侦察情报系统效能评估支撑环境的设计与实现

唐世庆，徐梦夏，石志强

(装甲兵工程学院，北京 100072)

【后勤保障与装备管理】

侦察情报系统效能评估支撑环境的设计与实现

唐世庆，徐梦夏，石志强

(装甲兵工程学院，北京 100072)

侦察情报系统的效能评估是系统论证、设计、开发、研制和装备运用必不可少的环节；针对侦察情报系统效能评估，在典型作战仿真环境基础上，提出和分析了适用于侦察情报系统仿真平台的体系结构，结合侦察情报系统的特点对仿真平台进行了模型扩充，并通过典型系统的效能评估实例验证了评估支撑环境的有效性。

侦察情报系统；效能评估；仿真环境；仿真模型；高层体系结构

侦察情报系统作为指挥信息系统的组成部分，对于战场信息采集和态势感知具有至关重要的作用，其效能的高低直接影响基于信息系统的体系作战能力生成。侦察情报系统的效能评估，已成为系统论证、设计、开发、研制和装备运用必不可少重要环节，通过效能评估可以检验系统实现预期功能、达到预期效能的程度，分析系统在实际应用中存在的不足，为系统研制或改进提供理论支持和指标数据[1]。

侦察情报系统效能评估的数据来源主要有文档资料、领域专家评分以及系统仿真试验等途径[2]。其中从文档资料和专家评分中获得指标数据相对容易，但有些数据只能从实装试验试用或仿真试验中获取。要获得系统的仿真试验评估指标数据，就需要构建系统的效能评估仿真支撑环境，根据作战想定依托效能评估支撑环境对被评估系统进行仿真试验，并从试验中获取数据进行效能评估。因此，构建适合侦察情报系统效能评估支撑环境，对于系统效能评估具有重要意义。本文在已有仿真环境基础上进行了二次开发，已满足侦察情报系统仿真的需要。

1 仿真环境总体分析与设计

1.1 典型作战仿真平台

HLA为复杂系统建模和仿真提供了公共技术支撑框架，通常的作战仿真环境采用基于HLA的仿真平台。基于HLA的平台具备开放性、可重用性以及可扩充性，可以满足不同类型系统的功能完善、系统扩充以及二次开发的需要。典型的作战仿真平台体系结构如图1所示，是具有从系统建模分析到仿真运行功能的一体化作战仿真平台。

图1 典型仿真平台体系结构示意图

仿真资源建模工具负责对要仿真的物理实体进行模型构建，并生成具体的模型实例(比如对雷达进行建模，对不同型号的雷达，其属性赋予不同的值)。在完成建模后，将模型及其实例数据录入数据库。此外，仿真资源建模工具还可以将数据库中的数据导出，以便对模型进行检查、修改[3,4]。

想定编辑工具利用模型实例生成对象，并对其进行部署。想定编辑工具可以利用仿真资源建模工具提供的模型实例生成对象；也可以通过在实体对象模型中填入具体属性值生成新的实体模型实例，并由此生成对象；也可对平台装备或普通装备建立新的实体模型，并生成新的模型实例，再生成对象。在这个过程中，有3类对象可操作，分别是设备对象、实体对象以及兵力部署对象。生成对象后，要对其进行活动部署，包括安排每个对象开始工作的时间、投入战斗的时间、结束战斗的时间，规划其任务范围及行进路线等。完成这些工作后，想定编辑工具可生成一个包括实体集合、想定元数据、联邦成员部署、环境和模型集合的想定文件[4,5]。

仿真管控成员在想定编辑工具完成想定文件后，从想定文件中提取出联邦成员部署，选择加入仿真推演过程的某些仿真成员，控制它们的加入退出、初始化、开始、暂停、继续和结束。

数据采集成员负责动态的收集RTI总线上的所有数据，并按相应的时序关系排列，记录到文件中。

仿真平台中的RTI采用层次式体系结构，它结合了集中式和分布式的优点，不仅易于管理、全局数据维护效率高、数据一致性易保证，而且具有较好的灵活性和可扩展性，该体系结构设立了一个中心RTI服务器，用于执行时间管理服务等全局操作，下设若干子RTI服务器，每个服务器负责一组联邦成员服务请求，涉及全局操作的请求，由中心RTI服务器协调各个RTI子服务器共同完成。这种结构可以减少全局操作的延迟，提高仿真系统运行效率。对一些局部操作，由RTI的子服务器分散执行，可降低计算的耦合度，从而提高执行效率[2]。

