事后空中場景還原方法范文
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《計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件雜志》2015年第十一期
我國空域復(fù)雜，東西部發(fā)展不平衡，通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施差異很大，雷達(dá)管制、雷達(dá)監(jiān)控下的程序管制、程序管制等各種方式共存，再加上防空預(yù)警需求。空中交通系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)間連續(xù)、空間廣闊、組成元素眾多、關(guān)系復(fù)雜、安全概率要求非常高的一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)［1］。空中場景是指某一特定時(shí)間、特定區(qū)域空中所有飛行器(目標(biāo))活動(dòng)情況的總和。其中，某一飛行器在場景中的活動(dòng)軌跡稱為航跡。通過探測設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)航跡信息在專業(yè)領(lǐng)域也稱之為情報(bào)。在進(jìn)行空中管制和預(yù)警時(shí)，如果能夠獲取所有目標(biāo)的飛參和機(jī)載GPS記錄信息，就可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的真實(shí)空中場景。但由于各種飛行器長期、大量、頻繁地飛行，獲取這些信息并不是容易的事，更何況地面(如高速列車)和低空的有些目標(biāo)也能被探測到，而這些目標(biāo)的探測信息很難用其他情報(bào)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。因此，現(xiàn)實(shí)可行辦法是主要依靠能夠穩(wěn)定獲得的相關(guān)情報(bào)數(shù)據(jù)，運(yùn)用技術(shù)方法進(jìn)行空中場景的還原。對這些數(shù)據(jù)的利用在技術(shù)上存在三個(gè)方面的困難。一是數(shù)據(jù)缺失問題。每次任務(wù)下來，不一定是所有渠道的情報(bào)都有，有時(shí)有些渠道的情報(bào)未能及時(shí)獲得。二是情報(bào)內(nèi)容不確定問題。對于一次具體任務(wù)，有的情報(bào)雖然有，但是情報(bào)內(nèi)容不是一個(gè)確定的值。例如預(yù)飛報(bào)，其預(yù)告的時(shí)間可能比目標(biāo)實(shí)際飛行時(shí)間推后或者提前，甚至取消。第三是情報(bào)之間互相沖突問題。特別是復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境情況下，各種情報(bào)之間沖突很厲害。幾種情報(bào)提供的內(nèi)容，相互之間產(chǎn)生矛盾。典型常見的一個(gè)例子就是電子偵察表明有目標(biāo)而預(yù)警雷達(dá)探測表明沒有目標(biāo)。
1空中場景還原基本流程
獲取完整的空中場景數(shù)據(jù)是非常困難的。好在空中運(yùn)動(dòng)平臺上通常載有多種傳感器，如機(jī)載雷達(dá)、紅外(IR)、電子支援措施(ESM)、敵我識別(F)等［2］。空中場景還原的基本思路是利用這些傳感器和能夠收集到的各類情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空中場景的近似還原。這些情報(bào)數(shù)據(jù)包括空基預(yù)警雷達(dá)綜合情報(bào)、地面雷達(dá)情報(bào)網(wǎng)情報(bào)，飛行計(jì)劃、GPS航線數(shù)據(jù)等。每類數(shù)據(jù)源都提供了航跡信息或輔助信息，但是特點(diǎn)各異。如飛行計(jì)劃、預(yù)飛報(bào)存在臨時(shí)取消、時(shí)間偏移、航線調(diào)整等可能性，具有“一次有效”的特點(diǎn)，即一次計(jì)劃一次執(zhí)行。