遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估

張文慶，彭興會，劉 暢

(航天恒星科技有限公司，北京 100086 )

0 引言

遙感衛(wèi)星地面接收站主要承擔遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收工作，對于遙感數(shù)據(jù)的地面應(yīng)用發(fā)揮著重要的作用。隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，遙感衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量越來越多，同時，伴隨著國家對軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的大力推進，地面接收資源的共享使用勢必會成為未來的發(fā)展方向。如何快速評估已有地面接收系統(tǒng)是否具備接入某新型號衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力，以及如何快速定位已有地面接收系統(tǒng)無法接入該衛(wèi)星的原因成為了重要而又棘手的問題。

本文以優(yōu)化和提升遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力為目標，運用多層次分析方法，開展對遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力評估研究。建立了遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)能力評估指標體系及能力評估模型，并利用該評估模型實現(xiàn)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力評估。通過實踐案例驗證模型的有效性，分析遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)對新型衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力狀態(tài)，并提出最小化的改進建議。

1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)組成

遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照系統(tǒng)功能組成可劃分為天飼饋分系統(tǒng)、跟蹤接收分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)和站監(jiān)控管理分系統(tǒng)。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

圖2 業(yè)務(wù)能力評估體系分層結(jié)構(gòu)示意圖

天飼饋分系統(tǒng)主要包括天饋子系統(tǒng)、座架子系統(tǒng)、伺服子系統(tǒng)以及附屬設(shè)備等。主要負責(zé)控制天線跟蹤衛(wèi)星信號，并傳送給跟蹤接收分系統(tǒng)。跟蹤接收分系統(tǒng)主要包括低噪聲放大器、下變頻器、矩陣開關(guān)、解調(diào)器、跟蹤接收機等設(shè)備。主要負責(zé)完成衛(wèi)星的自動跟蹤及衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、解調(diào)、傳輸。測試分系統(tǒng)主要包括測試上變頻器、調(diào)制器、功率計、頻譜儀等設(shè)備。主要負責(zé)為系統(tǒng)關(guān)鍵指標的自動化測試提供硬件支持。技術(shù)支持分系統(tǒng)主要包括時頻設(shè)備、氣象監(jiān)測設(shè)備、機柜等。主要負責(zé)為系統(tǒng)的正常運行提供支撐。站監(jiān)控管理分系統(tǒng)主要包括站控服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、串口服務(wù)器、站控軟件、數(shù)據(jù)庫等。主要負責(zé)對系統(tǒng)進行統(tǒng)一的運行控制與集中管理，協(xié)調(diào)各個分系統(tǒng)共同完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)。

2 基于AHP的業(yè)務(wù)能力評估指標體系設(shè)計

隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的極具增加，針對于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的地面系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備種類繁多，各型號衛(wèi)星的跟蹤接收任務(wù)共用一套地面接收系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部資源呈現(xiàn)共享狀態(tài)。因此系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估指標體系的建立并不是簡單的將系統(tǒng)中各個離散的指標因素進行疊加、組合，而是根據(jù)衛(wèi)星對地面資源的需求以及系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系來確定指標因素的重要性、權(quán)重和指標因素層級關(guān)系，建立一套分層的業(yè)務(wù)能力評估指標體系。

層次分析法(AHP,analytic hierarchy process)，是20世紀70年代初，美國運籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂提出的一種將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的決策方法。本文結(jié)合遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)特點，借鑒AHP的分層決策思想，建立多層次的遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估指標體系。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)由眾多子系統(tǒng)組成，且各子系統(tǒng)間存在多種關(guān)聯(lián)關(guān)系，是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)。本文從系統(tǒng)工程思想出發(fā)，采用體系架構(gòu)分析方法構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力模型，進而分析提取業(yè)務(wù)能力評估指標。

