BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系設(shè)計

王星宇，徐冰霖，陳星伊，汪　濤

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，陜西 西安　710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安　710043)

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BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系設(shè)計

王星宇1，2，徐冰霖2，陳星伊1，2，汪濤2

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，陜西 西安710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安710043)

為了提升BDS測控系統(tǒng)現(xiàn)有運行效能和服務(wù)性能，針對測控系統(tǒng)的實際運行狀況，結(jié)合對導航性能產(chǎn)生直接影響、反映測控系統(tǒng)能力、反映衛(wèi)星測控系統(tǒng)效能等原則，建立了一套BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系：闡述了采用層次分析法分析各評估指標權(quán)重的具體實現(xiàn)；通過功效系數(shù)法對測控系統(tǒng)進行綜合評估和分析，為BDS測控管理監(jiān)測評估工作提供了一種定量和定性相結(jié)合的決策方法。BDS長期在軌管理工作實踐表明，該監(jiān)測評估指標體系的建立能夠?qū)y控系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供幫助。

北斗系統(tǒng)；測控；監(jiān)測評估；指標體系；層次分析法

0　引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)已經(jīng)正式提供導航服務(wù)。為了保證系統(tǒng)提供全天時、全天候良好服務(wù)，已經(jīng)在服務(wù)層面開展了監(jiān)測評估工作，全面評價系統(tǒng)服務(wù)性能。文獻[1]提出了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)開放服務(wù)的監(jiān)測與評估，可以為導航用戶在使用服務(wù)時提供可靠的決策支持信息，從而最大限度地減少可能產(chǎn)生的不利影響；但在BDS測控系統(tǒng)的監(jiān)測和評估方面卻仍未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究，對BDS測控系統(tǒng)開展監(jiān)測評估的研究勢在必行。

本文對BDS測控系統(tǒng)的監(jiān)測評估工作進行初步探索，運用層次分析法構(gòu)建了一套BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系。層次分析法是美國運籌學家Satty于20世紀70年代中期提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。該方法定性分析和定量分析相結(jié)合，能夠?qū)⒅饔^判斷為主的定性分析進行量化，顯示各方案的差異性[2]；同時通過權(quán)重分析確定各個目標在項目總體評價方面的重要性，克服了傳統(tǒng)方法無法直觀、簡潔地分析和描述系統(tǒng)特點的缺陷[3-5]。

1　監(jiān)測評估體系構(gòu)建的原則

建立BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系之前，應該首先確認體系構(gòu)建的原則。根據(jù)測控系統(tǒng)與導航服務(wù)的關(guān)系及測控系統(tǒng)在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中承擔的職責，同時參考建立區(qū)域性金融風險監(jiān)測評估體系的經(jīng)驗[6]，制定體系構(gòu)建的基本原則為：1)直接性，指所選指標要直接反映影響導航服務(wù)性能的情況；2)相關(guān)性，指設(shè)定的指標能夠收集、操作性強、相關(guān)聯(lián)程度高；3)科學性，指監(jiān)測評估指標體系的設(shè)計要科學合理、簡單易行、便于操作；4)突出能力，指所選指標要全面反映測控系統(tǒng)的能力；5)體現(xiàn)效能，指所選指標要反映測控系統(tǒng)的效能。

2　體系設(shè)計

2.1層次分析法的原理

層次分析法是指將一個復雜的決策問題分解為不同的組成因素，將這些因素按目標、準則、措施(方案、手段)等分類，構(gòu)造一個反映各因素間隸屬關(guān)系和關(guān)聯(lián)程度的遞階層次模型；通過一系列成對比較的評判來得到各個評價對象在某個準則之下的相對重要的量度；將這種評判轉(zhuǎn)換成數(shù)字處理，構(gòu)成判斷矩陣，然后使用單準則排序計算方法便可獲得這些方案或措施在該準則下的優(yōu)先度排序。通過層次的遞階關(guān)系，可以計算出各個對象對最高目標的總排序權(quán)重，根據(jù)結(jié)果進行規(guī)劃決策和選擇解決問題的途徑[7]。層次分析法的步驟一般為：

1)構(gòu)造遞階層次結(jié)構(gòu)。

首先要把復雜的問題分解為各組成元素，按元素的屬性不同分為若干組，以形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)。

