薛　磊,沈　陽(yáng),喬　亞

(電子工程學(xué)院,安徽合肥　230037)

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戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知技術(shù)框架研究*

薛磊,沈陽(yáng),喬亞

(電子工程學(xué)院,安徽合肥230037)

摘要:為了高效精確感知現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)條件下的電磁態(tài)勢(shì),分析了戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知的需求,研究了基于高層信息融合的電磁態(tài)勢(shì)融合感知技術(shù)框架。戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知技術(shù)框架面向異構(gòu)信息綜合處理和融合模型柔性控制,基于電磁實(shí)體序列識(shí)別形成觀測(cè)態(tài)勢(shì),基于作戰(zhàn)行動(dòng)企圖估計(jì)形成估計(jì)態(tài)勢(shì),基于電磁威脅預(yù)測(cè)評(píng)估形成預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì),構(gòu)建現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)綜合電磁態(tài)勢(shì)圖。研究表明基于融合理論的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知技術(shù)框架具有適應(yīng)性強(qiáng)、高效精確的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì);融合感知;技術(shù)框架

信息化時(shí)代下,電磁空間成為信息化條件下的戰(zhàn)略高地,奪取和保持電磁空間優(yōu)勢(shì),是打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的必要條件。隨著信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用,無(wú)論是社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域還是軍事斗爭(zhēng)領(lǐng)域,對(duì)電磁空間態(tài)勢(shì)感知的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)是指在特定的時(shí)空范圍內(nèi),敵對(duì)雙方的用頻裝備、設(shè)備配置和電磁活動(dòng)及其變化所形成的狀態(tài)和形勢(shì)[1]。態(tài)勢(shì)感知(Situation Awareness, SAW)是對(duì)一個(gè)時(shí)空范圍中的環(huán)境元素的察覺(jué)、對(duì)其含義的理解和其未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)[2]。

從信息科學(xué)的角度,態(tài)勢(shì)感知屬于高層信息融合的研究范疇,它既是戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)要素提取的后繼和深化,又是作戰(zhàn)任務(wù)分配與資源調(diào)度的前提和基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3]對(duì)傳統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖的構(gòu)建進(jìn)行了探討,文獻(xiàn)[4]對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知與協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[5]研究了仿真中的敵軍行動(dòng)認(rèn)知技術(shù),均沒(méi)有涉及電磁態(tài)勢(shì)要素,滿足不了信息化條件下作戰(zhàn)指揮決策的需要。為了滿足信息化條件下作戰(zhàn)指揮輔助決策的需求,鑒于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電磁活動(dòng)的迅速性和廣泛性,本文基于高層信息融合原理,設(shè)計(jì)了戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知的技術(shù)框架,詳細(xì)研究了態(tài)勢(shì)覺(jué)察、融合處理和應(yīng)用服務(wù)技術(shù),為作戰(zhàn)指揮輔助決策提供了支撐,具有重要的軍事意義和應(yīng)用價(jià)值。

1戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知需求

按照作戰(zhàn)指揮員和指揮機(jī)關(guān)在指揮決策中對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空間關(guān)注范圍和指揮層次的實(shí)際需求,戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知的應(yīng)用需求包括:一是武器裝備運(yùn)用的點(diǎn)空間戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì);二是戰(zhàn)術(shù)指揮決策的線空間戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì);三是戰(zhàn)略戰(zhàn)役指揮決策的面空間戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)。三者層層遞進(jìn)、逐層包含,如圖1所示。

無(wú)論是點(diǎn)空間、線空間還是面空間的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì),它們都是描述一定視角的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信號(hào)的時(shí)頻特性、場(chǎng)強(qiáng)大小、脈沖密度、直接威脅性和整體復(fù)雜性等態(tài)勢(shì),為指揮員指揮戰(zhàn)斗提供輔助決策信息。

2戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)圖層次、要素和功能

按照態(tài)勢(shì)感知的應(yīng)用需求,戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)圖劃分

為三個(gè)層次:裝備級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖、戰(zhàn)術(shù)級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖和戰(zhàn)略/戰(zhàn)役級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖,各層次的要素和功能具有不同的特性。戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)圖特性如表1所示。

