基于結構方程模型的衛(wèi)星應用體系評估研究

孫盛智,鄭 高,孟春寧

(武警海警學院 a.電子技術系； b.機電管理系， 浙江 寧波 315801)

針對當前衛(wèi)星應用體系評估方法受主觀因素影響較大，缺乏足夠的說服力，本文結合結構方程模型(Structural Equation Modeling,SEM)[1]，提出了一種更加客觀的衛(wèi)星應用體系評估方法。該方法建立在衛(wèi)星應用能力體系、衛(wèi)星應用裝備體系和衛(wèi)星應用技術體系聚合關系基礎上，分析了內在的固有屬性，可以為制定衛(wèi)星應用體系的發(fā)展規(guī)劃提供決策支持[2]。

1 結構方程模型基本原理

結構方程模型于20世紀70年代初由Karl.Joreskog提出，是應用線性方程系統(tǒng)表示顯變量與潛變量之間，以及潛變量之間關系的一種統(tǒng)計方法[3]。其基本思想是：如果某些變量不能直接觀測(潛變量)，但是可以通過一些能夠直接觀測的變量(顯變量)進行表征，即可以建立兩者之間的映射關系，通過分析顯變量，來發(fā)掘潛變量之間的隱藏關系[4-5]。

結構方程模型中，依據(jù)變量的觀測屬性及影響關系，可以劃分為顯變量、潛變量、外生變量和內生變量四種類型[6]。其中，顯變量是能夠直接觀察或直接測量獲得，獲得的數(shù)據(jù)可以轉化為量化數(shù)據(jù)，通常也稱觀測變量、測量變量和外顯變量；潛變量是不可直接測量或無法直接觀察得到的，只能以間接的方式推論出來，通常也稱無法觀察的變量、建構變量[7]；外生變量是不受其他任何變量影響但對于其他變量存在影響的變量，通常也稱自變量、上游變量；內生變量是受到任何一個其他變量影響的變量，通常也稱因變量、上游變量[3]。結構方程模型示意圖如圖1。

圖1 結構方程模型示意圖

在結構模型中，γ11和γ21是外生潛變量ξ1和ξ2對中介潛變量η1的結構系數(shù)，反映外生潛變量ξ1和ξ2和中介潛變量η1之間的結構關系，γ12和γ22是外生潛變量ξ1和ξ2對內生潛變量η2的結構系數(shù)，反映外生潛變量ξ1和ξ2和內生潛變量η2之間的結構關系。φ21是外生潛變量ξ1和ξ2之間的結構系數(shù)，反映外生潛變量ξ1和ξ2之間的結構關系，β21是外因潛變量η1對內因潛變量η2的結構系數(shù)，反映外因潛變量η1和內因潛變量η2之間的結構關系。ζ1和ζ2是中介潛變量η1和內生潛變量η2的殘差項。

在明確變量的基礎上，結構方程模型通過測量模型和結構模型來表示。

測量方程模型：X=ΛXξ+δ，Y=ΛYη+ε

結構方程模型：η=Bη+Γξ+ζ

上述結構方程模型中所用的符號及定義如表1所示。

表1 結構方程模型符號及定義

矩陣方程式中的變量與路徑圖中變量的對應關系為

測量模型和結構模型設定之后，結構方程模型分析的基本框架也搭建完畢，此時，初步構建的理論模型所包含的所有關系都可以通過結構方程模型路徑圖或結構方程模型方程式的形式顯現(xiàn)。目前結構方程模型的構件、參數(shù)的估計以及評估修正的過程通?？梢酝ㄟ^LISREL、AMOS、SAS[8-9]等分析軟件實現(xiàn)，本文主要使用AMOS軟件進行分析。

2 衛(wèi)星應用體系評估過程

基于結構方程模型的衛(wèi)星應用體系評估的基本過程是從衛(wèi)星應用技術體系、衛(wèi)星應用裝備體系和衛(wèi)星應用能力體系出發(fā)，對衛(wèi)星應用體系進行評估。在獲取衛(wèi)星應用技術體系、衛(wèi)星應用裝備體系和衛(wèi)星應用能力體系樣本數(shù)據(jù)基礎上，建立從衛(wèi)星應用技術映射到衛(wèi)星應用裝備，再從衛(wèi)星應用裝備映射到衛(wèi)星應用能力的解析模型，其中建立衛(wèi)星應用技術與衛(wèi)星應用裝備，以及衛(wèi)星應用裝備與衛(wèi)星應用能力之間的解析模型是該方法的核心。建模步驟如下：

1) 提取作戰(zhàn)方案的關鍵要素。根據(jù)基本作戰(zhàn)想定，分析作戰(zhàn)方案，提取構成作戰(zhàn)方案的衛(wèi)星應用體系關鍵要素指標。

