基于ADC模型的GEO光學(xué)遙感衛(wèi)星工作效能評估?

李 暢 賴 鵬 李 懋 賀景瑞

（中國人民解放軍63795部隊 北京 100089）

1 引言

地球靜止軌道（GEO）光學(xué)遙感衛(wèi)星是未來光學(xué)對地觀測衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域［1］，2015年發(fā)射入軌的高分四號（GF-4）是我國第一顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星，憑借高分辨率、大視場、多譜段等優(yōu)勢，在各應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景和重大意義。針對體系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、效能評估困難等特點，國內(nèi)外對其工作效能評估開展了深入研究。覃鵬程等應(yīng)用體系貢獻度，對探測任務(wù)需求展開設(shè)計仿真［2］；梁桂林等采用DoDFA體系結(jié)構(gòu)分析了遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)特性，并依據(jù)ADC模型對其進行建模評估［3］；彭耿構(gòu)建面向任務(wù)的評價體系，對遙感衛(wèi)星信息支援能力進行了評估研究［4］。

通過上述研究進展可以發(fā)現(xiàn)，由于光學(xué)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)用領(lǐng)域眾多，研究者多以特定場景下的任務(wù)需求為牽引進行能力評估，而很少有面向衛(wèi)星本體的工作效能評估方法。本文綜合GEO光學(xué)遙感衛(wèi)星軌道特征尤其是太陽光照射這一影響條件，結(jié)合ADC效能評估模型，建立以衛(wèi)星本體為核心的系統(tǒng)效能評估方法，對后續(xù)該類型遙感衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒和參考。

2 工作效能評估體系

GEO遙感衛(wèi)星工作效能主要從以下幾個方面進行評價。

1）衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星本體由衛(wèi)星平臺和有效載荷組成，其工作穩(wěn)定性、故障修復(fù)能力是重要評價指標(biāo)。由于衛(wèi)星所處太空，無法通過人工對故障進行現(xiàn)場修復(fù)，故在設(shè)計之初即充分考慮各分系統(tǒng)及零部件工作穩(wěn)定性、低故障性和主備份設(shè)計。與其他通用類型武器裝備相似，主要考慮衛(wèi)星平均無故障工作時長和故障修復(fù)時間兩方面因素。

2）軌道環(huán)境

GEO軌道距地球表面約35786km，當(dāng)衛(wèi)星運行在該軌道上時由于地球無法全程規(guī)避太陽光，故在星下點當(dāng)?shù)匚缫骨昂髮⒊霈F(xiàn)陽光入侵現(xiàn)象［1］。此情況下如不加以防護，將會對探測器敏感度造成永久性損傷，影響遙感衛(wèi)星相機工作壽命和性能指標(biāo)。針對這一問題，Dennis Gallagher等通過安裝遮光罩對太陽光進行規(guī)避［5］，彭洲等設(shè)計改進了滾動軸機動規(guī)避算法［6］。然而上述方法均不能實現(xiàn)不影響衛(wèi)星系統(tǒng)可用度，故軌道環(huán)境是限制GEO遙感衛(wèi)星工作效能的重要因素。

3）關(guān)鍵性能指標(biāo)

關(guān)于遙感衛(wèi)星工作效能評價研究，劉鋒等基于信息完備性、準(zhǔn)確性、時效性等因素，構(gòu)建了系統(tǒng)能力基本框架和層次化指標(biāo)體系［7］；謝劍鋒等根據(jù)系統(tǒng)特點，建立了基于證據(jù)推理的遙感衛(wèi)星探測效能評估模型［8］；王玉菊采用模糊層次分析法，確定了衛(wèi)星探測艦船的評價指標(biāo)［9］。通過追蹤GEO遙感衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，我們選定分辨率、探測器效能、定位精度和定標(biāo)精度四個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對衛(wèi)星工作效能進行綜合評價。

綜合上述影響因素，構(gòu)建GEO遙感衛(wèi)星工作效能評價體系如圖1所示。

圖1 GEO光學(xué)遙感衛(wèi)星工作效能評價體系

3 太陽光影響模型

太陽、地球、衛(wèi)星模型示意如圖2所示，其中OE為地心，OE-X指向衛(wèi)星星下點，OE-Z指向地球北極，OE-Y與OE-X、OE-Z軸成右手螺旋。α為衛(wèi)星與星下點0時夾角，β為太陽直射點緯度角，θ為太陽光入射角度。

