水下目标探测效能评估建模.pdf

随着军事科学技术的发展，现代海上作战涉及海上、水下、空基以及天基多平台的协同和对抗，水下目标的探测也变得更加困难，对水下目标探测效能进行评估十分必要。当前使用单一的平台装备对水下目标探测效能的评估分析已相对成熟，如易成涛等人1研究水面舰艇对潜搜索的主要影响因素，用以判断潜艇搜索的难易程度；王永洁等人2评估了潜艇作战系统人机界面性能的优劣；梁庆卫等人3研究了舰艇对战中舰载深弹反潜作战效能；张树鹏4研究了反潜直升机浮标搜潜效能，等等。但上述研究都没有体现出多平台的协同。本文在单平台水下目标探测的基础上建立多平台协同水下目标探测指标体系并获取仿真数据，采用成熟的层次分析法对多平台协同水下目标探测效能进行评估，能更好地体现现代化海上作战的优劣。1 评估指标体系建立与指标计算使用单一水下目标探测装备难以完成现代水下目标探测任务，由水面舰艇、潜艇、直升机组成的水下目标探测作战体系成为现代条件下反潜作战的发展趋势。因此，进行评估需要综合考虑各种影响因素，如水面舰艇探测能力、潜艇探测能力、直升机探测能力等。本文针对平台的性能、平台携带的装备探测性能以及各平台的通信能力构建指标体系，并给出计算方式。1.1 平台性能指标及计算每类平台都有各自的性能，良好的机动性能是进行各类作战的前提，其效能高低关系到作战任务的完成情况5。将平台性能指标分为平台航速和平台可靠性。平台航速表示平台每小时移动的距离，计算公式为：vs t=/（1）式中：v 为平台的平均速度；s 为到达任务点的距离；t 为到达任务点的时间。平台可靠性表示平台在指定时间到达指定位置的概率。ptt=12/（2）式中：p 为平台可靠性；t1表示实际抵达任务海域的时间；t2为预计抵达任务区域的总时间。1.2 装备探测性能指标及计算平台携带的传感器是进行水下目标探测的主要手段。根据不同的平台特性、不同的探测方案搭载不同的传感器进行探测将得到不同的效果。将装备的探测效能分为：传感器探测概率、传感器有效探测面积、目标识别率、目标定位精度。不同的传感器具有不同的计算方式，本文主要以吊放声呐、声呐浮标为例进行计算，其他装备指标值的计算通过查阅相关文献得到，具体不再列举。根据文献 6 易得吊放声呐发现目标的概率为：pts111=（3）式中：s1表示搜索时间内目标可能散布区域的面积；为搜索效率；t 为搜索时间。根据圆形法，吊放声呐的有效探测面积为：SnrrvtnSdc()()=+221 （4）式中：n 为单位时间吊放次数；r 为搜索范围；v 为平台速度；t 为反潜搜索时间；Sc为重叠面积。通 过 文 献 4 和 文 献 7，易 知 声 呐 浮 标 的 探 测 概 率为：水下目标探测效能评估建模朱 浩1，于兆磊2，朱智林1（1.山东工商学院，山东 烟台 264000；2.烟台恩邦电子科技有限公司，山东 烟台 264000）摘 要：现代海上军事任务中已逐步形成天基、空基、水面和水下一体化作战体系，水下目标的探测作为海上军事活动的重要组成部分，其探测效能的优劣影响到任务的完成率。为评估水下目标的探测效能，本文建立水下目标探测效能评估指标体系，通过仿真获取方案的数据并计算效能评估指标值，使用层次分析法（AHP）计算效能评估指标权重，进而评估方案，实现水下目标探测效能的评估。仿真验证结果表明，评估结果对水下目标探测效能的评判具有一定参考价值。关键词：水下目标探测；效能评估；层次分析法；评估指标体系；协同通信；装备探测中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）08-0039-04收稿日期：2022-09-20 修回日期：2022-10-18DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.08.010物联网技术 2023年/第8期 全面感知 Comprehensive Perception40pm d p ps312=esms （5）式中：m 为浮标数量；d 为浮标探测距离；ps为浮标生存率；pm为目标识别性能；ss为搜索面积。声呐的有效搜索面积表示最大包围面积，声纳浮标的搜索面积与声纳浮标的布放形式和水下目标探测的方式有关，阵型主要包括圆形阵、直线阵、方形阵等。对于圆形阵，在得到目标的可能速度情况下，为了能够包围目标可能存在区域，并防止目标逃逸，通过如下公式计算包围半径8：RLvvL vvvvvL vvvvvababab=+,(),(),spsspspspss221221p p2 （6）式中：Lab为直升机出发点到发现潜艇初始位置点的距离；vs为潜艇的大致航速；vp为直升机的航速。故搜索面积为：SR=2 （7）目标识别率表示探测到目标为正确目标的概率9，表达 式为：ppp2=(,)tyat （8）式中：pty为目标类型被识别的概率；pat为传感器能够识别性能的概率；表示拟合函数。目标定位精度主要指传感器测量数据的精度。传感器对目标的定位是获取空间上的位置，主要表现在经度、纬度和角度上，定位经度采用 GDOP 指标衡量，表达式为：GDOP=+xyz （9）式中，x、y、z分别表示在经度、纬度和角度上测量误差的均方差。1.3 协同通信指标及计算通信能力是平台进行协同探测的保证，将协同通信指标分为通信成功率、信息传输时延、态势感知能力。通信成功率表示单平台与其他平台进行通信的成功率，计算公式为：knn=ts/（10）式中：nt表示平台通信成功的概率；ns表示平台通信的次数。