偵察情報系統效能評估支撐環境的設計與實現

唐世慶，徐夢夏，石志強

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

【后勤保障與裝備管理】

偵察情報系統效能評估支撐環境的設計與實現

唐世慶，徐夢夏，石志強

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

偵察情報系統的效能評估是系統論證、設計、開發、研制和裝備運用必不可少的環節；針對偵察情報系統效能評估，在典型作戰仿真環境基礎上，提出和分析了適用于偵察情報系統仿真平臺的體系結構，結合偵察情報系統的特點對仿真平臺進行了模型擴充，并通過典型系統的效能評估實例驗證了評估支撐環境的有效性。

偵察情報系統；效能評估；仿真環境；仿真模型；高層體系結構

偵察情報系統作為指揮信息系統的組成部分，對于戰場信息采集和態勢感知具有至關重要的作用，其效能的高低直接影響基于信息系統的體系作戰能力生成。偵察情報系統的效能評估，已成為系統論證、設計、開發、研制和裝備運用必不可少重要環節，通過效能評估可以檢驗系統實現預期功能、達到預期效能的程度，分析系統在實際應用中存在的不足，為系統研制或改進提供理論支持和指標數據[1]。

偵察情報系統效能評估的數據來源主要有文檔資料、領域專家評分以及系統仿真試驗等途徑[2]。其中從文檔資料和專家評分中獲得指標數據相對容易，但有些數據只能從實裝試驗試用或仿真試驗中獲取。要獲得系統的仿真試驗評估指標數據，就需要構建系統的效能評估仿真支撐環境，根據作戰想定依托效能評估支撐環境對被評估系統進行仿真試驗，并從試驗中獲取數據進行效能評估。因此，構建適合偵察情報系統效能評估支撐環境，對于系統效能評估具有重要意義。本文在已有仿真環境基礎上進行了二次開發，已滿足偵察情報系統仿真的需要。

1 仿真環境總體分析與設計

1.1 典型作戰仿真平臺

HLA為復雜系統建模和仿真提供了公共技術支撐框架，通常的作戰仿真環境采用基于HLA的仿真平臺。基于HLA的平臺具備開放性、可重用性以及可擴充性，可以滿足不同類型系統的功能完善、系統擴充以及二次開發的需要。典型的作戰仿真平臺體系結構如圖1所示，是具有從系統建模分析到仿真運行功能的一體化作戰仿真平臺。

圖1 典型仿真平臺體系結構示意圖

仿真資源建模工具負責對要仿真的物理實體進行模型構建，并生成具體的模型實例(比如對雷達進行建模，對不同型號的雷達，其屬性賦予不同的值)。在完成建模后，將模型及其實例數據錄入數據庫。此外，仿真資源建模工具還可以將數據庫中的數據導出，以便對模型進行檢查、修改[3,4]。

想定編輯工具利用模型實例生成對象，并對其進行部署。想定編輯工具可以利用仿真資源建模工具提供的模型實例生成對象；也可以通過在實體對象模型中填入具體屬性值生成新的實體模型實例，并由此生成對象；也可對平臺裝備或普通裝備建立新的實體模型，并生成新的模型實例，再生成對象。在這個過程中，有3類對象可操作，分別是設備對象、實體對象以及兵力部署對象。生成對象后，要對其進行活動部署，包括安排每個對象開始工作的時間、投入戰斗的時間、結束戰斗的時間，規劃其任務范圍及行進路線等。完成這些工作后，想定編輯工具可生成一個包括實體集合、想定元數據、聯邦成員部署、環境和模型集合的想定文件[4,5]。

仿真管控成員在想定編輯工具完成想定文件后，從想定文件中提取出聯邦成員部署，選擇加入仿真推演過程的某些仿真成員，控制它們的加入退出、初始化、開始、暫停、繼續和結束。

數據采集成員負責動態的收集RTI總線上的所有數據，并按相應的時序關系排列，記錄到文件中。

仿真平臺中的RTI采用層次式體系結構，它結合了集中式和分布式的優點，不僅易于管理、全局數據維護效率高、數據一致性易保證，而且具有較好的靈活性和可擴展性，該體系結構設立了一個中心RTI服務器，用于執行時間管理服務等全局操作，下設若干子RTI服務器，每個服務器負責一組聯邦成員服務請求，涉及全局操作的請求，由中心RTI服務器協調各個RTI子服務器共同完成。這種結構可以減少全局操作的延遲，提高仿真系統運行效率。對一些局部操作，由RTI的子服務器分散執行，可降低計算的耦合度，從而提高執行效率[2]。

1.2 偵察情報系統效能評估支撐環境結構設計與分析

偵察情報系統效能評估支撐環境可以依托此仿真平臺進行二次開發，以滿足偵察情報系統的仿真需求。在典型仿真平臺的基礎上，加入偵察情報系統仿真成員和效能評估仿真成員，如圖2所示。

圖2 偵察情報系統仿真環境體系結構示意圖

偵察情報系統仿真成員確定偵察情報系統的實體組成，描述系統的行為，明確偵察情報系統仿真成員公布和定購的能力，在效能評估作戰仿真環境聯邦中實現對偵察情報系統行為的仿真，提供作戰條件下偵察情報系統行為狀態參數，為效能評估提供數據。偵察情報系統仿真成員包括作戰行動成員、偵察裝備成員、偵察目標成員[2]。

效能評估仿真成員根據作戰想定運行仿真試驗獲得評估所需的指標數據，結合文檔資料法和專家評定法獲得的數據，對指標數據進行處理后，通過效能計算模塊進行效能評估。效能評估仿真成員具有指標管理功能、評估模型庫管理功能、指標數據獲取處理功能、效能評估計算功能和評估結果分析功能[2,3]。

偵察情報系統仿真成員和效能評估仿真成員通過各自的子RTI服務器和中心RTI服務器與仿真平臺的其他模塊進行數據交流，完成偵察情報系統的仿真數據收集和系統效能評估。

2 偵察情報系統仿真平臺模型擴充

仿真平臺中需要用到戰場環境數據庫、武器裝備性能數據庫以及目標模型數據庫支撐。典型戰術級偵察情報系統中的偵察裝備主要是雷達和光電設備，需要把雷達和光電設備的目標模型數據收入目標模型數據庫中。雷達設備在執行偵察、情報收集等任務時，戰場干擾因素會對偵察結果的精確性產生較大影響，因此，我們對雷達功能仿真建模時應考慮干擾模型。

2.1 目標模型擴充

偵察情報系統主要作用是為獲取戰場目標信息，典型作戰仿真平臺一般包含戰場部分目標模型，但這些模型不是為偵察情報系統效能評估而建，不能滿足偵察情報系統效能評估的需要。戰術偵察情報系統偵察手段主要包括雷達及可見光、紅外等偵察裝備。要仿真評估偵察情報系統的效能，就需要掌握所關心的戰場目標的雷達和光學特性，構建仿真所需的雷達模型和光學模型[2]。

2.1.1 雷達目標模型

雷達目標的特性有電磁散射特性、目標幅度起伏特性、速度特性和目標角閃爍特性等。對雷達目標特性進行仿真建模并構建模型庫，為有效合理地評估偵察情報系統提供支撐。

電磁散射特性常用雷達截面(RCS)描述，它是目標對入射電磁波呈現的有效散射面積，反映目標反射電磁波能力的大小。由雷達方程可知，雷達檢測到的目標回波強度和有效散射面積的大小成正比。RCS的理論計算公式：

其中：Ei為入射電磁波在目標處的矢量電場強度(V/m);Hi為入射電磁波在目標處的矢量磁場強度(A/m);ES為目標散射波在觀察點處的矢量電場強度(V/m);HS為目標散射波在觀察點處的矢量磁場強度(A/m)；R為目標到觀察點的距離(m)。

