基于概念格的航天任务态势要素提取

彭亚飞,杨凡德,张书瑞

(航天工程大学复杂电子系统仿真重点实验室,北京 101416)

航天任务是指通过航天器在外太空进行的探索、开发和利用任务。按作战目的可分为技术支持类任务和指挥作战类任务两种。本文只针对航天技术支持类任务领域进行研究[1-2]。由于航天任务是一个复杂性任务,可以从战场上获取的态势信息呈现海量趋势,会对指挥员的战场情况研判造成干扰,降低其决策时效性[3]。对航天任务进行态势融合是模仿指挥员的态势认知思维,对获取的多层次态势要素进行提取与融合处理,得到指挥员需要的战场态势知识,提高指挥员对战场态势的认知程度,加快指挥决策效率,促进航天任务“OODA”的循环[4-6]。因此，对航天任务态势要素的提取进行研究是很有必要的。本文从态势要素概念与提取原则、航天任务与态势要素需求等方面进行研究,提出了一种基于概念格的态势要素提取方法,可为指挥员定制生成态势产品提供态势要素信息集。

1 航天态势要素相关概念

信息是维持航天指挥决策活动的必备条件,航天指挥决策信息是指与航天指挥决策活动相关的各种信息,也称航天任务态势信息。

1)航天态势融合

航天态势融合是指在航天战场中,通过综合敌方、我方及空间环境等因素,将观测到的航天任务目标分布及其状态和航天战场环境在一定准则下加以分析、优化综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程[7]。

2)态势要素

态势要素是指在航天战场中能够感知、获取到的最小态势单元,可以分为环境、实体，以及事件三大态势要素。在实际航天军事任务中,可以通过态势需求的逻辑关系构建航天态势模型,描述航天战场中任务实体、事件与环境三大态势要素之间的关系,以下对航天三大态势要素进行分析。

① 实体要素

实体要素是指航天战场中客观存在的航天器以及地面上的支持设备,其对航天态势具有重要影响[8]。航天实体要素的属性主要包括功能属性、状态属性和几何属性。其中功能属性是指实体具备什么功能、有什么作用,例如，电子侦察卫星具备对地面的地理外貌、兵力部署等要素进行侦察的功能;状态属性主要是描述该实体当前的所属状态,例如，电子侦察卫星的运行轨道高度、姿态俯仰角等;几何属性主要是描述该实体的静态参数,例如，电子侦察卫星的形状、雷达口径等[9]。

在实际航天任务中,不同场合指挥员关注的态势要素粒度不同,态势要素根据需求可以分为单、群实体要素。单实体要素是指航天战场中的单个实体；群实体要素是指由一些功能相近或者之间存在联系的实体组成的实体群。

② 事件要素

事件要素是指在一定的航天战场环境中发生的事件。事件是通过战场上实体要素体现的。这些事件是航天总任务的子任务组成序列,共同构成完成航天总任务所需的功能[10]。因此,在执行航天总任务时可以通过功能需求关系对航天任务进行分解,得到航天任务事件要素。例如，航天应急发射按照功能需求关系可以分为航天器设计、轨道规划、弹道设计、机动路径规划四个子任务。事件要素按实际战场态势融合需求,可分为基本事件、重要事件和复合事件要素,其复杂程度依次递增,前者是后者的基础。

③ 环境要素

环境要素是指航天战场所处的空间环境,主要包括地球的高层大气、空间辐射环境、空间碎片、引力场和气象环境等[8]。当战场所处的空间环境要素发生变化时,航天任务实体要素之间、实体与事件之间、事件与环境之间的关联程度也会发生变化。

3)态势要素作用及数据来源

航天态势要素是态势融合的加工对象,由于不同航天任务其关注的态势要素组成序列不同,其提取的质量决定了最终生成的态势产品能否满足指挥员军事需求[7]。通过上述对航天态势要素的分析可知，航天任务态势要素是多要素的、多层次的,其态势要素数据也是多源异构的。在实际军事任务中,在态势融合前需对构成战场态势的要素进行提取,约束态势融合的输入,从而依据各种军事平台搭载的传感器获取所需的态势要素数据，以及经过数据一级融合生成的初级态势信息[11]。

