基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法*

陳致遠，沈堤，余付平，譚芮鍶，楊天雨，黃益恒

（1.空軍工程大學(xué) 空管領(lǐng)航學(xué)院，陜西 西安 710051；2.中國人民解放軍32145 部隊，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

近幾場局部戰(zhàn)爭表明，敵我雙方往往會在某一地域空間內(nèi)采取多種手段進行激烈的對抗，使得現(xiàn)代戰(zhàn)場呈現(xiàn)出了多維立體的態(tài)勢。特別是在戰(zhàn)場空域的使用上，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的空域使用者除了敵我雙方的戰(zhàn)斗機、直升機、無人機等作戰(zhàn)航空器外，還包括了導(dǎo)彈、高射炮等對空武器裝備，以及火箭彈、榴彈炮等地面間瞄火力裝備，涵蓋海陸空等各類作戰(zhàn)平臺。隨著越來越多的用空武器裝備的使用，使得有限的戰(zhàn)場空域資源愈發(fā)緊張，極大地增加了飛行沖突和誤擊誤傷風險。如何在錯綜復(fù)雜的戰(zhàn)場中保護我方高價值目標，最大程度的減少誤擊誤傷，提高對戰(zhàn)場空域內(nèi)航空活動的管理能力和聯(lián)合作戰(zhàn)效能，首先需要解決的就是空中目標敵我識別的問題，只有準確識別每個在空目標的敵我屬性，才能為防空決策的制定提供依據(jù)，從而達到預(yù)期的作戰(zhàn)目的。

為實現(xiàn)上述目的，大量專家學(xué)者進行了研究。經(jīng)歸納梳理，這些研究可以分為“理論研究”、“算法研究”、“裝備研究”3 個方面。其中，理論研究主要從具體實際出發(fā)，提出在進行敵我識別時，除了使用敵我識別器（identification friend of foe，IFF）外，還要充分考慮上級命令、飛行計劃等開源情報信息的作用，力求擴大敵我識別的信息來源，減少誤判風險。具有代表性的有王君［1］、張志強［2］、崇元［3］等提出的敵我識別理論模型；算法研究主要考慮在目標各項數(shù)據(jù)已知的情況下，如何使用算法工具提高數(shù)據(jù)處理能力，力求從信息處理層面獲取較為可靠的結(jié)果。目前常用的算法工具主要有多源信息融合［4］、人工智能［5］、模糊理論［6］等；裝備研究則立足于提高敵我識別裝備的技戰(zhàn)術(shù)性能，力求在復(fù)雜態(tài)勢下也可以較好的探測到空中目標信息并進行準確識 別。具有代表性的是Lee［7］、Akkarat［8］、李 天 琪［9］等對雷達和IFF 的識別性能進行的改進研究。

總體看，以上研究分別從不同方面提高了空中目標敵我識別的能力，但是這些研究更多是關(guān)注敵我識別的本身，未對敵我識別與戰(zhàn)場空域管理活動的內(nèi)在聯(lián)系進行深入探索，不滿足未來聯(lián)合作戰(zhàn)的需求，限制了聯(lián)合作戰(zhàn)效能的提升。

基于上述考慮，以美軍在戰(zhàn)場空域控制方面的先進做法為參考［10］，結(jié)合我國研究實際［11］，提出了一種基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法。該方法以提升聯(lián)合作戰(zhàn)效能為牽引，深入研究戰(zhàn)場空域控制體系下的空中目標敵我識別活動，實現(xiàn)了敵我識別與空域控制、空中交通管制、防空作戰(zhàn)的有機結(jié)合。能夠在保證精確識別空中目標敵我屬性的同時，促進空域管理活動的有效實施，提高空域資源使用效率，降低誤擊誤傷風險。

1 戰(zhàn)場空域控制的基礎(chǔ)理論

自1918 年的默茲—阿爾貢戰(zhàn)役開始，美軍針對近距空中支援實施中暴露的問題，開始進行陸空一體化作戰(zhàn)的研究工作［12］。以1926 年美軍頒布的440-15 號條令為標志［13］，美軍開始對戰(zhàn)區(qū)空域控制進行探索。經(jīng)過近90 年的理論研究和實戰(zhàn)檢驗，美軍于2014 年頒布了第三版聯(lián)合條令JP3-52《Joint airspace control》［14］，標志 著美軍戰(zhàn)場 空域控制體系的完善。

1.1 戰(zhàn)場空域控制的基本內(nèi)涵

隨著戰(zhàn)場上各類用空活動的實施，使得有限的空域資源日趨緊張，制約作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，因此必須對空域進行管理。基于此，美軍提出了“戰(zhàn)場空域控制”的理念［15］，即通過對空域用戶施加最少的限制條件，以實現(xiàn)安全高效的使用戰(zhàn)場空域使用。在組織體系方面，美軍主要指定聯(lián)合空中組成部隊指揮官同時擔任聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮官、區(qū)域防空指揮官和空域控制官，實現(xiàn)三者職能的有機統(tǒng)一，并依托戰(zhàn)區(qū)空地系統(tǒng)（theater air-ground system，TAGS）［16］實施戰(zhàn)場空域控制。在運行標準方面，美軍通過頒布多軍種戰(zhàn)術(shù)技術(shù)條令［17］統(tǒng)一了控制程序和術(shù)語，對戰(zhàn)場空域控制進行了規(guī)范。通過上述形式，美軍對空域控制、防空作戰(zhàn)、空中交通管制進行整合，促進彼此間的互聯(lián)互通，減少了用空矛盾，降低了誤擊誤傷風險。

1.2 戰(zhàn)場空域控制的作戰(zhàn)任務(wù)

