面向作戰(zhàn)需求的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化研究

孫盛智, 侯 妍, 裴春寶

(1.公安海警學(xué)院，浙江 寧波 315801； 2.航天工程大學(xué)，北京 101416； 3.西藏大學(xué)，拉薩 850000)

0 引言

衛(wèi)星應(yīng)用裝備是利用衛(wèi)星發(fā)揮或增強(qiáng)作戰(zhàn)效能的武器裝備的統(tǒng)稱[1]。衛(wèi)星應(yīng)用裝備是實(shí)施太空信息支援聯(lián)合作戰(zhàn)的紐帶，使得太空信息融入聯(lián)合作戰(zhàn)體系的前提[2]。而衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合主要目的是降低衛(wèi)星應(yīng)用裝備之間的耦合，提高衛(wèi)星應(yīng)用裝備之間太空信息資源的共享程度和使用效益，衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化是消除衛(wèi)星應(yīng)用裝備重復(fù)配置、最大限度提升太空信息資源利用率的基礎(chǔ)[3]。

1 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化需求分析

信息共享是多個(gè)信息用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其他媒介共同利用同一個(gè)信息資源的活動(dòng)[4]。通常情況下，衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合僅僅是從裝備自身考慮，而與作戰(zhàn)任務(wù)無(wú)關(guān)，因此對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合進(jìn)行優(yōu)化，是面向作戰(zhàn)設(shè)計(jì)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合的前提[5-6]，是實(shí)現(xiàn)信息共享的基礎(chǔ)。太空信息資源滿足率和利用率是判斷太空信息資源是否滿足作戰(zhàn)需求和描述太空信息資源使用效率的基本參數(shù)[7]。假設(shè)組合后的衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDk∈SD*，其提供的太空信息資源數(shù)量為ck，而作戰(zhàn)對(duì)該太空信息資源的需求量為bk，則衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDk的太空信息資源滿足率ηk為

(1)

式中：當(dāng)ck>bk時(shí)，表示太空信息資源完全可以滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求且有盈余；當(dāng)ck

同樣可以得到衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDk的太空信息資源利用率τk為

(2)

式中:當(dāng)ck>bk時(shí)，表示衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDk提供的太空信息資源對(duì)于作戰(zhàn)需求尚有冗余，可以滿足作戰(zhàn)需求；當(dāng)ck

2 面向作戰(zhàn)需求的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化算法

2.1 面向作戰(zhàn)需求的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化過(guò)程

衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化過(guò)程如下所述。

2.1.1 初始衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化

假設(shè)衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi∈SD與任意SDj∈SD′(j=m+1,m+2,…,m+n)進(jìn)行組合，其中，衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi的太空信息資源冗余(ci>bi)，SDj的太空信息資源短缺(ci

Δcij=(ci-bi)×αij

(3)

式中，αij為衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi和SDj的相似度，即二者之間可以共享太空信息資源的綜合可用度。

同樣可以得到衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi和SDj組合后的太空信息資源滿足率為ηij，即

(4)

對(duì)于衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDj而言，SDi對(duì)其共享的太空信息資源不可能全部使用(其可用度為αij)。因此，衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后的太空信息資源綜合利用率不可能為1。考慮到太空信息資源共享以后可能還會(huì)有冗余，則衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi和SDj組合以后太空信息資源的綜合利用率為τij，即

(5)

需要注意的是，在一次迭代過(guò)程中，下一個(gè)衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi+1∈SD不再與當(dāng)前已經(jīng)被合并的衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDj進(jìn)行組合，僅考慮集合SD′中未參加本次組合的其他衛(wèi)星應(yīng)用裝備。

2.1.2 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化結(jié)果分析

如果衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi∈SD和SDj∈SD′是最優(yōu)的組合方案，并且太空信息資源滿足率ηi*j=1，表明該衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后太空信息資源可以滿足作戰(zhàn)需求且尚有盈余，則將SDi和SDj組合后歸并到集合SD中，對(duì)應(yīng)的太空信息資源滿足率ηi*=ηi*j=1，更新衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合SD和SD′，即SD←SD∪SDi*/{SDi}，SD′←SD′{SDj}。

如果衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi∈SD和SDj∈SD′是最優(yōu)的組合方案，并且太空信息資源滿足率ηij*=1，表明該衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后太空信息資源正好滿足作戰(zhàn)需求，但是沒(méi)有能力提供“額外”的太空信息資源，則該組合退出優(yōu)化過(guò)程，更新衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合SD和SD′，即SD←SD/{SDi}，SD′←SD′{SDj}。

