朱藝，肖兵，林傲

(空軍預警學院a.研究生管理大隊；b.四系，湖北 武漢　430019)

?

基于主成分分析法的反導態(tài)勢要素提取研究*

朱藝a，肖兵b，林傲a

(空軍預警學院a.研究生管理大隊；b.四系，湖北 武漢430019)

摘要：針對彈道導彈及其攻防作戰(zhàn)的特點，深入分析反導作戰(zhàn)態(tài)勢評估的過程，研究影響反導預警態(tài)勢評估的主要因素，構建了反導戰(zhàn)場態(tài)勢要素集模型。在此基礎上，采用主成分分析法進行要素分析與提取，優(yōu)化重構要素集模型。研究結果為提高反導預警態(tài)勢評估的準確性和指揮決策的及時性提供了重要依據和保障。

關鍵詞：反導作戰(zhàn)；態(tài)勢評估；態(tài)勢要素；主成分分析法

0引言

反導預警態(tài)勢評估是指揮員正確決策的重要依據，態(tài)勢要素是影響態(tài)勢評估結果的關鍵。因此，如何從眾多影響態(tài)勢評估結果的因素中提取出態(tài)勢要素，已成為態(tài)勢評估的重要研究內容和關鍵環(huán)節(jié)，而目前針對反導作戰(zhàn)態(tài)勢要素提取方面的研究比較少。本文采用主成分分析法[1]對反導預警態(tài)勢評估要素的提取進行研究，為提高反導預警態(tài)勢評估及時性和準確性提供方法指導。

1反導作戰(zhàn)過程分析

彈道導彈具有射程遠、速度快、機動性強、威脅大等特點，其過程可分為主動段、自由段、再入段3個典型的階段，整個過程時間短，給防御方的反導預警帶來很大困難。

反導實際上就是彈道導彈攻防雙方的對抗，實質上是彈道導彈所采取的各種以電子戰(zhàn)為主的突防措施和防御系統(tǒng)中以光電、雷達為主的探測、識別、跟蹤系統(tǒng)之間的對抗[2]。作戰(zhàn)基本過程如圖1所示。

從圖1所示的反導過程可見，反導要實現(xiàn)的主要作戰(zhàn)任務是攔截來襲導彈。無論是在主動段、自由段，還是再入段，反導作戰(zhàn)的防御方均需要依賴各類傳感器的探測信息，并結合其他情報源進行綜合處理。因此，防御方只有了解攻方的攻擊目標，明確導彈類型及陣地情況，了解攻防雙方的作戰(zhàn)部署，掌握導彈的飛行參數等信息，才能采取有針對性措施，即準確進行態(tài)勢評估，及時把握反導作戰(zhàn)的戰(zhàn)場態(tài)勢，才能有效完成導彈攔截等反導作戰(zhàn)任務。

2反導預警態(tài)勢要素分析

為了進行態(tài)勢評估，首先必須確定影響態(tài)勢評估的主要因素，態(tài)勢要素的確定需要根據所需評估的戰(zhàn)場環(huán)境和任務而定。戰(zhàn)爭實質上是政治、經濟、文化、民族等一系列社會要素矛盾的產物。現(xiàn)代戰(zhàn)場尤其是反導戰(zhàn)場，攻防雙方的作戰(zhàn)實體是雙方關注的重點，還有戰(zhàn)場中客觀自然環(huán)境，如地形、氣象、水文、自然輻射等，對戰(zhàn)場態(tài)勢都會造成影響。因此，反導預警態(tài)勢要素主要分為以下3類，即社會要素、客觀環(huán)境要素和反導作戰(zhàn)要素[3]。

本文以反導攻防要素為例進行研究。通過對反導作戰(zhàn)過程的分析和影響反導作戰(zhàn)態(tài)勢評估因素的分析，研究歸納出如圖2所示的反導攻防要素集模型。

2.1防御方戰(zhàn)略要地要素(A2.1)

