戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知技術框架研究*

薛　磊,沈　陽,喬　亞

(電子工程學院,安徽合肥　230037)

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戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知技術框架研究*

薛磊,沈陽,喬亞

(電子工程學院,安徽合肥230037)

摘要:為了高效精確感知現(xiàn)代戰(zhàn)場條件下的電磁態(tài)勢,分析了戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知的需求,研究了基于高層信息融合的電磁態(tài)勢融合感知技術框架。戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知技術框架面向異構信息綜合處理和融合模型柔性控制,基于電磁實體序列識別形成觀測態(tài)勢,基于作戰(zhàn)行動企圖估計形成估計態(tài)勢,基于電磁威脅預測評估形成預測態(tài)勢,構建現(xiàn)代戰(zhàn)場綜合電磁態(tài)勢圖。研究表明基于融合理論的戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知技術框架具有適應性強、高效精確的特點。

關鍵詞:戰(zhàn)場電磁態(tài)勢;融合感知;技術框架

信息化時代下,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,是打贏信息化戰(zhàn)爭的必要條件。隨著信息技術發(fā)展和應用,無論是社會生產(chǎn)領域還是軍事斗爭領域,對電磁空間態(tài)勢感知的需求越來越強烈。戰(zhàn)場電磁態(tài)勢是指在特定的時空范圍內,敵對雙方的用頻裝備、設備配置和電磁活動及其變化所形成的狀態(tài)和形勢[1]。態(tài)勢感知(Situation Awareness, SAW)是對一個時空范圍中的環(huán)境元素的察覺、對其含義的理解和其未來狀態(tài)的預測[2]。

從信息科學的角度,態(tài)勢感知屬于高層信息融合的研究范疇,它既是戰(zhàn)場目標要素提取的后繼和深化,又是作戰(zhàn)任務分配與資源調度的前提和基礎。文獻[3]對傳統(tǒng)戰(zhàn)場態(tài)勢圖的構建進行了探討,文獻[4]對戰(zhàn)場態(tài)勢感知與協(xié)同技術進行了研究,文獻[5]研究了仿真中的敵軍行動認知技術,均沒有涉及電磁態(tài)勢要素,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)爭中電磁活動的迅速性和廣泛性,本文基于高層信息融合原理,設計了戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知的技術框架,詳細研究了態(tài)勢覺察、融合處理和應用服務技術,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用價值。

1戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知需求

按照作戰(zhàn)指揮員和指揮機關在指揮決策中對戰(zhàn)場空間關注范圍和指揮層次的實際需求,戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知的應用需求包括:一是武器裝備運用的點空間戰(zhàn)場電磁態(tài)勢;二是戰(zhàn)術指揮決策的線空間戰(zhàn)場電磁態(tài)勢;三是戰(zhàn)略戰(zhàn)役指揮決策的面空間戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。三者層層遞進、逐層包含,如圖1所示。

無論是點空間、線空間還是面空間的戰(zhàn)場電磁態(tài)勢,它們都是描述一定視角的戰(zhàn)場電磁環(huán)境信號的時頻特性、場強大小、脈沖密度、直接威脅性和整體復雜性等態(tài)勢,為指揮員指揮戰(zhàn)斗提供輔助決策信息。

2戰(zhàn)場電磁態(tài)勢圖層次、要素和功能

按照態(tài)勢感知的應用需求,戰(zhàn)場電磁態(tài)勢圖劃分

為三個層次:裝備級電磁態(tài)勢圖、戰(zhàn)術級電磁態(tài)勢圖和戰(zhàn)略/戰(zhàn)役級電磁態(tài)勢圖,各層次的要素和功能具有不同的特性。戰(zhàn)場電磁態(tài)勢圖特性如表1所示。

