王立平 張曉航 黨林閣

（解放軍63891部隊(duì) 洛陽 471003）

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，C4ISR系統(tǒng)需要對來自多源的情報(bào)進(jìn)行融合處理，以滿足作戰(zhàn)指揮以及為武器單元提供目標(biāo)指示和引導(dǎo)的需要。我國在上世紀(jì)90年代中后期開始進(jìn)行C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合技術(shù)的研究和開發(fā)，但是通常側(cè)重于融合算法及方法的研究，相對缺乏對情報(bào)融合性能檢驗(yàn)和評估方面的研究［1～2］。目前國內(nèi)仍沒有一個(gè)完整、科學(xué)、客觀評估C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合性能的指標(biāo)體系和測試評估模型以及試驗(yàn)方法，導(dǎo)致無法對C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合性能做出整體分析和評價(jià)，使得國內(nèi)C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合技術(shù)方面的研究具有一定的盲目性［3～4］。本文針對某類小型C4ISR系統(tǒng)，提出了一個(gè)較為完備的性能檢驗(yàn)評估指標(biāo)體系，建立了測試評估模型及試驗(yàn)方法，并已應(yīng)用于實(shí)際的工作，較好地彌補(bǔ)了C4ISR系統(tǒng)試驗(yàn)在這方面的不足。

2 測試方案設(shè)計(jì)

該小型C4ISR系統(tǒng)的情報(bào)融合分系統(tǒng)（以下簡稱融合中心）是一個(gè)分布式無中心結(jié)構(gòu)，如圖1所示。情報(bào)融合中心對來自配屬傳感器以及友鄰指揮所傳感器的情報(bào)信息進(jìn)行融合處理，融合處理后的情報(bào)傳輸給武器單元提供目標(biāo)指示和引導(dǎo)。

圖1 融合中心信息流程圖

圖2 融合性能測試評估流程圖

圖2給出了大致的測試評估流程：由試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集傳感器航跡數(shù)據(jù)、融合中心融合后航跡數(shù)據(jù)、武器單元目標(biāo)指示數(shù)據(jù)、真值設(shè)備航跡數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)初始化模塊對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行批號對應(yīng)、時(shí)間對準(zhǔn)等處理，由評估計(jì)算模塊根據(jù)各類指標(biāo)的評估計(jì)算模型對航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后由評估結(jié)果顯示模塊對評估計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示。

3 情報(bào)融合性能指標(biāo)及測試方法

根據(jù)評估指標(biāo)體系建立的有效性、可靠性、可信性、系統(tǒng)性、實(shí)用性、通用性等原則［5］，以及該小型C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合的近實(shí)時(shí)性、對融合航跡精度要求高、融合后數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于對武器單元的指示引導(dǎo)等特點(diǎn)，這里給出了包括四類一級指標(biāo)和九個(gè)二級指標(biāo)的評估指標(biāo)體系。四個(gè)一級指標(biāo)分別為：情報(bào)處理精度、情報(bào)融合正確率、情報(bào)處理時(shí)間、情報(bào)更新率。假定目標(biāo)類型為空中目標(biāo)。

3.1 情報(bào)處理精度

情報(bào)處理精度包括三個(gè)二級指標(biāo)：融合處理航跡精度、融合處理前后航跡精度改善度、系統(tǒng)目標(biāo)指示精度。

3.1.1 融合處理航跡精度

融合航跡的精度是指空情信息經(jīng)過融合中心處理后的航跡數(shù)據(jù)偏離目標(biāo)真實(shí)航跡數(shù)據(jù)的程度，可以使用綜合航跡精度來表示。綜合航跡精度是指瞬時(shí)航跡位置估計(jì)誤差序列的統(tǒng)計(jì)均方根值。設(shè)瞬時(shí)航跡誤差序列為 ｛ex（k）｝（k＝1，…，N），則可求出綜合位置估計(jì)精度Rx。

其 中，＾X（k）＝ ［）］T為目標(biāo)在k時(shí)刻的位置估計(jì)矢量；X（k）＝ ［x（k），y（k），z（k）］T為對應(yīng)同時(shí)刻的目標(biāo)真實(shí)狀態(tài)位置矢量。

3.1.2 融合前后航跡精度改善度

融合前后航跡精度改善度是指融合前后目標(biāo)位置估計(jì)精度的改善度。該項(xiàng)指標(biāo)不僅同融合處理航跡精度有關(guān)，還同各情報(bào)源輸入情報(bào)融合中心的未經(jīng)處理航跡的精度有關(guān)，當(dāng)由多個(gè)情報(bào)源的空情信息傳輸給融合中心進(jìn)行處理時(shí)，融合中心融合前后航跡精度改善度由各情報(bào)源融合前后航跡精度改善度的最小值決定。其計(jì)算公式為