再如航路信息，對按航路飛行的目標(biāo)提供了較高的判別可信度，但不提供準(zhǔn)確的航跡時(shí)間信息，具有“多次有效”的特點(diǎn)，即一條航路往往支持多條航跡。各類情報(bào)相互關(guān)聯(lián)、印證是判斷的基本依據(jù)和方法。由于各類情報(bào)形式各異，每個(gè)渠道獲得的情報(bào)都或多或少存在數(shù)據(jù)缺失和不確定的情況，建立其間的關(guān)聯(lián)關(guān)系十分復(fù)雜，因而傳統(tǒng)上主要采用針對重點(diǎn)批次進(jìn)行人工分析的方式。這種方式一是效率低，每次只能針對一批或者幾批目標(biāo)進(jìn)行分析;二是參考依據(jù)查證困難，很多情報(bào)事后已經(jīng)很難查證;三是各個(gè)參考依據(jù)有時(shí)互相矛盾，比如空基雷達(dá)探測到一個(gè)目標(biāo)，電子偵查沒有發(fā)現(xiàn)該方位有目標(biāo)，二次雷達(dá)返回的識別碼顯示該目標(biāo)經(jīng)緯度在另一個(gè)位置。D-S證據(jù)理論是關(guān)于證據(jù)和可能性推理的理論。它主要處理證據(jù)加權(quán)和證據(jù)支持度問題，并且利用可能性推理來實(shí)現(xiàn)證據(jù)的組合。從數(shù)學(xué)角度來講，證據(jù)理論是概率論的一種推廣。對應(yīng)于概率論中的分布函數(shù)和概率密度分布函數(shù)，D-S證據(jù)理論中定義了信任函數(shù)和基本概率分配［3］。我們運(yùn)用證據(jù)理論，發(fā)揮其在不確定信息的表示和組合方面的優(yōu)勢，將多渠道信息歸一為統(tǒng)一的“證據(jù)”。對空中關(guān)聯(lián)識別的基本過程如圖1所示。運(yùn)用證據(jù)理論進(jìn)行空中場景關(guān)聯(lián)識別的基本流程主要包括5個(gè)關(guān)鍵步驟。步驟1定義辨識框架。辨識框架分為兩類。第一類是對每一維情報(bào)源，進(jìn)行在多種情報(bào)數(shù)據(jù)中的對應(yīng)關(guān)系辨識。辨識以下四種情況:①1對1:對應(yīng)一條真實(shí)航跡;②1對0:虛警;③1對n:混批。第二類是對大、中、小機(jī)型屬性進(jìn)行辨識;再對中、小機(jī)型進(jìn)一步實(shí)施機(jī)型種類的辨識。例如:殲七、殲十、蘇27、蘇30等。大型機(jī)一般是民航、國產(chǎn)運(yùn)輸機(jī)和轟炸機(jī)，對大型機(jī)不做進(jìn)一步區(qū)分。步驟2進(jìn)行基本信度分配。基本信度分配表示了每一維情報(bào)可信程度的一種度量，是一種判斷，這種判斷受各種因素的影響，不同的先驗(yàn)知識會構(gòu)成不同的基本信度分配。步驟3使用證據(jù)理論組合規(guī)則對情報(bào)的基本信度分配進(jìn)行合成。步驟4確定決策規(guī)則。得到合成信度后要選擇一個(gè)適合關(guān)聯(lián)的決策規(guī)則。步驟5進(jìn)行情報(bào)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。
空中場景還原是將多種情報(bào)源分別作為證據(jù)，經(jīng)過航跡判別和航跡還原兩個(gè)階段，得到某區(qū)域某時(shí)段的還原后的空中場景。空中場景還原的主要方法是對每一條情報(bào)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的航跡，由各個(gè)情報(bào)源進(jìn)行內(nèi)部的比對，提出各自“證據(jù)”，證據(jù)中含有肯定、否定的信度，經(jīng)過基于證據(jù)理論的合成、決策，得到該航跡真、假和相關(guān)屬性的判別信度。對每一條航跡，所有情報(bào)都提供證據(jù)，經(jīng)過證據(jù)理論的合成和決策，形成對該航跡的判別，同時(shí)反饋給各情報(bào)源記錄關(guān)聯(lián)關(guān)系。