面向任务的遥感卫星信息支援能力评估指标体系构建*

彭 耿

(复杂舰船系统仿真重点实验室,北京 100161)

信息支援是伴随信息技术走进战场的新型作战力量,它一诞生就与火力支援、兵力支援、战略投送一并构成作战支援,成为构建现代军队一体化联合作战能力重要内涵之一[1-2]。研究探索信息支援本质、作用机理和作战运用,既是夺取战场主动权的必然要求,也是加快转变战斗力生成模式的必由之路。

遥感卫星是天基信息支援力量的重要组成部分,具有覆盖范围广、定位精度高、不受国界及敌防御火力限制等独特优势,是实施海上军事行动的重要信息来源。目前,一些学者对遥感卫星的作战效能(即其在作战过程中发挥有效作用程度)进行了研究[3-14],但开展并不充分,主要存在三类问题:1)评估对象局限于遥感卫星本身而不是整个卫星系统[3-8],即未将遥感卫星信息传输、处理、应用节点纳入评估范畴;2)评估过程与实际应用缺乏有机结合,如遥感卫星移动目标信息是在观测后超过一定时限才传输到遂行作战任务的应用终端,此时信息因无效而无法应用,即卫星的作战效能为零,但较多文献仍会根据卫星性能参数、传输时延等因素进行作战效能对比[9-14];3)评估指标取值与具体任务没有紧密耦合[3-14],如两个仅存在分辨率差异的遥感卫星系统,在进行大型舰船目标监视时的作战效能有可能相同,在遂行大中型舰船目标监视时的作战效能有可能不同,但较多文献会根据分辨率差异直接得到不同的作战效能。

本文以电子型遥感卫星为例,为遥感卫星信息支援能力评估提供科学指标体系,从系统论、信息论的视角出发,提出并构建从目标观测到信息应用终端的遥感卫星信息链,聚焦信息应用的有效性,提出有效时长的概念并作为核心指标,建立面向任务的遥感卫星信息支援能力评估指标体系,为系统有效评估遥感卫星信息支援能力提供基础。

1 遥感卫星信息链

根据目前世界范围内的遥感卫星支援作战应用实例(包括海域监视、目标指示等)[15-18],以支援水面舰艇编队实施精确打击为例,总结概括遥感卫星支援作战的典型过程如图1所示。

图1 遥感卫星信息支援作战的典型过程

图1中的信息节点表示相关遥感卫星信息传输与处理节点;(紫色)虚线表示数据处理中心的遥感卫星信息可通过通信卫星分发至水面舰艇编队;(红色)点画线表示星上处理生成的遥感卫星信息可广播分发至水面舰艇编队。

因此,本文将“遥感卫星信息链”定义为从信息获取到信息最终利用全过程组成的节点集合,它不同于一般意义上的信息传输链,包含三类节点(或节点集):1)信息获取节点,即遥感卫星;2)信息传输与处理节点集(组成信息传输链),包括数据接收站、数据处理中心、通信中继节点(如通信卫星、无人机等)等;3)信息应用节点集,包括指挥所、实施精确打击的各型作战平台(如水面舰艇、飞机等)及精确打击武器(如反舰导弹等)等。

2 遥感卫星信息应用的有效性度量

信息是不确定性的一种度量,信息质量反映了“信息所描述的对象”的不确定性程度。为了度量信息应用节点集所需的终端信息质量,本文提出了遥感卫星信息链误差的概念,即:信息应用节点获得舰船等目标的信息时,被攻击/监视的目标和节点获得的目标位置的相对位置的散布度。

根据上述的分析可知,遥感卫星信息链误差的来源有:遥感卫星目标定位误差及其自身定位误差[19],信息应用节点自身定位误差、信息传输与处理时延内的舰船目标运动等[20]。其中,信息传输与处理时延随着信息传输与处理节点集的变化而变化。

天基导航系统的定位精度较高,如GPS、北斗在亚太中低纬度地区民用级定位精度(平面)优于3 m[21],遥感卫星、信息应用节点利用它们进行自身定位,通过导航信息融合将精度提升至分米甚至厘米量级,则该类自身定位误差可近似忽略;国外电子型遥感卫星的定位精度一般为km量级,如美国新一代“白云(White Cloud)”的定位精度优于2 km[22]、俄罗斯一颗海洋监视卫星的定位精度为6 km～13 km[23],此时的目标定位误差不可忽略;由于很多舰船的航行速度可高达30 kn,若在较短的信息传输与处理时延内匀速直线航行,则舰船运动与时延之间的线性关系为9.26 m/s,可见舰船运动也不能忽略。因此,遥感卫星信息链路误差的主要组成为目标定位误差、信息传输与处理时延内的舰船目标运动。

假设遂行某具体任务时,信息应用节点集可容忍的遥感卫星信息链误差为R0(1σ),则可用式(1)定义的有效时长来衡量遥感卫星信息应用的有效性,即:

(1)

图2 单次有效时长示意图

图2中，t01为遥感卫星第一次观测的起始时刻，t1为遥感卫星第一次观测时的信息传输与处理时延，t01+t1、t01+T1为遥感卫星信息第一次有效时的起始、终止时刻,ΔT1为两者之差,即第一个有效时长。

根据式(1)可知:有效时长与不同任务(信息应用节点集)可容忍的遥感卫星信息链误差、目标定位误差、目标最大可能航速、信息传输与处理时延等因素相关,即通过有效时长可将这些因素紧密联系起来,用于衡量遥感卫星信息应用的有效性。有效时长是进行遥感卫星信息支援能力评估的前提和基础,即只有在该数值大于零的条件下,才能进行能力评估分析。

不同于一般的成像型遥感卫星,电子型遥感卫星通常在经过目标上空时会持续观测一段时间,因此，其有效时长为此持续时间内多次观测信息对应的有效时长的并集,即

(2)

式中Ni为对目标进行第i次持续观测时的观测次数。

3 遥感卫星信息支援能力评估指标体系构建

3.1 构建原则

指标体系的选择与能力评估的合理性直接相关,在遥感卫星信息支援能力评估指标体系的构建过程中,重点遵循以下原则:

1)针对性原则。选取的指标要能客观反映遥感卫星信息支援本质,转变聚焦卫星平台性能参数的传统评估思路,从信息应用的视角对信息支援能力有一个全新的认识,即要重点表征用户(信息应用节点集)基于具体任务的不同需求及满足程度。

2)完备性原则。完备的指标体系是科学、合理评估遥感卫星信息支援能力的基础,构建的指标体系应能较全面反映信息支援能力,重要指标没有遗漏,影响小的指标可适当忽略。

3)独立性原则。选取的指标应该是不相关的,具有相对独立性,即每个指标可独立反映遥感卫星信息支援能力的一个方面,若部分指标相关,则应通过简化、合并处理来生成新的指标。

4)层次性原则。在构建指标体系的过程中,应正确划分层次,自顶向下,逐层分解,将众多信息支援能力影响因素映射到更具体的指标中。

指标体系构建还应遵循其他一些基本原则,如一致性原则、可度量性原则、系统性原则、稳定性原则、科学性原则等。

3.2 影响能力信息相关要素的层次化分析

信息是现代战争的主导者,信息在体系对抗中成为核心资源和主导因素,本文从信息质量、信息数量两个维度,开展遥感卫星信息相关要素的层次化分析,为信息支援能力评估指标体系构建提供基础。

文献[25-26]认为,目前虽然对信息质量没有权威定义,但可认为是事物运动状态或存在方式的不确定的描述优劣程度,可以用完备性、准确性、时效性3个指标来度量。完备性是指获得信息与客观信息之间没有缺口的程度,即遥感卫星系统能探测到覆盖范围内的真实目标数量的比例。准确性是指获得信息与客观信息之间的一致程度,即遥感卫星系统的探测精度和目标分类识别能力。时效性是指从信息域采集信息到产生公共态势图所需的时间,即遥感卫星系统完成目标探测、信息传输与处理全过程的时延。

受限于固有的轨道运动特性,遥感卫星难以对同一区域实现较长时间连续观测,其获取信息在时空上就具有离散性,因此遥感卫星信息数量主要用观测范围(空间)、观测时长(时间)及观测手段(形式)来度量。其中,观测范围是遥感卫星对地观测的覆盖范围;观测时长是对地观测的时间积累,包括平均重访次数、重访的平均时长;观测手段是通过对地观测获取的信息种类与形式。基于目前丰富的陆、海、天基测控与通信资源,可认为电子型遥感卫星能及时响应测控指令执行观测任务并进行星地传输,即遥感卫星只要经过目标区域上空就可执行对地观测任务并将观测信息及时下传，基于信息相关要素的层次化分析框架如图3所示。

