天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結構建模研究*

萬敏，侯妍，王乾

(1.航天工程大學，北京 101416；2.中國人民解放軍 95685部隊，云南 昆明 650500)

0 引言

天基偵察監(jiān)視是以各種航天器為平臺，利用光電遙感器、雷達或無線電接收機等設備，在外層空間遂行偵察和監(jiān)視的軍事活動[1]。天基偵察監(jiān)視作為國家的戰(zhàn)略偵察手段之一，具有偵察范圍廣、面積大、速度快、效率高、不受國界和地理條件限制、效果好等特點，在多次現(xiàn)代戰(zhàn)爭和局部沖突中展現(xiàn)出強大的戰(zhàn)略威懾作用和支援作戰(zhàn)能力倍增器作用，成為了各大軍事大國研究和發(fā)展的重點[2]。體系結構是明確系統(tǒng)組成單元結構及其相互關系，以及指導系統(tǒng)設計和演進原則的重要基礎內(nèi)容[3]。體系結構既是軍隊作戰(zhàn)體系頂層設計的科學方法論，又是具體存在形式，對體系作戰(zhàn)能力的生成和提升有著重要的意義。

海戰(zhàn)場偵察監(jiān)視是天基偵察監(jiān)視系統(tǒng)的重要應用方向，是實施海上遠程精確打擊的重要信息源，是保障打贏現(xiàn)代海戰(zhàn)的重要支撐[4]。鑒于天基海洋監(jiān)視系統(tǒng)的重要作用和應用前景，研究和優(yōu)化天基海洋監(jiān)視作戰(zhàn)體系結構將有助于完善作戰(zhàn)模式，有利于提升海上作戰(zhàn)能力。本文基于美國國防部體系結構框架(department of defense architecture framework，DoDAF)對天基海洋偵察監(jiān)視作戰(zhàn)體系結構進行研究，從作戰(zhàn)視角出發(fā)，建立了相關體系結構模型，為開展天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)的作戰(zhàn)應用研究和頂層設計提供借鑒和參考。

1 天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成與功能

天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)是以支援海上作戰(zhàn)任務為牽引，通過獲取海戰(zhàn)場目標的圖像和信號信息，提供敵方海上力量部署、運動情況等情報，為制定作戰(zhàn)指揮決策、打擊目標指示和效果評估提供支持[5]。

天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)主要由偵察衛(wèi)星系統(tǒng)、測控與接收系統(tǒng)、中繼傳輸系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、任務管控系統(tǒng)、應用服務系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition of space based marine reconnaissance and surveillance system

偵察衛(wèi)星系統(tǒng)是由光學成像、雷達成像、電子等偵察衛(wèi)星組成的情報獲取系統(tǒng)，承擔目標搜索、跟蹤指示的關鍵使命與任務。

測控與接收系統(tǒng)是利用陸基測控站、海基測量船、天基中繼衛(wèi)星等測控資源和地面固定接收站資源構建而成的衛(wèi)星測控和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，承擔對各類偵察衛(wèi)星跟蹤測量與遙測、遙控與運控指令發(fā)送、偵察數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)接收等任務。

中繼傳輸系統(tǒng)是利用靜止軌道和高軌道中繼衛(wèi)星組成的天基信息傳輸系統(tǒng)，承擔建立星地通信鏈路，完成偵察數(shù)據(jù)實時接收和傳輸?shù)娜蝿铡?/p>

信息處理系統(tǒng)是由地面專業(yè)應用處理設備及軟件組成的數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)，承擔處理衛(wèi)星下傳的偵察數(shù)據(jù)，輸出偵察目標狀態(tài)信息，生成情報產(chǎn)品的任務。

任務管控系統(tǒng)是對任務流程和星地系統(tǒng)工作狀態(tài)進行控制和監(jiān)視的系統(tǒng)，承擔綜合籌劃用戶偵察需求，制定任務規(guī)劃方案，統(tǒng)一管控偵察衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、地面固定站、機動站等資源，對業(yè)務流程和星地系統(tǒng)工作狀態(tài)實時監(jiān)控的任務。

