面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)規(guī)范描述

徐培德，薛波，張迎新

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息系統(tǒng)與管理學(xué)院，湖南 長沙410073)

1 引言

隨著軍事變革的不斷發(fā)展和衛(wèi)星裝備的不斷更新，衛(wèi)星系統(tǒng)正在由戰(zhàn)略戰(zhàn)役應(yīng)用為主向全面支持戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，其應(yīng)用任務(wù)的規(guī)模越來越大，種類越來越多。衛(wèi)星系統(tǒng)正越來越多地直接用于支持各類戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)行動。

衛(wèi)星系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用就是在指揮所、武器平臺、分隊(單兵)等作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)行動中，運用衛(wèi)星系統(tǒng)獲取、傳輸、處理和分發(fā)信息，直接支持作戰(zhàn)行動。戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用具有需求突發(fā)性、任務(wù)區(qū)域不確定性、保障高時效性、要求多樣性等特點，因此，對衛(wèi)星信息保障提出了新的要求，包括任務(wù)需求的準(zhǔn)確獲取、任務(wù)規(guī)劃的快速處理、任務(wù)實施的精確執(zhí)行、情報信息的適時送達(dá)。為了達(dá)到該要求，必須對衛(wèi)星系統(tǒng)資源進行統(tǒng)一組織管理，對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)進行統(tǒng)籌規(guī)劃調(diào)度。由于不同用戶對應(yīng)用任務(wù)的關(guān)注點不同，對應(yīng)用任務(wù)的描述常常采用不同的方式。因此，迫切需要建立一種合適的任務(wù)描述方法，能夠?qū)πl(wèi)星系統(tǒng)的各類任務(wù)進行統(tǒng)一的描述，保證任務(wù)的準(zhǔn)確獲取、快速匯總、高效實施，確保衛(wèi)星系統(tǒng)達(dá)到要求的應(yīng)用效能。

本文針對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的特點，借鑒建模仿真、智能體技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)等研究領(lǐng)域中的規(guī)范描述方法，建立了一套適用于衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域的任務(wù)描述規(guī)則，并以偵察監(jiān)視應(yīng)用任務(wù)為例給出了任務(wù)描述的基本參數(shù)結(jié)構(gòu)。

2 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的概念及描述

2.1 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的概念

任務(wù)是一個應(yīng)用廣泛的概念，在軍事問題分析中，對于任務(wù)可以從不同的方面進行理解。從能力的角度，任務(wù)可以定義為:任務(wù)是實體(組織，主體)的使命、主要裝備、組織的作戰(zhàn)條令規(guī)定所能夠進行的動作或者活動。

由此定義可以看出，任務(wù)是要求實體必須實施的活動，其涉及的主要因素(內(nèi)涵)包括任務(wù)的實體、目的和對象。

(1)實體:一個任務(wù)總是由某個(些)組織(主體)來完成的。

(2)任務(wù)目的:是某種期望的狀態(tài)，該狀態(tài)是對目標(biāo)對象狀態(tài)變量的一個斷言或者函數(shù)關(guān)系的判斷。

(3)對象:任何一個具體的任務(wù)完成的過程及任務(wù)的最終完成都是對環(huán)境及對象狀態(tài)的改變。任務(wù)對象包括敵我雙方的作戰(zhàn)部隊，人工設(shè)施和地理環(huán)境。

衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)就是由衛(wèi)星資源所完成的任務(wù)。衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的實體就是完成任務(wù)所需要的各種衛(wèi)星應(yīng)用裝備和設(shè)施，任務(wù)目的是指需要獲取的情報信息，對象是指信息活動作用的客體。

面向戰(zhàn)術(shù)的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)是指直接為各類戰(zhàn)術(shù)行動提供探測、偵察、導(dǎo)航、定位、通信、氣象、測繪等信息保障的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)。根據(jù)所需衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的類型和信息保障能力的分類，可以將衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)分為:衛(wèi)星偵察監(jiān)視應(yīng)用任務(wù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用任務(wù)、衛(wèi)星通信中繼應(yīng)用任務(wù)和衛(wèi)星環(huán)境探測應(yīng)用任務(wù)。