2.1.3 迭代

如果集合SD和SD′中衛(wèi)星應(yīng)用裝備全部被遍歷，表明一次迭代過(guò)程結(jié)束；如果一次迭代完成以后，衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合SD和SD′中的元素為空，表明所有衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，太空信息資源均可以滿足作戰(zhàn)需求或者不能滿足作戰(zhàn)需求，則得到當(dāng)前最優(yōu)的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案。如果集合SD和SD′中的元素不為空，表明衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合通過(guò)優(yōu)化后，還存在太空信息資源冗余或短缺的衛(wèi)星應(yīng)用裝備，需要進(jìn)一步優(yōu)化迭代。

1) 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后的太空信息資源滿足率ηj*<1。

(6)

式中,αij為衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDi與SDj的太空信息資源綜合可用度。

(7)

(8)

2) 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后的太空信息資源滿足率ηi*=1。

(9)

衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合SDi*與SDk組合后太空信息資源的綜合滿意度為ηi*k，即

(10)

考慮到衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后太空信息資源可能冗余，則衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合SDi*與SDk組合后太空信息資源綜合利用率為τi*k，即

(11)

當(dāng)然衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDk也可以看作是衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合，同樣也可以得到衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后的太空信息資源滿足率和綜合利用率，因此，衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合之間太空信息資源共享的最大化。當(dāng)衛(wèi)星應(yīng)用裝備集合SD和SD′中元素為空，表示沒(méi)有可以提供冗余太空信息資源的衛(wèi)星應(yīng)用裝備，或表示衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合后的太空信息資源可以滿足作戰(zhàn)需求，輸出最優(yōu)的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案。

2.2 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合作戰(zhàn)效能評(píng)估

衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化的目的就是提高衛(wèi)星應(yīng)用裝備之間太空信息資源共享的程度和范圍，避免衛(wèi)星應(yīng)用裝備配置不均衡的情況，提升衛(wèi)星應(yīng)用裝備作戰(zhàn)效能[8]。通過(guò)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化，可以減少衛(wèi)星應(yīng)用裝備的整體規(guī)模，以太空信息保障人員數(shù)量為基準(zhǔn),對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估[9]。

(12)

武器裝備作戰(zhàn)單元i在衛(wèi)星應(yīng)用裝備SDj和SDh領(lǐng)域內(nèi)需要支援的裝備編號(hào)分別為oijk和oihr(k=1,2,…,K;r=1,2,…,R)，且裝備oijk和oihr在SDj和SDh領(lǐng)域內(nèi)需要支援的時(shí)間分別為tijk和tihr；在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中太空信息支援單元的有效工作時(shí)間為te，則SDj和SDh完成本領(lǐng)域內(nèi)信息支援任務(wù)所需要編配的實(shí)際太空信息支援保障小組分別為mj和mh，即

(13)

(14)

3 實(shí)例分析

3.1 作戰(zhàn)背景描述

以空中攻擊為作戰(zhàn)背景，即飛機(jī)從空中對(duì)空中目標(biāo)或?qū)Φ孛婺繕?biāo)、水面、水下目標(biāo)進(jìn)行射擊與轟炸[10]。本文以航空兵部隊(duì)對(duì)水面艦艇進(jìn)行遠(yuǎn)程攻擊為例。

基本想定：藍(lán)方出動(dòng)水面艦艇編隊(duì)欲攻擊紅方重要軍事目標(biāo)，紅方偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)藍(lán)方艦艇編隊(duì)的活動(dòng)跡象，并對(duì)目標(biāo)周圍海域進(jìn)行搜索，意圖在藍(lán)方艦艇編隊(duì)發(fā)動(dòng)攻擊前，出動(dòng)航空兵部隊(duì)對(duì)其進(jìn)行攻擊，消滅威脅。

方案設(shè)計(jì)：紅方依靠海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星探測(cè)藍(lán)方艦艇編隊(duì)水域的水文氣象情況，判斷戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是否滿足實(shí)施遠(yuǎn)程精確打擊，運(yùn)用各類成像、電子、雷達(dá)偵察衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)視藍(lán)方水面艦艇編隊(duì)的航向、航速，紅方作戰(zhàn)指揮員通過(guò)衛(wèi)星通信下達(dá)作戰(zhàn)命令給航空兵部隊(duì)，航空兵部隊(duì)到達(dá)指定位置后，依靠偵察和測(cè)繪衛(wèi)星獲取藍(lán)方艦艇編隊(duì)具體位置，在導(dǎo)航定位衛(wèi)星的支持下，發(fā)射遠(yuǎn)程空射巡航導(dǎo)彈，對(duì)藍(lán)方進(jìn)入打擊圈的水面艦艇編隊(duì)實(shí)施精確打擊。

作戰(zhàn)想定模擬如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)想定模擬圖Fig.1 Simulated diagram of combat scenario

