基于用戶需求滿足度的遙感衛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，北京 101416；2.北京遙感信息研究所，北京 100011）

0 引言

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

1 遙感衛星偵察體系運行流程

1.1 運行流程簡介

遙感衛星偵察體系一般由天基偵察衛星、測控系統、數據傳輸系統和地面應用系統構成，運行流程圍繞偵察任務分為用戶需求受理、偵察任務規劃、任務管理控制、衛星數據接收、數據信息處理、情報分析整編、產品共享分發、用戶評價反饋等8個步驟，如圖1所示。從運行流程看，遙感衛星偵察的情報產品是遙感衛星偵察體系內部聯動籌劃、指揮控制、資源調配對外的最終結果，需通過偵察目標制定、數據中繼、數據處理、情報整編、測運控資源調用等一體協同完成，既涉及到專業的情報業務，又涉及到作為系統支撐的衛星管控和資源調配。體系運行時單個環節延誤或者測運控、數傳流程堵塞，很可能造成偵察任務的失敗，因此，要完整評估遙感衛星作戰效能，需要圍繞終端，即遙感衛星偵察情報產品對用戶需求的滿足度展開。

圖1 遙感衛星偵察運行流程示意圖

1.2 衛星偵察體系的綜合使用

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

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

圖2 遙感衛星偵察需求整合示意圖

2 效能評估模型的構建

2.1 效能評估的不同層次

文獻[13]將武器系統的效能分為3類：一是單項效能，指運用武器系統時，就單項功能所能達到的程度，其對應的作戰行動是目標單一的作戰行動；二是系統效能，又稱綜合效能，指武器系統在一定條件下，滿足一組特定任務要求的可能程度，是對武器系統效能的綜合評價；三是作戰效能，指在規定條件下，運用武器系統的作戰兵力執行作戰任務所能達到預期目標的程度。

參照該定義，可以將遙感衛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，指單顆遙感衛星在對目標進行偵察時應具備的能力，比如任務時效性、覆蓋概率、識別能力等[14]，它與衛星運行軌道、偵察頻段、定位精度、可視范圍等系統的固有參數有關。二是系統效能層，指遙感衛星偵察體系滿足用戶需求的可能程度，因此是基于任務籌劃的，是對用戶需求按照目標進行拆解重構后，所有目標偵察任務的可能落實程度；同時，該層次中考量任務時效性和目標識別能力時，主要基于以往完成類似任務的大致估計。三是作戰效能層，是指遙感衛星偵察體系完成用戶需求的最終程度，因此它是基于結果的，不僅是基于遙感衛星的體系效能，還與運用遙感衛星偵察體系的作戰環境、作戰兵力，目標特性和外部環境等息息相關。

圖3 遙感衛星偵察體系效能評估層次

2.2 單項效能層評估模型的構建

在單項效能層對遙感衛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，即只需要對目標進行單次偵察，并在時效要求內提供相應的有效信息即可，例如核查某位置是否存在某類型重要目標、查看某固定點目標的細節特征等；另一類為持續監視需求，即需連續提供目標的信息，如獲取連續陸海戰場態勢、對某地面固定目標連續監視等。對瞬時偵察類目標采用時效性、覆蓋概率、探測概率和識別概率等指標；對于持續監視類目標還要增加重訪頻次和偵察時長等指標。

1）偵察時效

任何情報都是在一定的時間和范圍內有效，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]。遙感衛星偵察情報也不例外，設用戶要求時間為tr，情報失效時刻為tf，則偵察情報時效滿足程度G t(t)可以由以下函數表示：

2）覆蓋概率

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

3）探測概率

目標探測概率，即發現目標的概率。通常，對于電子偵察衛星，只要目標沒有進行電磁管控，識別的概率就一般較大，不妨認為對應每組（顆）電子偵察衛星是個接近于1的常數Pde(λ)；電磁靜默時，可認為探測概率為0。對于微波成像衛星，可認為其對偵察范圍內的目標探測概率為1。對于光學成像衛星，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，光學成像衛星的探測概率[2]Pd＝1-C2/100 (0≤C≤10)。

