面向战术应用的卫星应用任务规范描述

徐培德，薛波，张迎新

(国防科学技术大学 信息系统与管理学院，湖南 长沙410073)

1 引言

随着军事变革的不断发展和卫星装备的不断更新，卫星系统正在由战略战役应用为主向全面支持战术应用转变，其应用任务的规模越来越大，种类越来越多。卫星系统正越来越多地直接用于支持各类战役、战术作战行动。

卫星系统的战术应用就是在指挥所、武器平台、分队(单兵)等作战单元的作战行动中，运用卫星系统获取、传输、处理和分发信息，直接支持作战行动。战术应用具有需求突发性、任务区域不确定性、保障高时效性、要求多样性等特点，因此，对卫星信息保障提出了新的要求，包括任务需求的准确获取、任务规划的快速处理、任务实施的精确执行、情报信息的适时送达。为了达到该要求，必须对卫星系统资源进行统一组织管理，对卫星应用任务进行统筹规划调度。由于不同用户对应用任务的关注点不同，对应用任务的描述常常采用不同的方式。因此，迫切需要建立一种合适的任务描述方法，能够对卫星系统的各类任务进行统一的描述，保证任务的准确获取、快速汇总、高效实施，确保卫星系统达到要求的应用效能。

本文针对卫星应用任务的特点，借鉴建模仿真、智能体技术及系统开发等研究领域中的规范描述方法，建立了一套适用于卫星应用领域的任务描述规则，并以侦察监视应用任务为例给出了任务描述的基本参数结构。

2 卫星应用任务的概念及描述

2.1 卫星应用任务的概念

任务是一个应用广泛的概念，在军事问题分析中，对于任务可以从不同的方面进行理解。从能力的角度，任务可以定义为:任务是实体(组织，主体)的使命、主要装备、组织的作战条令规定所能够进行的动作或者活动。

由此定义可以看出，任务是要求实体必须实施的活动，其涉及的主要因素(内涵)包括任务的实体、目的和对象。

(1)实体:一个任务总是由某个(些)组织(主体)来完成的。

(2)任务目的:是某种期望的状态，该状态是对目标对象状态变量的一个断言或者函数关系的判断。

(3)对象:任何一个具体的任务完成的过程及任务的最终完成都是对环境及对象状态的改变。任务对象包括敌我双方的作战部队，人工设施和地理环境。

卫星应用任务就是由卫星资源所完成的任务。卫星应用任务的实体就是完成任务所需要的各种卫星应用装备和设施，任务目的是指需要获取的情报信息，对象是指信息活动作用的客体。

面向战术的卫星应用任务是指直接为各类战术行动提供探测、侦察、导航、定位、通信、气象、测绘等信息保障的卫星应用任务。根据所需卫星应用技术的类型和信息保障能力的分类，可以将卫星应用任务分为:卫星侦察监视应用任务、卫星导航定位应用任务、卫星通信中继应用任务和卫星环境探测应用任务。

2.2 卫星应用任务的概念模型

基于上述分析，针对卫星应用任务的特点定义了一套元素和属性，用来实现对卫星应用任务的规范化描述。卫星应用任务可以表示为一个五元组的概念模型ST=＜STG，STT，STO，STN，STQ＞，其中STG是对任务的说明集合，STT表示任务的时效性属性，STO表示任务的对象属性，STN表示信息需求属性，STQ表示任务的质量要求属性。

STG=＜STGName，STGID，STGCH，STGPRI＞，其中STGName表示应用任务的名称，STGID表示应用任务的ID号，STGCH表示应用任务性质，STGPRI表示应用任务的优先级。

