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遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力指標(biāo)體系構(gòu)建模式研究

2018-01-25 08:33劉鋒李琳孟新
航天返回與遙感 2017年6期
關(guān)鍵詞:效能指標(biāo)體系衛(wèi)星

劉鋒 李琳 孟新

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遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力指標(biāo)體系構(gòu)建模式研究

劉鋒1,2李琳1孟新2

(1 北京遙感信息研究所,北京 100192) (2 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,北京 100190)

近20年來,遙感衛(wèi)星在中國得到快速發(fā)展,但每顆衛(wèi)星的效能如何,缺少科學(xué)的評(píng)價(jià)。構(gòu)建科學(xué)的指標(biāo)體系是進(jìn)行效能評(píng)估的基本前提。針對(duì)合理建立能力指標(biāo)體系、定量評(píng)估遙感衛(wèi)星系統(tǒng)基本能力的迫切要求,文章從遙感衛(wèi)星系統(tǒng)作為信息獲取手段的基本任務(wù)要求入手,基于信息完備性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性等要素,并按照系統(tǒng)的空間域、時(shí)間域、信息域、數(shù)量域、形式域等行為特性,初步構(gòu)建了遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力評(píng)估的基本框架和層次化指標(biāo)體系,對(duì)于開展遙感衛(wèi)星系統(tǒng)效能評(píng)估技術(shù)研究有一定參考價(jià)值。

指標(biāo)體系 系統(tǒng)能力 定量評(píng)估 遙感衛(wèi)星

0 引言

遙感衛(wèi)星在探測(cè)感知地物、判斷地物屬性、進(jìn)而掌握資源狀況和評(píng)估災(zāi)害情況等方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。隨著信息化社會(huì)形態(tài)的深入發(fā)展,對(duì)遙感衛(wèi)星的全方位探測(cè)、持續(xù)監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)等能力提出了新的更高要求,需要對(duì)現(xiàn)有或在研遙感衛(wèi)星滿足這些需求的程度做出科學(xué)評(píng)估[2-3]。同時(shí),遙感衛(wèi)星在裝備性能、系統(tǒng)規(guī)模、保障水平等方面,在信息獲取、傳輸、處理、應(yīng)用和體系對(duì)抗等環(huán)節(jié)是如何體現(xiàn)的,也需要給出量化的綜合分析結(jié)果。上述任務(wù)都需要一套科學(xué)合理的指標(biāo)體系作為支撐。

當(dāng)前,經(jīng)過多年探索和應(yīng)用實(shí)踐,圍繞不同衛(wèi)星遙感手段,用戶部門和研制單位分別建立了相應(yīng)的指標(biāo)體系,劃分了星地一體化和工程各大系統(tǒng)指標(biāo),初步構(gòu)建了效能評(píng)估指標(biāo)體系[4-8],在實(shí)際工作中取得了良好的應(yīng)用效果,牽引了遙感衛(wèi)星的快速發(fā)展。但隨著應(yīng)用實(shí)踐的不斷深入,也暴露出一些問題。由于手段的多樣性、系統(tǒng)的復(fù)雜性和認(rèn)識(shí)的局限性,指標(biāo)體系構(gòu)建的完備性受到挑戰(zhàn),經(jīng)常過分強(qiáng)調(diào)了衛(wèi)星的分辨率、成像幅寬等指標(biāo),而忽視了衛(wèi)星操控性和數(shù)據(jù)傳輸能力等因素,由此影響到衛(wèi)星系統(tǒng)的工作效率和應(yīng)用效益。另外,系統(tǒng)的復(fù)雜性和應(yīng)用的日益廣泛,則導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)往往難以區(qū)分,影響到用戶部門與研制部門的職責(zé)劃分和業(yè)務(wù)工作的深入開展。

針對(duì)上述問題,本文從遙感衛(wèi)星作為信息獲取手段這一基本任務(wù)要求入手,基于信息完備性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性等要素,并按照空間域、時(shí)間域、信息域和數(shù)量域等行為特性的劃分方式,來構(gòu)建遙感衛(wèi)星能力評(píng)估的基本框架,力圖理清能力指標(biāo)的層次劃分,為規(guī)范指標(biāo)論證和效能評(píng)估工作提供參考。

1 相關(guān)概念

能力是指成功地完成某種活動(dòng)所必需的基本素質(zhì)[9]。對(duì)于系統(tǒng)而言,能力就是指系統(tǒng)成功地完成某種任務(wù)所必需的要素和條件。因此,能力評(píng)估就是指評(píng)定一個(gè)系統(tǒng)在執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí)所具備的素質(zhì)水平。指標(biāo)是指反映事物或現(xiàn)象特征的概念及其量化表示。相應(yīng)地,能力指標(biāo)就是能力評(píng)估過程中用以衡量某項(xiàng)能力的量化參數(shù)。

