面向戰術應用的衛星應用任務規范描述

徐培德，薛波，張迎新

(國防科學技術大學 信息系統與管理學院，湖南 長沙410073)

1 引言

隨著軍事變革的不斷發展和衛星裝備的不斷更新，衛星系統正在由戰略戰役應用為主向全面支持戰術應用轉變，其應用任務的規模越來越大，種類越來越多。衛星系統正越來越多地直接用于支持各類戰役、戰術作戰行動。

衛星系統的戰術應用就是在指揮所、武器平臺、分隊(單兵)等作戰單元的作戰行動中，運用衛星系統獲取、傳輸、處理和分發信息，直接支持作戰行動。戰術應用具有需求突發性、任務區域不確定性、保障高時效性、要求多樣性等特點，因此，對衛星信息保障提出了新的要求，包括任務需求的準確獲取、任務規劃的快速處理、任務實施的精確執行、情報信息的適時送達。為了達到該要求，必須對衛星系統資源進行統一組織管理，對衛星應用任務進行統籌規劃調度。由于不同用戶對應用任務的關注點不同，對應用任務的描述常常采用不同的方式。因此，迫切需要建立一種合適的任務描述方法，能夠對衛星系統的各類任務進行統一的描述，保證任務的準確獲取、快速匯總、高效實施，確保衛星系統達到要求的應用效能。

本文針對衛星應用任務的特點，借鑒建模仿真、智能體技術及系統開發等研究領域中的規范描述方法，建立了一套適用于衛星應用領域的任務描述規則，并以偵察監視應用任務為例給出了任務描述的基本參數結構。

2 衛星應用任務的概念及描述

2.1 衛星應用任務的概念

任務是一個應用廣泛的概念，在軍事問題分析中，對于任務可以從不同的方面進行理解。從能力的角度，任務可以定義為:任務是實體(組織，主體)的使命、主要裝備、組織的作戰條令規定所能夠進行的動作或者活動。

由此定義可以看出，任務是要求實體必須實施的活動，其涉及的主要因素(內涵)包括任務的實體、目的和對象。

(1)實體:一個任務總是由某個(些)組織(主體)來完成的。

(2)任務目的:是某種期望的狀態，該狀態是對目標對象狀態變量的一個斷言或者函數關系的判斷。

(3)對象:任何一個具體的任務完成的過程及任務的最終完成都是對環境及對象狀態的改變。任務對象包括敵我雙方的作戰部隊，人工設施和地理環境。

衛星應用任務就是由衛星資源所完成的任務。衛星應用任務的實體就是完成任務所需要的各種衛星應用裝備和設施，任務目的是指需要獲取的情報信息，對象是指信息活動作用的客體。

面向戰術的衛星應用任務是指直接為各類戰術行動提供探測、偵察、導航、定位、通信、氣象、測繪等信息保障的衛星應用任務。根據所需衛星應用技術的類型和信息保障能力的分類，可以將衛星應用任務分為:衛星偵察監視應用任務、衛星導航定位應用任務、衛星通信中繼應用任務和衛星環境探測應用任務。

2.2 衛星應用任務的概念模型

基于上述分析，針對衛星應用任務的特點定義了一套元素和屬性，用來實現對衛星應用任務的規范化描述。衛星應用任務可以表示為一個五元組的概念模型ST=＜STG，STT，STO，STN，STQ＞，其中STG是對任務的說明集合，STT表示任務的時效性屬性，STO表示任務的對象屬性，STN表示信息需求屬性，STQ表示任務的質量要求屬性。

STG=＜STGName，STGID，STGCH，STGPRI＞，其中STGName表示應用任務的名稱，STGID表示應用任務的ID號，STGCH表示應用任務性質，STGPRI表示應用任務的優先級。

