基于多平台信息融合的海战场态势研判方法*

于艺彬 王洪胜 傅学庆

（海军大连舰艇学院 大连 116018）

1 引言

远海大洋广域辽阔，海战场中的态势研判一直以来都是各国军队极为重视而又难以做到实时准确掌控的难点问题。受到战场自然环境、平台装备稳定性、敌我斗争策略等多种复杂因素影响，在己方侦测平台数量有限、类型单一、装备可靠性不确定等情况下，对海上目标类型判定特别是对目标在战场中的价值研判始终是一个较为复杂的问题。随着各类无人装备的逐步列装，包括空中、水面和水下无人力量的大量使用，未来，在对海上目标研判时来自各个平台的信息数据量将逐步增多，科学地进行信息融合，准确判定目标价值对掌控海战场态势具有十分重要的意义。

2 海上目标识别特征指标

2.1 海上目标信息主要侦测平台

目前可以对海上目标进行侦测的平台（装备）主要有：

水面平台：主要包括装备有各类主被动雷达、声纳及电子侦查设备的有人水面舰艇和无人水面舰艇；

空中平台：主要包括预警机、侦察机、反潜机、舰载直升机、舰载固定翼飞机以及各类无人机等；

水下平台：主要包括潜艇、水下无人潜航器以及各类水下传感器等；

其他平台：主要包括岛岸观通站、各类侦察卫星等。

2.2 目标性质划分

按照海上作战敌方目标的重要性和战斗与非战斗舰艇的性质，海上目标可划分为以下几类：

1）大型水面战斗舰艇（包括航空母舰、两栖舰等大型水面战斗舰艇）；

2）中型水面战斗舰艇（包括巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、登陆舰、濒海战斗舰等中型水面战斗舰艇）；

3）小型水面战斗舰艇（包括导护艇、导弹艇、无人攻击艇等小型水面战斗舰艇）；

4）各型军用辅助舰船（包括扫雷舰艇、补给舰船、救援舰船等作战辅助舰艇）；

5）民用船只（包括商船、货船、渔船等民用船只）。

2.3 目标识别特征指标

结合现有的研究成果及文献可知：海上目标探测的技术手段包含使用雷达、红外、声纳、光学等装备，收集到的目标特征可分为磁、电、声、光、尾流、红外、地震波、重力场、压力场等［1～5］。目前国外较为成熟的海洋信息监测系统，大都采用的是运用多种方法手段进行联合探测，多方法可做到优势互补、取长补短，最大限度发挥系统总体效能，比如电、声和磁的多元化结合可有效弥补磁、电探测距离有限的问题，也可有效解决声抗干扰能力弱、存在较高虚警率等问题［6～8］；另一方面，同一类目标所产生的辐射噪声往往会呈现出一定的相似性，而不同类别目标发出的辐射噪声会产生明显的差异性，这也为进一步识别海上目标提供了重要的数字基础［9～10］。

综上所述，综合使用各类主动、被动探测器材及外部信息，在缺少直接的光学观测和船舶自动识别系统（AIS）信息情况下，从可侦测到的目标特性数据，可对不确定的海上目标进行识别的特征指标归纳为以下三类：

1）电磁信号特征方面：主要通过被动雷达、电子侦测设备侦测到目标的电磁信号辐射情况，可区分为军用电磁信号、民用电磁信号、无电磁信号三大类。

2）雷达散射截面方面：主要通过主动雷达，侦测到目标的雷达反射截面积，可分为大型目标、中型目标、小型目标等。（考虑到现役舰艇中除朱姆沃尔特级等少数舰艇具备一定的隐身性能，且装备数量极其有限外，大多数舰艇并不具备隐身能力，因此该指标仍具有较强的适用性）。

3）海上噪声目标辐射信号方面：在小样本、低信噪比条件下对海上目标辐射噪声信号采集后，可区分为军用噪声信号、民用噪声信号、无噪声信号三大类，其中军用噪声信号又可以根据与数据库信息比对辨识情况［10］，进行初步对比判定。

3 海上作战态势目标研判及决策模型

由于对目标电磁信号特征、海上噪声辐射信号、雷达散射截面等进行的数据信息采集局限于时-空-频率的不断变化，且存在一定的背景干扰，而不同平台（装备）侦获到的数据信息又具有不完整、不连续、不精确等问题，属于不完备样本，而D-S证据理论是解决不确定信息处理、降低信噪比和进行信息融合的较为适用的方法之一。

3.1 D-S理论概述

定义1：设定Θ做为辨识框架，如若2Θ→［0，1］（其中2Θ为Θ的幂集）为集函数，并且同时满足：

则称m 是辨识框架Θ 的基本可信度分配，∀A⊂Θ，m（A）即为基本可信数。

定义2：设定m：2Θ→［0，1］为框架Θ的基本可信度分配，那么把由所定义的函数Bel：2Θ→［0，1］称为Θ的信度函数。

定义3：设定用Bel1和Bel2表示同一个识别框架Θ上的两个置信度函数，将m1和m2用于表示与其相对应的基本概率分配函数，用A1，A2，…，Ai和B1，B2，…，Bj分别表示其各自的焦元，设m1(Ai)m2(Bj)＜1，则合成规则为［11～12］：

3.2 改进后的信息数据合成方法

考虑到信息融合时应尽可能充分融合来自各个平台的不同的侦测数据，来源于越多侦测平台、信息量越大，即样本数量越多，结果的准确性就会越高。对于多个证据的合成可参考Dempster 证据组合规则：设某个辨识框架Θ 上的证据为m1，m2，…，mn，其相应的合成规则为［13］