2.2 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的概念模型

基于上述分析，針對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的特點定義了一套元素和屬性，用來實現(xiàn)對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的規(guī)范化描述。衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)可以表示為一個五元組的概念模型ST=＜STG，STT，STO，STN，STQ＞，其中STG是對任務(wù)的說明集合，STT表示任務(wù)的時效性屬性，STO表示任務(wù)的對象屬性，STN表示信息需求屬性，STQ表示任務(wù)的質(zhì)量要求屬性。

STG=＜STGName，STGID，STGCH，STGPRI＞，其中STGName表示應(yīng)用任務(wù)的名稱，STGID表示應(yīng)用任務(wù)的ID號，STGCH表示應(yīng)用任務(wù)性質(zhì)，STGPRI表示應(yīng)用任務(wù)的優(yōu)先級。

STT=＜STTSP，STTD，STTF＞，其中STTSP表示應(yīng)用任務(wù)的執(zhí)行時間區(qū)間，STTD表示應(yīng)用任務(wù)執(zhí)行的時間分辨率，STTF表示信息反饋用戶的最后時間。

STO=＜STOT，STOS，STOC＞，其中STOT表示目標(biāo)的類型，STOS表示目標(biāo)的位置特征，STOC表示目標(biāo)實物的特性，如運動特征等。

STN=＜……＞，其內(nèi)容根據(jù)具體的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)類型而定。

STQ=＜……＞，其內(nèi)容同樣根據(jù)具體的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)類型而定。

2.3 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的分類

由任務(wù)的概念內(nèi)涵可以看出，任務(wù)就是實體(組織，主體)在作戰(zhàn)中需要實施的動作或者行動。衛(wèi)星的作戰(zhàn)應(yīng)用是一個涉及因素眾多的軍事活動，衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的描述也是一項與眾多因素相關(guān)的復(fù)雜過程，需要同時滿足面向應(yīng)用領(lǐng)域的建模和面向資源管理的建模，需要有衛(wèi)星資源管理部門和作戰(zhàn)應(yīng)用部門的共同參與。

根據(jù)任務(wù)描述的不同階段和衛(wèi)星裝備的特點，把衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)分為需求任務(wù)、計劃任務(wù)和實施任務(wù)。需求任務(wù)是指任務(wù)需求獲取階段，由作戰(zhàn)部門提交的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求;計劃任務(wù)是指任務(wù)規(guī)劃階段，由衛(wèi)星資源管理部門進行規(guī)劃處理的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù);實施任務(wù)是指經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃處理，能夠直接實施的應(yīng)用任務(wù)。它們分別由任務(wù)需求模型、任務(wù)計劃模型和任務(wù)實施模型進行描述，其對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

3 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的需求模型

需求模型是對衛(wèi)星應(yīng)用需求的規(guī)范化描述。用戶對于任務(wù)需求的關(guān)注點不同，往往采用不同的描述方式，給任務(wù)需求的采集及任務(wù)執(zhí)行資源的規(guī)劃帶來了很大的困難，需求模型的目的就是規(guī)范和統(tǒng)一各類用戶對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求的描述，方便任務(wù)需求的快速提交。因此，它要求形式簡單，方便快捷，并能保證衛(wèi)星資源管理部門對任務(wù)需求信息的準(zhǔn)確把握，任務(wù)模板很好地滿足了這一要求。所謂任務(wù)需求模板，就是對衛(wèi)星應(yīng)用需求知識以模板的形式進行抽象和概括。模板描述符合軍事人員的習(xí)慣，也方便衛(wèi)星資源管理部門對需求的理解，模板還具有一定的規(guī)范性，有利于用戶和技術(shù)人員之間的協(xié)調(diào)。

3.1 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求要素

應(yīng)用任務(wù)需求的格式化描述首先要確定任務(wù)需求的基本要素。任務(wù)需求的基本要素可以從衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的概念及實現(xiàn)的具體過程來確定:

(1)衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)是賦予衛(wèi)星可以實施執(zhí)行的任務(wù)。

(2)衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)是為了達(dá)成一定的目標(biāo)，即任務(wù)目的。

(3)應(yīng)用任務(wù)實施受任務(wù)能力需求和任務(wù)執(zhí)行時間、多任務(wù)相互影響的約束。

衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)執(zhí)行的約束條件分可為任務(wù)約束、資源約束和事件約束。