應用服務系統(tǒng)是匯集信息處理后情報數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，承擔向各級用戶提供情報匯集整理、查詢下載、定向推送、輔助分析等任務。

1.2 系統(tǒng)作戰(zhàn)流程

根據(jù)John R.Boyd提出的OODA作戰(zhàn)環(huán)理論，每次作戰(zhàn)行動都可以用循環(huán)往復的“觀察(observe)—判斷(orient)—決策(decide)—行動(act)”過程來進行描述[6]。在此，基于OODA環(huán)理論描述天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)支援下典型海上作戰(zhàn)過程，來定位天基海洋監(jiān)視系統(tǒng)在作戰(zhàn)活動中的功能，體現(xiàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力。

(1) O-觀察，根據(jù)指揮中心和作戰(zhàn)單元(應急響應情況)的偵察需求，制定衛(wèi)星偵察任務規(guī)劃的方案，上傳指令，執(zhí)行偵察監(jiān)視任務，獲取海戰(zhàn)場的圖像與信號等數(shù)據(jù)信息。

(2) O-判斷，地面站接收偵察衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù)信息，并傳回數(shù)據(jù)處理中心，進行數(shù)據(jù)處理，生成相應的情報產(chǎn)品，并將情報產(chǎn)品分發(fā)給指揮中心和作戰(zhàn)單元(應急響應情況)，用以了解目標信息和掌握海戰(zhàn)場態(tài)勢。

(3) D-決策，指揮中心根據(jù)情報信息，結合作戰(zhàn)目標，擬制作戰(zhàn)方案，定下作戰(zhàn)決心，制定作戰(zhàn)計劃，做出打擊目標的指示并將作戰(zhàn)命令下達給各作戰(zhàn)單元。

(4) A-行動，作戰(zhàn)單元接收到作戰(zhàn)命令后，將打擊目標信息裝訂進武器系統(tǒng)中，在衛(wèi)星傳送的目標信息的支援下，對目標實施打擊。

在完成一階段的打擊后，對目標實施打擊效果評估。根據(jù)評估結果來判斷是否達到作戰(zhàn)目標，以引導是否進入下一階段的OODA作戰(zhàn)環(huán)，形成循環(huán)往復的作戰(zhàn)閉環(huán)回路。

2 體系結構建模方法

2.1 DODAF體系結構框架

DoDAF是美國國防部制定的一種用于指導所有軍事項目研發(fā)的系統(tǒng)工程方法論，來源于為規(guī)范軍事信息系統(tǒng)而提出的C4ISR(command, control, communication, computer, intelligence, surveillance, reconnaissance)體系結構框架。經(jīng)過多年的實踐發(fā)展，DoDAF先后經(jīng)歷了V1.0,V1.5,V2.0 3個大版本更新，目前應用最廣泛的是V2.0版本[7-9]。

相較于早期版本的DoDAF體系結構框架，DoDAF V2.0將之前以產(chǎn)品為中心的開發(fā)模式轉向了以數(shù)據(jù)為中心，從原先的全景視圖、作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)與服務視圖、技術標準視圖4種視圖(view)擴展轉變?yōu)槿暯恰?shù)據(jù)與信息視角、標準視角、能力視角、作戰(zhàn)視角、服務視角、系統(tǒng)視角和項目視角8種視角(viewpoint)[10-11]，如圖2所示。

圖2 DoDAF體系結構視圖Fig.2 DoDAF system architecture viewpoint

DoDAF V2.0從多視角設計開發(fā)體系結構，可以更詳盡地描述體系結構的不同方面，其核心是58個模型，這些模型以易讀易理解的方式收集、組織和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。這些模型的表現(xiàn)形式主要由圖表型、表格型、結構型、映射型、本體型、行為型等，不同表現(xiàn)形式反映其表現(xiàn)功能的特點，如靜態(tài)關系、動態(tài)關系、時序關系、狀態(tài)轉換等。把模型有機地組合即可構成相應的視角，各視角按定義組合即構成了整個體系結構的描述[12]。

