小型防空C4ISR系統情報融合能力測評方法＊

王立平 張曉航 黨林閣

（解放軍63891部隊 洛陽 471003）

1 引言

現代戰爭中，C4ISR系統需要對來自多源的情報進行融合處理，以滿足作戰指揮以及為武器單元提供目標指示和引導的需要。我國在上世紀90年代中后期開始進行C4ISR系統情報融合技術的研究和開發，但是通常側重于融合算法及方法的研究，相對缺乏對情報融合性能檢驗和評估方面的研究［1～2］。目前國內仍沒有一個完整、科學、客觀評估C4ISR系統情報融合性能的指標體系和測試評估模型以及試驗方法，導致無法對C4ISR系統情報融合性能做出整體分析和評價，使得國內C4ISR系統情報融合技術方面的研究具有一定的盲目性［3～4］。本文針對某類小型C4ISR系統，提出了一個較為完備的性能檢驗評估指標體系，建立了測試評估模型及試驗方法，并已應用于實際的工作，較好地彌補了C4ISR系統試驗在這方面的不足。

2 測試方案設計

該小型C4ISR系統的情報融合分系統（以下簡稱融合中心）是一個分布式無中心結構，如圖1所示。情報融合中心對來自配屬傳感器以及友鄰指揮所傳感器的情報信息進行融合處理，融合處理后的情報傳輸給武器單元提供目標指示和引導。

圖1 融合中心信息流程圖

圖2 融合性能測試評估流程圖

圖2給出了大致的測試評估流程：由試驗數據采集設備在試驗過程中實時采集傳感器航跡數據、融合中心融合后航跡數據、武器單元目標指示數據、真值設備航跡數據，數據初始化模塊對上述數據進行批號對應、時間對準等處理，由評估計算模塊根據各類指標的評估計算模型對航跡數據進行統計計算，最后由評估結果顯示模塊對評估計算結果進行顯示。

3 情報融合性能指標及測試方法

根據評估指標體系建立的有效性、可靠性、可信性、系統性、實用性、通用性等原則［5］，以及該小型C4ISR系統情報融合的近實時性、對融合航跡精度要求高、融合后數據直接應用于對武器單元的指示引導等特點，這里給出了包括四類一級指標和九個二級指標的評估指標體系。四個一級指標分別為：情報處理精度、情報融合正確率、情報處理時間、情報更新率。假定目標類型為空中目標。

3.1 情報處理精度

情報處理精度包括三個二級指標：融合處理航跡精度、融合處理前后航跡精度改善度、系統目標指示精度。

3.1.1 融合處理航跡精度

融合航跡的精度是指空情信息經過融合中心處理后的航跡數據偏離目標真實航跡數據的程度，可以使用綜合航跡精度來表示。綜合航跡精度是指瞬時航跡位置估計誤差序列的統計均方根值。設瞬時航跡誤差序列為 ｛ex（k）｝（k＝1，…，N），則可求出綜合位置估計精度Rx。

其 中，＾X（k）＝ ［）］T為目標在k時刻的位置估計矢量；X（k）＝ ［x（k），y（k），z（k）］T為對應同時刻的目標真實狀態位置矢量。

3.1.2 融合前后航跡精度改善度

融合前后航跡精度改善度是指融合前后目標位置估計精度的改善度。該項指標不僅同融合處理航跡精度有關，還同各情報源輸入情報融合中心的未經處理航跡的精度有關，當由多個情報源的空情信息傳輸給融合中心進行處理時，融合中心融合前后航跡精度改善度由各情報源融合前后航跡精度改善度的最小值決定。其計算公式為

式中：、Rx′為融合前情報融合中心接收的第i（i＝1，2，…，n）個情報源目標航跡的綜合位置估計精度、融合后目標航跡的綜合位置估計精度。

3.1.3 系統目標指示精度

系統目標指示精度是指各類情報源數據經C4ISR系統情報融合中心處理后發送到C4ISR系統所屬武器單元的航跡信息同真值航跡信息相比較的精度，也即武器單元接收的來自融合中心的目標指示參數的精確度。系統目標指示精度是衡量武器單元在經過情報融合中心處理后的空情信息的引導下，發現目標能力的一個指標。系統目標指示精度涵蓋了被測對象的傳感器探測精度、融合中心目標處理精度、情報傳輸時間延遲、坐標轉換誤差等多個因素。

