坦克目標(biāo)偵查模型的建立與仿真

馬也

摘 要：本文通過分析影響坦克搜索發(fā)現(xiàn)識別目標(biāo)的因素，利用層次分析法（AHP）分析得出坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)與環(huán)境因素、觀瞄裝置及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)、目標(biāo)特征、偵察條件的關(guān)系，得出最主要的影響因素--目標(biāo)特征。然后通過建立坦克內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的模型，得出發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，利用基于微多普勒技術(shù)的目標(biāo)識別技術(shù)提取目標(biāo)參數(shù)，對目標(biāo)進行識別。最后考慮坦克通視率和環(huán)境參數(shù)等因素，建立兩坦克之間相互發(fā)現(xiàn)模型。將建立的偵察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型在坦克對抗系統(tǒng)中進行仿真試驗，得到符合戰(zhàn)場實情的有效仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：層次分析法；發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型；發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率；仿真試驗；模型可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.218

1 引言

當(dāng)今世界，面臨著高技術(shù)戰(zhàn)爭和非傳統(tǒng)安全雙重威脅，提高部隊?wèi)?zhàn)斗能力是有效應(yīng)對各種威脅和挑戰(zhàn)的前提，軍事訓(xùn)練是提供部隊?wèi)?zhàn)斗能力重要途徑，世界各國軍隊都在加強現(xiàn)代軍事訓(xùn)練的探索和研究。由于處在和平時期，我們很難像過去那樣“從戰(zhàn)爭中學(xué)習(xí)戰(zhàn)爭”，同時傳統(tǒng)的大規(guī)模軍事演習(xí)不僅要受到政治環(huán)境和經(jīng)濟條件的約束，而且對演習(xí)場所、管理調(diào)度和安全保密等方面提出了較高的要求。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)等仿真技術(shù)的興起，仿真訓(xùn)練已逐漸成為訓(xùn)練部隊、提高軍隊?wèi)?zhàn)斗力的重要工具，利用計算機仿真技術(shù)對系統(tǒng)建模仿真模擬訓(xùn)練和對抗，已成為一種經(jīng)濟、有效的部隊訓(xùn)練方式?！皬南到y(tǒng)中構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型，在仿真中模擬訓(xùn)練”已成為現(xiàn)實中常用的方法。因此一個新興的研究領(lǐng)域--計算機生成兵力（Computer Generate Force，以下簡稱CGF）應(yīng)運而生。計算機生成兵力通過對武器裝備和人員的建模，增強參訓(xùn)人員的參與感、體驗感，提高訓(xùn)練效果，減少訓(xùn)練費用和時間場地限制，并為軍隊的裝備訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)開發(fā)、武器系統(tǒng)先期概念、需求論證及研制等提供支持。

地面活動目標(biāo)在我們的生活中普遍存在，例如人與車輛等目標(biāo)都屬于此類。在戰(zhàn)場上的敵軍、卡車、坦克等目標(biāo)也屬此類，它們的識別都具有重要的作用和意義。在戰(zhàn)場上，實時識別探測到的目標(biāo)屬性，對戰(zhàn)場的作戰(zhàn)指揮顯然極為有利?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭具有態(tài)勢變化快，作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜等特點。在陸地戰(zhàn)場上，坦克是的主要的突擊作戰(zhàn)武器之一，它具有強大的直射火力，它的主要任務(wù)是用于與對方的坦克和其他裝甲車輛作戰(zhàn)，用于壓制和消滅反坦克武器，摧毀敵野戰(zhàn)工事。坦克主要以火力完成任務(wù)，要想摧毀敵目標(biāo)，首先必須要偵查目標(biāo)進而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目標(biāo)識別是戰(zhàn)場作戰(zhàn)的基本前提，指揮員在識別敵我目標(biāo)之后，確定目標(biāo)的類型和目標(biāo)位置等參數(shù)，繼而下達攻擊命令，火力系統(tǒng)在得到各種目標(biāo)參數(shù)后才能準(zhǔn)確的擊中目標(biāo)。

在現(xiàn)代作戰(zhàn)仿真中，坦克是重要的建模對象，其行為復(fù)雜導(dǎo)致有多種建模方式。從坦克的構(gòu)造及功用來看，坦克模型主要由發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型、目標(biāo)特征識別模型、行動模型、火力模型和通信模型等組成。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是坦克火力打擊的前提，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型是坦克模型中需要考慮的首要模型。建立發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后對目標(biāo)進行識別和特征分析是在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型的基礎(chǔ)上建立的。如何建立可行的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型是核心的問題。實際戰(zhàn)場環(huán)境中存在的各種各樣的不可控的影響因素，如地形地貌，天氣氣候等，哪些因素對我們的建立的模型影響較大，哪些因素影響較小？如何去評價和判斷？根據(jù)戰(zhàn)場的實際對抗系統(tǒng)，我們又需要建立怎樣的數(shù)學(xué)模型，使得復(fù)雜的戰(zhàn)場因素量化，得到可分析的處理數(shù)據(jù)？另外，如何識別目標(biāo)特征并確認目標(biāo)身份，識別敵我？

2 問題的分析

針對上述問題，我們根據(jù)提供的命題對其目的進行分析。命題的目的是建立兩輛坦克相互觀察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型，而后建立計算機程序，使其能進行偵察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的仿真試驗，最后對試驗結(jié)果進行分析。

通過觀察目的，得出影響坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的相關(guān)因素。坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響因素主要有環(huán)境影響因素、觀察儀器設(shè)備性性能因素、目標(biāo)特性、偵查條件等等。通過層次分析法，羅列出在坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的模型中各種因素的條件和變化情況，并對各影響因素進行比較、判斷、評價、作出決策，得出各影響因素在建立發(fā)現(xiàn)模型中所占的比例，進而分析出主要影響因素，為后面建立的模型需要考慮的要素提供理論基礎(chǔ)。得出主要影響因素后，我們從主要因素出發(fā)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。本文建立與坦克車內(nèi)利用瞄準(zhǔn)鏡搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率數(shù)學(xué)模型，進而研究影響發(fā)現(xiàn)率的因素。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，通過基于微多普勒特征的坦克目標(biāo)參數(shù)估計對目標(biāo)進行身份識別，判斷目標(biāo)類型和敵我屬性。最后將建立的坦克發(fā)現(xiàn)模型進行仿真實驗，并結(jié)合“人在環(huán)”實驗數(shù)據(jù)相驗證，得出其可靠性。

本文研究在坦克車內(nèi)用瞄準(zhǔn)鏡發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，從而建立發(fā)現(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率的數(shù)學(xué)模型。通過建立的數(shù)學(xué)模型，模擬坦克在實際戰(zhàn)斗中搜索目標(biāo)，識別目標(biāo)的過程，以相同的某型坦克參數(shù)為輸入條件，在不同植被和不同能見度的條件下，使用不同倍率的觀察鏡進行仿真實驗，在機動中觀察搜索進行仿真實驗評估，驗證模型建立的準(zhǔn)確性，進而為火力打擊摧毀目標(biāo)，完成戰(zhàn)斗任務(wù)提供支持和保證。

3 模型的假設(shè)

（1）假設(shè)坦克高3米

（2）瞄準(zhǔn)鏡距水平面高為h，與目標(biāo)水平距離為d；

（3）目標(biāo)尺寸較d?。?/p>

（4）發(fā)現(xiàn)率與目標(biāo)在觀察點所成的立體體角成正比，則發(fā)現(xiàn)率為f，f=。

4 模型的建立及求解

根據(jù)以上分析，兩坦克相互觀察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型建立總體設(shè)計思路如下：為了完整仿真發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的全過程，將模型分為四個部分。

（1）影響坦克搜索發(fā)現(xiàn)識別目標(biāo)的因素很多，為了尋找各因素統(tǒng)計分析的價值，使用層次分析法進行一致性檢驗。

（2）針對坦克是否能識別及發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，建立坦克車內(nèi)用瞄準(zhǔn)鏡搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)判斷概率的數(shù)學(xué)模型。

（3）在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，對目標(biāo)進行類別，特征分析，建立基于微多普勒數(shù)學(xué)模型的坦克身份識別。

（4）總結(jié)分析上訴三個模型，建立兩坦克相互觀察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)模型，使其能夠滿足偵查發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的仿真試驗。

4.1 基于層次分析法的坦克搜索識別目標(biāo)影響因素分析

坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響因素很多，有環(huán)境影響因素，觀瞄裝置及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)，目標(biāo)的特征，偵查的條件。因素中還有多種條件，環(huán)境因素中有地形，植被，能見度。每個因素的變化情況也不同，例如環(huán)境因素中的地形有城市，叢林等。

各種因素的每種條件和變化情況在坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的模型中都要考慮，例如考慮5個因素的4種可變情況，將有中組合，每個組合需要數(shù)百乃至數(shù)千次的試驗，才能得到可靠有價值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)反映出數(shù)據(jù)的規(guī)律性?？紤]到現(xiàn)實因素，每種情況都試驗較為復(fù)雜，也難以完成。為了減少試驗次數(shù)，對各影響因素進行比較、判斷、評價、作出決策。提高模型建立的準(zhǔn)確性和快速性，使用層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）進行模型建立、求解及評定分析影響因素，規(guī)劃設(shè)計有重點，有主次，有針對性的試驗。坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響因素集：

，其中，：環(huán)境影響因素，：觀瞄裝置及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)，：目標(biāo)特征，：偵察條件。

現(xiàn)針對目標(biāo)與各影響因素的關(guān)系，進行分層，確定目標(biāo)層與準(zhǔn)則層，構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)。圖1如下：

通過經(jīng)驗判斷四個影響因素的相對重要程度，根據(jù)判斷矩陣元素標(biāo)度方法表將四類因素對坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響構(gòu)成成對比較矩陣：

因此，坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響因素與環(huán)境影響因素、觀瞄裝置及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)、目標(biāo)特征、偵察條件的關(guān)系可以表示為：

由上式可以看出，坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響因素與環(huán)境影響因素、觀瞄裝置及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)、目標(biāo)特征、偵察條件成線性關(guān)系，且目標(biāo)特征影響最大，觀瞄裝置及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)較大，偵察條件次之，環(huán)境影響因素最小。

4.2 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率模型

將一個地區(qū)內(nèi)地形的變化對視線覆蓋率的影響表示為隨機過程，根據(jù)此隨機目標(biāo)視線覆蓋率判斷過程的特性參量，求出該地區(qū)的平均視線覆蓋率，平均視線覆蓋率是典型地形視線覆蓋率的統(tǒng)計平均值，如表2所示。

坦克在戰(zhàn)斗過程中，坦克內(nèi)戰(zhàn)斗人員通過望遠鏡，紅外夜視儀等裝置搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，目標(biāo)的概率有很多因素。第n次觀測的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率為為：

其中為單獨第i次觀測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)率。假設(shè)目標(biāo)偏離視線的角度在垂直方向的偏向角為、水平方向的偏向角為。則每次觀測的有效立體角為。

假設(shè)搜索時觀察者眼睛處所的立體角為，搜索者不了解目標(biāo)具體的位置，且目標(biāo)的有效觀察立體角與視線方向無關(guān)。則隨機指向內(nèi)的單次觀測目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率將是一個常數(shù)，大小由確定。

由于上述各種因素對發(fā)現(xiàn)概率的影響，要判斷目標(biāo)成功被發(fā)現(xiàn)還要考慮地形視線覆蓋率和戰(zhàn)場環(huán)境系數(shù)等。則坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，其中，為觀察系統(tǒng)對目標(biāo)的視線覆蓋率，可表示為：

其中K為戰(zhàn)場環(huán)境系數(shù)體現(xiàn)了環(huán)境、煙霧、灰塵等因素的綜合影響，不同的戰(zhàn)場環(huán)境，K的取值是不同的；Q為地形視線覆蓋率；L為能見度限定值；X為觀察者與目標(biāo)間的距離。由此，當(dāng)時（為某一定值）則認為目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)。

5 仿真結(jié)果與模型驗證

5.1 基于層次分析法的坦克搜索識別目標(biāo)影響因素分析

仿真界面如圖2所示，在該仿真界面中有兩個輸入要素：地形因素，掃描距離因素。地形因素分析主要分為四種，當(dāng)輸入s=1時，表示環(huán)境地形為平坦地形；當(dāng)輸入s=2時，表示環(huán)境地形為丘陵地形；當(dāng)輸入s=3時，表示環(huán)境地形為較低山地；當(dāng)輸入s=4時，表示環(huán)境地形為中等山地。輸入地形參數(shù)的框格中只能輸入1、2、3、4四個數(shù)字。掃描距離為坦克觀察設(shè)備的掃描半徑，即掃描視場范圍。輸入地形參數(shù)和輸入距離后，根據(jù)論文中的數(shù)據(jù)和編寫的matlab程序，點擊開始按鈕，得出發(fā)現(xiàn)概率及是否能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)兩個輸出結(jié)果。

該次仿真表示在平坦的地形環(huán)境中，掃描距離為500m的仿真結(jié)果，得到坦克發(fā)現(xiàn)概率為0.63837，大于預(yù)設(shè)的概率p0，p0是根據(jù)數(shù)據(jù)表中的多次統(tǒng)計數(shù)據(jù)得來的，所以本次仿真結(jié)果為可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

通過多次輸入數(shù)據(jù)仿真，我們可以得到大量的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并分析，可以得出在平坦的地面上能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的臨界距離約為2500m，在丘陵的地形上能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的臨界距離約為1900m，在較低山地的地形上能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的臨界距離約為1300m，在中等山地的地形上能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的臨界距離約為1000m。

5.2 坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)仿真試驗與模型驗證

（下轉(zhuǎn)第256頁）（上接第250頁）

根據(jù)湯再江教員在系統(tǒng)仿真學(xué)報中發(fā)表的文獻《坦克CFG發(fā)現(xiàn)目標(biāo)過程的建模和仿真》，利用坦克對抗仿真系統(tǒng)進行仿真試驗。

試驗以相同的坦克參數(shù)為輸入條件，在不同植被、不同能見度條件下，使用不同倍率的觀察鏡進行試驗。通過對抗1000次試驗的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離結(jié)果數(shù)據(jù)，再用spass軟件統(tǒng)計，實驗得到平坦地形中坦克發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的平均距離為2130m，即在平坦的地形中能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的臨界距離為2130m。和仿真結(jié)果相比，在平坦的地面上能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的臨界距離約為2500m，試驗和仿真數(shù)據(jù)較為吻合。同樣在丘陵、較低山地、中等山地的地形上進行試驗，同時和仿真數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)都較為吻合。

通過“人在環(huán)”坦克模擬器對抗試驗系統(tǒng)，試驗和前面相同或相當(dāng)進行試驗。坦克型號相同，在較平坦地、丘陵、較低山地、中等山地等地形上進行對抗試驗，模擬100次，平坦地地形發(fā)現(xiàn)目標(biāo)平均距離2311m，均方差550.73m；丘陵地地形發(fā)現(xiàn)目標(biāo)平均距離為1943m，均方差為340.47m；較低山地地形發(fā)現(xiàn)目標(biāo)平均距離1504m，均方差為427.65m；中等山地地形發(fā)現(xiàn)目標(biāo)平均距離978m，均方差為387.65m。兩者實驗數(shù)據(jù)結(jié)果較為吻合。

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