RCS與目標的幾何和物理參數(目標形狀、結構、尺寸等)、入射電磁波的參數(頻率、波形等)以及目標相對于觀測點的姿態角均有關。RCS的研究包括理論研究和實際測量。理論研究是根據電磁散射理論研究目標產生散射場的各種原理，再通過近似計算和計算機定量估計不同情況下的目標RCS特性。實際測量是通過對各種目標的RCS進行實際測量，獲得大量的目標特征數據，建立目標特性數據庫。可通過理論研究和實際測量相結合的方式建立目標特性數據庫。

2.1.2 光學目標模型

光電目標特性主要包括可見光目標特性、紅外目標特性、激光特性。光電目標的主要特征是它的圖像特征波的發射譜和反射譜特征，是識別光電目標的主要方法。

1) 可見光目標模型。太陽光輻射大部分集中在0.2～4 μm 的可見光光譜區。夜天光主要來自1.5～1.7 μm波長范圍內的大氣輝光，夜間目標和背景的亮度在夜天光照度相同的情況下，取決于各自的反射特性(常用反射比表征)，反射比可分為積分反射比和光譜反射比，其特性受目標或背景的表面狀態、顏色、季節、氣象條件、入射角等影響。軍事目標的反射表面在各個方向的亮度相等并且其亮度轉換系數等于反射比。表1和表2是典型背景和軍事目標的光譜反射比。

表1 典型背景光譜反射比

注：深綠色漆代表坦克、火炮等軍綠色吧；深灰色漆代表飛機、艦船等軍灰色目標

表2 典型軍事目標光譜反射比

注：深綠色漆代表坦克、火炮等軍綠色吧；深灰色漆代表飛機、艦船等軍灰色目標

2) 紅外目標模型。紅外目標的特性參數主要有溫度、尺寸、發射率、反射比和結構等。目標的輻射由兩部分組成：自身輻射和對背景輻射的反射。如果目標為透射體，還應包括背景的投射輻射。目標的溫度升高會產生紅外輻射。

坦克、裝甲車、自行火炮的熱輻射，排氣管溫度約為200～400 ℃，有效輻射面積約為1 m2，全發射功率約為0.99，輻射峰值波長為7.245 μm。

3) 人體的熱輻射。在21 ℃的環境條件下人體皮膚溫度約為32 ℃。對于波長大于4 μm的熱輻射，人體皮膚發射率的平均值可達0.99，幾乎和膚色無關，可視為灰體。裸露的人體有效輻射面積等于人體的投影面積，對于成年男子約為0.6 m2。人體的輻射能的32%在8～13 μm波段，1%在3.2～4.8 μm波段。

依據表1、表2和典型目標的紅外特性，可以建立光電目標的模型，對基本作戰仿真平臺戰場目標模型庫進行擴充。

2.2 干擾模型擴充

雷達仿真建模有雷達功能仿真和相干視頻信號仿真兩種方法，兩種方法的區別在于是否使用雷達信號的相位信息。雷達的功能仿真不使用相位信息，只模擬雷達功能，在系統綜合性能仿真中使用較多，由于本文研究的是偵察情報系統，因此選取雷達的功能仿真方法進行有干擾情況下的雷達建模仿真。雷達的功能仿真法以雷達方程為基礎，設定一個恒定的虛警率，在此虛警率下接收機的信噪比和檢測概率是判定有無目標的依據[6]。

在無干擾條件下，雷達接收到的回波信號的功率PS為

其中，Pt為雷達的發射信號功率；Gt為目標方向上發射天線的增益；Gr為目標方向上接收天線的增益；σ為目標的雷達反射截面積(RCS)；λ為雷達的工作波長；Rt為目標與雷達之間的距離；L為系統損耗。

有干擾情況下，雷達接收到的干擾信號的功率Prj為

2.2.1 自衛式噪聲干擾

自衛式噪聲干擾的干擾機裝在目標上，它的作用是保護目標不被末端防御系統截獲和跟蹤。這種干擾方式是利用欺騙性的干擾直接指向雷達天線的主瓣，以降低干擾功率的要求，并將干擾效果集中在跟蹤雷達方向上。[7]雷達接收到的干擾功率為

