戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)估計(jì)

1、基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)估計(jì)周云1107191 .引言近20年來，多傳感器信息融合技術(shù)受到廣泛的關(guān)注，成為80年代形成和發(fā)展的一種自動(dòng)化信息綜合處理技術(shù)。由于其充分利用多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性和電子計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算和智能，提高了信息處理結(jié)果的質(zhì)量。該多傳感器信息融合是數(shù)學(xué)、軍事科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制理論、人工智能、通信技術(shù)、管理科學(xué)等多種學(xué)科的交叉和具體運(yùn)用。該融合技術(shù)最初僅用于軍事科學(xué)，現(xiàn)己廣泛適用于民用工程。多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，是針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)使用多種傳感器這一特定問題而展開的一種關(guān)于數(shù)據(jù)處理的研究。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的一門實(shí)踐性較強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)，是多學(xué)

2、科交叉的新技術(shù)，涉及到信號(hào)處理、概率統(tǒng)計(jì)、信息論、模式識(shí)別、人工智能、模糊數(shù)學(xué)等理論。在多傳感器系統(tǒng)中，信息表現(xiàn)形式多樣，信息數(shù)量巨大，同時(shí)要求信息處理迅速及時(shí)，人腦的信息綜合處理能力已經(jīng)無(wú)法勝任，因此，一個(gè)新興的學(xué)科一一多傳感器信息融合便迅速發(fā)展起來，并在現(xiàn)代化作戰(zhàn)系統(tǒng)和各種武器平臺(tái)上得到了廣泛的應(yīng)用。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是通過對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲取被觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。多傳感器融合技術(shù)就是對(duì)同一檢測(cè)對(duì)象，利用各種傳感器檢測(cè)的信息和不同的處理方法以獲得該對(duì)象的全面檢測(cè)信息，從而提高檢測(cè)精度和可靠

3、性。在多傳感器系統(tǒng)中，信息表現(xiàn)為多樣性、復(fù)雜性以及大容量，信息處理不同于單一的彳感檢測(cè)處理技術(shù)，多傳感器信息融合技術(shù)已成為當(dāng)前的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。2 .戰(zhàn)場(chǎng)感知與理解戰(zhàn)場(chǎng)感知與理解是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)敵、我、友各方兵力部署，武器裝備與作戰(zhàn)平臺(tái)，和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等信息的實(shí)時(shí)掌握的過程。戰(zhàn)場(chǎng)感知與理解包括戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境感知與戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)理解兩個(gè)層次。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知綜合多個(gè)水下信息探測(cè)網(wǎng)絡(luò)和作戰(zhàn)平臺(tái)傳感器所獲取的關(guān)于戰(zhàn)場(chǎng)的片面的、離散的信息，提取出目標(biāo)相關(guān)屬性。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知屬于信號(hào)級(jí)的數(shù)據(jù)融合，所完成的主要功能包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)檢測(cè)、定位跟蹤和分類識(shí)別，是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境理解的基礎(chǔ)。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)理解則從感知信息中抽象出對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)

4、環(huán)境的整體性認(rèn)識(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境理解的研究?jī)?nèi)容包括了目標(biāo)行為理解、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)等，是決策級(jí)信息融合的研究領(lǐng)域。在戰(zhàn)場(chǎng)感知與理解技術(shù)中，依靠單一的傳感器提供信息已無(wú)法滿足作戰(zhàn)需要，必須運(yùn)用多傳感器提供觀測(cè)信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理來獲得狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)屬性、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)等作戰(zhàn)信息。其中，態(tài)勢(shì)評(píng)估是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上戰(zhàn)斗力量分配情況的評(píng)價(jià)過程。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估不僅可以識(shí)別觀測(cè)到敵方事件和行為的可能態(tài)勢(shì)，而且還能對(duì)抗敵方包括偽裝、隱蔽和欺騙在內(nèi)的破壞手段，幫助指揮員正確判斷。因此，態(tài)勢(shì)評(píng)估在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中起著非常重要的作用。3 .戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)估計(jì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)估計(jì)是把來自多傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合相關(guān)和

