基于威脅判斷的艦載多傳感器射頻保障優先度研究

王龍濤

(海軍大連艦艇學院信息系統系，遼寧 大連 116018)

水面艦艇多傳感器協同使用可以實現對各傳感器資源的綜合利用和能力互補，對充分發揮艦載信息系統綜合作戰效能具有重要意義[1-2]。射頻資源是對各輻射源傳感器進行射頻探測、跟蹤、指導等信息保障資源的統稱，多任務、多目標、多階段作戰過程中，多傳感器射頻資源保障任務復雜，資源匹配選擇多樣，當存在傳感器射頻資源保障沖突時，如何確定射頻資源的優先保障順序至關重要，直接影響到整個射頻資源的綜合規劃與調度性能。從作戰使用的角度，對“射頻資源優先保障順序”的描述我們稱之為“射頻保障優先度”，從作戰流程上看，進行威脅等級判斷是實施射頻資源優先保障決策的首要環節，是艦載多傳感資源分配與調度的基礎[3]。

當前針對目標威脅程度的判定方法主要集中在目標威脅程度屬性的描述模型、算法改進等方面，但是，針對具體作戰任務特點，結合作戰層區及任務屬性進行綜合判斷的研究較少，本文綜合考慮目標層區、任務屬性及目標威脅程度等因素進行綜合分析計算，求解符合實際作戰要求的多傳感器射頻保障優先度，對于艦載信息系統資源調度與使用具有重要的理論和實踐意義。

1 艦載多傳感器射頻保障優先程度的確定思路

射頻資源保障優先程度的確定本質上是對“目標”在不同作戰階段、作戰任務下的威脅程度量化問題[4]，主要反映了目標的威脅程度大小，因此，進行威脅程度判斷是首先需要考慮的問題，除此之外，由于保障目標跨度距離遠、層區大，不同的作戰目標在不同“作戰步驟”下的保障任務不一樣，因此，在進行“作戰步驟”射頻保障優先程度的確定時，在考慮目標威脅程度的基礎上，應根據實際作戰態勢、典型作戰目標屬性進行目標所在層區以及“作戰步驟”保障任務屬性的考量，以艦艇對空作戰為例，根據對空作戰的一般戰術要求和系統裝備特點，對“作戰步驟”保障優先程度的評定指標劃為3層，如圖1所示。

圖1 “作戰步驟”射頻保障優先程度評價體系框圖

準則層B：對“作戰步驟”射頻保障優先程度的描述主要通過目標層區屬性、作戰步驟保障任務屬性以及目標威脅程度屬性來體現。

準則層C：目標所在不同的作戰層區，外層區作戰的主要任務是預警探測發現目標，作戰距離遠，相應的射頻保障優先程度低，隨著目標作戰距離的接近，中層區主要進行搜索、跟蹤識別，而在內層區的主要作戰任務是抗導，在不同的作戰層區主要屬性任務的不同，相應的權重不同，當目標層區不明時，一般取作戰中層區。

作戰步驟保障任務屬性，主要包括對目標信號的電子偵察任務、目標的搜索發現任務、跟蹤任務、保障武器打擊的制導任務、目標識別任務以及電子干擾任務等。

目標威脅程度屬性是指根據目標類型、目標距離遠近、目標速度及目標來襲角度來判斷目標自身的對艦艇的威脅程度大小。

2 計算模型及方法

2.1 目標威脅程度大小確定的說明

對于目標威脅程度屬性主要選取目標類型(S31)、目標距離(D32)、目標速度(V33)及來襲角度(A34)4個指標，各指標反應的權目標威脅程度大小定量取值屬于“模糊”決策問題[5-6]，適用于模糊集理論的隸屬度函數(取值范圍0～1)確定各指標的值，通過取值大小表示此隸屬度函數對指標大小影響的度量。

2.1.1目標類型

目標類型主要是指來襲目標是飛機或者是導彈，當已確定來襲目標是反艦導彈時，此時的目標威脅程度最高，同時在同一距離上，不同類型的飛機、導彈對艦艇的殺傷程度不同，比如殲擊機、轟炸機、電子干擾飛機、不明類型飛機、反艦導彈等，與“作戰步驟”射頻保障優先程度關系緊密，基于此，對目標類型的隸屬度函數為：

(1)

2.1.2目標距離

目標距離主要是指目標距離艦艇越近，相應的威脅程度越高，“作戰步驟”射頻保障優先程度也就越高。

(2)

其中DM是指所有來襲目標的最遠發現距離。

2.1.3目標速度

目標速度主要是指導彈或者飛機的飛行速度，一般速度越高，接近時間越短，對艦艇的威脅程度越高，“作戰步驟”射頻保障優先程度也就越高。

(3)

其中VM是指所有來襲目標的最大飛行速度。

2.1.4來襲角度

來襲角度主要是指目標飛行方向相對艦艇的來襲角度(在0°～90°)，如果目標勾徑為零，則此時威脅程度最高，如果目標遠離，則威脅程度最小，顯然相對艦艇，來襲角度越小，威脅程度越高，“作戰步驟”射頻保障優先程度也就越高。

(4)

