基于用戶需求滿足度的遙感衛(wèi)星偵察體系效能評估方法研究*

許益喬，張占月，王登林，張 剛

（1.航天工程大學(xué)，北京 101416；2.北京遙感信息研究所，北京 100011）

0 引言

遙感衛(wèi)星能夠獲取全球戰(zhàn)略目標(biāo)影像、感知陸海戰(zhàn)場態(tài)勢和電磁環(huán)境，具有偵察范圍廣、時效快、區(qū)域遠(yuǎn)、不受國界地形限制等特點，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應(yīng)用越來越廣泛。對遙感衛(wèi)星偵察體系的效能進行客觀科學(xué)的評估，是一項十分重要的工作。近年來，一些學(xué)者對遙感衛(wèi)星偵察手段的作戰(zhàn)效能展開了一系列研究，其中文獻[1-4]對偵察衛(wèi)星具體性能的指標(biāo)評估進行了研究，文獻[5-7]從遙感衛(wèi)星圖像質(zhì)量的角度進行了評估研究，但都未將衛(wèi)星系統(tǒng)的站網(wǎng)資源應(yīng)用、信息傳輸?shù)纫蛩丶{入評估體系；文獻[8-9]從面向任務(wù)的角度，分別對電子偵察衛(wèi)星體系和成像偵察衛(wèi)星體系進行了評估模型的構(gòu)建，但主要考慮裝備層面在理想條件下的應(yīng)用；文獻[10-11]分別從遙感衛(wèi)星偵察在海洋監(jiān)視方面和對海打擊方面的應(yīng)用出發(fā)，研究了衛(wèi)星體系效能評估方法，但是未能考慮遙感衛(wèi)星偵察體系及不同類型目標(biāo)綜合偵察運用的問題。遙感衛(wèi)星偵察的最終目的是提供情報保障，對其進行評估應(yīng)當(dāng)圍繞用戶需求展開。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，從遙感衛(wèi)星偵察體系綜合運用入手，提出面向用戶需求的遙感衛(wèi)星偵察體系的作戰(zhàn)效能評估方法，為系統(tǒng)評估遙感衛(wèi)星偵察體系能力奠定基礎(chǔ)。

1 遙感衛(wèi)星偵察體系運行流程

1.1 運行流程簡介

遙感衛(wèi)星偵察體系一般由天基偵察衛(wèi)星、測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成，運行流程圍繞偵察任務(wù)分為用戶需求受理、偵察任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)管理控制、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)信息處理、情報分析整編、產(chǎn)品共享分發(fā)、用戶評價反饋等8個步驟，如圖1所示。從運行流程看，遙感衛(wèi)星偵察的情報產(chǎn)品是遙感衛(wèi)星偵察體系內(nèi)部聯(lián)動籌劃、指揮控制、資源調(diào)配對外的最終結(jié)果，需通過偵察目標(biāo)制定、數(shù)據(jù)中繼、數(shù)據(jù)處理、情報整編、測運控資源調(diào)用等一體協(xié)同完成，既涉及到專業(yè)的情報業(yè)務(wù)，又涉及到作為系統(tǒng)支撐的衛(wèi)星管控和資源調(diào)配。體系運行時單個環(huán)節(jié)延誤或者測運控、數(shù)傳流程堵塞，很可能造成偵察任務(wù)的失敗，因此，要完整評估遙感衛(wèi)星作戰(zhàn)效能，需要圍繞終端，即遙感衛(wèi)星偵察情報產(chǎn)品對用戶需求的滿足度展開。