2)建立判斷矩陣。

判斷矩陣是以上一層的某一要素作為判斷準則對下一層要素進行兩兩比較來確定矩陣元素值。通常按照文獻[2]提出的1～9判斷矩陣標度原則(見表1[2])對因素層和子因素層間各元素的相對重要性給出判斷，得到矩陣A。A的元素aij表示同一層次中第i個因素相對于第j個因素的相對重要性比較結(jié)果。對于一個遞階層次結(jié)構(gòu)，從目標層到子因素層有幾個隸屬關(guān)系，就要建立幾個判斷矩陣。

表1　1～9標度表

3)層次單排序及一致性檢驗。

構(gòu)造好判斷矩陣后，通過對每一個判斷矩陣求解最大特征根λmax及對應特征向量W得出針對某一準則層各元素的相對權(quán)重。為驗證判斷矩陣的合理性，需要由求解出的λmax檢驗判斷矩陣是否存在嚴重的非一致性，一致性檢驗可以通過求解一致性比率CR完成，即：

(1)

(2)

式中：CI為一致性指標；CR為一致性檢驗率；RI為隨機一致性指標(見表2[2])。

表2　RI隨機一致性指標標準值

當CR≤0.1時，特征向量進行歸一化處理后得到向量Ei，其各分量即為某一層次指標對于上一層次某相關(guān)指標的相對重要性權(quán)值；若CR>0.1，則認為該判斷矩陣不滿足一致性要求，需根據(jù)矩陣標度原則重新評價，直到通過檢驗為止。

2.2BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系

按照指標體系構(gòu)建的基本原則，綜合測控領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗和判斷，并結(jié)合測控領(lǐng)域從業(yè)人員的充分討論，建立如表3所示的BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系。

2.3指標權(quán)重的確定

2.3.1一級指標權(quán)重的確定

1)確定目標A和一級指標Bi：A=BDS測控系統(tǒng)運行情況；Bi={B1，B2，B3}。

2)構(gòu)造A-Bi(i=1，2，3)判斷矩陣，如表4所示。

表3　BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系

表4　A-Bi 判斷矩陣

3)計算判斷矩陣每行所有元素幾何平均值為：

(3)

(4)

(5)

式中Wi為第i行元素的幾何平均值。

4)歸一化求特征向量為：

(6)

(7)

(8)

式中Ei為第i行元素的歸一化值。

5)計算判斷矩陣最大特征根。記A-Bi層次判斷矩陣為AW，則有：

(9)

(10)

式中λmax為矩陣AW最大特征根。

6)一致性檢驗

(11)

查表得RI≈0.58(n=3時)，因而有

(12)

2.3.2二級指標權(quán)重的確定

1)B2-Ci判斷矩陣，如表5所示。

表5　B2-Ci判斷矩陣

最大特征根λmax=4.016，一致性檢驗率CR=0.005 9。

2)B3-Ci判斷矩陣，如表6所示。

表6　B3-Ci判斷矩陣

最大特征根λmax=4.233，一致性檢驗率CR=0.086 4。

2.4排序

通過確定二級指標層相對于總目標的權(quán)重得到9個指標的重要性排序為：C1>C2=C3>C6>C7>C4>C5>C8>C9。單星導航不可用時間直接影響導航系統(tǒng)性能，在BDS測控管理中應該重點監(jiān)測、定期評估，并不斷優(yōu)化，提高測控系統(tǒng)服務(wù)用戶的能力和水平。

2.5綜合評估

BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系中每一個指標都只能反映測控系統(tǒng)某個方面的運行情況，要全面監(jiān)測評估整個測控系統(tǒng)的運行情況，還必須對其進行綜合評估。對于可測量數(shù)值的指標，可以采用功效系數(shù)法。該方法對每個評估指標設(shè)置2個數(shù)值，一個是滿意值(歷史最優(yōu)值)，另一個是和不允許值(歷史最差值)，可用式(13)或式(14)計算出每個指標的功效系數(shù)——對于無法直接測量的指標，由行業(yè)內(nèi)專家進行打分，確定其單項指標功效系數(shù)為：

(13)

(14)

