基于主成分分析法的反导态势要素提取研究*

朱艺，肖兵，林傲

(空军预警学院a.研究生管理大队；b.四系，湖北 武汉　430019)



基于主成分分析法的反导态势要素提取研究*

朱艺a，肖兵b，林傲a

(空军预警学院a.研究生管理大队；b.四系，湖北 武汉430019)

摘要：针对弹道导弹及其攻防作战的特点，深入分析反导作战态势评估的过程，研究影响反导预警态势评估的主要因素，构建了反导战场态势要素集模型。在此基础上，采用主成分分析法进行要素分析与提取，优化重构要素集模型。研究结果为提高反导预警态势评估的准确性和指挥决策的及时性提供了重要依据和保障。

关键词：反导作战；态势评估；态势要素；主成分分析法

0引言

反导预警态势评估是指挥员正确决策的重要依据，态势要素是影响态势评估结果的关键。因此，如何从众多影响态势评估结果的因素中提取出态势要素，已成为态势评估的重要研究内容和关键环节，而目前针对反导作战态势要素提取方面的研究比较少。本文采用主成分分析法[1]对反导预警态势评估要素的提取进行研究，为提高反导预警态势评估及时性和准确性提供方法指导。

1反导作战过程分析

弹道导弹具有射程远、速度快、机动性强、威胁大等特点，其过程可分为主动段、自由段、再入段3个典型的阶段，整个过程时间短，给防御方的反导预警带来很大困难。

反导实际上就是弹道导弹攻防双方的对抗，实质上是弹道导弹所采取的各种以电子战为主的突防措施和防御系统中以光电、雷达为主的探测、识别、跟踪系统之间的对抗[2]。作战基本过程如图1所示。

从图1所示的反导过程可见，反导要实现的主要作战任务是拦截来袭导弹。无论是在主动段、自由段，还是再入段，反导作战的防御方均需要依赖各类传感器的探测信息，并结合其他情报源进行综合处理。因此，防御方只有了解攻方的攻击目标，明确导弹类型及阵地情况，了解攻防双方的作战部署，掌握导弹的飞行参数等信息，才能采取有针对性措施，即准确进行态势评估，及时把握反导作战的战场态势，才能有效完成导弹拦截等反导作战任务。

2反导预警态势要素分析

为了进行态势评估，首先必须确定影响态势评估的主要因素，态势要素的确定需要根据所需评估的战场环境和任务而定。战争实质上是政治、经济、文化、民族等一系列社会要素矛盾的产物。现代战场尤其是反导战场，攻防双方的作战实体是双方关注的重点，还有战场中客观自然环境，如地形、气象、水文、自然辐射等，对战场态势都会造成影响。因此，反导预警态势要素主要分为以下3类，即社会要素、客观环境要素和反导作战要素[3]。

本文以反导攻防要素为例进行研究。通过对反导作战过程的分析和影响反导作战态势评估因素的分析，研究归纳出如图2所示的反导攻防要素集模型。

2.1防御方战略要地要素(A2.1)

进攻方在制定弹道导弹攻击预案时，必然会选择防御方重要实体作为打击目标，以达到其战略目的。

重要程度(A2.1.1)：战略要地作为进攻方攻击目标，它的重要程度决定着进攻方攻击可能性的大小。

地理位置(A2.1.2)：战略要地和进攻方导弹阵地的相对位置，为攻方导弹攻击提供指导。

防护能力(A2.1.3)：主要是指目标通过伪装隐蔽等手段躲避来袭导弹的能力，它的强弱一定程度上限制导弹攻击效果。

2.2防御方预警探测要素(A2.2)

