基于动态优先级的空间信息需求响应过程建模与仿真*

鲁 赢，赵 云，李翼鹏，蔡伟伟，苏 昂

（1.国防科技大学指挥军官基础教育学院，长沙 410073；2国防科技大学科研部；长沙 410073）

0 引言

空间信息支援已经成为信息化条件下作战体系中不可或缺的重要组成部分[1]。空间信息支援的本质，是通过构建一定的需求响应体系，打通空间机构与作战部队之间的联系，输出空间信息资源和空间装备的信息支援能力、满足部队的信息需求。研究联合作战环境下空间信息支援行动的基础，是对空间信息需求响应的过程进行建模和仿真，可以为分析联合作战中的空间信息支援方式、构建合理的空间信息支援体系、并进行空间信息需求响应任务合理规划，提供有力的支撑。

当前，针对空间信息支援[2]和特定作战样式下的空间信息需求分析[3-5]有了一些研究成果，文献[6-7]分别针对空间信息支援能力量化和空间信息支援力量体系结构进行了研究。但是，对于联合作战中的空间信息需求响应过程尚缺乏总体建模仿真研究。因此，通过本文的研究，可以为空间信息支援体系的构建、需求响应任务的规划等，提供一些基础。

1 空间信息需求响应体系

空间力量，主要包括各种“空间与地面系统装备、设施、机构和人员等”[8]，主要“为全军提供准确高效可靠的信息支撑和战略支援保障”[9]。空间力量在联合作战中的信息支援运用，主要通过发挥空间装备的信息支援能力、满足部队机构提出的空间信息需求来实现。

联合战场环境下，空间装备具备针对一定区域、在一定时间范围内提供特定参数特征空间信息支援的能力（以下简称空间能力）；联合作战部队机构（以下简称部队机构）、空间机构在日常的空间信息处理过程中，均积累有一定的空间信息资源（如卫星图像数据等，简称为空间资源），可以满足一部分空间信息需求；部队机构为满足作战需要，会从实际出发提出一定的空间信息支援类型、覆盖范围、持续时间等方面[10]的具体指标要求，称之为空间信息需求（以下简称空间需求）。

因此，空间需求、部队机构、空间机构、空间资源、空间装备、空间能力，以及相互之间的关系，就构成了联合作战环境下的整个空间信息需求响应体系。其中，部队机构相互之间、空间机构相互之间因编制编成关系存在着上下级的指挥关系；空间机构与空间装备之间存在着一定的控制关系；空间机构对联合作战部队、指挥机构之间，存在着信息支援关系，与地方空间机构之间还可依机制建立能力协调关系；同时，空间能力与空间装备之间、空间需求与联合作战部队之间、空间资源与各机构之间，还存在着隐性的依附关系。因此，联合作战中的空间信息需求响应体系，实际上就是由以上机构、及其关系所组成的空间信息需求响应体系结构网络。

图1 空间信息需求响应体系图

2 空间信息需求响应流程分析

联合作战行动中的空间信息需求响应，是经过一定响应流程、遵循一定响应规则的信息处理过程。其基本流程为：

1）情报人员或空间专业人员，在协同联合作战计划制定的过程中，从关键信息需求中萃取出空间信息需求；

2）本级部队机构根据需求的内容和重要度，进行筛选和排序，定义需求重要等级；

3）本级机构对每项需求根据自身拥有空间资源情况进行满足比对。如果可以满足，则整理资源、满足需求；如果不能满足，则根据需求响应关系上报给上级部队机构或空间机构（在与空间机构建立支援关系的情况下，优先提报给空间机构）；

4）上级部队机构在接收、汇总下级所提报的空间需求后，与自身萃取的需求进行汇总，根据所提报机构和需求的重要度重新进行排序，形成带响应优先级的需求处理清单，并针对每项所需响应的需求，重复3）步骤进行资源比对与需求处理；

5）空间机构在汇总部队或下级机构上报的空间需求后，根据需求重要度重新进行排序，形成需求处理清单，按照响应优先级比对空间资源、协调空间装备能力或地方空间机构资源，响应每项所需处理的空间需求；

6）重复4）、5）步骤，各个机构根据规则汇总需求、筛选排序形成需求处理清单、进行资源比对并响应需求，直至没有响应机构或所有空间需求均已处理完毕为止。

空间需求的响应基本流程如下页图2所示。

3 空间信息需求响应过程建模

在以上响应流程的基础上，为完整描述联合作战中空间信息需求响应的过程，分别从需求响应过程各要素方面进行建模，具体内容如下：

3.1 需求描述和满足判断

图2 联合作战中空间信息需求响应流程

空间需求的描述，主要包括信息资源类型、覆盖范围、有效持续时间等方面的指标要求[11]。由于实际环境中的空间装备在太空中周期运行，其信息获取能力一般取决于其轨道根数[12]、载荷特征（如载荷开关机时间、侧视角、幅宽等）等。因此，空间装备针对特定区域、特定时间范围，可提供的信息支援能力，可以等价于通过以上参数计算得到的预期可获得空间资源情况。

空间需求可以描述为以下多元组：

其中，di为空间需求描述向量，Ni为需求名称标识，Si为信息类型需求（比如可见光成像卫星图片需求等），Pi为信息资源特征参数需求（比如分辨率＜5 m等），Ti为信息有效时间区间需求，Ai为信息覆盖区域需求，Gi为需求重要度定义，gen_ti为需求产生时间，等等。

从满足空间需求的角度，空间资源和空间能力（表现为底层空间机构所能输出的空间资源情况）也可描述为以下多元组：

其中，ej表示空间资源、空间能力描述向量，N'j为名称标识，S'j为所能提供的信息支援类型，P'j为信息特征参数，T'j为有效时间区间，A'j为覆盖区域，等等。

通过对比空间需求、空间资源、空间能力的一致性可比指标，可以得到空间需求能否被响应机构满足的判断方法。假设判断空间需求能否得到满足的可比性指标为，如果存在（E为需求响应体系中某个机构拥有的总体资源或能力），有，且时，则记该需求di能够得到E满足，否则为不满足。且标记：

3.2 部队机构

部队机构是指执行联合作战任务的具体部队单位或作战机构，是空间需求产生的主要来源。每一个部队机构的基本属性包括：

1）部队机构序号：Bi；

2）部队机构Bi上层指挥机构UBi，下层隶属机构集。式中，表示下级隶属机构序号，NDBi表示下级隶属机构数量。且有，其中，NB为需求响应体系中部队机构的总数量；

7）部队机构并行工作席位：NTBi，表示可并行处理空间需求的席位数量；

8）部队机构在整个联合作战行动中承担任务的重要度：ξBi用来表征部队机构在联合作战行动中的重要程度，此作为判断其产生需求对联合作战行动总体影响的依据。

3.3 空间机构

空间机构是指从事空间信息资源处理、分发的空间力量专业机构，主要职责在于维控运管空间装备、响应部队或机构提出的空间需求，是空间资源输出的主体，包括军队空间机构和地方空间机构。空间装备的能力可以表现为通过底层空间机构可供输出的空间资源。

每一个空间机构描述如下：

1）空间机构序号：Ki；

2）机构的上级指挥机构UKi，下级隶属机构集。式中，表示下级隶属机构序号，NDKi表示下级隶属机构数量。且有，其中，NK为需求响应体系中空间机构的总数量；

6）机构拥有的并行工作席位：NTKi，表示可并行处理空间需求的席位数量。

3.4 机构之间关系

空间需求响应体系各机构之间的关系，可以用有向图的邻接矩阵进行表示。

3.5 需求动态优先级

某时刻空间需求在某个机构中的响应优先级，取决于其综合影响效益（可以表示为需求提报重要度及其提报机构重要度的乘积）。由于空间需求的响应处理是根据时间推进不断变化的，因此，某时刻、某需求在某个机构中的处理优先级是动态变化的。

3.6 响应机构迁移

空间需求响应机构的迁移，按照机构间的关系指向和响应规则推进。某时刻空间需求所在的响应机构序号为，则根据需求响应规则定义其下一步的响应机构序号为：

在信息化作战条件下，考虑到空间信息资源的分发、传递，主要依靠指挥信息系统来进行。因此，空间资源在不同机构间的传送时间可以忽略不计，即：

3.7 空间需求响应过程

空间需求的响应过程主要是指需求在各个响应机构中的处理情况，主要包含以下关键信息：

4 空间信息需求响应过程仿真

在以上模型构建的基础上，利用Matlab工具编制仿真程序，可以进行实例验证。假设一个典型的空间信息需求响应体系构成如图3所示。

图3 典型空间信息需求响应体系图

各部队机构因承担任务不同在联合作战行动中的重要程度如表1所示：

表1 部队机构重要程度表

记空间需求、资源、能力的描述和比对，简化为假设在信息类型、在特征参数、覆盖区域等指标均满足的情况下，所能提供的信息有效时间区间。并假设空间装备拥有的能力表2所示。

表2 空间装备能力表

部队机构产生的空间需求见下页表3（需求序号：表示产生于哪个机构、第几条需求）。

假设各机构因工作效率的不同，处理空间需求的平均耗时见表4。

各机构拥有的工作席位数见表5。

表3 空间需求参数表

表5 各机构工作席位数量

各机构拥有的初始空间资源见下页表6。

通过Matlab编制仿真程序并运行，可以得出该案例中的空间需求响应路径表：

根据每项需求在不同机构及其工作席位的处理情况，可以绘制需求响应过程图（其中红色代表需求处理过程，绿色代表排队等待过程）。

通过以上仿真和对比图4、图5中的数据可以看出：以上仿真模型可以较好地实现对现实情况下空间信息需求响应过程的仿真，能够体现空间需求响应的动态迁移、响应优先级动态变化的特征，并可以记录需求响应过程中的关键信息，可以为进一步进行空间信息需求的响应效能分析，构建合理的空间信息支援体系等奠定良好基础。

5 结论

本文立足于联合作战中空间信息需求响应问题，分析了需求响应体系的构成，梳理了需求响应的基本特征，以此为基础构建了空间信息需求响应的过程仿真模型，并进行了仿真案例运算，检验了模型的准确性。本方法为联合作战环境下空间信息需求响应过程的分析、空间信息支援体系的构建、评价和优化提供了指导和参考。在后续的研究中，可在此基础上继续深化基于一定目标约束的空间信息支援体系构建方法研究，为联合作战环境下的空间信息支援体系关系的设置、席位的配置、动态调控等提供解决方案。

表6 各机构初始空间资源

表7 空间需求响应路径

图4 空间需求响应过程（空间需求角度）

图5 空间需求响应过程（机构席位角度）