一体化联合作战卫星地面站支援保障效能指标分析

何玉晶，张 杰，霍 权，厉 剑

(1.中国人民解放军61769部队，黑龙江 哈尔滨 150039；2.中国人民解放军63782部队，黑龙江 哈尔滨 150039)

空间已成为战争新的制高点,一体化联合作战则是未来战争基本的作战形式。战争实践表明,谁先进入某一新的作战空间,并能有效地控制这一空间,谁将在战争中首先受益,并可能成为战争新的主宰者[1]。

随着信息技术的不断发展,信息由辅助地位上升为主导地位。空间信息是一体化联合作战保障中的重要组成,具有更加重要的地位。它是链接一体化联合作战的纽带,是实现一体化联合作战指挥控制的前提,是提高一体化联合作战效能的基础[1]。

卫星地面站作为空间信息支援保障的重要参战主体,其对一体化联合作战支援保障效能问题聚焦在一定作战条件下最有效地发挥部队战斗力,使战斗力量产生增值,即追求作战效益最大化的问题。研究其保障效能,不仅要从定性上进行分析,还要从定量上进行研究,目的是为了对系统建设和设备使用提供科学的参考与建议,为了使空间信息更加科学高效地保障部队的作战行动,实现作战目标。

1 效能指标选取

效能指标是卫星地面站的评价标准,是研究卫星地面站支援保障效能的依据,它的选择恰当与否直接关系到效能分析的结果[2]。美国军事运筹学家莱博维茨指出,效能指标“类似于一种道德原则,单凭推理是不可能确定某种道德原则是否正确的。我们必须进行价值判断,必须凭‘感觉’行事”。因此,效能指标的选择很重要,也很不容易,必须多方考虑,反复推敲[3]。

某一效能指标只能反映目标的一个局部或某一方面的状况,而指标的集合即指标体系,才能反映目标的全部[3]。对卫星地面站支援保障效能的研究分析,需要制定出一个充分体现其特点的完整的指标体系,才能产生全面、客观的认识,从根本上保证评估的科学性,以克服由于主观因素而笼统评估的弊端。

卫星地面站的核心任务是满足一体化联合作战的信息需求,结合系统效能的自身效能和使用效能,卫星地面站支援保障效能指标可选取为:设备可靠性能、数据可用性能、数据传输性能、安全防护性能、系统保障能力，其如图1所示。

图1 卫星地面站支援保障效能指标

2 效能指标分析

2.1 设备可靠性能分析

可靠性是系统效能的重要属性,它反映由于物理故障而引起的系统性能退化的频度[4]。设备可靠性,是指设备在运行期间在给定条件下和规定时间内不出现故障而良好工作或完成指定任务的概率。设备不出现故障或完成指定任务的概率越大,则可靠性越高,反之越低。一般而言,卫星地面站设备故障总结如下:

•设备完全丧失工作能力;

•设备工作不稳定;

•设备性能退化达不到预期效果。

针对以上种类的故障,卫星地面站的设备可靠性可用下列几种量来度量：故障率、平均寿命、可用度，其如图2所示。

图2 设备可靠性能指标

2.1.1 故障率

故障率是卫星地面站可靠性的重要指标,以发生故障的设备数量占总设备数量的百分比来表示,单个设备以使用中发生故障的次数占总使用次数的百分比来表示,或以总故障时间占总工作时间的百分比来表示,还可用两次故障的间隔时间来表示。

假设在时间t有m个设备投入运行,在任意时间的剩余设备数为s(t),则故障率Pa(t)表示时间ti

(1)

2.1.2 平均寿命

寿命反映了设备的耐用程度。平均寿命针对不同情况用不同的指标度量,对可修复的系统,平均寿命指的是平均无故障工作时间(MTBF);对不可修复的系统,平均寿命是系统失效或报废前的平均工作时间(MTTF)。对于卫星地面站来说,应属于前一种,因此,平均寿命即系统的平均无故障工作时间,见式(2)。

(2)

其中,t为设备的工作时间;Nf(t)为设备工作时间内的故障时间数。

如果MTBF值为10 000小时,就相当于1年多维修一次;MTBF值为60 000小时,就相当于7年多维修一次。

2.1.3 可用度

可用度是指设备在规定条件下使用时,随时可满足正常运行的概率。卫星地面站进行空间信息的跟踪测量、处理与传输,要求系统设备必须保持正常的工作状态,即自身必须具有一定的可用度,以确保试验任务的顺利实施。

如果用P(ai)表示单个设备可用度的概率,如式(3)所示。

(3)

其中,ai表示系统中的某一设备,t为总工作时间,tr为总停用时间,包括故障定位、排除及更换备件等时间。

目前,卫星地面站的设备均按照冗余热备的思路进行部署,设备可靠性指标满足系统建设需求。

2.2 数据可用性能分析

数据是卫星地面站的产品,数据的可用性是其完成数据接收任务的具体反映[4]。由于需求涉及面广,对数据质量要求高,数据是否可用必须进行有效评估。对于卫星地面站来讲,衡量数据的可用性,其指标需由数据的时效度、可信度、和连续度组成，其如图3所示。

图3 数据可用性能指标

2.2.1 数据时效度

数据时效度是指数据在一定时期内能够发生的效用程度,又分为数据捕获时效、数据传输时效、数据处理时效以及数据使用时效。

以侦察卫星地面站为例进行分析,其数据时效度应包括侦察周期、平均侦察时间、数据处理时间等指标[5]。

侦察周期是指对指定区域进行卫星侦察重访的时间间隔。侦察周期越短,侦察频率越高。实际上,侦察周期由卫星轨道确定,轨道参数在卫星发射前已由设计人员确定下来,卫星经过目标区域上空时,对所要观测的区域进行动态监视,以此发现一段时间内目标的变化。

平均侦察时间是指卫星通过目标区域上空停留时间平均值。卫星在目标区域上空停留时间越长,获取的信息可能越详细全面,所获取的信息也就越多。

数据处理时间包括星上预处理时间、星地传输时间、地面处理时间等。

2.2.2 数据可信度

战场上,信息来源广泛,且纷繁复杂,许多是由高科技侦察手段获得,但由于敌方大量使用伪装、干扰、保密等反侦察措施,使许多信息真伪混杂难辨,不得不对信息的可信度打个问号[5]。

数据可信度是指数据的可信程度,即数据的来源渠道是否可靠、数据的内容是否真实。数据可信度主要由数据质量和数据真伪辨别能力指标确定的。数据质量是受卫星性能影响的[6]。如成像卫星所获图像质量,就由卫星空间分辨力、光(波)谱分辨力、光(波)穿透雨雾或物体的能力和对目标识别能力等决定的。数据真伪辨别能力是指对卫星接收数据真假的揭示能力[6]。对于侦察卫星地面站来说,数据真伪辨别能力是指通过识别目标的亮度对比度、温差、反射对比度和形状相容性等的水平。对于测控地面站或者导航地面站来说,数据真伪辨别能力是指设备排除干扰信号,捕获、识别、跟踪真实卫星信号的能力。

2.2.3 数据连续度

数据连续度是指数据的获取、处理、传输与使用的连贯程度。数据的获取、处理、传输与使用是指由原始数据到可用信息的四个环节,缺一不可,且必须保持其顺畅的流通渠道,其中任一环节出现问题,都将难以发挥其作用与价值。

如果一条准确、可靠、完整的信息能够在有效的时间内,完全顺利地传输到指定的作战单元,使之能够迅速做出反应,确保作战行动的顺利实施,那么这条信息就是可用的,它的可用性就高,否则,可用性就低。当然,这种评价比较模糊,无法采用量化的方法,科学地进行界定。另外,目前卫星地面站接收数据的可用性评估多在其业务总体单位进行,卫星地面站还没有对数据可用性评估验证的相关功能设备,只能通过业务总体单位或者用户反馈来查证,这样,其效能发挥将大打折扣,甚至会失去作用。

2.3 数据传输性能分析

数据传输能力用于描述卫星地面站对所接收卫星或空间目标数据的传输和分发能力。主要任务是:将地面站获取的信息(包括声音、图像、数据、数字和电子频谱)向业务总体单位或上级相关部门进行传输和分发,进一步保障部队满足作战的基本需求，其主要分为两个方面的指标,如图4所示。

图4 数据传输性能指标

2.3.1 传输能力

实现通信所具备的一些条件,包括通信容量、抗干扰能力、通信传输延迟时间、可用链路数和可持续服务时间。

传输速率,不同的传输方式具有不同的传输速率要求,如卫通传输速率，地面传输速率。

通信传输延迟时间,是衡量信息传输时效性的重要指标,通常用平均时延和最大时延来表达。

可用链路数,即用来传输数据的通信链路数量。

可使用通信服务的持续时间,即信息累计不间断传输的通信时长。

2.3.2 传输质量

其主要包括比特误码率，传输吞吐量及连通度等。限于篇幅,具体内容不再阐述。

2.4 安全防护性能分析

信息防护能力用于描述信息在传输过程中安全畅通的能力。信息传输途径主要通过无线通信方式,长时间暴露在空中,极易被敌截收、破坏,且空间系统的各种卫星平台都暴露在空间,极易被敌方截获、干扰甚至摧毁[7]。因此,在确保信息安全畅通方面,可分为两个方面的指标,其如图5所示。

图5 安全防护性能指标

2.4.1 抗干扰能力

卫星下行链路抗干扰能力,侦察卫星、对地观测卫星有大量的图像信息向地面站发送,极易被敌方截获、受敌方干扰机的干扰,可以采用的防范措施有:地面站采用窄波束天线;卫星天线采用区域波束天线;地面站接收时采用适当的干扰抑制技术。

