黃小鈺， 李 智

(裝備指揮技術學院，a.研究生管理大隊; b.重點實驗室，北京 101416)

0 引言

空間信息系統(tǒng)是由不同軌道上多種類型的衛(wèi)星系統(tǒng)，按照空間信息資源的最大有效綜合利用原則，通過互聯(lián)、互通和信息交換，構成的智能化綜合信息系統(tǒng)［1］。其中，預警衛(wèi)星系統(tǒng)是導彈防御中重要的組成部分，導航衛(wèi)星系統(tǒng)、通信衛(wèi)星系統(tǒng)可分別為導彈防御提供位置速度信息以及信息傳輸支持。對空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能進行評估不僅有助于理解現(xiàn)有空間信息系統(tǒng)對導彈防御的支持作用，而且可為未來空間信息系統(tǒng)的建設發(fā)展提供借鑒。

目前，在空間信息系統(tǒng)效能評估中大多應用一般系統(tǒng)的指標綜合方法，如云重心法［2］、模糊理論方法［3］、網(wǎng)絡層次分析法［4］、粗糙集方法［5］以及 ADC 模型法［6］等，這些方法都側重于對系統(tǒng)效能指標的綜合，是基于還原論思想的方法，對于評估結果的解釋不深入。由于空間信息系統(tǒng)以及導彈防御系統(tǒng)都是復雜的系統(tǒng)工程，在對空間信息系統(tǒng)的效能進行評估時，必須要考慮系統(tǒng)的復雜性和整體性，現(xiàn)有基于還原論的系統(tǒng)效能評估和仿真方法都難以勝任。本文基于系統(tǒng)學理論，利用自頂向下分析和自底向上綜合相結合的方式建立了空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能評估框架，通過建立系統(tǒng)學模型對系統(tǒng)的整體性進行分析，應用基于Agent的建模與仿真方法對系統(tǒng)的復雜性進行建模和仿真，實現(xiàn)系統(tǒng)要素的綜合集成。通過本文的效能評估框架，最終建立空間信息系統(tǒng)的結構和參數(shù)與系統(tǒng)效能之間的聯(lián)系。

1 空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能評估框架

導彈防御系統(tǒng)是一個綜合復雜性的系統(tǒng)工程，其中的組成部分大體可以分為目標探測、跟蹤、識別系統(tǒng)、作戰(zhàn)管理/指揮、控制、通信(BM/C3)系統(tǒng)以及攔截彈［7－8］。導彈防御是由分布在空間中不同位置的各個分系統(tǒng)相互協(xié)同、相互作用的結果。分系統(tǒng)類型多，空間分布廣，相互之間關系復雜。

根據(jù)現(xiàn)有文獻資料，系統(tǒng)的效能一般都與特定任務背景聯(lián)系在一起［9］。在本文中，空間信息系統(tǒng)的任務背景是導彈防御，空間信息系統(tǒng)中的預警衛(wèi)星系統(tǒng)、導航衛(wèi)星系統(tǒng)以及通信衛(wèi)星系統(tǒng)分別為導彈防御提供預警信息，為攔截彈提供位置和速度信息，為信息傳輸提供支持。空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能不僅取決于本身的性能，也取決于系統(tǒng)中其他組成部分的性能［10］。由于導彈防御是參與其中各個系統(tǒng)的綜合作用的結果，空間信息系統(tǒng)對導彈防御的貢獻很難區(qū)分，本文將導彈防御系統(tǒng)整體作為研究對象，對其進行建模和仿真試驗，在多批次的仿真試驗中，將空間信息系統(tǒng)配置以各種不同的結構和參數(shù)，同時，“凍結”其他系統(tǒng)的配置，分析整個系統(tǒng)效能的變化情況，由此可獲得整個系統(tǒng)效能對空間信息系統(tǒng)的敏感性分析結果，即空間信息系統(tǒng)對整個系統(tǒng)效能的影響和貢獻［11］。傳統(tǒng)的效能評估方法都著重于建立系統(tǒng)效能評估完整的指標體系，然后將各種指標進行主觀或客觀的加權綜合，得到一個效能評估值，這個效能值可用于對各種系統(tǒng)方案的一個優(yōu)劣排序，但對于評估結果的解釋，即優(yōu)劣的具體原因是什么研究得不深入。所以在本文的效能評估框架中，著重關注效能值對系統(tǒng)優(yōu)劣的解釋問題，選擇攔截概率作為效能指標。評估框架主要包括整體性分析、綜合集成以及結果分析3個部分，建立的效能評估框架如圖1所示。

