空间信息系统在弹道导弹防御中的效能评估框架

2011-08-27黄小钰

电光与控制 2011年11期

黄小钰，李智

(装备指挥技术学院，a.研究生管理大队; b.重点实验室，北京 101416)

0 引言

空间信息系统是由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，通过互联、互通和信息交换，构成的智能化综合信息系统［1］。其中，预警卫星系统是导弹防御中重要的组成部分，导航卫星系统、通信卫星系统可分别为导弹防御提供位置速度信息以及信息传输支持。对空间信息系统在导弹防御中的效能进行评估不仅有助于理解现有空间信息系统对导弹防御的支持作用，而且可为未来空间信息系统的建设发展提供借鉴。

目前，在空间信息系统效能评估中大多应用一般系统的指标综合方法，如云重心法［2］、模糊理论方法［3］、网络层次分析法［4］、粗糙集方法［5］以及 ADC 模型法［6］等，这些方法都侧重于对系统效能指标的综合，是基于还原论思想的方法，对于评估结果的解释不深入。由于空间信息系统以及导弹防御系统都是复杂的系统工程，在对空间信息系统的效能进行评估时，必须要考虑系统的复杂性和整体性，现有基于还原论的系统效能评估和仿真方法都难以胜任。本文基于系统学理论，利用自顶向下分析和自底向上综合相结合的方式建立了空间信息系统在导弹防御中的效能评估框架，通过建立系统学模型对系统的整体性进行分析，应用基于Agent的建模与仿真方法对系统的复杂性进行建模和仿真，实现系统要素的综合集成。通过本文的效能评估框架，最终建立空间信息系统的结构和参数与系统效能之间的联系。

1 空间信息系统在导弹防御中的效能评估框架

导弹防御系统是一个综合复杂性的系统工程，其中的组成部分大体可以分为目标探测、跟踪、识别系统、作战管理/指挥、控制、通信(BM/C3)系统以及拦截弹［7－8］。导弹防御是由分布在空间中不同位置的各个分系统相互协同、相互作用的结果。分系统类型多，空间分布广，相互之间关系复杂。

根据现有文献资料，系统的效能一般都与特定任务背景联系在一起［9］。在本文中，空间信息系统的任务背景是导弹防御，空间信息系统中的预警卫星系统、导航卫星系统以及通信卫星系统分别为导弹防御提供预警信息，为拦截弹提供位置和速度信息，为信息传输提供支持。空间信息系统在导弹防御中的效能不仅取决于本身的性能，也取决于系统中其他组成部分的性能［10］。由于导弹防御是参与其中各个系统的综合作用的结果，空间信息系统对导弹防御的贡献很难区分，本文将导弹防御系统整体作为研究对象，对其进行建模和仿真试验，在多批次的仿真试验中，将空间信息系统配置以各种不同的结构和参数，同时，“冻结”其他系统的配置，分析整个系统效能的变化情况，由此可获得整个系统效能对空间信息系统的敏感性分析结果，即空间信息系统对整个系统效能的影响和贡献［11］。传统的效能评估方法都着重于建立系统效能评估完整的指标体系，然后将各种指标进行主观或客观的加权综合，得到一个效能评估值，这个效能值可用于对各种系统方案的一个优劣排序，但对于评估结果的解释，即优劣的具体原因是什么研究得不深入。所以在本文的效能评估框架中，着重关注效能值对系统优劣的解释问题，选择拦截概率作为效能指标。评估框架主要包括整体性分析、综合集成以及结果分析3个部分，建立的效能评估框架如图1所示。

本文通过建立系统学模型确定导弹防御的要素集和关系集，明确导弹防御的系统构成以及体系结构。应用基于Agent的建模与仿真方法建立系统要素的Agent模型，利用要素之间的关系集，建立Agent模型的规则集。利用所建立的模型进行多次仿真，通过改变空间信息系统的结构和参数，得到拦截概率对空间信息系统的敏感性分析结果。这个结果即可说明空间信息系统对导弹防御整体效能的贡献量。由于篇幅限制，在整体性分析中，仅对导弹防御中的空间信息系统要素及与之相关的关系进行分析。在综合集成中，仅对空间信息系统Agent的模型结构、相互之间的关系及其行为规则进行分析。

图1 空间信息系统在导弹防御中的效能评估框架Fig.1 Effectiveness evaluation framework of space information system in BMD

2 系统学模型

对空间信息系统的效能进行评估，需要从导弹防御系统这个更大的系统中分析空间信息系统的属性和行为。把握系统的整体性，需要由上而下对导弹防御系统进行分析，明确系统的构成要素以及各个要素之间的关系。

本文借鉴马霭乃教授研究地理系统工程的思路［12］，建立导弹防御系统的系统学模型，其形式为

式中各参量解释如下。

1)BMDS表示导弹防御系统整体。

2){Ii}表示导弹防御中的要素集，Ii表示系统的要素或子系统。各子系统内部通常还可以划分为多个层次。根据问题分析的需要，可以选择合适的分辨率，确定相应的子系统。

3){Ri}表示导弹防御中各个要素或子系统之间的关系集。

4)s表示空间。空间是系统学模型中必不可少的组成部分，系统在空间呈一定的分布状态。

5)t表示时间。导弹防御中各个系统的状态是随时间变化的，不同时刻的系统状态还可能存在时间相关性。

6)SE表示空间环境，空间环境不仅给系统带来时间和空间上的限制，还是不确定性的重要来源，对系统效能的发挥产生影响。

7)TM表示敌方发射的导弹(目标弹)，一般可用发射点的地理经度和纬度、发射方位角以及主动段最大程序攻角表示。

8)f()表示系统的整体框架，反映了导弹防御的系统整体与部分之间的关系，要对空间信息系统的效能进行评估，既要考虑导弹防御的系统整体效能，又要在微观上考虑系统的要素集和关系集，因为系统的整体效能是各个要素或子系统相互作用的涌现效果。

所以对空间信息系统在导弹防御中的效能进行评估，确定系统的要素集和关系集至关重要。

2.1 要素集

依据前面建立的导弹防御系统的系统学模型，要素集是系统的要素或子系统的集合。由导弹防御过程［13］可知，导弹防御中的要素包括拦截弹IM、预警卫星系统ESS、通信卫星系统CSS、导航卫星系统NSS、预警雷达系统ERS以及精密跟踪雷达系统TRS。下面主要对导航卫星系统、通信卫星系统以及预警卫星系统这3个要素的属性进行描述。

1)预警卫星系统。

预警卫星系统为导弹防御系统提供早期预警，尤其当敌方发射远程导弹时，预警卫星系统可以较早发现目标并大大提高预警时间，同时为预警雷达和精密跟踪雷达提供探测和跟踪引导信息。预警卫星系统ESS可以表示为

式中:SC(ESS)表示预警卫星系统的卫星结构模式，包括单星模式和星座模式，其中单星模式主要是指预警卫星之间没有信息的跟踪传递行为，如DSP卫星;星座模式则是指卫星与卫星之间存在信息的跟踪传递，如SBIRS系统的高轨卫星之间，低轨卫星之间以及高轨卫星与低轨卫星之间存在的信息跟踪和传递;{Oi}表示所有卫星的轨道参数集合，包括轨道半长轴、偏心率、倾角、近地点辐角、升交点赤经以及过近地点时刻;{di}表示星载探测器的参数集合。

2)导航卫星系统。

导航卫星系统在导弹防御中主要是为拦截弹提供自身的位置和速度信息，从而为导弹的制导提供支持。导航卫星系统NSS可表示为

式中:{Om}表示导航卫星系统的轨道参数集合，其中的参数与预警卫星相同;α0表示卫星的天线波束宽度。对于导航卫星系统，如果星座是walker构型，则可表示为

式中:h表示卫星的轨道高度;α0表示卫星天线的波束宽度;N表示空间星座中的卫星数目;P表示空间星座的轨道平面数;F表示空间星座的相位因子;β表示轨道面的倾角;Ω表示第一个轨道面的升交点赤经。

3)通信卫星系统。

通信卫星系统主要为导弹防御提供信息传输支持，通信卫星系统CSS可表示为

式中:SC(CSS)表示卫星结构模型，包括单星模式、中继星模式、星座模式、网络模式等;{Oj}表示卫星的轨道参数集合;{Tj}表示卫星天线的参数集合，包括天线的发射功率和指向;RP表示通信卫星系统所采用的路由协议。

2.2 关系集

在导弹防御过程中，要素之间产生的关系主要有:目标弹与预警卫星系统的关系RTM-ESS;导航卫星系统与拦截弹的关系RIM-NSS;目标弹与预警雷达系统的关系RTM-ERS;目标弹与精密跟踪雷达系统的关系RTM-TRS;拦截弹与目标弹的关系RIM-TM以及通信卫星系统与其他要素间的关系RCSS。下面主要对空间信息系统涉及的关系进行描述。