1.2 侦察情报系统效能评估支撑环境结构设计与分析

侦察情报系统效能评估支撑环境可以依托此仿真平台进行二次开发，以满足侦察情报系统的仿真需求。在典型仿真平台的基础上，加入侦察情报系统仿真成员和效能评估仿真成员，如图2所示。

图2 侦察情报系统仿真环境体系结构示意图

侦察情报系统仿真成员确定侦察情报系统的实体组成，描述系统的行为，明确侦察情报系统仿真成员公布和定购的能力，在效能评估作战仿真环境联邦中实现对侦察情报系统行为的仿真，提供作战条件下侦察情报系统行为状态参数，为效能评估提供数据。侦察情报系统仿真成员包括作战行动成员、侦察装备成员、侦察目标成员[2]。

效能评估仿真成员根据作战想定运行仿真试验获得评估所需的指标数据，结合文档资料法和专家评定法获得的数据，对指标数据进行处理后，通过效能计算模块进行效能评估。效能评估仿真成员具有指标管理功能、评估模型库管理功能、指标数据获取处理功能、效能评估计算功能和评估结果分析功能[2,3]。

侦察情报系统仿真成员和效能评估仿真成员通过各自的子RTI服务器和中心RTI服务器与仿真平台的其他模块进行数据交流，完成侦察情报系统的仿真数据收集和系统效能评估。

2 侦察情报系统仿真平台模型扩充

仿真平台中需要用到战场环境数据库、武器装备性能数据库以及目标模型数据库支撑。典型战术级侦察情报系统中的侦察装备主要是雷达和光电设备，需要把雷达和光电设备的目标模型数据收入目标模型数据库中。雷达设备在执行侦察、情报收集等任务时，战场干扰因素会对侦察结果的精确性产生较大影响，因此，我们对雷达功能仿真建模时应考虑干扰模型。

2.1 目标模型扩充

侦察情报系统主要作用是为获取战场目标信息，典型作战仿真平台一般包含战场部分目标模型，但这些模型不是为侦察情报系统效能评估而建，不能满足侦察情报系统效能评估的需要。战术侦察情报系统侦察手段主要包括雷达及可见光、红外等侦察装备。要仿真评估侦察情报系统的效能，就需要掌握所关心的战场目标的雷达和光学特性，构建仿真所需的雷达模型和光学模型[2]。

2.1.1 雷达目标模型

雷达目标的特性有电磁散射特性、目标幅度起伏特性、速度特性和目标角闪烁特性等。对雷达目标特性进行仿真建模并构建模型库，为有效合理地评估侦察情报系统提供支撑。

电磁散射特性常用雷达截面(RCS)描述，它是目标对入射电磁波呈现的有效散射面积，反映目标反射电磁波能力的大小。由雷达方程可知，雷达检测到的目标回波强度和有效散射面积的大小成正比。RCS的理论计算公式：

其中：Ei为入射电磁波在目标处的矢量电场强度(V/m);Hi为入射电磁波在目标处的矢量磁场强度(A/m);ES为目标散射波在观察点处的矢量电场强度(V/m);HS为目标散射波在观察点处的矢量磁场强度(A/m)；R为目标到观察点的距离(m)。

RCS与目标的几何和物理参数(目标形状、结构、尺寸等)、入射电磁波的参数(频率、波形等)以及目标相对于观测点的姿态角均有关。RCS的研究包括理论研究和实际测量。理论研究是根据电磁散射理论研究目标产生散射场的各种原理，再通过近似计算和计算机定量估计不同情况下的目标RCS特性。实际测量是通过对各种目标的RCS进行实际测量，获得大量的目标特征数据，建立目标特性数据库。可通过理论研究和实际测量相结合的方式建立目标特性数据库。

2.1.2 光学目标模型

光电目标特性主要包括可见光目标特性、红外目标特性、激光特性。光电目标的主要特征是它的图像特征波的发射谱和反射谱特征，是识别光电目标的主要方法。

1) 可见光目标模型。太阳光辐射大部分集中在0.2～4 μm 的可见光光谱区。夜天光主要来自1.5～1.7 μm波长范围内的大气辉光，夜间目标和背景的亮度在夜天光照度相同的情况下，取决于各自的反射特性(常用反射比表征)，反射比可分为积分反射比和光谱反射比，其特性受目标或背景的表面状态、颜色、季节、气象条件、入射角等影响。军事目标的反射表面在各个方向的亮度相等并且其亮度转换系数等于反射比。表1和表2是典型背景和军事目标的光谱反射比。