本文通過建立系統(tǒng)學模型確定導彈防御的要素集和關系集，明確導彈防御的系統(tǒng)構成以及體系結構。應用基于Agent的建模與仿真方法建立系統(tǒng)要素的Agent模型，利用要素之間的關系集，建立Agent模型的規(guī)則集。利用所建立的模型進行多次仿真，通過改變空間信息系統(tǒng)的結構和參數(shù)，得到攔截概率對空間信息系統(tǒng)的敏感性分析結果。這個結果即可說明空間信息系統(tǒng)對導彈防御整體效能的貢獻量。由于篇幅限制，在整體性分析中，僅對導彈防御中的空間信息系統(tǒng)要素及與之相關的關系進行分析。在綜合集成中，僅對空間信息系統(tǒng)Agent的模型結構、相互之間的關系及其行為規(guī)則進行分析。

圖1 空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能評估框架Fig.1 Effectiveness evaluation framework of space information system in BMD

2 系統(tǒng)學模型

對空間信息系統(tǒng)的效能進行評估，需要從導彈防御系統(tǒng)這個更大的系統(tǒng)中分析空間信息系統(tǒng)的屬性和行為。把握系統(tǒng)的整體性，需要由上而下對導彈防御系統(tǒng)進行分析，明確系統(tǒng)的構成要素以及各個要素之間的關系。

本文借鑒馬靄乃教授研究地理系統(tǒng)工程的思路［12］，建立導彈防御系統(tǒng)的系統(tǒng)學模型，其形式為

式中各參量解釋如下。

1)BMDS表示導彈防御系統(tǒng)整體。

2){Ii}表示導彈防御中的要素集，Ii表示系統(tǒng)的要素或子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)內部通常還可以劃分為多個層次。根據(jù)問題分析的需要，可以選擇合適的分辨率，確定相應的子系統(tǒng)。

3){Ri}表示導彈防御中各個要素或子系統(tǒng)之間的關系集。

4)s表示空間?？臻g是系統(tǒng)學模型中必不可少的組成部分，系統(tǒng)在空間呈一定的分布狀態(tài)。

5)t表示時間。導彈防御中各個系統(tǒng)的狀態(tài)是隨時間變化的，不同時刻的系統(tǒng)狀態(tài)還可能存在時間相關性。

6)SE表示空間環(huán)境，空間環(huán)境不僅給系統(tǒng)帶來時間和空間上的限制，還是不確定性的重要來源，對系統(tǒng)效能的發(fā)揮產生影響。

7)TM表示敵方發(fā)射的導彈(目標彈)，一般可用發(fā)射點的地理經度和緯度、發(fā)射方位角以及主動段最大程序攻角表示。

8)f()表示系統(tǒng)的整體框架，反映了導彈防御的系統(tǒng)整體與部分之間的關系，要對空間信息系統(tǒng)的效能進行評估，既要考慮導彈防御的系統(tǒng)整體效能，又要在微觀上考慮系統(tǒng)的要素集和關系集，因為系統(tǒng)的整體效能是各個要素或子系統(tǒng)相互作用的涌現(xiàn)效果。

所以對空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能進行評估，確定系統(tǒng)的要素集和關系集至關重要。

2.1 要素集

依據(jù)前面建立的導彈防御系統(tǒng)的系統(tǒng)學模型，要素集是系統(tǒng)的要素或子系統(tǒng)的集合。由導彈防御過程［13］可知，導彈防御中的要素包括攔截彈IM、預警衛(wèi)星系統(tǒng)ESS、通信衛(wèi)星系統(tǒng)CSS、導航衛(wèi)星系統(tǒng)NSS、預警雷達系統(tǒng)ERS以及精密跟蹤雷達系統(tǒng)TRS。下面主要對導航衛(wèi)星系統(tǒng)、通信衛(wèi)星系統(tǒng)以及預警衛(wèi)星系統(tǒng)這3個要素的屬性進行描述。

1)預警衛(wèi)星系統(tǒng)。

預警衛(wèi)星系統(tǒng)為導彈防御系統(tǒng)提供早期預警，尤其當敵方發(fā)射遠程導彈時，預警衛(wèi)星系統(tǒng)可以較早發(fā)現(xiàn)目標并大大提高預警時間，同時為預警雷達和精密跟蹤雷達提供探測和跟蹤引導信息。預警衛(wèi)星系統(tǒng)ESS可以表示為

式中:SC(ESS)表示預警衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星結構模式，包括單星模式和星座模式，其中單星模式主要是指預警衛(wèi)星之間沒有信息的跟蹤傳遞行為，如DSP衛(wèi)星;星座模式則是指衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在信息的跟蹤傳遞，如SBIRS系統(tǒng)的高軌衛(wèi)星之間，低軌衛(wèi)星之間以及高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間存在的信息跟蹤和傳遞;{Oi}表示所有衛(wèi)星的軌道參數(shù)集合，包括軌道半長軸、偏心率、傾角、近地點輻角、升交點赤經以及過近地點時刻;{di}表示星載探測器的參數(shù)集合。

2)導航衛(wèi)星系統(tǒng)。

導航衛(wèi)星系統(tǒng)在導彈防御中主要是為攔截彈提供自身的位置和速度信息，從而為導彈的制導提供支持。導航衛(wèi)星系統(tǒng)NSS可表示為

式中:{Om}表示導航衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道參數(shù)集合，其中的參數(shù)與預警衛(wèi)星相同;α0表示衛(wèi)星的天線波束寬度。對于導航衛(wèi)星系統(tǒng)，如果星座是walker構型，則可表示為

式中:h表示衛(wèi)星的軌道高度;α0表示衛(wèi)星天線的波束寬度;N表示空間星座中的衛(wèi)星數(shù)目;P表示空間星座的軌道平面數(shù);F表示空間星座的相位因子;β表示軌道面的傾角;Ω表示第一個軌道面的升交點赤經。

3)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

通信衛(wèi)星系統(tǒng)主要為導彈防御提供信息傳輸支持，通信衛(wèi)星系統(tǒng)CSS可表示為

式中:SC(CSS)表示衛(wèi)星結構模型，包括單星模式、中繼星模式、星座模式、網(wǎng)絡模式等;{Oj}表示衛(wèi)星的軌道參數(shù)集合;{Tj}表示衛(wèi)星天線的參數(shù)集合，包括天線的發(fā)射功率和指向;RP表示通信衛(wèi)星系統(tǒng)所采用的路由協(xié)議。

2.2 關系集

在導彈防御過程中，要素之間產生的關系主要有:目標彈與預警衛(wèi)星系統(tǒng)的關系RTM-ESS;導航衛(wèi)星系統(tǒng)與攔截彈的關系RIM-NSS;目標彈與預警雷達系統(tǒng)的關系RTM-ERS;目標彈與精密跟蹤雷達系統(tǒng)的關系RTM-TRS;攔截彈與目標彈的關系RIM-TM以及通信衛(wèi)星系統(tǒng)與其他要素間的關系RCSS。下面主要對空間信息系統(tǒng)涉及的關系進行描述。