影響系統(tǒng)能力的指標存在多種類型，各類指標對于系統(tǒng)接收能力的應(yīng)用權(quán)重也不同，需要建立基于某型號衛(wèi)星地面系統(tǒng)接收能力的評估指標體系，來實現(xiàn)系統(tǒng)對該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收能力的評估。影響系統(tǒng)能力的設(shè)備類型包括：天線、信道設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器、測試設(shè)備、儀器設(shè)備、技術(shù)支持設(shè)備等，各類設(shè)備又包含了多個影響設(shè)備狀態(tài)的模塊。能力評估系統(tǒng)獲取接收設(shè)備上報的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評估系統(tǒng)資源中各設(shè)備類型的功能狀態(tài)及可用數(shù)量；結(jié)合衛(wèi)星跟蹤接收所需最低資源指標，評估當前系統(tǒng)接收業(yè)務(wù)能力的狀態(tài)；根據(jù)衛(wèi)星資源需求以及系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，提取系統(tǒng)關(guān)鍵指標因素，建立能力評估系統(tǒng)指標體系。該指標體系可分為四層，單因素為系統(tǒng)底層因素能夠通過系統(tǒng)采集獲取因素數(shù)據(jù)；一級因素為單因素按照單機屬性劃分的單因素的集合，二級因素為一級因素按照設(shè)備、功能類型屬性劃分一級因素的集合，三級因素為二級因素按照衛(wèi)星資源需求屬性劃分的二級因素的集合，遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估體系分層結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

3 系統(tǒng)能力評估模型

3.1 系統(tǒng)單機狀態(tài)評估模型

1)根據(jù)系統(tǒng)可收集的所有影響系統(tǒng)單機狀態(tài)的因素，建立系統(tǒng)單機狀態(tài)單因素集

U

={

u

，

u

，…，

u

}，此因素對應(yīng)評估指標體系中的底層單因素，能夠通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)所有因素的采集工作；2)根據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估指標體系，將所有的單因素按照單機歸屬屬性劃分成

s

個因素子集

U

={

U

1，

U

2，…，

U

}，

i

=1,2,…,

s

，此因素對應(yīng)評估指標體系中的一級因素，表示系統(tǒng)單機狀態(tài)；3)根據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估指標體系，將所有的一級因素按照設(shè)備種類屬性劃分成

t

個因素子集

UU

={

UU

1，

UU

2，…，

UU

},

k

=1,2,…,

t

，此因素對應(yīng)評估指標體系中的二級因素；4)為系統(tǒng)單機狀態(tài)因素建立因素評判等級集，對于每一個因素

U

建立因素評判等級集

V

={

v

,

v

,

v

,

v

}={好，較好，一般，差}={0.95，0.85，0.65，0.125}，其中，“好”∈[0.9,1.0]，“較好”∈[0.8,0.9)，“一般”∈[0.5,0.8)，“差”∈[0,0.5)。5)根據(jù)因素評判等級集，算出一級因素內(nèi)各單因素的評判等級，其模糊關(guān)系評判矩陣為：

(1)

其中:(

r

1,…,

r

4)為一級因素

U

中第一個單因素對應(yīng)的評判等級集，是專家對該單因素根據(jù)歷史經(jīng)驗和測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出的該單因素的指標模糊向量。6)對于每一個一級因素

U

建立其中各單因素相對于

V

的權(quán)重分配為：={

a

1,

a

2…,

a

1},

i

=1,2,…,

s

其中:

a

1+

a

2+…+

a

1=1。單因素的權(quán)重分配根據(jù)歷史經(jīng)驗及設(shè)備廠商提供的設(shè)備測試結(jié)果確定。

7)算出一級因素的模糊關(guān)系評判向量：

=·={

b

1,

b

,2,…,

b

4},

i

=1,2,…,

s

(2)

8)結(jié)合因素評判等級集

V

以及計算出的一級因素模糊關(guān)系評判向量

B

，確定一級因素

U

的能力狀態(tài)評分：

(3)

C

反映系統(tǒng)第

i

個一級因素的單機狀態(tài)評分。9)計算各個二級因素

UU

的狀態(tài)評分：

(4)

其中:

p

為在二級因素

UU

中狀態(tài)為“好”、“較好”、“一般”的一級因素數(shù)量之和。

3.2 業(yè)務(wù)能力評估模型

由于各類型號的衛(wèi)星對于接收系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力需求不一致，需要結(jié)合衛(wèi)星的接收資源需求和當前接收系統(tǒng)已有的資源總量，建立針對某顆衛(wèi)星的地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估模型。衛(wèi)星的接收資源需求集合即為對接收系統(tǒng)內(nèi)部分二級因素資源需求的集合。

1)確定業(yè)務(wù)能力評判等級集

W

={

w

,

w

,

w

,

w

}={優(yōu)，良，中，差}={0.99,0.9,0.5,0.1}，其中，“優(yōu)”∈[0.99,1.0]，表示系統(tǒng)所有資源狀態(tài)好，能夠完成該衛(wèi)星的接收業(yè)務(wù)，針對某衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力為優(yōu)；“良”∈[0.9,0.99)，表示系統(tