天基海洋偵察監視系統作戰體系結構建模研究*

萬敏，侯妍，王乾

(1.航天工程大學，北京 101416；2.中國人民解放軍 95685部隊，云南 昆明 650500)

0 引言

天基偵察監視是以各種航天器為平臺，利用光電遙感器、雷達或無線電接收機等設備，在外層空間遂行偵察和監視的軍事活動[1]。天基偵察監視作為國家的戰略偵察手段之一，具有偵察范圍廣、面積大、速度快、效率高、不受國界和地理條件限制、效果好等特點，在多次現代戰爭和局部沖突中展現出強大的戰略威懾作用和支援作戰能力倍增器作用，成為了各大軍事大國研究和發展的重點[2]。體系結構是明確系統組成單元結構及其相互關系，以及指導系統設計和演進原則的重要基礎內容[3]。體系結構既是軍隊作戰體系頂層設計的科學方法論，又是具體存在形式，對體系作戰能力的生成和提升有著重要的意義。

海戰場偵察監視是天基偵察監視系統的重要應用方向，是實施海上遠程精確打擊的重要信息源，是保障打贏現代海戰的重要支撐[4]。鑒于天基海洋監視系統的重要作用和應用前景，研究和優化天基海洋監視作戰體系結構將有助于完善作戰模式，有利于提升海上作戰能力。本文基于美國國防部體系結構框架(department of defense architecture framework，DoDAF)對天基海洋偵察監視作戰體系結構進行研究，從作戰視角出發，建立了相關體系結構模型，為開展天基海洋偵察監視系統的作戰應用研究和頂層設計提供借鑒和參考。

1 天基海洋偵察監視系統概述

1.1 系統組成與功能

天基海洋偵察監視系統是以支援海上作戰任務為牽引，通過獲取海戰場目標的圖像和信號信息，提供敵方海上力量部署、運動情況等情報，為制定作戰指揮決策、打擊目標指示和效果評估提供支持[5]。

天基海洋偵察監視系統主要由偵察衛星系統、測控與接收系統、中繼傳輸系統、信息處理系統、任務管控系統、應用服務系統等組成，如圖1所示。

圖1 天基海洋偵察監視系統組成圖Fig.1 Composition of space based marine reconnaissance and surveillance system

偵察衛星系統是由光學成像、雷達成像、電子等偵察衛星組成的情報獲取系統，承擔目標搜索、跟蹤指示的關鍵使命與任務。

測控與接收系統是利用陸基測控站、?；鶞y量船、天基中繼衛星等測控資源和地面固定接收站資源構建而成的衛星測控和數據接收系統，承擔對各類偵察衛星跟蹤測量與遙測、遙控與運控指令發送、偵察數據和遙測數據接收等任務。

中繼傳輸系統是利用靜止軌道和高軌道中繼衛星組成的天基信息傳輸系統，承擔建立星地通信鏈路，完成偵察數據實時接收和傳輸的任務。

信息處理系統是由地面專業應用處理設備及軟件組成的數據信息處理系統，承擔處理衛星下傳的偵察數據，輸出偵察目標狀態信息，生成情報產品的任務。

任務管控系統是對任務流程和星地系統工作狀態進行控制和監視的系統，承擔綜合籌劃用戶偵察需求，制定任務規劃方案，統一管控偵察衛星、中繼衛星、地面固定站、機動站等資源，對業務流程和星地系統工作狀態實時監控的任務。

應用服務系統是匯集信息處理后情報數據的信息系統，承擔向各級用戶提供情報匯集整理、查詢下載、定向推送、輔助分析等任務。

1.2 系統作戰流程

根據John R.Boyd提出的OODA作戰環理論，每次作戰行動都可以用循環往復的“觀察(observe)—判斷(orient)—決策(decide)—行動(act)”過程來進行描述[6]。在此，基于OODA環理論描述天基海洋偵察監視系統支援下典型海上作戰過程，來定位天基海洋監視系統在作戰活動中的功能，體現系統的作戰能力。

