一种基于可重用模型组件的战场目标信源建模方法*

曹开臣

(中国西南电子技术研究所，成都610036)



一种基于可重用模型组件的战场目标信源建模方法*

曹开臣**

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

战场情报仿真缺乏典型通用目标信源建模方法，难以为后续仿真流程中新概念、新算法的演示验证提供各种规范、完备的战场目标信源建模支撑。为了构建灵活通用、要素完备的典型战场目标信源，提出了基于对象的模版化、组件化的信源建模方法。从目标静态数据模型、目标动态行为模型两个方面进行数字化建模抽象，以模型驱动仿真数据生成，实现战场情报仿真环境下各种异构信源的体系化建模。试验证明该建模方法具有良好实用性，所建立的目标信源仿真模型可灵活组装、自由编配，为情报和作战领域的信源仿真提供了一种灵活、通用的目标建模方法。

战场目标；信源建模；情报仿真；可重用模型组件

1 引 言

为了开展未来信息化条件下战场情报信息融合先期概念演示验证[1]，可通过构建先进的仿真系统为其提供验证评估支撑，而其中作为一项基础课题的目标信源建模技术也愈来愈受到重视。但传统的情报信息融合仿真系统没有在信源建模方面开展系统性的研究，往往只是根据具体任务，对演示所需的个别信源要素进行临时性数据模拟，当获取目标其他特性数据时，需要在信源数据源头重新添加甚至需要修改代码。这种传统信源建模方法没有针对战场目标本身建立完备的特性要素描述模型，未从各种战场侦察传感器的角度全面、准确模拟战场目标固有特性和行为动态。此外，战场目标信源种类繁多，数据复杂不一，加之对战场目标信源不同的观察角度所导致的认知上的差异，极易造成冲突歧义和数据应用困难的情况，急需对战场目标信源的数据描述进行统一规范[2]。总之，原模拟信源方法缺乏灵活性、规范性与重用性，难以支撑战场情报仿真中多源异构信源数据的体系化建模。因此，有必要对战场目标开展系统性数据建模设计，为新型战场情报信息融合仿真系统提供数字化目标仿真信源。

本文在对战场目标信源进行分析的基础上，提出从目标静态数据模型和目标行为动态模型两个方面对战场目标信源进行建模设计。其中，目标静态数据建模以模型模板的方式构建属性完备的战场目标静态信源模型，目标动态行为建模主要是对各战场信源的实时行为、动态、工作模式等进行建模。该建模方法通过实验验证，实现了模型驱动的战场目标仿真信源模拟，并取得了良好的应用效果。

2 战场目标信源特性分析

目标信源建模是为了给战场情报信息融合仿真提供各种目标信源，通过数据抽象近真实地模拟目标静态特性及行为特性，进而为仿真场景中的各种情报侦察模型[3](如雷达、电子、通信以及光学设备)提供各自所需的目标特性数据。典型战场目标主要包括陆上战车类目标、海上舰艇类目标以及空中飞机类目标以及各类辐射源目标等。

在对目标特性建模的过程中，为了准确模拟目标特征，不仅需要对目标自身的功能、物理等固有特性进行描述，还需对目标本身被各种战场侦察传感器侦察时所反映出的被感知特征进行建模。如：某大型预警机被雷达探测时反映出自身的雷达截面积、目标位置、速度等，而被电子侦察手段侦察时反映出自身所装备的电子设备的辐射源参数特征；其固有特征与感知特征均为目标本身特性的静态反映，不妨将其看着静态数据建模。另外，在仿真环境中近真实地再现目标作战行为，需对其运动行为进行建模，这涉及目标飞行动力学、运动学以及航路规划等内容，即行为动态建模。因此，对战场目标信源的建模就可从目标静态数据和目标动态行为数据两方面进行数字化建模抽象。战场目标信源模型组成如图1所示。

