一體化聯(lián)合作戰(zhàn)衛(wèi)星地面站支援保障效能指標(biāo)分析

何玉晶，張 杰，霍 權(quán)，厲 劍

(1.中國人民解放軍61769部隊，黑龍江 哈爾濱 150039；2.中國人民解放軍63782部隊，黑龍江 哈爾濱 150039)

空間已成為戰(zhàn)爭新的制高點,一體化聯(lián)合作戰(zhàn)則是未來戰(zhàn)爭基本的作戰(zhàn)形式。戰(zhàn)爭實踐表明,誰先進(jìn)入某一新的作戰(zhàn)空間,并能有效地控制這一空間,誰將在戰(zhàn)爭中首先受益,并可能成為戰(zhàn)爭新的主宰者[1]。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,信息由輔助地位上升為主導(dǎo)地位?？臻g信息是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)保障中的重要組成,具有更加重要的地位。它是鏈接一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的紐帶,是實現(xiàn)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制的前提,是提高一體化聯(lián)合作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)[1]。

衛(wèi)星地面站作為空間信息支援保障的重要參戰(zhàn)主體,其對一體化聯(lián)合作戰(zhàn)支援保障效能問題聚焦在一定作戰(zhàn)條件下最有效地發(fā)揮部隊?wèi)?zhàn)斗力,使戰(zhàn)斗力量產(chǎn)生增值,即追求作戰(zhàn)效益最大化的問題。研究其保障效能,不僅要從定性上進(jìn)行分析,還要從定量上進(jìn)行研究,目的是為了對系統(tǒng)建設(shè)和設(shè)備使用提供科學(xué)的參考與建議,為了使空間信息更加科學(xué)高效地保障部隊的作戰(zhàn)行動,實現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)。

1 效能指標(biāo)選取

效能指標(biāo)是衛(wèi)星地面站的評價標(biāo)準(zhǔn),是研究衛(wèi)星地面站支援保障效能的依據(jù),它的選擇恰當(dāng)與否直接關(guān)系到效能分析的結(jié)果[2]。美國軍事運籌學(xué)家萊博維茨指出,效能指標(biāo)“類似于一種道德原則,單憑推理是不可能確定某種道德原則是否正確的。我們必須進(jìn)行價值判斷,必須憑‘感覺’行事”。因此,效能指標(biāo)的選擇很重要,也很不容易,必須多方考慮,反復(fù)推敲[3]。

某一效能指標(biāo)只能反映目標(biāo)的一個局部或某一方面的狀況,而指標(biāo)的集合即指標(biāo)體系,才能反映目標(biāo)的全部[3]。對衛(wèi)星地面站支援保障效能的研究分析,需要制定出一個充分體現(xiàn)其特點的完整的指標(biāo)體系,才能產(chǎn)生全面、客觀的認(rèn)識,從根本上保證評估的科學(xué)性,以克服由于主觀因素而籠統(tǒng)評估的弊端。

衛(wèi)星地面站的核心任務(wù)是滿足一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的信息需求,結(jié)合系統(tǒng)效能的自身效能和使用效能,衛(wèi)星地面站支援保障效能指標(biāo)可選取為:設(shè)備可靠性能、數(shù)據(jù)可用性能、數(shù)據(jù)傳輸性能、安全防護(hù)性能、系統(tǒng)保障能力，其如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星地面站支援保障效能指標(biāo)

2 效能指標(biāo)分析

2.1 設(shè)備可靠性能分析

可靠性是系統(tǒng)效能的重要屬性,它反映由于物理故障而引起的系統(tǒng)性能退化的頻度[4]。設(shè)備可靠性,是指設(shè)備在運行期間在給定條件下和規(guī)定時間內(nèi)不出現(xiàn)故障而良好工作或完成指定任務(wù)的概率。設(shè)備不出現(xiàn)故障或完成指定任務(wù)的概率越大,則可靠性越高,反之越低。一般而言,衛(wèi)星地面站設(shè)備故障總結(jié)如下:

?設(shè)備完全喪失工作能力;

?設(shè)備工作不穩(wěn)定;

?設(shè)備性能退化達(dá)不到預(yù)期效果。

針對以上種類的故障,衛(wèi)星地面站的設(shè)備可靠性可用下列幾種量來度量：故障率、平均壽命、可用度，其如圖2所示。

圖2 設(shè)備可靠性能指標(biāo)

