基于用户需求满足度的遥感卫星侦察体系效能评估方法研究*

许益乔，张占月，王登林，张 刚

（1.航天工程大学，北京 101416；2.北京遥感信息研究所，北京 100011）

0 引言

遥感卫星能够获取全球战略目标影像、感知陆海战场态势和电磁环境，具有侦察范围广、时效快、区域远、不受国界地形限制等特点，在现代战争中的应用越来越广泛。对遥感卫星侦察体系的效能进行客观科学的评估，是一项十分重要的工作。近年来，一些学者对遥感卫星侦察手段的作战效能展开了一系列研究，其中文献[1-4]对侦察卫星具体性能的指标评估进行了研究，文献[5-7]从遥感卫星图像质量的角度进行了评估研究，但都未将卫星系统的站网资源应用、信息传输等因素纳入评估体系；文献[8-9]从面向任务的角度，分别对电子侦察卫星体系和成像侦察卫星体系进行了评估模型的构建，但主要考虑装备层面在理想条件下的应用；文献[10-11]分别从遥感卫星侦察在海洋监视方面和对海打击方面的应用出发，研究了卫星体系效能评估方法，但是未能考虑遥感卫星侦察体系及不同类型目标综合侦察运用的问题。遥感卫星侦察的最终目的是提供情报保障，对其进行评估应当围绕用户需求展开。本文将在上述研究的基础上，从遥感卫星侦察体系综合运用入手，提出面向用户需求的遥感卫星侦察体系的作战效能评估方法，为系统评估遥感卫星侦察体系能力奠定基础。

1 遥感卫星侦察体系运行流程

1.1 运行流程简介

遥感卫星侦察体系一般由天基侦察卫星、测控系统、数据传输系统和地面应用系统构成，运行流程围绕侦察任务分为用户需求受理、侦察任务规划、任务管理控制、卫星数据接收、数据信息处理、情报分析整编、产品共享分发、用户评价反馈等8个步骤，如图1所示。从运行流程看，遥感卫星侦察的情报产品是遥感卫星侦察体系内部联动筹划、指挥控制、资源调配对外的最终结果，需通过侦察目标制定、数据中继、数据处理、情报整编、测运控资源调用等一体协同完成，既涉及到专业的情报业务，又涉及到作为系统支撑的卫星管控和资源调配。体系运行时单个环节延误或者测运控、数传流程堵塞，很可能造成侦察任务的失败，因此，要完整评估遥感卫星作战效能，需要围绕终端，即遥感卫星侦察情报产品对用户需求的满足度展开。

图1 遥感卫星侦察运行流程示意图

1.2 卫星侦察体系的综合使用

不同类型的遥感卫星适用不同的任务场景，电子侦察卫星侦察幅宽大，适合对海上目标搜索跟踪；高分辨率成像侦察卫星幅宽较窄，适用于对陆地固定目标的监视。但在用户需求激增、时效要求高的情况下，就需打破传统遥感卫星应用场景限制，从遥感卫星侦察体系整体运用的角度出发，采用所有可用手段满足用户需求，例如马航事件发生后，数字地球（DigitalGlobe）公司就使用了多颗高分辨率窄幅成像世界观测（World View）卫星搜寻海上飞机残骸。同时，现代先进的军用侦察卫星系统为了实现多手段融合和多目标兼顾，除了有向分布式小型化模块化发展的趋势外，还有向多载荷多功能通用化发展的趋势，例如美国的第三代“白云”海洋监视卫星系统，也称为“联合天基广域监视系统”，就兼顾了空军战略防空和海军海洋监视的需求，搭载了电子侦察、雷达和红外成像等多种载荷[12]。因此，在构建遥感卫星侦察体系评估模型时，需要从遥感卫星侦察体系综合运用的角度进行考虑。

1.3 用户需求的拆解与重构

在收到多类用户不同要求的侦察需求后，首先需要根据任务类型、优先级程度及历史数据等先验信息对侦察任务进行整合，对时敏类高优先级目标进行动态任务规划。但不管用户提出的需求是重点目标的情报获取，还是陆海战场的态势感知，在遥感卫星侦察手段上都可以分解为单次或多次对目标的侦察，例如，重要固定目标的日常监视可以定义为小区域目标的重复侦察，航天遥感地图测绘可以认为是大区域目标的正摄影像侦察，重要雷达信号监控可以认为是对点目标的电子侦察等。同时，对单个目标的侦察需求可能由多颗不同类型的遥感卫星实施，从而拆解成多次不同卫星对目标的侦察任务。因此，遥感卫星侦察体系在受理用户需求后，需要对需求进行动态任务规划，拆解成由不同类型遥感卫星对目标实施的侦察任务，如图2所示。