式中：、Rx′為融合前情報(bào)融合中心接收的第i（i＝1，2，…，n）個(gè)情報(bào)源目標(biāo)航跡的綜合位置估計(jì)精度、融合后目標(biāo)航跡的綜合位置估計(jì)精度。

3.1.3 系統(tǒng)目標(biāo)指示精度

系統(tǒng)目標(biāo)指示精度是指各類情報(bào)源數(shù)據(jù)經(jīng)C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合中心處理后發(fā)送到C4ISR系統(tǒng)所屬武器單元的航跡信息同真值航跡信息相比較的精度，也即武器單元接收的來自融合中心的目標(biāo)指示參數(shù)的精確度。系統(tǒng)目標(biāo)指示精度是衡量武器單元在經(jīng)過情報(bào)融合中心處理后的空情信息的引導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力的一個(gè)指標(biāo)。系統(tǒng)目標(biāo)指示精度涵蓋了被測對象的傳感器探測精度、融合中心目標(biāo)處理精度、情報(bào)傳輸時(shí)間延遲、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等多個(gè)因素。

設(shè)在某次試驗(yàn)中，由武器單元接收的來自情報(bào)融合中心的、批號為1的目標(biāo)在t0時(shí)刻的位置參數(shù)即方位角、高低角、距離為 （）。其對應(yīng)的真實(shí)目標(biāo)批號為1z，它在t0時(shí)刻的真實(shí)位置參數(shù)（真值）為 （） 。則由武器單元接收的來自情報(bào)融合中心的、批號為1的目標(biāo)，在t0時(shí)刻的位置參數(shù)與其t0時(shí)刻的真實(shí)位置參數(shù)的差為

計(jì)算所有輸出時(shí)刻t0，t1，…tn的位置參數(shù)的誤差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差概念，則目標(biāo)指示精度為

需要指出的是，系統(tǒng)目標(biāo)指示精度試驗(yàn)要求使用高精度的時(shí)統(tǒng)設(shè)備校準(zhǔn)被測C4ISR系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的時(shí)間，并且由武器單元接收的目標(biāo)航跡與其對應(yīng)的目標(biāo)真實(shí)航跡應(yīng)是相同時(shí)刻點(diǎn)的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行比較。通常可用曲線擬合技術(shù)［6］或外推方法解決此類問題。

3.2 情報(bào)融合正確率

情報(bào)融合正確性包括兩個(gè)二級指標(biāo)：單題融合正確率、綜合平均融合正確率。

3.2.1 單題融合正確率

單題融合正確率為每道題目中每條航路融合正確率的平均值，單題融合正確率的計(jì)算公式為

式中：ξj為第j道題目的單題融合正確率；ξi為第i條航路的融合正確率；n為第j道題目的目標(biāo)總批數(shù)。

3.2.2 綜合平均融合正確率

綜合平均融合正確率為所有題目單題融合正確率的平均值，綜合平均融合正確率的計(jì)算公式為

式中：ξ為綜合平均融合正確率；m為測試題目總數(shù)。

對試驗(yàn)采集的真值設(shè)備航跡數(shù)據(jù)、情報(bào)融合中心融合后航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求取單題融合正確率、綜合平均綜合正確率。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本步驟如下：

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理之前，首先需要將試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)下，然后進(jìn)行時(shí)間對齊，直接由真值數(shù)據(jù)中提取同一時(shí)刻數(shù)據(jù)。時(shí)間零點(diǎn)為融合后數(shù)據(jù)的起始時(shí)刻點(diǎn)。

2）確定有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過判定空情設(shè)計(jì)是否符合要求，被測C4ISR系統(tǒng)、真值設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、配試設(shè)備工作是否正常等原則，確定有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3）確定數(shù)據(jù)范圍

數(shù)據(jù)范圍為真值設(shè)備航跡起始時(shí)刻到真值設(shè)備航跡結(jié)束時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

4）計(jì)算一次差Xij指被試設(shè)備在第i批次第Tj時(shí)刻目標(biāo)坐標(biāo)的融合航跡值，指在第i批次第Tj時(shí)刻目標(biāo)坐標(biāo)的理想航跡真值（i＝1，M；j＝1，N）。

5）異常誤差的判斷與剔除

利用“3σ”準(zhǔn)則找出可疑誤差。對找出的可疑誤差，利用格拉布斯準(zhǔn)則或t準(zhǔn)則再進(jìn)行判別以決定取舍［7］，置信概率可取為0.99。然后利用左右相鄰兩個(gè)正常誤差的平均值取代異常誤差。