2.2 體系結構建模步驟

基于DoDAF的體系結構設計有一個重要的設計原則——“適用”，即對于體系結構設計，一般不需要建立所有的體系結構模型，而是根據(jù)關注的重點和需求選取合適的視角建立相關模型，以更好地表達應用需求和設計意圖[13]。

針對于天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結構設計，本文選擇從作戰(zhàn)視角切入，對天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)支援海上作戰(zhàn)行動的過程進行建模和分析，相較于其他視角，作戰(zhàn)視角建模能夠更好地從作戰(zhàn)實踐角度描述天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)體系結構。

根據(jù)設計的需要，選取DoDAF作戰(zhàn)視圖中的OV-1頂層作戰(zhàn)概念圖、OV-4組織關系圖、OV-2作戰(zhàn)資源流描述、OV-3作戰(zhàn)資源流矩陣、OV-5a作戰(zhàn)活動分解樹、OV-6b作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型，OV-6c作戰(zhàn)事件跟蹤模型進行靜態(tài)建模。在DoDAF框架中，各視圖模型之間并沒有嚴格的先后順序，但部分模型存在內(nèi)在聯(lián)系和相互依賴的關系，因此在體系結構設計時需要加以考慮[14-15]。

基于以上，本文按照確定體系作戰(zhàn)概念，明確作戰(zhàn)節(jié)點指揮關系，描述作戰(zhàn)流程，確定作戰(zhàn)節(jié)點連接關系和信息交互的順序，設計建模流程如圖3所示。

圖3 建模流程Fig.3 Modeling process

(1) 結合作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)單位、作戰(zhàn)活動等信息，確定體系作戰(zhàn)概念，創(chuàng)建頂層作戰(zhàn)概念圖，即建立OV-1。

(2) 明確作戰(zhàn)節(jié)點的指揮層次以及作戰(zhàn)單位間的指揮關系，參考頂層作戰(zhàn)概念圖，創(chuàng)建組織關系圖，即建立OV-4。

(3) 結合系統(tǒng)功能分析、作戰(zhàn)流程以及作戰(zhàn)需求信息，參考頂層作戰(zhàn)概念圖，創(chuàng)建作戰(zhàn)資源流描述和作戰(zhàn)資源流矩陣，即建立OV-2與OV-3。

(4) 根據(jù)作戰(zhàn)任務，結合作戰(zhàn)流程，將作戰(zhàn)活動逐級具體分解，創(chuàng)建作戰(zhàn)活動分解樹，即建立OV-5a。

(5) 根據(jù)作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)活動與作戰(zhàn)信息等內(nèi)容，參考作戰(zhàn)資源流描述與作戰(zhàn)活動樹分解，創(chuàng)建作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型和作戰(zhàn)事件跟蹤模型，即建立OV-6a與OV-6c。

3 作戰(zhàn)體系結構模型

3.1 頂層作戰(zhàn)概念圖OV-1

OV-1頂層作戰(zhàn)概念圖是對作戰(zhàn)概念的高層次圖形或文本描述，它通過形式化的描述方式，將作戰(zhàn)背景、關鍵作戰(zhàn)節(jié)點、作戰(zhàn)對象，作戰(zhàn)活動等信息表示出來，以幫助戰(zhàn)略決策者理解與交流。結合1.2節(jié)中基于OODA環(huán)的作戰(zhàn)流程描述內(nèi)容，設計頂層作戰(zhàn)概念圖如圖4所示。

圖4 頂層作戰(zhàn)概念圖OV-1Fig.4 High-level operational concept graphic OV-1

3.2 組織關系圖OV-4

OV-4組織關系圖是對體系結構中重要的作戰(zhàn)力量、機構、組織之間的指揮關系以及其內(nèi)部包含的作戰(zhàn)人員角色和類別的描述。根據(jù)天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)支援海上作戰(zhàn)的任務需求、作戰(zhàn)流程，結合OV-1模型以及現(xiàn)實作戰(zhàn)力量組織構架，設計組織關系圖如圖5所示。