它是整个反导预警系统的“眼睛”。

图1　反导作战基本过程Fig.1　Basic process of anti-missile operation

预警时间(A2.2.1)：战术导弹本身速度快，攻击时间短，有效实施拦截就必须有充分的准备时间。

探测概率(A2.2.2)：在满足一定虚警概率条件下，预警卫星和远程警戒雷达系统搜索、发现目标的能力。它是整个反导的基础。

识别能力(A2.2.3)：一方面是指预警探测系统将弹体从杂波背景中提取出的能力，另一方面是指将弹头从群目标中区分的能力。只有识别出导弹后，才能进行拦截。

跟踪能力(A2.2.4)：对群目标进行稳定跟踪，并预测弹头落点，进而决定防御策略，并在实施拦截后反馈拦截效果。

电磁对抗(A2.2.5)：预警探测在开放的环境中进行，它必然受到战场电磁环境的影响，电磁对抗能力越强，预警探测系统的稳定性越好。

伪装隐蔽(A2.2.6)：利用地形或其他物体对体型庞大探测传感器进行伪装的能力，以欺骗敌人观察，避开敌人火力。

2.3防御方反导拦截系统要素(A2.3)

它是整个反导预警系统的“拳头”。

拦截概率[4](A2.3.1)：拦截系统对导弹的单发命中概率。概率越高则防御拦截能力越强。

拦截次数[5](A2.3.2)：在导弹进攻过程中，拦截系统对该目标在各飞行阶段实施拦截的次数。

保护区域(A2.3.3)：拦截系统对弹道导弹实施有效打击的区域。

抗干扰能力(A2.3.4)：拦截系统适应复杂战场环境的能力，影响着拦截系统的可靠性。

伪装隐蔽(A2.3.5)：利用地形或其他物体对拦截系统进行伪装的能力，以欺骗敌人观察，避开敌人火力。

在上述基础上，当换流站的两端无法为直流线路潮流提供有效的电压和功率调节条件时，需要额外引入一个直流潮流控制器，目的在于保证输电线路潮流能够得到有效的调节。具体的外接方式如图1所示。

2.4防御方信息传输与处理要素(A2.4)

它是整个反导预警系统的“神经”。

信道容量(A2.4.1)：信道能传输信息的最大平均速率。反导战场是全方位、多层次、全时域立体的，战场信息量巨大，因此要求信道有足够大的容量。

图2　反导态势要素集模型Fig.2　Situational element model of anti-missile

传输质量[6](A2.4.2)：主要包括信息传输持续性、稳定性，以及传输过程中，保证较低的误码率。

抗干扰能力(A2.4.3)：信息传输对复杂的战场环境有较强的适应性和抗干扰能力以保证传输畅通。

处理类型(A2.4.4)：正确处理信息的种类。能够处理的信息类型越多，处理能力越强。

处理质量(A2.4.5)：在一定时间内，对各种类型信息进行处理并得出与反导战场相匹配的结果。

2.5防御方指挥与控制[7]要素(A2.5)

它是整个反导预警系统的“大脑”。

信息共享(A2.5.1)：为各级指挥和参谋人员提供各种信息资源共享的能力，包括信息分发能力、信息检索能力、信息订阅能力和统一态势生成能力等。

管理监控(A2.5.2)：指挥控制过程中，对软硬件及通信网络提供实时自动的检测和响应机制，保障指控系统正常安全运行。包括数据库安全监控能力、应用系统运行监控能力、网络监控能力、主机安全监控能力等。

态势监控、处理与评估(A2.5.3)：对不同来源、不同格式的态势信息进行接收、转换、融合、标绘、判断和预测等方面操作，形成精确及时的态势图，并对态势实时监控和科学评估。

方案计划与制定(A2.5.4)：根据态势信息，进行敌情、我情、战场环境的分析，拟制行动方案，明确行动决心等方面的能力以及为指挥人员和参谋业务人员提供行动计划的起草、修改、审阅、存储、检测、浏览及输出的能力。

指挥控制质量(A2.5.5)：对整个反导方进行匹配、协调以及对反导资源进行合理有效调度的能力，使整个反导在有限时间内顺畅进行。

2.6进攻方导弹阵地要素(A2.6)

发射平台(A2.6.1)：进攻方导弹发射采用的平台，一般分为陆基、空基、海基3种。每一种平台制约着导弹发射时的特点。

地理位置(A2.6.2)：主要指导弹发射时的所在位置，由发射平台方位决定。

伪装隐蔽(A2.6.3)：利用地形或其他物体对导弹阵地进行伪装的能力，通过欺骗观察，从而避开防御方火力。

2.7进攻方弹道导弹要素(A2.7)