進攻方在制定彈道導彈攻擊預案時，必然會選擇防御方重要實體作為打擊目標，以達到其戰(zhàn)略目的。

重要程度(A2.1.1)：戰(zhàn)略要地作為進攻方攻擊目標，它的重要程度決定著進攻方攻擊可能性的大小。

地理位置(A2.1.2)：戰(zhàn)略要地和進攻方導彈陣地的相對位置，為攻方導彈攻擊提供指導。

防護能力(A2.1.3)：主要是指目標通過偽裝隱蔽等手段躲避來襲導彈的能力，它的強弱一定程度上限制導彈攻擊效果。

2.2防御方預警探測要素(A2.2)

它是整個反導預警系統(tǒng)的“眼睛”。

圖1　反導作戰(zhàn)基本過程Fig.1　Basic process of anti-missile operation

預警時間(A2.2.1)：戰(zhàn)術導彈本身速度快，攻擊時間短，有效實施攔截就必須有充分的準備時間。

探測概率(A2.2.2)：在滿足一定虛警概率條件下，預警衛(wèi)星和遠程警戒雷達系統(tǒng)搜索、發(fā)現(xiàn)目標的能力。它是整個反導的基礎。

識別能力(A2.2.3)：一方面是指預警探測系統(tǒng)將彈體從雜波背景中提取出的能力，另一方面是指將彈頭從群目標中區(qū)分的能力。只有識別出導彈后，才能進行攔截。

跟蹤能力(A2.2.4)：對群目標進行穩(wěn)定跟蹤，并預測彈頭落點，進而決定防御策略，并在實施攔截后反饋攔截效果。

電磁對抗(A2.2.5)：預警探測在開放的環(huán)境中進行，它必然受到戰(zhàn)場電磁環(huán)境的影響，電磁對抗能力越強，預警探測系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。

偽裝隱蔽(A2.2.6)：利用地形或其他物體對體型龐大探測傳感器進行偽裝的能力，以欺騙敵人觀察，避開敵人火力。

2.3防御方反導攔截系統(tǒng)要素(A2.3)

它是整個反導預警系統(tǒng)的“拳頭”。

攔截概率[4](A2.3.1)：攔截系統(tǒng)對導彈的單發(fā)命中概率。概率越高則防御攔截能力越強。

攔截次數[5](A2.3.2)：在導彈進攻過程中，攔截系統(tǒng)對該目標在各飛行階段實施攔截的次數。

保護區(qū)域(A2.3.3)：攔截系統(tǒng)對彈道導彈實施有效打擊的區(qū)域。

抗干擾能力(A2.3.4)：攔截系統(tǒng)適應復雜戰(zhàn)場環(huán)境的能力，影響著攔截系統(tǒng)的可靠性。

偽裝隱蔽(A2.3.5)：利用地形或其他物體對攔截系統(tǒng)進行偽裝的能力，以欺騙敵人觀察，避開敵人火力。

在上述基礎上，當換流站的兩端無法為直流線路潮流提供有效的電壓和功率調節(jié)條件時，需要額外引入一個直流潮流控制器，目的在于保證輸電線路潮流能夠得到有效的調節(jié)。具體的外接方式如圖1所示。

2.4防御方信息傳輸與處理要素(A2.4)

它是整個反導預警系統(tǒng)的“神經”。

信道容量(A2.4.1)：信道能傳輸信息的最大平均速率。反導戰(zhàn)場是全方位、多層次、全時域立體的，戰(zhàn)場信息量巨大，因此要求信道有足夠大的容量。

圖2　反導態(tài)勢要素集模型Fig.2　Situational element model of anti-missile

傳輸質量[6](A2.4.2)：主要包括信息傳輸持續(xù)性、穩(wěn)定性，以及傳輸過程中，保證較低的誤碼率。

抗干擾能力(A2.4.3)：信息傳輸對復雜的戰(zhàn)場環(huán)境有較強的適應性和抗干擾能力以保證傳輸暢通。

處理類型(A2.4.4)：正確處理信息的種類。能夠處理的信息類型越多，處理能力越強。

處理質量(A2.4.5)：在一定時間內，對各種類型信息進行處理并得出與反導戰(zhàn)場相匹配的結果。

2.5防御方指揮與控制[7]要素(A2.5)