2 航天态势要素提取原则与思路

2.1 航天态势要素提取原则

航天任务涉及的态势要素通常来源于传感器获取的和以往储存的数据库中的多源异构数据信息。为了保证对航天任务态势进行准确、快速地理解与预测要求，提取的态势要素应覆盖航天任务的各个层次。在进行航天任务态势要素的提取时,应遵守以下原则:

1)全覆盖性:提取的态势要素必须能够满足航天任务的态势理解和预测需求,全面反映任务的状态,保证任务态势正常地研判和决策,否则通过理解获取的任务态势具有片面性,不能正确反映出战场真实状况。

2)特征性:提取得到的态势要素特征必须具有显著性,可以清晰反映出任务的主题,具有代表性,各要素之间具有较大的区分度,以保证下一步态势要素之间关联性分析的便捷性。

3)模块化性:任务与态势要素之间是一对多的映射关系,若干个态势要素之间存在一定的相关性联系,共同构成反映某个功能主题的模块态势信息。航天任务由多个功能主题构成,因此，其态势信息是由诸多模块化态势要素相互组成。这构成了态势要素的强模块化性[12]。

4)层次性:航天任务是一个复杂任务,是由一系列的子任务集共同组成。实际军事中,航天子任务之间在执行过程中存在先后时序以及继承关系,导致航天任务是一个层次性任务,进而导致其提取的态势要素在态势融合中也存在类似的层次结构[13-14]。

不同的航天任务关注的态势要素中包括一些共同的要素集合,在实际空间战场态势融合过程中,部分态势要素多次出现与不同航天任务存在关联交互效果,表现为航天任务和态势要素之间描述为多对多映射关系,意味着这些要素内部之间存在密切联系,可以通过分析态势要素之间的联系构成，反映某个密切功能主题的模块,航天任务与态势要素之间的需求关系如图1所示。

图1 态势要素与多任务之间关系及模块构成

基于上述态势要素与任务之间的关系,在航天任务态势要素提取过程中引入模块概念[10],可以实现对航天任务态势要素提取过程的模块化,在处理不同任务时可以根据任务对态势要素的需求关系对态势模块进行调用和处理,避免每个任务均需由底层数据进行融合才能得到任务态势的繁琐重复过程,保证整体态势要素提取过程的效率,如图2所示。

图2 航天任务、模块与态势要素之间的层次结构

定义1:态势模块是由若干相互联系的态势要素围绕确切功能主题联合构成的要素集合；态势模块包含的信息是态势要素之间进行基本态势信息融合处理后得到的综合信息,具有代表性。

2.2 航天任务态势要素提取思路

航天任务是一个系统工程,其执行过程由一系列的功能支撑完成。根据航天任务的功能需求可以确定航天子任务集(事件要素),由于航天子任务与态势要素之间存在逻辑需求关系。因此，本文的研究思路是依据任务与态势要素之间的需求关系,在航天任务态势要素提取过程中通过构建态势模块,将以往“航天任务—态势要素”之间的复杂关系转换为“航天任务—态势模块—态势要素”之间的简约明晰关系,可以反映出不同航天任务对功能主题的共性需求,确定任务的态势要素组成,实现由任务态势要素转化为态势信息模块,然后通过对态势信息模块进行组合、分析、推理得到航天任务的综合态势信息[14-15]。

定义2:在航天任务S={s1,s2,…,sm}与态势要素集合SE={se1,se2,…,sen}的需求关系中，围绕功能主题提取的集合M={m1,m2,…,mi}称为态势模块集合。态势模块的构建须反映任务与态势要素之间的需求关系,记m=(S′,SE′),S′⊆S,SE′⊆SE。