5、組合，以獲得精確的位置估計(jì)和身份估計(jì)，以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況和威脅及其重要程度進(jìn)行實(shí)時(shí)的完整評(píng)價(jià)由于戰(zhàn)場(chǎng)信息復(fù)雜多變，具有高度的不確定性不完備性，因此態(tài)勢(shì)估計(jì)必須能對(duì)這種不確定性進(jìn)行有效推理，并能對(duì)敵方下一步行動(dòng)做出預(yù)測(cè)。3.1 態(tài)勢(shì)估計(jì)的概念態(tài)勢(shì)估計(jì)是建立作戰(zhàn)活動(dòng)、事件、時(shí)間、位置和兵力要素組織形式的視圖，將所觀測(cè)的戰(zhàn)斗力量分布與活動(dòng)和戰(zhàn)場(chǎng)周圍環(huán)境、敵方作戰(zhàn)意圖及敵機(jī)動(dòng)性有機(jī)地聯(lián)系起來，分析并確定事件發(fā)生的原因，得到關(guān)于敵兵力結(jié)構(gòu)、使用特點(diǎn)的估計(jì)，最終形成戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)圖.可以理解為是對(duì)當(dāng)前作戰(zhàn)環(huán)境中目標(biāo)和事件相互關(guān)系的描述和解釋，其處理的結(jié)果是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)和作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的抽象和估計(jì).它是建立在位置融合和身份識(shí)

6、別基礎(chǔ)上的知識(shí)處理，是知識(shí)與理解的綜合過程，數(shù)據(jù)融合的層次滿足知識(shí)處理的“數(shù)據(jù)一信息一知識(shí)一理解”層次結(jié)構(gòu).“數(shù)據(jù)”解決了環(huán)境中有什么的問題，而“信息”解決了想從數(shù)據(jù)中得到什么的問題，“知識(shí)”和“理解”則解決了知道了什么以及如何根據(jù)知道的什么進(jìn)行行動(dòng)的問題.態(tài)勢(shì)估計(jì)是數(shù)據(jù)融合處理模型的二層處理過程，它接收一層融合的結(jié)果，從中抽取出對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)盡可能準(zhǔn)確、完備的信息，為指揮員決策提供支持。態(tài)勢(shì)估計(jì)所涉及到的目標(biāo)以及與之相應(yīng)的態(tài)勢(shì)元素的處理過程具有一定的層次性。在態(tài)勢(shì)分析中，如果將整個(gè)敵方作為作戰(zhàn)目標(biāo)，則此時(shí)的目標(biāo)就是戰(zhàn)略意義上的目標(biāo)；如果將敵方的某架飛機(jī)或某艘艦船作為作戰(zhàn)目標(biāo)，則此時(shí)的目標(biāo)就是

7、戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。由于態(tài)勢(shì)估計(jì)涉及的對(duì)象多、范圍廣，且理論基礎(chǔ)薄弱，要構(gòu)造一個(gè)性能優(yōu)良的系統(tǒng)來支持它相當(dāng)困難。相對(duì)于戰(zhàn)略態(tài)勢(shì)估計(jì)，戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)估計(jì)涉及面較窄，規(guī)則較為明晰，而它又是前者系統(tǒng)建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。因此，我們把態(tài)勢(shì)估計(jì)的研究重點(diǎn)放在戰(zhàn)術(shù)級(jí)上。根據(jù)Endsley的定義，態(tài)勢(shì)估計(jì)基本層次結(jié)構(gòu)可以分解為態(tài)勢(shì)察覺、態(tài)勢(shì)理解和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)3個(gè)層次.態(tài)勢(shì)察覺是獲取環(huán)境中態(tài)勢(shì)元素的狀態(tài)、屬性和動(dòng)態(tài)特性，并把所獲信息分解為可理解的表達(dá)形式，為后面的態(tài)勢(shì)理解和預(yù)測(cè)層次奠定基礎(chǔ).態(tài)勢(shì)理解主要是對(duì)敵方行為、行動(dòng)企圖進(jìn)行推理，即態(tài)勢(shì)行動(dòng)在進(jìn)行當(dāng)前事件情況下的結(jié)果是什么，產(chǎn)生的影響是什么.態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)是在對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)理解的基礎(chǔ)上，對(duì)

8、未來可能出現(xiàn)的態(tài)勢(shì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè).由此可見，對(duì)態(tài)勢(shì)元素完整而準(zhǔn)確的察覺是態(tài)勢(shì)估計(jì)過程的基礎(chǔ).3.2 態(tài)勢(shì)估計(jì)的內(nèi)容和處理步驟進(jìn)行信息融合中2級(jí)處理態(tài)勢(shì)估計(jì)應(yīng)按如下流程進(jìn)行：首先分析作戰(zhàn)樣式，明確敵我雙方的作戰(zhàn)目標(biāo)。由于態(tài)勢(shì)估計(jì)與作戰(zhàn)樣式有一定的關(guān)系，不同的作戰(zhàn)樣式下選取的態(tài)勢(shì)要素不同，各要素的側(cè)重點(diǎn)和權(quán)值不同，使用的態(tài)勢(shì)估計(jì)方法可能不一樣，用到的軍事領(lǐng)域知識(shí)(規(guī)則)也不同。沒有選定作戰(zhàn)樣式，泛泛地談?wù)搼B(tài)勢(shì)估計(jì)或威脅估計(jì)，比較困難。本文針對(duì)一定的作戰(zhàn)樣式進(jìn)行態(tài)勢(shì)估計(jì)方法研究，望由此推廣到其它作戰(zhàn)樣式，最后形成統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)估計(jì)方法。其次考慮態(tài)勢(shì)要素提取。在一定的作戰(zhàn)樣式下，提取進(jìn)行態(tài)勢(shì)估計(jì)要考慮的各要