為促進聯(lián)合作戰(zhàn)效能提升，在實施戰(zhàn)場空域控制時需完成以下3 種作戰(zhàn)任務(wù)［18］：

（1）空情識別任務(wù)。即在確保同防空識別要求一致的前提下，依托空域控制程序輔助識別出空中目標的敵我屬性，并評估其對己方的威脅程度。通過這種方式，可以為指揮官提供準確的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，有利于制定防空作戰(zhàn)決策和實施空域控制。

（2）作戰(zhàn)管制任務(wù)。即根據(jù)聯(lián)合空中作戰(zhàn)計劃（joint air operations plan，JAOP）和 空域控制計劃（airspace control plan，ACP），對航空器實施指揮控制與引導(dǎo)，同時對防空兵、野戰(zhàn)炮兵、艦艇等部隊的用空火力活動進行監(jiān)管調(diào)控，及時消除彼此間的用空沖突，減少作戰(zhàn)限制。

（3）航路管制任務(wù)。即對民航和沒有任務(wù)的軍航進行空中交通管制。平時，航路管制和作戰(zhàn)管制任務(wù)并行推進，互相掌握計劃和動態(tài)，確保飛行秩序通暢。戰(zhàn)時，應(yīng)由戰(zhàn)場空域控制部門統(tǒng)一進行管制調(diào)控。無論何時，航路管制都應(yīng)服從于作戰(zhàn)管制，確保二者有機結(jié)合共同提高聯(lián)合作戰(zhàn)效能。

1.3 戰(zhàn)場空域控制的實施方法

美軍為確保戰(zhàn)場空域控制的抗干擾性和可持續(xù)性，通常采用主動與程序相結(jié)合的方式實施空域控制［19］，如圖1 所示。

圖1 空域控制方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of airspace control method

主動控制是指空域控制部門通過IFF、雷達、通信系統(tǒng)［20］等手段，與空域用戶建立連接，對其進行定位識別，并主動對其用空行動進行控制。

程序控制是指空域控制部門通過空域控制計劃對各類空域進行預(yù)先籌劃，并通過頒布空域控制指令（airspace control order，ACO）的形式對用空行動進行程序控制。目前美軍的程序控制措施有空域協(xié)同措施、火力支援協(xié)調(diào)措施、機動控制措施、空中交通管制措施、空中基準措施、防空措施、海上防御措施等7 類95 種［21］。

在進行戰(zhàn)場空域控制時，既要發(fā)揮主動控制高效靈活的優(yōu)勢，積極對用空行動進行控制；也要發(fā)揮程序控制通用可靠的優(yōu)勢，一是為主動控制能力薄弱的區(qū)域提供支撐，二是作為備用手段，避免敵方壓制導(dǎo)致的主動控制失效。

2 基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法

根據(jù)前面介紹可知，空情識別不僅關(guān)系著空域控制的實施，還關(guān)系著己方的空防安全。為提高空情識別能力，下面圍繞戰(zhàn)場空域控制這條主線，通過分析美軍空中目標敵我識別先進思想，結(jié)合文獻［22］研究前景中介紹的敵我識別方法，對基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法進行說明。

2.1 美軍空中目標敵我識別思想概述

美軍針對不同的作戰(zhàn)樣式設(shè)計了不同的敵我識別方法［23］，但其識別思想都是相通的，這里以美軍在防空戰(zhàn)斗中的敵我識別方法為例［24］進行分析，如圖2 所示。

圖2 美軍防空戰(zhàn)斗空中目標敵我識別流程Fig.2 U.S.Forces air defense combat air target identification process

通過圖2 可以看出，美軍進行空中目標敵我識別時先驗證目標不缺乏友性，如無法驗證則驗證目標是缺乏友性的，接著再驗證目標是否具有敵性傾向，若有敵性傾向則驗證目標是否具有明確敵性，若目標是具有明確敵性的敵人，就對其采取措施。美軍按照這種層層遞推的方式，設(shè)計出各識別階段對應(yīng)的身份標牌，從待識別的“未知目標（Bogey）”到低威脅的“我方目標（Friend）”、“高友性傾向目標（Paints）”，再 到 中 威 脅 的“ 低 友 性 傾 向 目 標（Spades）”、“低敵性傾向目標（Outlaw）”，最后到高威 脅 的“高 敵 性傾 向 目 標（Bandit）”、“敵 方 目 標（Hostile）”，用較為形象的術(shù)語實現(xiàn)了敵我識別和威脅評估的同步實施。

以上述思想為基礎(chǔ)，結(jié)合戰(zhàn)場空域控制的要求，美軍根據(jù)防空戰(zhàn)斗識別的原則，給出了一個通用的識別矩陣示例［25］，如圖3 所示。

圖3 美軍防空戰(zhàn)斗識別矩陣Fig.3 U.S.Forces air defense combat identification matrix

通過該識別矩陣可以看出美軍空中目標敵我識別的整個過程嚴格遵循由驗證不缺乏友性層層遞推直至識別出明確屬性的這條主線，以主動和程序相結(jié)合的方式作為支撐保障，建立了一個完善的識別體系。整個過程中，不以一個階段的結(jié)果作為最終結(jié)果，而是根據(jù)流程對識別結(jié)果進行動態(tài)更新，以此實現(xiàn)空中目標敵我識別能力的提升。

2.2 空情識別中典型程序控制措施的使用方法

為全面了解空中目標綜合識別方法的前置手段空域協(xié)同措施的相關(guān)內(nèi)容，下面根據(jù)結(jié)合美軍戰(zhàn)斗防空識別思想和空域控制條令［26］對幾種典型程序控制措施的概念與使用方法進行說明，具體如圖4 所示。

圖4 為聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)場空域控制態(tài)勢圖，該圖中共給出了空域協(xié)同措施、防空措施、空中基準措施、機動控制措施、火力支援措施等5 類典型的程序控制措施。