此方法较为适用于除存在高冲突情况下的证据融合，但仅仅依据各个证据本身提供的数据进行单一的融合并不完全符合准确性要求，主要局限于：一是各个证据本身的可信度无从衡量。没有考虑信息源的可信度，这是由证据理论本身的特性所决定的，即认定证据源提供的信息客观为真，而缺少对信息可信度的判定；二是无法体现信息源所提供信息的可靠度，例如证据源提供的信息本身就存在冲突的情况下，应当如何进行融合，使得在最后进行信息融合时能够基于相对准确的基本信任分配函数进行，以得到更加科学的最终信任分配。

对海战场中各个平台提供的侦测数据，应预先进行处理，针对平台侦测能力、海区环境得到平台实时信息侦测能力可信度，而后针对平台侦测到的各个信息（即焦元）冲突情况进行单平台侦测信息匹配度分析，并结合价值赋值区间，使用嵌套证据理论的方法进行融合叠加，最终得出目标在态势中的价值判定。

用Ui表示对第i个平台的信任度，Uxi表示第x个专家对第i 个平台的信任度，考虑到证据理论中=1准则，建立归一化原则：

融合基于专家打分的平台信任度，使用嵌套融合方法得到平台实时信息侦测能力可信度Qkxi，依据信息匹配度规则得到初步的平台侦测信息匹配度Qcxpi，由指挥员战场经验，对各目标进行初步价值赋值Jqji。考虑到海战场环境的特殊性，个别侦测平台存在侦测信息匹配度低的情况，但匹配度低并不能完全证明该平台侦测的信息就是无用的或失准的，特别是在侦测窗口较窄、局部海域存在海况特殊性以及目标采取静默行动等情况下，依此进行证据融合将会造成较大偏差，此时应考虑加入干预阈值，干预阈值主要取决于该平台的侦察信息可信度分配，得到最终的平台侦测信息匹配度：

而后对三类信息进行融合，得到目标独立判定价值Ti：

最后，基于归一化准则对各个目标独立判定价值重新建立mass 函数，并依据Dempster 证据组合规则，融合得到最终的价值判定置信度函数。

4 算法应用举例

某舰艇编队在远海航行过程中，发现前方有不明船队（无AIS 信息），通过各类平台（装备）侦测情况，在一定时间内汇总到3 艘不明舰船的相关信息特征如表1所示。

表1 不明目标信息特征表

由于海上目标信息探测存在侦测平台功能的局限性和侦测到的信息临时性及不稳定性，因此对侦测到的信息设立匹配度规则，如表2所示。

表2 匹配度赋值规则表

首先，对平台侦察信息可信度进行第一次信息融合，可由专家依据海战场态势以及各平台的侦测能力进行打分，由3 名专家对3 个提供信息的平台进行可信度打分，如表3所示。

表3 平台可信度专家评分表

依据式（5），进行归一化后，得到：

专家1专家2专家3平台一0.44 0.44 0.45平台二0.39 0.31 0.30平台三0.17 0.25 0.25

由式（4），得到β=0.866，由式（3），进一步计算得到：mass（Qkx）=（0.650，0.271，0.079），即为各个平台的侦察信息可信度分配。

而后，依据侦测信息匹配度规则，基于各平台侦测到的信息匹配程度及式（6）确定Qxp，如表4所示。

表4 平台侦测信息匹配度情况表

基于指挥员经验判定，按照作战中的高价值目标排序，得：某A 型驱逐舰＞某B 型驱逐舰＞某C型护卫舰＞某D型登陆舰＞某F型补给舰＞某E型扫雷艇，根据归一化原则，对5 个目标类型进行价值分配，如表5所示。

表5 目标价值分配表

根据各平台侦测到的海上噪声目标辐射信号的初步比对结果，依据价值分配，得到目标初步的价值区间值Jqj，如表6所示。

表6 目标初步价值区间值情况表

根据式（7）得到mass 函数：m(T1) =（0.2275，0.065，0.0195），m(T2)=（0.0949，0.0108，0.0029），m(T3)=（0.0099，0.0079，0.0008）。

依据式（5）计算得到新的mass 函数：(0.729，0.208，0.063)，(0.874，0.099，0.027)，=(0.532，0.425，0.043)。

依据Dempster组合规则，对各个平台信息进行最终融合，得到：β=0.6521，最终的目标价值置信度=(0.9743，0.0252，0.0002)，即目标1 价值＞目标2价值＞目标3价值。

5 结语

水面舰艇在执行作战或多样化军事任务时，由于受到地球曲率影响，舰艇单舰或小规模编队仅依靠舰载雷达等设备对海上目标进行探测和识别较为困难，依托卫星、岛岸观通站等手段又受到卫星过顶时间、海区气象和目标距岛岸距离等诸多因素的制约。因此舰艇编队应充分使用舰载有人机/无人机，以多平台融合的方式对目标进行搜索识别和综合研判是非常重要的方法手段［14］。本文基于证据理论，改进了Dempster组合规则具有的局限性问题，所提出的方法在科学研判海战场态势上具有较好的借鉴意义。同时，通过平台可信度融合与侦测信息匹配度衡量，也能够有效反馈出各类平台对海上目标侦测的能力，为更好地改进和优化相关平台的使用提供一定的算法依据。