导弹是反导拦截的对象，因此对该要素的分析更加详尽。

导弹类型(A2.7.1): 是指导弹型号，主要依靠情报资源和数据库进行匹配判断，一旦明确了其类型，那么导弹的部分参数可以确定，就为防御方赢得更多的预警时间。

导弹数量(A2.7.2):反导系统受饱和度限制，攻击导弹越多，防御难度越大。

导弹射程(A2.7.3):导弹射程直接影响到打击范围。

弹头类型(A2.7.4):导弹的战斗部装药的不同，对防御方造成的伤害也不同，特别是非常规弹头(核、化、生)杀伤力更大，威慑力更强。

突防手段(A2.7.5): 为确保攻击效果，战术导弹一般都会采取一些措施手段加大防御方的拦截难度。

弹道倾角(A2.7.6)[8]:导弹在任一位置时的速度方向与当地水平面间的夹角。

方位(A2.7.7):决定了导弹大致攻击方向。

速度(A2.7.8):导弹飞行的速度越快，耗时就越短，拦截越困难。

抗干扰性(A2.7.9):导弹飞行中抗复杂战场环境干扰的能力，导弹的抗干扰性越强，其打击效果越好。

3反导预警态势要素的提取

如图2的反导态势要素多达36种，相互关系复杂，若要全面考虑每一个因素的作用，必然影响反导作战的及时性。而主成分分析法可以在不损失或很少损失原有信息前提下，将原来具有一定相关性指标综合成一组新的互不相关的主成分指标，同时按照一定原则从中选取较少的几个主成分指标尽可能多地反映原有指标的信息。它的基本步骤包括：对原始数据矩阵进行标准化，求标准化矩阵的相关矩阵，求相关矩阵特征值和特征向量，求方差贡献率并确定主成分个数m，用m个主成分进行综合评价。下面以反导预警态势要素提取为例，采用主成分分析法进行研究。

3.1实例描述

现假定攻防双方进行导弹突防与反导对抗，由第2节分析得出36个反导态势要素(X1-X36)，本文用德尔菲法[9]对这36个要素在反导态势中的重要性进行评估。首先制定好打分规则，分值在0-10之间，分值越大表示越重要，反之越不重要；其次邀请10位相关领域专家按照打分规则对36个要素进行打分，并要求每位专家填写评估依据，以便对专家的反馈意见进行更客观的统计。10名专家的打分作为原始分析数据，如表1所示，其中Yn表示第n名专家的打分结果。

表1　原始数据(矩阵XT)

3.2要素提取

由于反导作战时间短，预警及时性要求高，为了能够在较短的时间内完成态势评估，又保证态势评估的准确性，因此本文通过进一步深入研究36个要素相互关系及其对态势评估的影响程度，采用主成分分析法从中提取出关键的、具有最小相关性的要素作为态势评估要素，步骤[10-11]如下：

第1步：为了求出各要素间的相关系数，对表1数据进行标准化变换得矩阵

对标准化矩阵进行如下处理，即可得相关矩阵

k=1,2，…，p，

将主成分用36个要素的线性组合表示：

Fg=lg1X1+lg2X2+L+lgpXp.

F1=-0.202X1-0.050X2+0.318X3+

…+0.167X35+0.092X36；

F2=-0.047X1-0.092X2+0.054X3+

…-0.051X35+0.139X36；

⋮

F36=-0.010X1-0.153X2+0.030X3-

…+0.046X35+0.019X36.

第4步：一般主成分个数等于原始要素个数，如果数量较多如本例多达36个，进行综合评价时考虑因素多，有可能不能保证评估的时效性。主成分分析法就是选取主要的m个主成分(m

(1)

贡献率和累计贡献率用Matlab编程求解结果如表2所示，可见前5项主成分累计贡献率为78.57%低于85%，而前6项累计贡献率达88.70%高于85%满足条件，故取前6个主成分，即m=6，也就是用前6个主成分来进行综合评价。

第5步：用6个主成分进行综合评价，首先确定6个主成分的线性加权值Mg即第g个主成分的贡献率，再对6个主成分进行加权求和，即得到最终评价值F：

(2)

(3)

F=0.2107F1+0.1772F2+0.1381F3+0.1376F4+0.1221F5+0.1013F6.