6）計(jì)算每條航路的融合正確率

依據(jù)以下步驟計(jì)算每條航路的融合正確率：

（1）對參與情報(bào)融合的各偵察設(shè)備的探測誤差進(jìn)行加權(quán)處理，得到”；

（2）融合后航跡點(diǎn)同真值航跡數(shù)據(jù)時(shí)間對齊后作一次差，一次差在±內(nèi)記為合格，否則為不合格；

（3）計(jì)算融合后航跡點(diǎn)總數(shù)N，合格點(diǎn)數(shù)k，則該航路融合正確率的計(jì)算公式為

式中：ξi為航路i融合正確率；ki為航路i融合后合格航跡點(diǎn)數(shù)；Ni為航路i融合后航跡點(diǎn)總數(shù)。

在計(jì)算完每條航路的融合正確率之后，將結(jié)果依次代入式（5）、式（6），即可分別得到單題融合正確率、綜合平均融合正確率。

3.3 情報(bào)處理時(shí)間

情報(bào)處理時(shí)間包括兩個(gè)二級指標(biāo)：融合處理速度、情報(bào)反應(yīng)時(shí)間，分別從不同的角度來度量融合中心的工作效率。

3.3.1 融合處理速度

融合處理速度是指C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合中心單位時(shí)間內(nèi)融合處理目標(biāo)批數(shù)。例如，假設(shè)融合處理速度為M（單位：批／秒），傳感器的掃描周期為T（單位：s），若融合中心在一個(gè)掃描周期內(nèi)，能夠融合處理來自配屬傳感器以及友鄰指揮所傳感器的M×T批航路，則滿足指標(biāo)要求。

可設(shè)計(jì)特定的空情想定，使用模擬試驗(yàn)方法來檢驗(yàn)該指標(biāo)。設(shè)計(jì)的空情想定要確保在1s內(nèi)所有情報(bào)源向融合中心發(fā)送不低于規(guī)定批數(shù)的空情，或者一定時(shí)間內(nèi)所有情報(bào)源向融合中心發(fā)送的空情的批數(shù)平均值不低于規(guī)定批數(shù)。如果試驗(yàn)中情報(bào)處理精度、情報(bào)融合正確率等指標(biāo)均滿足要求，則判定該項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

3.3.2 情報(bào)反應(yīng)時(shí)間

情報(bào)反應(yīng)時(shí)間指從傳感器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并輸出情報(bào)信息起至C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合中心處理并輸出情報(bào)信息為止的時(shí)間。對于融合中心輸出的同一批次的目標(biāo)Pi（i＝1，2，…，n），其對應(yīng)的各傳感器Rj（j＝1，2，…，m）上報(bào)目標(biāo)批號為（i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m），若Pi首次輸出的時(shí)刻為，首次上報(bào)的時(shí)刻為。于是Pi的情報(bào)反應(yīng)時(shí)間為

計(jì)算融合輸出所有目標(biāo)的情報(bào)反應(yīng)時(shí)間ti（i＝1，2，…，n），則情報(bào)反應(yīng)時(shí)間平均值為

3.4 情報(bào)更新率

情報(bào)更新率指每個(gè)批次航跡在進(jìn)行情報(bào)處理的節(jié)點(diǎn)上更新的頻率。包括兩個(gè)二級指標(biāo)：情報(bào)源上報(bào)情報(bào)更新率、融合中心下發(fā)情報(bào)更新率。

3.4.1 情報(bào)源上報(bào)情報(bào)更新率

情報(bào)源上報(bào)情報(bào)更新率是指每個(gè)情報(bào)源在單位時(shí)間（s）內(nèi)上報(bào)給情報(bào)融合中心的同一批次情報(bào)信息的次數(shù)，稱為該情報(bào)源上報(bào)情報(bào)更新率。例如，某傳感器的天線轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)／分鐘，則該傳感器上報(bào)情報(bào)更新率的理論值為0.1次／秒。一般還可以通過下面的方法求取其實(shí)際值。

設(shè)在某次試驗(yàn)中，由某情報(bào)源上報(bào)給融合中心的、批號為i（i＝1，2，…，m）的目標(biāo)共Ni次，其中第一次上報(bào)的時(shí)間為，最后一次上報(bào)的時(shí)間為，則該情報(bào)源對批號為i的目標(biāo)的上報(bào)情報(bào)更新率（單位為次／秒）為

