潛艇作戰多目標感知和跟蹤問題研究*

夏佩倫 武志東 野學范

(海軍潛艇學院 青島 266042)

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潛艇作戰多目標感知和跟蹤問題研究*

夏佩倫 武志東 野學范

(海軍潛艇學院 青島 266042)

對潛艇在多目標環境下實施攻擊作戰中涉及的戰場感知和目標跟蹤問題進行了探討。根據多目標之間的關聯性定義了兩種多目標戰場態勢。分別利用內部信息和外部信息兩種情況,對多目標態勢的感知與判斷的有關問題進行了分析,給出了判斷的基本原則和注意事項。結合潛艇及其信息特點,對潛艇跟蹤多目標的特有問題和難度進行了闡述。最后梳理了多目標戰場態勢判斷和多目標跟蹤的關系。

潛艇作戰; 多目標; 戰場感知; 多目標跟蹤

Class Number E925.66; E843

1 引言

現代潛艇一般都具有多目標攻擊能力,即在一次攻擊過程中,對多個目標進行識別、跟蹤和射擊。多目標攻擊的原理無疑是要以單目標攻擊原理為基礎的,但前者要比后者復雜許多。多目標攻擊存在一系列的單目標攻擊原理所無法包容的內容,而這些內容在傳統的潛艇攻擊理論沒有系統的闡述,原因是它主要都是針對單目標攻擊的[1]。為此,有必要對潛艇多目標攻擊涉及的有關問題進行全面深入的研究,以便為實際的攻擊提供指導。

2 多目標態勢的類型

多目標環境下,目標之間存在不同的關系,從而導致了不同的多目標態勢。多目標態勢不同,潛艇攻擊決策和攻擊實施的許多內容都可能會有較大不同,因此有必要對多目標態勢加以區分。一般來說,多目標態勢可分兩種情況,分別稱為編隊多目標態勢和一般多目標態勢。

編隊多目標是指多個目標從屬于同一個編隊。這種多目標態勢的特點是,編隊中的多個目標構成一個整體,它們一般是為完成某一統一的任務而集結到一起,因此,它們受到統一的指揮,行動高度協調一致。這種類型的海上編隊有很多,如運輸船隊和護航戰斗艦艇編成的護航運輸編隊、由航母及其所屬戰斗和防衛艦艇構成的航母編隊、由反潛戰斗艦艇構成的反潛巡邏編隊等。編隊多目標一般具有以下特點:編隊隊形在較長時間內保持不變;在直航情況下,編隊中所有目標的速度和航向保持一致;編隊中如果有慢速目標(如運輸船),則整個編隊速度不高,不會超過慢速目標的最高速度。潛艇攻擊人員可以利用這些特點來識別、跟蹤編隊,也可在攻擊決策中加以利用。

一般多目標態勢是指在潛艇感知或關注的戰場中出現的多個目標彼此沒有明顯的關系,各目標的行動沒有統一指揮的跡象,各目標的速度、航向各不相同,相對位置也是變的。這種情況在平時未經清場的海上訓練海區多見。由于各目標之間沒有明顯的關系,因此對各目標的識別、跟蹤和攻擊都需要分別進行,彼此沒有太多的信息可以用于相互支撐和印證。

毫無疑問,在以上兩種多目標態勢背景下進行目標攻擊,攻擊過程的各個環節都存在較大不同。編隊多目標因為具有許多共同的東西,這些東西理應加以充分利用。實際的多目標環境情況可能會是多種多樣的,既可能所有感知到的目標都從屬于一個編隊,也可能所有目標彼此沒有關系,還可能其中部分目標屬于一個編隊而剩余目標為零散目標。為此,潛艇攻擊人員在進行態勢判斷時要設法分辨這些態勢,尤其要設法判斷多個目標中是否有某些目標構成一個編隊。

