基于资源统筹和STT 框架的遥感卫星侦察任务价值量化方法

许益乔 张占月 张刚 刘思彤

（1.航天工程大学 太空安全研究中心，北京101416；2.北京遥感信息研究所，北京100192）

1 引言

遥感卫星侦察具有侦察覆盖范围广、可定期重访和可合法侦照他国等优点［1］，是联合侦察体系的重要组成部分。准确地对遥感卫星侦察任务价值进行量化，合理地进行遥感卫星系统星地资源统筹，有助于发挥系统效能。目前，常用的卫星资源优化算法有启发式算法［2］、禁忌搜索算法［3］、遗传算法［4］和蚁群算法［5］等，主要优化问题为已知侦察任务优先级，通过合理分配卫星资源，提高任务执行效率。目前关于侦察任务的排序问题研究的文献还比较少。文献［6］提出用STT 框架解决“情报、侦察与监视（ISR）”侦察需求分析问题，文献［7］将该框架引入对卫星侦察的需求分析中，文献［8］从作战任务阶段划分和卫星侦察需求整合的角度对STT 框架进行了改进。上述研究证明了STT 框架是较好的分析遥感卫星侦察需求价值的方法，但是都忽略了卫星侦察的瞬时性特点、资源统筹使用现状以及多种侦察手段联合运用等因素。本文在STT 框架的基础上，着眼于联合侦察体系，从协同使用、统筹使用角度，兼顾卫星平台侦察特点，提出一种遥感卫星侦察需求的价值量化方法，为卫星侦察任务规划提供支撑。

2 “战略到任务”框架

兰德公司的“战略到任务（STT）”框架，用于在作战计划制定阶段选择攻击目标，也可以用于分配ISR 资源、优化ISR 搜集任务。该框架通过将作战任务逐层分解为战役目标层、作战目标层、作战任务层和执行概念层，量化各种搜集任务的优先级，其示意图如图1 所示［6］。

图1 STT 框架示意图

框架的顶层是战役目标层（战役级策略目标层），如“支持进攻作战”“防护己方部队”等；其次是作战目标层，指为了确保达成策略目标，需要完成的作战目标，如“获取空中优势”“支援地面作战”等；第三层是作战任务层，是指为了完成作战目标，需要完成的作战任务，如“压制地空导弹”“攻击空军基地”等；第四层是执行概念层，是指为了确保作战任务的顺利完成，需要进行的情报保障任务，如“侦照疑似地空导弹位置”。其中，执行概念层的搜集效用从下向上加权求和。例如，“侦照疑似地空导弹位置”有2 个需要侦察的目标，且同等重要，则目标的侦察权重col1 ＝col2 ＝

天基侦察与空基侦察具有各自的特点和指挥控制方式，因此在使用STT 框架对卫星侦察任务规划时，需要结合卫星侦察特点，突出联合侦察体系，在原有的基础上进一步改进：一是单战役方向向多战役方向的改进。空中作战中心的侦察力量主要负责本级指挥机构和下属部队的情报保障任务，而遥感卫星侦察力量通常作为国家侦察手段，需要对多方向多用户负责。二是空基平台侦察向联合侦察改进。在STT 框架中，空中作战指挥中心主要使用空基侦察平台，因此重点突出了侦察平台搭载的传感器类型，而淡化所使用的侦察装备；同时，也未考虑单个目标由多种手段侦察或者多个目标由单种手段侦察的情况。三是突出卫星侦察特点。由于低轨卫星的重访特性，过顶侦察时间较短，持续监视任务将耗费多次侦察资源，在执行卫星侦察任务时，需要将监视任务拆分成多次的侦察任务进行计算分析。四是层级之间和层次内部对应关系的改进。现代战争具有多域融合、跨域攻防、全程关联的特点，需要实现战略、战役和战术各层次的作战力量的融合［9］，不可避免地会出现层次间和层级内部相互影响的事件，需考虑层级内部事件的相关性和层级间不同任务的多重对应关系。

3 侦察需求的价值量化方法

基于以上考虑，以STT 框架为基础，提出了卫星侦察需求价值量化方法，如图2 所示。

图2 价值量化方法示意图

该方法从现代战争和联合侦察体系构建入手，结合遥感卫星常用侦察指挥控制方式和通用性能指标特点，在STT 框架的基础上增加了战役方向层、侦察目标层和装备需求层这3 个层次，并对层次间和层级内的相互影响进行了修正，从而将卫星侦察需求和战略目标紧密联系起来，可以确保遥感卫星侦察体系效能得到最大的发挥。

3.1 战役方向层

原有的STT 框架主要为了美军空中作战指挥中心调度侦察资源服务，以对单一战役方向进行情报支援为主。遥感卫星运行于太空，可以跨越多个地理区域进行侦察，作战司令部（战区）多按照地理区域进行划分，若卫星只服务单一方向会造成资源浪费。因此世界上大多数国家的侦察卫星均采用集中指挥控制的方式，支援各战略战役方向作战。为此，在STT 框架的基础上增加战役方向层，以兼顾不同战略战役方向的侦察需求。同时，由于信息搜集资源永远难以满足用户的需求［10］，为了更好地支援重要方向，最大可能发挥支援效能，可由最高统帅部根据各作战方向的重要性，设置各方向权重。

3.2 侦察目标层和装备需求层

在原有STT 框架的应用场景中，空中作战中心既可以直接指挥空基侦察平台，也可以控制火力打击武器，因此原有框架中的执行概念层作为底层是合理的，它甚至可以构建“传感器到射手”的最终链接［6］。但正如前文所述，遥感卫星系统需要支援多方向多用户，因此各被支援单位情报部门通常需要向遥感卫星系统申请资源，构建支援关系，将遥感卫星系统纳入联合侦察体系。同时，由于卫星侦察手段的非连续性特点，很难为战役战术行动提供高动态情报支援［1］，因此在联合侦察体系中，必然存在综合采用天基、空基、海基等多种手段侦察同一目标，以追求准确性和健壮性的情况。比如，对海上移动目标进行侦察监视时，为确保稳定可靠的战场态势，可能存在岸基雷达、海基侦察船、空基无人机、天基侦察卫星等多种侦察手段同时对其进行跟踪监视。因此，需在执行概念层下继续设置侦察目标层和装备需求层。

3.3 层级之间和层级内部的相互关系

原有的STT 框架没有考虑一个下级节点对应多个上级节点的情况，也没有考虑层级内部各个节点的相互关系，而在实际情况中，存在一个作战任务需要完成多个作战目标、一次侦察行动需要发现识别多个目标等情况，且作战行动之间、侦察任务之间必然存在相关关系。可将层级的内部关系定义为三种类型：依赖型、独立型和相互支持型［11］。依赖型，Dependent（TA，TB），指TA需要依靠TB提供支持才能执行；独立型，Independent（TA，TB），指TA和TB各自独立，不存在相关关系；相互支持型，Couple（TA，TB），指TA和TB相互支持或者相互影响，存在相关关系。以装备需求层为例，当多种侦察手段对同一目标进行侦察时，三种内部关系如下：①依赖型，多种手段联合侦察，宽幅低分辨率引导窄幅高分辨率、宽频带扫描搜索引导驻频详侦、遥感卫星大范围瞬时侦察引导海陆空基长时连续跟踪，常用于搜索未知海陆移动目标、连续跟踪监视或详细侦察研判等情况。②独立型，多种手段独立侦察搜索、不相互引导，侦察信息在信息层面融合。常用于已掌握目标大致位置、兵力部署、装备用途等部分先验信息，进一步获取目标电子频谱、材料质地、活动状态等更详细信息。③相互支持型，多种手段联合侦察，尽可能互为引导的情况，常用于已掌握活动目标前期位置、常用阵位、活动规律等部分先验信息，进一步连续更新目标活动位置、形成连续战场态势。

4 价值量化方法

价值量化方法中改进的STT 框架第一层为战役方向层，各战役方向权重由最高统帅机关决定，且权重值之和为1。后续各层级的节点权重计算如下：

步骤1：构建层级间上下级节点关系矩阵A（k，k+1），k ＝1，2，3，4，5，6。

式（1）中，v（k）指第k层级中节点个数；指第k +1 层级中第j个节点对于k层级中第i个节点的重要程度，且。若第k +1 层级中第j个节点对第k层级中第i个节点没有任何直接帮助，则，则第k层级中第i个节点是第k+1 层级中第j个节点的上级节点，第k+1 层级中第j个节点是第k层级中第i个节点的下级节点，一个上级节点可拥有多个下级节点，一个下级节点也可对应多个上级节点。