表 1 戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)圖特性表

裝備級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖服務(wù)于指揮員的武器裝備運(yùn)用決策,重點(diǎn)關(guān)注部署點(diǎn)的電磁態(tài)勢(shì)信息;戰(zhàn)術(shù)級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖服務(wù)于指揮員的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策,重點(diǎn)關(guān)注行動(dòng)線的電磁態(tài)勢(shì)信息;戰(zhàn)略/戰(zhàn)役級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖服務(wù)于指揮員的方案籌劃決策,重點(diǎn)關(guān)注作戰(zhàn)面的電磁態(tài)勢(shì)信息。由于關(guān)注的重點(diǎn)不同,各級(jí)電磁態(tài)勢(shì)圖在態(tài)勢(shì)要素種類、信息粒度、數(shù)據(jù)精度和實(shí)時(shí)性等方面也不同。

3基于信息融合的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知技術(shù)框架

戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的融合感知,是以信息融合為基本原理,以感知需求分析為起點(diǎn),以戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知的高層信息融合為核心,以態(tài)勢(shì)表征、態(tài)勢(shì)估計(jì)和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)為貫穿的信息融合處理過(guò)程。技術(shù)框架如圖2所示。

圖2　戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知技術(shù)框架

戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知的關(guān)鍵在于異構(gòu)信息處理和融合模型柔性控制,基于此的態(tài)勢(shì)融合感知的適應(yīng)性和魯棒性會(huì)更強(qiáng),尤其是在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中。

對(duì)于異構(gòu)信息處理方法,視異構(gòu)類別擬選擇不同的方法。如不同精度信息的融合,首先進(jìn)行野值剔除,再對(duì)信息源按精度分組,實(shí)行差別化信息融合處理,保證不同精度態(tài)勢(shì)信息的高效利用;又如不同粒度信息的融合,采取證據(jù)合成方法,利用不同粒度證據(jù)生成新的證據(jù)及其信度,保證不同粒度態(tài)勢(shì)信息的高效利用;再如不同維數(shù)信息的融合,采取擴(kuò)維一體融合方法,減少融合層次,提高融合處理時(shí)效性。

對(duì)于融合模型柔性控制,分別在融合模型各構(gòu)成要素形成控制規(guī)則,如融合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置規(guī)則、網(wǎng)絡(luò)信息流向、流程和時(shí)間控制規(guī)則、信息融合處理資源配置與運(yùn)行規(guī)則以及融合結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整規(guī)則等。在對(duì)融合性能進(jìn)行估計(jì)和應(yīng)用效能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合柔性融合知識(shí)庫(kù)的領(lǐng)域知識(shí),對(duì)電磁空間態(tài)勢(shì)估計(jì)的融合模型進(jìn)行構(gòu)成要素調(diào)整,柔性控制融合模型以適應(yīng)態(tài)勢(shì)估計(jì)這一高層多源異構(gòu)信息認(rèn)知融合的需求。

3.1電磁實(shí)體序列識(shí)別技術(shù)

實(shí)體序列是按作戰(zhàn)需要對(duì)實(shí)體的組織系統(tǒng)、指揮關(guān)系、作戰(zhàn)行動(dòng)次序的排列,分為實(shí)體空間序列、實(shí)體功能序列、實(shí)體協(xié)同序列和實(shí)體作戰(zhàn)序列。實(shí)體序列識(shí)別是依據(jù)輸入的電磁目標(biāo)實(shí)體識(shí)別結(jié)果和兵力編組運(yùn)用等態(tài)勢(shì)信息,在電磁實(shí)體群分析的基礎(chǔ)上,建立群初始化和更新模型,運(yùn)用模板匹配技術(shù),對(duì)電磁實(shí)體序列空間關(guān)系、功能關(guān)系和協(xié)同關(guān)系做出的識(shí)別[6]。電磁實(shí)體序列的群表征示意如圖3所示。

圖3　電磁實(shí)體序列的群表征示意圖

方法的核心環(huán)節(jié)包括:

1)對(duì)前級(jí)融合輸出到態(tài)勢(shì)感知環(huán)節(jié)的電磁態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行表征處理,對(duì)電磁實(shí)體作戰(zhàn)編組先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行模板處理;

2)基于迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法(Iterative Self-Organizing Data Analysis Techniques Algorithm, ISODATA)思想,對(duì)電磁態(tài)勢(shì)表征信息進(jìn)行聚類分析,得出電磁實(shí)體序列的空間群估計(jì);

