基于資源統籌和STT 框架的遙感衛星偵察任務價值量化方法

許益喬 張占月 張剛 劉思彤

（1.航天工程大學 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點［1］，是聯合偵察體系的重要組成部分。準確地對遙感衛星偵察任務價值進行量化，合理地進行遙感衛星系統星地資源統籌，有助于發揮系統效能。目前，常用的衛星資源優化算法有啟發式算法［2］、禁忌搜索算法［3］、遺傳算法［4］和蟻群算法［5］等，主要優化問題為已知偵察任務優先級，通過合理分配衛星資源，提高任務執行效率。目前關于偵察任務的排序問題研究的文獻還比較少。文獻［6］提出用STT 框架解決“情報、偵察與監視（ISR）”偵察需求分析問題，文獻［7］將該框架引入對衛星偵察的需求分析中，文獻［8］從作戰任務階段劃分和衛星偵察需求整合的角度對STT 框架進行了改進。上述研究證明了STT 框架是較好的分析遙感衛星偵察需求價值的方法，但是都忽略了衛星偵察的瞬時性特點、資源統籌使用現狀以及多種偵察手段聯合運用等因素。本文在STT 框架的基礎上，著眼于聯合偵察體系，從協同使用、統籌使用角度，兼顧衛星平臺偵察特點，提出一種遙感衛星偵察需求的價值量化方法，為衛星偵察任務規劃提供支撐。

2 “戰略到任務”框架

蘭德公司的“戰略到任務（STT）”框架，用于在作戰計劃制定階段選擇攻擊目標，也可以用于分配ISR 資源、優化ISR 搜集任務。該框架通過將作戰任務逐層分解為戰役目標層、作戰目標層、作戰任務層和執行概念層，量化各種搜集任務的優先級，其示意圖如圖1 所示［6］。

圖1 STT 框架示意圖

框架的頂層是戰役目標層（戰役級策略目標層），如“支持進攻作戰”“防護己方部隊”等；其次是作戰目標層，指為了確保達成策略目標，需要完成的作戰目標，如“獲取空中優勢”“支援地面作戰”等；第三層是作戰任務層，是指為了完成作戰目標，需要完成的作戰任務，如“壓制地空導彈”“攻擊空軍基地”等；第四層是執行概念層，是指為了確保作戰任務的順利完成，需要進行的情報保障任務，如“偵照疑似地空導彈位置”。其中，執行概念層的搜集效用從下向上加權求和。例如，“偵照疑似地空導彈位置”有2 個需要偵察的目標，且同等重要，則目標的偵察權重col1 ＝col2 ＝

天基偵察與空基偵察具有各自的特點和指揮控制方式，因此在使用STT 框架對衛星偵察任務規劃時，需要結合衛星偵察特點，突出聯合偵察體系，在原有的基礎上進一步改進：一是單戰役方向向多戰役方向的改進?？罩凶鲬鹬行牡膫刹炝α恐饕撠煴炯壷笓]機構和下屬部隊的情報保障任務，而遙感衛星偵察力量通常作為國家偵察手段，需要對多方向多用戶負責。二是空基平臺偵察向聯合偵察改進。在STT 框架中，空中作戰指揮中心主要使用空基偵察平臺，因此重點突出了偵察平臺搭載的傳感器類型，而淡化所使用的偵察裝備；同時，也未考慮單個目標由多種手段偵察或者多個目標由單種手段偵察的情況。三是突出衛星偵察特點。由于低軌衛星的重訪特性，過頂偵察時間較短，持續監視任務將耗費多次偵察資源，在執行衛星偵察任務時，需要將監視任務拆分成多次的偵察任務進行計算分析。四是層級之間和層次內部對應關系的改進。現代戰爭具有多域融合、跨域攻防、全程關聯的特點，需要實現戰略、戰役和戰術各層次的作戰力量的融合［9］，不可避免地會出現層次間和層級內部相互影響的事件，需考慮層級內部事件的相關性和層級間不同任務的多重對應關系。

3 偵察需求的價值量化方法

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

圖2 價值量化方法示意圖

該方法從現代戰爭和聯合偵察體系構建入手，結合遙感衛星常用偵察指揮控制方式和通用性能指標特點，在STT 框架的基礎上增加了戰役方向層、偵察目標層和裝備需求層這3 個層次，并對層次間和層級內的相互影響進行了修正，從而將衛星偵察需求和戰略目標緊密聯系起來，可以確保遙感衛星偵察體系效能得到最大的發揮。

