寧克儉

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

寧克儉**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

摘要：針對情報處理系統(tǒng)因缺乏數(shù)據(jù)難以開展多源融合算法研究、融合處理試驗、融合效能評估等問題，分析了典型情報處理系統(tǒng)對仿真評估環(huán)境的需求，采用了基于目標特性參數(shù)進行想定推演、基于量化計算進行效能評估的技術(shù)方法，實現(xiàn)了戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)。多種場景的仿真試驗驗證了技術(shù)方法的可行性和系統(tǒng)仿真評估的靈活適用性。

關(guān)鍵詞：C4ISR系統(tǒng)；多源情報信息；效能評估；仿真想定；想定推演

1引言

C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Surveillance,Reconnaissance)系統(tǒng)是由指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視、偵察等多個系統(tǒng)有機結(jié)合在一起形成的復(fù)雜系統(tǒng)[1]。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)與全球信息柵格的提出和發(fā)展，賦予了系統(tǒng)更多的資源、更強的能力和更大的靈活性，但也給C4ISR系統(tǒng)研究、開發(fā)和測試評估等帶來了困難[2]。尤其是C4ISR中的情報處理系統(tǒng)，情報信息融合處理效能的優(yōu)劣，直接影響C4ISR系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)能力，也是戰(zhàn)爭能否取勝的關(guān)鍵要素之一。因此，在情報處理系統(tǒng)上線使用前，進行充分的試驗和評估顯得尤為重要。目前，由于網(wǎng)絡(luò)、通信、安保等基礎(chǔ)條件的限制，情報處理系統(tǒng)在開展指標論證、技術(shù)攻關(guān)和聯(lián)調(diào)測試過程中，往往無法從真實環(huán)境中獲得足夠的多源情報信息進行試驗和評估，因此，需要借助仿真技術(shù)建立多源情報信息的仿真評估環(huán)境。

近年來，國內(nèi)已不少機構(gòu)有針對性地開展了數(shù)據(jù)仿真和融合評估的理論技術(shù)研究[1-4]，并針對某種目標、某類傳感器建立了具有傳感器數(shù)據(jù)模擬和融合效能評估的試驗環(huán)境[5-6]，但對復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，能進行多平臺目標、多輻射源目標、多傳感器/偵測系統(tǒng)想定推演，向情報處理系統(tǒng)提供不同場景的多源情報信息，支持情報處理系統(tǒng)完成量化評估的仿真試驗環(huán)境，還有待進一步研究。

本文在分析典型情報處理系統(tǒng)對仿真評估環(huán)境需求的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能模型的總體設(shè)計思路，說明了多源情報信息仿真推演的技術(shù)方法以及融合效能評估的量化計算方法，建立了戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)，并通過多種場景的仿真試驗展示了系統(tǒng)的應(yīng)用效果，驗證了技術(shù)方法的可行性。

2需求分析

典型的情報處理系統(tǒng)需要接入?yún)R集廣域分布的多來源情報信息，包括接入主動雷達、敵我識別器、雷達信號偵測系統(tǒng)、短波/超短波信號偵測系統(tǒng)、衛(wèi)星通信信號偵測系統(tǒng)、敵我識別信號偵測系統(tǒng)等手段獲取的情報信息，并對多源情報信息進行關(guān)聯(lián)、融合、識別等處理。因此，戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)應(yīng)具備以下能力：

(1)仿真想定能力

能在選定的作戰(zhàn)區(qū)域，結(jié)合目標、傳感器/偵測系統(tǒng)的實際能力，對飛機、艦船等動目標的運動軌跡、運動狀態(tài)進行想定；對飛機、艦船等動目標平臺上搭載輻射源進行想定；對傳感器/偵測系統(tǒng)在戰(zhàn)場上的部署位置及對工作狀態(tài)進行想定。

(2)仿真想定推演能力

對選定的仿真想定模型能進行仿真推演，按時間序列生成對戰(zhàn)場目標偵察感知的情報信息；情報信息的生成應(yīng)綜合考慮傳感器/偵測系統(tǒng)的威力范圍、系統(tǒng)誤差及環(huán)境條件等因素的影響，使情報信息的時序、缺失、誤差和數(shù)據(jù)率等盡可能貼近實際。