3)在空間群估計(jì)結(jié)果基礎(chǔ)上,結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)模板,基于模板匹配思想對(duì)電磁實(shí)體序列進(jìn)行功能群和協(xié)同群估計(jì),給出識(shí)別結(jié)果。

如在雷達(dá)這一電磁實(shí)體序列識(shí)別中,雷達(dá)作為一類重要的戰(zhàn)場(chǎng)電磁目標(biāo),其空間群結(jié)構(gòu)包括配對(duì)共站式、雙功共站式、均衡分散式和加權(quán)分散式,其功能群結(jié)構(gòu)包括同步集中式、異步集中式和分布式[6]。雷達(dá)實(shí)體關(guān)系群的識(shí)別算法包括群建立和群更新兩個(gè)部分。

設(shè)前級(jí)融合的輸出信息為xij(i為雷達(dá)序號(hào),j為特征序號(hào)),雷達(dá)特征有{部署位置,技術(shù)體制,掃描特征,情報(bào)特征,裝備型號(hào)}。群初始成員的確定是把空間覆蓋率合理且有情報(bào)關(guān)聯(lián)的雷達(dá)實(shí)體歸為一群。若雷達(dá)u和v滿足下列條件時(shí),設(shè)置雷達(dá)u和v為群初始成員,即

u,v∈I

(1)

式中，u,v為待編群雷達(dá)序號(hào);I為初始群雷達(dá)序號(hào)集合;cuv為雷達(dá)u和雷達(dá)v之間的情報(bào)信息量;sI為初始群I組成雷達(dá)網(wǎng)的空間覆蓋率;|I|表示初始群的目標(biāo)數(shù)量。

以初始群I為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)更新算子“+”(包括空間群和功能群2類多個(gè)),對(duì)群I進(jìn)行更新操作,實(shí)現(xiàn)群的動(dòng)態(tài)維護(hù)。如配對(duì)共站式空間群算子“+”:

p∈I

(2)

式中，xp1為雷達(dá)p的位置特征;xi1為雷達(dá)i的位置特征;xp2為雷達(dá)p的技術(shù)體制特征;xi2為雷達(dá)i的技術(shù)體制特征;約束條件(2)表示雷達(dá)p與雷達(dá)i的技術(shù)體制互補(bǔ);cpi為雷達(dá)p和雷達(dá)i之間的情報(bào)信息量;sI為群I更新后的空間覆蓋率。

3.2作戰(zhàn)行動(dòng)企圖估計(jì)技術(shù)

作戰(zhàn)行動(dòng)企圖估計(jì)是依據(jù)輸入的電磁實(shí)體序列和作戰(zhàn)條令規(guī)則等態(tài)勢(shì)觀測(cè)信息,在電磁活動(dòng)事件檢測(cè)的基礎(chǔ)上,融合傳統(tǒng)行動(dòng)企圖態(tài)勢(shì)觀測(cè)信息、事件檢測(cè)結(jié)果和專家知識(shí),對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)企圖類型做出的估計(jì)。

方法的核心環(huán)節(jié)包括:

1)電磁活動(dòng)事件檢測(cè)

基于模板事件檢測(cè)方法,根據(jù)敵軍事思想、作戰(zhàn)條令和戰(zhàn)術(shù)規(guī)則等先驗(yàn)態(tài)勢(shì)信息,形成作戰(zhàn)條令模板、態(tài)勢(shì)模板、事件模板和決策支持模板,進(jìn)而將態(tài)勢(shì)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模板匹配并進(jìn)行知識(shí)推理,完成事件檢測(cè)。如某空襲反空襲作戰(zhàn)的信息化作戰(zhàn)行動(dòng)事件模板的表格化形式如表2所示。

表2　某事件模板表

2)貝葉斯和層次分類聯(lián)合推理

圖4　行動(dòng)企圖層次分類節(jié)點(diǎn)貝葉斯推理模型

融合傳統(tǒng)行動(dòng)企圖態(tài)勢(shì)觀測(cè)信息和電磁活動(dòng)事件檢測(cè)結(jié)果,經(jīng)貝葉斯推理出行動(dòng)企圖層次分類節(jié)點(diǎn),按照對(duì)目標(biāo)企圖的層次表示,建立行動(dòng)企圖估計(jì)層次分類推理模型,最終實(shí)現(xiàn)電磁空間中的行動(dòng)企圖估計(jì)。建立的目標(biāo)屬性、目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)、目標(biāo)威脅和目標(biāo)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。對(duì)目標(biāo)屬性、目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)、目標(biāo)威脅和目標(biāo)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理,公式如下：

p(x1,x2,…,xn|y1,y2,…,ym)=

(3)

