秦國政 馬益杭 郝勝勇 付俊明 韓治剛

1.航天恒星科技有限公司北京100086

隨著我國航天科技的進步,天基資源的數(shù)量不斷增加,其能力也不斷提升,為天基信息在軍民領(lǐng)域中的應用奠定了堅實的基礎(chǔ).目前,我國的天基信息已經(jīng)在軍民各個領(lǐng)域中得到了廣泛應用,形成了許多具有行業(yè)特點的衛(wèi)星應用裝備.為了更好地發(fā)揮天基信息在各行業(yè)中的保障作用,需要對天基信息的實際應用效能進行分析和評估,能夠定量描述天基信息的實際保障能力,進而為天基信息應用模式和應用流程的優(yōu)化提供指導.目前,衛(wèi)星應用效能的評估主要集中在衛(wèi)星自身能力方面,例如,衛(wèi)星的覆蓋性、重訪時間、分辨率等要素.但是,從衛(wèi)星的具體觀測任務出發(fā),對衛(wèi)星信息的整個應用流程進行評估的研究還比較少.因此,開展天基信息應用效能評估方法的研究,不論對天基信息應用模式的探索,還是對指導后續(xù)天基系統(tǒng)建設(shè)和優(yōu)化,都具有重要的現(xiàn)實意義.

本文將以對地觀測衛(wèi)星為研究對象,從衛(wèi)星成像需求提出、衛(wèi)星目標成像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)融合處理和數(shù)據(jù)的分發(fā)應用流程對衛(wèi)星信息的應用過程進行詳細分解,從衛(wèi)星信息的時間鏈和精度鏈兩個維度建立衛(wèi)星應用效能評估的指標體系,然后,基于層次分析法構(gòu)建衛(wèi)星應用效能評估模型進行評估,最后結(jié)合具體的應用實例對衛(wèi)星信息應用效能評估方法進行仿真驗證.

1 對地觀測衛(wèi)星信息應用流程

對地觀測衛(wèi)星的應用流程如圖1所示,在接到觀測指令時,對地觀測衛(wèi)星在飛臨目標上空時,利用其星載傳感器設(shè)備對用戶提出目標進行觀測,將探測收集到的目標觀測信息暫存到星載存儲器中.當衛(wèi)星進入地面站或中繼衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)時,通過星地通信鏈路下傳到地面接收站,然后進行觀測信息處理.地面數(shù)據(jù)處理中心通過人工或智能分析判讀觀測數(shù)據(jù),生成用戶感興趣的有價值的信息.衛(wèi)星觀測信息通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)至提出需求的用戶.

2 衛(wèi)星應用效能評估指標體系

對地觀測衛(wèi)星的觀測信息在各個領(lǐng)域中的應用效能評估主要從信息時間鏈和精度鏈兩維度進行描述.衛(wèi)星觀測的時間鏈指標主要是從時間維度對觀測信息能夠滿足用戶的要求進行分析和評估,可以從數(shù)據(jù)時效性、數(shù)據(jù)更新時間、持續(xù)時間3個方面進行表示.衛(wèi)星觀測的精度鏈指標主要對衛(wèi)星觀測信息的質(zhì)量能否滿足用戶的要求進行分析和評估,可以從目標識別概率、目標定位精度和目標關(guān)聯(lián)能力3個方面描述.從時間鏈和精度鏈兩個維度對衛(wèi)星的應用效能進行梳理和評估,得到如圖2的評估指標體系.

圖1 對地觀測衛(wèi)星信息應用流程

圖2 衛(wèi)星應用效能評估指標體系

2.1 時間鏈指標

時間鏈指標主要反映衛(wèi)星信息應用流程的各個環(huán)節(jié),包括衛(wèi)星觀測、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸和衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理各個環(huán)節(jié)所需要的時間.下面詳細介紹各個要素的模型.