表 1 戰(zhàn)場電磁態(tài)勢圖特性表

裝備級電磁態(tài)勢圖服務于指揮員的武器裝備運用決策,重點關注部署點的電磁態(tài)勢信息;戰(zhàn)術級電磁態(tài)勢圖服務于指揮員的戰(zhàn)術機動決策,重點關注行動線的電磁態(tài)勢信息;戰(zhàn)略/戰(zhàn)役級電磁態(tài)勢圖服務于指揮員的方案籌劃決策,重點關注作戰(zhàn)面的電磁態(tài)勢信息。由于關注的重點不同,各級電磁態(tài)勢圖在態(tài)勢要素種類、信息粒度、數(shù)據(jù)精度和實時性等方面也不同。

3基于信息融合的戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知技術框架

戰(zhàn)場電磁態(tài)勢的融合感知,是以信息融合為基本原理,以感知需求分析為起點,以戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知的高層信息融合為核心,以態(tài)勢表征、態(tài)勢估計和態(tài)勢預測為貫穿的信息融合處理過程。技術框架如圖2所示。

圖2　戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知技術框架

戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知的關鍵在于異構信息處理和融合模型柔性控制,基于此的態(tài)勢融合感知的適應性和魯棒性會更強,尤其是在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中。

對于異構信息處理方法,視異構類別擬選擇不同的方法。如不同精度信息的融合,首先進行野值剔除,再對信息源按精度分組,實行差別化信息融合處理,保證不同精度態(tài)勢信息的高效利用;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)勢信息的高效利用;再如不同維數(shù)信息的融合,采取擴維一體融合方法,減少融合層次,提高融合處理時效性。

對于融合模型柔性控制,分別在融合模型各構成要素形成控制規(guī)則,如融合網(wǎng)絡節(jié)點配置規(guī)則、網(wǎng)絡信息流向、流程和時間控制規(guī)則、信息融合處理資源配置與運行規(guī)則以及融合結構的自適應調整規(guī)則等。在對融合性能進行估計和應用效能進行分析的基礎上,結合柔性融合知識庫的領域知識,對電磁空間態(tài)勢估計的融合模型進行構成要素調整,柔性控制融合模型以適應態(tài)勢估計這一高層多源異構信息認知融合的需求。

3.1電磁實體序列識別技術

實體序列是按作戰(zhàn)需要對實體的組織系統(tǒng)、指揮關系、作戰(zhàn)行動次序的排列,分為實體空間序列、實體功能序列、實體協(xié)同序列和實體作戰(zhàn)序列。實體序列識別是依據(jù)輸入的電磁目標實體識別結果和兵力編組運用等態(tài)勢信息,在電磁實體群分析的基礎上,建立群初始化和更新模型,運用模板匹配技術,對電磁實體序列空間關系、功能關系和協(xié)同關系做出的識別[6]。電磁實體序列的群表征示意如圖3所示。

圖3　電磁實體序列的群表征示意圖

方法的核心環(huán)節(jié)包括:

1)對前級融合輸出到態(tài)勢感知環(huán)節(jié)的電磁態(tài)勢信息進行表征處理,對電磁實體作戰(zhàn)編組先驗知識進行模板處理;

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,對電磁態(tài)勢表征信息進行聚類分析,得出電磁實體序列的空間群估計;

3)在空間群估計結果基礎上,結合先驗知識模板,基于模板匹配思想對電磁實體序列進行功能群和協(xié)同群估計,給出識別結果。

如在雷達這一電磁實體序列識別中,雷達作為一類重要的戰(zhàn)場電磁目標,其空間群結構包括配對共站式、雙功共站式、均衡分散式和加權分散式,其功能群結構包括同步集中式、異步集中式和分布式[6]。雷達實體關系群的識別算法包括群建立和群更新兩個部分。

設前級融合的輸出信息為xij(i為雷達序號,j為特征序號),雷達特征有{部署位置,技術體制,掃描特征,情報特征,裝備型號}。群初始成員的確定是把空間覆蓋率合理且有情報關聯(lián)的雷達實體歸為一群。若雷達u和v滿足下列條件時,設置雷達u和v為群初始成員,即

u,v∈I

(1)