它是整個反導預警系統(tǒng)的“大腦”。

信息共享(A2.5.1)：為各級指揮和參謀人員提供各種信息資源共享的能力，包括信息分發(fā)能力、信息檢索能力、信息訂閱能力和統(tǒng)一態(tài)勢生成能力等。

管理監(jiān)控(A2.5.2)：指揮控制過程中，對軟硬件及通信網絡提供實時自動的檢測和響應機制，保障指控系統(tǒng)正常安全運行。包括數據庫安全監(jiān)控能力、應用系統(tǒng)運行監(jiān)控能力、網絡監(jiān)控能力、主機安全監(jiān)控能力等。

態(tài)勢監(jiān)控、處理與評估(A2.5.3)：對不同來源、不同格式的態(tài)勢信息進行接收、轉換、融合、標繪、判斷和預測等方面操作，形成精確及時的態(tài)勢圖，并對態(tài)勢實時監(jiān)控和科學評估。

方案計劃與制定(A2.5.4)：根據態(tài)勢信息，進行敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境的分析，擬制行動方案，明確行動決心等方面的能力以及為指揮人員和參謀業(yè)務人員提供行動計劃的起草、修改、審閱、存儲、檢測、瀏覽及輸出的能力。

指揮控制質量(A2.5.5)：對整個反導方進行匹配、協(xié)調以及對反導資源進行合理有效調度的能力，使整個反導在有限時間內順暢進行。

2.6進攻方導彈陣地要素(A2.6)

發(fā)射平臺(A2.6.1)：進攻方導彈發(fā)射采用的平臺，一般分為陸基、空基、?；?種。每一種平臺制約著導彈發(fā)射時的特點。

地理位置(A2.6.2)：主要指導彈發(fā)射時的所在位置，由發(fā)射平臺方位決定。

偽裝隱蔽(A2.6.3)：利用地形或其他物體對導彈陣地進行偽裝的能力，通過欺騙觀察，從而避開防御方火力。

2.7進攻方彈道導彈要素(A2.7)

導彈是反導攔截的對象，因此對該要素的分析更加詳盡。

導彈類型(A2.7.1): 是指導彈型號，主要依靠情報資源和數據庫進行匹配判斷，一旦明確了其類型，那么導彈的部分參數可以確定，就為防御方贏得更多的預警時間。

導彈數量(A2.7.2):反導系統(tǒng)受飽和度限制，攻擊導彈越多，防御難度越大。

導彈射程(A2.7.3):導彈射程直接影響到打擊范圍。

彈頭類型(A2.7.4):導彈的戰(zhàn)斗部裝藥的不同，對防御方造成的傷害也不同，特別是非常規(guī)彈頭(核、化、生)殺傷力更大，威懾力更強。

突防手段(A2.7.5): 為確保攻擊效果，戰(zhàn)術導彈一般都會采取一些措施手段加大防御方的攔截難度。

彈道傾角(A2.7.6)[8]:導彈在任一位置時的速度方向與當地水平面間的夾角。

方位(A2.7.7):決定了導彈大致攻擊方向。

速度(A2.7.8):導彈飛行的速度越快，耗時就越短，攔截越困難。

抗干擾性(A2.7.9):導彈飛行中抗復雜戰(zhàn)場環(huán)境干擾的能力，導彈的抗干擾性越強，其打擊效果越好。

3反導預警態(tài)勢要素的提取

如圖2的反導態(tài)勢要素多達36種，相互關系復雜，若要全面考慮每一個因素的作用，必然影響反導作戰(zhàn)的及時性。而主成分分析法可以在不損失或很少損失原有信息前提下，將原來具有一定相關性指標綜合成一組新的互不相關的主成分指標，同時按照一定原則從中選取較少的幾個主成分指標盡可能多地反映原有指標的信息。它的基本步驟包括：對原始數據矩陣進行標準化，求標準化矩陣的相關矩陣，求相關矩陣特征值和特征向量，求方差貢獻率并確定主成分個數m，用m個主成分進行綜合評價。下面以反導預警態(tài)勢要素提取為例，采用主成分分析法進行研究。

3.1實例描述

現(xiàn)假定攻防雙方進行導彈突防與反導對抗，由第2節(jié)分析得出36個反導態(tài)勢要素(X1-X36)，本文用德爾菲法[9]對這36個要素在反導態(tài)勢中的重要性進行評估。首先制定好打分規(guī)則，分值在0-10之間，分值越大表示越重要，反之越不重要；其次邀請10位相關領域專家按照打分規(guī)則對36個要素進行打分，并要求每位專家填寫評估依據，以便對專家的反饋意見進行更客觀的統(tǒng)計。10名專家的打分作為原始分析數據，如表1所示，其中Yn表示第n名專家的打分結果。

表1　原始數據(矩陣XT)

3.2要素提取

由于反導作戰(zhàn)時間短，預警及時性要求高，為了能夠在較短的時間內完成態(tài)勢評估，又保證態(tài)勢評估的準確性，因此本文通過進一步深入研究36個要素相互關系及其對態(tài)勢評估的影響程度，采用主成分分析法從中提取出關鍵的、具有最小相關性的要素作為態(tài)勢評估要素，步驟[10-11]如下：

第1步：為了求出各要素間的相關系數，對表1數據進行標準化變換得矩陣

對標準化矩陣進行如下處理，即可得相關矩陣

k=1,2，…，p，

將主成分用36個要素的線性組合表示：

Fg=lg1X1+lg2X2+L+lgpXp.

F1=-0.202X1-0.050X2+0.318X3+

…+0.167X35+0.092X36；

F2=-0.047X1-0.092X2+0.054X3+

…-0.051X35+0.139X36；

?

F36=-0.010X1-0.153X2+0.030X3-

…+0.046X35+0.019X36.

第4步：一般主成分個數等于原始要素個數，如果數量較多如本例多達36個，進行綜合評價時考慮因素多，有可能不能保證評估的時效性。主成分分析法就是選取主要的m個主成分(m

(1)

貢獻率和累計貢獻率用Matlab編程求解結果如表2所示，可見前5項主成分累計貢獻率為78.57%低于85%，而前6項累計貢獻率達88.70%高于85%滿足條件，故取前6個主成分，即m=6，也就是用前6個主成分來進行綜合評價。

第5步：用6個主成分進行綜合評價，首先確定6個主成分的線性加權值Mg即第g個主成分的貢獻率，再對6個主成分進行加權求和，即得到最終評價值F：

(2)

(3)

F=0.2107F1+0.1772F2+0.1381F3+0.1376F4+0.1221F5+0.1013F6.

而每一主成分又能夠用原始的36個要素線性表示，表示形式見第3步，各要素權重計算仿真結果見表2，因此

F=-0.036X1-0.107X2+0.052X3+…-0.045X35-0.029X36

36個要素的權重描述了各要素對綜合評估值貢獻的大小，正號代表著對結果的積極作用，數值越大，則作用越大；負號意味著對結果的消極影響，絕對值越大，則負面影響越大。通過各要素系數的絕對值大小比較[13]發(fā)現(xiàn)X2,X3，X4，X6，X10，X11，X13，X14，X16，X17，X18，X19，X22，X24，X27，X28，X31，X33，X34，19個要素的貢獻率排名靠前，且對F貢獻率之和已達到85%以上，能夠保證評估結果的有效性。因此，結合咨詢專家和實際情況分析，可以認為這19個要素為對態(tài)勢影響最大也具有決定性的要素組合，提取此19個要素組成要素模型，為下一步的態(tài)勢評估提供支撐。提取后的態(tài)勢要素模型如圖3所示。