空域協(xié)同措施（air coordinating measures，ACM）共有空中通道、限制行動空域、獨立協(xié)同措施等3 大類25 小類［27］。圖4 中分別給出了空中通道中的最小風險通道、低高度層穿越通道、空中走廊；限制行動空域中的空中預(yù)警區(qū)、空中指揮與控制區(qū)、空中戰(zhàn)斗巡邏區(qū)等。最小風險通道（minimum-risk route，MRR）是提供給航空器低空快速穿越前方戰(zhàn)斗地帶時使用的單向空中走廊。該通道是根據(jù)已知的能夠?qū)νǖ乐泻娇掌魉a(chǎn)生的最小威脅建立的，能夠最大程度地降低已方防空對航空器的誤擊誤傷風險；低高度層穿越通道（low-level transit route，LLTR）是在我方前沿區(qū)域內(nèi)設(shè)置的雙向空中走廊，用于連接己方前沿與后方；空中走廊（air corridor，AIRCOR）是一種用于后方地域兩點之間通航的限制性空中通道，可以連接待戰(zhàn)地域、戰(zhàn)斗地域、加油區(qū)、武裝點以及其他友鄰區(qū)域。空中預(yù)警區(qū)（air?borne early warning area，AEW）和空中指揮與控制區(qū)（airborne command and control area，ABC）是提供給執(zhí)行空中預(yù)警和指揮控制任務(wù)的飛機使用的空域；空中戰(zhàn)斗巡邏區(qū)（combat air patrol，CAP）是用于己方戰(zhàn)斗機在重要保護區(qū)域上空進行巡邏并意圖攻擊該區(qū)域的敵機進行攔截和摧毀。

圖4 聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)場空域控制態(tài)勢圖Fig.4 Battlefield airspace control situation map of joint operation

防空措施中有低空導(dǎo)彈交戰(zhàn)區(qū)（low-altitude missile engagement zone，LOMEZ）、戰(zhàn) 斗 機 交 戰(zhàn) 區(qū)（fighter engagement zone，F(xiàn)EZ）、導(dǎo)彈交戰(zhàn)區(qū)（missile engagement zone，MEZ）、聯(lián)合交戰(zhàn)區(qū)（joint engage?ment zone，JEZ）和基地防御區(qū)。前3 種防空措施的對空攻擊任務(wù)分別由戰(zhàn)斗機、導(dǎo)彈、低空導(dǎo)彈、多種防空系統(tǒng)（通常是戰(zhàn)斗機和導(dǎo)彈）擔任；基地防御區(qū)（base defense zone，BDZ）是在空軍基地周圍設(shè)立保護該基地的近程防空武器交戰(zhàn)區(qū)。

空中基準措施中有敵我識別器開/關(guān)線和空中控制點。敵我識別器開/關(guān)線（IFF switch on/off line，IFF ON/OFF）通常與己方部隊前沿線一同設(shè)置，航空器在越過該線時應(yīng)開始或停止發(fā)射IFF 信號；空中控制點（air control point，ACP）是用于指揮控制及導(dǎo)航通信的點，也可以用于空中走廊的劃設(shè)［28］。

機動控制措施中有己方部隊前沿線（forward line of own troops，F(xiàn)LOT）。該線用來標識作戰(zhàn)中己方部隊的最前沿位置。

火力支援措施中有火力支援協(xié)調(diào)線（fire sup?port coordination line，F(xiàn)SCL）。該線一是用于規(guī)范地面火力使用，二是用于區(qū)分航空兵的對地打擊任務(wù)及戰(zhàn)斗范圍，如近距空中支援（close air support，CAS）和空中遮斷（air interdiction，AI）等［29］。

通過介紹可知，航空器的飛行活動多是以空域協(xié)同措施為基準的，對其敵我屬性的識別也多是圍繞航空器在空域協(xié)同措施中的飛行活動展開的。其他4 類措施主要用于協(xié)助完成航空器的各類作戰(zhàn)任務(wù)。因此戰(zhàn)場空域控制體系下的空情識別可以稱為基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別。

2.3 基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法的基本理念

雖然美軍給出了上述空中目標敵我識別方法，但其是基于美軍作戰(zhàn)特點設(shè)置的，不利于相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，下面在借鑒美軍先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻［1-3］中的研究實際，提出了一種基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法。

空中目標綜合識別是指在戰(zhàn)場空域控制的體系下，通過綜合使用IFF、雷達等各類技術(shù)手段和以各類空域協(xié)同措施為代表的程序手段，對空中目標的敵我屬性進行識別的過程。空中目標綜合識別不僅需要識別空中目標的敵我屬性，還要對其進行威脅評估。這樣防空部門便可根據(jù)交戰(zhàn)規(guī)則選用合適的方法應(yīng)對不同威脅的空中目標。

空中目標綜合識別主要用于識別沿最小風險通道由敵方空域進入己方空域的目標。為便于理解，下面結(jié)合圖5 進行說明。

圖5 戰(zhàn)斗機前出與返程示意圖Fig.5 Schematic diagram of fighter aircraft forward and return

圖5 中為執(zhí)行近距空中支援任務(wù)的戰(zhàn)斗機前出返場過程中的航跡示意圖。己方部隊前沿線以左為己方空域，己方在該區(qū)域中擁有較強的空域控制能力；己方部隊前沿線以右為交戰(zhàn)區(qū)域，由于敵方的干擾壓制，己方的空域控制能力在該區(qū)域中會受到一定削弱。

通常情況下，航空器執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)需要經(jīng)歷“己方機場—作戰(zhàn)空域—返回本場”這個過程［30］。在航空器由己方機場前往作戰(zhàn)空域的過程中，一般不會發(fā)生誤擊誤傷，誤擊誤傷最大的風險，是在完成作戰(zhàn)任務(wù)后返回己方機場的這個過程中。因為航空器在到達作戰(zhàn)空域前，己方已經(jīng)掌握該航空器的飛行計劃，其通信聯(lián)絡(luò)正常且IFF 應(yīng)答正確，因此該航空器一定是己方。當航空器到達作戰(zhàn)空域后，對于在己方實際控制區(qū)域內(nèi)的航空器，仍可通過上述幾種方式來核驗其身份。對于在己方實際控制區(qū)域外的航空器，在航空器越過敵我識別器開/關(guān)線之前，均可以通過上述手段證明其為己方。越過該線后，航空器離開己方防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)區(qū)，更不會發(fā)生誤擊誤傷。

在航空器完成作戰(zhàn)任務(wù)返場時，為避免交戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)己方火力誤傷，此時航空器需要沿最小風險通道向我方飛行，由于受到敵方壓制，己方識別能力受限，因此主要將最小風險通道作為確保航空器安全返場的手段使用。在航空器越過敵我識別器開/關(guān)線即將進入我方空域時，該區(qū)域?qū)嶋H上還會受到敵方壓制影響，此時技術(shù)手段可靠性有限，尤其是在敵我識別系統(tǒng)受損情況下，很有可能會被誤認為敵方；若敵方破獲己方飛行航跡等信息，沿我方預(yù)先規(guī)劃的最小風險通道假扮我機，此時程序手段難以識別敵方目標，勢必造成防空作戰(zhàn)處于被動。因此在航空器進入己方空域的過程中必須結(jié)合使用技術(shù)手段和程序手段，對空中目標進行綜合識別，實現(xiàn)兩種手段的優(yōu)勢互補，最大程度的提高識別能力，防止誤擊誤傷，確保己方空防安全。

2.4 基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法的運行流程

通常情況下，己方空防安全的壓力主要來源于敵方正面上的集中攻擊。因此，自航空器到達敵我識別器開/關(guān)線打開IFF 進行應(yīng)答時開始，至航空器使用空域協(xié)同措施返回己方機場為止，空中目標綜合識別必須貫穿這個過程始終。為便于理解，下面結(jié)合圖6 進行說明。

由圖6 可知，當航空器到達敵我識別器開/關(guān)線時，需要打開IFF 進行應(yīng)答，并嘗試與己方建立通信連接，己方會對該航空器的身份進行核實。需要注意的是，當航空器越過敵我識別器開/關(guān)線至降落機場后，其IFF 應(yīng)一直處于打開的狀態(tài)。

圖6 空域協(xié)同措施立體示意圖Fig.6 Three-dimensional schematic diagram of air coordinating measures

接著，航空器按照約定進入最小風險通道，在該航線中應(yīng)嚴格遵守飛行標準。此時，己方會根據(jù)航空器的實際飛行參數(shù)和航跡，結(jié)合IFF 應(yīng)答情況識別其身份。需要注意的是，這里不局限于以上2種手段，可根據(jù)實際情況選擇其他手段進行補充。

然后，航空器進入低高度層穿越通道進行機動，由于低高度層穿越通道是雙向走廊，為避免相撞應(yīng)按照“東單西雙”的原則飛行。由于低高度層穿越通道是連接前沿與后方的重要樞紐，若敵方混入該通道，就會給己方帶來極大威脅，因此仍需對其進行識別、監(jiān)視和跟蹤。同樣地，這里不局限于上述手段，應(yīng)根據(jù)實際情況進行補充。

最后，航空器進入空中走廊準備返場，此時航空器已遠離前沿且經(jīng)被多種手段證明為己方，因此誤擊誤傷風險較小，此時己方主要對其進行監(jiān)視、定位和跟蹤，確保航空器可以安全的返回機場。

2.5 空中目標綜合識別方法的判別邏輯

通過前面的分析可知，美軍設(shè)計了形象的術(shù)語來實現(xiàn)敵我識別和威脅評估的有機結(jié)合。為便于后續(xù)的工程化應(yīng)用實現(xiàn)，這里設(shè)置“我方目標（Friend）”、“高友性傾向目標（Paints）”、“中等友性傾 向 目 標（Acquaintance）”、“ 低 友 性 傾 向 目 標（Spades）”、“屬性不明目標（Chaos）”、“高敵性傾向目標（Bandit）”、“敵方目標（Foe）”等7 類身份標牌來描述空中目標的敵我屬性，下面對IFF 和空域協(xié)同措施種2 種手段結(jié)合情況下的判別邏輯進行說明，如圖7 所示。

圖7 中上下2 個部分描述了航空器剛到達敵我識別器開/關(guān)線和進入我方空域后的綜合識別判別邏輯。通常情況下IFF 主要根據(jù)應(yīng)答次數(shù)進行判斷［31］，空域協(xié)同措施則根據(jù)“高度、速度、航向”進行判斷，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整。

圖7 空中目標綜合識別的判別邏輯Fig.7 Air target comprehensive identification and discrimination logic

當航空器到達敵我識別開/關(guān)線打開IFF 后，此時航空器處于己方和敵方的交界地帶，IFF 會受到壓制。此時己方應(yīng)主動使用其他手段驗證其身份，若仍不符合識別規(guī)定，則認為該目標是“敵方目標”。若符合識別規(guī)定，由于前置識別手段IFF 失效，應(yīng)賦予其“低友性傾向目標”標牌。為防止敵方進行IFF 欺騙，即使符合應(yīng)答規(guī)定，仍不能認為該目標為“我方目標”，應(yīng)認為該目標是具有友性傾向且威脅較低的“中等友性傾向目標”。

對于識別為“中等友性傾向目標”和“低友性傾向目標”的航空器，允許進入空域協(xié)同措施返航。航空器在空域協(xié)同措施中飛行時，需要綜合判斷其飛行參數(shù)和IFF 的應(yīng)答情況。通常情況下，己方在執(zhí)行任務(wù)前就已預(yù)先掌握標準飛行參數(shù)，在IFF 未受損的情況下，若符合空域協(xié)同措施和IFF 的相關(guān)規(guī)定，則可以識別為“我方目標”。為避免航空器受損而引起的誤擊誤傷，對于能夠正常IFF 應(yīng)答但飛行姿態(tài)只能滿足部分標準的目標，應(yīng)認為是“高友性傾向目標”，同時應(yīng)采取其他手段盡快驗證其身份。對于無法進行IFF 應(yīng)答，且只滿足部分飛行標準的目標，應(yīng)認為該目標是具有一定敵性傾向且威脅較大的“高敵性傾向目標”。若航空器既無法進行IFF 應(yīng)答，又不滿足飛行標準，應(yīng)認為是“敵方目標”。此外，若航空器只能符合2 種識別手段的一種，則應(yīng)認為該目標是屬性不明的“屬性不明目標”，必須對其重新識別，直至識別出明確的敵我屬性。

通過上述方式，使用符合人邏輯思維的術(shù)語來描述目標的敵我屬性和威脅程度，動態(tài)迭代更新有利于敵我屬性，可以較好地提高綜合識別能力。

3 基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法的工程化應(yīng)用思路

空中目標綜合識別是一種較為復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，需采用定量與定性相結(jié)合的方法進行研究［32］。這里以多源信息融合領(lǐng)域中的D-S 證據(jù)理論［33］和模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的隸屬度函數(shù)［34］、模糊推理［35］、直覺模糊集［36］為工具，對空中目標綜合識別工程化應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進行分析，并提出相應(yīng)的解決思路，為后續(xù)的實例分析打下基礎(chǔ)。

3.1 工程化應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

為想確保空中目標綜合識別的工程化應(yīng)用，必須解決以下2 個重要問題：

（1）信息融合策略與轉(zhuǎn)換問題。空中目標綜合識別需要對各手段得到的信息進行匯總從而得到綜合識別結(jié)果，因此需要選擇合適的信息融合策略；此外，由于各手段得到的信息沒有統(tǒng)一的量綱，為方便融合計算，還需選擇合適的工具將上述信息轉(zhuǎn)為規(guī)范的算法輸入語言。

（2）各手段間的不確定性信息處理問題。受制于外部因素的影響，各手段得到的信息會存在一定程度的不確定性，必須選擇合適的融合方法降低不確定性信息的影響，提高識別結(jié)果的精確性。

經(jīng)綜合考慮，這里使用D-S 證據(jù)理論作為工程化應(yīng)用的算法支撐，D-S 證據(jù)理論是以基本概率賦值（basic probability assignment，BPA）為計算對象，通過D-S 組合規(guī)則對各BPA 進行組合，即可得到融合結(jié)果。D-S 證據(jù)理論適用于不同的信息融合策略，能夠?qū)⒏黝愋畔⑥D(zhuǎn)化為統(tǒng)一的BPA，還可以有效降低數(shù)據(jù)中的不確定性信息的影響。基于D-S 證據(jù)理論進行工程化應(yīng)用，則上述問題即可轉(zhuǎn)化為DS 證據(jù)理論中的信息融合策略問題、BPA 構(gòu)造問題和證據(jù)融合問題，下面以D-S 證據(jù)理論為主干，對空中目標綜合識別工程化應(yīng)用思路進行探討。

通過提供優(yōu)惠政策，使貧困縣獲得特殊的發(fā)展條件以減輕或部分抵消其自然條件和發(fā)展落后施加于地方發(fā)展的限制，在局部形成政策優(yōu)勢，在不同階段給予貧困地區(qū)不同的優(yōu)惠政策，如土地政策、進出口政策、減免農(nóng)業(yè)稅，出讓部分中央政府和地方政府的收益給貧困地區(qū)和貧困戶，或者改善其發(fā)展環(huán)境、提高其競爭和發(fā)展能力，或者直接增加其福祉。

為便于建模分析，下面給出的建模思路均是圍繞航空器在空域協(xié)同措施中的空中目標綜合識別活動展開的。根據(jù)美軍以空中目標的IFF 應(yīng)答次數(shù)界定目標友性或敵性傾向的思想，這里設(shè)定空中目標的應(yīng)答次數(shù)為詢問次數(shù)的一半以上即可認為該目標符合應(yīng)答規(guī)定且具有友性傾向，反之，則認為該目標具有敵性傾向。設(shè)定由IFF 和ACM 得出的識別結(jié)果依次為“我方目標”、“高友性傾向目標”、“高敵性傾向目標”、“敵方目標”等4 類識別術(shù)語。若綜合識別結(jié)果為“高友性傾向目標”或“高敵性傾向目標”且小于規(guī)定閾值，則認為該目標是“屬性不明目標”，應(yīng)繼續(xù)識別。

3.2 空中目標綜合識別的信息融合策略

為擴展探測信息來源，目前國內(nèi)外通常以部署多部傳感器并進行多周期識別的方式實施空中目標綜合識別［37-38］，基于此，下面給出一種典型的空中目標綜合識別的融合策略，具體如圖8 所示。

由圖8 可知，空中目標綜合識別中信息融合典型思路是先以同類信息融合的方式分別對基于IFF得到的物理信息和基于空域協(xié)同措施的戰(zhàn)術(shù)信息進行融合。得到對應(yīng)的融合結(jié)果后，再進行異類信息融合，即可得到各時刻的綜合識別結(jié)果。為提高識別的可靠性，還需進行多周期融合以得到最終的空中目標綜合識別結(jié)果。需要注意的是，空中目標綜合識別中需要使用的傳感器數(shù)量和連續(xù)識別時的探測次數(shù)應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)實際進行確定。

圖8 空中目標綜合識別的數(shù)據(jù)融合策略Fig.8 Data fusion strategy for air target comprehensive recognition