圖1 遙感衛(wèi)星偵察運行流程示意圖

1.2 衛(wèi)星偵察體系的綜合使用

不同類型的遙感衛(wèi)星適用不同的任務(wù)場景，電子偵察衛(wèi)星偵察幅寬大，適合對海上目標(biāo)搜索跟蹤；高分辨率成像偵察衛(wèi)星幅寬較窄，適用于對陸地固定目標(biāo)的監(jiān)視。但在用戶需求激增、時效要求高的情況下，就需打破傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星應(yīng)用場景限制，從遙感衛(wèi)星偵察體系整體運用的角度出發(fā)，采用所有可用手段滿足用戶需求，例如馬航事件發(fā)生后，數(shù)字地球（DigitalGlobe）公司就使用了多顆高分辨率窄幅成像世界觀測（World View）衛(wèi)星搜尋海上飛機殘骸。同時，現(xiàn)代先進的軍用偵察衛(wèi)星系統(tǒng)為了實現(xiàn)多手段融合和多目標(biāo)兼顧，除了有向分布式小型化模塊化發(fā)展的趨勢外，還有向多載荷多功能通用化發(fā)展的趨勢，例如美國的第三代“白云”海洋監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)，也稱為“聯(lián)合天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)”，就兼顧了空軍戰(zhàn)略防空和海軍海洋監(jiān)視的需求，搭載了電子偵察、雷達和紅外成像等多種載荷[12]。因此，在構(gòu)建遙感衛(wèi)星偵察體系評估模型時，需要從遙感衛(wèi)星偵察體系綜合運用的角度進行考慮。

1.3 用戶需求的拆解與重構(gòu)

在收到多類用戶不同要求的偵察需求后，首先需要根據(jù)任務(wù)類型、優(yōu)先級程度及歷史數(shù)據(jù)等先驗信息對偵察任務(wù)進行整合，對時敏類高優(yōu)先級目標(biāo)進行動態(tài)任務(wù)規(guī)劃。但不管用戶提出的需求是重點目標(biāo)的情報獲取，還是陸海戰(zhàn)場的態(tài)勢感知，在遙感衛(wèi)星偵察手段上都可以分解為單次或多次對目標(biāo)的偵察，例如，重要固定目標(biāo)的日常監(jiān)視可以定義為小區(qū)域目標(biāo)的重復(fù)偵察，航天遙感地圖測繪可以認(rèn)為是大區(qū)域目標(biāo)的正攝影像偵察，重要雷達信號監(jiān)控可以認(rèn)為是對點目標(biāo)的電子偵察等。同時，對單個目標(biāo)的偵察需求可能由多顆不同類型的遙感衛(wèi)星實施，從而拆解成多次不同衛(wèi)星對目標(biāo)的偵察任務(wù)。因此，遙感衛(wèi)星偵察體系在受理用戶需求后，需要對需求進行動態(tài)任務(wù)規(guī)劃，拆解成由不同類型遙感衛(wèi)星對目標(biāo)實施的偵察任務(wù)，如圖2所示。

圖2 遙感衛(wèi)星偵察需求整合示意圖

2 效能評估模型的構(gòu)建

2.1 效能評估的不同層次

文獻[13]將武器系統(tǒng)的效能分為3類：一是單項效能，指運用武器系統(tǒng)時，就單項功能所能達到的程度，其對應(yīng)的作戰(zhàn)行動是目標(biāo)單一的作戰(zhàn)行動；二是系統(tǒng)效能，又稱綜合效能，指武器系統(tǒng)在一定條件下，滿足一組特定任務(wù)要求的可能程度，是對武器系統(tǒng)效能的綜合評價；三是作戰(zhàn)效能，指在規(guī)定條件下，運用武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)兵力執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)所能達到預(yù)期目標(biāo)的程度。