式中，n為隱藏節(jié)點(diǎn)數(shù);m為觀測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù);pa(xi)表示xi的父節(jié)點(diǎn)集合;pa(yi)表示yi的父節(jié)點(diǎn)集合;分母求和下的x1,x2,…,xn為隱藏節(jié)點(diǎn)的一種組合狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上,按照行動(dòng)企圖知識(shí)表示的層次分類思想,建立電磁空間行動(dòng)企圖估計(jì)的層次分類推理模型,如圖5所示。

圖5　行動(dòng)企圖的層次分類推理模型

3.3電磁威脅預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)

電磁威脅預(yù)測(cè)評(píng)估是依據(jù)輸入的電磁實(shí)體序列和行動(dòng)企圖估計(jì)等態(tài)勢(shì)估計(jì)信息,在威脅源能力模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合己方威脅目標(biāo)分析,面向指揮決策與作戰(zhàn)行動(dòng)的戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)層次應(yīng)用需求,對(duì)被威脅對(duì)象、發(fā)生時(shí)間、威脅等級(jí)和出現(xiàn)概率做出的預(yù)測(cè)和評(píng)估。電磁威脅預(yù)測(cè)評(píng)估過(guò)程模型如圖6所示。

圖6　電磁威脅預(yù)測(cè)評(píng)估過(guò)程模型

根據(jù)威脅效果,電磁威脅可分解為電磁監(jiān)視威脅、電磁干擾威脅和電磁摧毀威脅三類,每類威脅可用空間、時(shí)間、頻段、能量、頻度和樣式等技術(shù)手段因素來(lái)表征。電磁威脅屬性分類多層分解如圖7所示。

4結(jié)束語(yǔ)

戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知是部隊(duì)作戰(zhàn)指揮中的瓶頸問(wèn)題之一。本文對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)感知需求進(jìn)行了分析,研究了點(diǎn)空間、線空間和面空間戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)圖的要素和功能;從頂層設(shè)計(jì)的角度,研究了戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)融合感知技術(shù)框架,包括電磁實(shí)體序列識(shí)別技術(shù)、作戰(zhàn)行動(dòng)企圖估計(jì)技術(shù)和電磁威脅預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)。希望對(duì)作戰(zhàn)指揮輔助決策系統(tǒng)研究能夠起到指導(dǎo)作用,下一步研究方向是電磁態(tài)勢(shì)融合感知的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖7　電磁威脅屬性分類多層分解示意圖

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Research on Technical Framework of Battlefield Electromagnetic Situation Fusion Awareness

XUE Lei, SHEN Yang, QIAO Ya

(Electronic Engineering Institute, Hefei 230037)

Abstract:In order to achieve electromagnetic situation awareness efficiently and accurately under modern battlefield conditions, this paper analyzes requirements of electromagnetic situation awareness and studies technical framework of it based on high lever information fusion. This technical framework pays emphasis on comprehensive process of dissimilarity information and flexible control of fusion model. It forms observation situation by electromagnetic entity sequence recognition, estimating situation by estimation of the attempt of electromagnetic action, forecasting situation by assessment of forecast of electromagnetic threat, and structures comprehensive situation map on modern battlefield lastly. This study shows that technical framework of battlefield electromagnetic situation fusion awareness has the characters of strong adaptation, efficiency and precision.

Key words:battlefield electromagnetic situation; fusion awareness; technical framework

中圖分類號(hào):TN97；E911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.001

作者簡(jiǎn)介：薛磊(1963-),男,安徽霍邱人，教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境與威脅分析。

*基金項(xiàng)目：國(guó)防預(yù)研基金(41101020303)

收稿日期：2015-12-17

文章編號(hào)：1673-3819(2016)02-0001-05

修回日期： 2016-01-30

沈陽(yáng)(1978-),男,博士,講師。

喬亞(1979-),男,博士。