2.1.1 故障率

故障率是衛(wèi)星地面站可靠性的重要指標(biāo),以發(fā)生故障的設(shè)備數(shù)量占總設(shè)備數(shù)量的百分比來表示,單個設(shè)備以使用中發(fā)生故障的次數(shù)占總使用次數(shù)的百分比來表示,或以總故障時間占總工作時間的百分比來表示,還可用兩次故障的間隔時間來表示。

假設(shè)在時間t有m個設(shè)備投入運行,在任意時間的剩余設(shè)備數(shù)為s(t),則故障率Pa(t)表示時間ti

(1)

2.1.2 平均壽命

壽命反映了設(shè)備的耐用程度。平均壽命針對不同情況用不同的指標(biāo)度量,對可修復(fù)的系統(tǒng),平均壽命指的是平均無故障工作時間(MTBF);對不可修復(fù)的系統(tǒng),平均壽命是系統(tǒng)失效或報廢前的平均工作時間(MTTF)。對于衛(wèi)星地面站來說,應(yīng)屬于前一種,因此,平均壽命即系統(tǒng)的平均無故障工作時間,見式(2)。

(2)

其中,t為設(shè)備的工作時間;Nf(t)為設(shè)備工作時間內(nèi)的故障時間數(shù)。

如果MTBF值為10 000小時,就相當(dāng)于1年多維修一次;MTBF值為60 000小時,就相當(dāng)于7年多維修一次。

2.1.3 可用度

可用度是指設(shè)備在規(guī)定條件下使用時,隨時可滿足正常運行的概率。衛(wèi)星地面站進(jìn)行空間信息的跟蹤測量、處理與傳輸,要求系統(tǒng)設(shè)備必須保持正常的工作狀態(tài),即自身必須具有一定的可用度,以確保試驗任務(wù)的順利實施。

如果用P(ai)表示單個設(shè)備可用度的概率,如式(3)所示。

(3)

其中,ai表示系統(tǒng)中的某一設(shè)備,t為總工作時間,tr為總停用時間,包括故障定位、排除及更換備件等時間。

目前,衛(wèi)星地面站的設(shè)備均按照冗余熱備的思路進(jìn)行部署,設(shè)備可靠性指標(biāo)滿足系統(tǒng)建設(shè)需求。

2.2 數(shù)據(jù)可用性能分析

數(shù)據(jù)是衛(wèi)星地面站的產(chǎn)品,數(shù)據(jù)的可用性是其完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)的具體反映[4]。由于需求涉及面廣,對數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高,數(shù)據(jù)是否可用必須進(jìn)行有效評估。對于衛(wèi)星地面站來講,衡量數(shù)據(jù)的可用性,其指標(biāo)需由數(shù)據(jù)的時效度、可信度、和連續(xù)度組成，其如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)可用性能指標(biāo)

2.2.1 數(shù)據(jù)時效度

數(shù)據(jù)時效度是指數(shù)據(jù)在一定時期內(nèi)能夠發(fā)生的效用程度,又分為數(shù)據(jù)捕獲時效、數(shù)據(jù)傳輸時效、數(shù)據(jù)處理時效以及數(shù)據(jù)使用時效。

以偵察衛(wèi)星地面站為例進(jìn)行分析,其數(shù)據(jù)時效度應(yīng)包括偵察周期、平均偵察時間、數(shù)據(jù)處理時間等指標(biāo)[5]。

偵察周期是指對指定區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)星偵察重訪的時間間隔。偵察周期越短,偵察頻率越高。實際上,偵察周期由衛(wèi)星軌道確定,軌道參數(shù)在衛(wèi)星發(fā)射前已由設(shè)計人員確定下來,衛(wèi)星經(jīng)過目標(biāo)區(qū)域上空時,對所要觀測的區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視,以此發(fā)現(xiàn)一段時間內(nèi)目標(biāo)的變化。

平均偵察時間是指衛(wèi)星通過目標(biāo)區(qū)域上空停留時間平均值。衛(wèi)星在目標(biāo)區(qū)域上空停留時間越長,獲取的信息可能越詳細(xì)全面,所獲取的信息也就越多。