參照該定義，可以將遙感衛(wèi)星偵察體系的效能評估分為3層，如圖3所示。一是單項效能層，指單顆遙感衛(wèi)星在對目標(biāo)進行偵察時應(yīng)具備的能力，比如任務(wù)時效性、覆蓋概率、識別能力等[14]，它與衛(wèi)星運行軌道、偵察頻段、定位精度、可視范圍等系統(tǒng)的固有參數(shù)有關(guān)。二是系統(tǒng)效能層，指遙感衛(wèi)星偵察體系滿足用戶需求的可能程度，因此是基于任務(wù)籌劃的，是對用戶需求按照目標(biāo)進行拆解重構(gòu)后，所有目標(biāo)偵察任務(wù)的可能落實程度；同時，該層次中考量任務(wù)時效性和目標(biāo)識別能力時，主要基于以往完成類似任務(wù)的大致估計。三是作戰(zhàn)效能層，是指遙感衛(wèi)星偵察體系完成用戶需求的最終程度，因此它是基于結(jié)果的，不僅是基于遙感衛(wèi)星的體系效能，還與運用遙感衛(wèi)星偵察體系的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)兵力，目標(biāo)特性和外部環(huán)境等息息相關(guān)。

圖3 遙感衛(wèi)星偵察體系效能評估層次

2.2 單項效能層評估模型的構(gòu)建

在單項效能層對遙感衛(wèi)星偵察體系進行評估建模時，可將用戶需求大致分為2類：一類是瞬時偵察需求，即只需要對目標(biāo)進行單次偵察，并在時效要求內(nèi)提供相應(yīng)的有效信息即可，例如核查某位置是否存在某類型重要目標(biāo)、查看某固定點目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征等；另一類為持續(xù)監(jiān)視需求，即需連續(xù)提供目標(biāo)的信息，如獲取連續(xù)陸海戰(zhàn)場態(tài)勢、對某地面固定目標(biāo)連續(xù)監(jiān)視等。對瞬時偵察類目標(biāo)采用時效性、覆蓋概率、探測概率和識別概率等指標(biāo)；對于持續(xù)監(jiān)視類目標(biāo)還要增加重訪頻次和偵察時長等指標(biāo)。

1）偵察時效

任何情報都是在一定的時間和范圍內(nèi)有效，在用戶要求前提供，其時效性最高，超過要求臨界點時，時效性急劇下降，但對于用戶可能仍有一定的價值[15]。遙感衛(wèi)星偵察情報也不例外，設(shè)用戶要求時間為tr，情報失效時刻為tf，則偵察情報時效滿足程度G t(t)可以由以下函數(shù)表示：

2）覆蓋概率

覆蓋概率是指衛(wèi)星的可偵察范圍覆蓋到目標(biāo)的概率。對于固定點目標(biāo)而言，其覆蓋概率只能是0或者1；對固定區(qū)域目標(biāo)而言，覆蓋概率為遙感衛(wèi)星可偵察的區(qū)域目標(biāo)面積A除以區(qū)域目標(biāo)的總面積Amax[8]，即Pc＝min(1,A/Amax)；對于機動目標(biāo)而言，在沒有其他先驗信息的情況下，假設(shè)在以上次偵獲位置為圓心、vmaxtg為半徑的圓內(nèi)均勻分布，則覆蓋概率Pc＝min(1,A/π(vmaxtg＋δ)2)，其中，δ為上次偵獲位置的定位誤差，vmax為目標(biāo)最大機動速度，tg為此次偵察時間距上次目標(biāo)點位偵察時間的時間間隔。

3）探測概率

目標(biāo)探測概率，即發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率。通常，對于電子偵察衛(wèi)星，只要目標(biāo)沒有進行電磁管控，識別的概率就一般較大，不妨認(rèn)為對應(yīng)每組（顆）電子偵察衛(wèi)星是個接近于1的常數(shù)Pde(λ)；電磁靜默時，可認(rèn)為探測概率為0。對于微波成像衛(wèi)星，可認(rèn)為其對偵察范圍內(nèi)的目標(biāo)探測概率為1。對于光學(xué)成像衛(wèi)星，則需要考慮大氣云層中云量的影響，通常可采用十分法對云量進行記錄：天空無云，記錄C＝0；天空完全被云遮蔽，C＝10。因此，光學(xué)成像衛(wèi)星的探測概率[2]Pd＝1-C2/100 (0≤C≤10)。

4）識別程度

目標(biāo)識別程度，是指遙感衛(wèi)星在拍攝到目標(biāo)影像或者偵收到目標(biāo)信號后，能夠按照要求識別目標(biāo)身份、材質(zhì)信息或活動狀態(tài)的程度。電子偵察衛(wèi)星主要通過偵察目標(biāo)的輻射源參數(shù)來確定輻射源型號，進而判斷目標(biāo)平臺屬性，并可以通過信號變化判斷目標(biāo)的警戒狀態(tài)，通過分析電子目標(biāo)的特征，實現(xiàn)對電子輻射源目標(biāo)的個體識別。通信偵察衛(wèi)星還可以通過對目標(biāo)信號的解碼破譯實現(xiàn)對通信內(nèi)容的監(jiān)聽。對成像偵察衛(wèi)星而言，可以通過對初始影像進行目標(biāo)判讀，實現(xiàn)對目標(biāo)的個體識別，同時可利用高分辨率成像偵察衛(wèi)星對目標(biāo)的具體細(xì)節(jié)進行勾勒，利用高光譜偵察載荷對目標(biāo)的材質(zhì)等進行進一步判別，利用紅外成像載荷感知目標(biāo)溫度，可以估測其活動狀態(tài)。設(shè)I為遙感衛(wèi)星偵察手段對該目標(biāo)的識別程度，Ir為用戶要求的識別程度，由于滿足用戶需求的識別程度越高，難度越大，需要使用更好的衛(wèi)星資源、更專業(yè)的圖像判讀或信號分析人員，因此定義衛(wèi)星偵察的目標(biāo)識別程度GI＝min(1,(I/Ir)2)。其中，I的值定義如圖4所示，以成像偵察衛(wèi)星為例，當(dāng)遙感衛(wèi)星拍攝到疑似目標(biāo)初始影像時，則I＝1，當(dāng)能識別出平臺屬性，如“阿利伯克”級驅(qū)逐艦，則值＋1；進一步能對其個體進行識別，如確定其為“麥克坎貝爾”號，值再＋1；進一步能確認(rèn)艦船精確細(xì)節(jié)，如艦炮系統(tǒng)有改裝，值再＋1，依次類推。

圖4 目標(biāo)識別程度示意圖

5）重訪頻次

重訪頻次，指偵察衛(wèi)星能夠?qū)δ繕?biāo)進行過頂偵察的頻次，對應(yīng)的是目標(biāo)的理論最快更新率。對于需要持續(xù)監(jiān)視的目標(biāo)而言，設(shè)用戶期望的目標(biāo)更新頻率為U r，能完成用戶需求的衛(wèi)星能夠?qū)δ繕?biāo)進行重復(fù)過頂?shù)念l次為U，則重訪頻次的任務(wù)滿足程度GU＝min(1,U/U r)。

6）偵察時長

以往，偵察時長的概念僅存在于高軌凝視型衛(wèi)星或者偵察幅寬較寬的電子偵察衛(wèi)星，但隨著偵察衛(wèi)星分布式小型化的不斷發(fā)展，民商遙感衛(wèi)星的數(shù)量不斷增多，以及美國“黑杰克”計劃的推廣，巨型衛(wèi)星星座的出現(xiàn)使對目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視在低軌成像偵察方面也成為了可能。當(dāng)用戶對遙感衛(wèi)星偵察體系提出針對某目標(biāo)的連續(xù)監(jiān)視任務(wù)時，設(shè)T為對單顆衛(wèi)星對該目標(biāo)的連續(xù)偵察時長，T r為情報保障用戶對目標(biāo)的連續(xù)偵察時長要求，偵察時長的任務(wù)滿足程度GT＝min(1,T/T r)。

