基于隸屬度與信息熵的空間目標威脅評估*

肖海，劉新學，李斌，王蘊寶

(第二炮兵工程大學，陜西 西安 710025)

基于隸屬度與信息熵的空間目標威脅評估*

肖海，劉新學，李斌，王蘊寶

(第二炮兵工程大學，陜西 西安 710025)

空間目標威脅評估是空間作戰過程中的一個重要環節。結合空間武器對抗的特點，分析了影響空間目標威脅評估的主要因素，構建了空間目標威脅體系和威脅評估示意圖，給出了空間目標威脅評估的指標。在威脅評估依據和原則的基礎上，建立了基于指標隸屬度與信息熵的威脅評估模型。通過實例應用表明，評估模型實現了空間目標威脅評估，為空間作戰的指揮決策提供了依據。

空間目標；威脅評估；隸屬度；信息熵

0 引言

近些年來，隨著航天技術的快速發展和廣泛應用，主要航天大國圍繞空間戰略資源和戰略利益的爭奪日益激烈，空間軍事化進程加快，空間對抗武器裝備相繼出現并迅速發展，針對空間系統的攻擊實驗頻繁進行[1]，因此，空間軍事對抗成為了必須關注的一個問題。

空間軍事對抗是一種全新的作戰模式，無論是進攻性作戰還是防御性作戰，空間目標的威脅評估都是其中一個重要環節，科學地進行空間目標的威脅評估以合理安排作戰攔截順序或者火力支援順序，盡可能的攔截或殺傷目標，從而提高空間作戰和防御的效率，有利于快速準確地判斷和科學區分敵情威脅，為指揮者進行防御指揮決策提供支持。

空間目標威脅評估本質上是多指標決策問題，文章首先根據空間目標特性得出目標的評價指標，然后基于指標的威脅隸屬度得到指標矩陣，應用信息熵得到空間目標的指標權重，最后建立指標優化函數，得出目標的威脅排序，即實現空間目標的威脅評估。

1 空間目標威脅評估的指標

依據美軍作戰條令，航天武器裝備受到的威脅主要有竊取、截獲和利用空間信息、信息欺騙、電子戰、物理損傷和摧毀等幾種情況[2-3]，結合空間武器作戰過程可以總結出空間目標威脅體系構成如圖1所示。

圖1 空間目標威脅體系Fig.1 Threat system of space targets

空間目標的威脅程度主要由空間武器系統遂行的作戰任務及空間目標的特性所決定，對其進行評估是一個極為復雜的問題，要考慮的因素眾多。根據圖1中的空間目標威脅體系進行分析，可認為空間目標威脅由空間目標實體、威脅意圖、威脅能力以及威脅環境3個指標共同作用而成[4]，其威脅評估示意圖如圖2所示。

威脅目標的特征要素主要包括目標的尺寸大小、質量性狀、輻射特征以及運動姿態等；威脅意圖主要考慮作戰計劃以及作戰目標的要求，同時也應當考慮目標的飛臨攻擊范圍的時間、飛行速度、飛行方向以及航路捷徑；威脅能力主要考慮武器目標類型、攻擊范圍、電磁干擾等；威脅環境主要考慮目標所在的空間自然環境、國際武器條約以及武器部署等。

圖2 威脅評估示意圖Fig.2 Threat assessment diagram

由于在實際空間作戰中，對方信息無法完全獲取，因素之間關系復雜且有些因素只能定性給出，若要全面合理地考慮眾多因素，給出威脅程度與各種因素之間的函數關系十分困難，因此，在滿足一定實時性和準確度要求的前提下，根據實際情況選取目標類型、目標速度、電磁干擾、目標距離、航路捷徑、目標相對高度、預警情報、機動特征等八個方面來刻畫空間目標的威脅程度。下面建立數學模型對空間目標的威脅程度進行評估。

2 威脅評估模型

2.1 威脅評估的依據和原則

威脅判斷基本準則為：上級指示的目標始終作為威脅程度最大的目標；目標速度越大，目標威脅程度越大；航路捷徑越小，目標威脅程度越大；機動比不機動威脅程度大，機動與不機動2種特征的威脅程度權系數為：c1,c2，并且滿足：c1+c2=1；有預警情報比無預警情報威脅程度大，2種特征的威脅程度權系數為：d1,d2，并且滿足：d1+d2=1；電磁干擾能力的量化可采用G A Miller提出的1～9標度法進行量化，1～9分別表示電子干擾能力極弱、非常弱、較弱、弱、一般、強、較強、非常強、極強[5]。考慮指標集D中各指標的特點，若量化值越大，威脅程度越大，則記為效益型指標D1；若量化值越小，威脅程度越大，則為成本型指標D2[6-7]。

