战场多源情报信息仿真评估系统的设计与实现*

宁克俭

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



战场多源情报信息仿真评估系统的设计与实现*

宁克俭**

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

摘要：针对情报处理系统因缺乏数据难以开展多源融合算法研究、融合处理试验、融合效能评估等问题，分析了典型情报处理系统对仿真评估环境的需求，采用了基于目标特性参数进行想定推演、基于量化计算进行效能评估的技术方法，实现了战场多源情报信息仿真评估系统。多种场景的仿真试验验证了技术方法的可行性和系统仿真评估的灵活适用性。

关键词：C4ISR系统；多源情报信息；效能评估；仿真想定；想定推演

1引言

C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Surveillance,Reconnaissance)系统是由指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察等多个系统有机结合在一起形成的复杂系统[1]。网络中心战与全球信息栅格的提出和发展，赋予了系统更多的资源、更强的能力和更大的灵活性，但也给C4ISR系统研究、开发和测试评估等带来了困难[2]。尤其是C4ISR中的情报处理系统，情报信息融合处理效能的优劣，直接影响C4ISR系统的整体作战能力，也是战争能否取胜的关键要素之一。因此，在情报处理系统上线使用前，进行充分的试验和评估显得尤为重要。目前，由于网络、通信、安保等基础条件的限制，情报处理系统在开展指标论证、技术攻关和联调测试过程中，往往无法从真实环境中获得足够的多源情报信息进行试验和评估，因此，需要借助仿真技术建立多源情报信息的仿真评估环境。

近年来，国内已不少机构有针对性地开展了数据仿真和融合评估的理论技术研究[1-4]，并针对某种目标、某类传感器建立了具有传感器数据模拟和融合效能评估的试验环境[5-6]，但对复杂多变的战场环境，能进行多平台目标、多辐射源目标、多传感器/侦测系统想定推演，向情报处理系统提供不同场景的多源情报信息，支持情报处理系统完成量化评估的仿真试验环境，还有待进一步研究。

本文在分析典型情报处理系统对仿真评估环境需求的基础上，提出了系统体系结构和功能模型的总体设计思路，说明了多源情报信息仿真推演的技术方法以及融合效能评估的量化计算方法，建立了战场多源情报信息仿真评估系统，并通过多种场景的仿真试验展示了系统的应用效果，验证了技术方法的可行性。

2需求分析

典型的情报处理系统需要接入汇集广域分布的多来源情报信息，包括接入主动雷达、敌我识别器、雷达信号侦测系统、短波/超短波信号侦测系统、卫星通信信号侦测系统、敌我识别信号侦测系统等手段获取的情报信息，并对多源情报信息进行关联、融合、识别等处理。因此，战场多源情报信息仿真评估系统应具备以下能力：

(1)仿真想定能力

能在选定的作战区域，结合目标、传感器/侦测系统的实际能力，对飞机、舰船等动目标的运动轨迹、运动状态进行想定；对飞机、舰船等动目标平台上搭载辐射源进行想定；对传感器/侦测系统在战场上的部署位置及对工作状态进行想定。

(2)仿真想定推演能力

对选定的仿真想定模型能进行仿真推演，按时间序列生成对战场目标侦察感知的情报信息；情报信息的生成应综合考虑传感器/侦测系统的威力范围、系统误差及环境条件等因素的影响，使情报信息的时序、缺失、误差和数据率等尽可能贴近实际。

(3)多源情报信息输出能力

在仿真推演过程中，能将生成的多源情报信息及时提供给待试验评估的情报处理系统；能通过数据检索和数据回放，为待试验评估的情报处理系统提供统一场景数据的多次复现。

(4)融合处理效果评估能力

能基于建立的评估体系和评估算法，利用原始目标数据、传感器级情报信息和系统级的融合处理结果，对情报处理系统的融合处理效能进行量化评估，给出评估结果。

(5)数据存储管理能力

能存储管理基础资料、仿真想定模型、原始目标数据、传感器级情报信息、情报处理系统的融合处理结果和量化评估结果等数据。

(6)数据模拟源扩展能力

具有开放的体系结构，基于目标特性参数库，能自适应增加拟想定的目标数据量、传感器/侦测系统的数量，能支持扩展战场目标、传感器/侦测系统的仿真推演。

3系统方案设计

3.1系统体系结构

各层各级情报处理系统对情报信息源有不同的要求，为使仿真推演生成的多源情报信息能更好地满足情报处理系统试验评估的需要，在进行系统体系结构设计时充分考虑系统框架的开放性和可扩展性、场景数据的可复现性和评估结果的可比性，战场多源情报信息仿真评估系统的体系结构模型如图1所示。

