面向任務的遙感衛星信息支援能力評估指標體系構建*

彭 耿

(復雜艦船系統仿真重點實驗室,北京 100161)

信息支援是伴隨信息技術走進戰場的新型作戰力量,它一誕生就與火力支援、兵力支援、戰略投送一并構成作戰支援,成為構建現代軍隊一體化聯合作戰能力重要內涵之一[1-2]。研究探索信息支援本質、作用機理和作戰運用,既是奪取戰場主動權的必然要求,也是加快轉變戰斗力生成模式的必由之路。

遙感衛星是天基信息支援力量的重要組成部分,具有覆蓋范圍廣、定位精度高、不受國界及敵防御火力限制等獨特優勢,是實施海上軍事行動的重要信息來源。目前,一些學者對遙感衛星的作戰效能(即其在作戰過程中發揮有效作用程度)進行了研究[3-14],但開展并不充分,主要存在三類問題:1)評估對象局限于遙感衛星本身而不是整個衛星系統[3-8],即未將遙感衛星信息傳輸、處理、應用節點納入評估范疇;2)評估過程與實際應用缺乏有機結合,如遙感衛星移動目標信息是在觀測后超過一定時限才傳輸到遂行作戰任務的應用終端,此時信息因無效而無法應用,即衛星的作戰效能為零,但較多文獻仍會根據衛星性能參數、傳輸時延等因素進行作戰效能對比[9-14];3)評估指標取值與具體任務沒有緊密耦合[3-14],如兩個僅存在分辨率差異的遙感衛星系統,在進行大型艦船目標監視時的作戰效能有可能相同,在遂行大中型艦船目標監視時的作戰效能有可能不同,但較多文獻會根據分辨率差異直接得到不同的作戰效能。

本文以電子型遙感衛星為例,為遙感衛星信息支援能力評估提供科學指標體系,從系統論、信息論的視角出發,提出并構建從目標觀測到信息應用終端的遙感衛星信息鏈,聚焦信息應用的有效性,提出有效時長的概念并作為核心指標,建立面向任務的遙感衛星信息支援能力評估指標體系,為系統有效評估遙感衛星信息支援能力提供基礎。

1 遙感衛星信息鏈

根據目前世界范圍內的遙感衛星支援作戰應用實例(包括海域監視、目標指示等)[15-18],以支援水面艦艇編隊實施精確打擊為例,總結概括遙感衛星支援作戰的典型過程如圖1所示。

圖1 遙感衛星信息支援作戰的典型過程

圖1中的信息節點表示相關遙感衛星信息傳輸與處理節點;(紫色)虛線表示數據處理中心的遙感衛星信息可通過通信衛星分發至水面艦艇編隊;(紅色)點畫線表示星上處理生成的遙感衛星信息可廣播分發至水面艦艇編隊。

因此,本文將“遙感衛星信息鏈”定義為從信息獲取到信息最終利用全過程組成的節點集合,它不同于一般意義上的信息傳輸鏈,包含三類節點(或節點集):1)信息獲取節點,即遙感衛星;2)信息傳輸與處理節點集(組成信息傳輸鏈),包括數據接收站、數據處理中心、通信中繼節點(如通信衛星、無人機等)等;3)信息應用節點集,包括指揮所、實施精確打擊的各型作戰平臺(如水面艦艇、飛機等)及精確打擊武器(如反艦導彈等)等。

2 遙感衛星信息應用的有效性度量

信息是不確定性的一種度量,信息質量反映了“信息所描述的對象”的不確定性程度。為了度量信息應用節點集所需的終端信息質量,本文提出了遙感衛星信息鏈誤差的概念,即:信息應用節點獲得艦船等目標的信息時,被攻擊/監視的目標和節點獲得的目標位置的相對位置的散布度。

根據上述的分析可知,遙感衛星信息鏈誤差的來源有:遙感衛星目標定位誤差及其自身定位誤差[19],信息應用節點自身定位誤差、信息傳輸與處理時延內的艦船目標運動等[20]。其中,信息傳輸與處理時延隨著信息傳輸與處理節點集的變化而變化。

天基導航系統的定位精度較高,如GPS、北斗在亞太中低緯度地區民用級定位精度(平面)優于3 m[21],遙感衛星、信息應用節點利用它們進行自身定位,通過導航信息融合將精度提升至分米甚至厘米量級,則該類自身定位誤差可近似忽略;國外電子型遙感衛星的定位精度一般為km量級,如美國新一代“白云(White Cloud)”的定位精度優于2 km[22]、俄羅斯一顆海洋監視衛星的定位精度為6 km～13 km[23],此時的目標定位誤差不可忽略;由于很多艦船的航行速度可高達30 kn,若在較短的信息傳輸與處理時延內勻速直線航行,則艦船運動與時延之間的線性關系為9.26 m/s,可見艦船運動也不能忽略。因此,遙感衛星信息鏈路誤差的主要組成為目標定位誤差、信息傳輸與處理時延內的艦船目標運動。

