4.4.6 仿真验证与分析
假设夏季某一时刻t,根据情报通报,在某一海域位置存在疑似潜艇目标,目标航向未知。两架反潜巡逻机接到命令,以巡逻速度500 km/h前往该海域执行应召反潜任务,协同搜索目标,判断目标类型和目标意图,并对目标态势进行评估。在此过程中,两架反潜巡逻机是自主模式协同搜潜的平等地位,通过数据链多源信息共享。其中,第1阶段,声呐搜索到某潜艇目标,同时收到协同数据链的信息;第2阶段,磁探仪工作,数据链传输信息。每个阶段利用多源的信息综合推理识别目标,最终锁定潜艇目标,并判断潜艇目标的意图。为了所建模型的实用性,仿真程序中采用的水文条件[63]如表4-3所示,初始数据信息如表4-4所示。
表4-3 水文条件
表4-4 初始数据信息
在该水文条件下,被动全向声呐浮标工作深度为15m时,被动全向声呐浮标对不同航深潜艇的作用范围的仿真三维视场如图4-13～图4-15所示(图中的圆球代表浮标,深色区域为探测盲区,浅色区域为可探测区域),二维截面仿真结果如图4-16～图4-18所示;被动全向声呐浮标在不同工作深度对不同航深潜艇作用距离的仿真结果如图4-19～图4-21所示;被动浮标工作深度40m时,被动全向声呐浮标和被动定向声呐浮标对不同航深潜艇作用距离的仿真结果如图4-22～图4-24所示。被动全向声呐浮标工作在15m、40m、150m等不同深度时,对不同类型潜艇的瞬时探测概率如图4-25～图4-33所示,平均探测概率如图4-34～图4-36所示。设定监听时间3 h,不考虑目标潜艇的规避机动,圆形包围阵、覆盖阵分别布设不同被动全向声呐浮标数量和间距,对航向航速未知、航深为45～160m的静音型目标潜艇在监听时间内的发现概率如图4-37、图4-38所示。
图4-13 被动全向声呐浮标对极静型潜艇作用范围的仿真三维视场
图4-14 被动全向声呐浮标对静音潜艇作用范围的仿真三维视场
图4-15 被动全向声呐浮标对噪声潜艇作用范围的仿真三维视场
图4-16 被动全向声呐浮标对极静型潜艇作用范围的二维截面仿真结果
图4-17 被动全向声呐浮标对静音潜艇作用范围的二维截面仿真结果
图4-18 被动全向声呐浮标对噪声潜艇作用范围的二维截面仿真结果
图4-19 被动全向声呐浮标在不同工作深度对极静型潜艇的作用距离
图4-20 被动全向声呐浮标在不同工作深度对静音潜艇的作用距离
图4-21 被动全向声呐浮标在不同工作深度对噪声潜艇的作用距离
图4-22 被动全向和定向声呐浮标对极静型潜艇作用距离的仿真结果
图4-23 被动全向和定向声呐浮标对静音潜艇作用距离的仿真结果
图4-24 被动全向和定向声呐浮标对噪声潜艇作用距离的仿真结果
图4-25 工作深度15m时对极静型潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-26 工作深度40m时对极静型潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-27 工作深度150m时对极静型潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-28 工作深度15m时对静音潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-29 工作深度40m时对静音潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-30 工作深度150m时对静音潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-31 工作深度15m时对噪声潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-32 工作深度40m时对噪声潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-33 工作深度150m时对噪声潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-34 对极静型潜艇的平均探测概率
图4-35 对静音潜艇的平均探测概率
图4-36 对噪声潜艇的平均探测概率
图4-37 圆形包围阵发现概率(附彩图)
图4-38 覆盖阵应召反潜发现概率(附彩图)
其余仿真条件不变,主动全向声呐浮标工作深度40 m时,对敷瓦潜艇、未敷瓦潜艇的作用距离如图4-39、图4-40所示。假设考虑目标潜艇的规避机动,对浮标间距为4 km的三角阵,航深分别为45m和150m敷瓦潜艇的瞬时探测概率覆盖范围仿真结果如图4-41、图4-42所示。主动全向声呐浮标工作在15m、40m、150m等不同工作深度时,对不同类型潜艇的瞬时探测概率如图4-43～图4-48所示,主动全向声呐浮标工作在15m、40m、150m这3个工作深度的平均探测概率如图4-49、图4-50所示。设定监听时间为30min,考虑目标潜艇的规避机动,三角阵、十字阵布设不同间距的主动全向声呐浮标,对航速已知航向均未知、航深为45～160m的目标潜艇,发现概率如图4-51～图4-54所示。
图4-39 主动全向声呐浮标对敷瓦潜艇的作用距离
图4-40 主动全向声明浮标对未敷瓦潜艇的作用距离
图4-41 对航深为45m敷瓦潜艇的瞬时探测概率覆盖范围(附彩图)
图4-42 对航深为150m敷瓦潜艇的瞬时探测概率覆盖范围(附彩图)
图4-43 工作深度15m时对敷瓦潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-44 工作深度40m时对敷瓦潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-45 工作深度150m时对敷瓦潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-46 工作深度15m时对未敷瓦潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-47 工作深度40m时对未敷瓦潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-48 工作深度150m时对未敷瓦潜艇的瞬时探测概率(附彩图)
图4-49 对敷瓦潜艇的平均探测概率
图4-50 对未敷瓦潜艇的平均探测概率
图4-51 三角阵对敷瓦潜艇的发现概率(附彩图)
图4-52 三角阵对未敷瓦潜艇的发现概率(附彩图)
图4-53 十字阵对敷瓦潜艇的发现概率(附彩图)
图4-54 十字阵对未敷瓦潜艇的发现概率(附彩图)
在表4-4所列的数据信息中,定性概念的取值是离散的,以硬证据的形式直接输入云贝叶斯网络;定量概念的取值是连续的,要先进行归一化处理,再经过云模型转换和确定度-概率转换后,作为软证据输入云贝叶斯网络。
进行贝叶斯网络推理时,首先要建立模型内各节点之间的条件概率,在仿真过程中,各节点的条件概率根据4.3.2节建立的贝叶斯网络指标体系进行计算。根据反潜作战经验规律,在“被动”探测方式下,潜艇无法感知探测行动;当潜艇距离攻击目标在“远”和“中”两种状态时,其可能的意图主要是采用潜射导弹“攻击”和进一步“突防”,“规避”的概率最低,因此“攻击”和“突防”意图的概率分配应该相等,“规避”的概率最小;当潜艇距离攻击目标在“近”的状态下,因为攻击目标很可能已经进入其射距以内,所以其最可能的意图是鱼雷“攻击”,其次是“规避”,而最小的是“突防”。在“主动”探测方式下,潜艇发现探测行动的概率提高,因此潜艇“规避”的概率大幅升高;当目标类型为鱼群时,不论其距离远近,或者是否已经发现探测行动,都不会出现“攻击”“突防”或者“规避”的意图,所以可将此时潜艇的意图设定为“未知”;当目标类型为“假目标”时,不论其距离远近,或者是否已经发现探测行动,都不会出现“攻击”的意图,此时潜艇的可能意图是“突防”和“规避”。
综上,在目标类型、探测方式和目标相对位置已知条件下,目标意图的条件概率如表4-5所示,其中目标意图D={D1,D2,D3,D4},探测方式B={B1,B2},目标位置E={E1,E2,E3},目标类型A={A1,A2,A3}。
表4-5 目标意图的条件概率表(CPT)