設在某次試驗中，由武器單元接收的來自情報融合中心的、批號為1的目標在t0時刻的位置參數即方位角、高低角、距離為 （）。其對應的真實目標批號為1z，它在t0時刻的真實位置參數（真值）為 （） 。則由武器單元接收的來自情報融合中心的、批號為1的目標，在t0時刻的位置參數與其t0時刻的真實位置參數的差為

計算所有輸出時刻t0，t1，…tn的位置參數的誤差，根據標準差概念，則目標指示精度為

需要指出的是，系統目標指示精度試驗要求使用高精度的時統設備校準被測C4ISR系統和數據采集設備的時間，并且由武器單元接收的目標航跡與其對應的目標真實航跡應是相同時刻點的對應參數進行比較。通?？捎们€擬合技術［6］或外推方法解決此類問題。

3.2 情報融合正確率

情報融合正確性包括兩個二級指標：單題融合正確率、綜合平均融合正確率。

3.2.1 單題融合正確率

單題融合正確率為每道題目中每條航路融合正確率的平均值，單題融合正確率的計算公式為

式中：ξj為第j道題目的單題融合正確率；ξi為第i條航路的融合正確率；n為第j道題目的目標總批數。

3.2.2 綜合平均融合正確率

綜合平均融合正確率為所有題目單題融合正確率的平均值，綜合平均融合正確率的計算公式為

式中：ξ為綜合平均融合正確率；m為測試題目總數。

對試驗采集的真值設備航跡數據、情報融合中心融合后航跡數據進行處理，求取單題融合正確率、綜合平均綜合正確率。進行數據處理的基本步驟如下：

1）數據預處理

在進行試驗數據處理之前，首先需要將試驗數據統一到一個坐標下，然后進行時間對齊，直接由真值數據中提取同一時刻數據。時間零點為融合后數據的起始時刻點。

2）確定有效試驗數據

通過判定空情設計是否符合要求，被測C4ISR系統、真值設備、數據采集設備、配試設備工作是否正常等原則，確定有效試驗數據。

3）確定數據范圍

數據范圍為真值設備航跡起始時刻到真值設備航跡結束時刻的數據。

4）計算一次差Xij指被試設備在第i批次第Tj時刻目標坐標的融合航跡值，指在第i批次第Tj時刻目標坐標的理想航跡真值（i＝1，M；j＝1，N）。

5）異常誤差的判斷與剔除

利用“3σ”準則找出可疑誤差。對找出的可疑誤差，利用格拉布斯準則或t準則再進行判別以決定取舍［7］，置信概率可取為0.99。然后利用左右相鄰兩個正常誤差的平均值取代異常誤差。

6）計算每條航路的融合正確率

依據以下步驟計算每條航路的融合正確率：

（1）對參與情報融合的各偵察設備的探測誤差進行加權處理，得到”；

（2）融合后航跡點同真值航跡數據時間對齊后作一次差，一次差在±內記為合格，否則為不合格；

（3）計算融合后航跡點總數N，合格點數k，則該航路融合正確率的計算公式為

式中：ξi為航路i融合正確率；ki為航路i融合后合格航跡點數；Ni為航路i融合后航跡點總數。

在計算完每條航路的融合正確率之后，將結果依次代入式（5）、式（6），即可分別得到單題融合正確率、綜合平均融合正確率。

3.3 情報處理時間

情報處理時間包括兩個二級指標：融合處理速度、情報反應時間，分別從不同的角度來度量融合中心的工作效率。

3.3.1 融合處理速度

融合處理速度是指C4ISR系統情報融合中心單位時間內融合處理目標批數。例如，假設融合處理速度為M（單位：批／秒），傳感器的掃描周期為T（單位：s），若融合中心在一個掃描周期內，能夠融合處理來自配屬傳感器以及友鄰指揮所傳感器的M×T批航路，則滿足指標要求。

可設計特定的空情想定，使用模擬試驗方法來檢驗該指標。設計的空情想定要確保在1s內所有情報源向融合中心發送不低于規定批數的空情，或者一定時間內所有情報源向融合中心發送的空情的批數平均值不低于規定批數。如果試驗中情報處理精度、情報融合正確率等指標均滿足要求，則判定該項指標滿足要求。

3.3.2 情報反應時間

情報反應時間指從傳感器發現目標并輸出情報信息起至C4ISR系統情報融合中心處理并輸出情報信息為止的時間。對于融合中心輸出的同一批次的目標Pi（i＝1，2，…，n），其對應的各傳感器Rj（j＝1，2，…，m）上報目標批號為（i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m），若Pi首次輸出的時刻為，首次上報的時刻為。于是Pi的情報反應時間為