從能力的定義可以看出,能力指標(biāo)反映一個(gè)系統(tǒng)在具體任務(wù)中所表現(xiàn)出來的固有屬性,可以用于衡量一個(gè)系統(tǒng)完成特定任務(wù)的可能性大小,能力全面且強(qiáng),則完成任務(wù)的可能性就大,反之則難以完成相應(yīng)任務(wù)。因此,確定以哪些指標(biāo)來表征一個(gè)系統(tǒng)的能力,具有重要意義。

與能力評(píng)估緊密相關(guān)的一個(gè)概念是效能評(píng)估。系統(tǒng)效能是指“預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求程度的量度”[10]。從這個(gè)定義可看出,針對(duì)不同的任務(wù)集,系統(tǒng)效能是不同的,也即系統(tǒng)效能隨任務(wù)的變化而動(dòng)態(tài)變化。從系統(tǒng)角度看,能力評(píng)估是效能評(píng)估的有機(jī)組成部分,是效能評(píng)估的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)于遙感衛(wèi)星,從任務(wù)完成角度,其效能評(píng)估的可分為五層:第一層為綜合效能層,反映遙感衛(wèi)星在各種任務(wù)中的綜合應(yīng)用效能;第二層為具體效能層,表示遙感衛(wèi)星在具體信息保障任務(wù)中的應(yīng)用效能,如陸地區(qū)域覆蓋、重點(diǎn)地物精細(xì)探測(cè)等信息保障能力,遙感衛(wèi)星在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)的效能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的;第三層是能力層,表示遙感衛(wèi)星完成以上信息保障任務(wù)應(yīng)具備的能力,可以劃分為探測(cè)時(shí)效性、探測(cè)準(zhǔn)確性和探測(cè)信息量等幾個(gè)方面,具體能力指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法應(yīng)根據(jù)特定任務(wù)來確定;第四層是性能層,描述實(shí)現(xiàn)能力所應(yīng)有的性能度量指標(biāo)集合,每一能力的性能度量應(yīng)從該集合中選出,如衛(wèi)星運(yùn)行軌道、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、成像幅寬(視場角)、可視范圍(遙感器指向調(diào)節(jié)范圍)、單圈工作時(shí)間、衛(wèi)星工作壽命等;第五層為對(duì)象層,表示具體的評(píng)估對(duì)象,如陸地遙感衛(wèi)星、海洋探測(cè)衛(wèi)星等。

可見,能力層位于層次化效能評(píng)估指標(biāo)體系的第三層,是連接系統(tǒng)性能與系統(tǒng)效能的橋梁。

2 遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)體系構(gòu)建

遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)體系的范疇比較廣,劃分標(biāo)準(zhǔn)也不一。較為常用的方式是從信息系統(tǒng)角度進(jìn)行構(gòu)建。無疑,信息系統(tǒng)能力指標(biāo)以信息質(zhì)量(quality,全文同)為重點(diǎn)。由于對(duì)信息質(zhì)量的不同理解,信息質(zhì)量指標(biāo)體系的構(gòu)成方式也多種多樣。各國對(duì)此都有研究,以美國的研究最為深入。美國防部指揮控制研究計(jì)劃小組在研究信息時(shí)代戰(zhàn)爭特點(diǎn)時(shí),采用信息的豐富度、可達(dá)度和交互質(zhì)量三個(gè)維度來度量信息質(zhì)量;蘭德公司基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念框架,確定了度量信息質(zhì)量的幾個(gè)指標(biāo),在具體研究中則選用了完備性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性三個(gè)要素,這也是國內(nèi)用于衡量信息質(zhì)量的常用方式[11-13]。

另一種常用構(gòu)建方式則是按照信息系統(tǒng)的任務(wù)環(huán)節(jié)來進(jìn)行,也就是從指揮控制、信息獲取、信息處理、信息傳輸?shù)热蝿?wù)環(huán)節(jié)來分解系統(tǒng)指標(biāo),相應(yīng)形成信息獲取能力、信息處理能力、信息傳輸能力、安全防護(hù)與信息對(duì)抗能力等。這種方式試圖從系統(tǒng)運(yùn)行的角度來勾畫系統(tǒng)整體能力水平。

上述指標(biāo)體系可以在不同場合發(fā)揮作用,如基于信息質(zhì)量的構(gòu)建方式更多地反映了信息的質(zhì)量等級(jí)及其可用性,而基于任務(wù)環(huán)節(jié)的構(gòu)建方式則可以清晰地反映各任務(wù)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)匹配性。但上述構(gòu)建方式又在不同程度上存在不足。基于信息質(zhì)量構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí),關(guān)注的往往是單次事件所達(dá)到的能力水平,同時(shí)完備性、準(zhǔn)確性的概念相對(duì)較為模糊,與系統(tǒng)能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系不夠直接;而基于任務(wù)環(huán)節(jié)構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí),則得到的能力往往是系統(tǒng)某個(gè)環(huán)節(jié)的,割裂了系統(tǒng),看不出系統(tǒng)的整體能力,且在此情況下,很難清晰界定系統(tǒng)性能參數(shù)和系統(tǒng)能力指標(biāo),容易混淆系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)。

2.1 基本原則

根據(jù)前面分析明確的能力概念,能力應(yīng)該是系統(tǒng)本身基本素質(zhì)的反映,不同的用戶、不同的場合應(yīng)該有基本一致的理解和結(jié)論,有利于用戶根據(jù)系統(tǒng)能力來判斷系統(tǒng)完成給定任務(wù)的可能性。

好的指標(biāo)體系應(yīng)該構(gòu)建出不同層次指標(biāo)之間的相互關(guān)系,并且支持量化分析。根據(jù)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)種類多、任務(wù)環(huán)節(jié)多等特點(diǎn),指標(biāo)的選取遵循針對(duì)性、層次性、獨(dú)立性和一致性原則[5,7,15]。

針對(duì)性是指選取的指標(biāo)不能停留在反映信息系統(tǒng)的共性特征上,而要表征遙感衛(wèi)星系統(tǒng)區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的特殊性,客觀反映遙感衛(wèi)星系統(tǒng)本身的性質(zhì)、特點(diǎn)、關(guān)系和運(yùn)用過程,使用戶對(duì)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的綜合能力有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

層次性是要求在系統(tǒng)效能評(píng)估中正確劃分層次,建立合理的評(píng)估指標(biāo)體系,所建立的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)體系應(yīng)在系統(tǒng)性能參數(shù)與系統(tǒng)效能之間建立起有機(jī)聯(lián)系。

獨(dú)立性指指標(biāo)間的關(guān)系應(yīng)是不相關(guān)的,遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)之間應(yīng)盡量不交叉,具有相對(duì)獨(dú)立性,每個(gè)指標(biāo)應(yīng)相對(duì)獨(dú)立地反映遙感衛(wèi)星的一個(gè)方面。

一致性是指各指標(biāo)應(yīng)與分析的目標(biāo)相一致,所分析的指標(biāo)間不相互矛盾,保持遙感衛(wèi)星系統(tǒng)功能與使命的一致、性能與功能的一致。

2.2 基于信息要素的遙感衛(wèi)星能力框架

考慮到遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的復(fù)雜性,建立其評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)采用自頂向下分層細(xì)化的方法:首先對(duì)給定任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,確定系統(tǒng)功能和指標(biāo)度量,然后廣泛征求各方面專家、用戶等的意見,經(jīng)反復(fù)修改,最后確定指標(biāo)體系[14]。

根據(jù)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力需求的幾個(gè)主要方面,結(jié)合光學(xué)成像、微波成像等基本手段的功能和性能特點(diǎn)分析,遙感衛(wèi)星應(yīng)在陸地區(qū)域覆蓋、地物精細(xì)探測(cè)、廣域海洋探測(cè)等任務(wù)中發(fā)揮作用,此即遙感衛(wèi)星的典型任務(wù)。

上述任務(wù)均以獲取信息、提供及時(shí)可靠的信息保障為根本。根據(jù)信息要素,各任務(wù)關(guān)注的都是信息的獲取范圍、時(shí)效性、精度、獲取量及表現(xiàn)力等信息維度,分別對(duì)應(yīng)于信息系統(tǒng)在空間域、信息域、時(shí)間域、數(shù)量域和形式域的表現(xiàn)特性。因此,遙感衛(wèi)星的能力體系主要從信息的上述要素進(jìn)行描述,如圖1所示。

3 遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力指標(biāo)體系

依據(jù)上述能力框架,針對(duì)具體探測(cè)任務(wù),可以確定相應(yīng)的能力指標(biāo)體系。以地物精細(xì)探測(cè)任務(wù)為例,實(shí)施重大突發(fā)事件監(jiān)測(cè)、城市違建監(jiān)測(cè)和災(zāi)害評(píng)估等,都需要衛(wèi)星遙感采取地物精細(xì)探測(cè)方式,以獲取重要地物詳細(xì)情況,包括地物的位置、結(jié)構(gòu)、形狀、關(guān)鍵部位等??梢哉f,精細(xì)探測(cè)是對(duì)可疑或重要地物進(jìn)行甄別、確認(rèn)的行為,主要解決地物類型、狀態(tài)判斷和精確定位問題?;诘匚锞?xì)探測(cè),對(duì)應(yīng)的遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)體系如圖2所示。

圖1 遙感衛(wèi)星系統(tǒng)基本能力框架

圖2 面向地物精細(xì)探測(cè)的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力評(píng)估指標(biāo)體系

綜合起來,遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)包括探測(cè)范圍、地物辨識(shí)能力、地物定位能力、重訪能力、獲取效率、系統(tǒng)響應(yīng)能力和信息表現(xiàn)形式等7項(xiàng)。

其中,探測(cè)范圍用于描述遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的空間域行為特性,也就是其作用范圍,即單顆遙感衛(wèi)星或整個(gè)在軌遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)嵤┨綔y(cè)的對(duì)象空間。

地物辨識(shí)能力用于描述遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的信息域行為特性,主要反映信息獲取準(zhǔn)確性,可細(xì)分為識(shí)別率、確認(rèn)率等。

地物定位能力也是描述系統(tǒng)信息域行為特性的指標(biāo),用于反映地物位置確定的精度,可分為平面定位精度、高程定位精度,對(duì)于移動(dòng)地物,還可以增加航向航速確定能力。

重訪能力用于描述遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間域行為特性,反映系統(tǒng)在信息更新頻率方面的能力,用遙感衛(wèi)星對(duì)同一地物相鄰兩次探測(cè)的時(shí)間間隔來表征。

獲取效率用于描述遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)量域行為特性,反映系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)獲取有效信息的多少,用單位時(shí)間內(nèi)獲取地物的多少來表征。

系統(tǒng)響應(yīng)能力也是描述遙感衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間域行為特性的指標(biāo),指遙感衛(wèi)星系統(tǒng)響應(yīng)任務(wù)要求的快慢,反映信息獲取的及時(shí)性、靈活性及應(yīng)急能力,通常用全系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間來表征。

信息表現(xiàn)力則用于描述遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的形式域行為特性,反映遙感衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)出的信息以圖像、文字、聲像等形式表征出來,在多大程度上能為不同層次用戶理解和接受,用圖像信息、聲像信息等樣式來具體表征。

4 結(jié)束語

本文就遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)體系構(gòu)建的方式方法進(jìn)行了探討,通過對(duì)信息要素的分解和衛(wèi)星遙感任務(wù)的分析,以及系統(tǒng)在空間域、時(shí)間域、信息域、數(shù)量域和形式域行為特性的系統(tǒng)分析,提出了基于信息要素的遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)體系構(gòu)建的基本模式,并以地物精細(xì)探測(cè)任務(wù)為例,提出了相應(yīng)的遙感衛(wèi)星能力指標(biāo)體系構(gòu)想。這些工作對(duì)于深化對(duì)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的理解,對(duì)于科學(xué)評(píng)估遙感衛(wèi)星能力水平都具有積極意義。

由于認(rèn)識(shí)所限和系統(tǒng)本身復(fù)雜性,以及衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域的日益拓展,所提指標(biāo)還不夠全面、完善,需要在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)任務(wù)要求,為遙感衛(wèi)星能力評(píng)估提供更加客觀、可靠、實(shí)用的依據(jù)。

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(編輯:毛建杰)

Research on Construction Model of the Capacity Index System for Remote Sensing Satellite System

LIU Feng1,2LI Lin1MENG Xin1

(1 Beijing Institute of Remote Sensing Information, Beijing 100192, China)(2 National Space Science Center, CAS, Beijing 100190, China)

In the past 20 years, there has been rapid development in the field of remote sensing satellite in China. However, its effectiveness reminds relatively unknown due to the lack of scientific evaluation. The construction of a scientific index system is the basic premise of effectiveness evaluation. Dealing with the urgent need of establishing an index system and evaluating remote sensing satellite quantitively, the article establishes the basic frame work of remote sensing satellite evaluation system and stratified index system, on the premise of remote sensing system being the primary source of information, taking into consideration the completeness, accuracy and timeliness of the system and the time, space, information and style domains. The article casts light on the effectiveness evaluation of remote sensing satellite.

index system; system capability; quantitative evaluation; remote sensing satellite

TP701

A

1009-8518(2017)06-0040-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.06.005

劉鋒,男,1974年9月生,1999年獲國防科技大學(xué)碩士學(xué)位,研究員。研究方向?yàn)檫b感衛(wèi)星總體論證與應(yīng)用。E-mail:ericrs@126.com。

2017-05-01

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