9、素，稱為態(tài)勢(shì)要素。最后確定對(duì)態(tài)勢(shì)要素進(jìn)行估計(jì)的各種方法，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)估計(jì)的各項(xiàng)功能。態(tài)勢(shì)估計(jì)應(yīng)包含以下內(nèi)容：(1) 態(tài)勢(shì)要素提??；(2) 態(tài)勢(shì)評(píng)估推理；(3) 態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)。態(tài)勢(shì)評(píng)估首先要確定態(tài)勢(shì)要素，這些態(tài)勢(shì)要素都可由多傳感器的測(cè)量獲得。由于傳感器的精度、多傳感器系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)、外部環(huán)境以及數(shù)據(jù)后處理的影響，會(huì)導(dǎo)致態(tài)勢(shì)評(píng)估的不確定性。因此，需要采用推理的方法來解決數(shù)據(jù)融合的問題。4 .不確定性推理估計(jì)在態(tài)勢(shì)評(píng)估推理技術(shù)中,經(jīng)常用于決策級(jí)不確定推理方法有，Bayes和D-S證據(jù)理論，其中主觀Bayes方法用概率來表示不確定性，而證據(jù)理論用信任區(qū)間來表示不確定性。主觀Bayes方法需要知道先驗(yàn)概率和條

10、件概率，而證據(jù)理論則不必給出，證據(jù)理論能區(qū)分不確定和不知道，而Bayes則不能，從以上對(duì)比考慮，選才iD-S證據(jù)理論作為決策層信息融合方式對(duì)態(tài)勢(shì)情況進(jìn)行評(píng)估。最大特點(diǎn)就是對(duì)不確定運(yùn)用D-S證據(jù)理論的決策層信息融合方式對(duì)態(tài)勢(shì)情況進(jìn)行評(píng)估,信息的描述采用信任函數(shù)而不是概率作為量度，在區(qū)分不知道與不確定方面以及精確反映證據(jù)收集方面顯示了很大的靈活性。4.1 D-S證據(jù)理論的基本概念證據(jù)理論是由Dempster于1967年提出的，后由Shafer加以擴(kuò)充和發(fā)展，所以證據(jù)理論又稱為D-S理論。證據(jù)理論可處理由不知道所引起的不確定性。它采用信任函數(shù)而不是概率作為度量，通過對(duì)一些事件的概率加以約束以建立信任

11、函數(shù)而不必說明精確的難以獲得的概率，當(dāng)約束限制為嚴(yán)格的概率時(shí)，它就進(jìn)而成為概率論。4.1.1 識(shí)別框架設(shè)U表示X所有可能取值的一個(gè)論域集合，且所有在U內(nèi)的元素間是互不相容的，則稱U為X的識(shí)別框架。4.1.2 信任函數(shù)和似真度函數(shù)設(shè)U表示一識(shí)別框架，則函數(shù)m:2UT0,1滿足mf)=0；mA)=1(1)AU時(shí)，m(A)稱為A的基本概率賦值。m(A)表示的僅是提供給A的基本概率賦值，而不是A的概率值，要獲得A的概率值，必須將A中所有子集B的基本概率賦值數(shù)相加，用信任函數(shù)表不。設(shè)U表示一識(shí)別框架，則函數(shù)m:2Ut0,1是U上的基本概率值，Bel:2U0,1Bel(A)=ZmB)(VAuU)(2)B-