數(shù)據(jù)處理時間包括星上預(yù)處理時間、星地傳輸時間、地面處理時間等。

2.2.2 數(shù)據(jù)可信度

戰(zhàn)場上,信息來源廣泛,且紛繁復(fù)雜,許多是由高科技偵察手段獲得,但由于敵方大量使用偽裝、干擾、保密等反偵察措施,使許多信息真?zhèn)位祀s難辨,不得不對信息的可信度打個問號[5]。

數(shù)據(jù)可信度是指數(shù)據(jù)的可信程度,即數(shù)據(jù)的來源渠道是否可靠、數(shù)據(jù)的內(nèi)容是否真實。數(shù)據(jù)可信度主要由數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)真?zhèn)伪鎰e能力指標(biāo)確定的。數(shù)據(jù)質(zhì)量是受衛(wèi)星性能影響的[6]。如成像衛(wèi)星所獲圖像質(zhì)量,就由衛(wèi)星空間分辨力、光(波)譜分辨力、光(波)穿透雨霧或物體的能力和對目標(biāo)識別能力等決定的。數(shù)據(jù)真?zhèn)伪鎰e能力是指對衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)真假的揭示能力[6]。對于偵察衛(wèi)星地面站來說,數(shù)據(jù)真?zhèn)伪鎰e能力是指通過識別目標(biāo)的亮度對比度、溫差、反射對比度和形狀相容性等的水平。對于測控地面站或者導(dǎo)航地面站來說,數(shù)據(jù)真?zhèn)伪鎰e能力是指設(shè)備排除干擾信號,捕獲、識別、跟蹤真實衛(wèi)星信號的能力。

2.2.3 數(shù)據(jù)連續(xù)度

數(shù)據(jù)連續(xù)度是指數(shù)據(jù)的獲取、處理、傳輸與使用的連貫程度。數(shù)據(jù)的獲取、處理、傳輸與使用是指由原始數(shù)據(jù)到可用信息的四個環(huán)節(jié),缺一不可,且必須保持其順暢的流通渠道,其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,都將難以發(fā)揮其作用與價值。

如果一條準(zhǔn)確、可靠、完整的信息能夠在有效的時間內(nèi),完全順利地傳輸?shù)街付ǖ淖鲬?zhàn)單元,使之能夠迅速做出反應(yīng),確保作戰(zhàn)行動的順利實施,那么這條信息就是可用的,它的可用性就高,否則,可用性就低。當(dāng)然,這種評價比較模糊,無法采用量化的方法,科學(xué)地進(jìn)行界定。另外,目前衛(wèi)星地面站接收數(shù)據(jù)的可用性評估多在其業(yè)務(wù)總體單位進(jìn)行,衛(wèi)星地面站還沒有對數(shù)據(jù)可用性評估驗證的相關(guān)功能設(shè)備,只能通過業(yè)務(wù)總體單位或者用戶反饋來查證,這樣,其效能發(fā)揮將大打折扣,甚至?xí)プ饔谩?/p>

2.3 數(shù)據(jù)傳輸性能分析

數(shù)據(jù)傳輸能力用于描述衛(wèi)星地面站對所接收衛(wèi)星或空間目標(biāo)數(shù)據(jù)的傳輸和分發(fā)能力。主要任務(wù)是:將地面站獲取的信息(包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)、數(shù)字和電子頻譜)向業(yè)務(wù)總體單位或上級相關(guān)部門進(jìn)行傳輸和分發(fā),進(jìn)一步保障部隊滿足作戰(zhàn)的基本需求，其主要分為兩個方面的指標(biāo),如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸性能指標(biāo)

2.3.1 傳輸能力

實現(xiàn)通信所具備的一些條件,包括通信容量、抗干擾能力、通信傳輸延遲時間、可用鏈路數(shù)和可持續(xù)服務(wù)時間。

傳輸速率,不同的傳輸方式具有不同的傳輸速率要求,如衛(wèi)通傳輸速率，地面?zhèn)鬏斔俾省?/p>

通信傳輸延遲時間,是衡量信息傳輸時效性的重要指標(biāo),通常用平均時延和最大時延來表達(dá)。

可用鏈路數(shù),即用來傳輸數(shù)據(jù)的通信鏈路數(shù)量。

可使用通信服務(wù)的持續(xù)時間,即信息累計不間斷傳輸?shù)耐ㄐ艜r長。

2.3.2 傳輸質(zhì)量

其主要包括比特誤碼率，傳輸吞吐量及連通度等。限于篇幅,具體內(nèi)容不再闡述。

2.4 安全防護(hù)性能分析

信息防護(hù)能力用于描述信息在傳輸過程中安全暢通的能力。信息傳輸途徑主要通過無線通信方式,長時間暴露在空中,極易被敵截收、破壞,且空間系統(tǒng)的各種衛(wèi)星平臺都暴露在空間,極易被敵方截獲、干擾甚至摧毀[7]。因此,在確保信息安全暢通方面,可分為兩個方面的指標(biāo),其如圖5所示。

