基于資源統(tǒng)籌和STT 框架的遙感衛(wèi)星偵察任務(wù)價(jià)值量化方法

許益喬 張占月 張剛 劉思彤

（1.航天工程大學(xué) 太空安全研究中心，北京101416；2.北京遙感信息研究所，北京100192）

1 引言

遙感衛(wèi)星偵察具有偵察覆蓋范圍廣、可定期重訪和可合法偵照他國等優(yōu)點(diǎn)［1］，是聯(lián)合偵察體系的重要組成部分。準(zhǔn)確地對(duì)遙感衛(wèi)星偵察任務(wù)價(jià)值進(jìn)行量化，合理地進(jìn)行遙感衛(wèi)星系統(tǒng)星地資源統(tǒng)籌，有助于發(fā)揮系統(tǒng)效能。目前，常用的衛(wèi)星資源優(yōu)化算法有啟發(fā)式算法［2］、禁忌搜索算法［3］、遺傳算法［4］和蟻群算法［5］等，主要優(yōu)化問題為已知偵察任務(wù)優(yōu)先級(jí)，通過合理分配衛(wèi)星資源，提高任務(wù)執(zhí)行效率。目前關(guān)于偵察任務(wù)的排序問題研究的文獻(xiàn)還比較少。文獻(xiàn)［6］提出用STT 框架解決“情報(bào)、偵察與監(jiān)視（ISR）”偵察需求分析問題，文獻(xiàn)［7］將該框架引入對(duì)衛(wèi)星偵察的需求分析中，文獻(xiàn)［8］從作戰(zhàn)任務(wù)階段劃分和衛(wèi)星偵察需求整合的角度對(duì)STT 框架進(jìn)行了改進(jìn)。上述研究證明了STT 框架是較好的分析遙感衛(wèi)星偵察需求價(jià)值的方法，但是都忽略了衛(wèi)星偵察的瞬時(shí)性特點(diǎn)、資源統(tǒng)籌使用現(xiàn)狀以及多種偵察手段聯(lián)合運(yùn)用等因素。本文在STT 框架的基礎(chǔ)上，著眼于聯(lián)合偵察體系，從協(xié)同使用、統(tǒng)籌使用角度，兼顧衛(wèi)星平臺(tái)偵察特點(diǎn)，提出一種遙感衛(wèi)星偵察需求的價(jià)值量化方法，為衛(wèi)星偵察任務(wù)規(guī)劃提供支撐。

2 “戰(zhàn)略到任務(wù)”框架

蘭德公司的“戰(zhàn)略到任務(wù)（STT）”框架，用于在作戰(zhàn)計(jì)劃制定階段選擇攻擊目標(biāo)，也可以用于分配ISR 資源、優(yōu)化ISR 搜集任務(wù)。該框架通過將作戰(zhàn)任務(wù)逐層分解為戰(zhàn)役目標(biāo)層、作戰(zhàn)目標(biāo)層、作戰(zhàn)任務(wù)層和執(zhí)行概念層，量化各種搜集任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，其示意圖如圖1 所示［6］。

圖1 STT 框架示意圖

框架的頂層是戰(zhàn)役目標(biāo)層（戰(zhàn)役級(jí)策略目標(biāo)層），如“支持進(jìn)攻作戰(zhàn)”“防護(hù)己方部隊(duì)”等；其次是作戰(zhàn)目標(biāo)層，指為了確保達(dá)成策略目標(biāo)，需要完成的作戰(zhàn)目標(biāo)，如“獲取空中優(yōu)勢(shì)”“支援地面作戰(zhàn)”等；第三層是作戰(zhàn)任務(wù)層，是指為了完成作戰(zhàn)目標(biāo)，需要完成的作戰(zhàn)任務(wù)，如“壓制地空導(dǎo)彈”“攻擊空軍基地”等；第四層是執(zhí)行概念層，是指為了確保作戰(zhàn)任務(wù)的順利完成，需要進(jìn)行的情報(bào)保障任務(wù)，如“偵照疑似地空導(dǎo)彈位置”。其中，執(zhí)行概念層的搜集效用從下向上加權(quán)求和。例如，“偵照疑似地空導(dǎo)彈位置”有2 個(gè)需要偵察的目標(biāo)，且同等重要，則目標(biāo)的偵察權(quán)重col1 ＝col2 ＝