任務(wù)約束表示應(yīng)用任務(wù)執(zhí)行過程中需要滿足的工作條件。如目標(biāo)的(時空特性)覆蓋約束，任務(wù)邏輯約束，任務(wù)需求約束。

資源約束表示應(yīng)用任務(wù)執(zhí)行時需要的資源條件。如衛(wèi)星傳感器類型、衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)鏈路的使用時間、星載存儲器容量、數(shù)據(jù)傳輸速度、側(cè)視操作的次數(shù)、成像時地面目標(biāo)太陽高度角、成像衛(wèi)星最大云量等級等的約束。

事件約束表示應(yīng)用任務(wù)在執(zhí)行中，還受到具體過程特殊事件條件的限制。如任務(wù)的事件時間窗約束、衛(wèi)星相機開機成像時間延遲、衛(wèi)星實施側(cè)視后的穩(wěn)定時間、成像時間長度約束、同一傳感器兩次成像任務(wù)之間的間隔時間等約束。

根據(jù)上述任務(wù)與約束的關(guān)系分析，可得到衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的相關(guān)屬性要求如圖2所示。

從任務(wù)屬性關(guān)系中可看出，衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)包含著作戰(zhàn)單元的保障需求和應(yīng)用任務(wù)的各種約束。衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的需求要素根據(jù)這些保障需求及約束確定，主要包括任務(wù)名稱、支持單元、任務(wù)目的和任務(wù)約束屬性，其中任務(wù)約束屬性又包括時效性、目標(biāo)屬性、信息需求類型、質(zhì)量要求。任務(wù)名稱、支持單元、任務(wù)目的以及時效性和目標(biāo)屬性約束體現(xiàn)了任務(wù)需求，而信息需求類型和質(zhì)量要求體現(xiàn)出了任務(wù)的能力需求。

3.2 需求模型的規(guī)范化描述

為了便于衛(wèi)星資源管理部門很好地獲取任務(wù)的能力需求，需要對任務(wù)能力需求進行規(guī)范化描述。本文采用最簡單的交流方法——建立任務(wù)需求模型(也稱任務(wù)需求模板)來對用戶和服務(wù)方的內(nèi)容進行約定和規(guī)范。

任務(wù)需求模板是對一類衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用任務(wù)知識的抽象和概括，用于對衛(wèi)星信息需求的結(jié)構(gòu)化描述。任務(wù)模板形式相對簡單，描述簡潔，易于使用，方便各作戰(zhàn)單元以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的方式對應(yīng)用任務(wù)進行描述，也利于航天資源管理部門對天基應(yīng)用需求的準(zhǔn)確理解、服務(wù)和自動處理。

從作戰(zhàn)單元的角度，以偵察監(jiān)視應(yīng)用任務(wù)為例，建立任務(wù)需求模板如圖3所示。

模板中的各項屬性說明如下:

(1)應(yīng)用單位，表示衛(wèi)星信息直接支持的作戰(zhàn)單元，即提出任務(wù)需求的用戶。

(2)任務(wù)要求，是用戶對任務(wù)信息需求的描述，是對任務(wù)能力的需求表示。一般偵察任務(wù)的信息需求包括成像信息和電子信息，而成像信息根據(jù)星載傳感器的不同又可以分為可見光、紅外、微波、多光譜以及SAR等。

(3)目標(biāo)屬性，是對偵察對象的描述。其中，目標(biāo)類型直接用目標(biāo)名稱或種類來描述;目標(biāo)位置可以用地理位置粗略描述，也可用經(jīng)緯度表示;區(qū)域則用多邊形的頂點坐標(biāo)［A(X，X)，B(X，X)，…］或(圓心，半徑)來表示。如果是移動目標(biāo)，則用時間和位置來表示;目標(biāo)特性是對偵察對象的運動特性和電磁特性的描述。運動特性有靜止或移動;電磁特性則分為有電磁特性或無電磁特性。

(4)時效性要求，是對任務(wù)的起止時間以及執(zhí)行頻率的約束。

(5)質(zhì)量要求，包括分辨率、測頻寬度、測頻精度和定位精度。分辨率可以按照需求提交其要求的等級。各要求的物理參數(shù)規(guī)范是分辨率優(yōu)于XXm，測頻寬度XXMHz，測頻精度優(yōu)于XXMHz，定位精度優(yōu)于XXm。