1)目標觀測持續(xù)時間

目標觀測持續(xù)時間是指從衛(wèi)星覆蓋到給定目標到完成整個觀測過程所需要的時間.一般來說,衛(wèi)星對目標持續(xù)觀測的時間越長,越能夠反映目標本身的特性.第i次目標觀測的持續(xù)時間TC,i記為其中,toe,i表示完成整個觀測所需要的時間.衛(wèi)星持續(xù)時間和觀測目標大小、衛(wèi)星運行速度和星載傳感器的視場角有關(guān).一般來說,常規(guī)非敏捷型衛(wèi)星的星載傳感器視場較窄且衛(wèi)星運行速度快,目標觀測時間較短.對于新一代敏捷型衛(wèi)星,具備偏航、側(cè)視和俯仰三軸姿態(tài)機動能力,俯仰能力的提升可以使衛(wèi)星具備較長的目標觀測時間.

2)觀測信息時效性

信息的時效性指標主要反映衛(wèi)星信息應用流程的各個環(huán)節(jié),包括衛(wèi)星對地觀測、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸和衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理各個環(huán)節(jié)所需要的時間.下面詳細介紹各個要素的模型.

a)衛(wèi)星觀測時間

衛(wèi)星觀測時間是從衛(wèi)星接收到觀測需求到衛(wèi)星目標完成觀測所需要的時間[1?2].一般來說,由于衛(wèi)星的軌道特性,衛(wèi)星接收到觀測需求后不能立刻對目標觀測,需要運行到目標區(qū)域上空后才能對目標觀測.因此,衛(wèi)星觀測時間包括衛(wèi)星覆蓋到地面目標的時間和衛(wèi)星觀測的持續(xù)時間.衛(wèi)星覆蓋到目標的時間是指衛(wèi)星接收到觀測目標到衛(wèi)星能夠覆蓋到給定目標的時間.第i次目標觀測的衛(wèi)星覆蓋到目標的時間TWO,i記為

其中,tos,i表示衛(wèi)星對目標第i次觀測開始時間,tos,0表示對觀測需求提出時間.衛(wèi)星對目標的第i次觀測時間TO,i

b)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時間

衛(wèi)星對目標完成對地觀測后,首先需要對獲得信息進行存儲,當衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時與地面站建立鏈路,然后地面站接收衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù).衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收時間可分為信息等候下傳時間和信息下傳時間[3].信息等候下傳時間是指衛(wèi)星準備下傳數(shù)據(jù)到衛(wèi)星進入地面站或中繼衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的時間,第i次目標觀測的信息等候下傳時間TWT,i.

其中,tTs,i表示第i次目標觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳開始時間,tTs,0表示第i次目標觀測數(shù)據(jù)準備下傳時間.當?shù)孛嬲竞湍繕送瑫r可見時,衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)可以不經(jīng)過衛(wèi)星存儲直接傳回地面站,在這種工作模式下TWO,i=0.衛(wèi)星第i次目標觀測數(shù)據(jù)下傳時間

其中Vreci為第i次目標觀測時衛(wèi)星的數(shù)據(jù)下傳速率,Ii為第i次目標觀測時獲取的數(shù)據(jù)量.

其中Ag,i為第i次目標觀測時的成像面積,αi為第i次目標觀測衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)量的系數(shù),αi和第i次觀測時的衛(wèi)星本身的性能有關(guān).因此,第i次目標觀測的數(shù)據(jù)接收時間為

c)數(shù)據(jù)處理融合時間

數(shù)據(jù)處理融合時間是衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心接收衛(wèi)星觀測的原始數(shù)據(jù)、進行衛(wèi)星圖像標準化處理,生成所需的目標觀測信息所需要的時間,和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)量以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法有關(guān).因此,第i次目標觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合處理時間Tpro,i記為

其中Vpro,i為第i次目標觀測時衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)處理的速率,和采用的數(shù)據(jù)處理算法有關(guān).

d)數(shù)據(jù)分發(fā)時間

數(shù)據(jù)分發(fā)時間Ttran,i是衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心將處理完成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)送至用戶終端所需要的時間,和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)量以及地面網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率有關(guān).

其中Vtran,i是第i次目標觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分發(fā)速率,βi表示第i次目標觀測生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品量和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)量比率.

綜合上述的描述,可以得到衛(wèi)星對目標第i次觀測信息的時效性可以通過下式計算:

3)信息更新時間

信息更新時間主要描述連續(xù)兩次獲得衛(wèi)星對區(qū)域目標成像信息的時間間隔.一般來說,信息更新時間越短表明相同時間內(nèi)對該地域觀測的次數(shù)越多.第i次目標觀測的更新時間定義為

其中trs,i表示用戶第i次接收到目標數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息的時間.