3 航天任务态势要素提取策略

通过2.2节对航天任务态势要素与任务之间关系的分析,可以由在对态势要素进行提取时,可以由围绕要素和模块主题之间的联系入手,从而完成以上环节,这与数据挖掘中的概念格方法很相似,可以用概念格中的外延和内涵对应航天任务态势模块中的任务和要素,从而完成航天任务态势要素提取环节[14,16-17]。

3.1 基于概念格的航天任务态势要素提取原理

概念格是对由对象集、属性集及两者之间的二元关系组成的形式概念进行分析的一种方法。其通过层次格结构描述对象和属性之间的二元关系[15-16]。下面对概念格相关理论进行研究。

定义3:U为对象集合,V为属性集合,两者之间的二元关系用I表示。记(U,V,I)为形式背景,假设A⊆U,B⊆V,有A*={v∈V|∀u∈U,uIv},B*={g∈U|∀v∈V,uIv},若A=B*且B=A*,则称(A,B)为形式概念,其中，A称为(A,B)的外延,B称为(A,B)的内涵。

在航天任务态势要素提取中,形式背景的构建是为了确定航天任务与态势要素的需求关系,形式概念中的外延对应航天任务,内涵对应该态势模块所需的态势要素,对于形式背景(U,V,I)来说,u∈U,v∈V,若u与v之间存在二元关系,表示为uIv,表示航天任务u对态势要素v存在需求关系,构建任务—态势要素二维需求表,如表1。

表1 航天任务形式背景(U,V,I)

对于(U,V,I)，可以用L(U,V,I)表示形式背景中全部的形式概念集合。其中，LA(U,V,I)表示航天任务集合,LV(U,V,I)表示态势要素集合。

定义4:假设两个元素x,y之间存在二元关系x⊆y,用≤表示元素集合之间的关系为X≤Y,则称其为偏序关系,由集合X,Y构成的偏序集合S，称为偏序集,用(S,≤)表示。

定义5[17]:在(S,≤)中,集合Q⊆S,元素p∈S,如果对于任意元素q∈Q，均有q≤p,则p为集合Q的上界。由p构成的上界集合中，pmin称为最小上界。同理可得最大上界。如果偏序集中任意集合元素x,y均存在最小上界和最大下界,则称S为格,若S中任意Q均存在最小上界集合和最大下界集合,则称S为完备格。

定义6:根据定义3、4,假设在形式背景中,(A1,B1),(A2,B2)∈L(U,V,I),用偏序关系≤定义形式概念、航天任务、态势要素之间的关系:(A1,B1)≤(A2,B2)⟺A1⊆A2⟺B1⊇B2,则称(A1,B1)偏序于(A2,B2),且(L(U,V,I),≤)为偏序集,其中(A1,B1)是(A2,B2)的子形式概念,(A2,B2)是(A1,B1)的父形式概念,在逻辑上表示为父形式概念中的航天任务集可以对子形式概念中的航天任务集进行覆盖。

若L(U,V,I)中的每个(A,B)都是(U,V,I)形式概念,则可以称L(U,V,I)为(U,V,I)的概念格。概念格中每个形式概念中的态势要素集合(内涵集)都可以看成态势模块,具有特定的功能,供该形式概念中的航天任务集(对象集)进行调用。

表1中形式概念偏序关系为:(U4,V1V2V3V4)<(U3U4,V1V3V4)<(U1U3U4,V1V3)<(U1U2U3U4,V3);(U4,V1V2V3V4)<(U3U4,V1V3V4)<(U3U4,V3V4)<(U1U2U3U4,V3);(U4,V1V2V3V4)<(U2U3U4,V2V3)<(U1U2U3U4,V3),这些形式概念集合的最小上界集合为(U1U2U3U4,V3),最大上界集合为(U4,V1V2V3V4),由这些形式概念集合以及偏序关系构成的L(U,V,I)称为该航天任务形式背景的概念格。

