。如果處于干擾環(huán)境中，需要信干比計算判定探測概率。

（2）聲納

以主動聲納為例進(jìn)行說明，對主動聲納傳感器而言，聲納方程的表現(xiàn)形式為

式中，Ls為目標(biāo)發(fā)出的聲源級；Nw為從目標(biāo)到聲納接收機(jī)的傳播損失；NTS為目標(biāo)強(qiáng)度，即目標(biāo)反射的聲音強(qiáng)度；LN為聲納噪聲級；AG為聲納基陣的增益，表示基陣能抑制的噪聲；DT為探測閾值，用于限定探測的S／N；SE為超出的信號值，為接收到的S／N數(shù)值與必要的S／N數(shù)值間的差值；LS－2Nw＋NTS代表聲納接收機(jī)能接收到的信號級；LN－AG代表聲納處理后剩下的噪聲級，這5個參數(shù)共同計算出信噪比，以供聲納進(jìn)行探測處理。與被動聲納方程相同，主動聲納方程中的所有參數(shù)都是隨機(jī)變量（各變量互相獨立，以dB為單位，都符合正態(tài)分布），主動聲納方程是各參數(shù)平均值之和。類似地可用方程式描述這些隨機(jī)變量間的不同關(guān)系，從而可以確定SE的概率密度。此概率密度函數(shù)可用于計算瞬時探測概率，即密度函數(shù)曲線下SE≥0的面積。在聲納模型中，還需要考慮水位、潮流、海流、水聲、噪聲等環(huán)境、干擾因素對于信號傳播造成的影響。

2.8 探測概率的計算

傳感器的累積（多次）探測概率（cumulative probability of detection，CDP）指的是該傳感器在以［t1，t2］定義的搜索時段內(nèi)，至少探測到目標(biāo)一次的概率。CDP的計算依賴于瞬時探測概率（假設(shè)此概率在t1與t2間的任何時刻都已知），以及針對時間［t1，t2］內(nèi)發(fā)生的各單次探測間的相關(guān)性所作出合理性假設(shè)。由于CDP中包含了各單次探測間的統(tǒng)計上的相關(guān)性，對作戰(zhàn)情報、搜索和監(jiān)視效能具有更大影響，因而CDP比單次探測概率在作戰(zhàn)仿真分析中具有更重要的作用。

累計探測概率考慮到輸入?yún)?shù)配置間的關(guān)聯(lián)性，假設(shè)傳感器模型的單次探測概率為Pd，假設(shè)后臺探測處理過程的各探測時段完全相關(guān)，但其間被一系列波動（例如突變）中斷，這些波動在連續(xù)的完全相關(guān)的時段間引入了獨立性。每一個完全相關(guān)的時段T是符合均值為1／λ的指數(shù)分布的隨機(jī)變量，那么傳感器第n次探測的累積探測概率CDP為

式中，β＝1－e－λΔt；Δt為傳感器探測時間間隔，并假定Pd（i）呈單峰分布，換言之，從第1次到第M次探測，Pd（i）不會降低，從第M次探測到更高，Pd（i）不再升高。

2.9 計算目標(biāo)軌跡跟蹤質(zhì)量

采用蒙特卡羅方法對傳感器的目標(biāo)跟蹤質(zhì)量進(jìn)行處理，設(shè)置跟蹤模式丟失目標(biāo)軌跡的概率、搜索模式的掃描間隔等參數(shù)，結(jié)合傳感器自身的分辨力參數(shù)，生成對于目標(biāo)的跟蹤質(zhì)量。

2.10 生成探測報告

根據(jù)探測的情報信息生成相應(yīng)的目標(biāo)報告，可以為目標(biāo)位置報告、目標(biāo)航線和速度的報告、目標(biāo)海拔和高度的報告、目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)ID的報告以及目標(biāo)威脅等級的報告等。

3 模型輸入輸出數(shù)據(jù)

3.1 輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

傳感器模型的輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括兩大部分：第一部分為通用傳感器屬性部分，包括傳感器的調(diào)度計劃、性能屬性參數(shù)、報告屬性和能夠被其他類型傳感器探測的屬性。第二部分為指定類型傳感器特殊屬性部分，如針對雷達(dá)傳感器，需要設(shè)置基準(zhǔn)雷達(dá)橫截面面積（radar cross section，RCS）、探測信號類型、工作媒介、基準(zhǔn)工作頻率、發(fā)射電磁波段、發(fā)射功率等參數(shù)。