證據(jù)生成器提供一個(gè)數(shù)據(jù)源對某航跡的信度。信度分配問題分為兩個(gè)層次:一是對每個(gè)證據(jù)的基本信度分配;二是對每個(gè)情報(bào)源的信度分配。對每個(gè)證據(jù)的基本信度分配利用歷史數(shù)據(jù)的累積和專家打分，通過已知的情報(bào)關(guān)聯(lián)關(guān)系逐漸求精，以提高關(guān)聯(lián)精度;對每個(gè)情報(bào)源的信度分配則是利用經(jīng)驗(yàn)知識賦予某些情報(bào)對特定類型證據(jù)的高信度。由于空中場景還原是事后進(jìn)行的，因此無需對下一航跡點(diǎn)的時(shí)間、位置進(jìn)行外推，主要根據(jù)按照時(shí)序的航跡點(diǎn)的位置，以及航跡的走向、形狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)。但有些情報(bào)沒有時(shí)序?qū)傩裕瑢ζ洳豢紤]時(shí)間對準(zhǔn)，例如航路信息就不帶有時(shí)序?qū)傩浴２煌閳?bào)對航跡真假和屬性的支持信度具有不同的特點(diǎn)。比如:高山、高鐵等地理環(huán)境數(shù)據(jù)對于虛假航跡判別具有較強(qiáng)的信度，但對于真實(shí)航跡的支持信度很低;飛行器導(dǎo)航或GPS航線數(shù)據(jù)如果存在，具有很強(qiáng)的支持信度;地面雷達(dá)情報(bào)網(wǎng)情報(bào)對于其探測到的航跡具有較強(qiáng)的支持信度，但對于低空等目標(biāo)的否定信度不高;機(jī)場對于航跡起始和停止點(diǎn)的真實(shí)性可以提供一定的支持，也可以對飛機(jī)的屬性進(jìn)行支持;二次雷達(dá)情報(bào)對于進(jìn)行過敵我識別或詢問的飛行目標(biāo)航跡具有一定的支持等。空中場景還原具體過程分為兩個(gè)階段:階段一:航跡判別。對每一條未關(guān)聯(lián)的航跡，執(zhí)行下列3個(gè)主要關(guān)鍵步驟，直至遍歷所有航跡。①由各證據(jù)生成器提供證據(jù):數(shù)量(0～n)、機(jī)型。這里數(shù)量不是指該批目標(biāo)由幾架飛機(jī)組成，而是指由幾條航跡組成。數(shù)量為0表示認(rèn)為是假目標(biāo)，大于1表示認(rèn)為混批。機(jī)型可以是具體機(jī)型，也可以是大、小型機(jī)的粗分類;②合成、決策，確定該航跡的判別結(jié)果(數(shù)量、機(jī)型);③判別結(jié)果通報(bào)給各證據(jù)生成器，各證據(jù)生成器記錄關(guān)聯(lián)信息。如果產(chǎn)生與之前已關(guān)聯(lián)航跡再次關(guān)聯(lián)情況，則比較信度，撤銷信度低的關(guān)聯(lián)。階段二:航跡還原。對于預(yù)警探測到的真實(shí)航跡，以空基預(yù)警雷達(dá)為主進(jìn)行還原。關(guān)鍵步驟包括:①去除頻繁起批航跡;②修正航跡中的奇異點(diǎn);③對航跡中漏掉的點(diǎn)跡進(jìn)行插值計(jì)算;④確定機(jī)型、架次信息;⑤對于空基預(yù)警雷達(dá)漏點(diǎn)的航跡，以地面雷達(dá)組網(wǎng)情報(bào)或我機(jī)導(dǎo)航或GPS航線數(shù)據(jù)為主還原;⑥對于虛假航跡，進(jìn)行明確標(biāo)示。
3基本信度分配方法
利用證據(jù)理論進(jìn)行空中場景還原，其實(shí)質(zhì)是對每個(gè)情報(bào)來源的基本信度分配進(jìn)行組合，因此每個(gè)情報(bào)來源的基本信度分配將直接影響關(guān)聯(lián)分析結(jié)果的可信度。我們確定基本信度分配的方法是先對已知的還原場景進(jìn)行多次“學(xué)習(xí)”，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后用于后續(xù)的基本信度分配。根據(jù)初始N次場景還原的情報(bào)，先指定初始參數(shù)，并初步構(gòu)造出Platt后驗(yàn)概率模型。隨著訓(xùn)練次數(shù)不斷增加，場景還原次數(shù)也同步增加，對數(shù)據(jù)的測試也不斷進(jìn)行，再根據(jù)識別準(zhǔn)確率對參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)優(yōu)。經(jīng)過長期大量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，后驗(yàn)概率值和分類器可信度逐步得到了優(yōu)化。為了對簡單情況下的識別效果進(jìn)行性能驗(yàn)證，我們進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)選取某次演習(xí)中多路探測裝備情報(bào)數(shù)據(jù)，包括空基預(yù)警雷達(dá)情報(bào)、地面雷達(dá)情報(bào)和電子支援措施情報(bào)三類傳感器情報(bào)源。在演習(xí)時(shí)，我們能夠通過演習(xí)的導(dǎo)演部和講評員獲取所有真實(shí)的空中場景信息，用其作為識別方法驗(yàn)證和評判的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，我們假設(shè)航跡識別結(jié)果為三種:正常航跡、虛警航跡或者混批航跡。隨機(jī)選取該次演習(xí)中30批目標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練樣本，再將剩下的所有批次目標(biāo)作為測試樣本，三類傳感器探測情報(bào)已經(jīng)做過預(yù)處理，對同一目標(biāo)已進(jìn)行關(guān)聯(lián)。用前文所述的基本信度分配確定的方法與DS理論相結(jié)合進(jìn)行融合航跡判別，共進(jìn)行50次實(shí)驗(yàn)，航跡判別準(zhǔn)確率結(jié)果如圖2所示，計(jì)算識別準(zhǔn)確率的均值為96．04%、方差為2．65。從識別準(zhǔn)確率來看，該方法在航跡判別方面能達(dá)到較高的識別精度，同時(shí)，方差值2．65也反映了該方法具備穩(wěn)定性，可以達(dá)到較好的航跡識別效果。在接下來的還原過程中，由所有航跡判別為正常的航跡組成的集合就可以初步構(gòu)建出特定時(shí)間段內(nèi)的真實(shí)空中場景。
4證據(jù)沖突時(shí)的處理方法
證據(jù)之間相互沖突時(shí)對辨識正確結(jié)果會產(chǎn)生不利影響。能不能解決好證據(jù)沖突時(shí)的辨識，對實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。很多學(xué)者對此進(jìn)行了重點(diǎn)研究。文獻(xiàn)［6］從證據(jù)理論新的研究方向出發(fā)，提出了一種新的證據(jù)判別方法，通過沖突證據(jù)檢測因子定量描述證據(jù)間的沖突程度，并對其進(jìn)行分類，找出導(dǎo)致高度沖突的根本原因。以此為基礎(chǔ)改進(jìn)了證據(jù)合成公式，對不同類別的證據(jù)采取不同的修正方法。文獻(xiàn)［7］針對DS證據(jù)理論存在的諸如一票否決、證據(jù)沖突過大的問題，提出利用指數(shù)函數(shù)對證據(jù)進(jìn)行重新定義，以避免零焦元元素對融合結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［8］提出運(yùn)用折扣證據(jù)融合規(guī)則合成專家意見實(shí)現(xiàn)權(quán)重和定性指標(biāo)值的確定。文獻(xiàn)［9］通過定義證據(jù)間的沖突因子和證據(jù)間一致性來度量證據(jù)間的相關(guān)度以解決沖突證據(jù)融合問題。以上方法對解決證據(jù)沖突問題都有很好的啟發(fā)。在事后空情場景還原過程中，各情報(bào)源經(jīng)常會出現(xiàn)對目標(biāo)屬性識別的不一致，存在各種程度的沖突情況。比如電子偵察表明有目標(biāo)而預(yù)警雷達(dá)探測表明沒有目標(biāo)。但是在各種探測裝備中，由于各自的工作特點(diǎn)及工作方式，使得某些情報(bào)源的可靠性很高，如二次雷達(dá)/敵我識別器等。因此其關(guān)于目標(biāo)屬性的信息可信度也相應(yīng)很高。