2.2 權重的確定方法

對射頻保障優先程度各層權重的確定，指標選擇、參數的確定，都需要結合理論基礎和實際作戰、訓練得出的經驗共同得到數據[7]，這里的權重確定、評價為了給研究人員提供參考，往往又要有超前和預測性，這就需要請該領域的權威專家對相應的權重指標打分，通常可用層次分析法(AHP)進行確定。

運用層次分析法時，對人的主觀因素要求較高，不同專家對判斷矩陣中各層參數的確定各有不同，各有側重，具有一定的不確定性。基于此，為了降低這種人工決策導致的參數確定盲目性，可采用最優傳遞矩陣對此進行調整，一方面不需要再進行一致性檢驗，同時可直接給出權重值，得到最大優化程度的一致陣，無論是從計算理論還是過程實驗都表明此種方法的快捷性和有效性。

1)最優傳遞矩陣。首先確定3個矩陣(實數)A=[aij]、B=[bij]、C=[cij],A,B,C∈Rn×n；

顯然若A是一致陣，則B=lgA(bij=lgaij,?i,j)是傳遞的，反之若B是反對稱矩陣，則A=10B(aij=10bij,?i,j)是一致的。

若B是反對稱矩陣，則B的最優傳遞矩陣C，可以找到x1,x2,…,xn≥0,使cij=xi-xj, 有定義3可知

則：

(5)

2)計算步驟。計算步驟如下：

第1步：針對具體目標問題，分析層次框架，建立層次結構，對各次參數進行度量。

第2步：在進行各參數相互比較的基礎上，構造出層次分析的判斷矩陣，參數量化值采用1～9度量。

第3步：通過最優傳遞矩陣記性計算，得到特征向量，最后得出特征值。

應用改進層析分析法的流程框圖如圖2所示。

圖2 改進AHP應用流程框圖

2.3 射頻保障優先程度計算方法

根據以上最終確定的目標層區屬性權重λ1、作戰步驟保障任務屬性權重λ2以及目標威脅程度屬性權重λ3的基礎上，“作戰步驟”保障優先程度的數學量化根據目標威脅程度的隸屬度函數取值進行計算，公式如下：

(6)

其中：ηi表示“作戰步驟”i的保障優先程度值；λix表示“作戰步驟”i的層區屬性權重值，x∈(1,2,3)；λiy表示“作戰步驟”i的保障任務屬性權重值，y∈(1,2,3,4)；λij表示“作戰步驟”i的威脅程度屬性權重值，j∈(1,2,3,4)；φ(λij)表示“作戰步驟”i的威脅程度隸屬度函數值。

2.4 計算步驟

基于威脅判斷的多傳感器射頻保障優先程度計算步驟框圖如圖3所示。

2.5 算例分析與應用

單艦作戰中，其艦載多傳感器射頻資源可以執行偵察、引導、搜索、跟蹤、干擾、制導等多種任務，每一類射頻資源都能執行不同的射頻保障任務，通過艦載有源探測及無源偵察獲得來襲5批目標的初始態勢參數如表1所示。

圖3 射頻保障優先程度計算步驟框圖

表1 初始態勢參數

目標類型距離速度/(m·s-1)角度/(°)任務屬性層區目標1飛機18050050跟蹤外目標2機載雷達信號未知未知30干擾中目標3導彈3030030制導內目標4導彈末制導信號未知未知0制導中目標5不明403500制導內

應用改進層次分析法，對各層權重進行確定，以“作戰步驟”i的威脅程度屬性權重計算為例。

步驟1：首先從射頻資源作戰效益及要素構成出發，對目標威脅程度屬性的4個評價指標在參考專家經驗后得出判斷矩陣如下：

其中E1,E2,E3,E4為4個評價指標(以后不再說明)。對矩陣A進行變換，得出矩陣B，B=lgA：

根據2.2所述方法，得到矩陣C及A*。

運用方根法求解A*的特征向量W：

歸一化后，可得

W=[0.232, 0.433, 0.210, 0.125]

步驟2：將表2初始態勢參數分別帶入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的隸屬度函數，可得隸屬度函數矩陣為

同理，可求得目標層區屬性，及目標任務屬性的權重值：

步驟3：將以上計算出的數據帶入保障優先程度計算公式，進行計算，個目標的優先保障度值分別為：0.035 514、0.018 422、0.334 1、0.081 42、0.164 9。歸一化后，得到最終的各目標射頻保障優先程度值如表2所示。

表2 各目標射頻保障優先程度值

由計算可以看出，各目標的射頻保障優先度為目標3、目標5、目標4、目標1、目標2。從一致目標信息及保障任務屬性來看，所得結論符合單艦對空作戰的一般原則和規律，也證明了所用計算方法的科學性和便捷性。

3 結論

針對艦載多傳感器射頻資源保障優先程度確定問題，基于目標威脅程度判斷提出了射頻保障優先度量化的模型及算法，應用模糊多屬性決策方法對目標威脅程度大小進行了度量，基于改進層次分析法給出了各層權重的計算方法，最后運用該方法進行了仿真示例計算，對艦載多傳感器進行多任務作戰中的射頻保障優先級確定、射頻資源綜合調度具有重要的指導意義。