STT=＜STTSP，STTD，STTF＞，其中STTSP表示應用任務的執行時間區間，STTD表示應用任務執行的時間分辨率，STTF表示信息反饋用戶的最后時間。

STO=＜STOT，STOS，STOC＞，其中STOT表示目標的類型，STOS表示目標的位置特征，STOC表示目標實物的特性，如運動特征等。

STN=＜……＞，其內容根據具體的衛星應用任務類型而定。

STQ=＜……＞，其內容同樣根據具體的衛星應用任務類型而定。

2.3 衛星應用任務的分類

由任務的概念內涵可以看出，任務就是實體(組織，主體)在作戰中需要實施的動作或者行動。衛星的作戰應用是一個涉及因素眾多的軍事活動，衛星應用任務的描述也是一項與眾多因素相關的復雜過程，需要同時滿足面向應用領域的建模和面向資源管理的建模，需要有衛星資源管理部門和作戰應用部門的共同參與。

根據任務描述的不同階段和衛星裝備的特點，把衛星應用任務分為需求任務、計劃任務和實施任務。需求任務是指任務需求獲取階段，由作戰部門提交的衛星應用任務需求;計劃任務是指任務規劃階段，由衛星資源管理部門進行規劃處理的衛星應用任務;實施任務是指經過統一規劃處理，能夠直接實施的應用任務。它們分別由任務需求模型、任務計劃模型和任務實施模型進行描述，其對應關系如圖1所示。

3 衛星應用任務的需求模型

需求模型是對衛星應用需求的規范化描述。用戶對于任務需求的關注點不同，往往采用不同的描述方式，給任務需求的采集及任務執行資源的規劃帶來了很大的困難，需求模型的目的就是規范和統一各類用戶對衛星應用任務需求的描述，方便任務需求的快速提交。因此，它要求形式簡單，方便快捷，并能保證衛星資源管理部門對任務需求信息的準確把握，任務模板很好地滿足了這一要求。所謂任務需求模板，就是對衛星應用需求知識以模板的形式進行抽象和概括。模板描述符合軍事人員的習慣，也方便衛星資源管理部門對需求的理解，模板還具有一定的規范性，有利于用戶和技術人員之間的協調。

3.1 衛星應用任務需求要素

應用任務需求的格式化描述首先要確定任務需求的基本要素。任務需求的基本要素可以從衛星應用任務的概念及實現的具體過程來確定:

(1)衛星應用任務是賦予衛星可以實施執行的任務。

(2)衛星執行任務是為了達成一定的目標，即任務目的。

(3)應用任務實施受任務能力需求和任務執行時間、多任務相互影響的約束。

衛星應用任務執行的約束條件分可為任務約束、資源約束和事件約束。

任務約束表示應用任務執行過程中需要滿足的工作條件。如目標的(時空特性)覆蓋約束，任務邏輯約束，任務需求約束。

資源約束表示應用任務執行時需要的資源條件。如衛星傳感器類型、衛星下行數據鏈路的使用時間、星載存儲器容量、數據傳輸速度、側視操作的次數、成像時地面目標太陽高度角、成像衛星最大云量等級等的約束。

事件約束表示應用任務在執行中，還受到具體過程特殊事件條件的限制。如任務的事件時間窗約束、衛星相機開機成像時間延遲、衛星實施側視后的穩定時間、成像時間長度約束、同一傳感器兩次成像任務之間的間隔時間等約束。

根據上述任務與約束的關系分析，可得到衛星應用任務的相關屬性要求如圖2所示。

從任務屬性關系中可看出，衛星應用任務包含著作戰單元的保障需求和應用任務的各種約束。衛星應用任務的需求要素根據這些保障需求及約束確定，主要包括任務名稱、支持單元、任務目的和任務約束屬性，其中任務約束屬性又包括時效性、目標屬性、信息需求類型、質量要求。任務名稱、支持單元、任務目的以及時效性和目標屬性約束體現了任務需求，而信息需求類型和質量要求體現出了任務的能力需求。

3.2 需求模型的規范化描述

為了便于衛星資源管理部門很好地獲取任務的能力需求，需要對任務能力需求進行規范化描述。本文采用最簡單的交流方法——建立任務需求模型(也稱任務需求模板)來對用戶和服務方的內容進行約定和規范。