图3 基于信息相关要素的层次化分析框架

3.3 信息支援能力评估指标体系

根据上述基于信息相关要素的层次化分析结果尚不能直接构建评估指标体系:1)信息质量维度,准确性中的定位精度与时效性中的时延存在相关性,需要将其合并处理生成新的指标;2)信息质量维度的完备性、准确性与信息数量维度的观测手段存在相关性,观测手段的强弱本质上是通过信息的完备性、准确性来体现,因此该指标可作忽略处理;3)未与用户具体任务紧密耦合,即需要在信息有效(可用)的基础上才能开展信息支援能力评估。

面向支援不同任务(可容忍的遥感卫星信息链误差不同)的实际应用,在信息有效即有效时长大于零的前提下,开展遥感卫星信息支援能力评估。由于电子型遥感卫星一般是根据测控指令遂行区域观测任务(可能对应多种观测模式),因此评估指标体系主要是根据信息时效性、有效信息的(区域)获取能力进行构建,其中:信息时效性集中反映信息的可用程度;有效信息获取能力集中反映了遂行区域有效观测任务的完成程度，评估指标体系如图4所示。

图4 遥感卫星信息支援能力评估指标体系

1)平均有效时长,即针对不同的具体任务所确定的可容忍的遥感卫星信息链误差,根据上述公式计算多次观测对应的有效时长的统计平均值,反映了遥感卫星信息可用程度。

2)区域覆盖率,即卫星覆盖到目标的概率[14]。假设目标在面积为A的指定区域内均匀分布,遥感卫星第i次覆盖该区域的面积为Ai,则遥感卫星第i次可见该区域时覆盖到目标的概率为

(3)

前i次覆盖到目标的概率为

(4)

3)目标探测概率,即正确发现概率,用在指定区域内探测到真实目标数量的比例表示。该数值与卫星探测性能、舰船目标电磁辐射特性、遥感信息处理系统能力、具体任务、操作人员等要素有关,如监视大型舰船目标时的探测概率就可能比遂行监视中小型舰船目标时的探测概率高。

4)目标识别概率,即正确识别目标身份概率。基于电子型遥感卫星信息的目标识别可以分成四个等级:第一级(I=1)为辐射源型号识别,即根据辐射源被探测到的工作参数、特征参数分析等相关信息,判断辐射源的型号,如“宙斯盾”雷达等;第二级(I=2)为平台属性识别,即根据辐射源型号识别结果等相关信息,确定其装载平台的属性,即判断舰船目标的类别,例如航母还是驱逐舰等;第三级(I=3)为平台类型识别,即判断舰船目标的型号,例如驱逐舰是“伯克”级还是“基德”级等;第四级(I=4)为平台个体识别,即判断舰船目标的具体身份,例如驱逐舰是“伯克”级的“巴里”还是“麦凯恩”等。针对不同舰船目标、不同具体任务,根据目标识别的实际等级(即该等级下的正确识别概率大于规定值)和任务所需的最低等级(Imin)来量化目标识别概率:

(5)

假设某一任务对不同类型的舰船目标的关注程度不同,则可通过赋予的加权(β)获得此时的目标识别概率:

(6)

式中N为目标类型数。

5)平均重访次数,即地面目标在任务时间内被遥感卫星覆盖的次数的统计平均值,反映遥感卫星遂行观测任务的频次。

6)重访平均时长,即遥感卫星对地面目标进行多次连续观测时,其之间的时间间隔的统计平均值,反映遥感卫星遂行观测任务的连续性,即该值越小,则观测越连续。

4 结束语

本文就遥感卫星信息支援能力评估指标体系的构建进行了探讨,在构建从目标观测到信息应用终端的遥感卫星信息链的基础上,为有效度量信息应用的有效性,提出面向具体任务有效时长的概念和计算方法；基于质量、数量维度的能力影响相关信息要素的层次化分析结果,以有效时长为评估前提和核心指标,初步构建与用户应用(任务)紧密耦合的能力评估指标体系,对于科学评估遥感卫星信息支援能力水平具有积极意义。

目前,该指标体系已在遥感卫星海域监视能力评估等案例中得到应用,后续将从指标体系优化、任务要求细化等方面开展研究,为天基信息支援能力评估提供更加客观、可靠、实用的依据。