3 多目標態勢感知和判斷

潛艇多目標攻擊的首要任務是多目標戰場態勢的感知和判斷,即確認確是多目標態勢,并盡量準確地估計出目標數量以及多目標態勢的類型。主要途徑有兩條:一是通過潛艇自身所載探測傳感器進行感知探測;二是通過外部信息源來獲取有關戰場態勢信息。兩條途徑都存在一定的困難。

3.1 通過艇載傳感器感知

潛艇自身所載目標探測傳感器是潛艇實現多目標戰場態勢感知的基本保障。由潛艇自身所載傳感器獲取的信息可以簡稱為內部信息?，F代潛艇裝備了越來越多的目標探測傳感器,包括各種聲納、雷達、ESM、潛望鏡等,構成多重探測物理媒介的多傳感器戰場監視系統。與其他軍用作戰平臺不同之處在于,潛艇使用這些傳感器常受到較大限制,包括戰術限制、環境限制等。如潛艇在水下航行只能依賴各種聲納進行戰場監視;潛艇作戰原則對隱蔽性的嚴格要求限制了暴露性傳感器(如雷達)或傳感器暴露工作方式(如綜合聲納的主動工作方式)的使用。

在實際的作戰環境中,潛艇一般處于水下航行狀態,這樣潛艇一般只能依賴聲納被動噪聲方式、偵察聲納、被動測距聲納所構成的多聲納系統進行監視[2]。而一般聲納系統都存在觀察范圍小、測量誤差大、測量數據率低、多目標分辨力差、易被干擾等問題。在多目標環境下,這些問題會給態勢判斷帶來很大困難。如僅靠噪聲聲納獲取目標方位,若聲納的多目標方位分辨力不高,很容易會產生將相近方位上的多個目標誤判為單目標的錯誤。因此,潛艇依賴自身的傳感器系統來支撐起對其周圍環境多目標態勢的監視任務并非易事。

對于多目標態勢類型的判斷,就更為困難了。一般情況下,潛艇在水下首先是由綜合聲納感知探測到由遠而近的噪聲目標的。如果有多個噪聲目標在大致相同的方向被探測到,且有著大致相同的運動方向;或者是噪聲在某個方位由弱變強,并逐步分裂為多個噪聲源,應考慮是編隊多目標態勢。如果多目標的出現沒有什么規律,且后續行為沒有明顯的關聯性,則可認為是一般多目標態勢。當然,具體的判斷還要結合敵情通報信息來進行;如果能夠獲取外部信息的話,還要充分利用外部信息來進行。

3.2 通過外部信息感知

潛艇通過外部信息源來獲取有關戰場態勢信息是指利用通信系統和戰術數據鏈,接收來自岸上或海上指揮所、友鄰作戰平臺等提供的戰場信息。通過這一途徑可以大大擴展潛艇的戰場范圍和對戰場態勢的掌控能力,是對其自身所感知的戰場范圍的極大擴充。然而,它也存在很大的局限性,那就是受到潛艇對外通信困難這一瓶頸的制約。

潛艇無論采取怎樣的方式來進行通信,都存在暴露自身、喪失隱蔽性的風險。因此,在利用外部信息的問題上,潛艇同其他的軍用平臺存在一個根本的區別,就是潛艇一般只能偶爾上浮到可以進行外部通信的深度進行對外通信。這就意味著潛艇只能偶爾地獲得外部信息來構建戰場態勢。這種外部信息會隨著時間的推移而老化,從而逐步失去價值,直到得到新的外部信息的更新。

來自外部的信息存在一個可信度評估的問題。有的信息源本身在提供信息時就同時給出該信息的可信度量,使用時可以加以參考。更多情況下,則是要由使用者根據經驗、本艇探測到的信息等各種因素來加以判斷。一般而言,由外界作戰信息獲取平臺(包括飛機、水面艦艇、衛星等)實時提供的多目標態勢信息是要比潛艇自身掌握的情況更為全面準確的,因為它們處在比潛艇優越得多的觀察環境。