(1) O-觀察，根據指揮中心和作戰單元(應急響應情況)的偵察需求，制定衛星偵察任務規劃的方案，上傳指令，執行偵察監視任務，獲取海戰場的圖像與信號等數據信息。

(2) O-判斷，地面站接收偵察衛星下傳的數據信息，并傳回數據處理中心，進行數據處理，生成相應的情報產品，并將情報產品分發給指揮中心和作戰單元(應急響應情況)，用以了解目標信息和掌握海戰場態勢。

(3) D-決策，指揮中心根據情報信息，結合作戰目標，擬制作戰方案，定下作戰決心，制定作戰計劃，做出打擊目標的指示并將作戰命令下達給各作戰單元。

(4) A-行動，作戰單元接收到作戰命令后，將打擊目標信息裝訂進武器系統中，在衛星傳送的目標信息的支援下，對目標實施打擊。

在完成一階段的打擊后，對目標實施打擊效果評估。根據評估結果來判斷是否達到作戰目標，以引導是否進入下一階段的OODA作戰環，形成循環往復的作戰閉環回路。

2 體系結構建模方法

2.1 DODAF體系結構框架

DoDAF是美國國防部制定的一種用于指導所有軍事項目研發的系統工程方法論，來源于為規范軍事信息系統而提出的C4ISR(command, control, communication, computer, intelligence, surveillance, reconnaissance)體系結構框架。經過多年的實踐發展，DoDAF先后經歷了V1.0,V1.5,V2.0 3個大版本更新，目前應用最廣泛的是V2.0版本[7-9]。

相較于早期版本的DoDAF體系結構框架，DoDAF V2.0將之前以產品為中心的開發模式轉向了以數據為中心，從原先的全景視圖、作戰視圖、系統與服務視圖、技術標準視圖4種視圖(view)擴展轉變為全視角、數據與信息視角、標準視角、能力視角、作戰視角、服務視角、系統視角和項目視角8種視角(viewpoint)[10-11]，如圖2所示。

圖2 DoDAF體系結構視圖Fig.2 DoDAF system architecture viewpoint

DoDAF V2.0從多視角設計開發體系結構，可以更詳盡地描述體系結構的不同方面，其核心是58個模型，這些模型以易讀易理解的方式收集、組織和呈現數據。這些模型的表現形式主要由圖表型、表格型、結構型、映射型、本體型、行為型等，不同表現形式反映其表現功能的特點，如靜態關系、動態關系、時序關系、狀態轉換等。把模型有機地組合即可構成相應的視角，各視角按定義組合即構成了整個體系結構的描述[12]。

2.2 體系結構建模步驟

基于DoDAF的體系結構設計有一個重要的設計原則——“適用”，即對于體系結構設計，一般不需要建立所有的體系結構模型，而是根據關注的重點和需求選取合適的視角建立相關模型，以更好地表達應用需求和設計意圖[13]。

針對于天基海洋偵察監視系統作戰體系結構設計，本文選擇從作戰視角切入，對天基海洋偵察監視系統支援海上作戰行動的過程進行建模和分析，相較于其他視角，作戰視角建模能夠更好地從作戰實踐角度描述天基海洋偵察監視系統體系結構。

根據設計的需要，選取DoDAF作戰視圖中的OV-1頂層作戰概念圖、OV-4組織關系圖、OV-2作戰資源流描述、OV-3作戰資源流矩陣、OV-5a作戰活動分解樹、OV-6b作戰狀態轉換模型，OV-6c作戰事件跟蹤模型進行靜態建模。在DoDAF框架中，各視圖模型之間并沒有嚴格的先后順序，但部分模型存在內在聯系和相互依賴的關系，因此在體系結構設計時需要加以考慮[14-15]。