計算融合輸出所有目標的情報反應時間ti（i＝1，2，…，n），則情報反應時間平均值為

3.4 情報更新率

情報更新率指每個批次航跡在進行情報處理的節點上更新的頻率。包括兩個二級指標：情報源上報情報更新率、融合中心下發情報更新率。

3.4.1 情報源上報情報更新率

情報源上報情報更新率是指每個情報源在單位時間（s）內上報給情報融合中心的同一批次情報信息的次數，稱為該情報源上報情報更新率。例如，某傳感器的天線轉速為6轉／分鐘，則該傳感器上報情報更新率的理論值為0.1次／秒。一般還可以通過下面的方法求取其實際值。

設在某次試驗中，由某情報源上報給融合中心的、批號為i（i＝1，2，…，m）的目標共Ni次，其中第一次上報的時間為，最后一次上報的時間為，則該情報源對批號為i的目標的上報情報更新率（單位為次／秒）為

該情報源的平均上報情報更新率、最大上報情報更新率、最小上報情報更新率分別為

3.4.2 融合中心下發情報更新率

情報融合中心在單位時間（s）內向所屬下級下發的同一批次情報信息的次數稱為融合中心下發情報信息更新率。計算模型同情報源上報情報更新率。

4 測試結果分析

對上述小型C4ISR系統情報融合性能的測試結果見圖3～6（由于某些原因這里未采用真實數據）。圖3是融合前后航跡精度測試結果，圖中橫坐標表示空中目標到融合中心所屬傳感器的距離，縱坐標表示航跡位置估計精度，淺（紅）色曲線為融合前傳感器的航跡精度，黑色曲線為融合后航跡精度，可以看出融合后的航跡精度在整體上優于融合前的航跡精度，且對本站所屬傳感器的盲區進行了數據彌補。

圖3 融合前后航跡精度曲線（深色為融合前）

圖4 目標指示精度曲線

圖5 情報反應時間測試結果

圖6 融合中心下發情報更新率測試結果

圖4是目標指示精度中的方位角均方根誤差曲線，圖中橫坐標表示空中目標到融合中心所屬傳感器的距離，縱坐標表示目標指示精度中的方位角均方根誤差，在5～12km范圍內，目標距離傳感器越遠，方位角均方根誤差就越大，這基本符合實際使用情況。

圖5是情報反應時間的測試結果，圖中橫坐標表示測量次數，縱坐標表示情報反應時間，可以看出反應時間的數量級為s，這是由于采用了無線通信鏈路進行情報信息傳輸的緣故，如果采用有線通信鏈路進行情報信息傳輸，則情報反應時間的數量級一般為10－1s。

圖6是融合中心下發情報更新率的測試結果，可見融合中心下發情報更新率在0.1次／秒左右，更新率在0.09次／秒與0.11次／秒之間可以認為是正常的，即融合中心大約每隔10s更新一次下發信息。情報源上報情報更新率的測試結果圖與融合中心下發情報更新率的結果圖基本一致，也在0.1次／秒左右，這表明融合中心下發情報更新率的測試結果是正確的。

當出現不滿足指標要求的測試結果時，可以對測試結果和試驗數據進行分析找出被測小型C4ISR系統情報融合中心存在的錯誤和不足。例如在檢驗情報處理精度時出現融合處理航跡精度的誤差過大，而傳感器航跡精度誤差正常的情況。有兩種原因可出現這種情況：一是情報傳輸出現問題，二是融合中心的融合算法出現問題。通過對測試結果進行分析，可以有效查出被測小型C4ISR系統情報融合中心存在的各種問題，同時，還可以提出針對性的優化方案，提高融合中心的性能。限于篇幅這里不再一一列舉。

5 結語

情報融合性能是C4ISR系統的一個系統性指標，采用本文建立的指標體系進行測試評估，可以對小型C4ISR系統在情報處理精度、情報融合正確率、情報更新率和情報反應時間等情報融合方面的性能做出合理的評價，并發現存在的問題，為維護和進一步改進相關C4ISR系統的情報融合技術提供了很好的依據。但是，對于不同類型的C4ISR系統，其情報融合性能具有不同的評估標準［9～11］，今后需要進一步結合實踐情況對上述方法進行改進和完善，研究開發功能齊全、通用性強的測試評估模型、方法和軟硬件技術設施。

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