當然,潛艇一般只能偶爾地接收外部信息,即不能保證實時獲取外部信息。因此,既使偶爾得到的外部信息也會隨時間的流失而老化,從而逐步失去價值。盡管如此,外部信息仍然是潛艇判斷多目標戰場態勢的珍貴資源。即便是存在老化現象,目標數量、是否為編隊、目標類型等信息在較長時間段內是基本可信的;目標大致航向、速度等信息在一定時間內也有重要參考價值。

3.3 多目標態勢感知和判斷的原則和注意事項

通過上面的分析可以看出,潛艇獲取戰場態勢信息的手段是比較有限的。要用這樣有限的手段和信息,判斷出潛艇周圍戰場環境是單目標還是多目標,是編隊多目標還是一般的多目標,絕非易事。為此,潛艇要想完成對外部多目標戰場環境的感知和判斷,并且實現多目標的攻擊,必須要采取一切措施來收集、整理和解讀各種信息。要充分發掘各種傳感器的性能,同時設法提高傳感器使用人員的業務素養,以實現在實際工作中將設備的探測能力與人的敏銳觀察力和判斷力融為一體的效果。

要充分利用來自戰術數據鏈和外部通信設備的信息,在制定作戰預案時就要精心設計規劃好這方面的工作。在平時訓練中多關注不同信息源提供的信息的特點,掌握其信息的可信度。要充分利用敵情通報來進行戰場環境和態勢的判斷,在戰場監視過程中注意將敵情通報信息與其他途徑獲取的信息的相互比對、驗證和確認。

在可以同時獲取內外部信息的情況下,還存在一個兩類信息相互融合的問題,即將兩類信息綜合起來,構建體現了二者信息的綜合的戰場態勢。在這種情況下,要注意摸索二者信息的規律性特征,為戰時的運用打下基礎。

需要提醒注意的是,戰場態勢是動態的,它總是處在變化之中。首先,潛艇和目標都處在運動過程中,潛艇本身以及潛艇所載傳感器的觀察范圍都是運動的。因此潛艇所能感知到的戰場范圍也是在不斷變化的。

其次,潛艇對所能感知的戰場范圍的掌握程度也是變化的。在監視初期,因收集到的信息很有限,因而建立的戰場態勢很可能是模糊的、粗線條的。隨著監視過程的持續,有關戰場態勢的信息不斷積累,以此構建的戰場態勢圖也必然會越來越清晰。

最后,就目標數量而言,可能會出現無目標、單目標、多目標態勢的反復更替。目標可能會不斷移入或移出監視范圍、加之傳感器多目標分辨力的限制、實際目標探測過程中不可避免的虛警或漏檢,都可能導致態勢感知和判斷結果的變化。

4 多目標跟蹤

多目標態勢感知和判斷對于潛艇作戰決策而言還只是初步的。要完成對多目標環境中的某些目標的攻擊,其中涉及的攻擊決策和武器射擊等核心問題都要求更為精細的目標信息,尤其是其運動信息。這就要對目標進行運動分析,即對目標進行進一步的定位跟蹤,獲取其運動參數。

4.1 多目標跟蹤的特點

總體而言,多目標跟蹤式目標跟蹤領域的一個難題,不論是編隊多目標還是一般多目標態勢,實現多目標跟蹤都不是易事。既使是使用雷達這樣的測量精度高、數據率高、多目標分辨力強的傳感器,多目標跟蹤都需要面對許多難題[4～8]。

以聲納為主的潛艇多目標跟蹤無疑要更為困難。況且現在潛艇并非使用單一傳感器進行目標探測,而是利用多源多傳感器信息來實現目標跟蹤。它是一個典型的多源(傳感器)多目標跟蹤問題,其中涉及數據關聯、目標運動狀態或參數估計與融合等諸多難題。這些難題都有一些解決辦法,但多是針對雷達類傳感器的,移植到聲納類傳感器難度都不小。

潛艇水下使用聲納探測目標,不僅所獲目標信息質量差、精度低、數據量小、多目標分辨力低,而且往往只有被動信息。即很多情況下只能獲得目標的方位信息,沒有距離和其他信息。運用這樣的信息進行目標跟蹤和信息融合,確實是有較大的挑戰性。為此,需要精心選擇或設計針對潛艇這一特殊平臺的多目標跟蹤和融合的系統結構、處理算法等[2,8～9]。