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

以初始群I為基礎,設計更新算子“+”(包括空間群和功能群2類多個),對群I進行更新操作,實現(xiàn)群的動態(tài)維護。如配對共站式空間群算子“+”:

p∈I

(2)

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

3.2作戰(zhàn)行動企圖估計技術

作戰(zhàn)行動企圖估計是依據(jù)輸入的電磁實體序列和作戰(zhàn)條令規(guī)則等態(tài)勢觀測信息,在電磁活動事件檢測的基礎上,融合傳統(tǒng)行動企圖態(tài)勢觀測信息、事件檢測結果和專家知識,對作戰(zhàn)行動企圖類型做出的估計。

方法的核心環(huán)節(jié)包括:

1)電磁活動事件檢測

基于模板事件檢測方法,根據(jù)敵軍事思想、作戰(zhàn)條令和戰(zhàn)術規(guī)則等先驗態(tài)勢信息,形成作戰(zhàn)條令模板、態(tài)勢模板、事件模板和決策支持模板,進而將態(tài)勢觀測數(shù)據(jù)與模板匹配并進行知識推理,完成事件檢測。如某空襲反空襲作戰(zhàn)的信息化作戰(zhàn)行動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　行動企圖層次分類節(jié)點貝葉斯推理模型

融合傳統(tǒng)行動企圖態(tài)勢觀測信息和電磁活動事件檢測結果,經(jīng)貝葉斯推理出行動企圖層次分類節(jié)點,按照對目標企圖的層次表示,建立行動企圖估計層次分類推理模型,最終實現(xiàn)電磁空間中的行動企圖估計。建立的目標屬性、目標戰(zhàn)術、目標威脅和目標任務節(jié)點的貝葉斯網(wǎng)絡如圖4所示。對目標屬性、目標戰(zhàn)術、目標威脅和目標任務節(jié)點的貝葉斯網(wǎng)絡進行推理,公式如下：

p(x1,x2,…,xn|y1,y2,…,ym)=

(3)

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

在此基礎上,按照行動企圖知識表示的層次分類思想,建立電磁空間行動企圖估計的層次分類推理模型,如圖5所示。

圖5　行動企圖的層次分類推理模型

3.3電磁威脅預測評估技術

電磁威脅預測評估是依據(jù)輸入的電磁實體序列和行動企圖估計等態(tài)勢估計信息,在威脅源能力模型的基礎上,結合己方威脅目標分析,面向指揮決策與作戰(zhàn)行動的戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術層次應用需求,對被威脅對象、發(fā)生時間、威脅等級和出現(xiàn)概率做出的預測和評估。電磁威脅預測評估過程模型如圖6所示。

圖6　電磁威脅預測評估過程模型

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、時間、頻段、能量、頻度和樣式等技術手段因素來表征。電磁威脅屬性分類多層分解如圖7所示。

4結束語

戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知是部隊作戰(zhàn)指揮中的瓶頸問題之一。本文對戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知需求進行了分析,研究了點空間、線空間和面空間戰(zhàn)場電磁態(tài)勢圖的要素和功能;從頂層設計的角度,研究了戰(zhàn)場電磁態(tài)勢融合感知技術框架,包括電磁實體序列識別技術、作戰(zhàn)行動企圖估計技術和電磁威脅預測評估技術。希望對作戰(zhàn)指揮輔助決策系統(tǒng)研究能夠起到指導作用,下一步研究方向是電磁態(tài)勢融合感知的技術實現(xiàn)。

圖7　電磁威脅屬性分類多層分解示意圖

參考文獻:

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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:TN97；E911

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.001

作者簡介：薛磊(1963-),男,安徽霍邱人，教授,博士生導師,研究方向為戰(zhàn)場電磁環(huán)境與威脅分析。

*基金項目：國防預研基金(41101020303)

收稿日期：2015-12-17

文章編號：1673-3819(2016)02-0001-05

修回日期： 2016-01-30

沈陽(1978-),男,博士,講師。

喬亞(1979-),男,博士。