姜天嬌，范秀英，黃新宇

(空軍航空大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

有人偵察機(jī)成像偵察憑借其偵察時(shí)機(jī)動(dòng)靈活，飛行員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)情況執(zhí)行各種復(fù)雜的成像任務(wù)等特點(diǎn)，使其目前仍是主要的偵察成像平臺(tái)[1-2]。而成像偵察任務(wù)主要依靠搭載的各類成像偵察設(shè)備來完成，所以偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃就顯得十分重要。通過對(duì)實(shí)際偵察任務(wù)的需求進(jìn)行分析，并結(jié)合各種偵察設(shè)備自身的性能，建立相應(yīng)的模型，對(duì)偵察設(shè)備進(jìn)行最佳選擇，保證偵察任務(wù)的完成效果最優(yōu)化[3]。針對(duì)傳統(tǒng)偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃主要依靠專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏客觀性、合理性和準(zhǔn)確性的問題，采用適當(dāng)?shù)姆治龇椒ê徒＜夹g(shù)解決該問題一直以來都是偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃研究的重點(diǎn)。通過對(duì)偵察設(shè)備進(jìn)行合理的任務(wù)規(guī)劃，可以提高偵察效率，減少偵察風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)獲取高質(zhì)量的偵察圖像，為作戰(zhàn)提供更好的情報(bào)保障。

1 層次分析法

層次分析法[4](analytic hierarchy process, AHP)是將影響決策的相關(guān)因素分解為不同的層次，并在此結(jié)構(gòu)上做出合理的定性或定量決策。層次分析法是具有多個(gè)層次的混合結(jié)構(gòu)分析方法，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠系統(tǒng)性地解決決策問題。每一層的指標(biāo)因素都會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生影響，實(shí)質(zhì)上是一種權(quán)重累積方法。而偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃受到的影響因素通常不是單一的，所以采用層次分析法對(duì)其進(jìn)行研究具有一定的合理性。通過對(duì)不同類別、性質(zhì)的影響因素劃分層級(jí)，設(shè)定權(quán)重，同時(shí)在偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃中獲得定量數(shù)據(jù)，可以彌補(bǔ)層次分析法在衡量具體參數(shù)大小所起作用的不足，結(jié)合各因素的權(quán)重以及實(shí)際數(shù)據(jù)可以得到一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)來進(jìn)行決策。

偵察設(shè)備的優(yōu)化選擇對(duì)于偵察任務(wù)的完成情況具有重要作用，本文基于層次分析法對(duì)偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃的應(yīng)用展開了分析研究，對(duì)影響偵察任務(wù)的相關(guān)因素確定了權(quán)重并建立了模型[5]。通過計(jì)算結(jié)果證明了該方法對(duì)于偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃具有重要作用，具體步驟如下：

(1) 建立問題遞階層次結(jié)構(gòu)

分析待解決問題包含的相關(guān)內(nèi)容，即影響問題解決的參考因素。根據(jù)它們互相之間的關(guān)系，確定其所在遞階結(jié)構(gòu)中的層次以及重要程度。

(2) 確立比較判斷矩陣

將上層指標(biāo)元素作為下層指標(biāo)元素的判斷標(biāo)準(zhǔn)，然后依照該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一層次各元素的重要性進(jìn)行比較，將其按照1～9比例標(biāo)度進(jìn)行定量表示，并構(gòu)建判斷矩陣。

(3) 計(jì)算判斷矩陣中各元素的相對(duì)權(quán)重

本文采用“和法”來計(jì)算該矩陣的最大特征值以及特征向量。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1) 將判斷矩陣中的元素按列采取歸一化；

2) 將判斷矩陣中的元素按行相加；

3) 將上步求得的行和向量歸一化，得到權(quán)向量w，公式如下：

(1)

式中:aij為判斷矩陣中的元素；n為判斷矩陣的階數(shù)。

由于各層次指標(biāo)在進(jìn)行比較打分的過程中，可能會(huì)由于某些原因而造成打分結(jié)果出現(xiàn)矛盾的情況。當(dāng)這種矛盾的情況比較嚴(yán)重時(shí)，經(jīng)過計(jì)算得到的相對(duì)權(quán)重矩陣是不可靠的，因此不能用于其后的問題研究，要通過一致性驗(yàn)證的方法來篩選出可靠權(quán)重。

1) 計(jì)算一致性指標(biāo)：

(2)

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為判斷矩陣的階數(shù)。通常矩陣的階數(shù)越高，所要求作出的判斷越多，越難達(dá)到一致[4]。

2) 從表1中查找出相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI[6]。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3) 計(jì)算一致性比例。

(3)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，可認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；對(duì)于低于三階的矩陣，CR=0。

4) 計(jì)算各層元素的組合權(quán)重

綜合權(quán)重的計(jì)算要自上而下，對(duì)單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下的權(quán)重進(jìn)行組合，并逐層進(jìn)行總的一致性檢驗(yàn)。