3.2 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化分析

根據(jù)紅方航空兵部隊(duì)的作戰(zhàn)需求，其太空信息支援力量的衛(wèi)星應(yīng)用裝備作戰(zhàn)編成如表1所示，由于涉及的衛(wèi)星應(yīng)用裝備類型較多，本文僅列出部分類型。如果將支援航空兵部隊(duì)實(shí)施作戰(zhàn)的太空信息支援力量看作一個(gè)整體，則主要考慮同類型衛(wèi)星應(yīng)用裝備之間的編配、數(shù)量等，太空信息支援力量的衛(wèi)星應(yīng)用裝備類型眾多、協(xié)同關(guān)系復(fù)雜，不可避免帶來(lái)衛(wèi)星應(yīng)用裝備功能上的相似性和交叉性，在一定程度上增加了太空信息支援的難度。

表1 衛(wèi)星應(yīng)用裝備類型表

以偵察監(jiān)視衛(wèi)星應(yīng)用裝備S11,S12,S13和S14組合為例進(jìn)行對(duì)比和分析。衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化的基本思想是在滿足作戰(zhàn)對(duì)太空信息資源需求的前提下，選擇太空信息資源綜合利用率最大的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案。按照3.1節(jié)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合結(jié)果，對(duì)其優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行分析。本次作戰(zhàn)行動(dòng)中衛(wèi)星應(yīng)用裝備提供的太空信息資源數(shù)量和作戰(zhàn)實(shí)際需求的太空信息資源數(shù)量如表2所示。

表2 衛(wèi)星應(yīng)用裝備太空信息資源配置和需求表

同理，可以得到衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合初始優(yōu)化方案下太空信息資源的滿足率和綜合利用率，如表3所示。根據(jù)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化策略，從可行的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案中選擇滿足太空信息資源需求且綜合利用率最大的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案。

表3 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合初始優(yōu)化方案

從分析結(jié)果來(lái)看，對(duì)于衛(wèi)星應(yīng)用裝備S12，應(yīng)當(dāng)在滿足太空信息資源需求的前提下選擇利用率較大的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案，因此{(lán)S12,S11}是最優(yōu)的組合方案；對(duì)于衛(wèi)星應(yīng)用裝備S14，首先選擇滿足太空信息資源需求的組合方案，雖然方案{S14,S11}綜合利用率比較高，但是不能滿足作戰(zhàn)對(duì)太空信息資源的需求，因此{(lán)S14,S13}為最優(yōu)組合方案。

衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

由此可見，衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合經(jīng)優(yōu)化以后，方案{S12,S11}和{S14,S13}均能滿足作戰(zhàn)對(duì)太空信息資源的需求且略有盈余，因此，不需要進(jìn)一步迭代。

表4 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化結(jié)果

3.3 衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合作戰(zhàn)效能評(píng)估分析

以衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合{S12,S11}和{S14,S13}為例，對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合的作戰(zhàn)效能進(jìn)行分析。已知S12和S14的太空信息資源冗余，而S11和S13的太空信息資源短缺，在本次作戰(zhàn)行動(dòng)中，衛(wèi)星應(yīng)用裝備編配規(guī)模見表5。

表5 衛(wèi)星應(yīng)用裝備編配規(guī)模

假設(shè)同一個(gè)衛(wèi)星應(yīng)用裝備任意保障小組的配置相同，且在作戰(zhàn)行動(dòng)中的有效工作時(shí)間te=3，按照式(13)可以得到滿足作戰(zhàn)所需太空信息資源實(shí)際需要編配保障小組的數(shù)量，即m11=14，m12=8，m13=12，m14=7。按照衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化方案，S12和S14是太空信息資源尚有冗余的衛(wèi)星應(yīng)用裝備，S11和S13是太空信息資源短缺的衛(wèi)星應(yīng)用裝備，因此，將S12和S14的多余力量分別支援給S11和S13。按照式(14)，S11和S13得到S12和S14支援的保障小組的數(shù)量分別為Δm1和Δm2，即Δm1≈4，Δm2≈5。

衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合{S12,S11}未優(yōu)化之前，S11為了完成太空信息支援任務(wù)，至少需要加強(qiáng)4個(gè)保障小組才能滿足太空信息資源需求，則{S12,S11}的保障小組人員總數(shù)為90，經(jīng)過(guò)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合優(yōu)化，將S12冗余力量支援給S11，從而使衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合{S12,S11}保障小組人員整體規(guī)模減少為78。同樣，衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合{S14,S13}進(jìn)行優(yōu)化后，使得保障小組人員數(shù)量整體規(guī)模從54減少至46。

4 結(jié)束語(yǔ)

組合優(yōu)化算法在衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合領(lǐng)域尚未得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)目前衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合沒(méi)有按照作戰(zhàn)需求的現(xiàn)狀，從作戰(zhàn)對(duì)太空信息的需求出發(fā)，對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合進(jìn)行優(yōu)化處理，得到最優(yōu)的衛(wèi)星應(yīng)用裝備

組合方案。通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證運(yùn)用最優(yōu)的衛(wèi)星應(yīng)用裝備組合方案能最大限度地提升己方作戰(zhàn)效能。

參 考 文 獻(xiàn)

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