2.2 精度鏈指標

精度鏈指標主要描述衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,主要從衛(wèi)星目標識別概率、目標指示精度和目標關(guān)聯(lián)能力進行描述.

1)目標識別概率

目標識別概率主要描述對衛(wèi)星對地觀測圖像對目標的描述程度,比如對目標大小、形狀、結(jié)構(gòu)和數(shù)量等特性的描述.衛(wèi)星對目標第i次對地觀測時目標識別的概率可以用以下計算公式[3]

其中,Di第i次觀測時衛(wèi)星的地面分辨率,Dd為所需要衛(wèi)星地面分辨率.一般來說,太陽高度角是對成像衛(wèi)星觀測質(zhì)量影響最直接和最重要的因素.太陽高度角的變化范圍為0?～90?.第i次觀測時太陽高度角對衛(wèi)星觀測的影響可以簡單地用分段線性函數(shù)來描述.

其中Hi為第i次觀測時的太陽高度角.經(jīng)過太陽高度角影響因子修正,目標識別概率可以用下式表示:

2)目標定位精度

在已知衛(wèi)星星歷信息和姿態(tài)信息的情況下,對地觀測可以用于目標定位.根據(jù)目標與星下點的相對位置可以確定目標的絕對位置.本文只考慮衛(wèi)星姿態(tài)誤差對目標定位精度的影響.衛(wèi)星姿態(tài)誤差對??和?η導致的目標定位誤差包括航向誤差ea和橫向誤差ec,即[3]:

其中?為方位角,η為衛(wèi)星星下點至目標點的張角,ε為目標點處測量的衛(wèi)星與當?shù)氐仄街g的夾角,D為衛(wèi)星至目標的斜距,分別如圖3所示.

第i次目標觀測的衛(wèi)星定位精度σT,i為

3)目標關(guān)聯(lián)能力

目標關(guān)聯(lián)能力主要描述衛(wèi)星對目標多次觀測時,當次目標觀測與前一次目標觀測之間的聯(lián)系,通過多次觀測更能反映目標自身特性.目標關(guān)聯(lián)能力與衛(wèi)星性能以及目標運動屬性有關(guān).目標關(guān)聯(lián)能力可用下面公式計算[4]

其中FG,1=0,σi是與第i次目標觀測的衛(wèi)星性能有關(guān)的參數(shù),Vtar為目標運動速度.

圖3 衛(wèi)星與地面的幾何關(guān)系

2.3 評估指標的歸一化處理

為了實現(xiàn)不同類型指標在同一尺度下進行評估,首先需要對評估指標進行歸一化處理.由2.1節(jié)和2.2節(jié)分析可以得出,觀測信息時效性指標、信息更新時間指標、目標定位精度指標是“極小型”指標,即取值越小越好;目標觀測持續(xù)時間是“極大型”指標,取值越大越好.選取如圖4所示歸一化函數(shù)[5].

圖4 歸一化函數(shù)

c0～c3根據(jù)用戶的需求合理選擇,圖4(a)表示當時間x≤c0時,信息時效性完全滿足用戶的需求,當x≥c1時,信息的時效性已不能滿足用戶的需求,當c0

3 基于層次分析法的衛(wèi)星應用效能評估模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一種將定性分析與定量分析相結(jié)合的綜合評估方法.其基本原理是根據(jù)不同因素之間的相互關(guān)系進行分層聚類組合,形成一個遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型.然后根據(jù)每一層因素的相對重要性確定各個因素相對重要性次序的權(quán)值,最后獲得各個層次要素相對與最高層次的權(quán)值作為評價和選擇的依據(jù)[6?9].應用AHP方法進行效能評估的步驟如下[6]:

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)第2節(jié)中的分析結(jié)果,構(gòu)建衛(wèi)星應用效能評估的層次結(jié)構(gòu)模型,如圖5所示.