2 評(píng)估指標(biāo)體系分析

選擇指標(biāo)時(shí)，首先必須明確完成偵察任務(wù)時(shí)所關(guān)注的重點(diǎn)或任務(wù)目標(biāo)，建立判定偵察任務(wù)完成情況的標(biāo)準(zhǔn)以及影響各標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于設(shè)備本身的性能參數(shù)，設(shè)備本身的性能參數(shù)通常對(duì)偵察任務(wù)規(guī)劃具有相當(dāng)重要的作用，要在限度之內(nèi)選擇最優(yōu)的偵察設(shè)備完成偵察任務(wù)[6]。將偵察任務(wù)完成情況作為一級(jí)目標(biāo)指標(biāo)，考慮通過3個(gè)準(zhǔn)則指標(biāo)作為第2層級(jí)指標(biāo)來衡量任務(wù)完成情況，即偵察效率、圖像質(zhì)量和安全性。

其次，將所建立指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)中的三級(jí)指標(biāo)設(shè)定為使用特性指標(biāo)，偵察效率是任務(wù)完成度的重要參考量，它可用4個(gè)使用特性指標(biāo)描述：傳輸時(shí)間、調(diào)焦時(shí)間、時(shí)間間隔、收容寬度。

圖像質(zhì)量對(duì)偵察任務(wù)完成情況起決定性作用，且影響圖像質(zhì)量的使用特性指標(biāo)較多，大致可概括為5個(gè)：地面分辨率、曝光量、像移、影像變形、調(diào)焦。

飛行的安全性是每次偵察任務(wù)完成的前提和根本，安全性影響因素指標(biāo)包括：飛行時(shí)間、偵察高度、掛載武器、傾斜角。

最后根據(jù)第3層各使用特性指標(biāo)確定與其相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，作為遞階層次結(jié)構(gòu)中的第4層指標(biāo)，完成整個(gè)指標(biāo)體系的構(gòu)建。

3 構(gòu)建偵察設(shè)備選擇評(píng)估結(jié)構(gòu)

根據(jù)上節(jié)內(nèi)容的分析，可以建立偵察設(shè)備選擇評(píng)估遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

很多偵察任務(wù)對(duì)于偵察效率方面有著較高要求，效率高低則成為優(yōu)先考慮的一項(xiàng)指標(biāo)；而在偵察效率要求不高的情況下，圖像質(zhì)量則變得尤為重要；對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察的過程是否安全也是完成偵察任務(wù)的根本前提。判斷矩陣如表2所示。

求得該判斷矩陣λmax=3.064 9，一致性指標(biāo)CI=0.032 5；通過查表得三階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.58，計(jì)算可得一致性比例CR= 0.055 9<0.1，故其一致性滿足。

在偵察效率方面，圖像傳輸時(shí)間主要針對(duì)CCD等可進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)南鄼C(jī)，而膠片型相機(jī)必須將膠卷帶回地面后處理成像，這對(duì)任務(wù)完成的時(shí)效性影響較大；調(diào)焦時(shí)間是指拍照前針對(duì)一定偵察高度和環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)焦所需的準(zhǔn)備時(shí)間；時(shí)間間隔即偵照設(shè)備連續(xù)2次曝光所需的間隔時(shí)間，會(huì)直接影響總的偵照時(shí)間[7]；收容寬度是由相機(jī)橫向視場(chǎng)角和偵察高度所確定的橫向成像寬度，通常采用并列成像偵察、搖擺或步進(jìn)成像方式來增大橫向收容寬度，從而提高偵察效率及減少飛行時(shí)間提高安全性[8]。判斷矩陣如表3所示。通過計(jì)算求得判斷矩陣B1-C的CR=0.049<0.1，滿足一致性。圖像傳輸時(shí)間由任務(wù)區(qū)全部圖像大小和圖像傳輸速率決定。判斷矩陣如表4所示。

圖1 偵察設(shè)備選擇評(píng)估指標(biāo)模型Fig.1 Evaluation index model of reconnaissance equipment selection

AB1B2B3WB111/530.193 2B25170.723 5B31/31/710.083 3

表3 判斷矩陣B1-C

表4 判斷矩陣C1-D

對(duì)于一階二階判斷矩陣的CR=0，總是一致的，故無需檢驗(yàn)其一致性。

速高比為飛行地速與偵察高度的比值；相機(jī)物鏡焦距決定了像的大小，相同成像距離焦距越大，像越大；圖像縱邊長(zhǎng)度是圖像沿飛行方向的長(zhǎng)度；縱向重疊率表示圖像縱邊重疊的百分率[9]。判斷矩陣如表5所示。

表5 判斷矩陣C3-D

計(jì)算判斷矩陣C3-D的CR=0.064 9<0.1，故其一致性滿足。

收容寬度由相機(jī)的橫向視場(chǎng)角和成像距離決定。成像距離由偵察高度與光軸的傾斜角決定。橫向視場(chǎng)角一定時(shí)，成像距離越遠(yuǎn)，收容寬度越大；成像距離一定時(shí)，橫向視場(chǎng)角越大，收容寬度越大[10]。判斷矩陣如表6所示。