2.3 系統(tǒng)效能層評估模型的構(gòu)建

遙感衛(wèi)星偵察體系的任務(wù)規(guī)劃階段，用戶需求被拆解重構(gòu)成了不同遙感衛(wèi)星對目標(biāo)的偵察，為了對遙感衛(wèi)星偵察體系的系統(tǒng)效能進行評估，計算體系滿足用戶需求的可能程度，可以從任務(wù)籌劃的角度出發(fā)，計算在理論情況下，遙感衛(wèi)星偵察體系對偵察任務(wù)的落實情況。在任務(wù)籌劃的過程中，需要全盤考慮任務(wù)管理控制、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)信息處理、情報分析整編、產(chǎn)品共享分發(fā)等各個環(huán)節(jié)，其中消耗的時間可通過歷史數(shù)據(jù)進行回溯估計，是一個估計值。

假設(shè)用戶需求被拆解成有M個目標(biāo)需要單次瞬時偵察，N個目標(biāo)需要持續(xù)跟蹤監(jiān)視，Z表示目標(biāo)的歸一化權(quán)重，則需要被單次瞬時偵察的第i（i＝1,2,3,…,M）個目標(biāo)任務(wù)落實率可表示為：Q i＝Gti Pci Pdi GIi；需要被持續(xù)跟蹤監(jiān)視的第j（j＝1,2,3,…,N）個目標(biāo)任務(wù)落實率可表示為：Q j＝

遙感衛(wèi)星偵察體系的系統(tǒng)效能可以表示為：

2.4 作戰(zhàn)效能層評估模型的構(gòu)建

單項效能層和系統(tǒng)效能層的評估都是遙感衛(wèi)星體系對目標(biāo)偵察時能夠達到的能力估計，是基于一般情況下遙感衛(wèi)星偵察體系偵獲目標(biāo)概率和可能達成用戶需求的程度。而遙感衛(wèi)星體系作戰(zhàn)效能的評估結(jié)果，則與目標(biāo)電子設(shè)備開關(guān)機情況、目標(biāo)上空云層天氣情況、人員圖像判讀水平和系統(tǒng)熟練程度等息息相關(guān)，是完成用戶偵察需求的實際情況。

同樣假設(shè)用戶需求被拆解成有M個目標(biāo)需要單次瞬時偵察，N個目標(biāo)需要持續(xù)跟蹤監(jiān)視，Z表示目標(biāo)的歸一化權(quán)重，則需要被單次瞬時偵察的第i個目標(biāo)任務(wù)完成率可表示為：Q′i＝ηi G′ti G′Ii。

其中，η表示遙感衛(wèi)星是否偵獲到疑似目標(biāo)，偵獲疑似目標(biāo)時η＝1，未偵獲疑似目標(biāo)時η＝0；G′ti表示遙感衛(wèi)星偵察體系的情報時效在該次任務(wù)中滿足用戶需求的程度的實際值；G′Ii表示目標(biāo)識別程度的實際值。

需要被持續(xù)跟蹤監(jiān)視的第j個目標(biāo)任務(wù)落實率可表示為：；其中，G′Tj為遙感衛(wèi)星對目標(biāo)的偵察時長的實際值。

遙感衛(wèi)星偵察體系的作戰(zhàn)效能可以表示為：

同時，可以定義人員素質(zhì)Γ＝Q′/Q，通過對Γ值長期跟蹤分析，便可以得出遙感衛(wèi)星偵察人員的素質(zhì)情況。若Γ值長期大于1，則說明該團隊人員素質(zhì)正在穩(wěn)步進步；若Γ值長期小于1，則說明該團隊人員素質(zhì)正在退步。

3 結(jié)束語

本文就遙感衛(wèi)星偵察體系的效能評估模型構(gòu)建進行了探討，通過對遙感衛(wèi)星偵察體系的運行流程的分析，在構(gòu)建其面對多用戶多目標(biāo)偵察需求時的任務(wù)整合規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，為有效度量遙感衛(wèi)星偵察體系的系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能，從基于籌劃和基于結(jié)果兩個角度，初步構(gòu)建了與用戶需求緊密耦合的評估體系，對于科學(xué)評估遙感衛(wèi)星偵察體系效能具有積極的意義。■