2) 構建衛(wèi)星應用體系評估指標體系。以衛(wèi)星應用關系為基礎，對衛(wèi)星應用體系指標進行細化分解，建立衛(wèi)星應用體系的評估指標體系。

3) 獲取衛(wèi)星應用技術體系、衛(wèi)星應用裝備體系和衛(wèi)星應用能力體系的樣本數(shù)據(jù)。如果條件允許，可以使用真實數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)；在難以獲得真實數(shù)據(jù)時，使用專家打分法、調查問卷法獲取樣本數(shù)據(jù)。

4) 推導解析模型。建立衛(wèi)星應用體系評估的結構方程模型，進行參數(shù)估計，推導衛(wèi)星應用技術體系指標映射到衛(wèi)星應用裝備體系指標，以及衛(wèi)星應用裝備體系指標映射到衛(wèi)星應用能力體系指標的解析模型。

5) 評估衛(wèi)星應用體系。根據(jù)解析模型對衛(wèi)星應用體系的影響要素進行分析。

基于結構方程模型的衛(wèi)星應用體系評估過程如圖2所示。

圖2 基于結構方程模型的衛(wèi)星應用體系評估過程

3 實例分析

現(xiàn)以某次遠程精確打擊為例，對衛(wèi)星應用體系評估進行驗證。遠程精確打擊作戰(zhàn)模擬，如圖3所示。

圖3 遠程精確打擊作戰(zhàn)模擬

3.1 作戰(zhàn)想定與衛(wèi)星應用方案設計

基本想定：藍方出動水面艦艇編隊欲攻擊紅方重要軍事目標，紅方偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)藍方艦艇編隊的活動跡象，并對目標周圍海域進行搜索，意圖在藍方艦艇編隊發(fā)動攻擊前，出動海軍航空兵對其進行攻擊，消滅威脅[10-11]。

衛(wèi)星應用方案設計：紅方依靠海洋環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星探測藍方艦艇編隊水域的水文氣象情況，判斷戰(zhàn)場環(huán)境是否滿足實施遠程精確打擊，根據(jù)偵察衛(wèi)星和海洋監(jiān)視衛(wèi)星實時監(jiān)視藍方睡眠艦艇編隊的航向、航速，紅方聯(lián)合作戰(zhàn)指揮部通過衛(wèi)星通信下達作戰(zhàn)命令到海軍航空兵部隊，海航戰(zhàn)斗機依靠太空導航定位系統(tǒng)到達目標打擊區(qū)域范圍后，搜索藍方艦艇編隊，根據(jù)艦艇類型確定攻擊武器的類型，并發(fā)動攻擊。

3.2 結構方程模型構建

根據(jù)實際的調研結果，衛(wèi)星應用技術貢獻度越大，衛(wèi)星應用裝備作戰(zhàn)效能越強，則衛(wèi)星應用能力越強，因此，衛(wèi)星應用技術貢獻度越大，衛(wèi)星應用能力也越強。衛(wèi)星應用技術體系、衛(wèi)星應用裝備體系、衛(wèi)星應用能力體系是主要潛變量，分別構建它們的觀測變量。結構方程模型中的顯變量和潛變量如表2所示[12]。

根據(jù)結構方程模型理論和潛變量、顯變量之間的關系，衛(wèi)星應用體系評估結構方程模型如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星應用體系評估結構模型

潛變量顯變量衛(wèi)星應用技術體系(M)衛(wèi)星應用體系構建技術貢獻度(M1)衛(wèi)星系統(tǒng)運行控制技術貢獻度(M2)衛(wèi)星信息處理技術貢獻度(M3)衛(wèi)星應用終端技術貢獻度(M4)衛(wèi)星應用裝備體系(S)信息獲取類衛(wèi)星應用裝備作戰(zhàn)效能(S1)信息傳輸類衛(wèi)星應用裝備作戰(zhàn)效能(S2)時空基準類衛(wèi)星應用裝備作戰(zhàn)效能(S3)綜合類衛(wèi)星應用裝備作戰(zhàn)效能(S4)衛(wèi)星應用能力體系(P)太空偵察監(jiān)視能力(P1)太空預警探測能力(P2)太空通信中繼能力(P3)太空導航定位能力(P4)戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測能力(P5)

其中，衛(wèi)星應用技術體系是一個外生潛變量；衛(wèi)星應用裝備體系是一個內生中介變量，在受到衛(wèi)星應用技術體系影響作用的同時，又作用于衛(wèi)星應用能力體系；衛(wèi)星應用能力體系是一個內生潛變量，同時受到衛(wèi)星應用裝備體系和衛(wèi)星應用技術體系的作用。