STT=＜STTSP，STTD，STTF＞，其中STTSP表示应用任务的执行时间区间，STTD表示应用任务执行的时间分辨率，STTF表示信息反馈用户的最后时间。

STO=＜STOT，STOS，STOC＞，其中STOT表示目标的类型，STOS表示目标的位置特征，STOC表示目标实物的特性，如运动特征等。

STN=＜……＞，其内容根据具体的卫星应用任务类型而定。

STQ=＜……＞，其内容同样根据具体的卫星应用任务类型而定。

2.3 卫星应用任务的分类

由任务的概念内涵可以看出，任务就是实体(组织，主体)在作战中需要实施的动作或者行动。卫星的作战应用是一个涉及因素众多的军事活动，卫星应用任务的描述也是一项与众多因素相关的复杂过程，需要同时满足面向应用领域的建模和面向资源管理的建模，需要有卫星资源管理部门和作战应用部门的共同参与。

根据任务描述的不同阶段和卫星装备的特点，把卫星应用任务分为需求任务、计划任务和实施任务。需求任务是指任务需求获取阶段，由作战部门提交的卫星应用任务需求;计划任务是指任务规划阶段，由卫星资源管理部门进行规划处理的卫星应用任务;实施任务是指经过统一规划处理，能够直接实施的应用任务。它们分别由任务需求模型、任务计划模型和任务实施模型进行描述，其对应关系如图1所示。

3 卫星应用任务的需求模型

需求模型是对卫星应用需求的规范化描述。用户对于任务需求的关注点不同，往往采用不同的描述方式，给任务需求的采集及任务执行资源的规划带来了很大的困难，需求模型的目的就是规范和统一各类用户对卫星应用任务需求的描述，方便任务需求的快速提交。因此，它要求形式简单，方便快捷，并能保证卫星资源管理部门对任务需求信息的准确把握，任务模板很好地满足了这一要求。所谓任务需求模板，就是对卫星应用需求知识以模板的形式进行抽象和概括。模板描述符合军事人员的习惯，也方便卫星资源管理部门对需求的理解，模板还具有一定的规范性，有利于用户和技术人员之间的协调。

3.1 卫星应用任务需求要素

应用任务需求的格式化描述首先要确定任务需求的基本要素。任务需求的基本要素可以从卫星应用任务的概念及实现的具体过程来确定:

(1)卫星应用任务是赋予卫星可以实施执行的任务。

(2)卫星执行任务是为了达成一定的目标，即任务目的。

(3)应用任务实施受任务能力需求和任务执行时间、多任务相互影响的约束。

卫星应用任务执行的约束条件分可为任务约束、资源约束和事件约束。

任务约束表示应用任务执行过程中需要满足的工作条件。如目标的(时空特性)覆盖约束，任务逻辑约束，任务需求约束。

资源约束表示应用任务执行时需要的资源条件。如卫星传感器类型、卫星下行数据链路的使用时间、星载存储器容量、数据传输速度、侧视操作的次数、成像时地面目标太阳高度角、成像卫星最大云量等级等的约束。

事件约束表示应用任务在执行中，还受到具体过程特殊事件条件的限制。如任务的事件时间窗约束、卫星相机开机成像时间延迟、卫星实施侧视后的稳定时间、成像时间长度约束、同一传感器两次成像任务之间的间隔时间等约束。

根据上述任务与约束的关系分析，可得到卫星应用任务的相关属性要求如图2所示。

从任务属性关系中可看出，卫星应用任务包含着作战单元的保障需求和应用任务的各种约束。卫星应用任务的需求要素根据这些保障需求及约束确定，主要包括任务名称、支持单元、任务目的和任务约束属性，其中任务约束属性又包括时效性、目标属性、信息需求类型、质量要求。任务名称、支持单元、任务目的以及时效性和目标属性约束体现了任务需求，而信息需求类型和质量要求体现出了任务的能力需求。

3.2 需求模型的规范化描述

为了便于卫星资源管理部门很好地获取任务的能力需求，需要对任务能力需求进行规范化描述。本文采用最简单的交流方法——建立任务需求模型(也称任务需求模板)来对用户和服务方的内容进行约定和规范。

任务需求模板是对一类卫星战术应用任务知识的抽象和概括，用于对卫星信息需求的结构化描述。任务模板形式相对简单，描述简洁，易于使用，方便各作战单元以统一的标准和规范的方式对应用任务进行描述，也利于航天资源管理部门对天基应用需求的准确理解、服务和自动处理。