基于以上，本文按照確定體系作戰概念，明確作戰節點指揮關系，描述作戰流程，確定作戰節點連接關系和信息交互的順序，設計建模流程如圖3所示。

圖3 建模流程Fig.3 Modeling process

(1) 結合作戰任務、作戰單位、作戰活動等信息，確定體系作戰概念，創建頂層作戰概念圖，即建立OV-1。

(2) 明確作戰節點的指揮層次以及作戰單位間的指揮關系，參考頂層作戰概念圖，創建組織關系圖，即建立OV-4。

(3) 結合系統功能分析、作戰流程以及作戰需求信息，參考頂層作戰概念圖，創建作戰資源流描述和作戰資源流矩陣，即建立OV-2與OV-3。

(4) 根據作戰任務，結合作戰流程，將作戰活動逐級具體分解，創建作戰活動分解樹，即建立OV-5a。

(5) 根據作戰流程、作戰活動與作戰信息等內容，參考作戰資源流描述與作戰活動樹分解，創建作戰狀態轉換模型和作戰事件跟蹤模型，即建立OV-6a與OV-6c。

3 作戰體系結構模型

3.1 頂層作戰概念圖OV-1

OV-1頂層作戰概念圖是對作戰概念的高層次圖形或文本描述，它通過形式化的描述方式，將作戰背景、關鍵作戰節點、作戰對象，作戰活動等信息表示出來，以幫助戰略決策者理解與交流。結合1.2節中基于OODA環的作戰流程描述內容，設計頂層作戰概念圖如圖4所示。

圖4 頂層作戰概念圖OV-1Fig.4 High-level operational concept graphic OV-1

3.2 組織關系圖OV-4

OV-4組織關系圖是對體系結構中重要的作戰力量、機構、組織之間的指揮關系以及其內部包含的作戰人員角色和類別的描述。根據天基海洋偵察監視系統支援海上作戰的任務需求、作戰流程，結合OV-1模型以及現實作戰力量組織構架，設計組織關系圖如圖5所示。

圖5 組織關系圖OV-4Fig.5 Organizational relationships chart OV-4

圖5中，天基海洋偵察監視系統作戰體系涉及太空信息支援機構的多個部門與組織，主要有偵察衛星管控中心、數據處理與情報分析中心、衛星測控與數據接收中心、中繼衛星管控中心。

偵察衛星管控中心職責與系統組成中任務管控系統(偵察)部分功能對應，負責受理和綜合偵察需求，生成相應的偵察任務，并對偵察任務進行規劃，調度偵察衛星完成偵察任務。

數據處理與情報分析中心與系統組成中信息處理系統和應用服務系統功能對應，負責對偵察衛星數據進行處理，生成情報產品，并將情報信息傳送給各級用戶。

衛星測控與數據接收中心與系統組成中測控與接收系統功能對應，負責對偵察衛星進行測量控制，對偵察數據進行接收。

中繼衛星管控中心與系統組成中繼傳輸系統和任務管控系統(中繼)部分功能對應，負責受理和綜合中繼傳輸需求，生成中繼傳輸任務，對中繼傳輸任務進行規劃，調度中繼衛星完成中繼傳輸任務。

在作戰中，這些機構與組織歸屬于戰役層的天基海洋偵察監視指揮機構，相互配合完成偵察監視任務。天基海洋偵察監視指揮機構與聯合作戰指揮部形成支援與被支援的關系，提供作戰中所需的戰場態勢信息、作戰目標信息等服務。

3.3 作戰資源流描述OV-2

OV-2作戰資源流描述是對作戰活動資源間的信息交流進行的描述，通過圖形化的方式，利用需求線，確定信息在重要作戰節點間的交互內容與流向，以更好地幫助指揮人員理解信息在作戰體系中的傳輸過程。作戰資源流描述如圖6所示。

圖6中，天基海洋偵察監視系統作戰體系中的主要作戰節點包括聯合作戰指揮節點、偵察任務管控與數據處理節點、地面站節點、中繼衛星節點、偵察衛星節點、作戰單元節點。

偵察任務管控與數據處理節點是作戰活動中的核心節點，對應系統組成中的信息處理、任務管控(偵察部分)與應用服務系統，對應組織結構中偵察衛星管控中心和數據處理與情報分析中心，節點交互的信息主要為偵察需求、情報信息、衛星運控指令、衛星測量信息與偵察數據信息。