信息传输延时表示信息发出时刻到收到反馈时间的差值，计算公式为：tniiinysreceivesend=1 （11）式中：receivei表示接收到反馈信息的时刻；sendi表示传送信息的时刻；ns表示平台通信的总次数。态势感知能力表示对战场信息的掌握情况，由平台探测到的目标数量与平台任务区域实际目标数量比值确定。giin=ptaim1 （12）式中：pti表示平台探测到的目标数量；aim 表示目标的实际数量。2 层次分析法决策分析层次分析法是 20 世纪 70 年代由美国教授 Seaty 提出的决策分析方法，主要用于解决复杂层次结构的多目标决策评估问题，是一种比较成熟、简便的方法，广泛应用于决策、评估等方面10。2.1 层次分析法步骤2.1.1 建立层次结构模型基于第 1 章的分析，根据水下目标探测方案使用的水面舰、反潜直升机、反潜巡逻机建立层次结构模型，如图 1 所示。图 1 水下目标协同探测层次结构模型2.1.2 构建判断矩阵根据图 1 的层次结构模型，分析各层元素之间的重要程度并进行两两比较，构造出两两比较判断矩阵为：A=aaaannnn1111?用 xi/xj表示指标 xi相对于指标 xj的重要性。对判断矩阵中的元素使用 1-9 标度法，见表 1 所列。2.1.3 构造层次单排序与一致性检验通过判断矩阵计算对上一层某因素而言本层次与之有关因素的重要性次序的权值称为层次单排序。对判断矩阵A 进行层次单排序，即求判断矩阵 A 的最大特征值 m及其特征向量。为了便于使用需将其进行归一化处理，的分量 i为对应因素的单排序权值，特征值与特征向量计算 公式为：A=m （13）式中：m为最大特征值；A 为判断矩阵；为最大特征值对2023年/第8期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception41应特征向量。表 1 1-9 标度法标 度含 义1元素 i 与元素 j 同样重要3元素 i 比元素 j 稍重要5元素 i 比元素 j 明显重要7元素 i 比元素 j 极其重要9元素 i 比元素 j 强烈重要2，4，6，8介于两相邻判断的中间状态倒数元素 i 与元素 j 反过来比较在构建判断矩阵时，有可能会出现逻辑性错误，比如 x比 y 重要，y 比 z 重要，但却又出现 z 比 x 重要。需通过一致性指标 CI 检验判断矩阵 A 是否为一致性矩阵。计算公式为：CI=mnn1 （14）式中：m为最大特征值；n 为判断矩阵的阶数。CI 越大，判断矩阵 A 不一致越严重。为了衡量 CI 的大小，引入随机一致性指标 RI，其取值见表 2 所列。一致性比率 CR 的计算方式为：CRCI/RI=（15）式中，RI 为一致性指标。当 CR0.1，判断矩阵通过一致性检验，否则重新调整判断矩阵。表 2 RI 指标值n123456789RI000.580.901.121.241.321.411.452.1.4 层次总排序与一致性检验层次单排序的侧重点是单项指标考核，对水下目标探测作战样式评估仅仅进行单项指标考核缺乏科学性、合理性9，因此需要从最高层次到最低层次依次计算某一层中所有因素对于最高层相对重要性的权值，这一过程称为层次总排序。计算方式如下所述。若 A 层 m 个因素(A1,A2,.,Am)对总目标 Z 的排序为(a1,a2,.,am)，B层n个因素对于上层A中因素的层次单排序为(b1j,b2j,.,bnj)，则 B 层的层次总排序为：QB=a bjijjm=1 （16）对层次总排序一致性进行检验，公式为：CRCIRI=jjjmjjjmaa11 （17）式中：aj为第 j 个一级指标权重；CIj为第 j 个已知指标的一致性指标值；RIj为第 j 个一级指标的平均随机一致性指标值。2.1.5 效能评估结果计算各项指标对水下目标探测作战样式效能的影响程度不同，指标的权值也不同，要对整体效能进行综合评估，就需要根据各指标的值和权重分别进行统计、计算，求取最终效能值10。由于各项指标的量纲不同，还需进行归一化处理，归一化公式为：Xxxxxxxxxiii=minmaxminmaxmaxmin,成本型属性效益型属性 （18）式中，xi、xmax、xmin分别为指标的值、指标最大值、指标最小值。总效能计算公式为：ZX Wiiin=1 （19）式中：Z 为效能评估结果，为各指标的归一化值；Wi为各指标权重。3 实例分析实例建立以水面舰艇、直升机、巡逻机三平台协同进行目标探测的层次结构，通过使用可靠的仿真数据、仿真推演工具获取各指标数据，进行协同探测效能评估。设，A-B 判断矩阵为：1 1 11 1 11 1 1B1-C、B2-C、B3-C 判断矩阵相同，为：11313311311C1-D、C2-D、C3-D 判断矩阵分别为：13131，11412341352131313151311221212331,根据公式（13）（17）得到最终的指标权值为：Wi=(.,.,.,.,0 0357 0 0119 0 0219 0 077 2 0.03280.0108 0.0356 0.022 4 4 0.0848 0.0357 0.01190.0219 0.077 2 0.0328 0.0108 0.0356,0.022 40.0848,0.0357 0.0119 0.0219 0.077 2 0.03280.0108 0 0.0356 0.022 4 0.0848,)