步骤2：构建层级内部节点间的相互关系矩阵B（k+1）。

表1 层级内部节点相关矩阵赋值

步骤4：归一化层级内部节点权重。

第k +1 层级的第l个节点的归一化权重为：

步骤5：按照步骤1～步骤4，可逐步计算出侦察目标层各节点归一化权重ω（6）。

步骤6：计算遥感卫星侦察任务优先级。

（1）持续监视需求拆分成单次侦察需求，得出目标单次侦察权重矩阵

受卫星轨道动力学限制，中低轨道卫星难以像飞机舰船一样滞空驻留，过顶侦察时间较短。遥感卫星在执行连续监视任务时，需拆分成多个时间离散的单次瞬时侦察任务。对目标进行侦察监视时，“发现—识别”的权重必然大于“跟踪”的权重，因此需要对目标首次发现的权重ωr和后续监视（多次单次侦察）的权重ωs分别进行分析。

设侦察目标层中第n个目标需要被持续监视或多次侦察rn次，则该目标需要被首次发现的权重为：

被首次发现后，后续侦察的权重为：

式（6）中，δn（0＜δn ＜1）为目标被首次发现的难度系数，与是否掌握目标先验信息、目标大小与材质、是否电磁管控、是否隐蔽伪装以及卫星发现后是否引导其他手段保持持续监视等相关。

（2）整合侦察任务，得出装备需求层各节点归一化权重ω（7）。

运行于500 千米的电子侦察卫星最大可覆盖方圆2 000 多千米的地域，“普查型” 成像侦察卫星一幅图片可以覆盖几千到上万平方千米［13］，必然存在卫星单次侦察覆盖多个目标的可能，因此需要根据卫星过境情况、载荷敏捷侧摆能力、侦察覆盖范围等战术技术性能指标，结合目标大致点位，确定单次侦察可以覆盖多个目标的情况，明确A（6～7）矩阵。

5 案例分析

在已知侦察目标层节点权重结果的基础上对装备需求层权重和侦察任务权重进行举例计算。在实际应用中，遥感卫星系统通常收到多个方向的海量侦察监视需求，本文为便于举例说明，在此次案例分析中简化了装备需求数量，并假设可进行理想化的任务整合。

所得侦察目标层和装备需求层情况如图3 所示，其中，侦察目标层中节点1～4 均为单次侦察需求；节点5 和6 为海上移动目标持续监视需求。综合各类情况，初步判断当天需卫星离散侦察5 次，首次发现难度系数δ ＝0.3。结合目标位置、卫星过境轨道、侧摆能力等参数，可将节点1 和2，5 和6 分别整合为同一个目标侦察需求。

图3 改进STT 框架后两层示意图

侦察目标层各节点权重矩阵ω（6）、侦察目标层和装备需求层各节点关系矩阵A（6～7）、装备需求层内部各节点间的相互关系矩阵B（7）分别为：

可以得出：

根据第4 节的计算方法，按照舰船目标是首次发现还是后续跟踪，分别迭代18 次和15 次后，达到终止条件，迭代情况如图4 所示。

图4 迭代过程示意图

可得：

归一化权重为：

易知，舰船目标还未被卫星侦获时，优先级为ω2＞ω7＞ω4＞ω5；舰船目标被首次侦获后，优先级为ω2＞ω4＞ω5＞ω7。卫星系统可按照数值从高到低的优先级顺序安排测控和数传资源，确保优先完成高价值侦察任务，从而使遥感卫星系统效能发挥最大化。

6 结束语

本文从卫星侦察资源集中使用和联合侦察的角度，结合遥感卫星瞬时侦察和大范围覆盖的特点，通过对兰德公司的STT 框架进行增加模型层次、计算层次间多重对应关系对权重的影响、连续监视需求到单次侦察任务的拆分等优化，量化计算遥感卫星系统侦察任务价值，对遥感卫星侦察任务规划有一定的支撑作用，有利于发挥遥感卫星系统的侦察效能。