該情報(bào)源的平均上報(bào)情報(bào)更新率、最大上報(bào)情報(bào)更新率、最小上報(bào)情報(bào)更新率分別為

3.4.2 融合中心下發(fā)情報(bào)更新率

情報(bào)融合中心在單位時(shí)間（s）內(nèi)向所屬下級下發(fā)的同一批次情報(bào)信息的次數(shù)稱為融合中心下發(fā)情報(bào)信息更新率。計(jì)算模型同情報(bào)源上報(bào)情報(bào)更新率。

4 測試結(jié)果分析

對上述小型C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合性能的測試結(jié)果見圖3～6（由于某些原因這里未采用真實(shí)數(shù)據(jù)）。圖3是融合前后航跡精度測試結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)表示空中目標(biāo)到融合中心所屬傳感器的距離，縱坐標(biāo)表示航跡位置估計(jì)精度，淺（紅）色曲線為融合前傳感器的航跡精度，黑色曲線為融合后航跡精度，可以看出融合后的航跡精度在整體上優(yōu)于融合前的航跡精度，且對本站所屬傳感器的盲區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)彌補(bǔ)。

圖3 融合前后航跡精度曲線（深色為融合前）

圖4 目標(biāo)指示精度曲線

圖5 情報(bào)反應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

圖6 融合中心下發(fā)情報(bào)更新率測試結(jié)果

圖4是目標(biāo)指示精度中的方位角均方根誤差曲線，圖中橫坐標(biāo)表示空中目標(biāo)到融合中心所屬傳感器的距離，縱坐標(biāo)表示目標(biāo)指示精度中的方位角均方根誤差，在5～12km范圍內(nèi)，目標(biāo)距離傳感器越遠(yuǎn)，方位角均方根誤差就越大，這基本符合實(shí)際使用情況。

圖5是情報(bào)反應(yīng)時(shí)間的測試結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)表示測量次數(shù)，縱坐標(biāo)表示情報(bào)反應(yīng)時(shí)間，可以看出反應(yīng)時(shí)間的數(shù)量級為s，這是由于采用了無線通信鏈路進(jìn)行情報(bào)信息傳輸?shù)木壒?，如果采用有線通信鏈路進(jìn)行情報(bào)信息傳輸，則情報(bào)反應(yīng)時(shí)間的數(shù)量級一般為10－1s。

圖6是融合中心下發(fā)情報(bào)更新率的測試結(jié)果，可見融合中心下發(fā)情報(bào)更新率在0.1次／秒左右，更新率在0.09次／秒與0.11次／秒之間可以認(rèn)為是正常的，即融合中心大約每隔10s更新一次下發(fā)信息。情報(bào)源上報(bào)情報(bào)更新率的測試結(jié)果圖與融合中心下發(fā)情報(bào)更新率的結(jié)果圖基本一致，也在0.1次／秒左右，這表明融合中心下發(fā)情報(bào)更新率的測試結(jié)果是正確的。

當(dāng)出現(xiàn)不滿足指標(biāo)要求的測試結(jié)果時(shí)，可以對測試結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析找出被測小型C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合中心存在的錯(cuò)誤和不足。例如在檢驗(yàn)情報(bào)處理精度時(shí)出現(xiàn)融合處理航跡精度的誤差過大，而傳感器航跡精度誤差正常的情況。有兩種原因可出現(xiàn)這種情況：一是情報(bào)傳輸出現(xiàn)問題，二是融合中心的融合算法出現(xiàn)問題。通過對測試結(jié)果進(jìn)行分析，可以有效查出被測小型C4ISR系統(tǒng)情報(bào)融合中心存在的各種問題，同時(shí)，還可以提出針對性的優(yōu)化方案，提高融合中心的性能。限于篇幅這里不再一一列舉。

5 結(jié)語

情報(bào)融合性能是C4ISR系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)性指標(biāo)，采用本文建立的指標(biāo)體系進(jìn)行測試評估，可以對小型C4ISR系統(tǒng)在情報(bào)處理精度、情報(bào)融合正確率、情報(bào)更新率和情報(bào)反應(yīng)時(shí)間等情報(bào)融合方面的性能做出合理的評價(jià)，并發(fā)現(xiàn)存在的問題，為維護(hù)和進(jìn)一步改進(jìn)相關(guān)C4ISR系統(tǒng)的情報(bào)融合技術(shù)提供了很好的依據(jù)。但是，對于不同類型的C4ISR系統(tǒng)，其情報(bào)融合性能具有不同的評估標(biāo)準(zhǔn)［9～11］，今后需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)踐情況對上述方法進(jìn)行改進(jìn)和完善，研究開發(fā)功能齊全、通用性強(qiáng)的測試評估模型、方法和軟硬件技術(shù)設(shè)施。

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