潜艇作战多目标感知和跟踪问题研究*

夏佩伦 武志东 野学范

(海军潜艇学院 青岛 266042)



潜艇作战多目标感知和跟踪问题研究*

夏佩伦 武志东 野学范

(海军潜艇学院 青岛 266042)

对潜艇在多目标环境下实施攻击作战中涉及的战场感知和目标跟踪问题进行了探讨。根据多目标之间的关联性定义了两种多目标战场态势。分别利用内部信息和外部信息两种情况,对多目标态势的感知与判断的有关问题进行了分析,给出了判断的基本原则和注意事项。结合潜艇及其信息特点,对潜艇跟踪多目标的特有问题和难度进行了阐述。最后梳理了多目标战场态势判断和多目标跟踪的关系。

潜艇作战; 多目标; 战场感知; 多目标跟踪

Class Number E925.66; E843

1 引言

现代潜艇一般都具有多目标攻击能力,即在一次攻击过程中,对多个目标进行识别、跟踪和射击。多目标攻击的原理无疑是要以单目标攻击原理为基础的,但前者要比后者复杂许多。多目标攻击存在一系列的单目标攻击原理所无法包容的内容,而这些内容在传统的潜艇攻击理论没有系统的阐述,原因是它主要都是针对单目标攻击的[1]。为此,有必要对潜艇多目标攻击涉及的有关问题进行全面深入的研究,以便为实际的攻击提供指导。

2 多目标态势的类型

多目标环境下,目标之间存在不同的关系,从而导致了不同的多目标态势。多目标态势不同,潜艇攻击决策和攻击实施的许多内容都可能会有较大不同,因此有必要对多目标态势加以区分。一般来说,多目标态势可分两种情况,分别称为编队多目标态势和一般多目标态势。

编队多目标是指多个目标从属于同一个编队。这种多目标态势的特点是,编队中的多个目标构成一个整体,它们一般是为完成某一统一的任务而集结到一起,因此,它们受到统一的指挥,行动高度协调一致。这种类型的海上编队有很多,如运输船队和护航战斗舰艇编成的护航运输编队、由航母及其所属战斗和防卫舰艇构成的航母编队、由反潜战斗舰艇构成的反潜巡逻编队等。编队多目标一般具有以下特点:编队队形在较长时间内保持不变;在直航情况下,编队中所有目标的速度和航向保持一致;编队中如果有慢速目标(如运输船),则整个编队速度不高,不会超过慢速目标的最高速度。潜艇攻击人员可以利用这些特点来识别、跟踪编队,也可在攻击决策中加以利用。

一般多目标态势是指在潜艇感知或关注的战场中出现的多个目标彼此没有明显的关系,各目标的行动没有统一指挥的迹象,各目标的速度、航向各不相同,相对位置也是变的。这种情况在平时未经清场的海上训练海区多见。由于各目标之间没有明显的关系,因此对各目标的识别、跟踪和攻击都需要分别进行,彼此没有太多的信息可以用于相互支撑和印证。

毫无疑问,在以上两种多目标态势背景下进行目标攻击,攻击过程的各个环节都存在较大不同。编队多目标因为具有许多共同的东西,这些东西理应加以充分利用。实际的多目标环境情况可能会是多种多样的,既可能所有感知到的目标都从属于一个编队,也可能所有目标彼此没有关系,还可能其中部分目标属于一个编队而剩余目标为零散目标。为此,潜艇攻击人员在进行态势判断时要设法分辨这些态势,尤其要设法判断多个目标中是否有某些目标构成一个编队。

3 多目标态势感知和判断

潜艇多目标攻击的首要任务是多目标战场态势的感知和判断,即确认确是多目标态势,并尽量准确地估计出目标数量以及多目标态势的类型。主要途径有两条:一是通过潜艇自身所载探测传感器进行感知探测;二是通过外部信息源来获取有关战场态势信息。两条途径都存在一定的困难。

3.1 通过艇载传感器感知

潜艇自身所载目标探测传感器是潜艇实现多目标战场态势感知的基本保障。由潜艇自身所载传感器获取的信息可以简称为内部信息。现代潜艇装备了越来越多的目标探测传感器,包括各种声纳、雷达、ESM、潜望镜等,构成多重探测物理媒介的多传感器战场监视系统。与其他军用作战平台不同之处在于,潜艇使用这些传感器常受到较大限制,包括战术限制、环境限制等。如潜艇在水下航行只能依赖各种声纳进行战场监视;潜艇作战原则对隐蔽性的严格要求限制了暴露性传感器(如雷达)或传感器暴露工作方式(如综合声纳的主动工作方式)的使用。

在实际的作战环境中,潜艇一般处于水下航行状态,这样潜艇一般只能依赖声纳被动噪声方式、侦察声纳、被动测距声纳所构成的多声纳系统进行监视[2]。而一般声纳系统都存在观察范围小、测量误差大、测量数据率低、多目标分辨力差、易被干扰等问题。在多目标环境下,这些问题会给态势判断带来很大困难。如仅靠噪声声纳获取目标方位,若声纳的多目标方位分辨力不高,很容易会产生将相近方位上的多个目标误判为单目标的错误。因此,潜艇依赖自身的传感器系统来支撑起对其周围环境多目标态势的监视任务并非易事。

对于多目标态势类型的判断,就更为困难了。一般情况下,潜艇在水下首先是由综合声纳感知探测到由远而近的噪声目标的。如果有多个噪声目标在大致相同的方向被探测到,且有着大致相同的运动方向;或者是噪声在某个方位由弱变强,并逐步分裂为多个噪声源,应考虑是编队多目标态势。如果多目标的出现没有什么规律,且后续行为没有明显的关联性,则可认为是一般多目标态势。当然,具体的判断还要结合敌情通报信息来进行;如果能够获取外部信息的话,还要充分利用外部信息来进行。

3.2 通过外部信息感知

潜艇通过外部信息源来获取有关战场态势信息是指利用通信系统和战术数据链,接收来自岸上或海上指挥所、友邻作战平台等提供的战场信息。通过这一途径可以大大扩展潜艇的战场范围和对战场态势的掌控能力,是对其自身所感知的战场范围的极大扩充。然而,它也存在很大的局限性,那就是受到潜艇对外通信困难这一瓶颈的制约。

潜艇无论采取怎样的方式来进行通信,都存在暴露自身、丧失隐蔽性的风险。因此,在利用外部信息的问题上,潜艇同其他的军用平台存在一个根本的区别,就是潜艇一般只能偶尔上浮到可以进行外部通信的深度进行对外通信。这就意味着潜艇只能偶尔地获得外部信息来构建战场态势。这种外部信息会随着时间的推移而老化,从而逐步失去价值,直到得到新的外部信息的更新。

来自外部的信息存在一个可信度评估的问题。有的信息源本身在提供信息时就同时给出该信息的可信度量,使用时可以加以参考。更多情况下,则是要由使用者根据经验、本艇探测到的信息等各种因素来加以判断。一般而言,由外界作战信息获取平台(包括飞机、水面舰艇、卫星等)实时提供的多目标态势信息是要比潜艇自身掌握的情况更为全面准确的,因为它们处在比潜艇优越得多的观察环境。

当然,潜艇一般只能偶尔地接收外部信息,即不能保证实时获取外部信息。因此,既使偶尔得到的外部信息也会随时间的流失而老化,从而逐步失去价值。尽管如此,外部信息仍然是潜艇判断多目标战场态势的珍贵资源。即便是存在老化现象,目标数量、是否为编队、目标类型等信息在较长时间段内是基本可信的;目标大致航向、速度等信息在一定时间内也有重要参考价值。

3.3 多目标态势感知和判断的原则和注意事项

通过上面的分析可以看出,潜艇获取战场态势信息的手段是比较有限的。要用这样有限的手段和信息,判断出潜艇周围战场环境是单目标还是多目标,是编队多目标还是一般的多目标,绝非易事。为此,潜艇要想完成对外部多目标战场环境的感知和判断,并且实现多目标的攻击,必须要采取一切措施来收集、整理和解读各种信息。要充分发掘各种传感器的性能,同时设法提高传感器使用人员的业务素养,以实现在实际工作中将设备的探测能力与人的敏锐观察力和判断力融为一体的效果。

要充分利用来自战术数据链和外部通信设备的信息,在制定作战预案时就要精心设计规划好这方面的工作。在平时训练中多关注不同信息源提供的信息的特点,掌握其信息的可信度。要充分利用敌情通报来进行战场环境和态势的判断,在战场监视过程中注意将敌情通报信息与其他途径获取的信息的相互比对、验证和确认。

在可以同时获取内外部信息的情况下,还存在一个两类信息相互融合的问题,即将两类信息综合起来,构建体现了二者信息的综合的战场态势。在这种情况下,要注意摸索二者信息的规律性特征,为战时的运用打下基础。

需要提醒注意的是,战场态势是动态的,它总是处在变化之中。首先,潜艇和目标都处在运动过程中,潜艇本身以及潜艇所载传感器的观察范围都是运动的。因此潜艇所能感知到的战场范围也是在不断变化的。

其次,潜艇对所能感知的战场范围的掌握程度也是变化的。在监视初期,因收集到的信息很有限,因而建立的战场态势很可能是模糊的、粗线条的。随着监视过程的持续,有关战场态势的信息不断积累,以此构建的战场态势图也必然会越来越清晰。

最后,就目标数量而言,可能会出现无目标、单目标、多目标态势的反复更替。目标可能会不断移入或移出监视范围、加之传感器多目标分辨力的限制、实际目标探测过程中不可避免的虚警或漏检,都可能导致态势感知和判断结果的变化。

4 多目标跟踪

多目标态势感知和判断对于潜艇作战决策而言还只是初步的。要完成对多目标环境中的某些目标的攻击,其中涉及的攻击决策和武器射击等核心问题都要求更为精细的目标信息,尤其是其运动信息。这就要对目标进行运动分析,即对目标进行进一步的定位跟踪,获取其运动参数。

4.1 多目标跟踪的特点

总体而言,多目标跟踪式目标跟踪领域的一个难题,不论是编队多目标还是一般多目标态势,实现多目标跟踪都不是易事。既使是使用雷达这样的测量精度高、数据率高、多目标分辨力强的传感器,多目标跟踪都需要面对许多难题[4～8]。

以声纳为主的潜艇多目标跟踪无疑要更为困难。况且现在潜艇并非使用单一传感器进行目标探测,而是利用多源多传感器信息来实现目标跟踪。它是一个典型的多源(传感器)多目标跟踪问题,其中涉及数据关联、目标运动状态或参数估计与融合等诸多难题。这些难题都有一些解决办法,但多是针对雷达类传感器的,移植到声纳类传感器难度都不小。

潜艇水下使用声纳探测目标,不仅所获目标信息质量差、精度低、数据量小、多目标分辨力低,而且往往只有被动信息。即很多情况下只能获得目标的方位信息,没有距离和其他信息。运用这样的信息进行目标跟踪和信息融合,确实是有较大的挑战性。为此,需要精心选择或设计针对潜艇这一特殊平台的多目标跟踪和融合的系统结构、处理算法等[2,8～9]。

潜艇作战一个挥之不去的困惑就是信息获取途径少、信息质量差、信息量小。既使是单目标攻击,很多情况下,也很难在短时间内得到令人满意的目标运动参数。因此,攻击往往不能等到一切情况都很明朗的时候来定下决心并加以实施。多目标攻击时尤其是如此。要对潜艇实施多目标跟踪的能力有客观的认识。一般情况下,目标跟踪费时较长,得到的目标运动参数仍可能存在精度不高的问题。因此,要做好在信息环境不良、目标运动参数不全或精度不高的情况下实施攻击的准备。

4.2 编队目标跟踪

编队多目标和一般多目标两种情形下进行目标跟踪会有所不同。一般情况下,编队目标的跟踪相对要容易一些。编队目标跟踪的要点在于确认其为一个编队以及确认编队中的目标数量。一旦确认为编队目标,则只要设法得到其中一个目标的速度航向,则就相当于知道了所有目标的速度航向[10]。一般的多目标跟踪则要复杂很多,每个目标的运动参数可以认为是没有关系的,因而需要分别来获取。