圖4 傳感器模型輸入數(shù)據(jù)

3.2 輸出數(shù)據(jù)

根據(jù)傳感器的輸入數(shù)據(jù)模型設(shè)置傳感器模型輸出，包括3類輸出指標(biāo)，即

（1）事件發(fā)生時間；

（2）在一定時間范圍發(fā)生的事件數(shù)量；

（3）在某個時間點事件的狀態(tài)值。

事件發(fā)生時間類指標(biāo)包括第一探測時間、第一次目標(biāo)分類時間、第一次目標(biāo)辨識時間等。在一定時間范圍內(nèi)的事件發(fā)生數(shù)量包括監(jiān)視探測的事件數(shù)量、監(jiān)視分類事件數(shù)量等。在某個時間點的時間狀態(tài)值包括第一次探測距離、第一次目標(biāo)分類距離等。

4 仿真實驗驗證

為了說明傳感器模型通用探測處理方法的有效性和適用性，將傳感器模型寫入基于Agent的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用平臺為Windows操作系統(tǒng)，采用VC＋＋語言編寫，能夠體現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)級紅藍(lán)雙方戰(zhàn)場空間實體的對抗過程并采集響應(yīng)的探測、跟蹤、交戰(zhàn)結(jié)果。

設(shè)置紅藍(lán)雙方對抗想定，紅方戰(zhàn)場空間實體包括1個艦隊（由航母、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、核潛艇組成），艦隊搭載預(yù)警機(jī)中隊、直升機(jī)預(yù)警中隊和戰(zhàn)斗機(jī)中隊。藍(lán)方戰(zhàn)場空間實體包括1個艦隊（由航母、巡洋艦、驅(qū)逐艦、支援艦組成），艦隊搭載預(yù)警機(jī)中隊、電子干擾中隊和戰(zhàn)斗機(jī)中隊。紅藍(lán)雙方主要使用雷達(dá)、聲納等傳感器進(jìn)行探測交互，通過“探測-決策 打擊 評估”的流程實現(xiàn)?？战粦?zhàn)，想定的高級作戰(zhàn)概念圖（operation view 1，OV-1）如圖5所示。

圖5 紅藍(lán)雙方高級作戰(zhàn)概念圖（OV-1）

以紅方單個機(jī)載雷達(dá)和藍(lán)方艦船單個主動聲納為例，說明模型的輸入?yún)?shù)。紅方單個機(jī)載雷達(dá)基準(zhǔn)探測距離為400 km，基準(zhǔn)RCS為3 m2，探測包絡(luò)設(shè)置為楔形，探測方位角為120°，俯仰角范圍為［－60°，60°］，基本工作頻率設(shè)置為5 000 MHz，發(fā)射能量設(shè)置為6 k W。藍(lán)方艦船主動聲納最大探測距離設(shè)置為15 km，最小探測距離設(shè)置為1 km，發(fā)射信號功率為100 W。傳感器通過通用探測處理對目標(biāo)進(jìn)行交互，實現(xiàn)探測跟蹤、分類辨識等功能。

采集的輸出指標(biāo)主要為探測性能指標(biāo)，包括紅方傳感器的第一目標(biāo)探測時間、第一目標(biāo)探測距離、第一次目標(biāo)分類時間、第一次目標(biāo)辨識時間、監(jiān)視探測、監(jiān)視分類、監(jiān)視辨識事件數(shù)量等。

以監(jiān)視探測事件數(shù)量類指標(biāo)為例，說明其計算方法。假設(shè)C（tq，r）是記錄了r個樣本數(shù)量時間間隔為［tq－1，tq］（或者q＝1時，時間間隔為［0，t1］）內(nèi)發(fā)生指定事件類型的數(shù)量。在仿真運行過程中存儲的中間數(shù)據(jù)為

從式（15）的中間數(shù)據(jù)計算最終的事件數(shù)量和報告時間tq的關(guān)系，tq時刻r個運行樣本評估指標(biāo)的樣本均值m計算公式為

tq時刻r個運行樣本評估指標(biāo)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差s的計算公式為

在95%置信度情況下樣本均值m的樣本標(biāo)準(zhǔn)方差計算公式為

想定持續(xù)時間為4 h，時間步長為30 s，使用隨機(jī)數(shù)運行多個樣本，運行樣本數(shù)量為100次。列出部分采集指標(biāo)輸出結(jié)果。

第一次探測時間指標(biāo)的部分輸出如表1所示。

表1 第一次探測時間指標(biāo)部分輸出

第一次探測距離指標(biāo)的部分輸出如表2所示。

表2 第一次探測距離指標(biāo)部分輸出

紅方傳感器在想定的第1、2、3、4小時監(jiān)視探測、分類、辨識的事件數(shù)量對比圖如圖6所示。圖6中橫坐標(biāo)單位為小時，1表示從0～1小時，以此類推?？v坐標(biāo)單位為個數(shù)，藍(lán)色柱狀圖表示傳感器監(jiān)視探測事件數(shù)量均值，橙色柱狀圖表示傳感器監(jiān)視分類事件數(shù)量均值，灰色柱狀圖表示傳感器監(jiān)視辨識事件數(shù)量均值?？梢钥闯黾t藍(lán)雙方在交戰(zhàn)初期（0～1小時）內(nèi)探測、分類、辨識的事件數(shù)量明顯多于其他時間。

圖6 紅方傳感器監(jiān)視探測、分類、辨識事件數(shù)量

針對想定中的藍(lán)方艦船的某一型號對空預(yù)警雷達(dá)，通過因特網(wǎng)公開資料搜集該雷達(dá)的數(shù)據(jù)。該雷達(dá)探測距離為370 km，探測高度為100～50 000 ft，方位角為［0°，360°］，俯仰角為［－3°，5°］，天線發(fā)送增益為35 d B，天線接收增益為35 dB，傳輸功率為37 k W，虛警概率為10－5，傳輸損耗為3．3 d B，脈沖寬度為4μs，信號處理損失為1．9 d B，探測目標(biāo)雷達(dá)截面積為1 m2，在高脈沖重復(fù)頻率近距離的情況下實際探測包絡(luò)和利用該仿真模型三維剖面包絡(luò)對比如圖7所示。

圖7 實際包括和仿真模型探測包括對比圖

圖7 中，紅色探測包絡(luò)為實際探測包絡(luò)，藍(lán)色探測包絡(luò)為仿真模型包絡(luò)。可以看出，在仰角為2°時，實際探測距離為32．3海里，仿真模型探測距離為32．6海里。在仰角為0°時，實際探測距離為39．5海里，仿真模型探測距離為39．6海里。實際探測包絡(luò)和仿真模型包絡(luò)的探測距離誤差很小，平均誤差小于0．5海里，可以滿足仿真結(jié)果。通過實驗結(jié)果，可以看出，通過通用方法可以有效實現(xiàn)傳感器模型對于目標(biāo)的探測處理，生成目標(biāo)的物理情報數(shù)據(jù)和行動情報數(shù)據(jù)，對于傳感器模型具有可信性、適用性和通用性。

5 結(jié) 論

本文從需求上分析了建立傳感器模型探測處理通用方法的必要性，為了解決探測處理的通用性、傳感器開發(fā)成本高和計算量大的問題，介紹了傳感器探測通用處理方法流程，對于流程中的每部分的計算進(jìn)行詳細(xì)介紹，結(jié)合模型輸入?yún)?shù)和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合作戰(zhàn)仿真驗證想定實驗說明了通用傳感器模型的通用性、適用性，并且降低了模型的計算量，為作戰(zhàn)仿真中情報、監(jiān)視和偵察領(lǐng)域的模型建模提供了較好的參考方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］Law A M．Simulation modeling and analysis［M］．New York：The Mc Graw-Hill Companies，2007：5- 8．

［2］Huang K D，Qiu X G．The technology of modeling and simulation［M］．Changsha：National University of Defense Technology Press，2010：1- 6．（黃柯棣，邱曉剛．建模與仿真技術(shù)［M］．長沙：國防科技大學(xué)出版社，2010：1- 6．）

［3］Hu X F，Luo P．Themodeling and simulation complex warfare system［M］．Beijing：National Defense University Press，2005：9-30．（胡曉峰，羅批．戰(zhàn)爭復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真［M］．北京：國防大學(xué)出版社，2005：9- 30．）

［4］Brehmer B．The dynamic OODA loop：amalgamating boyd’s OODA loop and the cybernetic to command and control［C］∥Proc.of the 10th International Command and Control Research and Technology Symposium，2006：1- 5．

［5］Collins R T，Lipton A J．Algorithms for cooperative multi-sensor surveillance［J］．Proceedings of the IEEE，2001，89（10）：1456- 1477．

［6］Adamy D L．Introduction to electronic warfare modeling and simulation［M］．Boston：SciTech Publishing，2006：56- 70．

［7］Lim E W C．Discrete event simulations-development and applications［M］．Rijeka：Intech，2012：63- 73．

［8］Menthe L，Sullivan J．A rand analysis tool for intelligence，surveillance and reconnaissance-the collections operations model［R］．USA：Rand Cooperation，2008：1- 36．

［9］Leachtenauer J C，Driggers R G．Surveillanceand reconnaissance imaging systems：modeling and performance prediction［M］．Norwood：Artech House，2001：34- 54．

［10］Mao S J，Ju Z Q．C4ISRsystem simulation experiment technology［M］．Beijing：Military Science Press，2007：87- 141．（毛少杰，居真奇．C4ISR系統(tǒng)仿真實驗技術(shù)［M］．北京：軍事科學(xué)出版社，2011：87- 141．）

［11］Yang C Z．Electronic countermeasures warfare simulation［M］．Beijing：Blue Sky Press，2004：24- 46．（楊承志．電子對抗作戰(zhàn)仿真［M］．北京：藍(lán)天出版社，2004：24- 46．）

［12］Xu R M．The warfare modeling and simulation［M］．Beijing：Military Science Press，2012：220- 240．（許瑞明．作戰(zhàn)建模與仿真［M］．北京：軍事科學(xué)出版社，2012：220- 240．）

［13］Lei L，Shi X．Surveillance and reconnaissance［M］．Beijing：National Defense Industry，2008：12- 20．（雷厲，石星．偵察與監(jiān)視-作戰(zhàn)空間的千里眼和順風(fēng)耳［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2008：12- 20．）

［14］Cui Y Q，Wei X，You H，et al．Mobile sensor registration in ECEF coordinates using the MLR algorithm［C］∥Proc.of the IEEE Chinese Institute of Electrics International Conference on Radar，2011：1784- 1787．

［15］Arnold C N，Barnes M J，Berger M，et al．ENU-induced phenovariance in mice：inferences from 587 mutations［J］．Bio Med Central Research Notes，2012，5（1）：1- 14．

［16］Chen Y G，Li X H．The capability analysis and evaluation of radar network［M］．Beijing：National Defense Press，2006：43-76．（陳永光，李修和．組網(wǎng)雷達(dá)作戰(zhàn)能力分析與評估［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2006：43- 76．）

［17］Klaus H，Oscar K．Design and analysis of experiments，special designs and applications［M］．Hoboken：Wiley，2012：121- 140．

［18］Anghinolfi D，Capogrosso A，Paolucci M，et al．An agentbased simulator for the evaluation of the measurement of effectiveness in the military naval tasks［C］∥Proc.of the 17th IEEE International Conference on System Theory，Control and Computing，2013：733- 738．

General method of sensor model detection processing of warfare modeling and simulation

LI Yuan-feng1，3，LIU Jian-ping2，SHI Cheng-ying1，WANG Wei3
（1.The 103 Department，The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China；2.Unit 61683 of the PLA，Beijing 100094，China，3.The 906 Department，The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China）

The model of command，control，communication，computer，intelligence，surveillance and reconnaissance（C4ISR）is the soul of warfare simulation system，and it is also the key and difficulty in warfare simulation．On the basis of analyzed the ISR sensor model of warfare modeling and simulation model for detection process modeling requirements，a general method for detecting of sensor model is proposed，and the overall flow of the method is introduced．The calculating process of the nine aspects of the methodology is described in detail．The input and output data binding model structure is described．Combined with the simulation experiments，the applicability and versatility of proposed method to improve the operating efficiency of the model are illustrated．The development costs are saved and a reference model for the ISR modeling and simulation is provided．

warfare simulation；sensor model；detection process；general method

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．04．13

李元鋒（1982 ），男，工程師，博士研究生，主要研究方向為作戰(zhàn)仿真。E-mail：jonasdhb＠163．com

劉建平（1966 ），男，高級工程師，博士，主要研究方向為作戰(zhàn)仿真、系統(tǒng)工程。E-mail：ljp123＠163．com

石成英（1964-），男，教授，博士，主要研究方向為系統(tǒng)工程。E-mail：sunyinchao523＠163．com

王 偉（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為作戰(zhàn)仿真。E-mail：125886950＠qq．com

1001-506X（2015）04-0802-07

2014- 04- 07；

2014- 07- 01；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014- 10- 22。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20141022．1325．005．html

國家自然科學(xué)基金（91024030）資助課題