3.1 戰役方向層

原有的STT 框架主要為了美軍空中作戰指揮中心調度偵察資源服務，以對單一戰役方向進行情報支援為主。遙感衛星運行于太空，可以跨越多個地理區域進行偵察，作戰司令部（戰區）多按照地理區域進行劃分，若衛星只服務單一方向會造成資源浪費。因此世界上大多數國家的偵察衛星均采用集中指揮控制的方式，支援各戰略戰役方向作戰。為此，在STT 框架的基礎上增加戰役方向層，以兼顧不同戰略戰役方向的偵察需求。同時，由于信息搜集資源永遠難以滿足用戶的需求［10］，為了更好地支援重要方向，最大可能發揮支援效能，可由最高統帥部根據各作戰方向的重要性，設置各方向權重。

3.2 偵察目標層和裝備需求層

在原有STT 框架的應用場景中，空中作戰中心既可以直接指揮空基偵察平臺，也可以控制火力打擊武器，因此原有框架中的執行概念層作為底層是合理的，它甚至可以構建“傳感器到射手”的最終鏈接［6］。但正如前文所述，遙感衛星系統需要支援多方向多用戶，因此各被支援單位情報部門通常需要向遙感衛星系統申請資源，構建支援關系，將遙感衛星系統納入聯合偵察體系。同時，由于衛星偵察手段的非連續性特點，很難為戰役戰術行動提供高動態情報支援［1］，因此在聯合偵察體系中，必然存在綜合采用天基、空基、?；榷喾N手段偵察同一目標，以追求準確性和健壯性的情況。比如，對海上移動目標進行偵察監視時，為確保穩定可靠的戰場態勢，可能存在岸基雷達、?；鶄刹齑?、空基無人機、天基偵察衛星等多種偵察手段同時對其進行跟蹤監視。因此，需在執行概念層下繼續設置偵察目標層和裝備需求層。

3.3 層級之間和層級內部的相互關系

原有的STT 框架沒有考慮一個下級節點對應多個上級節點的情況，也沒有考慮層級內部各個節點的相互關系，而在實際情況中，存在一個作戰任務需要完成多個作戰目標、一次偵察行動需要發現識別多個目標等情況，且作戰行動之間、偵察任務之間必然存在相關關系。可將層級的內部關系定義為三種類型：依賴型、獨立型和相互支持型［11］。依賴型，Dependent（TA，TB），指TA需要依靠TB提供支持才能執行；獨立型，Independent（TA，TB），指TA和TB各自獨立，不存在相關關系；相互支持型，Couple（TA，TB），指TA和TB相互支持或者相互影響，存在相關關系。以裝備需求層為例，當多種偵察手段對同一目標進行偵察時，三種內部關系如下：①依賴型，多種手段聯合偵察，寬幅低分辨率引導窄幅高分辨率、寬頻帶掃描搜索引導駐頻詳偵、遙感衛星大范圍瞬時偵察引導海陸空基長時連續跟蹤，常用于搜索未知海陸移動目標、連續跟蹤監視或詳細偵察研判等情況。②獨立型，多種手段獨立偵察搜索、不相互引導，偵察信息在信息層面融合。常用于已掌握目標大致位置、兵力部署、裝備用途等部分先驗信息，進一步獲取目標電子頻譜、材料質地、活動狀態等更詳細信息。③相互支持型，多種手段聯合偵察，盡可能互為引導的情況，常用于已掌握活動目標前期位置、常用陣位、活動規律等部分先驗信息，進一步連續更新目標活動位置、形成連續戰場態勢。

4 價值量化方法

價值量化方法中改進的STT 框架第一層為戰役方向層，各戰役方向權重由最高統帥機關決定，且權重值之和為1。后續各層級的節點權重計算如下：

步驟1：構建層級間上下級節點關系矩陣A（k，k+1），k ＝1，2，3，4，5，6。

式（1）中，v（k）指第k層級中節點個數；指第k +1 層級中第j個節點對于k層級中第i個節點的重要程度，且。若第k +1 層級中第j個節點對第k層級中第i個節點沒有任何直接幫助，則，則第k層級中第i個節點是第k+1 層級中第j個節點的上級節點，第k+1 層級中第j個節點是第k層級中第i個節點的下級節點，一個上級節點可擁有多個下級節點，一個下級節點也可對應多個上級節點。