图1　系统体系结构示意图

系统体系结构规划为运行支撑层、数据资源层、服务层、应用层。运行支撑层为系统运行提供软、硬件基础环境；数据资源层在运行支撑层的基础上，为系统数据提供存储管理和共享服务；服务层在数据资源层的基础上，提供各种业务无关的基础逻辑服务和业务相关的核心逻辑服务；应用层在数据资源层和服务层的基础上，面向用户的需要构建应用系统；技术标准规范贯穿于运行支撑层、数据资源层、服务层和应用层，对基础环境、数据资源、逻辑服务、数据模型和通信接口等统一规范要求。

3.2系统功能模型

基于系统需求分析，结合系统体系结构的设计思路，提出战场多源情报信息仿真评估系统的功能模型如图2所示。

图2　系统功能模型图

(1)仿真想定功能包

根据情报处理系统的需要，进行战场目标、多传感器/侦测系统等活动场景想定。预先在目标特性参数库中建立目标平台及目标平台搭载辐射源主要的动态特征及静态特征数据模型，进行想定时，从目标特性参数库中选定目标平台及平台搭载的辐射源，设置目标平台活动的轨迹拐点，在各拐点处设置目标平台位置、速度等信息，并设置平台所搭载辐射源的开关机状态、信号参数等信息；预先在目标特性参数库中建立各种传感器/侦测系统的动态特征及静态特征数据模型，进行想定时，从目标特性参数库中选定传感器/侦测系统，设定部署的地理位置，设定工作状态。想定完成后，通过想定名称保存想定模型。

(2)目标想定推演功能包

根据推演导控命令，推演想定模型中的目标平台及搭载辐射源活动的原始活动信息。目标平台原始活动信息的推演主要是基于想定的轨迹拐点数据，利用插值算法，推演出目标平台当前时间点的位置和运动状态信息，最终形成目标平台的运动轨迹；辐射源原始活动信息的推演，主要是基于想定的轨迹拐点数据，按照最近经过的想定拐点的开关机状态和工作参数，保持静默或发送辐射源的活动信息(信号参数、内涵报文)。

(3)侦察感知推演功能包

根据推演导控命令，推演想定模型中的传感器/侦测系统对战场目标侦察感知生成的传感器级多源情报信息。传感器/侦测系统接收目标想定推演功能包推演发送的原始活动信息，根据自身的侦察类别、作用范围及其他特性参数，计算与目标的距离，判断实际是否可以感知目标原始活动信息；通过加噪算法对感知的原始活动信息进行加噪，生成传感器/侦测系统感知目标的多源情报信息，发送给情报信息处理系统。

(4)效能评估功能包

待评估的情报处理系统接收想定推演生成的原始情报信息，对多源情报信息进行融合处理后，将融合处理结果保存到数据库中。效能评估功能包利用量化评估算法，对基于目标原始活动信息、传感器级情报信息和融合处理结果三个层级的数据进行计算，给出可视化的评估结果。

(5)数据管理维护功能包

为系统提供统一的数据存储及数据共享服务，包括从支持仿真想定推演的目标特性参数、传感器/侦测系统特性参数，仿真推演生成的目标原始活动信息、传感器级多源情报信息，待评估的情报处理系统的融合处理结果，融合效能评估结果等数据。

3.3关键技术

3.3.1目标运动轨迹推演

仿真想定设置了目标在各个拐点处的位置和速度，可根据运动动力学的原理进行插值，利用有限点推算出时间序列上各个时刻的位置和速度，形成平滑、完整的目标运动轨迹。

将目标的运动轨迹按拐点分段，将两个拐点之间的位置变化简化为三维空间匀速直线机动。

将坐标转换为直角坐标，对每个插值线段，以t0表示起始拐点的时间，v(0)表示起始拐点的速度大小，以x(0)、y(0)、z(0)表示起始拐点的位置，以v(n)表示终止拐点的速度大小，以x(n)、y(n)、z(n)表示终止拐点的位置，以x(t)、y(t)、z(t)表示t时刻的位置，先计算出插值线段内的运动大小v，再计算球坐标3个坐标方向(经度、纬度和高度)的速度分量分别为

(1)

则t时刻，目标的位置为

(2)

由于想定是基于大地坐标系(经、纬、高)表示，而位置的计算需要在地理坐标系下进行，因此，在进行目标运动轨迹点的计算前和完成计算后，需要在大地坐标系、地球坐标系、地理坐标系中进行坐标转换。坐标转换采用公开的换算方法，考虑到坐标原点与目标的换算航迹点的距离越远，转换引入的误差会越大，因此，在对航迹点进行坐标转换时，选取该航迹想定的第一个拐点作为地理坐标系的原点，将该航迹点转换到相应的坐标系当中。

3.3.2情报信息生成

传感器/侦测系统能发现目标的首要条件是目标要出现在传感器/侦测系统的作用距离内。当目标落在盲区内或作用距离之外，则传感器/侦测系统无法发现目标；当目标出现在传感器/侦测系统的作用范围内，由于环境因素的影响，实际上不一定能捕获目标信息，而数据的缺失对融合处理的效能是有影响的，因此，用发现概率的数学模型来进一步确定传感器/侦测系统是否生成情报信息。