天基偵察與空基偵察具有各自的特點(diǎn)和指揮控制方式，因此在使用STT 框架對(duì)衛(wèi)星偵察任務(wù)規(guī)劃時(shí)，需要結(jié)合衛(wèi)星偵察特點(diǎn)，突出聯(lián)合偵察體系，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)：一是單戰(zhàn)役方向向多戰(zhàn)役方向的改進(jìn)。空中作戰(zhàn)中心的偵察力量主要負(fù)責(zé)本級(jí)指揮機(jī)構(gòu)和下屬部隊(duì)的情報(bào)保障任務(wù)，而遙感衛(wèi)星偵察力量通常作為國家偵察手段，需要對(duì)多方向多用戶負(fù)責(zé)。二是空基平臺(tái)偵察向聯(lián)合偵察改進(jìn)。在STT 框架中，空中作戰(zhàn)指揮中心主要使用空基偵察平臺(tái)，因此重點(diǎn)突出了偵察平臺(tái)搭載的傳感器類型，而淡化所使用的偵察裝備；同時(shí)，也未考慮單個(gè)目標(biāo)由多種手段偵察或者多個(gè)目標(biāo)由單種手段偵察的情況。三是突出衛(wèi)星偵察特點(diǎn)。由于低軌衛(wèi)星的重訪特性，過頂偵察時(shí)間較短，持續(xù)監(jiān)視任務(wù)將耗費(fèi)多次偵察資源，在執(zhí)行衛(wèi)星偵察任務(wù)時(shí)，需要將監(jiān)視任務(wù)拆分成多次的偵察任務(wù)進(jìn)行計(jì)算分析。四是層級(jí)之間和層次內(nèi)部對(duì)應(yīng)關(guān)系的改進(jìn)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)具有多域融合、跨域攻防、全程關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)各層次的作戰(zhàn)力量的融合［9］，不可避免地會(huì)出現(xiàn)層次間和層級(jí)內(nèi)部相互影響的事件，需考慮層級(jí)內(nèi)部事件的相關(guān)性和層級(jí)間不同任務(wù)的多重對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 偵察需求的價(jià)值量化方法

基于以上考慮，以STT 框架為基礎(chǔ)，提出了衛(wèi)星偵察需求價(jià)值量化方法，如圖2 所示。

圖2 價(jià)值量化方法示意圖

該方法從現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和聯(lián)合偵察體系構(gòu)建入手，結(jié)合遙感衛(wèi)星常用偵察指揮控制方式和通用性能指標(biāo)特點(diǎn)，在STT 框架的基礎(chǔ)上增加了戰(zhàn)役方向?qū)?、偵察目?biāo)層和裝備需求層這3 個(gè)層次，并對(duì)層次間和層級(jí)內(nèi)的相互影響進(jìn)行了修正，從而將衛(wèi)星偵察需求和戰(zhàn)略目標(biāo)緊密聯(lián)系起來，可以確保遙感衛(wèi)星偵察體系效能得到最大的發(fā)揮。

3.1 戰(zhàn)役方向?qū)?/h3>

原有的STT 框架主要為了美軍空中作戰(zhàn)指揮中心調(diào)度偵察資源服務(wù)，以對(duì)單一戰(zhàn)役方向進(jìn)行情報(bào)支援為主。遙感衛(wèi)星運(yùn)行于太空，可以跨越多個(gè)地理區(qū)域進(jìn)行偵察，作戰(zhàn)司令部（戰(zhàn)區(qū)）多按照地理區(qū)域進(jìn)行劃分，若衛(wèi)星只服務(wù)單一方向會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此世界上大多數(shù)國家的偵察衛(wèi)星均采用集中指揮控制的方式，支援各戰(zhàn)略戰(zhàn)役方向作戰(zhàn)。為此，在STT 框架的基礎(chǔ)上增加戰(zhàn)役方向?qū)?，以兼顧不同?zhàn)略戰(zhàn)役方向的偵察需求。同時(shí)，由于信息搜集資源永遠(yuǎn)難以滿足用戶的需求［10］，為了更好地支援重要方向，最大可能發(fā)揮支援效能，可由最高統(tǒng)帥部根據(jù)各作戰(zhàn)方向的重要性，設(shè)置各方向權(quán)重。