(3)多源情報信息輸出能力

在仿真推演過程中，能將生成的多源情報信息及時提供給待試驗評估的情報處理系統(tǒng)；能通過數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)回放，為待試驗評估的情報處理系統(tǒng)提供統(tǒng)一場景數(shù)據(jù)的多次復(fù)現(xiàn)。

(4)融合處理效果評估能力

能基于建立的評估體系和評估算法，利用原始目標數(shù)據(jù)、傳感器級情報信息和系統(tǒng)級的融合處理結(jié)果，對情報處理系統(tǒng)的融合處理效能進行量化評估，給出評估結(jié)果。

(5)數(shù)據(jù)存儲管理能力

能存儲管理基礎(chǔ)資料、仿真想定模型、原始目標數(shù)據(jù)、傳感器級情報信息、情報處理系統(tǒng)的融合處理結(jié)果和量化評估結(jié)果等數(shù)據(jù)。

(6)數(shù)據(jù)模擬源擴展能力

具有開放的體系結(jié)構(gòu)，基于目標特性參數(shù)庫，能自適應(yīng)增加擬想定的目標數(shù)據(jù)量、傳感器/偵測系統(tǒng)的數(shù)量，能支持擴展戰(zhàn)場目標、傳感器/偵測系統(tǒng)的仿真推演。

3系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

各層各級情報處理系統(tǒng)對情報信息源有不同的要求，為使仿真推演生成的多源情報信息能更好地滿足情報處理系統(tǒng)試驗評估的需要，在進行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)框架的開放性和可擴展性、場景數(shù)據(jù)的可復(fù)現(xiàn)性和評估結(jié)果的可比性，戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)規(guī)劃為運行支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層。運行支撐層為系統(tǒng)運行提供軟、硬件基礎(chǔ)環(huán)境；數(shù)據(jù)資源層在運行支撐層的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供存儲管理和共享服務(wù)；服務(wù)層在數(shù)據(jù)資源層的基礎(chǔ)上，提供各種業(yè)務(wù)無關(guān)的基礎(chǔ)邏輯服務(wù)和業(yè)務(wù)相關(guān)的核心邏輯服務(wù)；應(yīng)用層在數(shù)據(jù)資源層和服務(wù)層的基礎(chǔ)上，面向用戶的需要構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)；技術(shù)標準規(guī)范貫穿于運行支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層，對基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)資源、邏輯服務(wù)、數(shù)據(jù)模型和通信接口等統(tǒng)一規(guī)范要求。

3.2系統(tǒng)功能模型

基于系統(tǒng)需求分析，結(jié)合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，提出戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)的功能模型如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能模型圖

(1)仿真想定功能包

根據(jù)情報處理系統(tǒng)的需要，進行戰(zhàn)場目標、多傳感器/偵測系統(tǒng)等活動場景想定。預(yù)先在目標特性參數(shù)庫中建立目標平臺及目標平臺搭載輻射源主要的動態(tài)特征及靜態(tài)特征數(shù)據(jù)模型，進行想定時，從目標特性參數(shù)庫中選定目標平臺及平臺搭載的輻射源，設(shè)置目標平臺活動的軌跡拐點，在各拐點處設(shè)置目標平臺位置、速度等信息，并設(shè)置平臺所搭載輻射源的開關(guān)機狀態(tài)、信號參數(shù)等信息；預(yù)先在目標特性參數(shù)庫中建立各種傳感器/偵測系統(tǒng)的動態(tài)特征及靜態(tài)特征數(shù)據(jù)模型，進行想定時，從目標特性參數(shù)庫中選定傳感器/偵測系統(tǒng)，設(shè)定部署的地理位置，設(shè)定工作狀態(tài)。想定完成后，通過想定名稱保存想定模型。

(2)目標想定推演功能包

根據(jù)推演導(dǎo)控命令，推演想定模型中的目標平臺及搭載輻射源活動的原始活動信息。目標平臺原始活動信息的推演主要是基于想定的軌跡拐點數(shù)據(jù)，利用插值算法，推演出目標平臺當前時間點的位置和運動狀態(tài)信息，最終形成目標平臺的運動軌跡；輻射源原始活動信息的推演，主要是基于想定的軌跡拐點數(shù)據(jù)，按照最近經(jīng)過的想定拐點的開關(guān)機狀態(tài)和工作參數(shù)，保持靜默或發(fā)送輻射源的活動信息(信號參數(shù)、內(nèi)涵報文)。

(3)偵察感知推演功能包

根據(jù)推演導(dǎo)控命令，推演想定模型中的傳感器/偵測系統(tǒng)對戰(zhàn)場目標偵察感知生成的傳感器級多源情報信息。傳感器/偵測系統(tǒng)接收目標想定推演功能包推演發(fā)送的原始活動信息，根據(jù)自身的偵察類別、作用范圍及其他特性參數(shù)，計算與目標的距離，判斷實際是否可以感知目標原始活動信息；通過加噪算法對感知的原始活動信息進行加噪，生成傳感器/偵測系統(tǒng)感知目標的多源情報信息，發(fā)送給情報信息處理系統(tǒng)。

(4)效能評估功能包

待評估的情報處理系統(tǒng)接收想定推演生成的原始情報信息，對多源情報信息進行融合處理后，將融合處理結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。效能評估功能包利用量化評估算法，對基于目標原始活動信息、傳感器級情報信息和融合處理結(jié)果三個層級的數(shù)據(jù)進行計算，給出可視化的評估結(jié)果。

(5)數(shù)據(jù)管理維護功能包

為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)共享服務(wù)，包括從支持仿真想定推演的目標特性參數(shù)、傳感器/偵測系統(tǒng)特性參數(shù)，仿真推演生成的目標原始活動信息、傳感器級多源情報信息，待評估的情報處理系統(tǒng)的融合處理結(jié)果，融合效能評估結(jié)果等數(shù)據(jù)。

3.3關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1目標運動軌跡推演

仿真想定設(shè)置了目標在各個拐點處的位置和速度，可根據(jù)運動動力學(xué)的原理進行插值，利用有限點推算出時間序列上各個時刻的位置和速度，形成平滑、完整的目標運動軌跡。

將目標的運動軌跡按拐點分段，將兩個拐點之間的位置變化簡化為三維空間勻速直線機動。

將坐標轉(zhuǎn)換為直角坐標，對每個插值線段，以t0表示起始拐點的時間，v(0)表示起始拐點的速度大小，以x(0)、y(0)、z(0)表示起始拐點的位置，以v(n)表示終止拐點的速度大小，以x(n)、y(n)、z(n)表示終止拐點的位置，以x(t)、y(t)、z(t)表示t時刻的位置，先計算出插值線段內(nèi)的運動大小v，再計算球坐標3個坐標方向(經(jīng)度、緯度和高度)的速度分量分別為

(1)

則t時刻，目標的位置為

(2)

由于想定是基于大地坐標系(經(jīng)、緯、高)表示，而位置的計算需要在地理坐標系下進行，因此，在進行目標運動軌跡點的計算前和完成計算后，需要在大地坐標系、地球坐標系、地理坐標系中進行坐標轉(zhuǎn)換。坐標轉(zhuǎn)換采用公開的換算方法，考慮到坐標原點與目標的換算航跡點的距離越遠，轉(zhuǎn)換引入的誤差會越大，因此，在對航跡點進行坐標轉(zhuǎn)換時，選取該航跡想定的第一個拐點作為地理坐標系的原點，將該航跡點轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的坐標系當中。

3.3.2情報信息生成

傳感器/偵測系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)目標的首要條件是目標要出現(xiàn)在傳感器/偵測系統(tǒng)的作用距離內(nèi)。當目標落在盲區(qū)內(nèi)或作用距離之外，則傳感器/偵測系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)目標；當目標出現(xiàn)在傳感器/偵測系統(tǒng)的作用范圍內(nèi)，由于環(huán)境因素的影響，實際上不一定能捕獲目標信息，而數(shù)據(jù)的缺失對融合處理的效能是有影響的，因此，用發(fā)現(xiàn)概率的數(shù)學(xué)模型來進一步確定傳感器/偵測系統(tǒng)是否生成情報信息。