4）識別程度

目標識別程度，是指遙感衛星在拍攝到目標影像或者偵收到目標信號后，能夠按照要求識別目標身份、材質信息或活動狀態的程度。電子偵察衛星主要通過偵察目標的輻射源參數來確定輻射源型號，進而判斷目標平臺屬性，并可以通過信號變化判斷目標的警戒狀態，通過分析電子目標的特征，實現對電子輻射源目標的個體識別。通信偵察衛星還可以通過對目標信號的解碼破譯實現對通信內容的監聽。對成像偵察衛星而言，可以通過對初始影像進行目標判讀，實現對目標的個體識別，同時可利用高分辨率成像偵察衛星對目標的具體細節進行勾勒，利用高光譜偵察載荷對目標的材質等進行進一步判別，利用紅外成像載荷感知目標溫度，可以估測其活動狀態。設I為遙感衛星偵察手段對該目標的識別程度，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，需要使用更好的衛星資源、更專業的圖像判讀或信號分析人員，因此定義衛星偵察的目標識別程度GI＝min(1,(I/Ir)2)。其中，I的值定義如圖4所示，以成像偵察衛星為例，當遙感衛星拍攝到疑似目標初始影像時，則I＝1，當能識別出平臺屬性，如“阿利伯克”級驅逐艦，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；進一步能確認艦船精確細節，如艦炮系統有改裝，值再＋1，依次類推。

圖4 目標識別程度示意圖

5）重訪頻次

重訪頻次，指偵察衛星能夠對目標進行過頂偵察的頻次，對應的是目標的理論最快更新率。對于需要持續監視的目標而言，設用戶期望的目標更新頻率為U r，能完成用戶需求的衛星能夠對目標進行重復過頂的頻次為U，則重訪頻次的任務滿足程度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星或者偵察幅寬較寬的電子偵察衛星，但隨著偵察衛星分布式小型化的不斷發展，民商遙感衛星的數量不斷增多，以及美國“黑杰克”計劃的推廣，巨型衛星星座的出現使對目標的連續監視在低軌成像偵察方面也成為了可能。當用戶對遙感衛星偵察體系提出針對某目標的連續監視任務時，設T為對單顆衛星對該目標的連續偵察時長，T r為情報保障用戶對目標的連續偵察時長要求，偵察時長的任務滿足程度GT＝min(1,T/T r)。

2.3 系統效能層評估模型的構建

遙感衛星偵察體系的任務規劃階段，用戶需求被拆解重構成了不同遙感衛星對目標的偵察，為了對遙感衛星偵察體系的系統效能進行評估，計算體系滿足用戶需求的可能程度，可以從任務籌劃的角度出發，計算在理論情況下，遙感衛星偵察體系對偵察任務的落實情況。在任務籌劃的過程中，需要全盤考慮任務管理控制、衛星數據接收、數據信息處理、情報分析整編、產品共享分發等各個環節，其中消耗的時間可通過歷史數據進行回溯估計，是一個估計值。

假設用戶需求被拆解成有M個目標需要單次瞬時偵察，N個目標需要持續跟蹤監視，Z表示目標的歸一化權重，則需要被單次瞬時偵察的第i（i＝1,2,3,…,M）個目標任務落實率可表示為：Q i＝Gti Pci Pdi GIi；需要被持續跟蹤監視的第j（j＝1,2,3,…,N）個目標任務落實率可表示為：Q j＝

遙感衛星偵察體系的系統效能可以表示為：

2.4 作戰效能層評估模型的構建

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

同樣假設用戶需求被拆解成有M個目標需要單次瞬時偵察，N個目標需要持續跟蹤監視，Z表示目標的歸一化權重，則需要被單次瞬時偵察的第i個目標任務完成率可表示為：Q′i＝ηi G′ti G′Ii。

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

需要被持續跟蹤監視的第j個目標任務落實率可表示為：；其中，G′Tj為遙感衛星對目標的偵察時長的實際值。

遙感衛星偵察體系的作戰效能可以表示為：

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

3 結束語

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