12、A稱為函數(shù)是U上的信任函數(shù)。似真度函數(shù)是從另一側(cè)面對(duì)信度函數(shù)的描述。設(shè)U表示一識(shí)別框架，定義DOu(A)=Ba(A),P(A)=1-Bel(A)=2n(B)(3)B-A-f為的懷疑函數(shù)。稱為的似真度函數(shù)。VAcU,DJA)稱為A的懷疑度；P(A)稱為A的似真度，即A可靠或似真的程度。這樣，與(A),P(A)就構(gòu)成了A的信任度區(qū)間。4.1.3 Dempster證據(jù)組合法則D-S證據(jù)理論中的Dempster證據(jù)組合法則提供了組合兩個(gè)證據(jù)的法則。組合方法可以概括如下：設(shè)Bel1和Bel2是同一識(shí)別框架U上的兩個(gè)信任函數(shù)，mi和m2是對(duì)應(yīng)的基本概率賦值，焦元分別為A,.,人和后，Bk,又設(shè)k=工m（A

13、）m（耳）A，j-B.fj一、m（A）m（耳）me）=空二，vc仁u,c#f（4）1-K在上式中，若K=1,則m確定一個(gè)基本概率賦值；若K=1,則認(rèn)為m、m矛盾，不能對(duì)基本概率進(jìn)行組合。通過上式可以對(duì)證據(jù)進(jìn)行兩兩綜合，而對(duì)于多個(gè)證據(jù)的計(jì)算也可以按照Dempster證據(jù)組合的方法遞推進(jìn)行組合。在進(jìn)行合成計(jì)算時(shí)，由于多個(gè)態(tài)勢(shì)因素的融合與次序無(wú)關(guān)。則多個(gè)證據(jù)結(jié)合的計(jì)算可以用兩個(gè)證據(jù)結(jié)合的計(jì)算遞推得到，其結(jié)構(gòu)等效圖如下圖1所示：圖1證據(jù)合成計(jì)算的等效形式4.2 D-S證據(jù)理論用于態(tài)勢(shì)估計(jì)的信息融合方法對(duì)于態(tài)勢(shì)估計(jì)系統(tǒng)來說，由軍事領(lǐng)域知識(shí)產(chǎn)生的戰(zhàn)場(chǎng)空間中可能出現(xiàn)的態(tài)勢(shì)分類就是命題，各個(gè)傳感器通過檢測(cè)、處

14、理給出的對(duì)事件發(fā)生的判斷就是證據(jù)。這樣，可把態(tài)勢(shì)分類看作假設(shè)的原因，而從傳感器獲得的事件發(fā)生的數(shù)據(jù)則可以看作是已經(jīng)檢測(cè)到的結(jié)果。態(tài)勢(shì)估計(jì)從檢測(cè)事件的發(fā)生開始，在檢測(cè)到事件后，由領(lǐng)域知識(shí)產(chǎn)生對(duì)某些命題的度量，這些度量即構(gòu)成了證據(jù)，并利用這些證據(jù)通過構(gòu)造相應(yīng)的基本概率分配函數(shù)，對(duì)所有的命題賦予一個(gè)置信度。態(tài)勢(shì)信息融合和判決的一般步驟為：首先根據(jù)不同傳感器所提供的證據(jù)計(jì)算沖突系則可按照Dempster數(shù)k1,判斷兩個(gè)證據(jù)之間的沖突程度。若證據(jù)之間的沖突程度不大組合規(guī)則進(jìn)行兩兩組合，若證據(jù)出現(xiàn)沖突較大或相互矛盾的情況，則可選取適當(dāng)?shù)男拚M合規(guī)則進(jìn)行證據(jù)組合；其次根據(jù)不同的識(shí)別目標(biāo)以及態(tài)勢(shì)環(huán)境，綜合各種

15、因素，確定判決門限；最后根據(jù)一定的算法和規(guī)則進(jìn)行態(tài)勢(shì)判決，給出融合后的最終判決結(jié)果。圖2給出了決策層屬性融合結(jié)構(gòu)。如圖所示，利用D-S理論中的合并規(guī)則將不同態(tài)勢(shì)因素下的態(tài)勢(shì)可信度進(jìn)行融合，計(jì)算出態(tài)勢(shì)評(píng)估結(jié)果。圖2運(yùn)用D-S理論進(jìn)行態(tài)勢(shì)因素融合決策層融合4.3 D-S證據(jù)理論的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用D-S證據(jù)理論的優(yōu)點(diǎn)是它能夠從專家處獲得不確定信息，并能將不確定性的知識(shí)形式化后進(jìn)行判斷、推理和決策，為知識(shí)的獲取和知識(shí)庫(kù)的形成提供了有效的手段；證據(jù)理論作為一種處理認(rèn)知不確定的方法，不僅能在規(guī)則中反映未知信息，而且能在推理過程中區(qū)分不確定和不知道。缺點(diǎn)是D-S證據(jù)理論要求各證據(jù)源之間是相互獨(dú)立的，這在實(shí)際的態(tài)勢(shì)估計(jì)問題中幾乎是很難達(dá)