表1 典型背景光谱反射比

注：深绿色漆代表坦克、火炮等军绿色吧；深灰色漆代表飞机、舰船等军灰色目标

表2 典型军事目标光谱反射比

注：深绿色漆代表坦克、火炮等军绿色吧；深灰色漆代表飞机、舰船等军灰色目标

2) 红外目标模型。红外目标的特性参数主要有温度、尺寸、发射率、反射比和结构等。目标的辐射由两部分组成：自身辐射和对背景辐射的反射。如果目标为透射体，还应包括背景的投射辐射。目标的温度升高会产生红外辐射。

坦克、装甲车、自行火炮的热辐射，排气管温度约为200～400 ℃，有效辐射面积约为1 m2，全发射功率约为0.99，辐射峰值波长为7.245 μm。

3) 人体的热辐射。在21 ℃的环境条件下人体皮肤温度约为32 ℃。对于波长大于4 μm的热辐射，人体皮肤发射率的平均值可达0.99，几乎和肤色无关，可视为灰体。裸露的人体有效辐射面积等于人体的投影面积，对于成年男子约为0.6 m2。人体的辐射能的32%在8～13 μm波段，1%在3.2～4.8 μm波段。

依据表1、表2和典型目标的红外特性，可以建立光电目标的模型，对基本作战仿真平台战场目标模型库进行扩充。

2.2 干扰模型扩充

雷达仿真建模有雷达功能仿真和相干视频信号仿真两种方法，两种方法的区别在于是否使用雷达信号的相位信息。雷达的功能仿真不使用相位信息，只模拟雷达功能，在系统综合性能仿真中使用较多，由于本文研究的是侦察情报系统，因此选取雷达的功能仿真方法进行有干扰情况下的雷达建模仿真。雷达的功能仿真法以雷达方程为基础，设定一个恒定的虚警率，在此虚警率下接收机的信噪比和检测概率是判定有无目标的依据[6]。

在无干扰条件下，雷达接收到的回波信号的功率PS为

其中，Pt为雷达的发射信号功率；Gt为目标方向上发射天线的增益；Gr为目标方向上接收天线的增益；σ为目标的雷达反射截面积(RCS)；λ为雷达的工作波长；Rt为目标与雷达之间的距离；L为系统损耗。

有干扰情况下，雷达接收到的干扰信号的功率Prj为

2.2.1 自卫式噪声干扰

自卫式噪声干扰的干扰机装在目标上，它的作用是保护目标不被末端防御系统截获和跟踪。这种干扰方式是利用欺骗性的干扰直接指向雷达天线的主瓣，以降低干扰功率的要求，并将干扰效果集中在跟踪雷达方向上。[7]雷达接收到的干扰功率为

接收到的回波功率与无干扰情况下接收到的回波功率相同，同式(1),则接收到的干信比为

在雷达遭受自卫式噪声干扰时，将目标检测要求的干信比代入上式可估算雷达与目标间的距离，据此建立干扰模型。

2.2.2 远距离支援干扰

远距离支援干扰的干扰机装在武器系统火力范围外的大型飞机上，由于无需伴随攻击机，因此，干扰系统及平台具有较好的安全性。远距离支援干扰分为从主瓣进入和从旁瓣进入。当远距离支援干扰机与攻击机位置在同一条直线上隐蔽攻击机时，干扰从主瓣进入；当远距离支援干扰机与攻击机在不同的雷达天线增益上时，干扰从旁瓣进入[8]。干扰从主瓣进入时，干信比为

干扰从旁瓣进入时，干信比为

2.2.3 转发式干扰

转发式干扰机接收雷达信号后，进行放大和重发，这种转发的信后在时间、频率、幅度和极化上经过适当调制，以达到干扰效果[7]。

假设干扰机接收天线在雷达方向的增益为GJR，转发器增益为G，干扰机发射天线在雷达方向的增益为GJT，则干扰功率为

目标功率为

则干信比为

2.2.4 应答式干扰

干扰机接收雷达信号后进行储存，利用储存的信号采用频率记忆器件或调谐振荡器重建干扰信号，使得干扰信号的频率近似等于输入的雷达信号频率。假设干扰机装载在攻击机上，那么雷达接收到的应答式干扰功率为

