基于威胁判断的舰载多传感器射频保障优先度研究

王龙涛

(海军大连舰艇学院信息系统系，辽宁 大连 116018)

水面舰艇多传感器协同使用可以实现对各传感器资源的综合利用和能力互补，对充分发挥舰载信息系统综合作战效能具有重要意义[1-2]。射频资源是对各辐射源传感器进行射频探测、跟踪、指导等信息保障资源的统称，多任务、多目标、多阶段作战过程中，多传感器射频资源保障任务复杂，资源匹配选择多样，当存在传感器射频资源保障冲突时，如何确定射频资源的优先保障顺序至关重要，直接影响到整个射频资源的综合规划与调度性能。从作战使用的角度，对“射频资源优先保障顺序”的描述我们称之为“射频保障优先度”，从作战流程上看，进行威胁等级判断是实施射频资源优先保障决策的首要环节，是舰载多传感资源分配与调度的基础[3]。

当前针对目标威胁程度的判定方法主要集中在目标威胁程度属性的描述模型、算法改进等方面，但是，针对具体作战任务特点，结合作战层区及任务属性进行综合判断的研究较少，本文综合考虑目标层区、任务属性及目标威胁程度等因素进行综合分析计算，求解符合实际作战要求的多传感器射频保障优先度，对于舰载信息系统资源调度与使用具有重要的理论和实践意义。

1 舰载多传感器射频保障优先程度的确定思路

射频资源保障优先程度的确定本质上是对“目标”在不同作战阶段、作战任务下的威胁程度量化问题[4]，主要反映了目标的威胁程度大小，因此，进行威胁程度判断是首先需要考虑的问题，除此之外，由于保障目标跨度距离远、层区大，不同的作战目标在不同“作战步骤”下的保障任务不一样，因此，在进行“作战步骤”射频保障优先程度的确定时，在考虑目标威胁程度的基础上，应根据实际作战态势、典型作战目标属性进行目标所在层区以及“作战步骤”保障任务属性的考量，以舰艇对空作战为例，根据对空作战的一般战术要求和系统装备特点，对“作战步骤”保障优先程度的评定指标划为3层，如图1所示。

图1 “作战步骤”射频保障优先程度评价体系框图

准则层B：对“作战步骤”射频保障优先程度的描述主要通过目标层区属性、作战步骤保障任务属性以及目标威胁程度属性来体现。

准则层C：目标所在不同的作战层区，外层区作战的主要任务是预警探测发现目标，作战距离远，相应的射频保障优先程度低，随着目标作战距离的接近，中层区主要进行搜索、跟踪识别，而在内层区的主要作战任务是抗导，在不同的作战层区主要属性任务的不同，相应的权重不同，当目标层区不明时，一般取作战中层区。

作战步骤保障任务属性，主要包括对目标信号的电子侦察任务、目标的搜索发现任务、跟踪任务、保障武器打击的制导任务、目标识别任务以及电子干扰任务等。

目标威胁程度属性是指根据目标类型、目标距离远近、目标速度及目标来袭角度来判断目标自身的对舰艇的威胁程度大小。

2 计算模型及方法

2.1 目标威胁程度大小确定的说明

对于目标威胁程度属性主要选取目标类型(S31)、目标距离(D32)、目标速度(V33)及来袭角度(A34)4个指标，各指标反应的权目标威胁程度大小定量取值属于“模糊”决策问题[5-6]，适用于模糊集理论的隶属度函数(取值范围0～1)确定各指标的值，通过取值大小表示此隶属度函数对指标大小影响的度量。

2.1.1目标类型

目标类型主要是指来袭目标是飞机或者是导弹，当已确定来袭目标是反舰导弹时，此时的目标威胁程度最高，同时在同一距离上，不同类型的飞机、导弹对舰艇的杀伤程度不同，比如歼击机、轰炸机、电子干扰飞机、不明类型飞机、反舰导弹等，与“作战步骤”射频保障优先程度关系紧密，基于此，对目标类型的隶属度函数为：

(1)

2.1.2目标距离

目标距离主要是指目标距离舰艇越近，相应的威胁程度越高，“作战步骤”射频保障优先程度也就越高。

(2)

其中DM是指所有来袭目标的最远发现距离。

2.1.3目标速度

目标速度主要是指导弹或者飞机的飞行速度，一般速度越高，接近时间越短，对舰艇的威胁程度越高，“作战步骤”射频保障优先程度也就越高。

(3)

其中VM是指所有来袭目标的最大飞行速度。

2.1.4来袭角度

来袭角度主要是指目标飞行方向相对舰艇的来袭角度(在0°～90°)，如果目标勾径为零，则此时威胁程度最高，如果目标远离，则威胁程度最小，显然相对舰艇，来袭角度越小，威胁程度越高，“作战步骤”射频保障优先程度也就越高。

(4)