圖5 組織關系圖OV-4Fig.5 Organizational relationships chart OV-4

圖5中，天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)體系涉及太空信息支援機構的多個部門與組織，主要有偵察衛(wèi)星管控中心、數(shù)據(jù)處理與情報分析中心、衛(wèi)星測控與數(shù)據(jù)接收中心、中繼衛(wèi)星管控中心。

偵察衛(wèi)星管控中心職責與系統(tǒng)組成中任務管控系統(tǒng)(偵察)部分功能對應，負責受理和綜合偵察需求，生成相應的偵察任務，并對偵察任務進行規(guī)劃，調度偵察衛(wèi)星完成偵察任務。

數(shù)據(jù)處理與情報分析中心與系統(tǒng)組成中信息處理系統(tǒng)和應用服務系統(tǒng)功能對應，負責對偵察衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理，生成情報產(chǎn)品，并將情報信息傳送給各級用戶。

衛(wèi)星測控與數(shù)據(jù)接收中心與系統(tǒng)組成中測控與接收系統(tǒng)功能對應，負責對偵察衛(wèi)星進行測量控制，對偵察數(shù)據(jù)進行接收。

中繼衛(wèi)星管控中心與系統(tǒng)組成中繼傳輸系統(tǒng)和任務管控系統(tǒng)(中繼)部分功能對應，負責受理和綜合中繼傳輸需求，生成中繼傳輸任務，對中繼傳輸任務進行規(guī)劃，調度中繼衛(wèi)星完成中繼傳輸任務。

在作戰(zhàn)中，這些機構與組織歸屬于戰(zhàn)役層的天基海洋偵察監(jiān)視指揮機構，相互配合完成偵察監(jiān)視任務。天基海洋偵察監(jiān)視指揮機構與聯(lián)合作戰(zhàn)指揮部形成支援與被支援的關系，提供作戰(zhàn)中所需的戰(zhàn)場態(tài)勢信息、作戰(zhàn)目標信息等服務。

3.3 作戰(zhàn)資源流描述OV-2

OV-2作戰(zhàn)資源流描述是對作戰(zhàn)活動資源間的信息交流進行的描述，通過圖形化的方式，利用需求線，確定信息在重要作戰(zhàn)節(jié)點間的交互內(nèi)容與流向，以更好地幫助指揮人員理解信息在作戰(zhàn)體系中的傳輸過程。作戰(zhàn)資源流描述如圖6所示。

圖6中，天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)體系中的主要作戰(zhàn)節(jié)點包括聯(lián)合作戰(zhàn)指揮節(jié)點、偵察任務管控與數(shù)據(jù)處理節(jié)點、地面站節(jié)點、中繼衛(wèi)星節(jié)點、偵察衛(wèi)星節(jié)點、作戰(zhàn)單元節(jié)點。

偵察任務管控與數(shù)據(jù)處理節(jié)點是作戰(zhàn)活動中的核心節(jié)點，對應系統(tǒng)組成中的信息處理、任務管控(偵察部分)與應用服務系統(tǒng)，對應組織結構中偵察衛(wèi)星管控中心和數(shù)據(jù)處理與情報分析中心，節(jié)點交互的信息主要為偵察需求、情報信息、衛(wèi)星運控指令、衛(wèi)星測量信息與偵察數(shù)據(jù)信息。

地面站節(jié)點對應系統(tǒng)組成中的測控與接收系統(tǒng)，對應組織結構中的衛(wèi)星測控中心，節(jié)點交互的信息主要為衛(wèi)星運控指令、衛(wèi)星測控指令、衛(wèi)星遙測信息、衛(wèi)星測量信息與偵察數(shù)據(jù)信息。

中繼衛(wèi)星節(jié)點對應系統(tǒng)組成中的中繼傳輸系統(tǒng)和任務管控(中繼部分)系統(tǒng)，對應組織結構中的中繼衛(wèi)星管控中心，節(jié)點交互的信息主要為衛(wèi)星測運控指令、衛(wèi)星遙測信息與偵察數(shù)據(jù)信息。

偵察衛(wèi)星節(jié)點對應系統(tǒng)組成中的偵察衛(wèi)星系統(tǒng)，節(jié)點交互信息主要為衛(wèi)星測運控指令、偵察數(shù)據(jù)信息、衛(wèi)星遙測信息與目標信息。