地面站節點對應系統組成中的測控與接收系統，對應組織結構中的衛星測控中心，節點交互的信息主要為衛星運控指令、衛星測控指令、衛星遙測信息、衛星測量信息與偵察數據信息。

中繼衛星節點對應系統組成中的中繼傳輸系統和任務管控(中繼部分)系統，對應組織結構中的中繼衛星管控中心，節點交互的信息主要為衛星測運控指令、衛星遙測信息與偵察數據信息。

偵察衛星節點對應系統組成中的偵察衛星系統，節點交互信息主要為衛星測運控指令、偵察數據信息、衛星遙測信息與目標信息。

圖6 作戰資源流描述OV-2Fig.6 Operational resource flow description OV-2

聯合作戰指揮節點對應組織結構中的指揮單元，節點交互的信息主要為偵察需求、情報信息與作戰命令。

作戰單元節點對應組織結構中的作戰單元，交互的信息主要為作戰命令、情報信息和目標信息，應急響應的情況下，可以與偵察任務管控與數據處理節點發生直接聯系，進行偵察需求和情報信息的交互。

3.4 作戰資源流矩陣OV-3

OV-3作戰資源流矩陣是對作戰活動中作戰節點間交換的資源及交換屬性的描述。OV-3以表格化方式對OV-2中信息交互內容與方式進行描述與補充。作戰資源流矩陣如表1所示。

表1 作戰資源流矩陣OV-3Table 1 Operational resource flow matrix OV-3

3.5 作戰活動分解樹OV-5a

OV-5a作戰活動分解樹是以層次分解的方式對為完成作戰活動而開展的各種活動以及活動之間關系的描述。

結合天基海洋偵察監視系統作戰任務及流程，將天基海洋偵察監視系統作戰活動具體分解為需求管理、任務控制、搜索發現、識別確認、作戰指揮、目標打擊、效果評估7個次級活動，并對次級活動進一步分解，形成作戰活動分解樹如圖7所示。

圖7 作戰活動分解樹OV-5aFig.7 Operational activity decomposition tree OV-5a

3.6 作戰狀態轉換模型OV-6b

OV-6b作戰狀態轉換模型是對作戰活動中節點對各種事件的響應以及自身狀態轉變過程的描述。作戰狀態轉換模型如圖8所示。

圖8 作戰狀態轉換模型OV-6bFig.8 State transition description OV-6b

圖8中，作戰狀態起始于提出需求事件，在效果評估達到目的后結束，期間經歷需求管理、任務控制、搜索發現、識別確認、指揮決策、目標打擊、效果評估等活動，整個作戰狀態轉換過程與作戰流程相對應。

3.7 作戰事件跟蹤模型OV-6c

OV-6c作戰事件跟蹤模型是對作戰節點之間發生事件以及交互信息時間排序的描述。作戰事件跟蹤模型如圖9所示。

圖9中，方框表示各作戰節點，虛線表示時間線，時間線之間的箭頭表示節點間發生的流轉事件，通過作戰事件跟蹤模型，直觀地描述了作戰活動中事件的序列走向，有效地反映了天基海洋偵察監視系統作戰的動態過程。

4 結束語

本文研究了基于DoDAF的體系結構建模方法，并運用此方法在作戰應用層面，從作戰視角出發，建立了天基海洋偵察監視系統作戰體系結構模型，從總體上明確了天基海洋偵察監視系統作戰應用的概念，描述了作戰活動、作戰節點、作戰信息等要素之間的交互關系，對更好地理解和掌握天基海洋偵察監視系統作戰應用提供了幫助和參考，為進一步開展作戰體系頂層設計與作戰模式創新提供了借鑒和支持。

本文根據研究需求建立的體系結構模型為靜態模型，在后續的研究中，利用仿真軟件將靜態模型轉換為動態模型，并對模型合理性以及系統資源利用率、活動執行時間等指標進行驗證與仿真分析，以定量的結果分析為體系建設和結構優化提供參考。