張安理,李　智,馮　飛

(裝備學(xué)院,北京　101416)

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基于聚合模型的高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估

張安理,李智,馮飛

(裝備學(xué)院,北京101416)

摘要:高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估是導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮輔助決策的重要環(huán)節(jié),可以為指揮員的太空目標(biāo)選擇提供依據(jù)。在分析其威脅要素特征的基礎(chǔ)上,提出了采用“聚合模型”開展威脅評估的方法,并給出了威脅評估步驟。通過分析美國高軌預(yù)警衛(wèi)星的工作模式及作戰(zhàn)流程,選取了掃描探測、凝視跟蹤及外部等三個方面的關(guān)鍵性威脅要素,并構(gòu)建了各要素的評價函數(shù)模型?；谏舷聦油{要素之間關(guān)系的不同,給出了兩種不同的聚合模型,采用該模型分析了所選要素之間的聚合關(guān)系,得到了高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估模型。最后通過實例計算,驗證了該評估方法的可行性和實用性。

關(guān)鍵詞:預(yù)警衛(wèi)星;作戰(zhàn)流程;威脅評估;評價函數(shù);聚合模型

高軌預(yù)警衛(wèi)星利用監(jiān)視區(qū)域大的優(yōu)勢探測跟蹤彈道導(dǎo)彈助推段,處于反導(dǎo)作戰(zhàn)信息鏈的頂端,嚴重影響導(dǎo)彈突防能力,因此對其開展威脅評估和排序,可以為太空中重點目標(biāo)的選擇提供依據(jù),進而提高戰(zhàn)場指揮輔助決策效率,同時也可為開展它類衛(wèi)星威脅評估提供借鑒,為我國預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展與建設(shè)提供技術(shù)支持,具有重要的軍事價值。

雖然威脅評估可追溯至20世紀80年代,且目前已拓展至電子偵察、防空反導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域,但在太空作戰(zhàn)領(lǐng)域內(nèi)還鮮有研究,如文獻[1]等對太空戰(zhàn)場威脅進行過研究,文獻[2-3]等對光學(xué)成像偵察衛(wèi)星威脅評估進行過探索。對于隸屬于確定性評估范疇的預(yù)警衛(wèi)星評估,目前多側(cè)重于衛(wèi)星效能評估,即將衛(wèi)星的各種能力進行聚合,而結(jié)合導(dǎo)彈作戰(zhàn)背景,從“威脅”的角度評估尚不多見,比較典型的評估方法主要有性能參數(shù)法、解析法、多指標(biāo)綜合法等。

1威脅評估步驟描述

高軌預(yù)警衛(wèi)星包括地球靜止軌道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)和大橢圓軌道(Highly Elliptical Orbit,HEO)兩種軌道類型衛(wèi)星,它集探測發(fā)現(xiàn)、目標(biāo)識別、跟蹤定位、預(yù)估引導(dǎo)等多種功能于一身,采用解析法描述往往不夠精確。其中,GEO衛(wèi)星相對地面靜止,監(jiān)視相應(yīng)熱點區(qū)域;HEO衛(wèi)星遠地點在北半球,主要用于俄羅斯等高緯度國家導(dǎo)彈的探測預(yù)警,即高軌預(yù)警衛(wèi)星主要功能為探測發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈目標(biāo),側(cè)重于對某個特定區(qū)域內(nèi)的威脅,其威脅要素多呈現(xiàn)為“狀態(tài)性”特征,因而,本文中采用“聚合模型”來開展高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估。

在深入分析高軌預(yù)警衛(wèi)星作戰(zhàn)流程的基礎(chǔ)上,選取威脅評估時所用到的關(guān)鍵性威脅要素,然后構(gòu)建各威脅要素評價函數(shù)模型,并采用軟件仿真、模型計算或者直接賦值法來獲取各威脅要素輸入值,接著確定各威脅要素權(quán)重,最后采用聚合模型開展預(yù)警衛(wèi)星威脅評估。高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估步驟如圖1所示。