而每一主成分又能够用原始的36个要素线性表示，表示形式见第3步，各要素权重计算仿真结果见表2，因此

F=-0.036X1-0.107X2+0.052X3+…-0.045X35-0.029X36

36个要素的权重描述了各要素对综合评估值贡献的大小，正号代表着对结果的积极作用，数值越大，则作用越大；负号意味着对结果的消极影响，绝对值越大，则负面影响越大。通过各要素系数的绝对值大小比较[13]发现X2,X3，X4，X6，X10，X11，X13，X14，X16，X17，X18，X19，X22，X24，X27，X28，X31，X33，X34，19个要素的贡献率排名靠前，且对F贡献率之和已达到85%以上，能够保证评估结果的有效性。因此，结合咨询专家和实际情况分析，可以认为这19个要素为对态势影响最大也具有决定性的要素组合，提取此19个要素组成要素模型，为下一步的态势评估提供支撑。提取后的态势要素模型如图3所示。

表2　各主成分的特征值、特征向量及累计贡献率

图3　要素提取模型Fig.3　Model of element extraction

从图3与图2的对比可以看出，从战略层次考虑，战略要地的地理位置和防护能力决定了防御方需要付出多少代价来保证要地安全性，态势监控、处理与评估为指挥员提供辅助决策，而指挥控制的质量则影响到整个反导防御能否顺利进行，导弹阵地的伪装隐蔽反映它的自我保护能力。从战役层次考虑，争取更多的预警时间可以为反导做好充分的准备，能否识别目标是反导的前提，反导作战是各大系统协同完成，信息传输的质量和抗干扰性是信息流能否在各系统中稳定传输的关键，而信息处理类型和质量制约着拦截能否成功。从战术层次考虑，拦截系统的拦截概率、拦截次数以及抗干扰能力反映了拦截器的打击能力，而它的伪装隐蔽则反映了拦截系统自我保护能力，弹道导弹是防御方打击对象，导弹的类型、弹道倾角和方位决定了导弹的弹道；弹头类型是进攻方目标企图与威胁判断的重要因素，是防御方采用何种策略及战术应对要关注的重点内容。综上所述，要素提取结果基本符合实际情况。

4结束语

本文在分析反导预警态势评估过程的基础上，构建了态势要素集模型，并采用主成分分析法，从要素集中提取主成分，再对各要素权重利用编程进行定量排序从而提取出对反导态势有着重大影响作用的要素，后续可以利用这些要素构建反映反导战场实际的评估模型，将评估结果实时优先地提供给指挥员。但是该方法也有一定局限性，如原始数据的获取，过于依赖专家的主观评判，评价结果难以精确反映各要素重要程度，因此原始数据还需进一步完善，特别要紧贴反导部队和反导战场实际，对数据进一步修正，以保证态势评估的准确性和反导作战指挥的有效性。

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Research on Element Extraction of Anti-Missile Situation Based on Principal Component Analysis

ZHU Yia, XIAO Bingb, LIN Aoa

(Air Force Early Warning Academy， a.Department of Graduate Management;

b.No.4 Department, Hubei Wuhan 430019,China)

Abstract:In view of the ballistic missile and its characteristic of attack-defense operation, the process of anti-missile operation situation assessment is analyzed, the essential factors influencing anti-missile early warning situation assessment are studied, and the situational element collection model of anti-missile battlefield is built. On this basis, the element analysis and extraction, the optimization and reconstruction of the element collection model are conducted with the principal component analysis method. The research results provide important references and guarantee for improving the accuracy of anti-missile early warning situation assessment and the timeliness of command decision-making.

Key words:antimissile operation; situation assessment;situational element; principal component analysis

中图分类号：N945；TJ761.3

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-01-0031-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.006

通信地址：430019湖北省武汉市黄浦大街288号研管21队E-mail：boca_4u@163.com

作者简介：朱艺(1984-)，男，湖北武穴人。助工，硕士生，研究方向为军事情报分析与应用。

收稿日期：2014-02-13；
修回日期：2014-04-09