1)目标弹与预警卫星系统的关系。

目标弹与预警卫星i之间的关系RTM-ES(i)可表示为

式中:Θ(i)，A0(i)分别表示导弹相对于预警卫星的高低角和方位角。导弹与预警卫星系统之间的关系RTM-ESS可表示为

式中:{RTM-ES(i)}表示所有预警卫星与目标弹之间的关系集合;m表示预警卫星系统中可以同时探测跟踪到目标弹的卫星数目。

2)导航卫星系统与拦截弹的关系。

导航卫星系统与拦截弹之间的关系RIM-NSS可表示为

式中:GDOP(t)表示在某一时刻t，导航卫星系统相对于拦截弹的几何构图。

3)通信卫星系统与其他要素间的关系。

只有当通信卫星系统为要素之间的信息传输提供支持时，才存在通信卫星系统与其他要素间的关系RCSS，可表示为

式中，τ表示要素通过通信卫星系统传输信息过程中的时间延迟。

结合以上的分析结果，导弹防御的系统学模型可进一步具体化为

3 空间信息系统的Agent模型

基于Agent的建模与仿真是一种自底向上的建模方法，适用于由分布式实体组成的复杂系统。这种方法通过将系统以及环境中的实体抽象成具有反应性和主动性的Agent，再用合适的多Agent体系结构来组装这些Agent，从而建立整个系统的仿真模型。通过刻画微观实体的行为以及实体之间的交互，实现对系统整体行为的模拟。基于Agent的建模与仿真方法旨在解释规律性，所建模型的意义在于借助公式或参数的选择来理解和解释宏观涌现规律［14］。由于导弹防御系统是一个复杂的系统工程，所以选择基于Agent的建模与仿真方法来构建系统要素的Agent模型。需要指出的是，BM/C3系统在导弹防御中的主要作用是信息分发、信息融合和决策，为了更好体现空间信息系统对导弹防御的支持作用，本文不考虑BM/C3系统的决策能力对拦截概率的影响。前面的要素集中没有包含BM/C3系统是为了在这里应用基于Agent的建模与仿真方法，将BM/C3系统的信息分发与信息融合能力融入到系统模型定义的各个要素中。各个要素Agent之间的信息分发采用广播形式，每个Agent只接收自己感兴趣的信息并进行信息融合，同时将自身的相关信息向其他Agent广播。这样各个要素的Agent模型就具有了一定的智能性，从而更能体现要素之间的交互作用，便于对系统的复杂性进行仿真。

图2 空间信息系统Agent的模型结构及相互关系Fig.2 The model structures of space information system Agent and their interrelations

依据2.1节中定义的要素集，可以对各个要素分别建立Agent模型。各个Agent模型的基本属性由要素的属性决定。所有Agent模型中都包括感知单元和通信单元，Agent通过感知单元实现对环境和目标的探测和测量，通过通信单元实现与其他Agent之间的通信。

图2显示了空间信息系统Agent的模型结构以及与其他Agent的信息交互关系。图2中没有将通信卫星系统Agent与其他Agent的关系表示出来，因为只有当需要通信的两个要素之间不满足直接通信条件时，才会通过通信卫星系统Agent来实现信息传输，所以通信卫星系统Agent隐含在其他要素的通信过程中。通信卫星系统Agent的模型结构如图3所示。在空间信息系统Agent的模型结构中，参数估计单元、路由规划单元以及定位测速单元都体现了各个Agent的智能性。这些单元通过感知外界信息，利用已有的知识(包括知识库和卫星星历)以及自身的状态信息(由卫星系统基本属性决定)融合产生新的信息。

图3 通信卫星系统Agent的模型结构Fig.3 The model structure of communication satellite system Agent

4 空间信息系统Agent的行为规则

在建立空间信息系统Agent的过程中，关键的一步是确定Agent的行为规则。从系统整体的角度看，空间信息系统Agent的行为规则由自身的功能决定。在确定行为规则的过程中需要注意以下3点。

1)行为规则的复杂度。

由于导弹防御是各种Agent相互作用的结果，如果空间信息系统Agent的行为规则过于复杂，则可能因计算机能力的限制使得仿真运行变得不可行。所以在建模中，Agent的行为规则描述很重要。在本文框架下，空间信息系统Agent的每条行为规则可描述成条件/动作的形式:IF＜condition＞THEN ＜do＞。

条件部分是Agent的感知信息，动作部分可以是一个简单的输出参量，如预警卫星系统Agent输出目标弹的概略位置和速度信息。也可以是一个规划结果，如通信卫星系统Agent输出路由规划结果。除此之外，在提取空间信息系统Agent的行为规则过程中，为避免过于复杂的规则，只考虑空间信息系统影响导弹防御的主要因素:时间和精度。

2)整体规则。

基于Agent的空间信息系统建模，一般都以单颗卫星作为Agent个体来建模［15］。对于性能分析问题，所建立的卫星Agent实质上是计算实体，对卫星的行为规则都很少研究。本文所建立的空间信息系统Agent模型主要用于性能分析，整体规则是导航卫星系统Agent、通信卫星系统Agent以及预警卫星系统Agent在观测环境和目标不同情况下，所遵循的系统性能变化规律。整体规则可基于系统的整体能力建立。

3)行为规则的验证。

现有基于Agent的卫星建模与仿真大多利用VC等开发平台实现［16］，因为目前基于Agent的主流仿真软件，包括 Witness、Emplant、Extend、Arena、Anylogic 等都无法直接应用于卫星Agent的仿真，这主要是由于所建立的Agent模型中对规则的研究较少。如果根据不同卫星系统的功能建立符合系统整体的规则，就可直接利用现有基于Agent的仿真软件对行为规则进行修改和验证，最终建立符合系统实际的规则集合。

5 结束语

本文基于系统学理论提出了空间信息系统在导弹防御中的效能评估框架。通过建立系统学模型对导弹防御系统进行整体性分析，确定系统的要素集和关系集，利用基于Agent的建模与仿真方法对系统要素进行综合集成。所提出的效能评估框架能较好地体现导弹防御系统和空间信息系统的整体性和复杂性，通过本文的评估框架，能够建立空间信息系统的结构和参数与导弹防御效能(拦截概率)之间的联系，所得到的评估结果能很好地解释系统效能优劣的原因。

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