3.2 偵察目標(biāo)層和裝備需求層

在原有STT 框架的應(yīng)用場(chǎng)景中，空中作戰(zhàn)中心既可以直接指揮空基偵察平臺(tái)，也可以控制火力打擊武器，因此原有框架中的執(zhí)行概念層作為底層是合理的，它甚至可以構(gòu)建“傳感器到射手”的最終鏈接［6］。但正如前文所述，遙感衛(wèi)星系統(tǒng)需要支援多方向多用戶，因此各被支援單位情報(bào)部門通常需要向遙感衛(wèi)星系統(tǒng)申請(qǐng)資源，構(gòu)建支援關(guān)系，將遙感衛(wèi)星系統(tǒng)納入聯(lián)合偵察體系。同時(shí)，由于衛(wèi)星偵察手段的非連續(xù)性特點(diǎn)，很難為戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)提供高動(dòng)態(tài)情報(bào)支援［1］，因此在聯(lián)合偵察體系中，必然存在綜合采用天基、空基、?；榷喾N手段偵察同一目標(biāo)，以追求準(zhǔn)確性和健壯性的情況。比如，對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行偵察監(jiān)視時(shí)，為確保穩(wěn)定可靠的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，可能存在岸基雷達(dá)、?；鶄刹齑?、空基無人機(jī)、天基偵察衛(wèi)星等多種偵察手段同時(shí)對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)視。因此，需在執(zhí)行概念層下繼續(xù)設(shè)置偵察目標(biāo)層和裝備需求層。

3.3 層級(jí)之間和層級(jí)內(nèi)部的相互關(guān)系

原有的STT 框架沒有考慮一個(gè)下級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)上級(jí)節(jié)點(diǎn)的情況，也沒有考慮層級(jí)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相互關(guān)系，而在實(shí)際情況中，存在一個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)需要完成多個(gè)作戰(zhàn)目標(biāo)、一次偵察行動(dòng)需要發(fā)現(xiàn)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)等情況，且作戰(zhàn)行動(dòng)之間、偵察任務(wù)之間必然存在相關(guān)關(guān)系。可將層級(jí)的內(nèi)部關(guān)系定義為三種類型：依賴型、獨(dú)立型和相互支持型［11］。依賴型，Dependent（TA，TB），指TA需要依靠TB提供支持才能執(zhí)行；獨(dú)立型，Independent（TA，TB），指TA和TB各自獨(dú)立，不存在相關(guān)關(guān)系；相互支持型，Couple（TA，TB），指TA和TB相互支持或者相互影響，存在相關(guān)關(guān)系。以裝備需求層為例，當(dāng)多種偵察手段對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行偵察時(shí)，三種內(nèi)部關(guān)系如下：①依賴型，多種手段聯(lián)合偵察，寬幅低分辨率引導(dǎo)窄幅高分辨率、寬頻帶掃描搜索引導(dǎo)駐頻詳偵、遙感衛(wèi)星大范圍瞬時(shí)偵察引導(dǎo)海陸空基長時(shí)連續(xù)跟蹤，常用于搜索未知海陸移動(dòng)目標(biāo)、連續(xù)跟蹤監(jiān)視或詳細(xì)偵察研判等情況。②獨(dú)立型，多種手段獨(dú)立偵察搜索、不相互引導(dǎo)，偵察信息在信息層面融合。常用于已掌握目標(biāo)大致位置、兵力部署、裝備用途等部分先驗(yàn)信息，進(jìn)一步獲取目標(biāo)電子頻譜、材料質(zhì)地、活動(dòng)狀態(tài)等更詳細(xì)信息。③相互支持型，多種手段聯(lián)合偵察，盡可能互為引導(dǎo)的情況，常用于已掌握活動(dòng)目標(biāo)前期位置、常用陣位、活動(dòng)規(guī)律等部分先驗(yàn)信息，進(jìn)一步連續(xù)更新目標(biāo)活動(dòng)位置、形成連續(xù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