图2 遥感卫星侦察需求整合示意图

2 效能评估模型的构建

2.1 效能评估的不同层次

文献[13]将武器系统的效能分为3类：一是单项效能，指运用武器系统时，就单项功能所能达到的程度，其对应的作战行动是目标单一的作战行动；二是系统效能，又称综合效能，指武器系统在一定条件下，满足一组特定任务要求的可能程度，是对武器系统效能的综合评价；三是作战效能，指在规定条件下，运用武器系统的作战兵力执行作战任务所能达到预期目标的程度。

参照该定义，可以将遥感卫星侦察体系的效能评估分为3层，如图3所示。一是单项效能层，指单颗遥感卫星在对目标进行侦察时应具备的能力，比如任务时效性、覆盖概率、识别能力等[14]，它与卫星运行轨道、侦察频段、定位精度、可视范围等系统的固有参数有关。二是系统效能层，指遥感卫星侦察体系满足用户需求的可能程度，因此是基于任务筹划的，是对用户需求按照目标进行拆解重构后，所有目标侦察任务的可能落实程度；同时，该层次中考量任务时效性和目标识别能力时，主要基于以往完成类似任务的大致估计。三是作战效能层，是指遥感卫星侦察体系完成用户需求的最终程度，因此它是基于结果的，不仅是基于遥感卫星的体系效能，还与运用遥感卫星侦察体系的作战环境、作战兵力，目标特性和外部环境等息息相关。

图3 遥感卫星侦察体系效能评估层次

2.2 单项效能层评估模型的构建

在单项效能层对遥感卫星侦察体系进行评估建模时，可将用户需求大致分为2类：一类是瞬时侦察需求，即只需要对目标进行单次侦察，并在时效要求内提供相应的有效信息即可，例如核查某位置是否存在某类型重要目标、查看某固定点目标的细节特征等；另一类为持续监视需求，即需连续提供目标的信息，如获取连续陆海战场态势、对某地面固定目标连续监视等。对瞬时侦察类目标采用时效性、覆盖概率、探测概率和识别概率等指标；对于持续监视类目标还要增加重访频次和侦察时长等指标。

1）侦察时效

任何情报都是在一定的时间和范围内有效，在用户要求前提供，其时效性最高，超过要求临界点时，时效性急剧下降，但对于用户可能仍有一定的价值[15]。遥感卫星侦察情报也不例外，设用户要求时间为tr，情报失效时刻为tf，则侦察情报时效满足程度G t(t)可以由以下函数表示：

2）覆盖概率

覆盖概率是指卫星的可侦察范围覆盖到目标的概率。对于固定点目标而言，其覆盖概率只能是0或者1；对固定区域目标而言，覆盖概率为遥感卫星可侦察的区域目标面积A除以区域目标的总面积Amax[8]，即Pc＝min(1,A/Amax)；对于机动目标而言，在没有其他先验信息的情况下，假设在以上次侦获位置为圆心、vmaxtg为半径的圆内均匀分布，则覆盖概率Pc＝min(1,A/π(vmaxtg＋δ)2)，其中，δ为上次侦获位置的定位误差，vmax为目标最大机动速度，tg为此次侦察时间距上次目标点位侦察时间的时间间隔。

3）探测概率

目标探测概率，即发现目标的概率。通常，对于电子侦察卫星，只要目标没有进行电磁管控，识别的概率就一般较大，不妨认为对应每组（颗）电子侦察卫星是个接近于1的常数Pde(λ)；电磁静默时，可认为探测概率为0。对于微波成像卫星，可认为其对侦察范围内的目标探测概率为1。对于光学成像卫星，则需要考虑大气云层中云量的影响，通常可采用十分法对云量进行记录：天空无云，记录C＝0；天空完全被云遮蔽，C＝10。因此，光学成像卫星的探测概率[2]Pd＝1-C2/100 (0≤C≤10)。

4）识别程度

目标识别程度，是指遥感卫星在拍摄到目标影像或者侦收到目标信号后，能够按照要求识别目标身份、材质信息或活动状态的程度。电子侦察卫星主要通过侦察目标的辐射源参数来确定辐射源型号，进而判断目标平台属性，并可以通过信号变化判断目标的警戒状态，通过分析电子目标的特征，实现对电子辐射源目标的个体识别。通信侦察卫星还可以通过对目标信号的解码破译实现对通信内容的监听。对成像侦察卫星而言，可以通过对初始影像进行目标判读，实现对目标的个体识别，同时可利用高分辨率成像侦察卫星对目标的具体细节进行勾勒，利用高光谱侦察载荷对目标的材质等进行进一步判别，利用红外成像载荷感知目标温度，可以估测其活动状态。设I为遥感卫星侦察手段对该目标的识别程度，Ir为用户要求的识别程度，由于满足用户需求的识别程度越高，难度越大，需要使用更好的卫星资源、更专业的图像判读或信号分析人员，因此定义卫星侦察的目标识别程度GI＝min(1,(I/Ir)2)。其中，I的值定义如图4所示，以成像侦察卫星为例，当遥感卫星拍摄到疑似目标初始影像时，则I＝1，当能识别出平台属性，如“阿利伯克”级驱逐舰，则值＋1；进一步能对其个体进行识别，如确定其为“麦克坎贝尔”号，值再＋1；进一步能确认舰船精确细节，如舰炮系统有改装，值再＋1，依次类推。

图4 目标识别程度示意图

5）重访频次

重访频次，指侦察卫星能够对目标进行过顶侦察的频次，对应的是目标的理论最快更新率。对于需要持续监视的目标而言，设用户期望的目标更新频率为U r，能完成用户需求的卫星能够对目标进行重复过顶的频次为U，则重访频次的任务满足程度GU＝min(1,U/U r)。

6）侦察时长

以往，侦察时长的概念仅存在于高轨凝视型卫星或者侦察幅宽较宽的电子侦察卫星，但随着侦察卫星分布式小型化的不断发展，民商遥感卫星的数量不断增多，以及美国“黑杰克”计划的推广，巨型卫星星座的出现使对目标的连续监视在低轨成像侦察方面也成为了可能。当用户对遥感卫星侦察体系提出针对某目标的连续监视任务时，设T为对单颗卫星对该目标的连续侦察时长，T r为情报保障用户对目标的连续侦察时长要求，侦察时长的任务满足程度GT＝min(1,T/T r)。

2.3 系统效能层评估模型的构建

遥感卫星侦察体系的任务规划阶段，用户需求被拆解重构成了不同遥感卫星对目标的侦察，为了对遥感卫星侦察体系的系统效能进行评估，计算体系满足用户需求的可能程度，可以从任务筹划的角度出发，计算在理论情况下，遥感卫星侦察体系对侦察任务的落实情况。在任务筹划的过程中，需要全盘考虑任务管理控制、卫星数据接收、数据信息处理、情报分析整编、产品共享分发等各个环节，其中消耗的时间可通过历史数据进行回溯估计，是一个估计值。

假设用户需求被拆解成有M个目标需要单次瞬时侦察，N个目标需要持续跟踪监视，Z表示目标的归一化权重，则需要被单次瞬时侦察的第i（i＝1,2,3,…,M）个目标任务落实率可表示为：Q i＝Gti Pci Pdi GIi；需要被持续跟踪监视的第j（j＝1,2,3,…,N）个目标任务落实率可表示为：Q j＝

遥感卫星侦察体系的系统效能可以表示为：

2.4 作战效能层评估模型的构建

单项效能层和系统效能层的评估都是遥感卫星体系对目标侦察时能够达到的能力估计，是基于一般情况下遥感卫星侦察体系侦获目标概率和可能达成用户需求的程度。而遥感卫星体系作战效能的评估结果，则与目标电子设备开关机情况、目标上空云层天气情况、人员图像判读水平和系统熟练程度等息息相关，是完成用户侦察需求的实际情况。

同样假设用户需求被拆解成有M个目标需要单次瞬时侦察，N个目标需要持续跟踪监视，Z表示目标的归一化权重，则需要被单次瞬时侦察的第i个目标任务完成率可表示为：Q′i＝ηi G′ti G′Ii。

其中，η表示遥感卫星是否侦获到疑似目标，侦获疑似目标时η＝1，未侦获疑似目标时η＝0；G′ti表示遥感卫星侦察体系的情报时效在该次任务中满足用户需求的程度的实际值；G′Ii表示目标识别程度的实际值。

需要被持续跟踪监视的第j个目标任务落实率可表示为：；其中，G′Tj为遥感卫星对目标的侦察时长的实际值。

遥感卫星侦察体系的作战效能可以表示为：

同时，可以定义人员素质Γ＝Q′/Q，通过对Γ值长期跟踪分析，便可以得出遥感卫星侦察人员的素质情况。若Γ值长期大于1，则说明该团队人员素质正在稳步进步；若Γ值长期小于1，则说明该团队人员素质正在退步。

3 结束语

本文就遥感卫星侦察体系的效能评估模型构建进行了探讨，通过对遥感卫星侦察体系的运行流程的分析，在构建其面对多用户多目标侦察需求时的任务整合规划方法的基础上，为有效度量遥感卫星侦察体系的系统效能和作战效能，从基于筹划和基于结果两个角度，初步构建了与用户需求紧密耦合的评估体系，对于科学评估遥感卫星侦察体系效能具有积极的意义。■