表6 判斷矩陣C4-D

計(jì)算判斷矩陣C4-D的CR= 0.003 3<0.1，故其一致性滿足。

影響偵照?qǐng)D像質(zhì)量的因素中，分辨率直接決定對(duì)目標(biāo)的分辨能力，影響圖像判讀結(jié)果；使底片獲得最合適的曝光量也是影響圖像質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，曝光過量或不足都會(huì)影響對(duì)目標(biāo)的分辨能力[11]；影像的變形主要考慮比例尺變形，變形程度大小對(duì)目標(biāo)的分辨和測(cè)量有一定影響；像移是由曝光過程中偵照目標(biāo)的影像與感光介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的像點(diǎn)移動(dòng)，包括因前向飛行引起的前向像移，以及因飛行姿態(tài)改變而產(chǎn)生的隨機(jī)像移，可通過相機(jī)的自動(dòng)像移補(bǔ)償系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)償，故相機(jī)是否裝有像移補(bǔ)償系統(tǒng)同樣會(huì)影響像質(zhì)；相機(jī)能否自動(dòng)調(diào)焦對(duì)圖像清晰度有影響[12]。判斷矩陣如表7所示。

表7 判斷矩陣B2-C

通過計(jì)算，可得判斷矩陣B2-C的CR=0.085 6<0.1，故其一致性滿足。

地面分辨率主要受偵察高度、焦距和CCD像元大小的影響；執(zhí)行航空偵察任務(wù)時(shí)有時(shí)無法進(jìn)行臨空偵察或者需要傾斜影像，此時(shí)就需要有一定傾角進(jìn)行側(cè)方偵察，傾斜角越大，在演習(xí)和作戰(zhàn)時(shí)安全性越高，但同時(shí)圖像質(zhì)量也會(huì)有所下降[13]。判斷矩陣如表8所示。

計(jì)算得到判斷矩陣C5-D的CR=0.065 8<0.1，故其一致性滿足。

表8 判斷矩陣C5-D

表9 判斷矩陣C6-D

對(duì)于一階二階判斷矩陣的CR=0，總是一致的，故無需檢驗(yàn)其一致性。

飛行時(shí)間對(duì)飛行安全性影響較大，飛行時(shí)間越短，安全性越高；安全性同時(shí)受偵察高度、傾斜角的綜合影響；如果相機(jī)總質(zhì)量較小且對(duì)飛機(jī)重心影響滿足要求時(shí)，可以掛載武器進(jìn)行自衛(wèi)從而增強(qiáng)飛行安全性[15]。判斷矩陣如表10所示。

表10 判斷矩陣B3-C

計(jì)算得到判斷矩陣B3-C的CR= 0.046 0<0.1，故其一致性滿足。

4 實(shí)際算例分析

4.1 仿真數(shù)據(jù)

設(shè)定偵察任務(wù)執(zhí)行時(shí)天氣良好，光照條件適度，對(duì)某目標(biāo)進(jìn)行偵察。通過選取型號(hào)1～3偵察相機(jī)，采用單臺(tái)偵察方式進(jìn)行偵察。獲得其參數(shù)及實(shí)際偵察數(shù)據(jù)如表11所示。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)表11，12中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將其用B表示。影響偵察任務(wù)的因素的權(quán)重矩陣用A表示。最后的評(píng)價(jià)值設(shè)為R，R越大代表性能越穩(wěn)定，具體算法過程如下；

(1)RCj=AiBi(1≤i≤15,1≤j≤6)，i為D層指標(biāo)個(gè)數(shù)，j為包含下級(jí)指標(biāo)的C層指標(biāo)個(gè)數(shù)。

(2) 對(duì)通過計(jì)算得到的RCj進(jìn)行歸一化。

表11 D層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表12 C層(無下級(jí)指標(biāo))的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)權(quán)重

(3) 將無下級(jí)指標(biāo)的C層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照表12進(jìn)行設(shè)定，表示為RCk(7≤j≤13)，使其范圍在0～1之間，以滿足歸一化的一致性。

根據(jù)上述算法流程，計(jì)算結(jié)果如表13所示。

表13 3種相機(jī)的R值

從表13中可以看出型號(hào)2的R值最大，說明選擇該型相機(jī)進(jìn)行此偵察任務(wù)能達(dá)到最佳效果。并且3種型號(hào)的相機(jī)的R值處于合理的數(shù)值區(qū)間，說明該算法具有有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用層次分析法對(duì)偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行了研究，首先將層次分析法的權(quán)重指標(biāo)與偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了綜合考慮，建立了模型，然后對(duì)相機(jī)的具體參數(shù)做了詳細(xì)的分析。最后以實(shí)際偵察任務(wù)為例進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的方法對(duì)偵察設(shè)備任務(wù)規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)效能最大化，在較低風(fēng)險(xiǎn)情況下能保證偵察任務(wù)更好地完成，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際偵察任務(wù)設(shè)備使用頻率具有一致性。