4 價(jià)值量化方法

價(jià)值量化方法中改進(jìn)的STT 框架第一層為戰(zhàn)役方向?qū)?，各?zhàn)役方向權(quán)重由最高統(tǒng)帥機(jī)關(guān)決定，且權(quán)重值之和為1。后續(xù)各層級(jí)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重計(jì)算如下：

步驟1：構(gòu)建層級(jí)間上下級(jí)節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣A（k，k+1），k ＝1，2，3，4，5，6。

式（1）中，v（k）指第k層級(jí)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；指第k +1 層級(jí)中第j個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于k層級(jí)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要程度，且。若第k +1 層級(jí)中第j個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)第k層級(jí)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有任何直接幫助，則，則第k層級(jí)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)是第k+1 層級(jí)中第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的上級(jí)節(jié)點(diǎn)，第k+1 層級(jí)中第j個(gè)節(jié)點(diǎn)是第k層級(jí)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的下級(jí)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)上級(jí)節(jié)點(diǎn)可擁有多個(gè)下級(jí)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)下級(jí)節(jié)點(diǎn)也可對(duì)應(yīng)多個(gè)上級(jí)節(jié)點(diǎn)。

步驟2：構(gòu)建層級(jí)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間的相互關(guān)系矩陣B（k+1）。

表1 層級(jí)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相關(guān)矩陣賦值

步驟4：歸一化層級(jí)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)權(quán)重。

第k +1 層級(jí)的第l個(gè)節(jié)點(diǎn)的歸一化權(quán)重為：

步驟5：按照步驟1～步驟4，可逐步計(jì)算出偵察目標(biāo)層各節(jié)點(diǎn)歸一化權(quán)重ω（6）。

步驟6：計(jì)算遙感衛(wèi)星偵察任務(wù)優(yōu)先級(jí)。

（1）持續(xù)監(jiān)視需求拆分成單次偵察需求，得出目標(biāo)單次偵察權(quán)重矩陣

受衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)限制，中低軌道衛(wèi)星難以像飛機(jī)艦船一樣滯空駐留，過頂偵察時(shí)間較短。遙感衛(wèi)星在執(zhí)行連續(xù)監(jiān)視任務(wù)時(shí)，需拆分成多個(gè)時(shí)間離散的單次瞬時(shí)偵察任務(wù)。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察監(jiān)視時(shí)，“發(fā)現(xiàn)—識(shí)別”的權(quán)重必然大于“跟蹤”的權(quán)重，因此需要對(duì)目標(biāo)首次發(fā)現(xiàn)的權(quán)重ωr和后續(xù)監(jiān)視（多次單次偵察）的權(quán)重ωs分別進(jìn)行分析。

設(shè)偵察目標(biāo)層中第n個(gè)目標(biāo)需要被持續(xù)監(jiān)視或多次偵察rn次，則該目標(biāo)需要被首次發(fā)現(xiàn)的權(quán)重為：

被首次發(fā)現(xiàn)后，后續(xù)偵察的權(quán)重為：

式（6）中，δn（0＜δn ＜1）為目標(biāo)被首次發(fā)現(xiàn)的難度系數(shù)，與是否掌握目標(biāo)先驗(yàn)信息、目標(biāo)大小與材質(zhì)、是否電磁管控、是否隱蔽偽裝以及衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)后是否引導(dǎo)其他手段保持持續(xù)監(jiān)視等相關(guān)。