式中：D表示指標功效系數(shù)；Zy表示指標最優(yōu)值；Zc表示指標最差值；Zl表示指標測量值。

通過對體系內(nèi)所有指標的功效系數(shù)進行加權(quán)算術(shù)平均，可以計算出BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系綜合功效系數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果，可以采用表7的評價結(jié)果進行分析，進而對測控系統(tǒng)運行情況進行評估。綜合功效系數(shù)的計算過程如圖1所示。

表7　評價結(jié)果表

圖1　綜合功效系數(shù)的計算流程

3　指標體系的應用

根據(jù)建立的BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系以及運用層次分析法確定的權(quán)重，選擇2015-01至2015-08期間BDS測控系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)進行測評。通過計算和專家評判，得出二級指標的功效系數(shù)，具體如表8所示。根據(jù)各指標權(quán)重進行綜合功效計算，綜合功效系數(shù)為92.13。

表8　二級指標功效系數(shù)表

通過以上得出的綜合功效系數(shù)及各個二級指標的功效系數(shù)分析可見：BDS測控系統(tǒng)的綜合評價為優(yōu)等，說明BDS測控系統(tǒng)運行情況優(yōu)秀；同時也看到測控管理人員效率、軌道確定效率及軌道確定能力等指標處于良等，說明這些方面還有進一步提升的空間。

4　結(jié)束語

本文從BDS衛(wèi)星導航系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行的需求出發(fā)，遵循體系構(gòu)建原則，建立了BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系。指標體系涵蓋了BDS測控系統(tǒng)的各個方面，能夠?qū)y控系統(tǒng)運行進行客觀評估：運用層次分析法確定了各個指標權(quán)重，并進行排序，避免了指標權(quán)重確定隨意性大的弊端；同時說明各個指標在系統(tǒng)運行中有主次之分，能夠為集中有限力量，突出重點、分清主次抓測控系統(tǒng)建設(shè)提供參考。使用功效系數(shù)法對BDS測控系統(tǒng)開展監(jiān)測評估，結(jié)合指標權(quán)重進行綜合評估和分析，并指出后續(xù)測控系統(tǒng)建設(shè)的努力方向，為推動測控系統(tǒng)不斷改進和完善、提升測控系統(tǒng)的服務(wù)性能發(fā)揮作用；但采用層次分析法確定指標權(quán)重以及指標功效系數(shù)時，由于其打分過程中存在較多的主觀因素，會對監(jiān)測評估結(jié)果有一定影響：因此指標選取和評估的方法仍然需要進一步完善。

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Design on monitoring and evaluation indicator system of BDS measurement and control system

WANG Xingyu1，2，XU Binglin2，CHEN Xingyi1，2，WANG Tao2

(1.Key Laboratory for Fault Diagnosis and Maintenance of Spacecraft in Orbit，Xi’an， Shaanxi 710043，China；2.Xi’an Satellite Control Center，Xi’an， Shanxi 710043，China)

In order to improve the evaluation and service effectiveness of BDS measurement and control system，the paper based on actual situation of the system，combined with the principles of direct impact on navigation performance and reflection of the measurement and control efficiency，built up and applied a set of indicators for monitoring and evaluation the BDS measurement and control system：the indicators weight was analyzed with AHP，the measurement and control system was comprehensively evaluated with efficacy coefficient method，which would provide a quantitative and qualitative decision-making way for BDS measurement and control.Result of practical application showed that the indicator system could help the stable operation of BDS measurement and control system.

BDS；measurement and control；monitoring and evaluation；indicator system；analytic hierarchy process

2016-10-20

王星宇(1979—)，男，陜西富平人，本科學歷，工程師，研究方向為航天器測控管理。

簡介：陳星伊(1984—)，女，山東淄博人，碩士，工程師，研究方向為航天器測控管理。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160308.

P228

A

2095-4999(2016)03-0035-05

引文格式：王星宇，徐冰霖，陳星伊，等.BDS測控系統(tǒng)監(jiān)測評估指標體系設(shè)計[J].導航定位學報，2016，4(3)：35-39.(WANG Xingyu，XU Binglin，CHEN Xingyi，et al.Design on monitoring and evaluation indicator system of BDS measurement and control system[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：35-39.)