3.3 基于隸屬度函數(shù)和模糊推理的BPA 構(gòu)造

（1）基于隸屬度函數(shù)的敵我識別器的BPA 構(gòu)造

IFF 是根據(jù)空中目標的應(yīng)答次數(shù)來判斷敵我屬性，它們之間是一種模糊線性關(guān)系，隸屬度函數(shù)可以較好地進行處理。根據(jù)3.1 節(jié)的分析，這里設(shè)定各時刻IFF 共進行10 次詢問，若目標應(yīng)答8 次以上，則認為其具有明確的友性傾向，識別結(jié)果應(yīng)為“我方目標”。若應(yīng)答5~7 次，則認為該目標為“高友性傾向目標”。若應(yīng)答3~5 次，則認為該目標為“高敵性傾向目標”。若應(yīng)答2 次以下則為“敵方目標”。則“我方目標”和“敵方目標”的高斯隸屬度函數(shù)公式以及“高友性傾向目標”和“高敵性傾向目標”的高斯隸屬度函數(shù)公式為

式中：b和σ分別為高斯隸屬度函數(shù)的中心和寬度；a和c分別為IFF 詢問次數(shù)的下限和上限。

圖9 隸屬度函數(shù)分布圖Fig.9 Distribution diagram of membership function

由于上述隸屬度分別反映了4 類標牌的BPA 分配情況，對其歸一化即可得到的敵我識別器的BPA，公式為

式中：i= 1，2，3，4；λIFF為數(shù)據(jù)的可靠程度，由專家確定；yi和mIFF(xi)分別為“我方目標”、“高友性傾向目標”、“高 敵 性 傾 向 目 標”、“敵 方 目 標”等4 類標牌的隸屬度和BPA。

（2）基于模糊推理的空域協(xié)同措施的BPA 構(gòu)造

空域協(xié)同措施中的敵我屬性判別是根據(jù)空中目標的實際飛行參數(shù)是否符合標準來判斷的。由于空域協(xié)同措施中主要有“高度、速度、航向”等3 類參數(shù)，可以看出它們之間是一種多維的模糊關(guān)系，此時模糊推理工具可以較好的進行處理。這里將目標實際飛行參數(shù)與標準參數(shù)的偏離程度ΔH，ΔV，ΔC作為輸入變量，將輸出變量確定為“我方目標”FR、“高友性傾向目標”PA、“高敵性傾向目標”BA、“敵方目標”FO，根據(jù)防空識別中航空器允許偏離標準航跡的范圍［39］，確定3 個飛行參數(shù)允許的變化范圍分別為［0，100］m，［0，50］km/h，［0，10°］，接著使用高斯隸屬度函數(shù)將其規(guī)范化處理為5 個等級的模糊子集［40］，即可得到各變量對應(yīng)的模糊輸入和輸出的隸屬度函數(shù)圖。下面給出部分模糊輸入和模糊輸出的隸屬度函數(shù)Matlab 仿真圖如圖10 所示。

圖10 基于Matlab 的模糊輸入與輸出的隸屬度函數(shù)圖Fig.10 Fuzzy input and output membership function graph based on Matlab

由圖可知，每個輸入變量均有5 個隸屬度函數(shù)，因 此 該 模 糊 系 統(tǒng)共 有N=NΔH·NΔV·NΔC= 125 個 模糊推理規(guī)則。結(jié)合2.5 節(jié)，建立模糊推理規(guī)則如表1所示。

表1 空中目標綜合識別模糊推理規(guī)則Table 1 Air target comprehensive identification of fuzzy reasoning rules

為檢驗所建模糊推理規(guī)則的合理性，下面使用Matlab 繪制這些模糊規(guī)則對應(yīng)的輸入輸出三維映射曲面圖，若映射曲面光滑則證明所建規(guī)則合理，下面給出了部分模糊輸入輸出的三維映射曲面圖如圖11 所示。

圖11 輸入輸出三維映射曲面Fig.11 Input and output 3D mapping surface

其中，ΔH，ΔV，ΔC分別對應(yīng)輸入變量的模糊輸入值；FR，PA，BA，F(xiàn)O分別對應(yīng)輸出變量的模糊輸出值，它們的取值范圍均為［0，1］。經(jīng)檢驗，上述三維映射曲面較為光滑，說明模糊推理規(guī)則是合理的。以重心法為解模糊算法，即可得到輸出變量FR，PA，BA，F(xiàn)O的模糊輸出值。

由于上述輸出值可以看做是輸出變量對應(yīng)證據(jù)的BPA 的組成部分，對其歸一化即可得到空域協(xié)同措施的BPA 為

式中：k= 1，2，3，4；λACM為數(shù)據(jù)的可靠程度，由專家確定；uk和mACM(Uk)為表示“我方目標”、“高友性傾向 目 標”、“高 敵 性 傾 向 目 標”、“敵方目標”等4 類標牌的模糊輸出值和BPA。

3.4 基于證據(jù)理論和直覺模糊集的證據(jù)融合

（1）基于證據(jù)支持度的物理類證據(jù)融合

受制于IFF 自身性能和敵方壓制影響，多部IFF探測的信息并不完全相同，因此基于這些信息構(gòu)造的證據(jù)的可靠度也不相同，必須對其修正。由于IFF 只獲取應(yīng)答次數(shù)這類信息，因此使用證據(jù)支持度即可清晰反應(yīng)證據(jù)間的可靠程度。這里使用焦氏證據(jù)距離與沖突系數(shù)組合的方式來計算證據(jù)支持度，則焦氏證據(jù)距離的公式為［41］

式中：mi和mj為辨識框架Θ上的證據(jù)；mi和mj為其向量形式；--D為一個有2n× 2n個元素的相似性矩陣。則證據(jù)mIFFi和mIFFj間的組合沖突度為即可表示為