圖1　高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估步驟

2威脅評估要素構(gòu)建

2.1作戰(zhàn)流程分析

高軌預(yù)警衛(wèi)星通過探測助推段導(dǎo)彈發(fā)動機的噴焰來判斷導(dǎo)彈發(fā)射狀況,并依據(jù)衛(wèi)星探測信息反推出導(dǎo)彈相關(guān)參數(shù),其紅外探測器采用“掃描+凝視”的雙探測器工作模式,具體作戰(zhàn)流程為:① 平時,預(yù)警衛(wèi)星掃描探測器對威脅區(qū)域機械式不間斷地搜索紅外輻射,以監(jiān)視敵方導(dǎo)彈發(fā)射狀況;② 導(dǎo)彈點火起飛后,首先由掃描探測器探測到紅外熱源,發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo),并測量出方位、俯仰角、速度以及加速度等數(shù)據(jù),然后對采集到的目標(biāo)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,并將衛(wèi)星數(shù)據(jù)加密和縮減后通過星地下行鏈路傳遞給衛(wèi)星地面站;③ 地面人員結(jié)合衛(wèi)星上可見光電視攝像系統(tǒng)進行虛警判別,若確認了可疑目標(biāo)是來襲導(dǎo)彈,則調(diào)用凝視探測器精確跟蹤導(dǎo)彈目標(biāo);④ 精確跟蹤的同時,地面站將接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸給任務(wù)控制站進行彈道預(yù)報,并為X波段雷達等提供引導(dǎo)數(shù)據(jù)。高軌預(yù)警衛(wèi)星作戰(zhàn)流程如圖2所示。

圖2　高軌預(yù)警衛(wèi)星作戰(zhàn)流程圖

2.2威脅要素選取

由作戰(zhàn)流程可以看出,高軌預(yù)警衛(wèi)星探測導(dǎo)彈助推段可分為掃描探測和凝視跟蹤兩部分。其中,掃描探測的最終目的是為了獲取盡可能長的預(yù)警時間,并向凝視探測器提供指引信息,它主要取決于兩個方面的要素：一是首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻；二是探測方面要素,如探測次數(shù)、單次探測概率、探測精度等。在凝視跟蹤階段,可以選用的要素包括凝視弧段、跟蹤精度、關(guān)機點測量精度等威脅要素,如圖3所示。

從導(dǎo)彈作戰(zhàn)、易于測量以及重要性等方面考慮,本文將探測次數(shù)與單次探測概率采用探測概率來分析;探測精度、跟蹤精度本文不再考慮;另外,國際環(huán)境也是必須考慮的要素之一。

2.2.1掃描探測階段Jscan要素分析

1)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻

首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻是指預(yù)警衛(wèi)星探測彈道導(dǎo)彈時,導(dǎo)彈目標(biāo)紅外輻射強度首次不為0時所對應(yīng)的導(dǎo)彈飛行時刻。若首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻越早,則告警時間就越小,預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈的威脅就越大,它主要與導(dǎo)彈和衛(wèi)星之間的空間幾何、衛(wèi)星掃描周期以及掃描時機等因素密切相關(guān)。

2)探測概率

探測概率是指在滿足特定虛警概率的條件下,預(yù)警衛(wèi)星能夠檢測出特定距離上目標(biāo)的可能性大小[4]。單次掃描探測概率則是指預(yù)警衛(wèi)星對空中飛行的目標(biāo)掃描一次,能夠探測到目標(biāo)的可能性。

從文獻[5-6]所給出的探測概率計算過程可以看出,探測概率與三方面因素有關(guān):① 紅外探測器以及導(dǎo)彈性能,例如探測器光學(xué)系統(tǒng)面積與透過率、總視場、掃描頻率,虛警概率;導(dǎo)彈火焰輻射強度等,對于特定的衛(wèi)星系統(tǒng)以及導(dǎo)彈來說,這些均為恒定的;② 外部自然環(huán)境,例如大氣透過率等,這些則存有不可預(yù)測性和模糊性,只能進行定性處理;③ 狀態(tài)指標(biāo),例如探測器與導(dǎo)彈的空間距離等,相對距離越小,探測概率則越來越大。

探測概率是掃描探測階段極其重要的威脅要素之一,是預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)工作的前提與基礎(chǔ),探測概率越大,預(yù)警衛(wèi)星的威脅就越大。

2.2.2凝視跟蹤階段Jstare要素分析

1)凝視弧段

凝視弧段主要是指預(yù)警衛(wèi)星凝視探測器跟蹤飛行中的彈道導(dǎo)彈時所能凝視的時間弧段,其主要與探測器的視場、類型、作用距離、空間幾何等因素相關(guān)。對于特定導(dǎo)彈彈道來說,如果凝視弧段越長,則預(yù)警衛(wèi)星用于概略引導(dǎo)的預(yù)報信息誤差就越小,預(yù)警衛(wèi)星的威脅就越大。