2.2 指標的威脅隸屬度矩陣

空襲目標威脅評估是多指標決策問題[8-9]，首先建立多指標的威脅隸屬度矩陣，設威脅目標集為T={t1,t2,…,tn}，威脅指標集為D={d1,d2,…,dm}。根據給定的情報知識，可得指標特征矩陣X為

X=(xij)m×n,

式中：xij為第j個目標對應的第i類指標。

令

(1)

為了進行威脅評估并消除不同物理量綱對評估結果的影響，對矩陣(xij)m×n作規格化處理[10]：

(2)

得到新的指標的威脅隸屬度矩陣R=(rij)m×n，rij稱為目標j的第i個指標的威脅隸屬度。顯然，當xij=di時，rij=1，表示對于第i個指標，目標j的威脅程度最大。當xij=ei時，rij=0，rij=0表示對于第i個指標，目標j的威脅程度最小。

2.3 利用信息熵確定指標權重

(1) 對矩陣R按行作歸一化處理：

(3)

(2) 計算威脅屬性的信息熵[11-12]

(4)

(5)

2.4 威脅程度評估函數

設uj表示目標的威脅隸屬度，為求得uj的最優值，構造目標函數：

(6)

(7)

由式(7)可求得u1,u2,…,un，按降序排列為

uj1≥uj2≥…≥ujn.

(8)

則有序集{j1,j2,…,jn}對應于n個目標的威脅排序。

若ujp=ujq(jp≠jq)，可根據戰術原則增設一些排序準則。如考慮具有最大權的指標i1，若ri1jp>ri1jq，則目標jp排在目標jq之前；若ri1jp=ri1jq，可類似比較其他指標的威脅隸屬度。

3 實例應用

設情報知識給出的10個空間目標分別如圖1所示，威脅指標集為第2節給出的8個方面，給出其目標速度、目標相對高度目標距離、航路捷徑、電磁干擾、預警情報、機動特征的數據如表1所示。認為機動和不機動特征威脅權重系數為(0.7，0.3)；有、無預警情報的威脅權重系數為(0.8， 0.2)。根據上述威脅評估模型評估給定條件下的10個空間目標的威脅程度排序。

表1 威脅目標知識數據Table 1 Threat target knowledge data

表1中的指標集中，前3項為效益型指標，后5項為成本型指標，因此，根據式(2)可以得到指標特征矩陣：

將指標特征矩陣規范化后得到決策矩陣：

利用信息熵確定威脅指標的權重為

ω=(0.044,0.247,0.101,0.094,0.07,0.087,0.15,0.207).

令p=1，利用式(6)和式(7)計算后得到威脅程度為

U=(0.091,0.07,0.074,0.128,0.092,0.161,0.083,0.11,0.123,0.068).

如圖3蛛網圖所示。

圖3 空間目標威脅程度評估示意圖Fig.3 Space targets threat assessment diagram

由圖3可知，目前狀態下第6個目標戰術核武器的威脅最大，而第10個目標衛星采用的伴星技術則威脅最小。

4 結束語

空間目標安全威脅評估是空間作戰應用中十分關鍵的一個環節，涉及的不確定因素較多，因此，應當考慮空間目標威脅評估穩定性和可靠性。本文在詳實分析空間目標類型及其威脅指標的基礎上，利用威脅隸屬度及信息熵方法建立了威脅評估模型，并通過實例證明了模型的合理性。本文為科學地評估空間目標威脅程度提供了依據，為防御決策提供了參考。

[1] 曹裕華，馮書興，管清波，等. 航天器軍事應用建模與仿真[M].北京：國防工業出版社，2010. CAO Yu-hua , FENG Shu-xing, GUAN Qing-bo, et al. The Modeling and Simulation of Spacecraft Military Applications [M].Beijing:National Defense Industry Press, 2010.

[2] 劉進軍. 空間戰場威脅評估方法研究[D]. 長沙：國防科學技術大學，2008. LIU Jin-jun. Research on the Method of Space Battlefield Threat Assessment [D].Changsha: National University of Defense Technology , 2008.