2.2 权重的确定方法

对射频保障优先程度各层权重的确定，指标选择、参数的确定，都需要结合理论基础和实际作战、训练得出的经验共同得到数据[7]，这里的权重确定、评价为了给研究人员提供参考，往往又要有超前和预测性，这就需要请该领域的权威专家对相应的权重指标打分，通常可用层次分析法(AHP)进行确定。

运用层次分析法时，对人的主观因素要求较高，不同专家对判断矩阵中各层参数的确定各有不同，各有侧重，具有一定的不确定性。基于此，为了降低这种人工决策导致的参数确定盲目性，可采用最优传递矩阵对此进行调整，一方面不需要再进行一致性检验，同时可直接给出权重值，得到最大优化程度的一致阵，无论是从计算理论还是过程实验都表明此种方法的快捷性和有效性。

1)最优传递矩阵。首先确定3个矩阵(实数)A=[aij]、B=[bij]、C=[cij],A,B,C∈Rn×n；

显然若A是一致阵，则B=lgA(bij=lgaij,∀i,j)是传递的，反之若B是反对称矩阵，则A=10B(aij=10bij,∀i,j)是一致的。

若B是反对称矩阵，则B的最优传递矩阵C，可以找到x1,x2,…,xn≥0,使cij=xi-xj, 有定义3可知

则：

(5)

2)计算步骤。计算步骤如下：

第1步：针对具体目标问题，分析层次框架，建立层次结构，对各次参数进行度量。

第2步：在进行各参数相互比较的基础上，构造出层次分析的判断矩阵，参数量化值采用1～9度量。

第3步：通过最优传递矩阵记性计算，得到特征向量，最后得出特征值。

应用改进层析分析法的流程框图如图2所示。

图2 改进AHP应用流程框图

2.3 射频保障优先程度计算方法

根据以上最终确定的目标层区属性权重λ1、作战步骤保障任务属性权重λ2以及目标威胁程度属性权重λ3的基础上，“作战步骤”保障优先程度的数学量化根据目标威胁程度的隶属度函数取值进行计算，公式如下：

(6)

其中：ηi表示“作战步骤”i的保障优先程度值；λix表示“作战步骤”i的层区属性权重值，x∈(1,2,3)；λiy表示“作战步骤”i的保障任务属性权重值，y∈(1,2,3,4)；λij表示“作战步骤”i的威胁程度属性权重值，j∈(1,2,3,4)；φ(λij)表示“作战步骤”i的威胁程度隶属度函数值。

2.4 计算步骤

基于威胁判断的多传感器射频保障优先程度计算步骤框图如图3所示。

2.5 算例分析与应用

单舰作战中，其舰载多传感器射频资源可以执行侦察、引导、搜索、跟踪、干扰、制导等多种任务，每一类射频资源都能执行不同的射频保障任务，通过舰载有源探测及无源侦察获得来袭5批目标的初始态势参数如表1所示。

图3 射频保障优先程度计算步骤框图

表1 初始态势参数

目标类型距离速度/(m·s-1)角度/(°)任务属性层区目标1飞机18050050跟踪外目标2机载雷达信号未知未知30干扰中目标3导弹3030030制导内目标4导弹末制导信号未知未知0制导中目标5不明403500制导内

应用改进层次分析法，对各层权重进行确定，以“作战步骤”i的威胁程度属性权重计算为例。

步骤1：首先从射频资源作战效益及要素构成出发，对目标威胁程度属性的4个评价指标在参考专家经验后得出判断矩阵如下：

其中E1,E2,E3,E4为4个评价指标(以后不再说明)。对矩阵A进行变换，得出矩阵B，B=lgA：

根据2.2所述方法，得到矩阵C及A*。

运用方根法求解A*的特征向量W：

归一化后，可得

W=[0.232, 0.433, 0.210, 0.125]

步骤2：将表2初始态势参数分别带入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的隶属度函数，可得隶属度函数矩阵为

同理，可求得目标层区属性，及目标任务属性的权重值：

步骤3：将以上计算出的数据带入保障优先程度计算公式，进行计算，个目标的优先保障度值分别为：0.035 514、0.018 422、0.334 1、0.081 42、0.164 9。归一化后，得到最终的各目标射频保障优先程度值如表2所示。

表2 各目标射频保障优先程度值

由计算可以看出，各目标的射频保障优先度为目标3、目标5、目标4、目标1、目标2。从一致目标信息及保障任务属性来看，所得结论符合单舰对空作战的一般原则和规律，也证明了所用计算方法的科学性和便捷性。

3 结论

针对舰载多传感器射频资源保障优先程度确定问题，基于目标威胁程度判断提出了射频保障优先度量化的模型及算法，应用模糊多属性决策方法对目标威胁程度大小进行了度量，基于改进层次分析法给出了各层权重的计算方法，最后运用该方法进行了仿真示例计算，对舰载多传感器进行多任务作战中的射频保障优先级确定、射频资源综合调度具有重要的指导意义。