卫星探测海洋目标的效能评估体系分析

(海军装备研究院，北京 102249)

1 引 言

随着航天技术的不断发展，卫星的性能不断提高，数量不断增加，地球观测卫星系统在军事及商业等领域发挥着越来越重要的作用[1]。如何有效地评价卫星系统的性能、优化卫星系统的顶层设计已经成为一个突出的问题。国内外已有学者[2-7]对卫星系统的效能指标进行研究，国内学者大多是针对方法本身的改进研究或者是诸多方法之间的比较，很少有基于实用化应用的多指标效能的综合评估研究。

本文根据遥感卫星系统探测海上目标的应用需求，建立了面向顶层设计的卫星探测效能评价指标体系，通过仿真实例分析验证了指标体系的实用性。

2 效能评估体系的建立过程

卫星系统探测海洋目标的能力研究的对象和系统比较复杂，难以用一项单一指标来度量，并且指标也是多维的。为了将多层次、多因素、复杂的评估问题用较科学的计量方法进行量化处理，首先必须针对评估对象构造一个科学的评估指标体系。这个指标体系必须将被评对象大量相互关联、相互制约的复杂因素之间的关系层次化、条理化，并能够区分它们各自对评估目标影响的重要程度，以及对那些只能定性评估的因素进行恰当、方便的量化处理。因此，建立实用化的卫星探测海洋目标效能评估体系是十分必要的。

评估指标体系要全面地反应出所要评估的系统的各项目标要求，尽可能做到科学、合理，且符合实际情况，并能为有关人员和部门所接受。

首先，卫星探测海洋目标效能评估体系在全面分析系统的基础上，形成一个初步的、可供实际操作的评估指标体系；然后，经过广泛征求专家和有关部门的意见，反复交换信息、统计处理和综合归纳等；最后在实践中检验，确定评估指标体系，如图1所示。

图1 卫星探测能力评估指标体系Fig.1 Satellite detection capability and its evaluating index system

3 效能评估体系中的权重

效能评估体系中的权重是以某种数量形式对比、衡量被评估对象总体中诸要素相对重要程度的量值，也就是各指标对总体目标的贡献大小。卫星探测海洋目标的效能评估体系权重的确立采用主观判断法中的层次分析法。

由专家决策者填“√”得表，如表1所示。

表1 专家决策表Table 1 Expert decision table

由表1得到相应的矩阵A：

(1)

用特征根法(EM)得出A的主特征根约为7.087 1，相应的特征向量为

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

经归一化后就能得到排序权重向量(0.346 7 0.145 9 0.230 0 0.051 6 0.087 1 0.051 6 0.087 1)T。该向量的分量就是该相应元素对于上层元素的相对权重。

4 卫星系统能力评价指标及其计算方法

在多卫星联合调度的情况下，对某任务进行卫星系统能力评价分析。经过星地可见性分析，一些海上目标将具有被卫星拍摄的机会即时间窗口，另一些将没有可用时间窗口。针对某一任务S一般具有多个时间窗口，将这些时间窗口都设为该侦察任务对应的可选访问集合Vi。

卫星对海上目标观测活动一般是在指定地理范围内进行的，称之为预警区域(Region of Warning，ROW)，用R进行表示。为了研究问题方便，需要对区域R进行离散化处理，将其分解为N×M个等大的网格。每个网格的状态：

Pjk∈0，1，j=1，2，…，N；k=1，2，…，M

(2)

式中，j表示网格的列数,k表示网格的行数,Ρjk表示该网格点对于某类舰船的多星观测能力值。

4.1 目标探测概率

探测活动的实践表明，探测概率总是不确定的、随机的，不能根据某一次探测的偶然结果来判定某种探测方式优劣，只有根据某种探测方式在相同条件下多次探测的效率的统计规律性，才能得出这种探测方式的效果好坏的科学尺度。用蒙特卡罗方法进行仿真可以反应出卫星探测舰船目标的随机特性。

卫星对舰船目标的探测持续时间短，观察与观察之间有一定的空隙，因此它们属于离散型的探测方式。卫星目标探测概率主要依据卫星群的卫星轨道设计、星载传感器的侧摆角等参数：

(3)

式中，gi是指第i次仿真中卫星对舰船目标的探测概率，n是指卫星仿真的次数。

4.2 跟踪目标航迹拟合度

跟踪目标航迹拟合度是指根据卫星发现舰船目标点时间窗口的信息模拟出的航迹与真实的目标航迹间的拟合量化程度：

(4)