圖2 太陽光入射角示意圖

不難得到β計算公式為

計算得到太陽直射點緯度年變化值，如圖3所示。

圖3 太陽直射點緯度年變化

根據(jù)太陽、地球、衛(wèi)星相對位置關(guān)系，可得到太陽光向量Fs及載荷平面法向量Fp計算公式為

定義衛(wèi)星全年規(guī)避期概率pg為太陽光入射角θ小于θ0的時長與衛(wèi)星工作一年總時長的比值。

通過計算，得到太陽光入射角全年變化值，其中午夜0時全年太陽入射角變化情況如圖4所示。

圖4 太陽光入射角年變化（00：00）

4 工作效能評價模型

ADC模型由美國武器系統(tǒng)效能咨詢委員會WSEIAC提出，是一種基于可用性、可信性和系統(tǒng)能力的工作效能解析評估方法此方法將可用性（Availability）、可靠性（Dependability）和能力（Ca?pacity）等要素綜合成表示系統(tǒng)效能的單一效能量度（E）［10］，如式（4）所示。

式中，A代表可用性矩陣，表示任務(wù)開始時系統(tǒng)或武器裝備處于可用狀態(tài)的概率；D表示可靠性矩陣，表示任務(wù)過程中系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換的概率，也可以反映系統(tǒng)保持狀態(tài)的能力；C表示系統(tǒng)能力矩陣，通過對系統(tǒng)發(fā)揮工作效能因素的考量反映系統(tǒng)完成任務(wù)的能力，是系統(tǒng)工作效能的核心。

4.1 可用性矩陣A建立

把衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)開始時所處不同工作狀態(tài)的概率用A表示，由評價體系可知A由衛(wèi)星平臺、有效載荷和軌道環(huán)境共同確定。將“平臺+載荷”作為衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)可用性因子，太陽規(guī)避影響作為軌道環(huán)境可用性因子，得可用性矩陣A分類如表1所示。

表1 可用性矩陣各因子釋義

其中衛(wèi)星平臺和有效載荷分為正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，設(shè)其平均無故障工作時長和平均故障修復(fù)時間分別為MTBFp、MTTRp和MTBFl、MTTRl，可得衛(wèi)星平臺可用率μp和有效載荷可用率μl，如式（5）。

由式（2）、表1和式（5），推導(dǎo)可用性矩陣A各因子計算如式（6）：

綜上得系統(tǒng)可用性矩陣A計算表達式為

4.2 可靠性矩陣D建立

根據(jù)可用性矩陣可知，衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時可能處于四種系統(tǒng)狀態(tài)，則可靠性矩陣D為4×4矩陣，如式（8）所示。其中d11表示衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)時處于a1狀態(tài)、任務(wù)結(jié)束時仍處于a1狀態(tài)；d12表示衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)時處于a1狀態(tài)、任務(wù)結(jié)束時處于a2狀態(tài)；其余子項以此類推。

其中m表示任務(wù)結(jié)束時衛(wèi)星本體處于可用狀態(tài)的概率，n表示任務(wù)結(jié)束時衛(wèi)星本體處于故障狀態(tài)的概率；j表示任務(wù)結(jié)束時衛(wèi)星處于非規(guī)避期的概率，k表示任務(wù)結(jié)束時衛(wèi)星處于規(guī)避期的概率。綜合可得可靠性矩陣D表達式為

4.3 能力評價矩陣C建立

設(shè)分辨率、探測器、定標(biāo)精度和定位精度四個評價因子分別為s1、s2、s3和s4，各評價因子權(quán)重視任務(wù)執(zhí)行實際情況確定，設(shè)定為w1、w2、w3和w4。則能力評價矩陣C可表達為

其中w11表示在a1狀態(tài)下s1評價因子權(quán)重，w12表示在a1狀態(tài)下s2評價因子權(quán)重，其他子項以此類推。根據(jù)可用性矩陣A各狀態(tài)實際情況，設(shè)定a1狀態(tài)下系統(tǒng)工作效能為1，a2狀態(tài)下w21=1、w22=0.2、w23=0.5、w12=0.5，a3狀態(tài)下 w31=0.5、w32=0.5、w33=0.5、w34=0，a4狀態(tài)下系統(tǒng)工作效能為0。則能力評價矩陣C可表示為