圖5 安全防護(hù)性能指標(biāo)

2.4.1 抗干擾能力

衛(wèi)星下行鏈路抗干擾能力,偵察衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星有大量的圖像信息向地面站發(fā)送,極易被敵方截獲、受敵方干擾機的干擾,可以采用的防范措施有:地面站采用窄波束天線;衛(wèi)星天線采用區(qū)域波束天線;地面站接收時采用適當(dāng)?shù)母蓴_抑制技術(shù)。

地面站上行鏈路抗干擾能力,地面站向衛(wèi)星發(fā)送的遙控管理信息,易受到敵方的上行干擾,可以采取的預(yù)防措施有:衛(wèi)星天線自適應(yīng)調(diào)零技術(shù);星上解擴、解調(diào)前的抗干擾抵消技術(shù)。

地面站通信終端抗干擾能力,地面站設(shè)備抗干擾處理可以采用更加復(fù)雜的措施,如進(jìn)行處理增益很高的跳/擴頻通信,對于較高速率的信息傳輸也可采用頻域或時域強干擾抵消技術(shù)。

2.4.2 信息安全保密能力

確保信息的真實性、完整性、可用性和保密性。包括以下幾個方面:

1)訪問控制能力,衛(wèi)星地面站系統(tǒng)中需要通信的設(shè)備在正式交換數(shù)據(jù)前必須進(jìn)行身份認(rèn)證和權(quán)限認(rèn)證,防止非授權(quán)用戶非法訪問衛(wèi)星系統(tǒng)信息資源。

2)實體鑒別能力,通過數(shù)據(jù)簽名機制保證衛(wèi)星地面站數(shù)據(jù)源發(fā)送信息的唯一性,并保證數(shù)據(jù)庫不能否認(rèn)所收到的數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)保密能力,在衛(wèi)星地面站中普遍實施鏈路加密和端對端加密,按不同場合使用不同的數(shù)據(jù)加密機制。

4)數(shù)據(jù)完整能力,通過數(shù)據(jù)完整機制保證數(shù)據(jù)單元本身的完整性和數(shù)據(jù)單元順序的完整性,以防止數(shù)據(jù)單元被假冒、丟失或重發(fā)。

5)流量控制能力,通過流量填充機制和路由控制機制，確保衛(wèi)星地面站的信息在傳送過程中即使被敵方截獲也不用擔(dān)心敵方進(jìn)行流量分析和流向分析。

2.5 系統(tǒng)保障能力分析

系統(tǒng)保障能力用于描述衛(wèi)星地面站對其人員、裝備的指揮控制、組織運用能力。著重分析部隊的指揮活動效能,主要任務(wù)是分析研判情況、定下作戰(zhàn)決心、制定作戰(zhàn)計劃、調(diào)整力量部署、組織任務(wù)實施等工作[7]，其分為三個方面的指標(biāo),如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)保障能力指標(biāo)

2.5.1 任務(wù)指揮能力

指揮人員在上級意圖下,按照所賦予的權(quán)限,其主觀能動性有效發(fā)揮的程度。包括指揮人員綜合素質(zhì),指揮人員能夠勝任的指揮跨度、指揮層次、指揮控制的范圍、指揮周期和決策能力。

2.5.2 計劃組織能力

指揮人員為指揮部隊實現(xiàn)作戰(zhàn)決心所進(jìn)行的一系列預(yù)先籌劃和安排,包括計劃組織范圍、計劃組織方式、計劃組織程序和計劃組織力度。

2.5.3 控制運用能力

在作戰(zhàn)(任務(wù))過程中,為實現(xiàn)作戰(zhàn)決心,對調(diào)配力量編成、提供物資保障、監(jiān)督部隊行動,并及時糾正出現(xiàn)偏差的能力。包括控制協(xié)調(diào)范圍、控制協(xié)調(diào)數(shù)量、控制協(xié)調(diào)力度、控制協(xié)調(diào)糾錯能力和指揮引導(dǎo)能力。