由于传感器/侦测系统的电器特性及地理、气象、水文、电磁等环境因素的影响，传感器/侦测系统提供的情报信息与目标活动的真实数据存在一定的误差，因此，需要对目标原始活动数据进行加噪处理。由于情报处理系统试验评估关注的仿真推演最终输出的是多源情报信息而非侦察过程，因此本系统忽略了复杂观测过程的仿真，综合考虑各种因素的影响建立了对原始目标数据加噪的数学模型，使生成的多源情报信息近似于实际环境中传感器/侦测系统对目标的观测。

以位置信息加噪为例，假设目标距离、俯仰角和方位角的观测均服从正态分布，其均方误差分别为δR、δβ、δα，Noise()为高斯正态白噪声，则传感器/侦测系统对目标的观测数据为

(3)

对目标平台搭载的辐射源，在仿真推演时生成了信号参数信息，其被传感器/侦测系统感知的加噪处理类似于位置信息加噪，此处不再赘述。

3.3.3效能评估量化计算方法

通过对融合处理相关理论及近期建设的情报处理系统的技术指标进行分析研究，建立多源情报信息融合效能评估指标体系如图3所示。

图3　融合效能评估指标体系图

本系统对目标发现概率、正确关联概率、错误关联概率、未关联概率、正确识别概率、错误识别概率、识别拒判概率、最大定位偏差、平均定位偏差等指标进行了量化计算。下面以目标识别效能评估为例，说明指标项的计算方法。

假定仿真想定模型中原有的目标集合为U，推演过程中能被传感器/侦测系统发现并输出情报信息的目标集合为C，且有C⊆U，Num-a为集合C的元素总数，Num-c为集合C经过识别处理后给出正确识别结果的目标总数，Num-f为集合C经过识别处理后给出错误识别结果的目标总数，Num-n为集合C经过识别处理后未能给出识别结果的目标总数，则有：

(1)目标正确识别概率

(4)

(2)错误识别概率

(5)

(3)识别拒判概率

(6)

需要注意的是，Pc、Pf和Pr是一组相互制约的参数，需根据实际对错判和漏判作出权衡。总体而言，Pc值越高,Pf和Pr值越低，识别效果越好。

4系统应用效果

以下是XX1情报处理系统根据试验的需要，想定了M5(15×5×2)想定模型：某作战区域内有15个目标在活动，有5种传感器/侦测系统(主动雷达、雷达信号侦测系统、敌我识别信号侦测系统、短波信号侦测系统和超短波信号侦测系统),每种传感器/侦测系统有2套，分别部署在不同的地理位置，对战场目标进行侦察。想定模型的仿真推演及评估效果如图4和图5所示，其中图4为目标原始活动轨迹、传感器/侦测系统的观测航迹，图5为对XX1情报处理系统融合效能的评估，显示抽样评估、总体评估结果。

图4　仿真想定推演航迹显示图

图5　融合处理效能评估图

为进一步检验XX1情报处理系统在各种情况下的融合处理效能，针对目标数量、密集、机动，以及传感器种类、数量、部署位置等不同情况，设计了8种海空目标活动侦察情景，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个想定模型，试验结果如表1所示。

表1　多场景试验结果一览表

以下是XX2情报处理系统根据试验的需要，想定了M9(15×5×5)和M10(80×5×5)两种场景，在每种想定场景数据下，XX2情报处理系统分别采用不同的关联算法，多源情报信息仿真评估系统给出的量化结果如表2所示。

表2　最近邻域法、独立序贯法试验结果比对

从系统应用示例可以看出，战场多源情报信息仿真评估系统提供了友好的人机界面，能基于地图背景、结合目标特性参数库方便灵活地进行目标平台、平台搭载辐射源及传感器/侦测系统的战场场景想定，对仿真想定模型进行仿真推演，向待评估试验的情报处理系统提供不同场景的多源情报信息，通过数据回放向待评估试验的情报处理系统复现同一场景的数据，对情报处理系统的融合处理效能进行量化评估。

5结束语

本文针对情报处理系统仿真评估的需要，研究了仿真推演及融合效能评估技术，设计并实现了战场多源情报信息仿真评估系统。应用效果表明该系统较好地解决了情报处理系统因缺乏数据无法进行融合处理试验、融合处理效能评估的问题，也为仿真试验环境下进行多源情报信息融合算法研究提供了强有力的支持。

今后可在此基础上进一步研究其他种类目标、传感器/侦测系统的仿真推演技术以及各种影响因素的仿真建模技术，进一步增强仿真评估系统的功能，提高仿真评估系统的广泛适应性。

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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

中图分类号：TN971；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1001-893X(2016)06-0612-06

作者简介：

宁克俭(1968—)，女，广西灵山人，1992年获学士学位，现为高级工程师，主要从事信息系统设计和信息融合处理技术研究。

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：宁克俭.战场多源情报信息仿真评估系统的设计与实现[J].电讯技术，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.]