表2　各主成分的特征值、特征向量及累計貢獻率

圖3　要素提取模型Fig.3　Model of element extraction

從圖3與圖2的對比可以看出，從戰(zhàn)略層次考慮，戰(zhàn)略要地的地理位置和防護能力決定了防御方需要付出多少代價來保證要地安全性，態(tài)勢監(jiān)控、處理與評估為指揮員提供輔助決策，而指揮控制的質量則影響到整個反導防御能否順利進行，導彈陣地的偽裝隱蔽反映它的自我保護能力。從戰(zhàn)役層次考慮，爭取更多的預警時間可以為反導做好充分的準備，能否識別目標是反導的前提，反導作戰(zhàn)是各大系統(tǒng)協(xié)同完成，信息傳輸的質量和抗干擾性是信息流能否在各系統(tǒng)中穩(wěn)定傳輸的關鍵，而信息處理類型和質量制約著攔截能否成功。從戰(zhàn)術層次考慮，攔截系統(tǒng)的攔截概率、攔截次數以及抗干擾能力反映了攔截器的打擊能力，而它的偽裝隱蔽則反映了攔截系統(tǒng)自我保護能力，彈道導彈是防御方打擊對象，導彈的類型、彈道傾角和方位決定了導彈的彈道；彈頭類型是進攻方目標企圖與威脅判斷的重要因素，是防御方采用何種策略及戰(zhàn)術應對要關注的重點內容。綜上所述，要素提取結果基本符合實際情況。

4結束語

本文在分析反導預警態(tài)勢評估過程的基礎上，構建了態(tài)勢要素集模型，并采用主成分分析法，從要素集中提取主成分，再對各要素權重利用編程進行定量排序從而提取出對反導態(tài)勢有著重大影響作用的要素，后續(xù)可以利用這些要素構建反映反導戰(zhàn)場實際的評估模型，將評估結果實時優(yōu)先地提供給指揮員。但是該方法也有一定局限性，如原始數據的獲取，過于依賴專家的主觀評判，評價結果難以精確反映各要素重要程度，因此原始數據還需進一步完善，特別要緊貼反導部隊和反導戰(zhàn)場實際，對數據進一步修正，以保證態(tài)勢評估的準確性和反導作戰(zhàn)指揮的有效性。

參考文獻：

[1]肖兵，金宏斌，田康生,等.C4ISR系統(tǒng)分析、設計與評估[M]. 武漢：武漢大學出版社，2012:37.

XIAO Bing,JIN Hong-bin,TIAN Kang-sheng,et al.The Analysis,Design and Assessment of C4ISR[M].Wuhan:Wuhan University Press,2012:37.

[2]羅小明，楊娟，吳鈺飛,等.彈道導彈攻防對抗的建模與仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008:3-4.

LUO Xiao-ming,YANG Juan,WU Yu-fei,et al.Attack-Defence Counterwork Modeling and Simulation of Ballistic Missile[M].Beijing:National Defense Industry Press,2008:3-4.

[3]林傲，肖兵.反導預警態(tài)勢評估過程分析[J].空軍雷達學院學報，2012,26(6)：423-426.

LIN Ao,XIAO Bing.Analysis of Assessment Process of Antimissile Early Warning Situation[J].Journal of Air Force Radar Academy,2012,26(6):423-426.

[4]鄧洪哲，董敏周，閆杰.彈道導彈防御中攔截彈最優(yōu)化分層配置[J].指揮控制與仿真，2012,34(4):74-75.

DENG Hong-zhe,DONG Min-zhou,YAN Jie.Optimal Allocation of Interceptors for Multi-Layered TMD [J].Command Control & Simulation,2012,34(4):74-75.

[5]呼偉，楊建軍，龍光正，等.彈道導彈被動段攔截次數及影響因素分析[J].彈箭與制導學報，2010,30(1):4-5.

HU Wei,YANG Jian-jun,LONG Guang-zheng,et al.Research on the Post-Boost Intercepting Number of TBM and Its Influence Factors[J].Journal of Projectiles ,Rockets,Missiles and Guidance,2010,30(1):4-5.