图1 战场目标信源模型组成Fig.1 Battlefield target source model

(1)固有特征

是指目标在研制生产定型后所具有的技术性能和状态参数，是目标自身固化、捆绑的内在特性，它不会因侦察监视传感器性能的差异而改变。其要素进一步细分为功能特征、物理特征、机动特征以及装备特征等：功能特征是目标的基本属性，表明该目标所属的类别、类型、型号以及生产信息等；物理特征包括外形尺寸、载重、容量等；机动特征是指目标运动性能的相关信息，以航程、航速、以及高度三大类参数描述，主要针对移动平台目标；装备特征描述目标搭载的辐射源装备数量和名称，对独立的装备而言，其本身的固有特征仅仅采用功能特征、物理特性和机动特征进行描述；对另一类需要搭载于平台上，与平台共同发挥作战作用的非独立装备而言，采用嵌套和超链接的方式引导至独立的装备进行更细化的描述。

(2)感知特征

是表征目标外部特征的参数集合，与侦察传感器的类型有关，是目标某些外部特性的局部反映，这些被传感器获得用于检测、验证目标的特征可以作为目标识别的基础。它描述判证目标属性的基本特征，可据此分析判断目标的属性及当前状态，主要包括通信、电子和测量特征等。其中，通信信号包括短波、超短波、微波以及卫通信号等，电子信号主要包括雷达信号、敌我识别信号以及遥控遥感信号等。

(3)动态行为

是根据战场目标的日常机动行为进行的数学建模抽象，支持战场目标信源仿真模型的行为建模。

此外，元数据作为描述数据的数据，主要是为了规范战场目标信源模型静态、动态特征数据一致性描述，便于实现模型间的数据交互。

3 目标信源建模设计

根据上节对战场目标特性的分析，本节提出从目标静态数据和动态行为两个方面对战场目标信源进行建模抽象。其中，静态数据中的固有特征建模是从目标本身特性进行数据建模，感知特征是从侦察传感器的角度对战场目标被各种传感器侦察所反映出的特性；前者用于描述目标自身的功能性能、物理特征等，后者用于支撑战场目标识别，在仿真场景中便于各类侦察传感器对战场目标进行侦察模拟时的自动识别。动态行为建模是为了模拟真实的战场目标的工作行为、状态等动态过程，提高仿真的逼真性。此外，结构化、数字化的数据建模方式便于模型间的数据交换与统一描述，并引入元数据对建模数据进行规范。

3.1 目标静态数据建模

3.1.1 建模方法

目标信源建模是通过对反映各种战场目标特性的数据进行结构化、数字化的规范描述；反映目标信源的技术性能、状态参数以及目标的辐射源特征等，为战场情报信息融合仿真系统提供近真实的仿真信源。由于战场目标信源的复杂程度不一、类型种类不同，加之对目标信源的观察角度、感知手段、认知能力各异，不可能对所有目标信源建立相同的特征集合。因此，围绕目标自身所具有固有特征以及被各类战场侦察传感器感知的特征数据进行分类建模。其中，目标固有特征主要用于描述目标信源的物理、功能性能以及行为边界，而感知特征主要是用于反映目标信源被侦察传感器能够获取的信源辐射特征，支撑仿真过程中模型间的数据交换。最后，通过对特征数据抽取、分析、关联，完成战场目标信源的数字化建模。

在此，为了便于目标信源模型的构建以及固有、感知特征数据的组织与管理，引入了模型模板的概念。由于目标特征数据由一系列反映其功能性能、机动特性、外形尺寸等多类特征数据集合组成，于是将反映目标某一类特征数据的集合定义为一类模板，再由多个相关模板组装形成完整目标静态信源模型，从而为各种战场情报信息仿真系统提供可自由编配、灵活部署、数据完备的战场目标信源。

3.1.2 关键技术

基于固有、感知特征于一体的目标模型模板建模技术，从目标自身和传感器两个角度对目标信源进行建模描述，用各级模板对数据进行有机组织。为了实现战场多种典型信源的灵活构建、动态重组，设计一系列反映目标自身某一方面特性的功能、物理、机动以及装备4类固有特征模板，形成固有特征模板库；构建反映目标被各种传感器感知的通信信号、电子信号以及测量特征模板，形成感知特征模板库；再通过对固有、感知特征模板的抽取、组装形成特定的目标静态信源模型。即每个目标信源模型由固有特征和感知特征两大类模板组成，其中，平台目标通过关联搭载辐射源或侦察传感器形成完整的目标信源。战场典型静态数据模型组成如图2所示。

图2 目标静态数据模型组成Fig.2 Target static data model component

3.1.3 建模示例

以飞机静态信源模型为例，其固有特征模板由通用固有特征模板、海基平台通用固有特征模板和航母固有特征模板等共同组成，其传感特征模板由雷达信号感知特征模板、通信信号通用感知特征模板、短波/超短波信号感知特征模板、卫通信号感知特征模板、数据链信号感知特征模板组成，具体如图3所示。

图3 飞机模型建模Fig.3 Aircraft model

3.2 目标动态行为建模

目标动态行为的建模主要是为了模拟真实战场目标活动，涉及动力学、运动学以及运行控制等组件的建模。

3.2.1 动态行为组件

动态行为建模主要涉及移动目标的动力组件、运动组件、运行控制组件3个部分。动力组件主要涉及移动目标的质心动力特性、绕质心动力特性建模[4]，采用经典数学模型对目标信源的航速、航行进行规划。运动组件设计移动目标的运行轨迹与姿态设置。运行控制组件主要是对移动目标的航路、动作进行规划控制等。目标动态行为模型组成见图4。

图4 目标动态行为模型组成Fig.4 Target dynamic behavior model component

3.2.2 目标动态行为建模实现

模拟真实陆海空天的机动平台的行为动态，即对移动目标的行为组件进行建模，主要包括移动目标的动力组件、运动组件和运行控制组件3部分。考虑到空中目标的活动区域是三维(经度、纬度、高程)立体空间，而陆上目标与海上目标是二维(经度、纬度)平面运动，在仿真场景中，为了便于进行统一动态行为抽象建模，不妨将陆上/海上目标也看着三维运动，只是其高程始终为零，于是，为了便于战场移动目标的统一建模，均可借鉴飞机动态行为组件进行仿真建模。

在仿真场景中，为了尽可能真实地反映战场目标的真实机动行为，提高仿真逼真度与可行度，有必要对其运动特性进行数学建模抽象，以数学模型驱动机动目标运动数据生成。在仿真场景中所关注的目标运动数据主要包括速度向量、角速度向量、位置向量以及姿态向量等数据。其中，速度向量、角速度向量由动力系统决定，通过设计动力组件对其进行数学建模求解；位置向量与姿态向量通过设计的运动组件进行向量求解。

(1)动力组件设计

动力组件分为质心动力特性组件和绕质心动力特性组件。其中，质心动力特性组件描述目标移动速度(V)和航向(ψs,θ)(ψs为飞行航向角，θ为航迹倾角)，参考大地坐标系。绕质心运动动力组件描述飞机绕质心运动的角速度W，其空间x、y、z三轴角速度分别为ωx、ωy、ωz，以飞机自身为参考坐标系。本组件更新飞机的速度和角速度两个矢量参数，即速度向量V表示为(v,ψs,θ)，角速度向量W表示为(ωx,ωy,ωz)。此组件输出速度和角速度两个状态参数，如表1所示。

表1 动力组件输出数据Tab.1 Output data by dynamic component

该运动组件的输入参数为飞机在仿真过程中的实时动作，包括飞机推力P、仰角α、侧滑角β、爬升角γs、发动机安装角φp、侧力Z、推力P、阻力D、升力L。

飞行动力组件公式包括飞机质心动力学公式和飞机绕质心动力学公式。飞机质心动力学公式为

(1)

飞机绕质心动力学公式为

(2)

采用双欧拉法[5]对上述公式进行求解，计算出当前仿真状态下的飞机的速度、航向以及角加速度。

(2)运动组件设计

运动组件负责更新飞机的实时空间位置(L)，表示为L(lo,la,al)，其中lo、la、al分别表示经度、纬度以及高程；飞机姿态(G)表示为G(ϑ,ψ,Φ),其中ϑ为俯仰角，ψ为偏航角，Φ为滚转角；两者均参考大地坐标系。飞机运动组件输出飞机位置和姿态向量表示如表2所示。

表2 运动组件输出数据Tab.2 Output data by moving component

该组件涉及数学公式(3)、(4)，其输入分别为公式(1)、(2)中计算出的飞机速度(v,ψs,θ)与飞机角速度(ωx,ωy,ωz)。

飞机实时位置由质心运动公式计算:

(3)

飞机姿态由绕质心运动公式计算:

(4)

通过计算出对应的俯仰、偏航和滚转角速度，最后计算得到飞机的姿态数据。

(3)运行控制组件设计

飞机运行控制组件包括动作规划和航路规划组件。其中，动作规划组件根据当前执行任务的动作；航路规划组件根据任务计划规划机动航路，重点是确定一系列飞行拐点，拐点间以最优路径飞行。

运行控制组件的数据流程如图5所示。

图5 运行控制组件数据流程Fig.5 Flight control component data flow

运行控制组件输入为飞机当前时刻、位置以及下一目标点数据，输出为当前仿真状态下需要执行的操作数据。航路规划子组件输入为飞机当前时刻、位置以及下一目标点数据，输出为当前仿真状态下需要执行的动作数据。动作规划子组件输入飞机动作数据，输出为飞机操作数据。

4 仿真验证

为了验证上述信源建模方法的实用性，利用商用仿真软件搭建了一个通用的战场情报信息融合仿真系统。首先按照3.1节的静态数据建模思路，针对战场目标信源模型构建了一系列信源特征模板，再通过灵活抽取组装形成战场目标静态数据模型，然后再嵌入3.2节中的目标动态行为组件，构建出了特征要素完备、运行控制灵活的战场目标信源模型。将上述方法推广应用，顺利开发出了战场辐射源目标、侦察装备目标以及各级各类情报中心等战场典型系列信源模型。其中，目标静态数据建模采用的模型模板建模方法组装灵活，具有良好的重用性与可扩展性。图 6为目标静态数据模型建模展示。通过集成目标静态数据模型和动态行为模型形成完整的战场目标信源模型，可直接应用于战场仿真。

图6 目标静态数据模型Fig.6 Target static data model

5 结束语

本建模方法以固有、感知等静态数据以及行为动态特性等多个维度对战场目标信源进行建模。在静态数据建模过程中，除了描述战场目标自身所固有的功能、物理、机动以及搭载武器装备特性描述外，还从战场侦察传感器的角度描述了各类侦察传感器对目标进行侦察时所表现出来的被侦察特性，利于战场目标感知特征提取与识别。与现有信源仿真建模相比，采用模板化、组件化建模方法，提高了仿真模型的重用性与通用性,便于实现红蓝双方战场目标仿真的灵活构建与编配，极大提高红蓝对抗中的场景部署效率。

总之，本目标信源建模技术具有独特性和基础性，能近真实地反映实装系统目标信源数据特征与行为特征，具有很好的仿真建模实用性，为情报和作战领域的目标特征数据建模提供了一种灵活、通用的目标建模方法，并已在实际应用中取得了很好的应用效果。后续将考虑对大差异情报信源开展建模分析研究。

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曹开臣(1984 —)，男，重庆梁平人，2010年于哈尔滨工业大学获工学硕士学位，现为工程师，主要从事信息系统总体设计工作。

Email:947488417@qq.com

A Modeling Method for Battlefield Target Source Based on Reusable Model Component

CAO Kaichen

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036，China)

Due to lack of universal target source modeling method in battlefield intelligence simulation,it is difficult to provide the norm and perfect battlefield target source modeling for demonstration and verification of new concepts and arithmetics in simulation. In order to get universal and comprehensive battlefield target source,an object-based modularization and component modeling method is proposed.It performs digital modeling from static data model and dynamic behavior model,and produces simulation data by model driving,thus completing architectonical modeling of diverse data source in battlefield intelligence simulation. The test shows the new method is practical and the target source simulation model established by it can be assembled easily. It provides a flexible and universal target modeling method for intelligence and operation simulation.

battlefield target；source modeling；intelligence simulation；reusable model component

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.014

曹开臣.一种基于可重用模型组件的战场目标信源建模方法[J].电讯技术，2017,57(7):813-818.[CAO Kaichen.A modeling method for battlefield target source based on reusable model component[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):813-818.]

2017-04-21；

2017-06-16 Received date:2017-04-21；Revised date：2017-06-16

TN971;TP391.9

A

1001-893X(2017)07-0813-06

**通信作者：947488417@qq.com Corresponding author：947488417@qq.com