接收到的回波功率與無干擾情況下接收到的回波功率相同，同式(1),則接收到的干信比為

在雷達遭受自衛式噪聲干擾時，將目標檢測要求的干信比代入上式可估算雷達與目標間的距離，據此建立干擾模型。

2.2.2 遠距離支援干擾

遠距離支援干擾的干擾機裝在武器系統火力范圍外的大型飛機上，由于無需伴隨攻擊機，因此，干擾系統及平臺具有較好的安全性。遠距離支援干擾分為從主瓣進入和從旁瓣進入。當遠距離支援干擾機與攻擊機位置在同一條直線上隱蔽攻擊機時，干擾從主瓣進入；當遠距離支援干擾機與攻擊機在不同的雷達天線增益上時，干擾從旁瓣進入[8]。干擾從主瓣進入時，干信比為

干擾從旁瓣進入時，干信比為

2.2.3 轉發式干擾

轉發式干擾機接收雷達信號后，進行放大和重發，這種轉發的信后在時間、頻率、幅度和極化上經過適當調制，以達到干擾效果[7]。

假設干擾機接收天線在雷達方向的增益為GJR，轉發器增益為G，干擾機發射天線在雷達方向的增益為GJT，則干擾功率為

目標功率為

則干信比為

2.2.4 應答式干擾

干擾機接收雷達信號后進行儲存，利用儲存的信號采用頻率記憶器件或調諧振蕩器重建干擾信號，使得干擾信號的頻率近似等于輸入的雷達信號頻率。假設干擾機裝載在攻擊機上，那么雷達接收到的應答式干擾功率為

則干信比為

2.2.5 無源干擾

無源干擾是通過鋁箔片或涂覆金屬的塑料條等形成干擾云帶，通過增強反射波進行干擾的情況。無源干擾中所用材料本身不輻射無線電波，其以反射作用來干擾雷達的正常工作。設單根箔條的平均等效面積為，單位體積內箔條數為，雷達分辨體積為，則在雷達分辨體積內，箔條的平均散射面積：

雷達收到箔條云的干擾功率：

則干信比為

可根據不同干擾的特點和其干信比建立干擾環境模型，并錄入偵察情報系統仿真模型庫中。

3 基于仿真平臺的評估實例分析

偵察情報系統仿真平臺系統架構如圖3所示。在偵察情報系統仿真平臺上，首先由仿真資源建模工具建立數據模型庫，并提交給想定編輯工具。想定編輯工具通過實體模型生成對象，并進行兵力部署，產生想定文件。仿真管控成員從想定文件中提取出聯邦成員部署，通過控制仿真成員的活動進行仿真管控，并實時顯示各成員狀態。各工具及成員間動態實時的數據交換均通過RTI軟件完成[4]。

基于偵察情報系統仿真平臺對某型偵察情報系統進行效能評估，由效能評估模塊計算出各單項效能和系統綜合效能為：情報獲取效能E1=0.836 25，情報傳輸效能E2=0.805 35，情報處理效能E3=0.854 55，情報應用顯示效能E4=0.787 85，防護與保障效能E5=0.794 25，系統指控效能E6=0.763 45，系統綜合效能E=0.813 22[2]。

此外，在同一偵察情報系統仿真平臺上也對另一型偵察情報系統進行了效能評估。評估方法與某型系統一樣，采用的評估指標體系、指標權重、指標值獲取方法和評估計算模型均一致，以最大限度保證新型系統與某型系統效能評估結果對比的有效性和可靠性。兩型系統對比結果如圖4所示。

圖4 兩型系統對比結果輸出界面

新型系統無論從設計思想還是技術體制上都明顯優于另一型系統，因此，新型系統性能必然優于另一型系統。通過兩型系統的效能評估結果也可看出，新型系統各單項效能和系統綜合效能都有很大提升。從而證明基于偵察情報系統仿真平臺實現的效能評估是科學合理及有效的，效能評估支撐環境是可行的。