[6]曾利星，李為民.防空通信系統(tǒng)效能評估[J] .火力與指揮控制，2007,32(6):84-85.

ZENG Li-xing,LI Wei-min.Effectiveness Evaluation of the Air Defense Communicatiion Systems[J] .Fire Control and Command Control,2007,32(6):84-85.

[7]曹雷，鮑廣宇，陳國友,等.指揮信息系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012:141-145.

CAO Lei,BAO Guang-yu,CHEN Guo-you,et al.C4ISR System[M].Beijing:National Defence Industry Press, 2012:141-145.

[8]張毅，楊輝耀，李俊莉.彈道導彈彈道學[M].長沙：國防科技大學出版社，1999：139.

ZHANG Yi,YANG Hui-yao,LI Jun-li.Ballistic Missile Ballistics[M].Changsha:Natioanal University of Defense Technology Press,1999:139.

[9]劉偉濤，顧鴻，李春洪.基于德爾菲法的專家評估法在海戰(zhàn)效能評估中的應用[J].海軍學術研究，2011，263(5)：31-33.

LIU Wei-tao,GU Hong,LI Chun-hong.Application of Delphi Method in Navy-Battle Effectiveness Evaluation[J].Navy Academic Research.2011,263(5):31-33.

[10]許淑娜，李長坡.對主成分分析法三個問題的剖析[J].數學理論與應用，2011，31(4)：116-121.

XU Shu-na,LI Chang-po. Dissection to Three Typical Issues of Principal Component Analysis[J], Mathematical Theory and Applications,2011,31,(4):116-121.

[11]張勇濤，謝隨建，張松良.主成分分析法在戰(zhàn)場目標選擇中的應用[J].電子技術學院學報，2009,21(4)：34-37.

ZHANG Yong-tao,XIE Sui-jian,ZHANG Song-liang.Application of the Principal Component Analysis Method in the Battlefield Targets Selection[J]. Journal Institute of Electronic Technology,2009,21(4):34-37.

[12]洪利華，羅均平，劉已斌.基于主成分分析法的目標威脅評估[J].指揮控制與仿真，2006,28(2)：49-52.

HONG Li-hua, LUO Jun-ping, LIU Yi-bin.Object Threat Evaluation Based on Principal Components Analysis[J]. Command Control & Simulation,2006,28(2):49-52.

[13]楊春周，滕克難，程月波.作戰(zhàn)效能評估指標權重的確定[J].計算機仿真，2008，25(10):5-7.

YANG Chun-zhou,TENG Ke-nan,CHEN Yue-bo.Determination of the Weight Values of Indexes for the Combat Capability[J]. Computer Simulation,2008,25(10):5-7.

Research on Element Extraction of Anti-Missile Situation Based on Principal Component Analysis

ZHU Yia, XIAO Bingb, LIN Aoa

(Air Force Early Warning Academy， a.Department of Graduate Management;

b.No.4 Department, Hubei Wuhan 430019,China)

Abstract:In view of the ballistic missile and its characteristic of attack-defense operation, the process of anti-missile operation situation assessment is analyzed, the essential factors influencing anti-missile early warning situation assessment are studied, and the situational element collection model of anti-missile battlefield is built. On this basis, the element analysis and extraction, the optimization and reconstruction of the element collection model are conducted with the principal component analysis method. The research results provide important references and guarantee for improving the accuracy of anti-missile early warning situation assessment and the timeliness of command decision-making.

Key words:antimissile operation; situation assessment;situational element; principal component analysis

中圖分類號：N945；TJ761.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0031-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.006

通信地址：430019湖北省武漢市黃浦大街288號研管21隊E-mail：boca_4u@163.com

作者簡介：朱藝(1984-)，男，湖北武穴人。助工，碩士生，研究方向為軍事情報分析與應用。

收稿日期：2014-02-13；
修回日期：2014-04-09