步驟2：構建層級內部節點間的相互關系矩陣B（k+1）。

表1 層級內部節點相關矩陣賦值

步驟4：歸一化層級內部節點權重。

第k +1 層級的第l個節點的歸一化權重為：

步驟5：按照步驟1～步驟4，可逐步計算出偵察目標層各節點歸一化權重ω（6）。

步驟6：計算遙感衛星偵察任務優先級。

（1）持續監視需求拆分成單次偵察需求，得出目標單次偵察權重矩陣

受衛星軌道動力學限制，中低軌道衛星難以像飛機艦船一樣滯空駐留，過頂偵察時間較短。遙感衛星在執行連續監視任務時，需拆分成多個時間離散的單次瞬時偵察任務。對目標進行偵察監視時，“發現—識別”的權重必然大于“跟蹤”的權重，因此需要對目標首次發現的權重ωr和后續監視（多次單次偵察）的權重ωs分別進行分析。

設偵察目標層中第n個目標需要被持續監視或多次偵察rn次，則該目標需要被首次發現的權重為：

被首次發現后，后續偵察的權重為：

式（6）中，δn（0＜δn ＜1）為目標被首次發現的難度系數，與是否掌握目標先驗信息、目標大小與材質、是否電磁管控、是否隱蔽偽裝以及衛星發現后是否引導其他手段保持持續監視等相關。

（2）整合偵察任務，得出裝備需求層各節點歸一化權重ω（7）。

運行于500 千米的電子偵察衛星最大可覆蓋方圓2 000 多千米的地域，“普查型” 成像偵察衛星一幅圖片可以覆蓋幾千到上萬平方千米［13］，必然存在衛星單次偵察覆蓋多個目標的可能，因此需要根據衛星過境情況、載荷敏捷側擺能力、偵察覆蓋范圍等戰術技術性能指標，結合目標大致點位，確定單次偵察可以覆蓋多個目標的情況，明確A（6～7）矩陣。

5 案例分析

在已知偵察目標層節點權重結果的基礎上對裝備需求層權重和偵察任務權重進行舉例計算。在實際應用中，遙感衛星系統通常收到多個方向的海量偵察監視需求，本文為便于舉例說明，在此次案例分析中簡化了裝備需求數量，并假設可進行理想化的任務整合。

所得偵察目標層和裝備需求層情況如圖3 所示，其中，偵察目標層中節點1～4 均為單次偵察需求；節點5 和6 為海上移動目標持續監視需求。綜合各類情況，初步判斷當天需衛星離散偵察5 次，首次發現難度系數δ ＝0.3。結合目標位置、衛星過境軌道、側擺能力等參數，可將節點1 和2，5 和6 分別整合為同一個目標偵察需求。

圖3 改進STT 框架后兩層示意圖

偵察目標層各節點權重矩陣ω（6）、偵察目標層和裝備需求層各節點關系矩陣A（6～7）、裝備需求層內部各節點間的相互關系矩陣B（7）分別為：

可以得出：

根據第4 節的計算方法，按照艦船目標是首次發現還是后續跟蹤，分別迭代18 次和15 次后，達到終止條件，迭代情況如圖4 所示。

圖4 迭代過程示意圖

可得：

歸一化權重為：

易知，艦船目標還未被衛星偵獲時，優先級為ω2＞ω7＞ω4＞ω5；艦船目標被首次偵獲后，優先級為ω2＞ω4＞ω5＞ω7。衛星系統可按照數值從高到低的優先級順序安排測控和數傳資源，確保優先完成高價值偵察任務，從而使遙感衛星系統效能發揮最大化。

6 結束語

本文從衛星偵察資源集中使用和聯合偵察的角度，結合遙感衛星瞬時偵察和大范圍覆蓋的特點，通過對蘭德公司的STT 框架進行增加模型層次、計算層次間多重對應關系對權重的影響、連續監視需求到單次偵察任務的拆分等優化，量化計算遙感衛星系統偵察任務價值，對遙感衛星偵察任務規劃有一定的支撐作用，有利于發揮遙感衛星系統的偵察效能。