4 結束語

本文分析了現有的典型仿真平臺，并對現有平臺進行了二次開發，提出了適用于偵察情報系統仿真環境的總體設計方案。通過對仿真環境中各成員模塊的分析，展現了偵察情報系統的仿真流程。在此基礎上，為滿足偵察情報系統的仿真需求擴展了目標模型和干擾模型數據庫。最后，利用開發的偵察情報系統仿真平臺對新型、另一型系統進行了效能評估對比，前者因采用新的技術體制效能明顯提升，進而也驗證了效能評估支撐環境的有效性。

[1] 胡玉農，夏正洪，王俊峰，等.復雜電子信息系統效能評估方法綜述[J].計算機應用研究，2009，26(3)：819-822.

[2] 逯剛剛.偵察情報系統效能評估研究[D].北京：裝甲兵工程學院，2010.

[3] 王鵬，劉文甫，歐陽海波，等.基于HLA/Virtools的高炮武器系統仿真平臺設計[J].系統仿真學報，2013,25(8):1940-1946.

[4] 郭強，段濤，黃志宇.基于HLA/RTI作戰單元仿真成員的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2007.

[5] 韓翃，康鳳舉，姚林海.海軍武器系統效能評估仿真系統框架設計[J].火力與指揮控制，2011,36(12):127-133.

[6] 王國玉，江連棟.雷達電子戰系統數學仿真與評估[M].北京：國防工業出版社，2004.

[7] 黃天平，姚益平.高寒山地條件下雷達偵察仿真系統研究[D].長沙：國防科學技術大學研究生院，2005.

[8] 李耀南，張林讓.海用雷達系統仿真與效能評估[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[9] 王小謨，張光義.雷達與探測[M].北京：國防工業出版社，2012.

[10]王洪民，徐丹，楊路剛.HLA體系下的通信電子戰仿真平臺設計[J].艦船電子工程，2010,30(11)：116-143.

[11]鐘珊珊.沖擊線性信號的神經網絡仿真[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2014，31(1)：69-73.

[12]Luay A，Shahram S，and Thomas M.A system thinking approach to cost growth in DoD weapon system[J].IEEE System Journal,2012,6(3)：436-443.

[13]Kelly A，Santiago B and Dimitri N.DoDAF-based system architecture selection using a comprehensive modeling process and multi-criteria decision making[C]//12th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference,2008.

(責任編輯 楊繼森)

Design and Implementation of Effectiveness Evaluation Support Environment of Intelligence Reconnaissance System

TANG Shi-qing, XU Meng-xia, SHI Zhi-qiang

(Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Effectiveness evaluation of reconnaissance intelligence system is the essential link of system demonstration, design, exploitation, development and equipment using. For intelligence reconnaissance system effectiveness evaluation, on the basis of typical combat simulation environment, the architecture, which is applicable to simulation platform of intelligence reconnaissance system, was put forward and analyzed. Then expansion models of the simulation platform were proposed through combining with the characteristics of the intelligence reconnaissance system. And the effectiveness of the evaluation supporting environment was verified by typical system of effectiveness evaluation example.

intelligence reconnaissance system; effectiveness evaluation; simulation environment; simulation model; high level architecture

2015-03-22

軍隊基金項目

唐世慶(1965—)，男，碩士，副教授，主要從事指揮信息系統研究。

10.11809/scbgxb2015.08.017

唐世慶，徐夢夏，石志強.偵察情報系統效能評估支撐環境的設計與實現[J].四川兵工學報，2015(8):67-71.

format:TANG Shi-qing, XU Meng-xia, SHI Zhi-qiang.Design and Implementation of Effectiveness Evaluation Support Environment of Intelligence Reconnaissance System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):67-71.

TP391.9

A

1006-0707(2015)08-0067-05