式中，Tbegin,Tend表示评估卫星跟踪舰船目标的时间段，xt,yt表示t时刻模拟航迹坐标，Xt,Yt表示t时刻真实航迹坐标。

4.3 区域平均感知度

区域感知度是指多颗卫星组成的探测群在一定时间内对预警区域内某个网格点的信息获取能力的一种综合量化程度。区域平均感知度是该预警区域内所有网格的感知度平均值。

根据连续马尔科夫链，区域感知度存在以下几种情况：

(1)当φn∈(-∞,ε)时，

(5)

(2)当φn∈ε,λ时，

(6)

(3)当φn∈(λ,+∞)时，Pjk(t)=0；

(4)在可见时间窗口[tn+1,tWinEndn+1]时间段内，Pjk(t)=1。

其中，φn表示卫星探测群的定位精度；ε表示针对不同的战略战役任务，根据专家经验得出可接受的舰船目标活动分布误差；根据蒙特卡罗仿真试验研究，舰船目标的活动分布服从正态分布，λ为该正态分布曲线的单侧置信限；vmax为该类舰船目标的最大航速，vmin为该类舰船目标的最小航速；卫星探测舰船目标能力存在两个时间门限值T1=ε/vmax和T2=λ/vmax；Δt=tn+1-tWinEndn表示先后过顶两卫星的时间间隔。

4.4 区域覆盖率

区域覆盖率是指在一个规划时段内，卫星及其有效载荷通过侧摆对指定侦察区域内的总的覆盖范围(去除重叠区域)与指定侦察区域范围之比。这一指标的高低反映了不同的方案针对区域目标的处理能力。

(7)

式中，P为卫星覆盖区域的次数，S为卫星重叠覆盖的次数。

4.5 任务平均响应时间能力

任务响应时间是指从卫星侦察到目标时刻至目标侦察情报生成并送达目标地点，即任务被完成时刻的时间长度，它反映了卫星接收-处理-应用整环节的反应速度。针对不同的任务具体的响应时间不同，战略侦察的任务从卫星过顶时刻至侦察信息到达战略指挥中心，战役战术侦察的任务从卫星过顶时刻至武器信息平台或指挥所。

任务平均响应时间能力是任务平均响应时间的倒数，能够评估系统的平均反应能力：

(8)

式中，S是指某个侦察任务，EndTimei是指第i个任务的完成时刻，StartTimei是指第i个侦察到目标的卫星侦察时刻，Ns为所有任务的个数。

4.6 任务最大响应时间能力

(9)

任务最大响应时间的长度越短，任务最大响应时间能力值越大，卫星系统应用任务的快速反应能力越强。

4.7 探测目标时间分辨能力

时间分辨率是指卫星系统对若干目标重复侦察的时间间隔，探测目标时间分辨能力是时间分辨率的倒数。时间分辨率越小，探测目标时间分辨能力值越大，卫星系统对目标重复侦察的能力越强。

(10)

式中，n为卫星侦察目标次数，T为卫星侦察时间间隔。

5 仿真实例分析

在某海域划定预警区域，并设置舰船目标航迹，如图2所示。

图2 卫星仿真想定预警区域图Fig.2 A scenario regional map of early warning for satellite simulation

基于STK(卫星仿真工具包)，从AGI公司在网站上提供的卫星数据库中选取两组卫星群进行仿真。卫星群1卫星编号分别为tle-13301、tle-13916、tle-21655、tle-22739；卫星群2卫星编号分别为tle-22782、tle-22969、tle-23179、tle-23455。

根据卫星系统能力评价指标及其计算方法得出：卫星群1的指标向量为

(0.21 0.01 0.032 2 0.67 0.03)

卫星群2的指标向量为

(0.25 0.015 0.052 2 0.67 0.01)

根据层次分析法原理，通过指标向量和权重向量的乘积得出：卫星群1的评估指标为0.395 8，卫星群2的评估指标为0.413 2。仿真实验说明，卫星群2探测海洋目标的综合效能要强于卫星群1，卫星群2对该任务的需求相对是比较合适的。

6 结束语

本文以卫星探测海洋目标的能力评估为背景，建立了面向顶层设计的卫星探测能力评价指标体系，在分析建立各主要评价指标模型的基础上，运用层次分析法，对卫星探测海洋目标的效能进行综合评估。在此基础上，通过一个仿真实例，验证了指标体系的有效性。目前，国内关于卫星系统探测海洋目标的研究还比较少，需要进一步研究，这对于我国卫星应用的发展建设具有重要的意义。

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