地面站上行链路抗干扰能力,地面站向卫星发送的遥控管理信息,易受到敌方的上行干扰,可以采取的预防措施有:卫星天线自适应调零技术;星上解扩、解调前的抗干扰抵消技术。

地面站通信终端抗干扰能力,地面站设备抗干扰处理可以采用更加复杂的措施,如进行处理增益很高的跳/扩频通信,对于较高速率的信息传输也可采用频域或时域强干扰抵消技术。

2.4.2 信息安全保密能力

确保信息的真实性、完整性、可用性和保密性。包括以下几个方面:

1)访问控制能力,卫星地面站系统中需要通信的设备在正式交换数据前必须进行身份认证和权限认证,防止非授权用户非法访问卫星系统信息资源。

2)实体鉴别能力,通过数据签名机制保证卫星地面站数据源发送信息的唯一性,并保证数据库不能否认所收到的数据。

3)数据保密能力,在卫星地面站中普遍实施链路加密和端对端加密,按不同场合使用不同的数据加密机制。

4)数据完整能力,通过数据完整机制保证数据单元本身的完整性和数据单元顺序的完整性,以防止数据单元被假冒、丢失或重发。

5)流量控制能力,通过流量填充机制和路由控制机制，确保卫星地面站的信息在传送过程中即使被敌方截获也不用担心敌方进行流量分析和流向分析。

2.5 系统保障能力分析

系统保障能力用于描述卫星地面站对其人员、装备的指挥控制、组织运用能力。着重分析部队的指挥活动效能,主要任务是分析研判情况、定下作战决心、制定作战计划、调整力量部署、组织任务实施等工作[7]，其分为三个方面的指标,如图6所示。

图6 系统保障能力指标

2.5.1 任务指挥能力

指挥人员在上级意图下,按照所赋予的权限,其主观能动性有效发挥的程度。包括指挥人员综合素质,指挥人员能够胜任的指挥跨度、指挥层次、指挥控制的范围、指挥周期和决策能力。

2.5.2 计划组织能力

指挥人员为指挥部队实现作战决心所进行的一系列预先筹划和安排,包括计划组织范围、计划组织方式、计划组织程序和计划组织力度。

2.5.3 控制运用能力

在作战(任务)过程中,为实现作战决心,对调配力量编成、提供物资保障、监督部队行动,并及时纠正出现偏差的能力。包括控制协调范围、控制协调数量、控制协调力度、控制协调纠错能力和指挥引导能力。

经过上述分析,卫星地面站支援保障效能指标体系如图7所示。

图7 卫星地面站支援保障效能指标体系

3 卫星地面站保障效能评估

系统效能是装备系统综合性能的反映,是系统的整体属性,它的度量要从系统的角度出发,结合装备需求目标对装备系统的各项单项性能指标综合考虑,以得到单一的评估结果,用以表示装备系统方案的优劣程度,从而为装备系统的方案优化和装备选型提供决策依据[8]。系统效能是预计系统满足一组特定任务要求的量度,是指标体系的函数[9]，见式(4)。

P站=F(P设备，P数据，P传输，P防护，P保障…)

(4)

效能指标必须进行量化处理,才能作为评估模型的输入数据。指标的量化模型可划分为两类:指标规范化模型和指标数据聚合模型[10]。效能评估算法是进行数据综合分析的工具,通过评估能够将指标数据综合成系统效能值,并分析影响系统效能的指标要素[11]。卫星地面站的保障效能评估需要在对系统效能指标定性分析的基础上,通过评估算法进行定量评估,必要时辅助于工作经验,对系统指标进行加权赋值,以便更加科学地进行评估,进一步得出准确结论,来指导工作实践或优化系统流程。具体到某一卫星地面站,效能指标需要进一步的细化量化,相关要素指标可达近百项,而常用的评估方法有:层次分析法、ADC法、SEA法等[12]，如表1所示。

通过表1中评估方法的比较说明，根据文中对卫星地面站效能指标的解析及构成，其效能评估方法适合选用层次分析法。用层次分析法进行评估，一般分为四步[13]：1)建立层次结构模型；2)构造两两比较的判断矩阵；3)计算指标权重；4)确定关系矩阵，进行综合评判。根据上述分析，卫星地面站的效能评估公式如下

P站=P设备×P数据×P传输×P防护×P保障

(5)

(6)

其中，s表示卫星地面站的设备可靠性、数据可用性、数据传输性、安全防护性、系统保障能力五个方面；ω为某一指标的权值；p为某一指标的贡献概率。

表1 效能评估方法的比较

4 结束语

卫星地面站效能评估是一个极其复杂的过程,需要有较丰富的装备操作维护和运行管理经验,需要对指标体系的完备性、合理性、有效性进行科学检验,通过不断地迭代优化,使其评估值具有借鉴意义,进一步对卫星地面服务系统在全国乃至全球布站提供指导,切实优化资源配置,提高支援保障效率。另外,由于各卫星地面站系统在设计建设时,均考虑了系统的可替代性,因此,在某一地面站功能失效的情况下,中心部门可以通过资源调度,实施紧急任务接替,以保证空间数据的有效接收,实现站网资源的最大效能发挥,实时可靠地支援保障作战应用。