使用系统计算目标运动参数时,若指控系统有条件的话,可考虑用两个解算通道分别解算一个编队中的两个目标的运动参数,且两个通道采用不同的算法。如一个通道采用纯方位算法或多方位一距离算法;另一个通道采用纯方位算法和多方位一速度算法。两个通道中的距离和速度可以是假定的。解算过程中注意观察和比对两个通道的解算结果。两者解算的目标航向基本一致时说明解算参数已基本收敛,这时再综合两个通道的解算结果适当修正假定距离和速度,可望较快地得到较为准确的目标运动参数。

采用作图方法绘算目标运动参数时,可先立足作出一个目标(一般取方位变化最大的目标)的参数来,其他目标则要迅速记下其测量数据,在腾出时间时将其画在图上。得出一个目标的参数后,利用其速度、航向得出其他目标的参数,并以此判断编队类型。若知道目标类型及其探潜装备的性能等信息的话,还可通过作图判断是否能走出敌搜索带。这些信息是艇指挥员进行攻击决策的重要基础。

4.3 一般多目标跟踪

一般多目标态势下,由于认为各目标之间是没有关系的,因此,对各目标的跟踪需要分别进行。如果来自各目标的测量信息是相互独立的话,则各目标的跟踪也是独立进行的。

然而,在实际情况下,传感器得到的多目标测量信息往往是交织在一起的,在密集目标环境尤其是如此,一般很难绝对分清测量信息来源。为此,需要有专门的技术来解决这一问题,这就是数据关联技术。

潜艇一般仅能获得目标的方位信息,仅仅依赖目标方位进行数据关联,困难较大,关联准确性不高。

在完成数据关联的基础上进一步实现目标运动参数的解算并无更多特殊之处,只需按选定的算法设法保障满足其解算条件即可。

5 多目标战场态势判断和目标跟踪的关系

至此还有必要说明一下战场态势判断和目标跟踪的关系。毫无疑问,两者是紧密联系并相互交织在一起的。两者有着共同之处,那就是都是要将潜艇周围战场范围内的目标情况搞清楚,即所谓建立完整、清晰的战场态势。但两者之间又存在不同的分工。

态势判断更注重全局的基本情况,包括所关注的战场范围内目标的数量、分布、敌我属性、类型、关系、行为等。目标跟踪则侧重局部性的情况,一般是选定的某些目标的位置和运动信息。战场态势判断服务于宏观的作战决策,目标跟踪则是服务于针对选定目标的具体作战行动,如对其实施攻击或防御。

一般战场态势判断是潜艇作战过程的初期重点关注的内容,越早建立起较为明晰的战场态势,越有利于后续作战过程的展开。目标跟踪则是在选定交战目标后重点关注的内容,就是要重点关注所选定的目标,设法获取其运动信息,解算其运动参数,以便制定精细的交战方案,如攻击方案等。

两者在不少情况下是相辅相成的,目标跟踪将目标的运动情况搞清楚了,战场态势也就更明确了。战场态势判断得准确了,目标跟踪就有了一个好的基础。

6 结语

由于潜艇作战在信息环境、战术规则等方面存在的诸多限制,其多目标战场态势感知与判断及多目标跟踪面临很大挑战。本文以潜艇与多个海上舰船目标交战尤其是进攻作战为背景,就其中涉及的多目标战场态势感知、判断及多目标跟踪问题进行了原则性探讨。试图厘清一些基本概念,如多目标态势的类型、多目标态势感知判断与多目标跟踪的关系等;揭示一些事实,如潜艇作战多目标态势感知判断、多目标跟踪的特点及困难所在;提出一些建议,如潜艇作战多目标态势感知判断、多目标跟踪的一些原则、方法及注意事项。

态势判断及目标跟踪是潜艇作战决策及火力控制的基础,因而直接关系到潜艇作战的得失成败。在潜艇多目标实战环境下,态势判断及目标跟踪问题都变得十分复杂而困难,值得探究的问题还有很多。期待更多研究人员更为广泛深入的关注。

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[10] 夏佩伦,朱伟良.编队目标的仅方位跟踪[J].电光与控制,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

夏佩伦,男,教授,研究方向:目标跟踪、信息融合和潜艇攻击。武志东,男,讲师,研究方向:潜艇攻击。野学范,男,讲师,研究方向:潜艇攻击。

E925.66; E843

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.001