[3] 趙新國. 美軍新概念作戰研究[J]. 裝備學院學報，2012,23(5):1-4. ZHAO Xin-guo. The New Concept of Operations Research [J]. Equipped with college journals, 2012,23(5):1-4.

[4] 雷英杰．基于直覺模糊推理的態勢與威脅評估研究[D].西安：西安電子科技大學，2005. LEI Ying-jie. Research on the Situation and Threat Assessment Based on Intuitionist Fuzzy Reasoning [D].Xi′an: Xi′an University of Electronic Science and Technology,2005.

[5] 王還鄉，李為民，劉東峰. 新型空天威脅目標防御難點及對策分析[J]. 航天制造技術，2011,56(3):46-50. WANG Huan-xiang, LI Wei-min, LIU dong-feng. The Threat Defense Difficulty and Countermeasure Analysis of New Type Space Target [J]. Aerospace manufacturing technology, 2011, 56 (3):46-50.

[6] 黃文斌，伍之前， 陳顏輝. 基于屬性優先級的空中目標威脅評估模型[J]. 艦船科學技術，2010,32(9):59-62. HUANG Wen-bin, WU Zhi-qian, CHEN Yan-hui. The Air Targets Threat Evaluation Model Based on Attribute Priority [J]. Journal of Marine science and technology, 2010,32(9):59-62.

[7] LI Dan,YU Xiao-hong, YUAN Su-yi. Research on Target Assignment Method Based on Discrete Fuzzy Dynamic Bayesian Network [J]. System Simulation Technology & Application，2011,41(13):1150-1154.

[8] XU Yong-jie,WANG Yong-chun,MIU Xu-dong. Multi-Attribute Decision Making Method for Air Target Threat Evaluation Based on Intuitionistic Fuzzy Sets [J]. Journal of Systems Engineering and Electronics，2012,23(6): 891-897.

[9] 徐長江，王樂群. 基于不確定多屬性決策的空中目標威脅評估技術[J]. 現代防御技術，2009,37(2):5-9. XU Chang-jiang, WANG Le-qun. The Air Targets Threat Evaluation Technology Based on Uncertain Multiple Attribute Decision [J]. Modern Defense Technology, 2009, 5(2):5-9.

[10] 孫海永，陳陽曄，韓會剛. 基于灰色聚類的空襲目標威脅評估與排序[J]. 空軍雷達學院學報，2011,25(5):355-361. SUN Hai-yong, CHEN Yang-ye, HAN Hui-gang. The Targets Threat Assessment Based on Grey Clustering and Ordering [J]. Journal of Air Force Radar College Journals，2011,25(5):355-361.

[11] 童奇，童中翔，谷向東，等. 基于信息熵的空戰目標威脅評估[J]. 數學的實踐與認識，2011,41(6):144-149. TONG qi, TONG Zhong-xiang, GU Xiang-dong，et al. The Air Targets Threat Evaluation Based on the Information Entropy [J]. Journal of Mathematics Practice and Understanding, 2011,41(6):144-149.

[12] 王越，趙凱，翟二寧，等. 信息熵和主觀偏好綜合的空襲目標威脅評估[J]. 火炮發射與控制學報，2013,3(1):85-88. WANG Yue, ZHAO Kai, ZHAI Er-ning, et al. The Targets Threat Assessment Based on Subjective Preference Information Entropy and Comprehensive [J]. Journal of artillery Launch and Control, 2013,3(1):85-88.

Threat Assessment of Space Target Based on the Degree of Membership and the Information Entropy

XIAO Hai，LIU Xin-xue，LI Bin，WANG Yun-bao

(The Second Artillery Engineering University,Shaanxi Xi’an 710025,China)

To assess the threat of space targets is an important part of space combat. Combined with the characteristics of space combat, the primary factors affecting the threat of space target are analyzed, the space targets system and threat assessment sketch map are built, and the space target threat assessment indexes are given. The threat assessment model is established on the basis of the basis and principle of threat assessment, which is based on the degree of membership and the information entropy. Finally, a numerical example is given to show that the model achieves the quantitative analysis of the space targets threat assessment and provides the foundation for making decision in space war.

space targets; threat assessment; membership degree; information entropy

2014-05-18；

2014-07-10

肖海(1987-)，男，湖南婁底人。博士生，研究方向為軍事運籌學。

通信地址：710025 陜西省西安市灞橋區同心路2號2906分隊 E-mail：18082229740@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.005

E917

A

1009-086X(2015)-04-0025-05