式中：kIFFij表示證據(jù)mIFFi和證據(jù)mIFFj間的證據(jù)沖突。根據(jù)式（6），即可得到2 個證據(jù)間的組合沖突度矩陣如下：

那么根據(jù)該組合沖突度即可計算出由證據(jù)mIFFi受到的支持程度，繼續(xù)計算即可得到基于證據(jù)支持度的證據(jù)權(quán)重為

將式（8）求得的證據(jù)權(quán)重與最大權(quán)重的比值作為折扣系數(shù)對證據(jù)mIFFi進行折扣修正融合，即可得到物理類證據(jù)的融合結(jié)果。

（2）基于直覺模糊多屬性決策的戰(zhàn)術(shù)類證據(jù)融合

使用空域協(xié)同措施判別空中目標敵我屬性需要綜合使用高度、速度、航向等3 類飛行參數(shù)的信息，此時使用證據(jù)理論會增大計算量，由于空中目標綜合識別本質(zhì)上也是根據(jù)多時刻（專家集）的探測數(shù)據(jù)，確定敵我屬性（方案集）在識別手段（屬性集）中的評價值并進行選優(yōu)，因此使用多屬性決策思想進行目標識別是可行的。這里主要使用直覺模糊多屬性決策中的屬性信息集結(jié)方法實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)類證據(jù)的融合。相關(guān)研究表明［42］，直覺模糊集和證據(jù)理論在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，公式為

式中：μA(x)和γA(x)分別表示元素x屬于直覺模糊集A的隸屬度和非隸屬度。根據(jù)式（9），首先將空域協(xié)同措施中的BPA 轉(zhuǎn)化為直覺模糊數(shù)dij=(μij，γij)。這里使用直覺模糊熵［43］和模糊熵組合的交叉熵［44］來處理屬性信集結(jié)中不確定性信息，公式為

式 中：ΔA(xi) =|μA(xi) -γA(xi)|；ES(A)為 交 叉 熵；EI(A)為直覺模糊熵；EF(A)為模糊熵。則屬性信息權(quán)重計算公式如下：

接著，將屬性信息轉(zhuǎn)化為直覺模糊框架下的BPA，公式為

將式（13）求得的證據(jù)權(quán)重與最大權(quán)重的比值作為折扣系數(shù)對由式（14）轉(zhuǎn)換后的BPA 進行折扣修正與融合，即可得到戰(zhàn)術(shù)類證據(jù)的融合結(jié)果。

（3）基于證據(jù)動態(tài)可靠性的多周期證據(jù)融合

進行多周期證據(jù)融合時，首先應(yīng)進行各時刻的異類證據(jù)融合，為避免沖突系數(shù)k的不足，這里使用信度熵度量異類證據(jù)之間的沖突程度。信度熵［45］是對香農(nóng)熵的推廣，信度熵越小，表明證據(jù)中含有的不確定性信息越少；反之，表明證據(jù)中的不確定性信息越多，其公式為

式中：|A|為焦元A的基數(shù)，表示焦元A中所含元素的個數(shù)。根據(jù)式（15）分別計算證據(jù)mIFF和證據(jù)mACM的權(quán)重，并將各證據(jù)權(quán)重與最大權(quán)重的比值作為折扣系數(shù)，對各證據(jù)進行折扣修正與融合，即可得到各時刻的異類證據(jù)融合結(jié)果。

接著，使用直覺模糊框架下的證據(jù)動態(tài)可靠性思想［42］來進行多周期融合，即根據(jù)式（9）將各時刻的異類證據(jù)融合結(jié)果轉(zhuǎn)化為直覺模糊集，接著使用歐氏證據(jù)距離度量各直覺模糊集之間的相似度，公式為

根據(jù)式（16）即可求得由直覺模糊集計算出的證據(jù)mi和證據(jù)mj間的支持程度，接著構(gòu)造證據(jù)支持度矩陣SUP為

將矩陣各行相加即可得到證據(jù)mi的動態(tài)可靠性，公式為

則證據(jù)mi的動態(tài)可靠性權(quán)重為

將式（19）求得的權(quán)重作為折扣系數(shù)，對各時刻的證據(jù)進行折扣修正與融合，即可得到最終的空中目標綜合識別結(jié)果為

4 空中目標綜合識別的工程化應(yīng)用實例

4.1 實例計算

設(shè)辨識框架Θ={x1，x2，x3，x4}，Θ中的元素依次表示FR，PA，BA，F(xiàn)O等4 類標牌。設(shè)我方在前沿陣地分別使用三角形和梯形部署的方式，各部署了3部IFF 和雷達來進行識別，規(guī)定所有設(shè)備都必須對空中目標進行至少3 個時刻的探測，所有返航的航空器必須按照標準參數(shù)飛行。若綜合識別結(jié)果為“高友性傾向目標”或“高敵性傾向目標”且滿足|mPA-mBA| ≤0.2，則認為該結(jié)果為“屬性不明目標”需重新識別。為方便計算，這里主要以最小風險通道中的敵我識別對例進行驗證，設(shè)該次作戰(zhàn)任務(wù)中最小風險通道的標準飛行參數(shù)為航向270°、高度1 200 m、速度300 km/h。

已知己方部隊前沿線外共有3 批目標沿最小風險航線向我方空域飛行，設(shè)定目標1，2 為“我方目標”，目標3 為“敵方目標”。IFF 的初步篩選要求為應(yīng)答6 次以上，經(jīng)探測3 批目標的相關(guān)信息如下：

（1）目標1

目標1 航空器狀態(tài)良好，IFF 工作正常，未受到敵方壓制，在越過敵我識別器開/關(guān)線時進行了7 次應(yīng)答，因此初步認定該目標是“中等友性傾向目標”，可以指揮其進入最小風險通道進行識別。經(jīng)探測其相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 目標1 的探測數(shù)據(jù)Table 2 Target 1 detection data

