宋彬杰 王遠(yuǎn)航 張 琪

（1.陸軍炮兵防空兵學(xué)院鄭州校區(qū) 鄭州 450052）（2.32381部隊 北京 100072）

1 引言

從近幾場局部戰(zhàn)爭和武裝沖突中可以看出，無人機(jī)在戰(zhàn)場中使用的頻率越來越高，使用的領(lǐng)域越來越廣，從最初的執(zhí)行戰(zhàn)場偵察監(jiān)視任務(wù)，發(fā)展到現(xiàn)在可以執(zhí)行多種復(fù)合任務(wù)，比如戰(zhàn)場評估、自殺襲擊、察打一體和通信中繼等。無人機(jī)具有采購來源豐富、操作使用簡單、雷達(dá)反射截面小、作戰(zhàn)使用靈活多樣等特點，使其在戰(zhàn)場中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠很多的執(zhí)行“偵、控、打、評、?！钡榷喾矫娴娜蝿?wù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)場的使用越來越廣泛［1］。近年來發(fā)生的幾場局部沖突中，隨處可見無人機(jī)的影子。2020年下半年的納卡沖突［1］，阿賽拜疆僅靠簡易無人機(jī)的靈活使用，就取得了豐碩的戰(zhàn)果。2022 年初的俄烏軍事沖突中，更是給了無人機(jī)大顯身手的平臺，有報道顯示，2月24日至3月25日期間，烏軍使用土耳其制造的“TB-2 旗手”無人機(jī)對俄羅斯軍隊的裝甲車和地面武裝力量實施攻擊，擊毀了部分裝甲車輛，造成大量人員傷亡，給俄軍的軍事行動帶來了很大挑戰(zhàn)。

無人機(jī)在現(xiàn)代軍事中的廣泛使用和出色表現(xiàn)，迫使各國開始思考針對無人機(jī)作戰(zhàn)的應(yīng)對策略，紛紛著手研制反無人機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)前的主要反無人機(jī)手段主要分為兩種，一是以毀傷空中無人機(jī)為目標(biāo)的“硬殺傷”手段，包括以高炮、防空導(dǎo)彈為代表的傳統(tǒng)硬殺傷手段，和以激光、高功率微波武器為代表的新質(zhì)“硬殺傷”手段；二是以干擾無人機(jī)的通信鏈路、遙控鏈路、導(dǎo)航鏈路等為目標(biāo)的“軟殺傷”手段，主要包括無線電干擾、導(dǎo)航干擾等。為提高對無人機(jī)的抗擊效率，需要復(fù)合運(yùn)用多種抗擊手段，這也是當(dāng)前反無人機(jī)系統(tǒng)研制的主要方向。本文以某“軟、硬”相結(jié)合的反無人機(jī)系統(tǒng)為研究對象，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估和預(yù)測，為武器系統(tǒng)的設(shè)計研制，以及作戰(zhàn)使用研究提供決策依據(jù)。

2 評估指標(biāo)體系

該武器系統(tǒng)綜合集成有源、無源探測手段和“軟”、“硬”殺傷手段，具備對無人機(jī)實施復(fù)合探測和多重抗擊的能力。通過對系統(tǒng)能力進(jìn)行梳理，可以建立該系統(tǒng)效能和分系統(tǒng)能力之間的映射關(guān)系，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)效能和分系統(tǒng)能力之間的映射關(guān)系

1）目標(biāo)探測能力

該系統(tǒng)的目標(biāo)探測手段有無線電探測和雷達(dá)探測。

無線電偵測能力的實現(xiàn)主要是通過對無線電信號進(jìn)行接收，然后對信號的特征進(jìn)行分析，以此來判斷該信號是否是無人機(jī)的下行信號。通過對偵察結(jié)果的實時統(tǒng)計，可以得到遙控鏈路信號的頻率、幅度、方位以及時間信息，進(jìn)而對目標(biāo)信號進(jìn)行快速參數(shù)測量和分析，為下一步實施定位和干擾打下基礎(chǔ)。無線電偵測能力的高低主要受下列因素影響，分別是無線電偵測的距離、測向精度、測頻精度等。

雷達(dá)探測是當(dāng)前對空中目標(biāo)探測的最主要手段之一，基本工作原理為主動向空中發(fā)射電磁波，然后通過接收經(jīng)空中目標(biāo)反射的電磁波來實現(xiàn)對其定位、測速、測距等功能，支撐雷達(dá)實現(xiàn)對空探測能力的戰(zhàn)技指標(biāo)主要有最大探測距離、距離測量精度、方位測量精度、俯仰測量精度和同時跟蹤目標(biāo)數(shù)等。

2）指揮控制能力

指揮控制是武器系統(tǒng)的“大腦”，是戰(zhàn)斗力生成的“粘合劑”。指揮控制系統(tǒng)主要完成情報信息的融合、分發(fā)、態(tài)勢更新、通信聯(lián)絡(luò)等功能，其關(guān)鍵指標(biāo)有情報處理融合能力、輔助作業(yè)能力、情報分發(fā)能力等。

3）壓制干擾能力

無線電干擾壓制該反無人機(jī)系統(tǒng)對無人機(jī)實施抗擊的主要手段之一，主要通過對無人機(jī)的通信鏈路和導(dǎo)航鏈路實施壓制干擾，以達(dá)到驅(qū)離或迫降的目的。決定無線電壓制干擾效果的主要戰(zhàn)技指標(biāo)有遙控鏈路壓制干擾距離、導(dǎo)航壓制干擾距離、干擾反應(yīng)時間等。

4）激光毀傷能力

激光毀傷是該系統(tǒng)中“軟”“硬”結(jié)合抗擊方式中的“硬抗擊”方式，激光武器作為新質(zhì)武器裝備，在抗擊無人機(jī)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，比如，可以實現(xiàn)光速打擊，具有較高的費(fèi)效比和無限彈倉等特性［1］。影響激光毀傷效應(yīng)的因素主要有以下幾點：最大毀傷距離、最大毀傷時間、連續(xù)工作時間等。

由此可得該反無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估的指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系

3 效能評估模型

1）數(shù)據(jù)處理模型

在對指標(biāo)數(shù)據(jù)正式計算前，需要對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過對本文指標(biāo)的分析可以看出，該指標(biāo)體系中的指標(biāo)除了有定量指標(biāo)外，如歸大毀傷距離、干擾反應(yīng)時間等，還存在部分無法通過直接測量而得的定性指標(biāo)，如輔助作戰(zhàn)能力等。對于定量指標(biāo)，可以在實戰(zhàn)環(huán)境下進(jìn)行測量，只需要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理便可代入評估模型中進(jìn)行計算；而對于定性指標(biāo)，則需要首先對其量化處理，在本文中采用模糊評估的思想對定性指標(biāo)進(jìn)行量化。

定量指標(biāo)處理方法。定量指標(biāo)是可以直接通過測量而采集的指標(biāo)，這類指標(biāo)按在效能評估中發(fā)揮作用的機(jī)理不同，可以分為效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)。效益型指標(biāo)采用極值處理法，函數(shù)表達(dá)式如

式（1）所示，其中cij表示指標(biāo)uij的實測值，表示指標(biāo)uij的最小有效值，表示指標(biāo)uij的滿意值。對于成本型指標(biāo)，需要用一定的數(shù)學(xué)方法將其轉(zhuǎn)換成效益型指標(biāo)，以便后續(xù)在同一模型中進(jìn)行處理，常見的數(shù)據(jù)一致化處理方法有倒數(shù)一致化法和減法一致化法，此處采用減法一致法對成本型指標(biāo)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理［5］，如式（2）；然后再利用式（1）對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

定性指標(biāo)處理方法。對于定性指標(biāo)利用模糊綜合評判的思想進(jìn)行量化處理［6］，給定指標(biāo)5 級評語集V=｛好、較好、一般、較差、差｝，對應(yīng)的評分集為θ=｛0.9，0.7，0.5，0.3，0.1｝，指標(biāo)對評語集的模糊隸屬度為μi，則定性指標(biāo)的量化結(jié)果為

2）指標(biāo)權(quán)重計算模型

采用層次分析法（AHP）［7］對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，AHP 作為經(jīng)典的權(quán)重確定方法，可以有效地將定性分析與定量計算相結(jié)合，具有層次明了、步驟清晰、易于實現(xiàn)的特點［8］，適用于一些復(fù)雜的、難以量化的系統(tǒng)決策問題。主要有以下幾個步驟。

Step 1 構(gòu)造判斷矩陣

對于一個由n 個平行指標(biāo)構(gòu)建的指標(biāo)體系，由專家根據(jù)其工作經(jīng)驗對指標(biāo)之間的重要性進(jìn)行兩兩比較，可得判斷矩陣如式（4）：

Step 2 指標(biāo)權(quán)重求解

利用AHP 求指標(biāo)的權(quán)重，可以將其轉(zhuǎn)化為求判斷矩陣的特征向量，首先對矩陣Aij(n×n)按行求積：

然后，計算Mi的n次方根：

最后，對向量進(jìn)行歸一化處理：

Wi即為第i個指標(biāo)的層次權(quán)重。

Step 3 一致性檢驗

為避免專家在打分的過程中出現(xiàn)邏輯性錯誤，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，如式（8）和式（9）所示，其中RI取值通過查表可得。