任務需求模板是對一類衛星戰術應用任務知識的抽象和概括，用于對衛星信息需求的結構化描述。任務模板形式相對簡單，描述簡潔，易于使用，方便各作戰單元以統一的標準和規范的方式對應用任務進行描述，也利于航天資源管理部門對天基應用需求的準確理解、服務和自動處理。

從作戰單元的角度，以偵察監視應用任務為例，建立任務需求模板如圖3所示。

模板中的各項屬性說明如下:

(1)應用單位，表示衛星信息直接支持的作戰單元，即提出任務需求的用戶。

(2)任務要求，是用戶對任務信息需求的描述，是對任務能力的需求表示。一般偵察任務的信息需求包括成像信息和電子信息，而成像信息根據星載傳感器的不同又可以分為可見光、紅外、微波、多光譜以及SAR等。

(3)目標屬性，是對偵察對象的描述。其中，目標類型直接用目標名稱或種類來描述;目標位置可以用地理位置粗略描述，也可用經緯度表示;區域則用多邊形的頂點坐標［A(X，X)，B(X，X)，…］或(圓心，半徑)來表示。如果是移動目標，則用時間和位置來表示;目標特性是對偵察對象的運動特性和電磁特性的描述。運動特性有靜止或移動;電磁特性則分為有電磁特性或無電磁特性。

(4)時效性要求，是對任務的起止時間以及執行頻率的約束。

(5)質量要求，包括分辨率、測頻寬度、測頻精度和定位精度。分辨率可以按照需求提交其要求的等級。各要求的物理參數規范是分辨率優于XXm，測頻寬度XXMHz，測頻精度優于XXMHz，定位精度優于XXm。

4 衛星應用任務的計劃模型

對于作戰單元提出的任務需求，可能沒有明確具體的衛星資源和能力的要求，航天資源管理部門在資源組織時需要根據任務的需求進行任務屬性的提煉，轉換為標準的屬性類別，并確定執行任務的衛星資源，由此得到衛星應用的計劃任務模型。

衛星應用的計劃任務模型描述的是航天資源管理部門已經明確理解并可以處理的任務。航天資源管理部門首先按照計劃任務模型的能力要求搜索是否存在對應的需求信息，由此確定是否實施該應用任務。

4.1 衛星應用任務的計劃模型要素

根據應用任務需求模型中任務名稱、目的、目標類型、目標位置、目標特性、時效性要求等需求要素值，進行變換處理，轉換為應用任務的標準屬性值(類別)，獲得計劃模型要素狀態值。主要的計劃模型要素值包括:

(1)信息類型。包括電子信息(Elin)，圖像信息(Imag)，圖像信息又包括光學圖像(Opt)，雷達圖像(Sar)，紅外圖像(Inf)，多光譜(MS)，超光譜(HS)等。計劃模型中，信息需求類型主要分為:無類型要求、電子信息、圖像信息、綜合信息等。明確了任務所需獲取的信息類型，也就是確定了所需的衛星資源類型。

(2)目標屬性。目標屬性的刻畫是比較復雜和困難的，這里主要針對偵察任務的情況，對屬性進行了分類處理。①目標類型(Target-Type)。衛星在進行偵察活動時并不需要對目標進行具體類型的區分，只需將目標類型預處理為點目標、區域目標和集群目標(集群目標也可以看作是區域目標)。其中點目標是指衛星進行一次觀測掃描能完全覆蓋的目標，區域目標是指衛星一次掃描無法完全覆蓋的目標。目標類型分為的點目標、區域目標等。②目標位置(Target-Location)。將作戰需求模型中的目標位置轉換成經緯度表示形式，分為點目標和區域目標兩類形式表示，目標位置主要分為點目標位置或區域目標位置。③目標特性(Target-Speciality)。目標特性主要分為靜止、移動、有電磁特性、無電磁特性等。