（2）目標2

目標2 受損嚴重，飛行姿態(tài)難以保持，IFF 工作正常，但受到一定壓制，在越過敵我識別器開/關(guān)線時進行了5 次應(yīng)答，因此IFF 失效，經(jīng)驗證目標2 符合其他手段的識別要求，因此初步認為該目標是“低友性傾向目標”，可以指揮其進入最小風險通道進行識別，但必須加強對該目標的關(guān)注。經(jīng)探測其相關(guān)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 目標2 的探測數(shù)據(jù)Table 3 Target 2 detection data

（3）目標3

目標3 為“敵方目標”，試圖混入最小風險通道對我實施打擊，在越過敵我識別器開/關(guān)線時，成功進行IFF 應(yīng)答欺騙并進行了6 次應(yīng)答，因此初步認為該目標是“中等友性傾向目標”，可以指揮其進入最小風險通道進行識別。經(jīng)探測其相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 目標3 的探測數(shù)據(jù)Table 4 Target 3 detection data

根據(jù)的IFF 和雷達的部署位置和受壓制情況，結(jié)合專家經(jīng)驗即可得到各時刻對應(yīng)的IFF 和ACM的數(shù)據(jù)可靠程度為

為便于說明，簡化具體的計算步驟，以目標1 為例進行計算，根據(jù)式（1）~（3），可求得各時刻IFF 的BPA 為

為簡化計算流程，首先根據(jù)式（5）~（8）和（9）~（14）分別對物理類證據(jù)和戰(zhàn)術(shù)類證據(jù)進行修正與融合，接著根據(jù)式（15）~（20）可以得到各時刻修正后的異類證據(jù)融合結(jié)果以及多周期融合結(jié)果，最后以上述方法計算目標2，3 的數(shù)據(jù)，可得3 批目標的綜合識別結(jié)果如表5 所示。

表5 3 批目標的識別結(jié)果Table 5 Three batches of target identification results

4.2 結(jié)果分析

（1）目標1 的綜合識別結(jié)果為“我方目標”。由于目標1 未受損，IFF 工作正常，返航過程中受到壓制有限，因此整個識別過程中目標1 的IFF 應(yīng)答結(jié)果是始終是符合要求的。在最小風險通道中飛行時，目標1 預(yù)先掌握了進入最小風險通道飛行時的相關(guān)要求，整個飛行過程中較為符合標準，因此最終的綜合識別結(jié)果為我方，符合預(yù)設(shè)實驗場景。

（2）目標2 的綜合識別結(jié)果為“高友性傾向目標”。目標2 在返航過程中受到了壓制，在越過敵我識別器開/關(guān)線時未能產(chǎn)生有效應(yīng)答，但目標2 符合其他手段的識別規(guī)定，因此暫時把目標2 作為“低友性傾向目標”目標，允許其以“需要加強關(guān)注”的身份進入最小風險通道，隨著目標2 逐漸遠離前沿，其受到的壓制也在減弱，因此在后續(xù)的識別過程中，目標2 的IFF 應(yīng)答結(jié)果是符合要求的。在最小風險通道中飛行時，由于目標2 受損嚴重，即使嘗試按照標準飛行，但還是產(chǎn)生了較大程度的波動，因此該目標的綜合識別結(jié)果為“高友性傾向目標”，雖然與預(yù)設(shè)實驗場景有一定的差異，但識別結(jié)果表明目標2 是具有一定“友性”傾向的，可以避免對目標2 的誤擊誤傷。

（3）目標3 的綜合識別結(jié)果為“高敵性傾向目標”。該目標試圖混入我方空域，因此在敵我識別器開/關(guān)線附近時成功進行了IFF 欺騙應(yīng)答，隨著目標3 逐漸遠離前沿，我方的抗干擾能力不斷提升，目標3 的IFF 應(yīng)答次數(shù)也不斷減少，呈現(xiàn)出了“敵性”傾向。由于目標3 并未掌握最小風險通道的飛行參數(shù)，雖然整個識別過程中的飛行姿態(tài)比較穩(wěn)定，但不符合飛行標準，因此該目標的綜合識別結(jié)果為“高敵性傾向目標”，雖然與預(yù)設(shè)實驗場景有一定的出入，但識別結(jié)果表明目標3是具有一定“敵性”傾向的，此時可以對目標3 采取一定的措施，避免目標3對我方造成威脅。

根據(jù)最終的空中目標綜合識別結(jié)果，我方指揮官即可立即做出防空決策，如：指揮目標1 進入低高層穿越走廊進行返航；指揮目標2 前往備降場降落，并派遣搜救航空器伴隨飛行，確保目標2 的飛行安全。嚴密監(jiān)視目標3，指揮其盤旋等待并派遣我方戰(zhàn)斗機對目標3 進行攔截驗證，若該目標不服從指令或者是驗證為敵方目標，即可將其擊落。

5 結(jié)束語

空情識別作為戰(zhàn)場空域控制的一項重要作戰(zhàn)任務(wù)，對提高空域控制能力，促進聯(lián)合作戰(zhàn)效能提升具有十分重要的作用。論文從戰(zhàn)場空域控制的角度出發(fā)，結(jié)合美軍先進經(jīng)驗，介紹了戰(zhàn)場空域控制框架下的基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法，該方法將空中目標敵我識別和威脅評估相結(jié)合，能夠更好的貼近作戰(zhàn)實際，提升敵我識別能力，可以作為一種新的空中目標敵我識別方法。同時，論文還對空中目標綜合識別的工程化應(yīng)用進行了思考并進行了實例驗證，結(jié)果表明基于空域協(xié)同的空中目標綜合識別方法能夠較好的完成空情識別任務(wù)，可以為相關(guān)研究提供一定的借鑒和參考。