依據(jù)衛(wèi)星應用體系評估結構方程模型，建立衛(wèi)星應用體系評估結構方程模型路徑圖，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星應用體系評估結構方程模型路徑

結構方程模型可以表示為：

結構方程：

η=Bη+Γξ+ζ

測量方程：

X=ΛXξ+δ

Y=ΛYη+ε

模型中，外生顯變量(用p表示)、內生顯變量(用q表示)的數(shù)量分別為4個和9個，未知參數(shù)數(shù)量為31個，根據(jù)t規(guī)則，t=31≤(p+q)*(p+q+1)/2=91，所以結構方程模型是可以識別的。

根據(jù)結構方程模型測量方程推導，通過顯變量來構建潛變量。

衛(wèi)星應用技術體系評估模型：

衛(wèi)星應用裝備體系評估模型：

衛(wèi)星應用能力體系評估模型：

根據(jù)結構方程模型結構方程推導，構建潛變量之間的線性關系。

衛(wèi)星應用裝備體系與衛(wèi)星應用技術體系線性關系模型：

η1=λ1ξ+ζ1

衛(wèi)星應用能力體系與衛(wèi)星應用裝備體系、衛(wèi)星應用技術體系線性關系模型：

η2=β21η1+λ2ξ+ζ2

3.3 結果分析

由于缺乏真實的衛(wèi)星應用體系樣本數(shù)據(jù)，通過調查問卷的方法，收集獲取500組衛(wèi)星應用體系的樣本數(shù)據(jù)。得到樣本數(shù)據(jù)如表3所示，由于篇幅關系，此處只列舉部分數(shù)據(jù)。

表3 衛(wèi)星應用體系樣本數(shù)據(jù)

使用AMOS構建模型，輸入樣本數(shù)據(jù)，進行參數(shù)估計，并對模型進行評估修正，最后得到結構方程模型的路徑圖，如圖6。

圖6 結構方程模型路徑

根據(jù)測量方程推導，通過顯變量來構建潛變量。

衛(wèi)星應用技術體系評估模型：

ξ=2.202 6x1+2.943 2x2+3.230 0x3+

3.612 7x4-0.176 8

衛(wèi)星應用裝備體系評估模型：

η1=0.952 0y1+0.894 8y2+0.753 5y3+

0.461 0y4-0.021 3

衛(wèi)星應用能力體系評估模型：

η2=0.589 1y5+0.253 3y6+0.575 0y7+0.588 2y8+

0.396 7y9-0.018 7

從上述模型中潛變量與顯變量之間的關系可以得出，相對于衛(wèi)星應用技術體系，衛(wèi)星應用終端技術、衛(wèi)星信息處理技術、衛(wèi)星系統(tǒng)運行控制技術、衛(wèi)星應用體系構建技術的影響依次減弱；相對于衛(wèi)星應用裝備體系，信息獲取類衛(wèi)星應用裝備、信息傳輸類衛(wèi)星應用裝備、時空基準類衛(wèi)星應用裝備、綜合類類衛(wèi)星應用裝備的影響依次減弱；相對于衛(wèi)星應用能力體系，太空偵察監(jiān)視能力、太空導航定位能力、太空通信中繼能力、戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測能力、太空預警探測能力的影響依次減弱。

根據(jù)結構方程推導，構建潛變量之間的線性關系。

衛(wèi)星應用裝備體系與衛(wèi)星應用技術體系線性關系模型：

η1=0.230 6ξ+0.067 3

衛(wèi)星應用能力體系與衛(wèi)星應用裝備體系、衛(wèi)星應用技術體系線性關系模型：

η2=0.189 3η1+0.118 3ξ+0.034 7

從上述模型中潛變量之間的關系可以得出，相對于衛(wèi)星應用能力體系，衛(wèi)星應用裝備對提高衛(wèi)星應用能力的影響更大；而相對于衛(wèi)星應用裝備體系，僅有衛(wèi)星應用技術會影響衛(wèi)星應用裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，與衛(wèi)星應用能力無關，這也符合衛(wèi)星應用體系的內在規(guī)律。

4 結論

結構方程模型在醫(yī)學、統(tǒng)計學等民生領域得到廣泛的應用，但在軍事領域的應用尚不廣泛。本文針對結構方程模型在衛(wèi)星應用體系評估領域展開研究，對拓展太空信息在軍事領域的應用具有重要意義。同時，本文也存在很多問題，如衛(wèi)星應用體系評估指標不完善、模型的評估沒有達到最優(yōu)效果等，在下一步研究中將逐步改進。