衛星探測海洋目標的效能評估體系分析

(海軍裝備研究院，北京 102249)

1 引 言

隨著航天技術的不斷發展，衛星的性能不斷提高，數量不斷增加，地球觀測衛星系統在軍事及商業等領域發揮著越來越重要的作用[1]。如何有效地評價衛星系統的性能、優化衛星系統的頂層設計已經成為一個突出的問題。國內外已有學者[2-7]對衛星系統的效能指標進行研究，國內學者大多是針對方法本身的改進研究或者是諸多方法之間的比較，很少有基于實用化應用的多指標效能的綜合評估研究。

本文根據遙感衛星系統探測海上目標的應用需求，建立了面向頂層設計的衛星探測效能評價指標體系，通過仿真實例分析驗證了指標體系的實用性。

2 效能評估體系的建立過程

衛星系統探測海洋目標的能力研究的對象和系統比較復雜，難以用一項單一指標來度量，并且指標也是多維的。為了將多層次、多因素、復雜的評估問題用較科學的計量方法進行量化處理，首先必須針對評估對象構造一個科學的評估指標體系。這個指標體系必須將被評對象大量相互關聯、相互制約的復雜因素之間的關系層次化、條理化，并能夠區分它們各自對評估目標影響的重要程度，以及對那些只能定性評估的因素進行恰當、方便的量化處理。因此，建立實用化的衛星探測海洋目標效能評估體系是十分必要的。

評估指標體系要全面地反應出所要評估的系統的各項目標要求，盡可能做到科學、合理，且符合實際情況，并能為有關人員和部門所接受。

首先，衛星探測海洋目標效能評估體系在全面分析系統的基礎上，形成一個初步的、可供實際操作的評估指標體系；然后，經過廣泛征求專家和有關部門的意見，反復交換信息、統計處理和綜合歸納等；最后在實踐中檢驗，確定評估指標體系，如圖1所示。

圖1 衛星探測能力評估指標體系Fig.1 Satellite detection capability and its evaluating index system

3 效能評估體系中的權重

效能評估體系中的權重是以某種數量形式對比、衡量被評估對象總體中諸要素相對重要程度的量值，也就是各指標對總體目標的貢獻大小。衛星探測海洋目標的效能評估體系權重的確立采用主觀判斷法中的層次分析法。

由專家決策者填“√”得表，如表1所示。

表1 專家決策表Table 1 Expert decision table

由表1得到相應的矩陣A：

(1)

用特征根法(EM)得出A的主特征根約為7.087 1，相應的特征向量為

W=(-0.747 9 -0.314 8 -0.496 3 -0.111 3 -0.187 8 -0.111 3 -0.187 8)T

經歸一化后就能得到排序權重向量(0.346 7 0.145 9 0.230 0 0.051 6 0.087 1 0.051 6 0.087 1)T。該向量的分量就是該相應元素對于上層元素的相對權重。

4 衛星系統能力評價指標及其計算方法

在多衛星聯合調度的情況下，對某任務進行衛星系統能力評價分析。經過星地可見性分析，一些海上目標將具有被衛星拍攝的機會即時間窗口，另一些將沒有可用時間窗口。針對某一任務S一般具有多個時間窗口，將這些時間窗口都設為該偵察任務對應的可選訪問集合Vi。

衛星對海上目標觀測活動一般是在指定地理范圍內進行的，稱之為預警區域(Region of Warning，ROW)，用R進行表示。為了研究問題方便，需要對區域R進行離散化處理，將其分解為N×M個等大的網格。每個網格的狀態：

Pjk∈0，1，j=1，2，…，N；k=1，2，…，M

(2)

式中，j表示網格的列數,k表示網格的行數,Ρjk表示該網格點對于某類艦船的多星觀測能力值。

4.1 目標探測概率

探測活動的實踐表明，探測概率總是不確定的、隨機的，不能根據某一次探測的偶然結果來判定某種探測方式優劣，只有根據某種探測方式在相同條件下多次探測的效率的統計規律性，才能得出這種探測方式的效果好壞的科學尺度。用蒙特卡羅方法進行仿真可以反應出衛星探測艦船目標的隨機特性。

衛星對艦船目標的探測持續時間短，觀察與觀察之間有一定的空隙，因此它們屬于離散型的探測方式。衛星目標探測概率主要依據衛星群的衛星軌道設計、星載傳感器的側擺角等參數：

(3)

式中，gi是指第i次仿真中衛星對艦船目標的探測概率，n是指衛星仿真的次數。

4.2 跟蹤目標航跡擬合度

跟蹤目標航跡擬合度是指根據衛星發現艦船目標點時間窗口的信息模擬出的航跡與真實的目標航跡間的擬合量化程度：

(4)

