面向作战需求的卫星应用装备组合优化研究

孙盛智, 侯 妍, 裴春宝

(1.公安海警学院，浙江 宁波 315801； 2.航天工程大学，北京 101416； 3.西藏大学，拉萨 850000)

0 引言

卫星应用装备是利用卫星发挥或增强作战效能的武器装备的统称[1]。卫星应用装备是实施太空信息支援联合作战的纽带，使得太空信息融入联合作战体系的前提[2]。而卫星应用装备组合主要目的是降低卫星应用装备之间的耦合，提高卫星应用装备之间太空信息资源的共享程度和使用效益，卫星应用装备组合优化是消除卫星应用装备重复配置、最大限度提升太空信息资源利用率的基础[3]。

1 卫星应用装备组合优化需求分析

信息共享是多个信息用户通过网络或其他媒介共同利用同一个信息资源的活动[4]。通常情况下，卫星应用装备组合仅仅是从装备自身考虑，而与作战任务无关，因此对卫星应用装备组合进行优化，是面向作战设计卫星应用装备组合的前提[5-6]，是实现信息共享的基础。太空信息资源满足率和利用率是判断太空信息资源是否满足作战需求和描述太空信息资源使用效率的基本参数[7]。假设组合后的卫星应用装备SDk∈SD*，其提供的太空信息资源数量为ck，而作战对该太空信息资源的需求量为bk，则卫星应用装备SDk的太空信息资源满足率ηk为

(1)

式中：当ck>bk时，表示太空信息资源完全可以满足作战任务需求且有盈余；当ck

同样可以得到卫星应用装备SDk的太空信息资源利用率τk为

(2)

式中:当ck>bk时，表示卫星应用装备SDk提供的太空信息资源对于作战需求尚有冗余，可以满足作战需求；当ck

2 面向作战需求的卫星应用装备组合优化算法

2.1 面向作战需求的卫星应用装备组合优化过程

卫星应用装备组合优化过程如下所述。

2.1.1 初始卫星应用装备组合优化

假设卫星应用装备SDi∈SD与任意SDj∈SD′(j=m+1,m+2,…,m+n)进行组合，其中，卫星应用装备SDi的太空信息资源冗余(ci>bi)，SDj的太空信息资源短缺(ci

Δcij=(ci-bi)×αij

(3)

式中，αij为卫星应用装备SDi和SDj的相似度，即二者之间可以共享太空信息资源的综合可用度。

同样可以得到卫星应用装备SDi和SDj组合后的太空信息资源满足率为ηij，即

(4)

对于卫星应用装备SDj而言，SDi对其共享的太空信息资源不可能全部使用(其可用度为αij)。因此，卫星应用装备组合后的太空信息资源综合利用率不可能为1。考虑到太空信息资源共享以后可能还会有冗余，则卫星应用装备SDi和SDj组合以后太空信息资源的综合利用率为τij，即

(5)

需要注意的是，在一次迭代过程中，下一个卫星应用装备SDi+1∈SD不再与当前已经被合并的卫星应用装备SDj进行组合，仅考虑集合SD′中未参加本次组合的其他卫星应用装备。

2.1.2 卫星应用装备组合优化结果分析

如果卫星应用装备SDi∈SD和SDj∈SD′是最优的组合方案，并且太空信息资源满足率ηi*j=1，表明该卫星应用装备组合后太空信息资源可以满足作战需求且尚有盈余，则将SDi和SDj组合后归并到集合SD中，对应的太空信息资源满足率ηi*=ηi*j=1，更新卫星应用装备集合SD和SD′，即SD←SD∪SDi*/{SDi}，SD′←SD′{SDj}。

如果卫星应用装备SDi∈SD和SDj∈SD′是最优的组合方案，并且太空信息资源满足率ηij*=1，表明该卫星应用装备组合后太空信息资源正好满足作战需求，但是没有能力提供“额外”的太空信息资源，则该组合退出优化过程，更新卫星应用装备集合SD和SD′，即SD←SD/{SDi}，SD′←SD′{SDj}。

2.1.3 迭代

如果集合SD和SD′中卫星应用装备全部被遍历，表明一次迭代过程结束；如果一次迭代完成以后，卫星应用装备集合SD和SD′中的元素为空，表明所有卫星应用装备组合经过优化后，太空信息资源均可以满足作战需求或者不能满足作战需求，则得到当前最优的卫星应用装备组合方案。如果集合SD和SD′中的元素不为空，表明卫星应用装备组合通过优化后，还存在太空信息资源冗余或短缺的卫星应用装备，需要进一步优化迭代。

1) 卫星应用装备组合后的太空信息资源满足率ηj*<1。

(6)

式中,αij为卫星应用装备SDi与SDj的太空信息资源综合可用度。

(7)

(8)

2) 卫星应用装备组合后的太空信息资源满足率ηi*=1。

(9)

卫星应用装备集合SDi*与SDk组合后太空信息资源的综合满意度为ηi*k，即

(10)

考虑到卫星应用装备组合后太空信息资源可能冗余，则卫星应用装备集合SDi*与SDk组合后太空信息资源综合利用率为τi*k，即

(11)

当然卫星应用装备SDk也可以看作是卫星应用装备集合，同样也可以得到卫星应用装备组合后的太空信息资源满足率和综合利用率，因此，卫星应用装备组合优化的实质就是实现卫星应用装备组合之间太空信息资源共享的最大化。当卫星应用装备集合SD和SD′中元素为空，表示没有可以提供冗余太空信息资源的卫星应用装备，或表示卫星应用装备组合后的太空信息资源可以满足作战需求，输出最优的卫星应用装备组合方案。

2.2 卫星应用装备组合作战效能评估

卫星应用装备组合优化的目的就是提高卫星应用装备之间太空信息资源共享的程度和范围，避免卫星应用装备配置不均衡的情况，提升卫星应用装备作战效能[8]。通过卫星应用装备组合优化，可以减少卫星应用装备的整体规模，以太空信息保障人员数量为基准,对卫星应用装备组合作战效能进行评估[9]。

(12)

武器装备作战单元i在卫星应用装备SDj和SDh领域内需要支援的装备编号分别为oijk和oihr(k=1,2,…,K;r=1,2,…,R)，且装备oijk和oihr在SDj和SDh领域内需要支援的时间分别为tijk和tihr；在任务执行过程中太空信息支援单元的有效工作时间为te，则SDj和SDh完成本领域内信息支援任务所需要编配的实际太空信息支援保障小组分别为mj和mh，即

(13)

(14)

3 实例分析

3.1 作战背景描述

以空中攻击为作战背景，即飞机从空中对空中目标或对地面目标、水面、水下目标进行射击与轰炸[10]。本文以航空兵部队对水面舰艇进行远程攻击为例。

基本想定：蓝方出动水面舰艇编队欲攻击红方重要军事目标，红方侦察卫星发现蓝方舰艇编队的活动迹象，并对目标周围海域进行搜索，意图在蓝方舰艇编队发动攻击前，出动航空兵部队对其进行攻击，消灭威胁。

方案设计：红方依靠海洋环境监测卫星和气象卫星探测蓝方舰艇编队水域的水文气象情况，判断战场环境是否满足实施远程精确打击，运用各类成像、电子、雷达侦察卫星实时监视蓝方水面舰艇编队的航向、航速，红方作战指挥员通过卫星通信下达作战命令给航空兵部队，航空兵部队到达指定位置后，依靠侦察和测绘卫星获取蓝方舰艇编队具体位置，在导航定位卫星的支持下，发射远程空射巡航导弹，对蓝方进入打击圈的水面舰艇编队实施精确打击。