1)目標彈與預警衛(wèi)星系統(tǒng)的關系。

目標彈與預警衛(wèi)星i之間的關系RTM-ES(i)可表示為

式中:Θ(i)，A0(i)分別表示導彈相對于預警衛(wèi)星的高低角和方位角。導彈與預警衛(wèi)星系統(tǒng)之間的關系RTM-ESS可表示為

式中:{RTM-ES(i)}表示所有預警衛(wèi)星與目標彈之間的關系集合;m表示預警衛(wèi)星系統(tǒng)中可以同時探測跟蹤到目標彈的衛(wèi)星數(shù)目。

2)導航衛(wèi)星系統(tǒng)與攔截彈的關系。

導航衛(wèi)星系統(tǒng)與攔截彈之間的關系RIM-NSS可表示為

式中:GDOP(t)表示在某一時刻t，導航衛(wèi)星系統(tǒng)相對于攔截彈的幾何構圖。

3)通信衛(wèi)星系統(tǒng)與其他要素間的關系。

只有當通信衛(wèi)星系統(tǒng)為要素之間的信息傳輸提供支持時，才存在通信衛(wèi)星系統(tǒng)與其他要素間的關系RCSS，可表示為

式中，τ表示要素通過通信衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸信息過程中的時間延遲。

結合以上的分析結果，導彈防御的系統(tǒng)學模型可進一步具體化為

3 空間信息系統(tǒng)的Agent模型

基于Agent的建模與仿真是一種自底向上的建模方法，適用于由分布式實體組成的復雜系統(tǒng)。這種方法通過將系統(tǒng)以及環(huán)境中的實體抽象成具有反應性和主動性的Agent，再用合適的多Agent體系結構來組裝這些Agent，從而建立整個系統(tǒng)的仿真模型。通過刻畫微觀實體的行為以及實體之間的交互，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體行為的模擬。基于Agent的建模與仿真方法旨在解釋規(guī)律性，所建模型的意義在于借助公式或參數(shù)的選擇來理解和解釋宏觀涌現(xiàn)規(guī)律［14］。由于導彈防御系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，所以選擇基于Agent的建模與仿真方法來構建系統(tǒng)要素的Agent模型。需要指出的是，BM/C3系統(tǒng)在導彈防御中的主要作用是信息分發(fā)、信息融合和決策，為了更好體現(xiàn)空間信息系統(tǒng)對導彈防御的支持作用，本文不考慮BM/C3系統(tǒng)的決策能力對攔截概率的影響。前面的要素集中沒有包含BM/C3系統(tǒng)是為了在這里應用基于Agent的建模與仿真方法，將BM/C3系統(tǒng)的信息分發(fā)與信息融合能力融入到系統(tǒng)模型定義的各個要素中。各個要素Agent之間的信息分發(fā)采用廣播形式，每個Agent只接收自己感興趣的信息并進行信息融合，同時將自身的相關信息向其他Agent廣播。這樣各個要素的Agent模型就具有了一定的智能性，從而更能體現(xiàn)要素之間的交互作用，便于對系統(tǒng)的復雜性進行仿真。

圖2 空間信息系統(tǒng)Agent的模型結構及相互關系Fig.2 The model structures of space information system Agent and their interrelations

依據(jù)2.1節(jié)中定義的要素集，可以對各個要素分別建立Agent模型。各個Agent模型的基本屬性由要素的屬性決定。所有Agent模型中都包括感知單元和通信單元，Agent通過感知單元實現(xiàn)對環(huán)境和目標的探測和測量，通過通信單元實現(xiàn)與其他Agent之間的通信。

圖2顯示了空間信息系統(tǒng)Agent的模型結構以及與其他Agent的信息交互關系。圖2中沒有將通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent與其他Agent的關系表示出來，因為只有當需要通信的兩個要素之間不滿足直接通信條件時，才會通過通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent來實現(xiàn)信息傳輸，所以通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent隱含在其他要素的通信過程中。通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent的模型結構如圖3所示。在空間信息系統(tǒng)Agent的模型結構中，參數(shù)估計單元、路由規(guī)劃單元以及定位測速單元都體現(xiàn)了各個Agent的智能性。這些單元通過感知外界信息，利用已有的知識(包括知識庫和衛(wèi)星星歷)以及自身的狀態(tài)信息(由衛(wèi)星系統(tǒng)基本屬性決定)融合產生新的信息。