假設遂行某具體任務時,信息應用節點集可容忍的遙感衛星信息鏈誤差為R0(1σ),則可用式(1)定義的有效時長來衡量遙感衛星信息應用的有效性,即:

(1)

圖2 單次有效時長示意圖

圖2中，t01為遙感衛星第一次觀測的起始時刻，t1為遙感衛星第一次觀測時的信息傳輸與處理時延，t01+t1、t01+T1為遙感衛星信息第一次有效時的起始、終止時刻,ΔT1為兩者之差,即第一個有效時長。

根據式(1)可知:有效時長與不同任務(信息應用節點集)可容忍的遙感衛星信息鏈誤差、目標定位誤差、目標最大可能航速、信息傳輸與處理時延等因素相關,即通過有效時長可將這些因素緊密聯系起來,用于衡量遙感衛星信息應用的有效性。有效時長是進行遙感衛星信息支援能力評估的前提和基礎,即只有在該數值大于零的條件下,才能進行能力評估分析。

不同于一般的成像型遙感衛星,電子型遙感衛星通常在經過目標上空時會持續觀測一段時間,因此，其有效時長為此持續時間內多次觀測信息對應的有效時長的并集,即

(2)

式中Ni為對目標進行第i次持續觀測時的觀測次數。

3 遙感衛星信息支援能力評估指標體系構建

3.1 構建原則

指標體系的選擇與能力評估的合理性直接相關,在遙感衛星信息支援能力評估指標體系的構建過程中,重點遵循以下原則:

1)針對性原則。選取的指標要能客觀反映遙感衛星信息支援本質,轉變聚焦衛星平臺性能參數的傳統評估思路,從信息應用的視角對信息支援能力有一個全新的認識,即要重點表征用戶(信息應用節點集)基于具體任務的不同需求及滿足程度。

2)完備性原則。完備的指標體系是科學、合理評估遙感衛星信息支援能力的基礎,構建的指標體系應能較全面反映信息支援能力,重要指標沒有遺漏,影響小的指標可適當忽略。

3)獨立性原則。選取的指標應該是不相關的,具有相對獨立性,即每個指標可獨立反映遙感衛星信息支援能力的一個方面,若部分指標相關,則應通過簡化、合并處理來生成新的指標。

4)層次性原則。在構建指標體系的過程中,應正確劃分層次,自頂向下,逐層分解,將眾多信息支援能力影響因素映射到更具體的指標中。

指標體系構建還應遵循其他一些基本原則,如一致性原則、可度量性原則、系統性原則、穩定性原則、科學性原則等。

3.2 影響能力信息相關要素的層次化分析

信息是現代戰爭的主導者,信息在體系對抗中成為核心資源和主導因素,本文從信息質量、信息數量兩個維度,開展遙感衛星信息相關要素的層次化分析,為信息支援能力評估指標體系構建提供基礎。

文獻[25-26]認為,目前雖然對信息質量沒有權威定義,但可認為是事物運動狀態或存在方式的不確定的描述優劣程度,可以用完備性、準確性、時效性3個指標來度量。完備性是指獲得信息與客觀信息之間沒有缺口的程度,即遙感衛星系統能探測到覆蓋范圍內的真實目標數量的比例。準確性是指獲得信息與客觀信息之間的一致程度,即遙感衛星系統的探測精度和目標分類識別能力。時效性是指從信息域采集信息到產生公共態勢圖所需的時間,即遙感衛星系統完成目標探測、信息傳輸與處理全過程的時延。

受限于固有的軌道運動特性,遙感衛星難以對同一區域實現較長時間連續觀測,其獲取信息在時空上就具有離散性,因此遙感衛星信息數量主要用觀測范圍(空間)、觀測時長(時間)及觀測手段(形式)來度量。其中,觀測范圍是遙感衛星對地觀測的覆蓋范圍;觀測時長是對地觀測的時間積累,包括平均重訪次數、重訪的平均時長;觀測手段是通過對地觀測獲取的信息種類與形式。基于目前豐富的陸、海、天基測控與通信資源,可認為電子型遙感衛星能及時響應測控指令執行觀測任務并進行星地傳輸,即遙感衛星只要經過目標區域上空就可執行對地觀測任務并將觀測信息及時下傳，基于信息相關要素的層次化分析框架如圖3所示。