根据反潜作战经验规律,在目标意图已知条件下,如果目标意图是“攻击”和“突防”,则接近攻击目标的概率将更大,保持低速的概率更高;如果目标意图是“规避”,则“远离”攻击目标的概率将更大,“快速”脱离的概率将更高或者保持“低速”以降低自身噪声辐射,因此两者概率相等;如果目标意图是“突防”,则“保持”中等深度的概率将更大,“上浮”的概率最低;如果目标意图为“规避”,则“下潜”的概率将更大,基本上不会上浮至水面附近。在目标类型已知条件下,如果目标类型为“潜艇”,则其辐射噪声的潜艇噪声特征和磁异常概率会更大;如果目标类型为“鱼群”,则其辐射噪声的非潜艇噪声特征和无磁异常概率会更大;如果目标类型为“假目标”,则其辐射噪声的潜艇噪声特征将与潜艇相似,但磁异常特征概率小。在目标类型和目标航向已知条件下,如果目标潜艇处于“远”状态,则其回波强度“弱”的概率大;如果处于“近”状态,则其回波强度“强”的概率大;如果目标类型为“鱼群”,则通常认为鱼群的状态独立于其他节点的状态,因此其回波特征“保持”不变的概率最高;如果目标类型为“假目标”,则无论其状态如何,回波强度都会比较“强”。在目标类型和目标航速为已知条件下,如果目标潜艇的状态为“快速”,则其噪声强度“强”,航速在“低速”状态时的噪声强度“弱”;如果目标类型为“鱼群”,则通常认为鱼群的状态独立于其他节点的状态,因此其噪声强度一般变化很“弱”;如果目标类型为“假目标”,则无论其状态如何,噪声强度都会比较“强”。
综上,在目标意图已知条件下,航向、航速和下潜深度的条件概率表(CTP)如表4-6所示;在目标类型已知条件下,噪声特征、磁特征的条件概率表如表4-7所示。在目标类型和目标航向已知条件下,回波强度的条件概率表如表4-8所示;在目标类型和目标航速已知条件下,噪声强度的条件概率表如表4-9所示。其中,目标意图Dk={D1,D2,D3,D4},目标航速F={F1,F2},下潜深度G={G1,G2,G3},目标航向H={H1,H2},回波强度I={I1,I2,I3},噪声强度J={J1,J2,J3},噪声特征K={K1,K2,K3},磁特征L={L1,L2}。
表4-6 目标航向、目标航速和下潜深度的条件概率表
表4-7 噪声特征、磁特征的条件概率表
表4-8 回波强度的条件概率表
表4-9 噪声强度的条件概率表
仿真计算使用MATLAB的BNT工具箱,选择贝叶斯网络工具箱中的联结树算法作为推理算法,经由云贝叶斯网络多次推理计算后,再利用概率组合算法组合各次推理结果,计算结果如图4-55～图4-57所示。
图4-55 仿真推理过程图
图4-56 目标类型识别仿真结果
图4-57 目标意图识别仿真结果
在协同搜潜过程中,使用声呐探测时,目标潜艇发现探测信号的概率升高,如果潜艇发现主动探测信号,则采取规避的概率会升高,并可能释放假目标、降低航速以降低噪声辐射,也可能提高航速以逃离。因此,如果反潜机检测到很强的辐射噪声,则最大可能是目标潜艇释放了假目标,因为无论假目标航速如何,其辐射噪声都会很大;其次可能为潜艇,因为目标潜艇可能提高航速逃离,从而导致辐射噪声增大;最不可能的是鱼群,因为鱼群的辐射噪声应该不受声呐主动探测的影响,不论在何种状态都很低。所以,推理结果与定性分析的结果一致,目标类型最有可能是假目标(概率是0.67),其次是潜艇(概率是0.23),概率最小的是鱼群(概率是0.10)。继续检测判定,采用磁探仪进行定位识别,检测到了磁异常信号,磁异常信号的存在使得目标为潜艇的概率最高(概率是0.63),其次是假目标(概率0.34),最不可能的是鱼群(概率是0.03)。
在反潜巡逻机声呐实施主动探测后,探测到很强的辐射噪声,目标意图为规避/投放假目标的概率最大,0.55＞0.31＞0.12＞0.02,其次为突防(概率是0.31),这与实践经验相符。磁探仪进一步检测时,检测到了磁异常信号后,目标为潜艇的概率增大,而潜艇在主动声呐探测的情形下最有可能采用的是规避动作(概率达0.72),与事实相符。
在协同搜潜过程中,对目标潜艇的运动轨迹进行模拟,其三维空间潜艇运动轨迹如图4-58所示。仿真开始后,假设潜艇初始航向90°、航深35m、航速4 kn,目标潜艇发现正前方主动声呐脉冲声信号,加速至12 kn,加大航行深度至100 m,同时改变航向至180°,进行规避。该过程与推理过程相符。
图4-58 目标潜艇运动轨迹仿真示意图
由上述仿真结果及分析可知,运用云贝叶斯网络进行目标态势评估能够推理判断出目标类型和目标意图,得出反潜巡逻机协同搜潜的目标态势,所得推理结果与实际态势相符;另外,该方法也可以搜索多个目标,并可利用综合云合成算法得出具体态势评估值。