圖3 通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent的模型結構Fig.3 The model structure of communication satellite system Agent

4 空間信息系統(tǒng)Agent的行為規(guī)則

在建立空間信息系統(tǒng)Agent的過程中，關鍵的一步是確定Agent的行為規(guī)則。從系統(tǒng)整體的角度看，空間信息系統(tǒng)Agent的行為規(guī)則由自身的功能決定。在確定行為規(guī)則的過程中需要注意以下3點。

1)行為規(guī)則的復雜度。

由于導彈防御是各種Agent相互作用的結果，如果空間信息系統(tǒng)Agent的行為規(guī)則過于復雜，則可能因計算機能力的限制使得仿真運行變得不可行。所以在建模中，Agent的行為規(guī)則描述很重要。在本文框架下，空間信息系統(tǒng)Agent的每條行為規(guī)則可描述成條件/動作的形式:IF＜condition＞THEN ＜do＞。

條件部分是Agent的感知信息，動作部分可以是一個簡單的輸出參量，如預警衛(wèi)星系統(tǒng)Agent輸出目標彈的概略位置和速度信息。也可以是一個規(guī)劃結果，如通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent輸出路由規(guī)劃結果。除此之外，在提取空間信息系統(tǒng)Agent的行為規(guī)則過程中，為避免過于復雜的規(guī)則，只考慮空間信息系統(tǒng)影響導彈防御的主要因素:時間和精度。

2)整體規(guī)則。

基于Agent的空間信息系統(tǒng)建模，一般都以單顆衛(wèi)星作為Agent個體來建模［15］。對于性能分析問題，所建立的衛(wèi)星Agent實質上是計算實體，對衛(wèi)星的行為規(guī)則都很少研究。本文所建立的空間信息系統(tǒng)Agent模型主要用于性能分析，整體規(guī)則是導航衛(wèi)星系統(tǒng)Agent、通信衛(wèi)星系統(tǒng)Agent以及預警衛(wèi)星系統(tǒng)Agent在觀測環(huán)境和目標不同情況下，所遵循的系統(tǒng)性能變化規(guī)律。整體規(guī)則可基于系統(tǒng)的整體能力建立。

3)行為規(guī)則的驗證。

現(xiàn)有基于Agent的衛(wèi)星建模與仿真大多利用VC等開發(fā)平臺實現(xiàn)［16］，因為目前基于Agent的主流仿真軟件，包括 Witness、Emplant、Extend、Arena、Anylogic 等都無法直接應用于衛(wèi)星Agent的仿真，這主要是由于所建立的Agent模型中對規(guī)則的研究較少。如果根據(jù)不同衛(wèi)星系統(tǒng)的功能建立符合系統(tǒng)整體的規(guī)則，就可直接利用現(xiàn)有基于Agent的仿真軟件對行為規(guī)則進行修改和驗證，最終建立符合系統(tǒng)實際的規(guī)則集合。

5 結束語

本文基于系統(tǒng)學理論提出了空間信息系統(tǒng)在導彈防御中的效能評估框架。通過建立系統(tǒng)學模型對導彈防御系統(tǒng)進行整體性分析，確定系統(tǒng)的要素集和關系集，利用基于Agent的建模與仿真方法對系統(tǒng)要素進行綜合集成。所提出的效能評估框架能較好地體現(xiàn)導彈防御系統(tǒng)和空間信息系統(tǒng)的整體性和復雜性，通過本文的評估框架，能夠建立空間信息系統(tǒng)的結構和參數(shù)與導彈防御效能(攔截概率)之間的聯(lián)系，所得到的評估結果能很好地解釋系統(tǒng)效能優(yōu)劣的原因。

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