5 仿真分析

設(shè)定平臺平均故障修復(fù)時間MTTRp=1h，有效載荷平均故障修復(fù)時間MTTRl=2h，能力評價矩陣C中分辨率因子s1=0.3、探測器效能因子s2=0.25、定標(biāo)精度因子s3=0.15、定位精度因子s4=0.35。以衛(wèi)星系統(tǒng)工作時長t為變量，分別對平臺、載荷平均無故障工作時長1000、2000、3000、4000和5000小時下的工作效能情況進行仿真，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 工作效能仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均無故障工作時長一定時，GEO遙感衛(wèi)星的工作效能隨工作時長增加而降低，且工作初期衰減速度較快；當(dāng)系統(tǒng)平均無故障工作時長降低時，系統(tǒng)工作效能衰減速度明顯加快。

6 結(jié)語

結(jié)合上述仿真結(jié)果，對提升GEO遙感衛(wèi)星工作效能提出以下建議。

1）降低衛(wèi)星本體故障率

衛(wèi)星本體平均無故障工作時長是影響衛(wèi)星工作效能的重要因素，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)質(zhì)的零部件品控和充分的主備份設(shè)計能夠有效提升衛(wèi)星本體無故障工作時長。對于內(nèi)部系統(tǒng)，降低衛(wèi)星本體故障率必須充分考慮各分系統(tǒng)制造、組裝、測試等環(huán)節(jié)，足質(zhì)足量完成系統(tǒng)老練測試，加大冗余和主備設(shè)計。既充分考慮老技術(shù)成熟性，又著重加強新技術(shù)應(yīng)用驗證穩(wěn)定性和可靠性把控。對于外部環(huán)境，應(yīng)加強地球靜止軌道太空環(huán)境研究，針對宇宙射線、高能帶電粒子、太陽光壓、極端溫度變化等惡劣條件，提出有效的防護措施與應(yīng)對策略，增強衛(wèi)星在其生命周期內(nèi)的抗風(fēng)險能力，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性乃至工作效能。

2）加快衛(wèi)星在軌故障診斷

在軌故障診斷技術(shù)是保證衛(wèi)星正常運行的重要支撐，隨著航天器日益大型化、復(fù)雜化、集成化趨勢，故障診斷技術(shù)也隨之快速發(fā)展。其難點在于衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量龐大且難以與實際故障相對應(yīng)，需要長期經(jīng)驗積累和故障模型匹配。國內(nèi)研究方面，尹洪依據(jù)海量遙測數(shù)據(jù)驅(qū)動提出了基于Map Reduce的DTW并行算法［11］，卞德坤綜合信號處理和智能技術(shù)提出基于信號處理的衛(wèi)星故障診斷方法［12］。

相較于故障診斷技術(shù)，故障修復(fù)方法較為單一，多以重啟故障單機、切換備份等方式為主?？梢哉f故障診斷與定位是解決衛(wèi)星故障的先導(dǎo)，同時也占據(jù)整個修復(fù)周期的大部分時間。故加快衛(wèi)星在軌故障定位是縮短故障修復(fù)時間、提升衛(wèi)星工作效能的重要方式。衛(wèi)星在軌故障自主診斷技術(shù)是未來研究發(fā)展重點［13］，其突破性進展將對衛(wèi)星發(fā)揮性能產(chǎn)生重大影響。

3）提升探測器抗陽光能力

針對太陽光入侵問題，目前主流采用方法為安裝遮光罩或通過機構(gòu)調(diào)整更改探測器與陽光直射角度。但前者主要對雜散光進行抑制，并不能完全遮擋太陽光；后者不僅受限于機構(gòu)穩(wěn)定度，同時也增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度。因此，提升探測器本身抗陽光能力對有效提升系統(tǒng)工作效能具有重要意義。

結(jié)合太陽光影響模型，仿真計算得到規(guī)避角度設(shè)置對衛(wèi)星可用率及工作效能影響示意（如圖6所示）?？梢钥闯?，太陽光直射時規(guī)避角度越小，衛(wèi)星規(guī)避時間越短、可用時間越長，同時衛(wèi)星工作效能也會更高。故積極開發(fā)新型探測器材料、提升探測器抗陽光直射能力是規(guī)避太陽光直射的有效途徑。

圖6 規(guī)避角度變化仿真結(jié)果