航天測(cè)控任務(wù)可靠性模型的統(tǒng)一描述框架研究

許雙偉，陸法

（國(guó)防大學(xué)聯(lián)合勤務(wù)學(xué)院，北京 100858）

0 引言

航天測(cè)控系統(tǒng)是對(duì)航天器及其有效載荷進(jìn)行跟蹤測(cè)量、監(jiān)視與控制的技術(shù)系統(tǒng)，在航天器的發(fā)射、飛行與返回過(guò)程中，需要通過(guò)航天測(cè)控系統(tǒng)的跟蹤、測(cè)量與控制來(lái)保證航天器按照預(yù)定狀態(tài)和計(jì)劃完成航天任務(wù)[1]。航天測(cè)控任務(wù)的可靠性與航天任務(wù)的成敗直接相關(guān)，因此，對(duì)測(cè)控任務(wù)可靠性的定量評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

定量評(píng)價(jià)測(cè)控任務(wù)可靠性的前提是建立測(cè)控任務(wù)的可靠性模型。航天測(cè)控任務(wù)需通過(guò)測(cè)控站和指控中心協(xié)作完成，其中，測(cè)控站負(fù)責(zé)獲取所需的航天器信息，指控中心則用于處理測(cè)控信息及指揮測(cè)控站執(zhí)行測(cè)控任務(wù)。從發(fā)射至返回過(guò)程中，航天器要繞地飛行很多圈次，每個(gè)飛行圈次都要執(zhí)行多種類(lèi)型的測(cè)控任務(wù)。在某一飛行圈次上，可能有一個(gè)或多個(gè)測(cè)控站參與測(cè)控任務(wù)。在單測(cè)控站條件下，所有參與測(cè)控資源的使用時(shí)間完全一致，測(cè)控任務(wù)可靠性模型與常見(jiàn)的一般任務(wù)模型并無(wú)區(qū)別。在多測(cè)控站條件下，由于各個(gè)測(cè)控站地理分布的不同，其能提供的測(cè)控服務(wù)的起止時(shí)間也不同；此外，不同類(lèi)型的測(cè)控任務(wù)有著不同的任務(wù)成功標(biāo)準(zhǔn)。這些因素的存在使得多測(cè)控站條件下的測(cè)控任務(wù)可靠性模型極為復(fù)雜。此外，作為測(cè)控任務(wù)可靠性模型評(píng)估輸入的各種測(cè)控資源自身的可靠性指標(biāo)也有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分，不同類(lèi)型指標(biāo)下所選用的可靠性評(píng)估方法也存在著較大的區(qū)別。文獻(xiàn) [2]基于XML分別對(duì)測(cè)控任務(wù)和測(cè)控資源進(jìn)行描述建模，其優(yōu)點(diǎn)是提高了模型的重用性，但難以直觀地表達(dá)復(fù)雜測(cè)控任務(wù)可靠性模型的類(lèi)型且在選擇任務(wù)可靠性評(píng)估方法時(shí)需要人為地進(jìn)行判斷。

本文介紹了航天測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成及測(cè)控資源可靠性指標(biāo)，給出了航天測(cè)控任務(wù)的過(guò)程，詳細(xì)地闡述了不同的測(cè)控任務(wù)的成功標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)控資源可靠性指標(biāo)對(duì)測(cè)控任務(wù)可靠性模型及其評(píng)估方法的影響。在此基礎(chǔ)上，給出了統(tǒng)一的測(cè)控任務(wù)可靠性模型描述框架，該框架能夠全面地表達(dá)測(cè)控任務(wù)可靠性模型所需要的信息，并可據(jù)此靈活地選擇相應(yīng)的評(píng)估方法進(jìn)行測(cè)控任務(wù)可靠性分析。

1 航天測(cè)控系統(tǒng)

1.1 航天測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成

航天測(cè)控系統(tǒng)都由一定的測(cè)控資源構(gòu)成，它們分散部署在分布地域不同的測(cè)控站和指控中心。

測(cè)控站是測(cè)控任務(wù)的具體實(shí)施者，配置有各類(lèi)測(cè)控設(shè)備，如引導(dǎo)系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)等，用于獲取航天器軌道及各類(lèi)工作狀態(tài)等信息，并通過(guò)通信設(shè)備將信息傳輸至指控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。測(cè)控站以分布在不同地理位置上的固定地面測(cè)控站為主，還包括可機(jī)動(dòng)部署的測(cè)控船與測(cè)控車(chē)輛等。在一些航天測(cè)控系統(tǒng)中還可能包含中繼星系統(tǒng)，其中的中繼衛(wèi)星可以看作是一類(lèi)特殊的測(cè)控站。