从作战单元的角度，以侦察监视应用任务为例，建立任务需求模板如图3所示。

模板中的各项属性说明如下:

(1)应用单位，表示卫星信息直接支持的作战单元，即提出任务需求的用户。

(2)任务要求，是用户对任务信息需求的描述，是对任务能力的需求表示。一般侦察任务的信息需求包括成像信息和电子信息，而成像信息根据星载传感器的不同又可以分为可见光、红外、微波、多光谱以及SAR等。

(3)目标属性，是对侦察对象的描述。其中，目标类型直接用目标名称或种类来描述;目标位置可以用地理位置粗略描述，也可用经纬度表示;区域则用多边形的顶点坐标［A(X，X)，B(X，X)，…］或(圆心，半径)来表示。如果是移动目标，则用时间和位置来表示;目标特性是对侦察对象的运动特性和电磁特性的描述。运动特性有静止或移动;电磁特性则分为有电磁特性或无电磁特性。

(4)时效性要求，是对任务的起止时间以及执行频率的约束。

(5)质量要求，包括分辨率、测频宽度、测频精度和定位精度。分辨率可以按照需求提交其要求的等级。各要求的物理参数规范是分辨率优于XXm，测频宽度XXMHz，测频精度优于XXMHz，定位精度优于XXm。

4 卫星应用任务的计划模型

对于作战单元提出的任务需求，可能没有明确具体的卫星资源和能力的要求，航天资源管理部门在资源组织时需要根据任务的需求进行任务属性的提炼，转换为标准的属性类别，并确定执行任务的卫星资源，由此得到卫星应用的计划任务模型。

卫星应用的计划任务模型描述的是航天资源管理部门已经明确理解并可以处理的任务。航天资源管理部门首先按照计划任务模型的能力要求搜索是否存在对应的需求信息，由此确定是否实施该应用任务。

4.1 卫星应用任务的计划模型要素

根据应用任务需求模型中任务名称、目的、目标类型、目标位置、目标特性、时效性要求等需求要素值，进行变换处理，转换为应用任务的标准属性值(类别)，获得计划模型要素状态值。主要的计划模型要素值包括:

(1)信息类型。包括电子信息(Elin)，图像信息(Imag)，图像信息又包括光学图像(Opt)，雷达图像(Sar)，红外图像(Inf)，多光谱(MS)，超光谱(HS)等。计划模型中，信息需求类型主要分为:无类型要求、电子信息、图像信息、综合信息等。明确了任务所需获取的信息类型，也就是确定了所需的卫星资源类型。

(2)目标属性。目标属性的刻画是比较复杂和困难的，这里主要针对侦察任务的情况，对属性进行了分类处理。①目标类型(Target-Type)。卫星在进行侦察活动时并不需要对目标进行具体类型的区分，只需将目标类型预处理为点目标、区域目标和集群目标(集群目标也可以看作是区域目标)。其中点目标是指卫星进行一次观测扫描能完全覆盖的目标，区域目标是指卫星一次扫描无法完全覆盖的目标。目标类型分为的点目标、区域目标等。②目标位置(Target-Location)。将作战需求模型中的目标位置转换成经纬度表示形式，分为点目标和区域目标两类形式表示，目标位置主要分为点目标位置或区域目标位置。③目标特性(Target-Speciality)。目标特性主要分为静止、移动、有电磁特性、无电磁特性等。

(3)时效性。时间范围(Time-Range):用“日-月-年00:00:00”形式的时间区间表示;执行频率(Mission-Frequency)分为重复侦察或不重复侦察;完成时间(Time-Ending):用“日-月-年00:00:00”形式表示。

(4)质量要求。质量要求包括分辨率、测频宽度、测频精度、定位精度等属性。遥感中使用的地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)指的是区分图像中两个相邻物体的能力，即图像上两个物体能清楚地区分开的最小距离。如果两个物体之间的距离小于分辨极限，在图像上就被显示成一个物体。