2)關(guān)機點測量精度

導(dǎo)彈中段飛行彈道完全由助推段關(guān)機點的狀態(tài)決定[7],換言之,導(dǎo)彈關(guān)機點狀態(tài)就大體上決定了導(dǎo)彈后續(xù)橢圓彈道的飛行狀態(tài)。預(yù)警衛(wèi)星利用凝視探測器對關(guān)機點進行測量,其測量精度會直接影響到衛(wèi)星對導(dǎo)彈的定位誤差,進而影響到衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的預(yù)報能力,關(guān)機點測量的越準,預(yù)警衛(wèi)星得威脅就越大。

2.2.3外部Jwb要素分析

國際環(huán)境是指為確保太空戰(zhàn)略安全由國際法構(gòu)成的國際太空安全戰(zhàn)略格局[8],如《外空條約》、《責(zé)任公約》、《部分禁止條約》以及具有國際性質(zhì)的空間法、世界各國的航天政策白皮書、航天合作指南等法律法規(guī)、作戰(zhàn)條令等均會對預(yù)警衛(wèi)星監(jiān)視探測目標(biāo)帶來軟性限制與影響。鑒于此,本文將國際環(huán)境作為預(yù)警衛(wèi)星威脅評估的要素之一。

國際環(huán)境要素屬于定性要素,即要素不能通過確切具體的量值來描述,而只能表示一種順序與等級。這類要素在開展評估時必須將其量化。國際環(huán)境越有利于預(yù)警衛(wèi)星探測監(jiān)視對方目標(biāo),預(yù)警衛(wèi)星的威脅就越大。

2.3要素評價函數(shù)模型構(gòu)建

1)探測概率評價函數(shù)Pscan

高軌預(yù)警衛(wèi)星掃描探測器周期性機械式地掃描目標(biāo),并將測量信息傳給地面人員確認,本文假設(shè)掃描a次后交給地面人員確認可疑目標(biāo),目標(biāo)確認后由地面操作人員啟動凝視探測器繼續(xù)跟蹤導(dǎo)彈目標(biāo)。這里假設(shè)第i次掃描的單次探測概率為pi,則掃描探測器在掃描探測階段對彈道導(dǎo)彈的探測概率為

由于探測概率pscan∈[0,1],因此開展評估時,本文直接采用探測概率作為輸入值,即Pscan=pscan。

2)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻評價函數(shù)Td

3)凝視弧段評價函數(shù)N

由高軌預(yù)警衛(wèi)星作戰(zhàn)流程可知,其掃描探測器掃描a次后,傳輸至地面并由地面人工通過可見光攝像機確認可疑目標(biāo)是否為導(dǎo)彈,若是導(dǎo)彈目標(biāo),再啟動凝視探測器跟蹤目標(biāo)。忽略信息傳輸時延,并假設(shè)人工確認時間為tconfirm,則凝視相機跟蹤起始時間為:t3=Tscan·a+tconfirm,式中,Tscan為掃描相機周期。

假設(shè)利用STK軟件仿真高軌預(yù)警衛(wèi)星凝視探測器在[t1,t2]時間弧段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈覆蓋,導(dǎo)彈助推段飛行時間為tinitial,那么凝視弧段nstare則為

nstare=[max(t3,t1),min(tinitial,t2)]

N=1-e-nstare/50

4)關(guān)機點測量精度評價函數(shù)Rc

預(yù)警衛(wèi)星關(guān)機點測量精度采用分段函數(shù)來表示,當(dāng)STK軟件仿真的高軌預(yù)警衛(wèi)星弧段覆蓋結(jié)束時刻t2在導(dǎo)彈關(guān)機點時刻tinitial之后時,關(guān)機點測量精度評價函數(shù)Rc輸入值為1;當(dāng)t2在tinitial之前時, Rc輸入值為0。評價函數(shù)Rc模型可以表示為

5)國際環(huán)境評價函數(shù)Es

國際環(huán)境屬于定性要素,其描述可以分為環(huán)境有利(即盟友與國際社會支持)、環(huán)境均勢(即其余國家處于中立)、不利(即沒有獲得國際社會支持)和無(即不存在對抗環(huán)境)四個等級,即e={有利，均勢，不利，無}。國際環(huán)境評價函數(shù)Es可以采用分段線性函數(shù)來描述。

3預(yù)警衛(wèi)星威脅評估聚合模型

對影響預(yù)警衛(wèi)星威脅度大小的各威脅要素進行聚合時,通常有以下兩種聚合模型[10]。

1)加權(quán)積模型(冪函數(shù)法)

如果上下層要素關(guān)系相當(dāng)密切,任何下層要素性能很差都會影響上層要素,都是不可或缺的,這類關(guān)系一般采用非線性加權(quán)模型進行指標(biāo)聚合,即