指控中心是實(shí)施航天測(cè)控的神經(jīng)中樞，一般配置有大型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、航天器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，負(fù)責(zé)測(cè)控任務(wù)的指揮與測(cè)控信息的數(shù)據(jù)處理。

1.2 測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)

測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)是反映測(cè)控資源自身可靠性特性的度量參數(shù)。在評(píng)估測(cè)控任務(wù)的可靠性時(shí)，測(cè)控資源的可靠性是測(cè)控任務(wù)可靠性模型的輸入。即使是同一個(gè)可靠性模型，由于可靠性指標(biāo)類(lèi)型的不同，其所適用的評(píng)估方法也可能不盡相同。

對(duì)于航天測(cè)控系統(tǒng)而言，隨時(shí)有新型設(shè)備的加入、舊設(shè)備的退出或現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)改造，其測(cè)控資源的構(gòu)成是不斷發(fā)展變化的。因而，測(cè)控資源可靠性指標(biāo)的獲取有相當(dāng)大的困難，有的可能是長(zhǎng)期使用得到的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，有的為可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)，也有些是根據(jù)設(shè)計(jì)與使用情況折合得出的可靠性指標(biāo)。無(wú)論源自何種形式，測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)大體上都可分為以下兩類(lèi)。

a）靜態(tài)指標(biāo)

這類(lèi)指標(biāo)的特點(diǎn)是測(cè)控資源的可靠性不隨時(shí)間的變化而變化，如使用可用度。

b）動(dòng)態(tài)指標(biāo)

在該類(lèi)指標(biāo)下，測(cè)控資源的可靠性隨時(shí)間的變化而變化。在動(dòng)態(tài)可靠性指標(biāo)下，測(cè)控資源又可分為可修和不可修的。測(cè)控資源的可靠性、維修性隨時(shí)間變化的情況可以通過(guò)一定的分布函數(shù)來(lái)描述，如指數(shù)分布、威布爾分布等。

2 航天測(cè)控任務(wù)

2.1 航天測(cè)控過(guò)程

在執(zhí)行某一具體的航天測(cè)控任務(wù)時(shí)，并非測(cè)控系統(tǒng)中的所有測(cè)控資源都參與該測(cè)控任務(wù)。指控中心由于全過(guò)程地指揮與協(xié)調(diào)測(cè)控任務(wù)的執(zhí)行，因而必定有指控中心的測(cè)控資源參與測(cè)控任務(wù)。在航天器的某一特定軌道上，測(cè)控系統(tǒng)中僅有一個(gè)或幾個(gè)測(cè)控站對(duì)航天器是可見(jiàn)的，其參與測(cè)控任務(wù)的測(cè)控資源僅局限于可見(jiàn)測(cè)控站與指控中心。

在實(shí)施航天測(cè)控任務(wù)時(shí)，首先由指控中心下達(dá)相應(yīng)的測(cè)控指令，各個(gè)測(cè)控站接受指令后在各自對(duì)航天器的可見(jiàn)時(shí)間內(nèi)獲取測(cè)控任務(wù)所需要的信息，并將信息回傳至指控中心供數(shù)據(jù)處理和決策分析。測(cè)控任務(wù)的實(shí)施過(guò)程可以概述為：通過(guò)可見(jiàn)測(cè)控站和指控中心的共同支持，形成一條航天器信息獲取、傳輸與處理的通路。雙測(cè)控站下的測(cè)控任務(wù)實(shí)施過(guò)程的示例如圖1所示。

圖1 測(cè)控任務(wù)實(shí)施過(guò)程

2.2 航天測(cè)控任務(wù)可靠性模型

測(cè)控任務(wù)指在航天器的發(fā)射、運(yùn)行與返回過(guò)程中航天測(cè)控系統(tǒng)所需完成的既定任務(wù)，主要有軌道測(cè)量任務(wù)、遙測(cè)接收任務(wù)和遙控指令發(fā)送任務(wù)，在實(shí)施載人航天時(shí)還包括話音通信、圖像接收和航天員生理遙測(cè)等。