經(jīng)過上述分析,衛(wèi)星地面站支援保障效能指標(biāo)體系如圖7所示。

圖7 衛(wèi)星地面站支援保障效能指標(biāo)體系

3 衛(wèi)星地面站保障效能評估

系統(tǒng)效能是裝備系統(tǒng)綜合性能的反映,是系統(tǒng)的整體屬性,它的度量要從系統(tǒng)的角度出發(fā),結(jié)合裝備需求目標(biāo)對裝備系統(tǒng)的各項單項性能指標(biāo)綜合考慮,以得到單一的評估結(jié)果,用以表示裝備系統(tǒng)方案的優(yōu)劣程度,從而為裝備系統(tǒng)的方案優(yōu)化和裝備選型提供決策依據(jù)[8]。系統(tǒng)效能是預(yù)計系統(tǒng)滿足一組特定任務(wù)要求的量度,是指標(biāo)體系的函數(shù)[9]，見式(4)。

P站=F(P設(shè)備，P數(shù)據(jù)，P傳輸，P防護(hù)，P保障…)

(4)

效能指標(biāo)必須進(jìn)行量化處理,才能作為評估模型的輸入數(shù)據(jù)。指標(biāo)的量化模型可劃分為兩類:指標(biāo)規(guī)范化模型和指標(biāo)數(shù)據(jù)聚合模型[10]。效能評估算法是進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析的工具,通過評估能夠?qū)⒅笜?biāo)數(shù)據(jù)綜合成系統(tǒng)效能值,并分析影響系統(tǒng)效能的指標(biāo)要素[11]。衛(wèi)星地面站的保障效能評估需要在對系統(tǒng)效能指標(biāo)定性分析的基礎(chǔ)上,通過評估算法進(jìn)行定量評估,必要時輔助于工作經(jīng)驗,對系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)賦值,以便更加科學(xué)地進(jìn)行評估,進(jìn)一步得出準(zhǔn)確結(jié)論,來指導(dǎo)工作實踐或優(yōu)化系統(tǒng)流程。具體到某一衛(wèi)星地面站,效能指標(biāo)需要進(jìn)一步的細(xì)化量化,相關(guān)要素指標(biāo)可達(dá)近百項,而常用的評估方法有:層次分析法、ADC法、SEA法等[12]，如表1所示。

通過表1中評估方法的比較說明，根據(jù)文中對衛(wèi)星地面站效能指標(biāo)的解析及構(gòu)成，其效能評估方法適合選用層次分析法。用層次分析法進(jìn)行評估，一般分為四步[13]：1)建立層次結(jié)構(gòu)模型；2)構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣；3)計算指標(biāo)權(quán)重；4)確定關(guān)系矩陣，進(jìn)行綜合評判。根據(jù)上述分析，衛(wèi)星地面站的效能評估公式如下

P站=P設(shè)備×P數(shù)據(jù)×P傳輸×P防護(hù)×P保障

(5)

(6)

其中，s表示衛(wèi)星地面站的設(shè)備可靠性、數(shù)據(jù)可用性、數(shù)據(jù)傳輸性、安全防護(hù)性、系統(tǒng)保障能力五個方面；ω為某一指標(biāo)的權(quán)值；p為某一指標(biāo)的貢獻(xiàn)概率。

表1 效能評估方法的比較

4 結(jié)束語

衛(wèi)星地面站效能評估是一個極其復(fù)雜的過程,需要有較豐富的裝備操作維護(hù)和運行管理經(jīng)驗,需要對指標(biāo)體系的完備性、合理性、有效性進(jìn)行科學(xué)檢驗,通過不斷地迭代優(yōu)化,使其評估值具有借鑒意義,進(jìn)一步對衛(wèi)星地面服務(wù)系統(tǒng)在全國乃至全球布站提供指導(dǎo),切實優(yōu)化資源配置,提高支援保障效率。另外,由于各衛(wèi)星地面站系統(tǒng)在設(shè)計建設(shè)時,均考慮了系統(tǒng)的可替代性,因此,在某一地面站功能失效的情況下,中心部門可以通過資源調(diào)度,實施緊急任務(wù)接替,以保證空間數(shù)據(jù)的有效接收,實現(xiàn)站網(wǎng)資源的最大效能發(fā)揮,實時可靠地支援保障作戰(zhàn)應(yīng)用。