则干信比为

2.2.5 无源干扰

无源干扰是通过铝箔片或涂覆金属的塑料条等形成干扰云带，通过增强反射波进行干扰的情况。无源干扰中所用材料本身不辐射无线电波，其以反射作用来干扰雷达的正常工作。设单根箔条的平均等效面积为，单位体积内箔条数为，雷达分辨体积为，则在雷达分辨体积内，箔条的平均散射面积：

雷达收到箔条云的干扰功率：

则干信比为

可根据不同干扰的特点和其干信比建立干扰环境模型，并录入侦察情报系统仿真模型库中。

3 基于仿真平台的评估实例分析

侦察情报系统仿真平台系统架构如图3所示。在侦察情报系统仿真平台上，首先由仿真资源建模工具建立数据模型库，并提交给想定编辑工具。想定编辑工具通过实体模型生成对象，并进行兵力部署，产生想定文件。仿真管控成员从想定文件中提取出联邦成员部署，通过控制仿真成员的活动进行仿真管控，并实时显示各成员状态。各工具及成员间动态实时的数据交换均通过RTI软件完成[4]。

基于侦察情报系统仿真平台对某型侦察情报系统进行效能评估，由效能评估模块计算出各单项效能和系统综合效能为：情报获取效能E1=0.836 25，情报传输效能E2=0.805 35，情报处理效能E3=0.854 55，情报应用显示效能E4=0.787 85，防护与保障效能E5=0.794 25，系统指控效能E6=0.763 45，系统综合效能E=0.813 22[2]。

此外，在同一侦察情报系统仿真平台上也对另一型侦察情报系统进行了效能评估。评估方法与某型系统一样，采用的评估指标体系、指标权重、指标值获取方法和评估计算模型均一致，以最大限度保证新型系统与某型系统效能评估结果对比的有效性和可靠性。两型系统对比结果如图4所示。

图4 两型系统对比结果输出界面

新型系统无论从设计思想还是技术体制上都明显优于另一型系统，因此，新型系统性能必然优于另一型系统。通过两型系统的效能评估结果也可看出，新型系统各单项效能和系统综合效能都有很大提升。从而证明基于侦察情报系统仿真平台实现的效能评估是科学合理及有效的，效能评估支撑环境是可行的。

4 结束语

本文分析了现有的典型仿真平台，并对现有平台进行了二次开发，提出了适用于侦察情报系统仿真环境的总体设计方案。通过对仿真环境中各成员模块的分析，展现了侦察情报系统的仿真流程。在此基础上，为满足侦察情报系统的仿真需求扩展了目标模型和干扰模型数据库。最后，利用开发的侦察情报系统仿真平台对新型、另一型系统进行了效能评估对比，前者因采用新的技术体制效能明显提升，进而也验证了效能评估支撑环境的有效性。

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(责任编辑 杨继森)

Design and Implementation of Effectiveness Evaluation Support Environment of Intelligence Reconnaissance System

TANG Shi-qing, XU Meng-xia, SHI Zhi-qiang

(Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Effectiveness evaluation of reconnaissance intelligence system is the essential link of system demonstration, design, exploitation, development and equipment using. For intelligence reconnaissance system effectiveness evaluation, on the basis of typical combat simulation environment, the architecture, which is applicable to simulation platform of intelligence reconnaissance system, was put forward and analyzed. Then expansion models of the simulation platform were proposed through combining with the characteristics of the intelligence reconnaissance system. And the effectiveness of the evaluation supporting environment was verified by typical system of effectiveness evaluation example.

intelligence reconnaissance system; effectiveness evaluation; simulation environment; simulation model; high level architecture

2015-03-22

军队基金项目

唐世庆(1965—)，男，硕士，副教授，主要从事指挥信息系统研究。

10.11809/scbgxb2015.08.017

唐世庆，徐梦夏，石志强.侦察情报系统效能评估支撑环境的设计与实现[J].四川兵工学报，2015(8):67-71.

format:TANG Shi-qing, XU Meng-xia, SHI Zhi-qiang.Design and Implementation of Effectiveness Evaluation Support Environment of Intelligence Reconnaissance System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):67-71.

TP391.9

A

1006-0707(2015)08-0067-05