PCR規(guī)則一直被公認(rèn)為是比較有效的處理沖突的組合規(guī)則，它是將沖突信度按照某種比例分配到合成信度上，從而更有效地利用證據(jù)。根據(jù)分配比例的不同，PCR規(guī)則分為PCR1至PCR6規(guī)則。由于PCR6規(guī)則不僅能得到很好的合成結(jié)果，而且在計(jì)算量上比其他PCR系列規(guī)則有優(yōu)勢。我們結(jié)合空情場景還原實(shí)際，采用了一種改進(jìn)的PCR6規(guī)則，充分利用特殊傳感器可靠性高的優(yōu)勢，使可靠性高的情報(bào)源關(guān)于目標(biāo)航跡的基本信度分配的信任度增大，即增大兩信度之間的比值，使大信度對應(yīng)的分配因子增大，小信度對應(yīng)的分配因子減小，從而提高其合成精度。因此，不再完全按照已知證據(jù)得到分配比例，而是對原始分配比例進(jìn)行加權(quán)，權(quán)重為已知信度的函數(shù)。分配比例由已知信度的比值改進(jìn)為已知信度函數(shù)的比值。這樣就結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識考慮了信度的優(yōu)勢，使得信度值越大的證據(jù)比重獲得就越大，就越利于對合成結(jié)果的決策。為了對證據(jù)之間有沖突的情況下識別效果進(jìn)行性能驗(yàn)證，我們選擇使用5類傳感器情報(bào)源，即地面雷達(dá)情報(bào)(m1)、ESM情報(bào)(m2)、二次雷達(dá)情報(bào)(m3)、空基預(yù)警雷達(dá)情報(bào)(m4)和敵我識別情報(bào)(m5)。采用的模型為Shafer模型。為方便起見，假定辨識框架為Θ={N，F(xiàn)，M}，其中N表示正常航跡，F(xiàn)表示虛警航跡，M表示混批航跡。實(shí)驗(yàn)中，5部傳感器獲得的基本信度分配如表1所示，屬于Shafer模型下高沖突情況。為信度函數(shù)次數(shù)增大后，計(jì)算量也隨著增大。實(shí)驗(yàn)中取f(x)=x2，滿足增函數(shù)要求。為進(jìn)行效果比較，對傳統(tǒng)PCR6也進(jìn)行了融合識別，其結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2的識別結(jié)果，改進(jìn)的PCR6規(guī)則融合后該航跡為正常航跡的信度增大，該航跡為虛警航跡和混批航跡的可信度降低，尤其是混批信度降為0．0071，幾乎可以忽略。從對比結(jié)果可以看出改進(jìn)的PCR6規(guī)則的融合優(yōu)于傳統(tǒng)PCR規(guī)則。最后進(jìn)行航跡判別，該航跡屬于正常航跡，也就是說它屬于還原場景中真實(shí)存在的一條航跡。
5結(jié)語
為了解決獲取空中場景這一難題，我們運(yùn)用證據(jù)理論的最新成果，實(shí)現(xiàn)了事后對多傳感器情報(bào)源的證據(jù)生成，并對空中目標(biāo)進(jìn)行了基本信度的分配，在航跡識別結(jié)果為三種的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，達(dá)到了較高的識別正確率。空中場景還原時(shí)經(jīng)過航跡判別和航跡還原兩個(gè)階段，利用探測到的空中目標(biāo)航跡及其他各種證據(jù)進(jìn)行證據(jù)運(yùn)算，在證據(jù)之間有沖突時(shí)采用改進(jìn)的PCR6規(guī)則進(jìn)行識別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能還原證據(jù)低沖突情況下的空中場景，在證據(jù)高沖突時(shí)依然可以較好地還原空中場景。
作者：蔣蘇蓉 藍(lán)江橋 單位：空軍預(yù)警學(xué)院