圖5 遞階的層次結(jié)構(gòu)模型

2)構(gòu)造判斷矩陣

在建立層次結(jié)構(gòu)模型,確定了評估對象中各指標之間的相互關(guān)系后,要進行專家咨詢,確定同一層次各指標之間重要程度的兩兩比較結(jié)果,然后利用一定的數(shù)字標度方法構(gòu)造判斷矩陣.

表1 判斷矩陣

其中,aij是相對于A A A而言,A A Ai對A A Aj的相對重要性的數(shù)值表示,通常aij取1～9及它們的倒數(shù).判斷矩陣具有如下性質(zhì)

稱為互反判斷矩陣.

3)層次單排序及一致性檢驗

層次單排序是指根據(jù)判斷矩陣計算本層指標相對于上一層指標的重要性排序,可以歸結(jié)為計算判斷矩陣的特征向量問題,對于判斷矩陣A A A=(aij)k×k,λmax是A A A最大特征值,w是特征值λmax對應的歸一化特征向量,w的分量wi即是對應因素單排序的權(quán)值.為了使分析結(jié)果可靠,需要對判斷矩陣進行一致性檢驗,步驟如下:

a)偏離一致性指標CI是衡量判斷矩陣A A A偏離一致性矩陣的程度,其計算公式為:

b)相對一致性指標CR的計算公式為:

式中,CI為偏離一致性指標,RI為平均隨機一致性指標.

一般來說,當CR<0.1時,認為判斷矩陣具有滿意的一致性,否則就不具有滿意一致性,需要進行重新判斷或者對判斷矩陣進行適當?shù)囊恢滦哉{(diào)整.

4 仿真實例

以衛(wèi)星觀測某區(qū)域內(nèi)船只為例,計算和評估衛(wèi)星信息的應用效能.仿真時間選擇2015年10月 1日8:00～18:00,船只初始位置位于(11.229?,143.799?),航行速度36km/h,假定識別該船只需要2m分辨率衛(wèi)星圖像.設(shè)定衛(wèi)星1軌道高度700km,地面分辨率1m;衛(wèi)星2軌道高度900km,地面分辨率3m.衛(wèi)星1和衛(wèi)星2姿態(tài)誤差??=0.03??η=0.01?.衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站位于 (39.929?,116.388?).利用STK軟件進行仿真計算可以得到如表2所示結(jié)果.

表2 仿真結(jié)果

利用表2中的仿真結(jié)果,結(jié)合第2節(jié)中給出的衛(wèi)星應用效能指標體系的計算方法,可以得到如表3所示的衛(wèi)星應用效能指標.

表3 衛(wèi)星應用效能指標

利用圖4給出的歸一化函數(shù),對表3中的衛(wèi)星應用效能指標進行歸一化處理,可以得到如表4所示的歸一化衛(wèi)星應用效能指標.

表4 歸一化衛(wèi)星應用效能指標

針對圖2衛(wèi)星應用效能評估指標體系,利用層次分析法,根據(jù)專家咨詢意見構(gòu)造判斷矩陣.本文中構(gòu)造目標判斷矩陣和準則判斷矩陣分別為

計算上述矩陣的層次單排序和進行一致性檢驗得到:

因此,上述判斷矩陣具有滿意的一致性,假設(shè)在某一段時間內(nèi)得到歸一化的時效性指標和數(shù)據(jù)質(zhì)量指標:

可以得到該時間段內(nèi),衛(wèi)星的應用效能為

由于Ttotal,1>Ttotal,2,所以第1次目標觀測效能優(yōu)于第2次目標觀測效能.

5 結(jié)論

本文以典型行業(yè)中對天基信息的應用需求為基礎(chǔ),從衛(wèi)星觀測需求提出、衛(wèi)星觀測、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)據(jù)分發(fā)應用等衛(wèi)星信息應用環(huán)節(jié)出發(fā),對衛(wèi)星成像信息的應用流程進行詳細分析,構(gòu)建衛(wèi)星信息應用效能評估指標體系,基于層次分析法構(gòu)建衛(wèi)星信息應用的效能評估模型,對衛(wèi)星信息的應用效能進行仿真評估.仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性.本文的研究成果可以為后續(xù)衛(wèi)星信息應用模式和衛(wèi)星系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù).