遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力指標體系構建模式研究

劉鋒 李琳 孟新

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遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力指標體系構建模式研究

劉鋒1,2李琳1孟新2

（1 北京遙感信息研究所，北京 100192） （2 中國科學院國家空間科學中心，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，缺少科學的評價。構建科學的指標體系是進行效能評估的基本前提。針對合理建立能力指標體系、定量評估遙感衛(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要求入手，基于信息完備性、準確性、時效性等要素，并按照系統(tǒng)的空間域、時間域、信息域、數(shù)量域、形式域等行為特性，初步構建了遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力評估的基本框架和層次化指標體系，對于開展遙感衛(wèi)星系統(tǒng)效能評估技術研究有一定參考價值。

指標體系 系統(tǒng)能力 定量評估 遙感衛(wèi)星

0 引言

遙感衛(wèi)星在探測感知地物、判斷地物屬性、進而掌握資源狀況和評估災害情況等方面發(fā)揮著極為重要的作用[1]。隨著信息化社會形態(tài)的深入發(fā)展，對遙感衛(wèi)星的全方位探測、持續(xù)監(jiān)測、快速響應等能力提出了新的更高要求，需要對現(xiàn)有或在研遙感衛(wèi)星滿足這些需求的程度做出科學評估[2-3]。同時，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、應用和體系對抗等環(huán)節(jié)是如何體現(xiàn)的，也需要給出量化的綜合分析結果。上述任務都需要一套科學合理的指標體系作為支撐。

當前，經(jīng)過多年探索和應用實踐，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的指標體系，劃分了星地一體化和工程各大系統(tǒng)指標，初步構建了效能評估指標體系[4-8]，在實際工作中取得了良好的應用效果，牽引了遙感衛(wèi)星的快速發(fā)展。但隨著應用實踐的不斷深入，也暴露出一些問題。由于手段的多樣性、系統(tǒng)的復雜性和認識的局限性，指標體系構建的完備性受到挑戰(zhàn)，經(jīng)常過分強調(diào)了衛(wèi)星的分辨率、成像幅寬等指標，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)的工作效率和應用效益。另外，系統(tǒng)的復雜性和應用的日益廣泛，則導致對系統(tǒng)戰(zhàn)術指標和技術指標往往難以區(qū)分，影響到用戶部門與研制部門的職責劃分和業(yè)務工作的深入開展。

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

1 相關概念

能力是指成功地完成某種活動所必需的基本素質(zhì)[9]。對于系統(tǒng)而言，能力就是指系統(tǒng)成功地完成某種任務所必需的要素和條件。因此，能力評估就是指評定一個系統(tǒng)在執(zhí)行某項任務時所具備的素質(zhì)水平。指標是指反映事物或現(xiàn)象特征的概念及其量化表示。相應地，能力指標就是能力評估過程中用以衡量某項能力的量化參數(shù)。

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

與能力評估緊密相關的一個概念是效能評估。系統(tǒng)效能是指“預期一個系統(tǒng)能滿足一組特定任務要求程度的量度”[10]。從這個定義可看出，針對不同的任務集，系統(tǒng)效能是不同的，也即系統(tǒng)效能隨任務的變化而動態(tài)變化。從系統(tǒng)角度看，能力評估是效能評估的有機組成部分，是效能評估的一個重要環(huán)節(jié)。對于遙感衛(wèi)星，從任務完成角度，其效能評估的可分為五層：第一層為綜合效能層，反映遙感衛(wèi)星在各種任務中的綜合應用效能；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中的應用效能，如陸地區(qū)域覆蓋、重點地物精細探測等信息保障能力，遙感衛(wèi)星在執(zhí)行不同任務時的效能評價標準是不一樣的；第三層是能力層，表示遙感衛(wèi)星完成以上信息保障任務應具備的能力，可以劃分為探測時效性、探測準確性和探測信息量等幾個方面，具體能力指標和評價方法應根據(jù)特定任務來確定；第四層是性能層，描述實現(xiàn)能力所應有的性能度量指標集合，每一能力的性能度量應從該集合中選出，如衛(wèi)星運行軌道、姿態(tài)機動能力、成像幅寬（視場角）、可視范圍（遙感器指向調(diào)節(jié)范圍）、單圈工作時間、衛(wèi)星工作壽命等；第五層為對象層，表示具體的評估對象，如陸地遙感衛(wèi)星、海洋探測衛(wèi)星等。

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

2 遙感衛(wèi)星能力指標體系構建

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

另一種常用構建方式則是按照信息系統(tǒng)的任務環(huán)節(jié)來進行，也就是從指揮控制、信息獲取、信息處理、信息傳輸?shù)热蝿窄h(huán)節(jié)來分解系統(tǒng)指標，相應形成信息獲取能力、信息處理能力、信息傳輸能力、安全防護與信息對抗能力等。這種方式試圖從系統(tǒng)運行的角度來勾畫系統(tǒng)整體能力水平。

上述指標體系可以在不同場合發(fā)揮作用，如基于信息質(zhì)量的構建方式更多地反映了信息的質(zhì)量等級及其可用性，而基于任務環(huán)節(jié)的構建方式則可以清晰地反映各任務環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)匹配性。但上述構建方式又在不同程度上存在不足。基于信息質(zhì)量構建指標體系時，關注的往往是單次事件所達到的能力水平，同時完備性、準確性的概念相對較為模糊，與系統(tǒng)能力的對應關系不夠直接；而基于任務環(huán)節(jié)構建指標體系時，則得到的能力往往是系統(tǒng)某個環(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，容易混淆系統(tǒng)戰(zhàn)術指標和技術指標。

2.1 基本原則

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

好的指標體系應該構建出不同層次指標之間的相互關系，并且支持量化分析。根據(jù)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)任務種類多、任務環(huán)節(jié)多等特點，指標的選取遵循針對性、層次性、獨立性和一致性原則[5,7,15]。

針對性是指選取的指標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、關系和運用過程，使用戶對遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的綜合能力有一個全面的認識。

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

獨立性指指標間的關系應是不相關的，遙感衛(wèi)星能力指標之間應盡量不交叉，具有相對獨立性，每個指標應相對獨立地反映遙感衛(wèi)星的一個方面。

一致性是指各指標應與分析的目標相一致，所分析的指標間不相互矛盾，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)的復雜性，建立其評估指標體系時應采用自頂向下分層細化的方法：首先對給定任務進行系統(tǒng)分析，確定系統(tǒng)功能和指標度量，然后廣泛征求各方面專家、用戶等的意見，經(jīng)反復修改，最后確定指標體系[14]。

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

上述任務均以獲取信息、提供及時可靠的信息保障為根本。根據(jù)信息要素，各任務關注的都是信息的獲取范圍、時效性、精度、獲取量及表現(xiàn)力等信息維度，分別對應于信息系統(tǒng)在空間域、信息域、時間域、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行描述，如圖1所示。

3 遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力指標體系

依據(jù)上述能力框架，針對具體探測任務，可以確定相應的能力指標體系。以地物精細探測任務為例，實施重大突發(fā)事件監(jiān)測、城市違建監(jiān)測和災害評估等，都需要衛(wèi)星遙感采取地物精細探測方式，以獲取重要地物詳細情況，包括地物的位置、結構、形狀、關鍵部位等?？梢哉f，精細探測是對可疑或重要地物進行甄別、確認的行為，主要解決地物類型、狀態(tài)判斷和精確定位問題。基于地物精細探測，對應的遙感衛(wèi)星能力指標體系如圖2所示。

圖1 遙感衛(wèi)星系統(tǒng)基本能力框架

圖2 面向地物精細探測的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能力評估指標體系

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

其中，探測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)星或整個在軌遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)嵤┨綔y的對象空間。

地物辨識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確性，可細分為識別率、確認率等。

地物定位能力也是描述系統(tǒng)信息域行為特性的指標，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，對于移動地物，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)星對同一地物相鄰兩次探測的時間間隔來表征。

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)在單位時間內(nèi)獲取有效信息的多少，用單位時間內(nèi)獲取地物的多少來表征。

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

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 結束語

本文就遙感衛(wèi)星能力指標體系構建的方式方法進行了探討，通過對信息要素的分解和衛(wèi)星遙感任務的分析，以及系統(tǒng)在空間域、時間域、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)星能力指標體系構建的基本模式，并以地物精細探測任務為例，提出了相應的遙感衛(wèi)星能力指標體系構想。這些工作對于深化對遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的理解，對于科學評估遙感衛(wèi)星能力水平都具有積極意義。

由于認識所限和系統(tǒng)本身復雜性，以及衛(wèi)星遙感應用領域的日益拓展，所提指標還不夠全面、完善，需要在此基礎上，進一步細化系統(tǒng)任務要求，為遙感衛(wèi)星能力評估提供更加客觀、可靠、實用的依據(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年獲國防科技大學碩士學位，研究員。研究方向為遙感衛(wèi)星總體論證與應用。E-mail:ericrs@126.com。

2017-05-01