式中，Tbegin,Tend表示評估衛星跟蹤艦船目標的時間段，xt,yt表示t時刻模擬航跡坐標，Xt,Yt表示t時刻真實航跡坐標。

4.3 區域平均感知度

區域感知度是指多顆衛星組成的探測群在一定時間內對預警區域內某個網格點的信息獲取能力的一種綜合量化程度。區域平均感知度是該預警區域內所有網格的感知度平均值。

根據連續馬爾科夫鏈，區域感知度存在以下幾種情況：

(1)當φn∈(-∞,ε)時，

(5)

(2)當φn∈ε,λ時，

(6)

(3)當φn∈(λ,+∞)時，Pjk(t)=0；

(4)在可見時間窗口[tn+1,tWinEndn+1]時間段內，Pjk(t)=1。

其中，φn表示衛星探測群的定位精度；ε表示針對不同的戰略戰役任務，根據專家經驗得出可接受的艦船目標活動分布誤差；根據蒙特卡羅仿真試驗研究，艦船目標的活動分布服從正態分布，λ為該正態分布曲線的單側置信限；vmax為該類艦船目標的最大航速，vmin為該類艦船目標的最小航速；衛星探測艦船目標能力存在兩個時間門限值T1=ε/vmax和T2=λ/vmax；Δt=tn+1-tWinEndn表示先后過頂兩衛星的時間間隔。

4.4 區域覆蓋率

區域覆蓋率是指在一個規劃時段內，衛星及其有效載荷通過側擺對指定偵察區域內的總的覆蓋范圍(去除重疊區域)與指定偵察區域范圍之比。這一指標的高低反映了不同的方案針對區域目標的處理能力。

(7)

式中，P為衛星覆蓋區域的次數，S為衛星重疊覆蓋的次數。

4.5 任務平均響應時間能力

任務響應時間是指從衛星偵察到目標時刻至目標偵察情報生成并送達目標地點，即任務被完成時刻的時間長度，它反映了衛星接收-處理-應用整環節的反應速度。針對不同的任務具體的響應時間不同，戰略偵察的任務從衛星過頂時刻至偵察信息到達戰略指揮中心，戰役戰術偵察的任務從衛星過頂時刻至武器信息平臺或指揮所。

任務平均響應時間能力是任務平均響應時間的倒數，能夠評估系統的平均反應能力：

(8)

式中，S是指某個偵察任務，EndTimei是指第i個任務的完成時刻，StartTimei是指第i個偵察到目標的衛星偵察時刻，Ns為所有任務的個數。

4.6 任務最大響應時間能力

(9)

任務最大響應時間的長度越短，任務最大響應時間能力值越大，衛星系統應用任務的快速反應能力越強。

4.7 探測目標時間分辨能力

時間分辨率是指衛星系統對若干目標重復偵察的時間間隔，探測目標時間分辨能力是時間分辨率的倒數。時間分辨率越小，探測目標時間分辨能力值越大，衛星系統對目標重復偵察的能力越強。

(10)

式中，n為衛星偵察目標次數，T為衛星偵察時間間隔。

5 仿真實例分析

在某海域劃定預警區域，并設置艦船目標航跡，如圖2所示。

圖2 衛星仿真想定預警區域圖Fig.2 A scenario regional map of early warning for satellite simulation

基于STK(衛星仿真工具包)，從AGI公司在網站上提供的衛星數據庫中選取兩組衛星群進行仿真。衛星群1衛星編號分別為tle-13301、tle-13916、tle-21655、tle-22739；衛星群2衛星編號分別為tle-22782、tle-22969、tle-23179、tle-23455。

根據衛星系統能力評價指標及其計算方法得出：衛星群1的指標向量為

(0.21 0.01 0.032 2 0.67 0.03)

衛星群2的指標向量為

(0.25 0.015 0.052 2 0.67 0.01)

根據層次分析法原理，通過指標向量和權重向量的乘積得出：衛星群1的評估指標為0.395 8，衛星群2的評估指標為0.413 2。仿真實驗說明，衛星群2探測海洋目標的綜合效能要強于衛星群1，衛星群2對該任務的需求相對是比較合適的。

6 結束語

本文以衛星探測海洋目標的能力評估為背景，建立了面向頂層設計的衛星探測能力評價指標體系，在分析建立各主要評價指標模型的基礎上，運用層次分析法，對衛星探測海洋目標的效能進行綜合評估。在此基礎上，通過一個仿真實例，驗證了指標體系的有效性。目前，國內關于衛星系統探測海洋目標的研究還比較少，需要進一步研究，這對于我國衛星應用的發展建設具有重要的意義。

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