在地球曲率的影響下，測(cè)控站只能在有限的一段時(shí)間內(nèi)為航天器提供測(cè)控服務(wù)。在僅有一個(gè)測(cè)控站參與測(cè)控任務(wù)的條件下，所有參與測(cè)控任務(wù)的測(cè)控資源的使用起止時(shí)間都是一樣的，此時(shí)測(cè)控任務(wù)的可靠性模型與常見(jiàn)的任務(wù)系統(tǒng)可靠性模型一致[3]。在多測(cè)控站條件下，由于測(cè)控站分布在不同的地理位置上，因而各個(gè)測(cè)控站對(duì)航天器實(shí)施測(cè)控服務(wù)的起止時(shí)間是不同的。以圖1為例，測(cè)控站A中的測(cè)控資源僅能在tAstart～tAend時(shí)間段內(nèi)參與測(cè)控任務(wù)，測(cè)控站B中的測(cè)控資源執(zhí)行任務(wù)的起止時(shí)間段為tBstart～tBend，而指控中心在整個(gè)任務(wù)期間 （tAstart～tBend）都參與測(cè)控任務(wù)。由于測(cè)控資源使用時(shí)間的不同，因而多測(cè)控站條件下的測(cè)控任務(wù)可靠性模型較為復(fù)雜。

采用多測(cè)控站執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的可能目的有兩點(diǎn)：1）提高測(cè)控服務(wù)時(shí)間，由于單個(gè)地面測(cè)控站對(duì)低軌的航天器的可見(jiàn)時(shí)間非常短，一般僅為幾分鐘，不能滿足某些測(cè)控任務(wù)的要求，如軌道測(cè)量任務(wù)就需要較長(zhǎng)時(shí)間的航天器軌道信息以提高軌道定位的精度；2）通過(guò)冗余提高完成測(cè)控任務(wù)的能力，對(duì)于某些測(cè)控任務(wù)而言，在單個(gè)測(cè)控站對(duì)航天器的可見(jiàn)時(shí)間段內(nèi)就滿足完成測(cè)控任務(wù)的需要，采用多測(cè)控站的目的是通過(guò)測(cè)控站的備份來(lái)提高測(cè)控任務(wù)的可靠性，如遙控指令只是一條幾kb的數(shù)據(jù)，任何一個(gè)測(cè)控站在其對(duì)航天器的可見(jiàn)弧段內(nèi)發(fā)送成功即表示遙控指令發(fā)送任務(wù)成功。

以提高測(cè)控服務(wù)時(shí)間為目的的測(cè)控任務(wù)，被稱之為航天測(cè)控任務(wù)類(lèi)型I，它要求在對(duì)航天器的可見(jiàn)時(shí)間內(nèi)都要獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于在測(cè)控任務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的不同階段，執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的測(cè)控資源及其邏輯配置都發(fā)生了變化，此時(shí)航天測(cè)控任務(wù)的可靠性模型為一個(gè)多階段任務(wù)系統(tǒng)可靠性模型[4-5]。以提高測(cè)控冗余為目的的測(cè)控任務(wù)，被稱之為測(cè)控任務(wù)類(lèi)型II。由于測(cè)控任務(wù)由任何一個(gè)測(cè)控站完成即可，此時(shí)的測(cè)控任務(wù)的結(jié)構(gòu)雖然在任務(wù)期間發(fā)生了變化，但它并不是一個(gè)多階段任務(wù)系統(tǒng)。與常見(jiàn)的所有系統(tǒng)部件執(zhí)行時(shí)間都一致的任務(wù)系統(tǒng)不同，在任務(wù)類(lèi)型II下，航天測(cè)控系統(tǒng)表現(xiàn)為一個(gè)測(cè)控資源使用起、止時(shí)間不同的復(fù)雜任務(wù)系統(tǒng)。

2.3 測(cè)控任務(wù)可靠性模型的評(píng)估方法

測(cè)控任務(wù)可靠性模型的評(píng)估方法不僅與測(cè)控任務(wù)模型相關(guān)，而且與參與測(cè)控任務(wù)的測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)相關(guān)。

在測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)全部為靜態(tài)指標(biāo)的情況下，無(wú)論測(cè)控任務(wù)由單測(cè)控站執(zhí)行還是多測(cè)控站執(zhí)行，其可靠性模型都是一個(gè)靜態(tài)模型，測(cè)控任務(wù)可靠性不隨時(shí)間的變化而變化。在多測(cè)控站的條件下，若測(cè)控任務(wù)的類(lèi)型為I，則測(cè)控站之間相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)關(guān)系；若任務(wù)類(lèi)型為II，則測(cè)控站之間為并聯(lián)關(guān)系。靜態(tài)測(cè)控任務(wù)可靠性模型的解析評(píng)估方法可采用文獻(xiàn) [3]中經(jīng)典的靜態(tài)系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法。

在測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)全為動(dòng)態(tài)指標(biāo)的情況下，若測(cè)控任務(wù)由單測(cè)控站執(zhí)行，則可依據(jù)文獻(xiàn)[6]中所介紹的可修和不可修系統(tǒng)的評(píng)估方法進(jìn)行任務(wù)可靠性的分析；若測(cè)控任務(wù)由多測(cè)控站執(zhí)行且任務(wù)類(lèi)型為I，測(cè)控資源都是不可修的，則可以采用基于故障樹(shù)的二元決策圖 （BDD：Binary Decision Diagram）算法解析求解測(cè)控任務(wù)的可靠性[7-8]，若測(cè)控資源都是可修的，且故障和維修過(guò)程都服從指數(shù)分布，則可基于Markov過(guò)程分析測(cè)控任務(wù)的可靠性[9-10]。對(duì)于多測(cè)控站執(zhí)行且類(lèi)型為II的測(cè)控任務(wù)，目前還尚未見(jiàn)到相應(yīng)的解析分析方法。

更為復(fù)雜的情況是，測(cè)控任務(wù)所涉及的測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)可能既包含靜態(tài)指標(biāo)又包括動(dòng)態(tài)指標(biāo)，或者全部是動(dòng)態(tài)指標(biāo)但部分是可修的而其他的為不可修的。在上述情況下，測(cè)控任務(wù)可靠性的解析求解難以實(shí)現(xiàn)，只能采用仿真法[11]。仿真法是可靠性評(píng)估中較為通用的方法，它根據(jù)各種測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)來(lái)模擬測(cè)控系統(tǒng)在任務(wù)期間的狀態(tài)變化過(guò)程，并結(jié)合測(cè)控任務(wù)的成功標(biāo)準(zhǔn)，判斷一次仿真是否成功。通過(guò)大量次數(shù)的重復(fù)仿真，可以得到一定精度的任務(wù)可靠性估計(jì)值。

3 航天測(cè)控任務(wù)可靠性模型統(tǒng)一描述框架

測(cè)控任務(wù)的可靠性可以看作是與相關(guān)測(cè)控資源自身可靠性屬性、邏輯構(gòu)成和使用時(shí)間的一個(gè)函數(shù)，在測(cè)控任務(wù)的可靠性模型中必須表達(dá)出這些基本要素。但測(cè)控任務(wù)所涉及的測(cè)控站數(shù)量及其任務(wù)類(lèi)型會(huì)使得測(cè)控任務(wù)的可靠性模型有很大的差別，而且作為模型輸入?yún)?shù)的各種測(cè)控資源自身的可靠性指標(biāo)不同會(huì)使得同一個(gè)測(cè)控任務(wù)模型的可靠性評(píng)估方法有很大的區(qū)別。因而，有必要提供一種通用的測(cè)控任務(wù)可靠性模型描述框架，既能全面地描述出測(cè)控任務(wù)的可靠性模型，在此基礎(chǔ)上又能很快地明確基于該模型評(píng)估時(shí)所適合采用的可靠性評(píng)估方法。

3.1 單個(gè)測(cè)控資源的描述

測(cè)控資源是執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的基本元素，其描述的內(nèi)容主要包括測(cè)控資源名稱及其自身的可靠性特性。測(cè)控資源有一定的使用時(shí)間，由于測(cè)控資源的使用時(shí)間與其所處測(cè)控站點(diǎn)或指控中心的使用時(shí)間一致，因而在單個(gè)測(cè)控資源的描述中可以不進(jìn)行時(shí)間信息的描述。

單個(gè)測(cè)控資源的描述可寫(xiě)為 （x， （Rpf，p1，p2， …）， （Mpf，，， …）） 的形式， 其中 x 表示資源的名稱；Rpf，p1，p2，…表示測(cè)控資源的可靠性信息，Rpf為可靠性分布函數(shù)，p1，p2，…為Rpf的參數(shù)，若測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)為靜態(tài)指標(biāo)，則Rpf為 （0，1）區(qū)間內(nèi)的實(shí)數(shù)且不存在p1，p2，…； （Mpf，，， …） 表示測(cè)控資源的維修性信息， Mpf為測(cè)控資源的維修性分布函數(shù)，，，…為Mpf的參數(shù)，若測(cè)控資源是不可修的，則Mpf為 0 且不存在，， …。

3.2 測(cè)控站和指控中心的描述

測(cè)控站部署有完成測(cè)控任務(wù)所需的測(cè)控資源，通過(guò)對(duì)這些測(cè)控資源的邏輯組合實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的測(cè)控及與指控中心信息交流的能力。因此，對(duì)測(cè)控站的描述應(yīng)包括其測(cè)控資源的描述、測(cè)控資源邏輯配置描述和執(zhí)行任務(wù)起止時(shí)間的描述。

記 Xsi={（xsij（Rpf， p1， p2， …）， （Mpf，，，…））}為測(cè)控站si執(zhí)行測(cè)控任務(wù)時(shí)所用到的測(cè)控資源的集合；（Xsi）為獲取測(cè)控任務(wù)所需的信息時(shí)，Xsi的邏輯構(gòu)成函數(shù)；Tsi=（Ts，Te）表示測(cè)控站執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的起止時(shí)間。則對(duì)測(cè)控站的描述可寫(xiě)為 si= （Xsi，（Xsi）， Tsi）。

盡管在執(zhí)行測(cè)控任務(wù)時(shí)，指控中心的功能與測(cè)控站有所不同，但它同樣是通過(guò)自身測(cè)控資源的一定邏輯組合，實(shí)現(xiàn)測(cè)控信息的處理并保持與各個(gè)測(cè)控站信息傳遞的互通的。因此，對(duì)指控中心的描述同樣要體現(xiàn)出測(cè)控資源、資源邏輯構(gòu)成和執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間信息。值得指出的是，只要有測(cè)控中心執(zhí)行測(cè)控任務(wù)，則其必須處在運(yùn)行狀態(tài)，因而指控中心的使用時(shí)間是測(cè)控任務(wù)所涉及全部測(cè)控站使用時(shí)間的疊加。參照測(cè)控中心的描述形式，指控中心的描述可表示為c=（Xc，（Xc）， Tc）。

3.3 測(cè)控任務(wù)的描述

在測(cè)控站和指控中心描述的基礎(chǔ)上，可以對(duì)測(cè)控任務(wù)進(jìn)行描述。測(cè)控任務(wù)的描述既要表現(xiàn)出測(cè)控任務(wù)的類(lèi)型，還要體現(xiàn)出測(cè)控資源可靠性指標(biāo)的特性，以供測(cè)控任務(wù)可靠性模型的確定和相應(yīng)評(píng)估方法的選擇。

記s={si}為參與測(cè)控任務(wù)的全部測(cè)控站的描述。用 （Mtype，s，c）表示測(cè)控任務(wù)的可靠性模型信息，其中Mtype為多測(cè)控站條件下測(cè)控任務(wù)的類(lèi)型，若集合s中僅有一個(gè)測(cè)控站，則Mtype不取值。在 （Mtype，s，c）中，沒(méi)有對(duì)s和c之間的關(guān)系進(jìn)行描述，這是因?yàn)橹缚刂行囊獏f(xié)調(diào)所有測(cè)控站執(zhí)行測(cè)控任務(wù)，故默認(rèn)為指控中心與所有的測(cè)控站間都是串聯(lián)的邏輯關(guān)系。用 （Rindex，Rat1，Rat2，…）表示對(duì)全部測(cè)控資源可靠性指標(biāo)的綜合描述，其中Rindex用于表示測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)全都是靜態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)還是混合指標(biāo)。Rat1，Rat2，…為全部測(cè)控資源都是動(dòng)態(tài)指標(biāo)情況下的一些標(biāo)示屬性，如測(cè)控資源是否全部可修，可靠性、維修性是否全部服從指數(shù)分布等。若測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)全部為靜態(tài)指標(biāo)或混合指標(biāo)，則Rat1，Rat2，…不存在。整個(gè)測(cè)控任務(wù)可靠性模型的可寫(xiě)為DM={（Mtype，s，c）， （Rindex， Rat1， Rat2， …）}。

4 結(jié)束語(yǔ)

航天測(cè)控系統(tǒng)在執(zhí)行測(cè)控任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出復(fù)雜任務(wù)系統(tǒng)的特性，參與測(cè)控任務(wù)的測(cè)控站數(shù)量及任務(wù)成功標(biāo)準(zhǔn)會(huì)使測(cè)控任務(wù)的可靠性模型有不同的表現(xiàn)形式。而且，作為測(cè)控任務(wù)可靠性模型評(píng)估輸入所需的各種測(cè)控資源的可靠性指標(biāo)類(lèi)型會(huì)影響評(píng)估方法的選擇。本文通過(guò)對(duì)測(cè)控任務(wù)可靠性模型及測(cè)控資源可靠性指標(biāo)對(duì)模型評(píng)估方法的影響的分析，提出了統(tǒng)一的測(cè)控任務(wù)可靠性模型描述框架，其既能表達(dá)出測(cè)控任務(wù)的可靠性模型信息，又能為可靠性模型評(píng)估方法的選擇提供依據(jù)。