圖6 作戰(zhàn)資源流描述OV-2Fig.6 Operational resource flow description OV-2

聯(lián)合作戰(zhàn)指揮節(jié)點對應組織結構中的指揮單元，節(jié)點交互的信息主要為偵察需求、情報信息與作戰(zhàn)命令。

作戰(zhàn)單元節(jié)點對應組織結構中的作戰(zhàn)單元，交互的信息主要為作戰(zhàn)命令、情報信息和目標信息，應急響應的情況下，可以與偵察任務管控與數(shù)據(jù)處理節(jié)點發(fā)生直接聯(lián)系，進行偵察需求和情報信息的交互。

3.4 作戰(zhàn)資源流矩陣OV-3

OV-3作戰(zhàn)資源流矩陣是對作戰(zhàn)活動中作戰(zhàn)節(jié)點間交換的資源及交換屬性的描述。OV-3以表格化方式對OV-2中信息交互內(nèi)容與方式進行描述與補充。作戰(zhàn)資源流矩陣如表1所示。

表1 作戰(zhàn)資源流矩陣OV-3Table 1 Operational resource flow matrix OV-3

3.5 作戰(zhàn)活動分解樹OV-5a

OV-5a作戰(zhàn)活動分解樹是以層次分解的方式對為完成作戰(zhàn)活動而開展的各種活動以及活動之間關系的描述。

結合天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)任務及流程，將天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)活動具體分解為需求管理、任務控制、搜索發(fā)現(xiàn)、識別確認、作戰(zhàn)指揮、目標打擊、效果評估7個次級活動，并對次級活動進一步分解，形成作戰(zhàn)活動分解樹如圖7所示。

圖7 作戰(zhàn)活動分解樹OV-5aFig.7 Operational activity decomposition tree OV-5a

3.6 作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型OV-6b

OV-6b作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型是對作戰(zhàn)活動中節(jié)點對各種事件的響應以及自身狀態(tài)轉變過程的描述。作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型如圖8所示。

圖8 作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型OV-6bFig.8 State transition description OV-6b

圖8中，作戰(zhàn)狀態(tài)起始于提出需求事件，在效果評估達到目的后結束，期間經(jīng)歷需求管理、任務控制、搜索發(fā)現(xiàn)、識別確認、指揮決策、目標打擊、效果評估等活動，整個作戰(zhàn)狀態(tài)轉換過程與作戰(zhàn)流程相對應。

3.7 作戰(zhàn)事件跟蹤模型OV-6c

OV-6c作戰(zhàn)事件跟蹤模型是對作戰(zhàn)節(jié)點之間發(fā)生事件以及交互信息時間排序的描述。作戰(zhàn)事件跟蹤模型如圖9所示。

圖9中，方框表示各作戰(zhàn)節(jié)點，虛線表示時間線，時間線之間的箭頭表示節(jié)點間發(fā)生的流轉事件，通過作戰(zhàn)事件跟蹤模型，直觀地描述了作戰(zhàn)活動中事件的序列走向，有效地反映了天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)的動態(tài)過程。

4 結束語

本文研究了基于DoDAF的體系結構建模方法，并運用此方法在作戰(zhàn)應用層面，從作戰(zhàn)視角出發(fā)，建立了天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結構模型，從總體上明確了天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)應用的概念，描述了作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)節(jié)點、作戰(zhàn)信息等要素之間的交互關系，對更好地理解和掌握天基海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)作戰(zhàn)應用提供了幫助和參考，為進一步開展作戰(zhàn)體系頂層設計與作戰(zhàn)模式創(chuàng)新提供了借鑒和支持。

本文根據(jù)研究需求建立的體系結構模型為靜態(tài)模型，在后續(xù)的研究中，利用仿真軟件將靜態(tài)模型轉換為動態(tài)模型，并對模型合理性以及系統(tǒng)資源利用率、活動執(zhí)行時間等指標進行驗證與仿真分析，以定量的結果分析為體系建設和結構優(yōu)化提供參考。