4 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的計劃模型

對于作戰(zhàn)單元提出的任務(wù)需求，可能沒有明確具體的衛(wèi)星資源和能力的要求，航天資源管理部門在資源組織時需要根據(jù)任務(wù)的需求進行任務(wù)屬性的提煉，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的屬性類別，并確定執(zhí)行任務(wù)的衛(wèi)星資源，由此得到衛(wèi)星應(yīng)用的計劃任務(wù)模型。

衛(wèi)星應(yīng)用的計劃任務(wù)模型描述的是航天資源管理部門已經(jīng)明確理解并可以處理的任務(wù)。航天資源管理部門首先按照計劃任務(wù)模型的能力要求搜索是否存在對應(yīng)的需求信息，由此確定是否實施該應(yīng)用任務(wù)。

4.1 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的計劃模型要素

根據(jù)應(yīng)用任務(wù)需求模型中任務(wù)名稱、目的、目標(biāo)類型、目標(biāo)位置、目標(biāo)特性、時效性要求等需求要素值，進行變換處理，轉(zhuǎn)換為應(yīng)用任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)屬性值(類別)，獲得計劃模型要素狀態(tài)值。主要的計劃模型要素值包括:

(1)信息類型。包括電子信息(Elin)，圖像信息(Imag)，圖像信息又包括光學(xué)圖像(Opt)，雷達(dá)圖像(Sar)，紅外圖像(Inf)，多光譜(MS)，超光譜(HS)等。計劃模型中，信息需求類型主要分為:無類型要求、電子信息、圖像信息、綜合信息等。明確了任務(wù)所需獲取的信息類型，也就是確定了所需的衛(wèi)星資源類型。

(2)目標(biāo)屬性。目標(biāo)屬性的刻畫是比較復(fù)雜和困難的，這里主要針對偵察任務(wù)的情況，對屬性進行了分類處理。①目標(biāo)類型(Target-Type)。衛(wèi)星在進行偵察活動時并不需要對目標(biāo)進行具體類型的區(qū)分，只需將目標(biāo)類型預(yù)處理為點目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)和集群目標(biāo)(集群目標(biāo)也可以看作是區(qū)域目標(biāo))。其中點目標(biāo)是指衛(wèi)星進行一次觀測掃描能完全覆蓋的目標(biāo)，區(qū)域目標(biāo)是指衛(wèi)星一次掃描無法完全覆蓋的目標(biāo)。目標(biāo)類型分為的點目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)等。②目標(biāo)位置(Target-Location)。將作戰(zhàn)需求模型中的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度表示形式，分為點目標(biāo)和區(qū)域目標(biāo)兩類形式表示，目標(biāo)位置主要分為點目標(biāo)位置或區(qū)域目標(biāo)位置。③目標(biāo)特性(Target-Speciality)。目標(biāo)特性主要分為靜止、移動、有電磁特性、無電磁特性等。

(3)時效性。時間范圍(Time-Range):用“日-月-年00:00:00”形式的時間區(qū)間表示;執(zhí)行頻率(Mission-Frequency)分為重復(fù)偵察或不重復(fù)偵察;完成時間(Time-Ending):用“日-月-年00:00:00”形式表示。

(4)質(zhì)量要求。質(zhì)量要求包括分辨率、測頻寬度、測頻精度、定位精度等屬性。遙感中使用的地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)指的是區(qū)分圖像中兩個相鄰物體的能力，即圖像上兩個物體能清楚地區(qū)分開的最小距離。如果兩個物體之間的距離小于分辨極限，在圖像上就被顯示成一個物體。

根據(jù)觀測任務(wù)的不同，可以將地面目標(biāo)的識別劃分為4個等級:①發(fā)現(xiàn)目標(biāo):判斷目標(biāo)是否存在。要求確定部隊、軍事目標(biāo)和軍事活動的位置。②一般識別:判斷出目標(biāo)的類型或?qū)傩?，如區(qū)分出房屋、車輛。③詳細(xì)鑒別:判斷出同類物體的不同類型，如區(qū)分出房屋的種類，某導(dǎo)彈是地地導(dǎo)彈還是地空導(dǎo)彈等。④目標(biāo)描述:要求確定出設(shè)施或目標(biāo)的大小、形狀、結(jié)構(gòu)、數(shù)量，識別出目標(biāo)的特征和細(xì)節(jié)，如導(dǎo)彈有無尾翼等。

