基于聚合模型的高轨预警卫星威胁评估

张安理,李　智,冯　飞

(装备学院,北京　101416)



基于聚合模型的高轨预警卫星威胁评估

张安理,李智,冯飞

(装备学院,北京101416)

摘要:高轨预警卫星威胁评估是导弹作战指挥辅助决策的重要环节,可以为指挥员的太空目标选择提供依据。在分析其威胁要素特征的基础上,提出了采用“聚合模型”开展威胁评估的方法,并给出了威胁评估步骤。通过分析美国高轨预警卫星的工作模式及作战流程,选取了扫描探测、凝视跟踪及外部等三个方面的关键性威胁要素,并构建了各要素的评价函数模型。基于上下层威胁要素之间关系的不同,给出了两种不同的聚合模型,采用该模型分析了所选要素之间的聚合关系,得到了高轨预警卫星威胁评估模型。最后通过实例计算,验证了该评估方法的可行性和实用性。

关键词:预警卫星;作战流程;威胁评估;评价函数;聚合模型

高轨预警卫星利用监视区域大的优势探测跟踪弹道导弹助推段,处于反导作战信息链的顶端,严重影响导弹突防能力,因此对其开展威胁评估和排序,可以为太空中重点目标的选择提供依据,进而提高战场指挥辅助决策效率,同时也可为开展它类卫星威胁评估提供借鉴,为我国预警卫星的发展与建设提供技术支持,具有重要的军事价值。

虽然威胁评估可追溯至20世纪80年代,且目前已拓展至电子侦察、防空反导、网络安全等领域,但在太空作战领域内还鲜有研究,如文献[1]等对太空战场威胁进行过研究,文献[2-3]等对光学成像侦察卫星威胁评估进行过探索。对于隶属于确定性评估范畴的预警卫星评估,目前多侧重于卫星效能评估,即将卫星的各种能力进行聚合,而结合导弹作战背景,从“威胁”的角度评估尚不多见,比较典型的评估方法主要有性能参数法、解析法、多指标综合法等。

1威胁评估步骤描述

高轨预警卫星包括地球静止轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)和大椭圆轨道(Highly Elliptical Orbit,HEO)两种轨道类型卫星,它集探测发现、目标识别、跟踪定位、预估引导等多种功能于一身,采用解析法描述往往不够精确。其中,GEO卫星相对地面静止,监视相应热点区域;HEO卫星远地点在北半球,主要用于俄罗斯等高纬度国家导弹的探测预警,即高轨预警卫星主要功能为探测发现导弹目标,侧重于对某个特定区域内的威胁,其威胁要素多呈现为“状态性”特征,因而,本文中采用“聚合模型”来开展高轨预警卫星威胁评估。

在深入分析高轨预警卫星作战流程的基础上,选取威胁评估时所用到的关键性威胁要素,然后构建各威胁要素评价函数模型,并采用软件仿真、模型计算或者直接赋值法来获取各威胁要素输入值,接着确定各威胁要素权重,最后采用聚合模型开展预警卫星威胁评估。高轨预警卫星威胁评估步骤如图1所示。

图1　高轨预警卫星威胁评估步骤

2威胁评估要素构建

2.1作战流程分析

高轨预警卫星通过探测助推段导弹发动机的喷焰来判断导弹发射状况,并依据卫星探测信息反推出导弹相关参数,其红外探测器采用“扫描+凝视”的双探测器工作模式,具体作战流程为:① 平时,预警卫星扫描探测器对威胁区域机械式不间断地搜索红外辐射,以监视敌方导弹发射状况;② 导弹点火起飞后,首先由扫描探测器探测到红外热源,发现可疑目标,并测量出方位、俯仰角、速度以及加速度等数据,然后对采集到的目标数据进行预处理,并将卫星数据加密和缩减后通过星地下行链路传递给卫星地面站;③ 地面人员结合卫星上可见光电视摄像系统进行虚警判别,若确认了可疑目标是来袭导弹,则调用凝视探测器精确跟踪导弹目标;④ 精确跟踪的同时,地面站将接收到的卫星数据传输给任务控制站进行弹道预报,并为X波段雷达等提供引导数据。高轨预警卫星作战流程如图2所示。

图2　高轨预警卫星作战流程图

2.2威胁要素选取

由作战流程可以看出,高轨预警卫星探测导弹助推段可分为扫描探测和凝视跟踪两部分。其中,扫描探测的最终目的是为了获取尽可能长的预警时间,并向凝视探测器提供指引信息,它主要取决于两个方面的要素：一是首次发现目标时刻；二是探测方面要素,如探测次数、单次探测概率、探测精度等。在凝视跟踪阶段,可以选用的要素包括凝视弧段、跟踪精度、关机点测量精度等威胁要素,如图3所示。

从导弹作战、易于测量以及重要性等方面考虑,本文将探测次数与单次探测概率采用探测概率来分析;探测精度、跟踪精度本文不再考虑;另外,国际环境也是必须考虑的要素之一。

2.2.1扫描探测阶段Jscan要素分析

1)首次发现目标时刻

首次发现目标时刻是指预警卫星探测弹道导弹时,导弹目标红外辐射强度首次不为0时所对应的导弹飞行时刻。若首次发现目标时刻越早,则告警时间就越小,预警卫星对导弹的威胁就越大,它主要与导弹和卫星之间的空间几何、卫星扫描周期以及扫描时机等因素密切相关。

2)探测概率

探测概率是指在满足特定虚警概率的条件下,预警卫星能够检测出特定距离上目标的可能性大小[4]。单次扫描探测概率则是指预警卫星对空中飞行的目标扫描一次,能够探测到目标的可能性。

从文献[5-6]所给出的探测概率计算过程可以看出,探测概率与三方面因素有关:① 红外探测器以及导弹性能,例如探测器光学系统面积与透过率、总视场、扫描频率,虚警概率;导弹火焰辐射强度等,对于特定的卫星系统以及导弹来说,这些均为恒定的;② 外部自然环境,例如大气透过率等,这些则存有不可预测性和模糊性,只能进行定性处理;③ 状态指标,例如探测器与导弹的空间距离等,相对距离越小,探测概率则越来越大。

探测概率是扫描探测阶段极其重要的威胁要素之一,是预警卫星系统工作的前提与基础,探测概率越大,预警卫星的威胁就越大。

2.2.2凝视跟踪阶段Jstare要素分析

1)凝视弧段

凝视弧段主要是指预警卫星凝视探测器跟踪飞行中的弹道导弹时所能凝视的时间弧段,其主要与探测器的视场、类型、作用距离、空间几何等因素相关。对于特定导弹弹道来说,如果凝视弧段越长,则预警卫星用于概略引导的预报信息误差就越小,预警卫星的威胁就越大。

2)关机点测量精度

导弹中段飞行弹道完全由助推段关机点的状态决定[7],换言之,导弹关机点状态就大体上决定了导弹后续椭圆弹道的飞行状态。预警卫星利用凝视探测器对关机点进行测量,其测量精度会直接影响到卫星对导弹的定位误差,进而影响到卫星对弹道导弹的预报能力,关机点测量的越准,预警卫星得威胁就越大。

2.2.3外部Jwb要素分析

国际环境是指为确保太空战略安全由国际法构成的国际太空安全战略格局[8],如《外空条约》、《责任公约》、《部分禁止条约》以及具有国际性质的空间法、世界各国的航天政策白皮书、航天合作指南等法律法规、作战条令等均会对预警卫星监视探测目标带来软性限制与影响。鉴于此,本文将国际环境作为预警卫星威胁评估的要素之一。

国际环境要素属于定性要素,即要素不能通过确切具体的量值来描述,而只能表示一种顺序与等级。这类要素在开展评估时必须将其量化。国际环境越有利于预警卫星探测监视对方目标,预警卫星的威胁就越大。

2.3要素评价函数模型构建

1)探测概率评价函数Pscan

高轨预警卫星扫描探测器周期性机械式地扫描目标,并将测量信息传给地面人员确认,本文假设扫描a次后交给地面人员确认可疑目标,目标确认后由地面操作人员启动凝视探测器继续跟踪导弹目标。这里假设第i次扫描的单次探测概率为pi,则扫描探测器在扫描探测阶段对弹道导弹的探测概率为

由于探测概率pscan∈[0,1],因此开展评估时,本文直接采用探测概率作为输入值,即Pscan=pscan。

2)首次发现目标时刻评价函数Td

3)凝视弧段评价函数N

由高轨预警卫星作战流程可知,其扫描探测器扫描a次后,传输至地面并由地面人工通过可见光摄像机确认可疑目标是否为导弹,若是导弹目标,再启动凝视探测器跟踪目标。忽略信息传输时延,并假设人工确认时间为tconfirm,则凝视相机跟踪起始时间为:t3=Tscan·a+tconfirm,式中,Tscan为扫描相机周期。

假设利用STK软件仿真高轨预警卫星凝视探测器在[t1,t2]时间弧段内能够实现导弹覆盖,导弹助推段飞行时间为tinitial,那么凝视弧段nstare则为

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

N=1-e-nstare/50

4)关机点测量精度评价函数Rc

预警卫星关机点测量精度采用分段函数来表示,当STK软件仿真的高轨预警卫星弧段覆盖结束时刻t2在导弹关机点时刻tinitial之后时,关机点测量精度评价函数Rc输入值为1;当t2在tinitial之前时, Rc输入值为0。评价函数Rc模型可以表示为

5)国际环境评价函数Es

国际环境属于定性要素,其描述可以分为环境有利(即盟友与国际社会支持)、环境均势(即其余国家处于中立)、不利(即没有获得国际社会支持)和无(即不存在对抗环境)四个等级,即e={有利，均势，不利，无}。国际环境评价函数Es可以采用分段线性函数来描述。

3预警卫星威胁评估聚合模型

对影响预警卫星威胁度大小的各威胁要素进行聚合时,通常有以下两种聚合模型[10]。

1)加权积模型(幂函数法)

如果上下层要素关系相当密切,任何下层要素性能很差都会影响上层要素,都是不可或缺的,这类关系一般采用非线性加权模型进行指标聚合,即

2) 加权和模型

如果下层要素与上层要素具有一定关系,但并非缺一不可,下层要素以不同的权重合作(互补)聚合到上层要素,换言之,即使某一下层要素很差也不会导致上层很差,对于这类关系一般采用线性加权模型来进行指标融合，即

聚合模型中,y为上层要素,xi为构成这一要素的下层要素,wi为第i个下层要素的权重系数。

高轨预警卫星威胁评估中的上层要素与下层要素之间关系可能密切,也可能影响不大,因此在评估聚合时要灵活运用两种模式。在模型聚合时,扫描探测Jscan、凝视跟踪Jstare以及外部Jwb之间关系并非特别密切,本文采用加权和聚合模型;探测概率Pscan、首次发现目标时刻Td之间,以及凝视弧段N、关机点测量精度Rc之间任一之间很差均会影响上层要素,且都是缺一不可的,因此本文采用加权积聚合模型。即高轨预警卫星威胁度Tg为

Tg=Jscan·w1+Jstare·w2+Jwb·w3

4应用举例

本文以一枚发射时间为2020年4月1日05:01:00,发射点经度120.216°、纬度29.26°;落点经度127.748°、纬度26.2708°、飞行高度653km、关机点为94s的弹道导弹以及美国HEO1、HEO2预警卫星探测我方导弹为例开展威胁评估。

4.1HEO预警卫星对弹道导弹的覆盖弧段仿真

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

Graphics,Inc.(AGI)公司开发的分析软件,可快速准确分析预警卫星及弹道导弹等对象的定位和交互任务,并提供图表及文本形式的分析结果。

STK仿真覆盖弧段具体步骤为:① 在STK中创建场景,建立高轨预警卫星对象,并设置预警卫星的扫描探测器及凝视探测器的视场、指向类型、旋转速率、圆锥角、最大探测距离等相关参数;② 创建弹道导弹对象,设置导弹的发射点、落点、起飞时间、最大飞行高度等参数;③ 建立HEO1、HEO2卫星与导弹的chain连接;④ 仿真预警卫星对弹道导弹的覆盖弧段。其中,HEO1扫描覆盖仿真如图4所示。

图4　HEO1扫描覆盖仿真

通过STK仿真数据可看出,HEO1卫星的首次发现目标时刻为05:01:14.045,假设从第a=5次扫描结束时刻(05:01:18.251)开始,传给地面人员确认“可疑目标”,确认时间tconfirm=5s,并忽略凝视探测器启动时间,因此其跟踪起始时间为t3为05:01:23.251。