由于傳感器/偵測系統(tǒng)的電器特性及地理、氣象、水文、電磁等環(huán)境因素的影響，傳感器/偵測系統(tǒng)提供的情報信息與目標活動的真實數(shù)據(jù)存在一定的誤差，因此，需要對目標原始活動數(shù)據(jù)進行加噪處理。由于情報處理系統(tǒng)試驗評估關(guān)注的仿真推演最終輸出的是多源情報信息而非偵察過程，因此本系統(tǒng)忽略了復(fù)雜觀測過程的仿真，綜合考慮各種因素的影響建立了對原始目標數(shù)據(jù)加噪的數(shù)學(xué)模型，使生成的多源情報信息近似于實際環(huán)境中傳感器/偵測系統(tǒng)對目標的觀測。

以位置信息加噪為例，假設(shè)目標距離、俯仰角和方位角的觀測均服從正態(tài)分布，其均方誤差分別為δR、δβ、δα，Noise()為高斯正態(tài)白噪聲，則傳感器/偵測系統(tǒng)對目標的觀測數(shù)據(jù)為

(3)

對目標平臺搭載的輻射源，在仿真推演時生成了信號參數(shù)信息，其被傳感器/偵測系統(tǒng)感知的加噪處理類似于位置信息加噪，此處不再贅述。

3.3.3效能評估量化計算方法

通過對融合處理相關(guān)理論及近期建設(shè)的情報處理系統(tǒng)的技術(shù)指標進行分析研究，建立多源情報信息融合效能評估指標體系如圖3所示。

圖3　融合效能評估指標體系圖

本系統(tǒng)對目標發(fā)現(xiàn)概率、正確關(guān)聯(lián)概率、錯誤關(guān)聯(lián)概率、未關(guān)聯(lián)概率、正確識別概率、錯誤識別概率、識別拒判概率、最大定位偏差、平均定位偏差等指標進行了量化計算。下面以目標識別效能評估為例，說明指標項的計算方法。

假定仿真想定模型中原有的目標集合為U，推演過程中能被傳感器/偵測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并輸出情報信息的目標集合為C，且有C?U，Num-a為集合C的元素總數(shù)，Num-c為集合C經(jīng)過識別處理后給出正確識別結(jié)果的目標總數(shù)，Num-f為集合C經(jīng)過識別處理后給出錯誤識別結(jié)果的目標總數(shù)，Num-n為集合C經(jīng)過識別處理后未能給出識別結(jié)果的目標總數(shù)，則有：

(1)目標正確識別概率

(4)

(2)錯誤識別概率

(5)

(3)識別拒判概率

(6)

需要注意的是，Pc、Pf和Pr是一組相互制約的參數(shù)，需根據(jù)實際對錯判和漏判作出權(quán)衡?？傮w而言，Pc值越高,Pf和Pr值越低，識別效果越好。

4系統(tǒng)應(yīng)用效果

以下是XX1情報處理系統(tǒng)根據(jù)試驗的需要，想定了M5(15×5×2)想定模型：某作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)有15個目標在活動，有5種傳感器/偵測系統(tǒng)(主動雷達、雷達信號偵測系統(tǒng)、敵我識別信號偵測系統(tǒng)、短波信號偵測系統(tǒng)和超短波信號偵測系統(tǒng)),每種傳感器/偵測系統(tǒng)有2套，分別部署在不同的地理位置，對戰(zhàn)場目標進行偵察。想定模型的仿真推演及評估效果如圖4和圖5所示，其中圖4為目標原始活動軌跡、傳感器/偵測系統(tǒng)的觀測航跡，圖5為對XX1情報處理系統(tǒng)融合效能的評估，顯示抽樣評估、總體評估結(jié)果。