不同目標(biāo)的不同識別等級需求，可以轉(zhuǎn)換成對目標(biāo)分辨率參數(shù)要求的形式［1］。

4.2 計劃模型的格式化描述

根據(jù)偵察監(jiān)視衛(wèi)星的工作原理及上述的屬性值，得到偵察監(jiān)視應(yīng)用任務(wù)計劃模型的格式化描述形式，如圖4所示。

其中主要屬性值的生成方法說明:

(1)信息類型，可以根據(jù)需求模型中任務(wù)要求的內(nèi)容確定。

(2)任務(wù)編號、提交時間，由系統(tǒng)生成。

(3)任務(wù)名稱，由任務(wù)的信息需求類型和探測的目標(biāo)類型生成。

(4)時效性，由需求模型直接映射生成。

(5)目標(biāo)屬性，目標(biāo)位置可用經(jīng)緯度表示，由需求模型映射確定。

(6)優(yōu)先級、信息需求，根據(jù)信息類型及任務(wù)的特點確定。

(7)質(zhì)量要求，由需求模型的任務(wù)性質(zhì)及資源特點，由管理部門確定。

對于任務(wù)計劃模型模板，可采用XML語言對其進行形式化描述，圖4的XML描述如圖5所示。

5 衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的實施模型

任務(wù)的計劃模型確定了任務(wù)的級別信息需求，但沒用確定執(zhí)行任務(wù)的具體衛(wèi)星實體、時間窗口、傳感器擺角等參數(shù)，還不是一個可實際執(zhí)行的任務(wù)模型。為此，還需要針對衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的需要，確定相關(guān)任務(wù)的屬性值，得到衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的實施模型。

實施模型描述的是衛(wèi)星可直接執(zhí)行的應(yīng)用任務(wù)，根據(jù)衛(wèi)星資源管理的方法及衛(wèi)星工作的特點，這樣的任務(wù)是單個資源一次過境可以完成(執(zhí)行)的任務(wù)，所以也稱為元任務(wù)。

在衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)中，有些任務(wù)是可以直接執(zhí)行完成的元任務(wù)，有些任務(wù)則需要分解為多個子任務(wù)才能執(zhí)行完成。通過對元任務(wù)的特征分析，可以給出任務(wù)的實施模型。

首先，根據(jù)計劃模型中的信息需求，確定可選的衛(wèi)星資源類型集合;其次，根據(jù)計劃模型中的目標(biāo)位置屬性、時間要求，結(jié)合可選衛(wèi)星資源的軌道參數(shù)，由每一個可覆蓋目標(biāo)的時間窗口就可確定一個元任務(wù);最后，再根據(jù)目標(biāo)的其他屬性要求和資源使用約束，確定其它的模型參數(shù)，便可得到元任務(wù)的模型。元任務(wù)的模型可以較好地滿足對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃的需要，某成像偵察元任務(wù)的實施模型如表1所示。

表1 衛(wèi)星偵察監(jiān)視元任務(wù)的實施模型

6 結(jié)束語

由于衛(wèi)星系統(tǒng)被越來越多地直接服務(wù)于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用中，其服務(wù)對象種類越來越多，任務(wù)需求越來越復(fù)雜。為了能夠高效地滿足多樣化的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求，需要對衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)進行規(guī)范的描述。本文針對作戰(zhàn)中衛(wèi)星應(yīng)用需求的特點，結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)和衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)的特征，提出了基于需求模型、計劃模型和實施模型的衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)規(guī)范化描述方法，并利用格式化模板和XML Schema分別給出了的應(yīng)用任務(wù)規(guī)范描述模型。實際應(yīng)用表明，該方法能夠滿足衛(wèi)星復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的規(guī)范化描述要求。

1 李菊芳，賀仁杰，姚峰.衛(wèi)星觀測任務(wù)數(shù)據(jù)的XML描述［J］.計算機工程與應(yīng)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 張迎新，徐培德，李志猛.基于XML Schema的天基信息系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)需求描述［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，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.

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