由STK仿真可得,HEO1卫星凝视探测器的凝视弧段为05:01:13.444至05:13:56.350,凝视弧段仿真如图5所示。

图5　HEO1凝视弧段仿真

HEO2预警卫星的仿真过程类似,由此可得到在该弹道导弹飞行过程中,HEO1、HEO2预警卫星的覆盖状况及威胁要素如表1所示。

表1　HEO卫星覆盖状况及评估要素估算

注：HEO1、HEO2预警卫星凝视探测器的STK仿真弧段结束时刻均超过关机点。

4.2各要素输入值获取

预警卫星对导弹的单次探测概率数值会随着导弹火焰辐射强度的变化而变化,计算过程比较繁杂,且目前已经有多个文献对其开展了研究,如参考文献[2]、[12]等,本文假设HEO高轨预警卫星对弹道导弹的单次扫描探测概率如表2所示。由此通过所构建的评价函数模型便可得到HEO1、HEO2预警卫星各威胁要素的评价函数值如表3所示。

表2　HEO高轨预警卫星对弹道导弹的单次扫描探测概率

表3　HEO预警卫星威胁要素评价函数值

注：假设当时国际环境为均势。

4.3权重确定

考虑到各威胁要素的影响以及地位不同,在开展高轨预警卫星威胁评估时,就必须为各威胁要素赋予不同的权重,本文依据单向链法[13]确定的高轨预警卫星威胁要素权重如表4所示。

表4　高轨预警卫星威胁要素权重

由此可得到HEO1、HEO2预警卫星的威胁度以及各威胁要素值如图6所示。

图6　HEO1、HEO2卫星威胁度及各要素对比图

由图6可以看出,在此枚导弹飞行过程中,HEO1卫星比HEO2卫星的威胁度要小(HEO1为0.9022,HEO2为0.9158)。从各威胁要素来看,关机点测量精度Rc极强,HEO1与HEO2卫星的要素评价函数值均达到1,这主要源于HEO卫星能够覆盖导弹关机点,且采用凝视探测器测量关机点的缘故;考虑到两颗卫星的同等战略地位,本文假设国际环境均为环境均势,即Es=0.7。HEO1威胁度小于HEO2的原因主要来自于探测概率Pscan、首次发现目标时刻Td以及凝视弧段N等要素,尤其是后两者相差较大。HEO1与导弹间的空间距离相较HEO2要大,探测概率较小,且由于空间几何关系的缘故,造成HEO1首次发现目标较迟,并产生连锁反应,导致HEO1对导弹的凝视弧段也较HEO2短,从而造成HEO1卫星威胁度小。不过从总体来看,虽然Td与N相差较大,但权重相对较小,因此HEO1与HEO2之间的威胁度相差并不大。

通过实例分析可知,所选取的威胁要素涵盖了预警卫星、对抗环境及导弹状况等各个方面,构建的评价函数模型能够较为准确地反映各威胁要素对预警卫星威胁度的影响,聚合模型考虑了各上下层要素的关系及其权重,评估结果表明该评估方法能够有效合理地实现高轨预警卫星威胁评估并进行排序。

5结束语

本文在分析美国高轨预警卫星工作模式和作战流程的基础上,从探测概率、首次发现目标时刻、凝视弧段、关机点测量精度和威胁环境等方面分析和提取了预警卫星的威胁要素,并构建了要素评价函数模型。提出应用上下层要素之间的不同聚合关系,得到高轨预警卫星威胁评估聚合模型,并通过实例验证了该评估方法的合理性和可行性。

考虑到高轨预警卫星技术含量极高,且威胁度评估本身就具有模糊性、繁杂性及现实性的特征,因而在威胁要素选取,评价函数模型改进及细化等方面可进一步开展研究。

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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

中图分类号:E84

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.014

作者简介：张安理(1979-),男,山西夏县人，硕士,工程师,研究方向为预警卫星威胁评估。

收稿日期：2016-01-11

文章编号：1673-3819(2016)02-0066-06

修回日期： 2016-01-31

李智(1973-),男,博士,教授。

冯飞(1990-),男,硕士。