航天器項(xiàng)目試驗(yàn)評(píng)估新方法*

吳金美,凌曉冬

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰　214431)

航天器項(xiàng)目試驗(yàn)評(píng)估新方法*

吳金美**,凌曉冬

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431)

合理的評(píng)估方法是使得航天飛行器項(xiàng)目的試驗(yàn)論證更具有科學(xué)性的有力手段。針對(duì)航天器項(xiàng)目試驗(yàn)評(píng)估的過程復(fù)雜且內(nèi)容目標(biāo)不明確的現(xiàn)狀,歸納總結(jié)了對(duì)航天器項(xiàng)目試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)的遴選和評(píng)估指標(biāo)的確定方法,分析了航天器項(xiàng)目試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特性,選擇了差分檢測(cè)法進(jìn)行異常值的剔除,基于經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行兩類指標(biāo)的估計(jì),從而形成了完整的航天器項(xiàng)目試驗(yàn)的評(píng)估方法構(gòu)建,為航天器項(xiàng)目試驗(yàn)的評(píng)估驗(yàn)證提供了技術(shù)途徑。

航天器項(xiàng)目試驗(yàn);評(píng)估方法;關(guān)鍵技術(shù);評(píng)估指標(biāo)

引用格式:吳金美，凌曉冬.航天器項(xiàng)目試驗(yàn)評(píng)估新方法[J].電訊技術(shù)，2016，56(3)：273-277.[WU Jinmei，LING Xiaodong.A new eva1uation method for sPacecraft Project test[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：273-277.]

1　引 言

21世紀(jì)，太空已成為新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，世界各國(guó)紛紛加大對(duì)航天工業(yè)的投入。我國(guó)航天器的研制也進(jìn)入了快速發(fā)展的軌道，急劇的任務(wù)增加和高密度發(fā)射，使得航天器的研制項(xiàng)目已經(jīng)成為關(guān)注重點(diǎn)。對(duì)新型航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)和評(píng)估，可以早期發(fā)現(xiàn)和糾正存在的缺陷和問題，為改進(jìn)航天器的性能，完善研制項(xiàng)目監(jiān)控，保障用戶的最終使用提供至關(guān)重要的信息[1]。為了保證日益增長(zhǎng)的航天器型號(hào)研制任務(wù)能夠順利進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)估，特別是進(jìn)一步推動(dòng)航天器項(xiàng)目評(píng)估理論創(chuàng)新，完善和規(guī)范其試驗(yàn)與評(píng)估的內(nèi)容及要求，有必要組織開展航天器研制項(xiàng)目的試驗(yàn)評(píng)估方法的研究。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)項(xiàng)目的評(píng)估理論主要集中在項(xiàng)目的安全性評(píng)估、財(cái)務(wù)效益估算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[2-3]，針對(duì)航天器研制的評(píng)估又大多是對(duì)航天器機(jī)構(gòu)或者產(chǎn)品的可靠性評(píng)估[4-5]，對(duì)武器裝備的評(píng)估內(nèi)容主要是武器的效能評(píng)估[1，6-7]或者評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8-9]，所以目前針對(duì)航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)和評(píng)估方法還只在摸索階段。

事實(shí)上，科研項(xiàng)目論證重點(diǎn)在風(fēng)險(xiǎn)和效益，而在航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)評(píng)估階段，關(guān)注點(diǎn)是各個(gè)方面的精確度、安全性和可靠性等，亦即航天器的“效能”。難點(diǎn)就在于如何將這么多的用試驗(yàn)數(shù)據(jù)無法直接運(yùn)用的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)化為可以用試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)的評(píng)估指標(biāo)，如何用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到某一個(gè)指標(biāo)上的具體得分，以及如何根據(jù)評(píng)估用的各種指標(biāo)反過來決定試驗(yàn)過程中需要獲得哪方面具體數(shù)據(jù)等。

航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)相關(guān)的理論包括了試驗(yàn)的方法、標(biāo)準(zhǔn)的制定、組織領(lǐng)導(dǎo)、協(xié)調(diào)、策劃、實(shí)施等[1]，試驗(yàn)的方法和管理不是本文的研究?jī)?nèi)容，本文的目的是解決航天器項(xiàng)目試驗(yàn)后怎么進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)過程獲得的數(shù)據(jù)如何處理等問題。

本文在深入分析和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)航天器項(xiàng)目試驗(yàn)的評(píng)估方法，形成了從評(píng)估指標(biāo)的確定到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和評(píng)估計(jì)算的一整套評(píng)估流程，對(duì)進(jìn)一步提高航天器項(xiàng)目試驗(yàn)的評(píng)估水平具有參考價(jià)值。

2　關(guān)鍵技術(shù)的遴選和評(píng)估指標(biāo)的確定

如何將用試驗(yàn)數(shù)據(jù)無法直接看出來的評(píng)估目標(biāo)轉(zhuǎn)化為可以用試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)的評(píng)估指標(biāo)是進(jìn)行評(píng)估要解決的第一個(gè)問題，也是后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

對(duì)一個(gè)航天器項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)估，首先要確定所需試驗(yàn)評(píng)估的內(nèi)容。航天器研制項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必然有著大量的技術(shù)點(diǎn)，因?yàn)樵囼?yàn)的成本和條件限制，不可能為每個(gè)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行一次單獨(dú)的試驗(yàn)和評(píng)估，所以在試驗(yàn)前就必須對(duì)試驗(yàn)評(píng)估內(nèi)容進(jìn)行遴選。

另一方面，我們注意到，對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目而言，是其成敗關(guān)鍵，體現(xiàn)了項(xiàng)目的各方面值得關(guān)注的地方，也就是前面所說的關(guān)注點(diǎn)。因此，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行的試驗(yàn)和評(píng)估是最能體現(xiàn)項(xiàng)目工程評(píng)估要求的，明確項(xiàng)目工程的關(guān)鍵技術(shù)才能有的放矢地對(duì)項(xiàng)目開展試驗(yàn)和評(píng)估，所以對(duì)評(píng)估指標(biāo)的確定其實(shí)就是選擇關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)指標(biāo)的一個(gè)過程。

不同的航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)都不相同，我們?cè)趯?shí)踐中對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的遴選一般遵從應(yīng)用性、創(chuàng)新性、復(fù)雜度這三個(gè)基本原則，具體操作時(shí)可以分3步。

第一步，根據(jù)該項(xiàng)目的核心和創(chuàng)新技術(shù)以及有應(yīng)用前景的技術(shù)，搭建初步的航天器項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)的涵蓋范圍。

第二步，在文獻(xiàn)調(diào)研和專家咨詢的基礎(chǔ)上，進(jìn)行遴選，依據(jù)應(yīng)用性、創(chuàng)新性、復(fù)雜度原則，對(duì)范圍內(nèi)的各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，這一階段可借助專家的評(píng)價(jià)和打分進(jìn)行排序，依次確定最終所要的關(guān)鍵技術(shù)清單，對(duì)于復(fù)雜的大型項(xiàng)目，可以分層次分階段定關(guān)鍵技術(shù)；對(duì)于相近或相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，可以分組比較分析從而實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)選排序。

例如，表1列出的就是針對(duì)高超聲速飛行器項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)提煉出的部分關(guān)鍵技術(shù)[10]。

表1　高超聲速飛行器飛行試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)Tab.1 Key techno1ogies of hyPersonic vehic1e in f1ight test

第三步，在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，廣泛征詢專家意見，對(duì)每一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提出其相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)，總體而言，不管是哪一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其評(píng)估指標(biāo)均包括能夠體現(xiàn)安全性和可靠性的參數(shù)標(biāo)志和體現(xiàn)精確度的各種測(cè)值的精度指標(biāo)，依此規(guī)律建立每項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的相應(yīng)評(píng)估后對(duì)評(píng)估指標(biāo)的合理性方面進(jìn)行論證，以完成整個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及其指標(biāo)體系的建立。

例如，對(duì)于表1中的導(dǎo)航與控制技術(shù)，其評(píng)估指標(biāo)如表2所示。

表2　導(dǎo)航與控制技術(shù)的評(píng)估指標(biāo)Tab.2 Navigation and contro1 index system

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

對(duì)航天器項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)或仿真試驗(yàn)一般都會(huì)分不同類別多次進(jìn)行，對(duì)某項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)而言，在不同試驗(yàn)中可能多次涉及到，而且飛行試驗(yàn)一般會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，所以數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，但是在利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估之前，必須排除某些突發(fā)因素導(dǎo)致的野值，比如沖擊、振動(dòng)等干擾或者設(shè)備故障、讀數(shù)記錄的過程的明顯過錯(cuò)導(dǎo)致的過失誤差，否則容易影響評(píng)估結(jié)果的正確性。

類似于表2中飛行器導(dǎo)航標(biāo)志是否處于導(dǎo)航狀態(tài)、定位信息是否正常輸出這樣的測(cè)量值來說，其中的異常值可能是數(shù)據(jù)故障、讀數(shù)、記錄等原因造成的，甚至有的是操作失誤導(dǎo)致的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)沒法進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，只能依靠人工進(jìn)行分析和篩查，排除比較明顯的過失誤差，然后用數(shù)學(xué)剔除野值的方法對(duì)位置速度這一類的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

因?yàn)楹教炱鞯臏y(cè)量數(shù)據(jù)并非獨(dú)立等精度的靜態(tài)測(cè)量，所以在一般的測(cè)量數(shù)據(jù)中常用的三σ準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則、t檢驗(yàn)法[11]均不適用，對(duì)飛行器測(cè)量數(shù)據(jù)處理時(shí)常用的差分檢測(cè)法[12]算法簡(jiǎn)單而且對(duì)孤立型野值的剔除效果明顯，可以用于航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)的野值剔除。

但試驗(yàn)數(shù)據(jù)常常包括自主機(jī)動(dòng)過程的飛行數(shù)據(jù)，其位置和速度的測(cè)量數(shù)據(jù)往往不是平滑的曲線，會(huì)有很大幅度的跳躍，甚至是分段連續(xù)的，因此在采用差分檢測(cè)法時(shí)需要對(duì)連續(xù)檢出野值的情況進(jìn)行處理。如果連續(xù)4點(diǎn)判斷為野值，則將這4點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并從這4點(diǎn)起重新進(jìn)行積累和差分檢測(cè)，這樣就能避免在不連續(xù)的跳躍邊界點(diǎn)處起連續(xù)被檢測(cè)為野值。

4　基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論的評(píng)估方法

航天器項(xiàng)目的評(píng)估過程中，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全可以滿足經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論的樣本量。如表2中導(dǎo)航技術(shù)的指標(biāo)中的導(dǎo)航標(biāo)志是否處于導(dǎo)航狀態(tài)，定位信息是否正常輸出等，這類試驗(yàn)評(píng)估主要以成敗結(jié)果來度量，即試驗(yàn)的成功率，通常成敗型試驗(yàn)對(duì)應(yīng)概率統(tǒng)計(jì)中二項(xiàng)分布。

給定置信水平1-α、試驗(yàn)結(jié)果n和F，可以計(jì)算得到結(jié)果，對(duì)于常用的參數(shù)范圍，GB4087.3-85《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋二項(xiàng)分布單側(cè)置信下限》提供了數(shù)表，可直接查找結(jié)果。

在航天器項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)中很大一部分性能指標(biāo)都是有關(guān)精度的，比如檢驗(yàn)各類偏差，包括角度偏差以及表2中的位置偏差、速度偏差等數(shù)值，因?yàn)闇y(cè)量的隨機(jī)誤差近似正態(tài)分布是精度分析中的常用分布，所以對(duì)于這類偏差類的性能指標(biāo)通常先檢驗(yàn)其是否服從正態(tài)分布，具體方法見文獻(xiàn)[1]，如果接受，則可用正態(tài)分布的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)。

計(jì)算正態(tài)分布的分布函數(shù)或者查正態(tài)分布表，可得到結(jié)果。

5　示 例

在某航天器項(xiàng)目的試驗(yàn)和評(píng)估中，通過文獻(xiàn)調(diào)研和專家咨詢確定的關(guān)鍵技術(shù)中，包括該航天器的相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)，分析該關(guān)鍵技術(shù)的主要評(píng)估項(xiàng)，論證結(jié)果分別為穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航、在兩種狀態(tài)下的適應(yīng)性(在A狀態(tài)下的相對(duì)導(dǎo)航、在B狀態(tài)下的相對(duì)導(dǎo)航)、位置精度、速度精度。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用差分檢測(cè)法剔除部分異常值后，按照評(píng)估的方法驗(yàn)證該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如表3所示。

根據(jù)表3的方法可得出具體的評(píng)估結(jié)果。在評(píng)估后，對(duì)數(shù)據(jù)的分析也是相當(dāng)重要的，因?yàn)榉治鼋Y(jié)果可以直接反饋到技術(shù)的改進(jìn)或者試驗(yàn)過程的修正，比如在精度評(píng)估時(shí)，結(jié)果表明沒有達(dá)到可接受范圍，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)含有較明顯的系統(tǒng)誤差，應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究，是否設(shè)備原因或者試驗(yàn)過程中的因素導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)有系統(tǒng)誤差從而進(jìn)行及時(shí)修正和完善，為盡早掌握該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)做準(zhǔn)備。

表3　某航天器的相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)評(píng)估Tab.3 Eva1uation of re1ative navigation techno1ogy for a sPacecraft

6　結(jié)束語(yǔ)

由于航天器項(xiàng)目試驗(yàn)的評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜和龐大的前瞻性工作，本文提出的評(píng)估方法從總體上給出評(píng)估的方法和流程，搭建了評(píng)估框架，具體的評(píng)估實(shí)施過程中還會(huì)面對(duì)很多問題，需要進(jìn)行深入研究。由于缺乏具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且對(duì)航天器評(píng)估所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真還需要相當(dāng)?shù)臈l件和時(shí)間，我們給出的示例展示了評(píng)估的方法和算法，目前無法提供具體評(píng)估結(jié)果。對(duì)于評(píng)估方法的效果，需要結(jié)合數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，這也是我們下一步的研究?jī)?nèi)容。

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吳金美(1983—)，女，江蘇揚(yáng)州人，2008年于國(guó)防科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)軟件及其應(yīng)用方面的研究；

WU Jinmei was born in Yangzhou，Jiangsu Province，in 1983.She received the M.S.degree from Nationa1 University of Defense Techno1ogy in 2008. She is now an engineer.Her research concerns data Processing and the aPP1ication of comPuter software.

Emai1：wimˉ83@a1iyun.com

凌曉冬(1978—)，男，江蘇寶應(yīng)人，2009年于國(guó)防科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事數(shù)據(jù)處理、資源調(diào)度、試驗(yàn)評(píng)估等方面的研究。

LING Xiaodong was born in Baoying，Jiangsu Province，in 1978.He received the Ph.D.degree form Nationa1 University of Defense Techno1ogy in 2009.He is now an engineer.His research concerns data Processing resource schedu1ing，test eva1uation，etc.

A New Evaluation Method for Spacecraft Project Test

WU Jinmei，LING Xiaodong
(China Sate11ite Maritime Tracking and Contro1 DePartment，Jiangyin 214431，China)

To imProve the reasonab1eness in sPacecraft Project test and argumentation，an eva1uation method is brought forward.For so1ving Present Prob1ems that the test Process of eva1uation for sPacecraft Project is comP1ex and both target and content are uncertain，methods of choosing key techno1ogies and ascertaining eva1uation indexes are co11ected and c1assified.The characteristics of the test data are ana1yzed and a differentia1 detection scheme is chosen to reject out1iers.Based on c1assica1 statistics，eva1uation of two kinds of indexes is aPP1ied.Consequent1y，a who1e Process of quantificationa1 eva1uation is formed to suPPort the eva1uation test for sPacecraft Project.

sPacecraft Project test；eva1uation method；key techno1ogies；eva1uation indexes

V417

A

1001-893X(2016)03-0273-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.007

2015-07-23;

2015-11-18 Received date:2015-07-23;Revised date:2015-11-18

**通信作者:wimˉ83@a1iyun.com Corresponding author:wimˉ83@a1iyun.com