潛艇作戰一個揮之不去的困惑就是信息獲取途徑少、信息質量差、信息量小。既使是單目標攻擊,很多情況下,也很難在短時間內得到令人滿意的目標運動參數。因此,攻擊往往不能等到一切情況都很明朗的時候來定下決心并加以實施。多目標攻擊時尤其是如此。要對潛艇實施多目標跟蹤的能力有客觀的認識。一般情況下,目標跟蹤費時較長,得到的目標運動參數仍可能存在精度不高的問題。因此,要做好在信息環境不良、目標運動參數不全或精度不高的情況下實施攻擊的準備。

4.2 編隊目標跟蹤

編隊多目標和一般多目標兩種情形下進行目標跟蹤會有所不同。一般情況下,編隊目標的跟蹤相對要容易一些。編隊目標跟蹤的要點在于確認其為一個編隊以及確認編隊中的目標數量。一旦確認為編隊目標,則只要設法得到其中一個目標的速度航向,則就相當于知道了所有目標的速度航向[10]。一般的多目標跟蹤則要復雜很多,每個目標的運動參數可以認為是沒有關系的,因而需要分別來獲取。

使用系統計算目標運動參數時,若指控系統有條件的話,可考慮用兩個解算通道分別解算一個編隊中的兩個目標的運動參數,且兩個通道采用不同的算法。如一個通道采用純方位算法或多方位一距離算法;另一個通道采用純方位算法和多方位一速度算法。兩個通道中的距離和速度可以是假定的。解算過程中注意觀察和比對兩個通道的解算結果。兩者解算的目標航向基本一致時說明解算參數已基本收斂,這時再綜合兩個通道的解算結果適當修正假定距離和速度,可望較快地得到較為準確的目標運動參數。

采用作圖方法繪算目標運動參數時,可先立足作出一個目標(一般取方位變化最大的目標)的參數來,其他目標則要迅速記下其測量數據,在騰出時間時將其畫在圖上。得出一個目標的參數后,利用其速度、航向得出其他目標的參數,并以此判斷編隊類型。若知道目標類型及其探潛裝備的性能等信息的話,還可通過作圖判斷是否能走出敵搜索帶。這些信息是艇指揮員進行攻擊決策的重要基礎。

4.3 一般多目標跟蹤

一般多目標態勢下,由于認為各目標之間是沒有關系的,因此,對各目標的跟蹤需要分別進行。如果來自各目標的測量信息是相互獨立的話,則各目標的跟蹤也是獨立進行的。

然而,在實際情況下,傳感器得到的多目標測量信息往往是交織在一起的,在密集目標環境尤其是如此,一般很難絕對分清測量信息來源。為此,需要有專門的技術來解決這一問題,這就是數據關聯技術。

潛艇一般僅能獲得目標的方位信息,僅僅依賴目標方位進行數據關聯,困難較大,關聯準確性不高。

在完成數據關聯的基礎上進一步實現目標運動參數的解算并無更多特殊之處,只需按選定的算法設法保障滿足其解算條件即可。

5 多目標戰場態勢判斷和目標跟蹤的關系

至此還有必要說明一下戰場態勢判斷和目標跟蹤的關系。毫無疑問,兩者是緊密聯系并相互交織在一起的。兩者有著共同之處,那就是都是要將潛艇周圍戰場范圍內的目標情況搞清楚,即所謂建立完整、清晰的戰場態勢。但兩者之間又存在不同的分工。

態勢判斷更注重全局的基本情況,包括所關注的戰場范圍內目標的數量、分布、敵我屬性、類型、關系、行為等。目標跟蹤則側重局部性的情況,一般是選定的某些目標的位置和運動信息。戰場態勢判斷服務于宏觀的作戰決策,目標跟蹤則是服務于針對選定目標的具體作戰行動,如對其實施攻擊或防御。

一般戰場態勢判斷是潛艇作戰過程的初期重點關注的內容,越早建立起較為明晰的戰場態勢,越有利于后續作戰過程的展開。目標跟蹤則是在選定交戰目標后重點關注的內容,就是要重點關注所選定的目標,設法獲取其運動信息,解算其運動參數,以便制定精細的交戰方案,如攻擊方案等。

兩者在不少情況下是相輔相成的,目標跟蹤將目標的運動情況搞清楚了,戰場態勢也就更明確了。戰場態勢判斷得準確了,目標跟蹤就有了一個好的基礎。

6 結語

由于潛艇作戰在信息環境、戰術規則等方面存在的諸多限制,其多目標戰場態勢感知與判斷及多目標跟蹤面臨很大挑戰。本文以潛艇與多個海上艦船目標交戰尤其是進攻作戰為背景,就其中涉及的多目標戰場態勢感知、判斷及多目標跟蹤問題進行了原則性探討。試圖厘清一些基本概念,如多目標態勢的類型、多目標態勢感知判斷與多目標跟蹤的關系等;揭示一些事實,如潛艇作戰多目標態勢感知判斷、多目標跟蹤的特點及困難所在;提出一些建議,如潛艇作戰多目標態勢感知判斷、多目標跟蹤的一些原則、方法及注意事項。

態勢判斷及目標跟蹤是潛艇作戰決策及火力控制的基礎,因而直接關系到潛艇作戰的得失成敗。在潛艇多目標實戰環境下,態勢判斷及目標跟蹤問題都變得十分復雜而困難,值得探究的問題還有很多。期待更多研究人員更為廣泛深入的關注。

[1] 趙正業.潛艇火控原理[M].北京:國防工業出版社,2003.

[2] Shar P, Li X R. Passive sonar fusion for submarine C2systems[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2000,15(3):29-34.

[3] Blackman S S. Multiple Target Tracking with Radar Applications[M]. Norwood, MA: Artech House,1986.

[4] Blackman S S, Popoli R. Design and Analysis of Modern Tracking Systems[M]. Norwood, MA: Artech House,1999.

[5] Bar-Shalom Y, Fortmann T E. Tracking and Data Association[M]. New York: Academic Press,1988.

[6] Bar-Shalom Y, Li X R. Estimation and Tracking: Principles, Techniques, and Software[M]. Boston, MA: Artech House,1993.

[7] Bar-Shalom Y, Li X R. Multitarget- Multisensor Tracking: Principles and Techniques[M]. Storrs, CT: YBS Publishing,1995.

[8] Shar P, Li X R. Some considerations of submarine sensor fusion[C]//Proc. of 1998 Int. Conf. on Information Fusion(FUSION’98), Las Vegas, August,1998:930-936.

[9] 夏佩倫.潛艇信息融合的一個框架[J].艦船電子工程,2001,21(5):18-23.

[10] 夏佩倫,朱偉良.編隊目標的僅方位跟蹤[J].電光與控制,2007,14(4):82-84.

Multitarget Perception and Tracking for Submarine Combat

XIA Peilun WU Zhidong YE Xuefan

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266042)

This paper studies issues concerning the perception and tracking of attacking of multitarget for submarine engaging more than one target simultaneously. Using characteristics such as correlation among the targets, two categories of multitarget battlefield scenarios are differentiated. The perception and conformation of these battlefield scenarios, with internal and external information, are then analyzed respectively. Multitarget tracking with information sources special for submarine characteristics is also discussed. The relationship between multitarget battlefield scenario perception and multitarget tracking are finally examined.

submarine combat, multitarget, battlefield perception, multitarget tracking

2015年3月3日,

2015年4月29日

夏佩倫,男,教授,研究方向:目標跟蹤、信息融合和潛艇攻擊。武志東,男,講師,研究方向:潛艇攻擊。野學范,男,講師,研究方向:潛艇攻擊。

E925.66; E843

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.001