(3)時效性。時間范圍(Time-Range):用“日-月-年00:00:00”形式的時間區間表示;執行頻率(Mission-Frequency)分為重復偵察或不重復偵察;完成時間(Time-Ending):用“日-月-年00:00:00”形式表示。

(4)質量要求。質量要求包括分辨率、測頻寬度、測頻精度、定位精度等屬性。遙感中使用的地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)指的是區分圖像中兩個相鄰物體的能力，即圖像上兩個物體能清楚地區分開的最小距離。如果兩個物體之間的距離小于分辨極限，在圖像上就被顯示成一個物體。

根據觀測任務的不同，可以將地面目標的識別劃分為4個等級:①發現目標:判斷目標是否存在。要求確定部隊、軍事目標和軍事活動的位置。②一般識別:判斷出目標的類型或屬性，如區分出房屋、車輛。③詳細鑒別:判斷出同類物體的不同類型，如區分出房屋的種類，某導彈是地地導彈還是地空導彈等。④目標描述:要求確定出設施或目標的大小、形狀、結構、數量，識別出目標的特征和細節，如導彈有無尾翼等。

不同目標的不同識別等級需求，可以轉換成對目標分辨率參數要求的形式［1］。

4.2 計劃模型的格式化描述

根據偵察監視衛星的工作原理及上述的屬性值，得到偵察監視應用任務計劃模型的格式化描述形式，如圖4所示。

其中主要屬性值的生成方法說明:

(1)信息類型，可以根據需求模型中任務要求的內容確定。

(2)任務編號、提交時間，由系統生成。

(3)任務名稱，由任務的信息需求類型和探測的目標類型生成。

(4)時效性，由需求模型直接映射生成。

(5)目標屬性，目標位置可用經緯度表示，由需求模型映射確定。

(6)優先級、信息需求，根據信息類型及任務的特點確定。

(7)質量要求，由需求模型的任務性質及資源特點，由管理部門確定。

對于任務計劃模型模板，可采用XML語言對其進行形式化描述，圖4的XML描述如圖5所示。

5 衛星應用任務的實施模型

任務的計劃模型確定了任務的級別信息需求，但沒用確定執行任務的具體衛星實體、時間窗口、傳感器擺角等參數，還不是一個可實際執行的任務模型。為此，還需要針對衛星執行任務的需要，確定相關任務的屬性值，得到衛星應用任務的實施模型。

實施模型描述的是衛星可直接執行的應用任務，根據衛星資源管理的方法及衛星工作的特點，這樣的任務是單個資源一次過境可以完成(執行)的任務，所以也稱為元任務。

在衛星應用任務中，有些任務是可以直接執行完成的元任務，有些任務則需要分解為多個子任務才能執行完成。通過對元任務的特征分析，可以給出任務的實施模型。

首先，根據計劃模型中的信息需求，確定可選的衛星資源類型集合;其次，根據計劃模型中的目標位置屬性、時間要求，結合可選衛星資源的軌道參數，由每一個可覆蓋目標的時間窗口就可確定一個元任務;最后，再根據目標的其他屬性要求和資源使用約束，確定其它的模型參數，便可得到元任務的模型。元任務的模型可以較好地滿足對衛星應用任務規劃的需要，某成像偵察元任務的實施模型如表1所示。

表1 衛星偵察監視元任務的實施模型

6 結束語

由于衛星系統被越來越多地直接服務于戰術應用中，其服務對象種類越來越多，任務需求越來越復雜。為了能夠高效地滿足多樣化的衛星應用任務需求，需要對衛星應用任務進行規范的描述。本文針對作戰中衛星應用需求的特點，結合衛星應用技術和衛星應用任務的特征，提出了基于需求模型、計劃模型和實施模型的衛星應用任務規范化描述方法，并利用格式化模板和XML Schema分別給出了的應用任務規范描述模型。實際應用表明，該方法能夠滿足衛星復雜戰術應用的規范化描述要求。

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