當(dāng)CR<0.1 時，則判斷矩陣具有較為滿意的一致性。

3）效能評估模型

分系統(tǒng)Ui的效能Ei為其下屬子指標(biāo)的加權(quán)求和，表達(dá)式如式（10）所示。

通過對系統(tǒng)抗擊無人機(jī)的作用機(jī)理分析可以看出，壓制干擾手段和激光毀傷手段二者只需要其中一個發(fā)揮效用，便可實現(xiàn)對無人機(jī)的有效抗擊，因此可以列出該系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估的表達(dá)式（11）。

4 基于集成堆疊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反無人機(jī)系統(tǒng)預(yù)測模型

經(jīng)典的作戰(zhàn)效能評估方法，需要依靠大量的專家經(jīng)驗作為評價依據(jù)，本文采用基于集成堆疊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［11］的方法構(gòu)建評價模型，該方法是一種改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，不僅能夠克服經(jīng)典效能評估弱點，還能克服基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測評估過程中，泛化能力弱的缺點［12］。該方法實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 集成堆疊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

如圖3 所示，該方法采用兩種不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征提取，然后將生成的特征進(jìn)行堆疊，最后通過淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估。本文中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖4 所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)設(shè)置

如圖4 所示，兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為輸入層12 維，隱藏層8 維，輸出層2 維，以及輸入層12 維，隱藏層6 維、4 維，輸出層2 維，最后淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層設(shè)置為1維，輸出結(jié)果為概率值。

1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

本文采用兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征值，特征重構(gòu)的重要手段。能夠有效避免模型過擬合導(dǎo)致重構(gòu)特征缺乏能力弱的缺點，單個神經(jīng)元結(jié)果如圖5 所示。

圖5 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)

其中，Ui,j為輸入值，權(quán)重W={w1,w2,…wj}，計算公式如下：

通過激活函數(shù)f(?)將τ進(jìn)行非線性變換，本文采用sigmoid 函數(shù)，作為激活函數(shù)，計算公式如下：

2）堆疊

單一結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)特征，其泛化能力具有一定局限性［9］，汲取集成學(xué)習(xí)思想，本文將兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行堆疊重構(gòu)，對預(yù)測集合測試自己進(jìn)行特征重構(gòu)得到特征Unew，表示如下：

其中，i?N，表示訓(xùn)練集數(shù)量。

3）預(yù)測設(shè)置

預(yù)測階段，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測評估，輸入層為Unew，表示作戰(zhàn)效能評估的4個重構(gòu)特征，輸出層為1 個神經(jīng)元，其輸出值為概率值。本文設(shè)置作戰(zhàn)效能評估為四個等級：優(yōu)、良、中、差，設(shè)置如下所示：

5 效能評估實例分析

1）數(shù)據(jù)集

本文實驗數(shù)據(jù)為某反無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗和演習(xí)演訓(xùn)中采集而得，涵蓋該武器系統(tǒng)將來可能面臨的多種作戰(zhàn)環(huán)境，共包含數(shù)據(jù)7521 條，其中按照7：3比例，將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集5264條和測試數(shù)據(jù)集2256條，實驗用數(shù)據(jù)集如表1所示。

表1 實驗用數(shù)據(jù)集

2）實驗結(jié)果與評估

實驗中，使用訓(xùn)練集訓(xùn)練模型，當(dāng)訓(xùn)練迭代次數(shù)達(dá)到160 次，模型訓(xùn)練結(jié)束，模型趨向穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 訓(xùn)練迭代次數(shù)與誤差值關(guān)系示意圖

本文將基于集成堆疊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反無人機(jī)系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果、與單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（隱藏層設(shè)置數(shù)為8）［10］效能評估、經(jīng)典效能評估方法進(jìn)行了對比試驗，預(yù)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 預(yù)測數(shù)量對比表

實驗結(jié)果顯示，集成堆疊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對比經(jīng)典效能評估和基于單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效能評估，效能評估為“優(yōu)”的數(shù)據(jù)最多，但是其評估值為“差”的數(shù)量也多于經(jīng)典效能評估，分析原因是在訓(xùn)練過程中，特征值設(shè)置較少，在訓(xùn)練中容易陷入局部最優(yōu)解。

6 結(jié)語

針對反無人機(jī)情報偵察系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估，本文采用人工智能算法，構(gòu)建基于集成堆疊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估模型。實驗結(jié)果顯示，該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)效能評估，而且評估為“優(yōu)”的占比值為79.12%，優(yōu)于經(jīng)典作戰(zhàn)效能評估和基于單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估模型。該方法不僅能夠克服泛化能力弱的缺點，而且減少了專家經(jīng)驗對評估結(jié)果的影響，具有一定研究價值，可為后續(xù)反無人機(jī)情報偵察系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估，提供有益參考。