圖4　仿真想定推演航跡顯示圖

圖5　融合處理效能評估圖

為進一步檢驗XX1情報處理系統(tǒng)在各種情況下的融合處理效能，針對目標數(shù)量、密集、機動，以及傳感器種類、數(shù)量、部署位置等不同情況，設(shè)計了8種海空目標活動偵察情景，建立了M1(5×5×2)、M2(5×5×16)、M3(10×5×2)、M4(10×5×16)、M5(15×5×2)、M6(30×5×2)、M7(80×5×2)、M8(100×5×2)等8個想定模型，試驗結(jié)果如表1所示。

表1　多場景試驗結(jié)果一覽表

以下是XX2情報處理系統(tǒng)根據(jù)試驗的需要，想定了M9(15×5×5)和M10(80×5×5)兩種場景，在每種想定場景數(shù)據(jù)下，XX2情報處理系統(tǒng)分別采用不同的關(guān)聯(lián)算法，多源情報信息仿真評估系統(tǒng)給出的量化結(jié)果如表2所示。

表2　最近鄰域法、獨立序貫法試驗結(jié)果比對

從系統(tǒng)應(yīng)用示例可以看出，戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)提供了友好的人機界面，能基于地圖背景、結(jié)合目標特性參數(shù)庫方便靈活地進行目標平臺、平臺搭載輻射源及傳感器/偵測系統(tǒng)的戰(zhàn)場場景想定，對仿真想定模型進行仿真推演，向待評估試驗的情報處理系統(tǒng)提供不同場景的多源情報信息，通過數(shù)據(jù)回放向待評估試驗的情報處理系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)同一場景的數(shù)據(jù)，對情報處理系統(tǒng)的融合處理效能進行量化評估。

5結(jié)束語

本文針對情報處理系統(tǒng)仿真評估的需要，研究了仿真推演及融合效能評估技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)。應(yīng)用效果表明該系統(tǒng)較好地解決了情報處理系統(tǒng)因缺乏數(shù)據(jù)無法進行融合處理試驗、融合處理效能評估的問題，也為仿真試驗環(huán)境下進行多源情報信息融合算法研究提供了強有力的支持。

今后可在此基礎(chǔ)上進一步研究其他種類目標、傳感器/偵測系統(tǒng)的仿真推演技術(shù)以及各種影響因素的仿真建模技術(shù)，進一步增強仿真評估系統(tǒng)的功能，提高仿真評估系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性。

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Design and Implementation of a Battlefield Multi-source Intelligence Information Simulation and Evaluation System

NING Kejian

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：Lacking real data in the intelligence processing system makes it difficult to carry out multi-source fusion algorithm research,fusion processing test and effectiveness evaluation.For the problem,this paper analyzes the requirements for simulation and evaluation environment of typical intelligence processing system,and realizes a battlefield multi-source intelligence information simulation and evaluation system by adopting technical means of scenario deducing based on target feature as well as effectiveness evaluation based on quantitative calculation.Multiple scenario simulation tests verify the feasibility of the technical means and the applicability of the system simulation evaluation.

Key words：C4ISR system;multi-source intelligence information;effectiveness evaluation;simulation scenario;scenario deducing

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.003

收稿日期：2016-03-22；修回日期：2016-05-25Received date:2016-03-22；Revised date：2016-05-25

通信作者：nkjabc@sina.comCorresponding author：nkjabc@sina.com

中圖分類號：TN971；TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0612-06

作者簡介：

寧克儉(1968—)，女，廣西靈山人，1992年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事信息系統(tǒng)設(shè)計和信息融合處理技術(shù)研究。

NING Kejian was born in Lingshan,Guangxi Zhuangzu Autonomous Region,in 1968.She received the B.S. degree in 1992.She is now a senior engineer.Her research concerns information system design and information fusion technology.

Email:nkjabc@sina.com

引用格式：寧克儉.戰(zhàn)場多源情報信息仿真評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):612-617.[NING Kejian.Design and implementation of a battlefield multi-source intelligence information simulation and evaluation system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):612-617.]