圖3 基于信息相關要素的層次化分析框架

3.3 信息支援能力評估指標體系

根據上述基于信息相關要素的層次化分析結果尚不能直接構建評估指標體系:1)信息質量維度,準確性中的定位精度與時效性中的時延存在相關性,需要將其合并處理生成新的指標;2)信息質量維度的完備性、準確性與信息數量維度的觀測手段存在相關性,觀測手段的強弱本質上是通過信息的完備性、準確性來體現,因此該指標可作忽略處理;3)未與用戶具體任務緊密耦合,即需要在信息有效(可用)的基礎上才能開展信息支援能力評估。

面向支援不同任務(可容忍的遙感衛星信息鏈誤差不同)的實際應用,在信息有效即有效時長大于零的前提下,開展遙感衛星信息支援能力評估。由于電子型遙感衛星一般是根據測控指令遂行區域觀測任務(可能對應多種觀測模式),因此評估指標體系主要是根據信息時效性、有效信息的(區域)獲取能力進行構建,其中:信息時效性集中反映信息的可用程度;有效信息獲取能力集中反映了遂行區域有效觀測任務的完成程度，評估指標體系如圖4所示。

圖4 遙感衛星信息支援能力評估指標體系

1)平均有效時長,即針對不同的具體任務所確定的可容忍的遙感衛星信息鏈誤差,根據上述公式計算多次觀測對應的有效時長的統計平均值,反映了遙感衛星信息可用程度。

2)區域覆蓋率,即衛星覆蓋到目標的概率[14]。假設目標在面積為A的指定區域內均勻分布,遙感衛星第i次覆蓋該區域的面積為Ai,則遙感衛星第i次可見該區域時覆蓋到目標的概率為

(3)

前i次覆蓋到目標的概率為

(4)

3)目標探測概率,即正確發現概率,用在指定區域內探測到真實目標數量的比例表示。該數值與衛星探測性能、艦船目標電磁輻射特性、遙感信息處理系統能力、具體任務、操作人員等要素有關,如監視大型艦船目標時的探測概率就可能比遂行監視中小型艦船目標時的探測概率高。

4)目標識別概率,即正確識別目標身份概率。基于電子型遙感衛星信息的目標識別可以分成四個等級:第一級(I=1)為輻射源型號識別,即根據輻射源被探測到的工作參數、特征參數分析等相關信息,判斷輻射源的型號,如“宙斯盾”雷達等;第二級(I=2)為平臺屬性識別,即根據輻射源型號識別結果等相關信息,確定其裝載平臺的屬性,即判斷艦船目標的類別,例如航母還是驅逐艦等;第三級(I=3)為平臺類型識別,即判斷艦船目標的型號,例如驅逐艦是“伯克”級還是“基德”級等;第四級(I=4)為平臺個體識別,即判斷艦船目標的具體身份,例如驅逐艦是“伯克”級的“巴里”還是“麥凱恩”等。針對不同艦船目標、不同具體任務,根據目標識別的實際等級(即該等級下的正確識別概率大于規定值)和任務所需的最低等級(Imin)來量化目標識別概率:

(5)

假設某一任務對不同類型的艦船目標的關注程度不同,則可通過賦予的加權(β)獲得此時的目標識別概率:

(6)

式中N為目標類型數。

5)平均重訪次數,即地面目標在任務時間內被遙感衛星覆蓋的次數的統計平均值,反映遙感衛星遂行觀測任務的頻次。

6)重訪平均時長,即遙感衛星對地面目標進行多次連續觀測時,其之間的時間間隔的統計平均值,反映遙感衛星遂行觀測任務的連續性,即該值越小,則觀測越連續。

4 結束語

本文就遙感衛星信息支援能力評估指標體系的構建進行了探討,在構建從目標觀測到信息應用終端的遙感衛星信息鏈的基礎上,為有效度量信息應用的有效性,提出面向具體任務有效時長的概念和計算方法；基于質量、數量維度的能力影響相關信息要素的層次化分析結果,以有效時長為評估前提和核心指標,初步構建與用戶應用(任務)緊密耦合的能力評估指標體系,對于科學評估遙感衛星信息支援能力水平具有積極意義。

目前,該指標體系已在遙感衛星海域監視能力評估等案例中得到應用,后續將從指標體系優化、任務要求細化等方面開展研究,為天基信息支援能力評估提供更加客觀、可靠、實用的依據。