作战想定模拟如图1所示。

图1 作战想定模拟图Fig.1 Simulated diagram of combat scenario

3.2 卫星应用装备组合优化分析

根据红方航空兵部队的作战需求，其太空信息支援力量的卫星应用装备作战编成如表1所示，由于涉及的卫星应用装备类型较多，本文仅列出部分类型。如果将支援航空兵部队实施作战的太空信息支援力量看作一个整体，则主要考虑同类型卫星应用装备之间的编配、数量等，太空信息支援力量的卫星应用装备类型众多、协同关系复杂，不可避免带来卫星应用装备功能上的相似性和交叉性，在一定程度上增加了太空信息支援的难度。

表1 卫星应用装备类型表

以侦察监视卫星应用装备S11,S12,S13和S14组合为例进行对比和分析。卫星应用装备组合优化的基本思想是在满足作战对太空信息资源需求的前提下，选择太空信息资源综合利用率最大的卫星应用装备组合方案。按照3.1节卫星应用装备组合结果，对其优化过程进行分析。本次作战行动中卫星应用装备提供的太空信息资源数量和作战实际需求的太空信息资源数量如表2所示。

表2 卫星应用装备太空信息资源配置和需求表

同理，可以得到卫星应用装备组合初始优化方案下太空信息资源的满足率和综合利用率，如表3所示。根据卫星应用装备组合优化策略，从可行的卫星应用装备组合方案中选择满足太空信息资源需求且综合利用率最大的卫星应用装备组合方案。

表3 卫星应用装备组合初始优化方案

从分析结果来看，对于卫星应用装备S12，应当在满足太空信息资源需求的前提下选择利用率较大的卫星应用装备组合方案，因此{S12,S11}是最优的组合方案；对于卫星应用装备S14，首先选择满足太空信息资源需求的组合方案，虽然方案{S14,S11}综合利用率比较高，但是不能满足作战对太空信息资源的需求，因此{S14,S13}为最优组合方案。

卫星应用装备组合优化结果如表4所示。

由此可见，卫星应用装备组合经优化以后，方案{S12,S11}和{S14,S13}均能满足作战对太空信息资源的需求且略有盈余，因此，不需要进一步迭代。

表4 卫星应用装备组合优化结果

3.3 卫星应用装备组合作战效能评估分析

以卫星应用装备组合{S12,S11}和{S14,S13}为例，对卫星应用装备组合的作战效能进行分析。已知S12和S14的太空信息资源冗余，而S11和S13的太空信息资源短缺，在本次作战行动中，卫星应用装备编配规模见表5。

表5 卫星应用装备编配规模

假设同一个卫星应用装备任意保障小组的配置相同，且在作战行动中的有效工作时间te=3，按照式(13)可以得到满足作战所需太空信息资源实际需要编配保障小组的数量，即m11=14，m12=8，m13=12，m14=7。按照卫星应用装备组合优化方案，S12和S14是太空信息资源尚有冗余的卫星应用装备，S11和S13是太空信息资源短缺的卫星应用装备，因此，将S12和S14的多余力量分别支援给S11和S13。按照式(14)，S11和S13得到S12和S14支援的保障小组的数量分别为Δm1和Δm2，即Δm1≈4，Δm2≈5。

卫星应用装备组合{S12,S11}未优化之前，S11为了完成太空信息支援任务，至少需要加强4个保障小组才能满足太空信息资源需求，则{S12,S11}的保障小组人员总数为90，经过卫星应用装备组合优化，将S12冗余力量支援给S11，从而使卫星应用装备组合{S12,S11}保障小组人员整体规模减少为78。同样，卫星应用装备组合{S14,S13}进行优化后，使得保障小组人员数量整体规模从54减少至46。

4 结束语

组合优化算法在卫星应用装备组合领域尚未得到广泛应用。针对目前卫星应用装备组合没有按照作战需求的现状，从作战对太空信息的需求出发，对卫星应用装备组合进行优化处理，得到最优的卫星应用装备

组合方案。通过实例分析，验证运用最优的卫星应用装备组合方案能最大限度地提升己方作战效能。

参 考 文 献

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