3.2 基于态势模块的航天任务态势要素提取模型

基于态势模块的航天任务态势要素提取框架如图3所示。通过执行航天任务所需的功能，获取其任务层次结构;再以层次结构中的子任务的态势需求为依据约束提取的航天态势要素,将各子任务关注的共同态势要素集组合成态势模块,根据任务层次结构构建航天任务态势模块结构。

图3 基于态势模块的航天任务态势要素提取模型

3.3 概念格与航天态势要素提取结合的方法与优势

在概念格中,形式概念中的内涵是反映概念的组成属性,外延是指对概念具有需求的对象集合。本文2.2节根据不同航天子任务对部分态势要素存在相同的需求关系,确定了特定功能主题的态势模块。其中，态势要素集合反映出态势模块的功能主题,子任务集合是指对模块主题具有需求的对象集合。可以看出，形式概念与态势模块的构建方式是相似的。在对航天任务态势要素进行提取时,可以将态势要素映射到形式概念中的内涵,航天子任务映射到形式概念中的外延,态势模块映射为形式概念,最终形式概念构成的概念格就是所需的态势模块层次结构。

通过将上述概念格与航天任务态势要素提取相结合,可以解决航天任务对共同态势要素的重复提取问题,简化提取过程。同时，该方法可以对后期态势融合产品进行模块化生成,即在确定航天任务的功能主题下,根据概念格中的航天任务态势模块层次结构,固定融合方式,由下向上逐层融合得到任务态势产品。

3.4 航天任务态势模块概念格构造流程

以上对航天任务态势模块概念格的相关理论进行了研究,分析了航天和态势要素之间的关系。下面对航天态势模块层次结构的构造流程进行研究。本文借鉴Bordat算法对航天任务态势模块层次结构进行自上向下的顺序进行构建[18]，具体如图4所示。

图4 航天任务态势模块概念格构造流程

Step1:确定航天任务的作战目标,根据航天任务功能需求分析航天子任务集和所需态势要素集。

Step2:根据任务—态势要素逻辑需求关系,构建航天任务背景表。

Step3:判断当前航天任务形式背景中上界最小的形式概念节点c=(A,B),尽可能多地关注子任务集和共同态势要素组成的节点,对该节点进行建格。同时构建队Q,用来记录未生成子节点的节点,将节点c录入Q队中。

Step4:构建集合P⊆V-B。假设V是态势要素集(属性集),态势要素α∈V-B,P是α构成的集合,对于α′∈V-B且α′≠α,判断B*(α)与B*(α′)关系,若B*(α)⊆B*(α′),则P不是最大子集;若B*(α)=B*(α′),则P有可能是最大子集,同时将α′录入集合P中。

Step5:重复Step4,直到P为A上最大扩展子集,将形式概念(A∩B*(P),B∪P)录入子节点集合S。

Step6:重复Step4、5,直到所有态势要素均求解。

Step7:将子节点在格中与父节点c进行连接,并判断子节点是否在Q队中,若不在,则录入Q队中。

Step8:重复Step3～7,直到Q=φ,航天任务态势模块概念格构造结束。

3.5 航天任务态势模块结果可视化表示

上面对航天任务态势模块概念格构造方法进行研究,本节对航天任务态势模块层次结构进行可视化表示。Hasse图可以构建同一航天任务形式背景下的各形式概念的层次关系结构,其构建策略采用自顶向下方法,以形式背景中态势要素集最少,任务集最多的航天任务形式概念作为顶部父节点,对概念内涵中的态势要素集进行分解,获得不同的形式概念作为子节点,并将父子节点用直线连接起来,构成概念格[17,19]。在Hasse图中,不同的节点代表不同的航天任务形式概念,节点中外延代表子任务集,内涵代表任务关注的态势要素集,这些态势要素集组成相应态势模块,具有特定功能主题。表1构建的Hasse图如图5所示。

图5 Hasse图

图5是基于态势要素集构造出的Hasse结构,对于各形式概念包含的任务集逐层减少,这与本文航天任务层次结构由简到繁,由抽象到具体的形式是相反的,因此，需将基于态势要素集构造出的Hasse结构倒置,与航天任务层次结构相一致,具体如图6所示。