根据观测任务的不同，可以将地面目标的识别划分为4个等级:①发现目标:判断目标是否存在。要求确定部队、军事目标和军事活动的位置。②一般识别:判断出目标的类型或属性，如区分出房屋、车辆。③详细鉴别:判断出同类物体的不同类型，如区分出房屋的种类，某导弹是地地导弹还是地空导弹等。④目标描述:要求确定出设施或目标的大小、形状、结构、数量，识别出目标的特征和细节，如导弹有无尾翼等。

不同目标的不同识别等级需求，可以转换成对目标分辨率参数要求的形式［1］。

4.2 计划模型的格式化描述

根据侦察监视卫星的工作原理及上述的属性值，得到侦察监视应用任务计划模型的格式化描述形式，如图4所示。

其中主要属性值的生成方法说明:

(1)信息类型，可以根据需求模型中任务要求的内容确定。

(2)任务编号、提交时间，由系统生成。

(3)任务名称，由任务的信息需求类型和探测的目标类型生成。

(4)时效性，由需求模型直接映射生成。

(5)目标属性，目标位置可用经纬度表示，由需求模型映射确定。

(6)优先级、信息需求，根据信息类型及任务的特点确定。

(7)质量要求，由需求模型的任务性质及资源特点，由管理部门确定。

对于任务计划模型模板，可采用XML语言对其进行形式化描述，图4的XML描述如图5所示。

5 卫星应用任务的实施模型

任务的计划模型确定了任务的级别信息需求，但没用确定执行任务的具体卫星实体、时间窗口、传感器摆角等参数，还不是一个可实际执行的任务模型。为此，还需要针对卫星执行任务的需要，确定相关任务的属性值，得到卫星应用任务的实施模型。

实施模型描述的是卫星可直接执行的应用任务，根据卫星资源管理的方法及卫星工作的特点，这样的任务是单个资源一次过境可以完成(执行)的任务，所以也称为元任务。

在卫星应用任务中，有些任务是可以直接执行完成的元任务，有些任务则需要分解为多个子任务才能执行完成。通过对元任务的特征分析，可以给出任务的实施模型。

首先，根据计划模型中的信息需求，确定可选的卫星资源类型集合;其次，根据计划模型中的目标位置属性、时间要求，结合可选卫星资源的轨道参数，由每一个可覆盖目标的时间窗口就可确定一个元任务;最后，再根据目标的其他属性要求和资源使用约束，确定其它的模型参数，便可得到元任务的模型。元任务的模型可以较好地满足对卫星应用任务规划的需要，某成像侦察元任务的实施模型如表1所示。

表1 卫星侦察监视元任务的实施模型

6 结束语

由于卫星系统被越来越多地直接服务于战术应用中，其服务对象种类越来越多，任务需求越来越复杂。为了能够高效地满足多样化的卫星应用任务需求，需要对卫星应用任务进行规范的描述。本文针对作战中卫星应用需求的特点，结合卫星应用技术和卫星应用任务的特征，提出了基于需求模型、计划模型和实施模型的卫星应用任务规范化描述方法，并利用格式化模板和XML Schema分别给出了的应用任务规范描述模型。实际应用表明，该方法能够满足卫星复杂战术应用的规范化描述要求。

1 李菊芳，贺仁杰，姚峰.卫星观测任务数据的XML描述［J］.计算机工程与应用，2004(32):209-211.

2 EROL K，HENDLER J，NAU DS.UMCP:A Sound and Complete Procedure for Hierarchical Task Network Planning［C］.Second International Conference on AI Planning Systems(AIPS’94)，1994.

3 张迎新，徐培德，李志猛.基于XML Schema的天基信息系统应用任务需求描述［J］.科学技术与工程，2009(9):1671-1819.

4 EROL K，HENDLER J，NAU DS.Complexity Results for HTN Planning［C］.Annals of Mathematics and Artificial Intelligence 18，1996.

5 张钧屏，方艾里，万志龙.对地观测与对空监视［M］.北京:科学出版社，2001.