2) 加權(quán)和模型

如果下層要素與上層要素具有一定關(guān)系,但并非缺一不可,下層要素以不同的權(quán)重合作(互補)聚合到上層要素,換言之,即使某一下層要素很差也不會導(dǎo)致上層很差,對于這類關(guān)系一般采用線性加權(quán)模型來進行指標(biāo)融合，即

聚合模型中,y為上層要素,xi為構(gòu)成這一要素的下層要素,wi為第i個下層要素的權(quán)重系數(shù)。

高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估中的上層要素與下層要素之間關(guān)系可能密切,也可能影響不大,因此在評估聚合時要靈活運用兩種模式。在模型聚合時,掃描探測Jscan、凝視跟蹤Jstare以及外部Jwb之間關(guān)系并非特別密切,本文采用加權(quán)和聚合模型;探測概率Pscan、首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻Td之間,以及凝視弧段N、關(guān)機點測量精度Rc之間任一之間很差均會影響上層要素,且都是缺一不可的,因此本文采用加權(quán)積聚合模型。即高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅度Tg為

Tg=Jscan·w1+Jstare·w2+Jwb·w3

4應(yīng)用舉例

本文以一枚發(fā)射時間為2020年4月1日05:01:00,發(fā)射點經(jīng)度120.216°、緯度29.26°;落點經(jīng)度127.748°、緯度26.2708°、飛行高度653km、關(guān)機點為94s的彈道導(dǎo)彈以及美國HEO1、HEO2預(yù)警衛(wèi)星探測我方導(dǎo)彈為例開展威脅評估。

4.1HEO預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的覆蓋弧段仿真

STK[11](Satellite Tool Kit)是由美國Analytical

Graphics,Inc.(AGI)公司開發(fā)的分析軟件,可快速準確分析預(yù)警衛(wèi)星及彈道導(dǎo)彈等對象的定位和交互任務(wù),并提供圖表及文本形式的分析結(jié)果。

STK仿真覆蓋弧段具體步驟為:① 在STK中創(chuàng)建場景,建立高軌預(yù)警衛(wèi)星對象,并設(shè)置預(yù)警衛(wèi)星的掃描探測器及凝視探測器的視場、指向類型、旋轉(zhuǎn)速率、圓錐角、最大探測距離等相關(guān)參數(shù);② 創(chuàng)建彈道導(dǎo)彈對象,設(shè)置導(dǎo)彈的發(fā)射點、落點、起飛時間、最大飛行高度等參數(shù);③ 建立HEO1、HEO2衛(wèi)星與導(dǎo)彈的chain連接;④ 仿真預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的覆蓋弧段。其中,HEO1掃描覆蓋仿真如圖4所示。

圖4　HEO1掃描覆蓋仿真

通過STK仿真數(shù)據(jù)可看出,HEO1衛(wèi)星的首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻為05:01:14.045,假設(shè)從第a=5次掃描結(jié)束時刻(05:01:18.251)開始,傳給地面人員確認“可疑目標(biāo)”,確認時間tconfirm=5s,并忽略凝視探測器啟動時間,因此其跟蹤起始時間為t3為05:01:23.251。

由STK仿真可得,HEO1衛(wèi)星凝視探測器的凝視弧段為05:01:13.444至05:13:56.350,凝視弧段仿真如圖5所示。

圖5　HEO1凝視弧段仿真

HEO2預(yù)警衛(wèi)星的仿真過程類似,由此可得到在該彈道導(dǎo)彈飛行過程中,HEO1、HEO2預(yù)警衛(wèi)星的覆蓋狀況及威脅要素如表1所示。

表1　HEO衛(wèi)星覆蓋狀況及評估要素估算

注：HEO1、HEO2預(yù)警衛(wèi)星凝視探測器的STK仿真弧段結(jié)束時刻均超過關(guān)機點。

4.2各要素輸入值獲取

預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈的單次探測概率數(shù)值會隨著導(dǎo)彈火焰輻射強度的變化而變化,計算過程比較繁雜,且目前已經(jīng)有多個文獻對其開展了研究,如參考文獻[2]、[12]等,本文假設(shè)HEO高軌預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的單次掃描探測概率如表2所示。由此通過所構(gòu)建的評價函數(shù)模型便可得到HEO1、HEO2預(yù)警衛(wèi)星各威脅要素的評價函數(shù)值如表3所示。

表2　HEO高軌預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的單次掃描探測概率

表3　HEO預(yù)警衛(wèi)星威脅要素評價函數(shù)值

注：假設(shè)當(dāng)時國際環(huán)境為均勢。

4.3權(quán)重確定

考慮到各威脅要素的影響以及地位不同,在開展高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估時,就必須為各威脅要素賦予不同的權(quán)重,本文依據(jù)單向鏈法[13]確定的高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅要素權(quán)重如表4所示。

表4　高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅要素權(quán)重

由此可得到HEO1、HEO2預(yù)警衛(wèi)星的威脅度以及各威脅要素值如圖6所示。

圖6　HEO1、HEO2衛(wèi)星威脅度及各要素對比圖

由圖6可以看出,在此枚導(dǎo)彈飛行過程中,HEO1衛(wèi)星比HEO2衛(wèi)星的威脅度要小(HEO1為0.9022,HEO2為0.9158)。從各威脅要素來看,關(guān)機點測量精度Rc極強,HEO1與HEO2衛(wèi)星的要素評價函數(shù)值均達到1,這主要源于HEO衛(wèi)星能夠覆蓋導(dǎo)彈關(guān)機點,且采用凝視探測器測量關(guān)機點的緣故;考慮到兩顆衛(wèi)星的同等戰(zhàn)略地位,本文假設(shè)國際環(huán)境均為環(huán)境均勢,即Es=0.7。HEO1威脅度小于HEO2的原因主要來自于探測概率Pscan、首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻Td以及凝視弧段N等要素,尤其是后兩者相差較大。HEO1與導(dǎo)彈間的空間距離相較HEO2要大,探測概率較小,且由于空間幾何關(guān)系的緣故,造成HEO1首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)較遲,并產(chǎn)生連鎖反應(yīng),導(dǎo)致HEO1對導(dǎo)彈的凝視弧段也較HEO2短,從而造成HEO1衛(wèi)星威脅度小。不過從總體來看,雖然Td與N相差較大,但權(quán)重相對較小,因此HEO1與HEO2之間的威脅度相差并不大。

通過實例分析可知,所選取的威脅要素涵蓋了預(yù)警衛(wèi)星、對抗環(huán)境及導(dǎo)彈狀況等各個方面,構(gòu)建的評價函數(shù)模型能夠較為準確地反映各威脅要素對預(yù)警衛(wèi)星威脅度的影響,聚合模型考慮了各上下層要素的關(guān)系及其權(quán)重,評估結(jié)果表明該評估方法能夠有效合理地實現(xiàn)高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估并進行排序。

5結(jié)束語

本文在分析美國高軌預(yù)警衛(wèi)星工作模式和作戰(zhàn)流程的基礎(chǔ)上,從探測概率、首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻、凝視弧段、關(guān)機點測量精度和威脅環(huán)境等方面分析和提取了預(yù)警衛(wèi)星的威脅要素,并構(gòu)建了要素評價函數(shù)模型。提出應(yīng)用上下層要素之間的不同聚合關(guān)系,得到高軌預(yù)警衛(wèi)星威脅評估聚合模型,并通過實例驗證了該評估方法的合理性和可行性。

考慮到高軌預(yù)警衛(wèi)星技術(shù)含量極高,且威脅度評估本身就具有模糊性、繁雜性及現(xiàn)實性的特征,因而在威脅要素選取,評價函數(shù)模型改進及細化等方面可進一步開展研究。

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Threat Assessment of High-orbit Early Warning Satellites Based on Aggregation Model

ZHANG An-li, LI Zhi, FENG Fei

(Academy of Equipment, Beijing 101416， China)

Abstract:The threat assessment of the high-orbit early warning satellites is an important part of the assistant decision of the missile operational command, which can provide the basis for the commander∏s choice of the space target. On the basis of analyzing the characteristics of the threat elements, the threat assessment method using the "aggregation model" is proposed, and the threat assessment procedure is given. Based on the analysis of the working mode and the operational process of the American high-orbit early warning satellites, the critical elements including three aspects, such as the scan detection, the gaze tracking and the outside, are selected, and evaluation function model of each element is constructed. According to the relationship between threat elements of upper and lower layers, two kinds of aggregation models are given. The aggregation models are used to analyze the relationship among the elements selected, and the threat assessment model of high-orbit early warning satellites is obtained. Finally, it confirms the feasibility and practicality of the assessment method by an example.

Key words:early warning satellite; operational process; threat assessment; evaluation function; aggregation model

中圖分類號:E84

文獻標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.014

作者簡介：張安理(1979-),男,山西夏縣人，碩士,工程師,研究方向為預(yù)警衛(wèi)星威脅評估。

收稿日期：2016-01-11

文章編號：1673-3819(2016)02-0066-06

修回日期： 2016-01-31

李智(1973-),男,博士,教授。

馮飛(1990-),男,碩士。