图6 态势模块层次结构

4 案例分析

1)任务想定

因政治冲突,甲、乙两国发生战争。在某一次战争中,乙国通过弹道导弹摧毁甲国的一颗低轨电子侦察卫星,导致甲国家在局部区域电磁情况侦察中受到制约，于是甲国向本国航天发射中心下达一项电子侦察卫星应急发射任务。

2)任务分析

该任务是为了支持本国空间力量的建设,属于空间支持任务域。在航天指挥决策中,航天发射中心根据上级下发的应急发射电子侦察卫星任务的需求,增强空间电磁侦察力量以支持本国对该局部区域的电磁设备分布掌控能力。

根据应急发射主要是面向应急进行的作战特点,应急发射航天任务包含航天器设计、轨道规划、弹道设计、机动路径规划四个子任务。为简化应急发射的态势要素需求,本文只考虑主要影响因素,忽略相关次要因素。航天器设计是对火箭结构进行设计,保证满足搭载侦察卫星到达指定轨道,所需要考虑的态势要素包括火箭型号、火箭有效载荷、加注燃料剂量、卫星平台参数;轨道规划任务是根据任务使命要求,根据侦察卫星的对目标区域的覆盖范围、卫星的侦察周期等约束,规划卫星的型号、星座构型以及所需要的侦察卫星数量,并对卫星的轨道进行设计;弹道设计是根据火箭型号、发射点位置等约束对运载火箭的发射窗口和飞行弹道进行设计;机动路径规划是根据地面铁路网分布、火箭发射位置和发射窗口对火箭机动路径、机动窗口进行计算，如表2所示。

表2 航天应急发射形式背景外延表

根据以上对应急发射任务的分析,建立以下应急发射形式背景外延表和形式背景内涵表如表3所示。

表3 航天应急发射形式背景内涵表

根据“任务-态势要素”之间的需求关系,建立如表4所示任务形式背景。

表4 航天应急发射任务形式背景

使用传统基于“航天任务—态势要素”需求方法对应急发射任务态势要素进行提取的结果如图7所示。

图7 传统方法提取的态势要素结果

通过传统方法提取的航天应急发射态势要素结果只能反映每个航天子任务进行态势融合所需的态势要素集合,存在对共同需求的部分态势要素进行重复提取问题,且不能固定任务态势产品融合方式,会降低航天态势融合整个环节的时效性。

使用概念格方法提取得到应急发射任务的态势模块图如图8所示。

图8 通过概念格构造的态势模块层次结构

通过概念格方法构建的航天任务态势要素模块层次结构可明晰各任务态势模块组成和态势融合过程,例如任务2关注的态势要素有abcdfi,其中任务2为航天应急发射的事件要素,反映航天器设计任务;abcdf为实体要素,反映出航天器的型号以及性能;i为环境要素,反映出航天器在空间战场中的分布位置。同时，从态势要素层次结构中可以看出要素ai构成火箭运载能力态势模块,fi构成卫星侦察覆盖率情况态势模块,同时ai态势模块可以直接被任务4调用,避免重复对态势要素ai进行提取融合,节约航天态势要素提取时间。

5 结束语

本文针对航天技术支持类任务领域的态势融合中的态势要素提取问题进行了研究。首先，通过在航天任务态势要素提取过程中将不同任务关注的共同态势要素定义为具有特定功能的态势模块,将传统的“任务—态势要素”需求关系转化为“任务—态势模块—态势要素”需求关系。在处理航天任务时，可以根据任务对态势要素的需求关系对态势模块进行调用和处理,避免每个任务重复提取相同态势要素集,保证提取效率,进而确保了航天指挥员决策时效性;其次，利用概念格方法实现航天任务态势要素提取过程,构建航天任务态势要素模块层次结构,明晰了各任务态势模块组成和态势融合过程。本文提出的航天态势要素提取方法可保证航天态势融合方向的准确性,为航天指挥员态势产品定制化生成提供技术参考。