（2）整合偵察任務(wù)，得出裝備需求層各節(jié)點(diǎn)歸一化權(quán)重ω（7）。

運(yùn)行于500 千米的電子偵察衛(wèi)星最大可覆蓋方圓2 000 多千米的地域，“普查型” 成像偵察衛(wèi)星一幅圖片可以覆蓋幾千到上萬平方千米［13］，必然存在衛(wèi)星單次偵察覆蓋多個(gè)目標(biāo)的可能，因此需要根據(jù)衛(wèi)星過境情況、載荷敏捷側(cè)擺能力、偵察覆蓋范圍等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)，結(jié)合目標(biāo)大致點(diǎn)位，確定單次偵察可以覆蓋多個(gè)目標(biāo)的情況，明確A（6～7）矩陣。

5 案例分析

在已知偵察目標(biāo)層節(jié)點(diǎn)權(quán)重結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)裝備需求層權(quán)重和偵察任務(wù)權(quán)重進(jìn)行舉例計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，遙感衛(wèi)星系統(tǒng)通常收到多個(gè)方向的海量偵察監(jiān)視需求，本文為便于舉例說明，在此次案例分析中簡(jiǎn)化了裝備需求數(shù)量，并假設(shè)可進(jìn)行理想化的任務(wù)整合。

所得偵察目標(biāo)層和裝備需求層情況如圖3 所示，其中，偵察目標(biāo)層中節(jié)點(diǎn)1～4 均為單次偵察需求；節(jié)點(diǎn)5 和6 為海上移動(dòng)目標(biāo)持續(xù)監(jiān)視需求。綜合各類情況，初步判斷當(dāng)天需衛(wèi)星離散偵察5 次，首次發(fā)現(xiàn)難度系數(shù)δ ＝0.3。結(jié)合目標(biāo)位置、衛(wèi)星過境軌道、側(cè)擺能力等參數(shù)，可將節(jié)點(diǎn)1 和2，5 和6 分別整合為同一個(gè)目標(biāo)偵察需求。

圖3 改進(jìn)STT 框架后兩層示意圖

偵察目標(biāo)層各節(jié)點(diǎn)權(quán)重矩陣ω（6）、偵察目標(biāo)層和裝備需求層各節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣A（6～7）、裝備需求層內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)間的相互關(guān)系矩陣B（7）分別為：

可以得出：

根據(jù)第4 節(jié)的計(jì)算方法，按照艦船目標(biāo)是首次發(fā)現(xiàn)還是后續(xù)跟蹤，分別迭代18 次和15 次后，達(dá)到終止條件，迭代情況如圖4 所示。

圖4 迭代過程示意圖

可得：

歸一化權(quán)重為：

易知，艦船目標(biāo)還未被衛(wèi)星偵獲時(shí)，優(yōu)先級(jí)為ω2＞ω7＞ω4＞ω5；艦船目標(biāo)被首次偵獲后，優(yōu)先級(jí)為ω2＞ω4＞ω5＞ω7。衛(wèi)星系統(tǒng)可按照數(shù)值從高到低的優(yōu)先級(jí)順序安排測(cè)控和數(shù)傳資源，確保優(yōu)先完成高價(jià)值偵察任務(wù)，從而使遙感衛(wèi)星系統(tǒng)效能發(fā)揮最大化。

6 結(jié)束語

本文從衛(wèi)星偵察資源集中使用和聯(lián)合偵察的角度，結(jié)合遙感衛(wèi)星瞬時(shí)偵察和大范圍覆蓋的特點(diǎn)，通過對(duì)蘭德公司的STT 框架進(jìn)行增加模型層次、計(jì)算層次間多重對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)權(quán)重的影響、連續(xù)監(jiān)視需求到單次偵察任務(wù)的拆分等優(yōu)化，量化計(jì)算遙感衛(wèi)星系統(tǒng)偵察任務(wù)價(jià)值，對(duì)遙感衛(wèi)星偵察任務(wù)規(guī)劃有一定的支撐作用，有利于發(fā)揮遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的偵察效能。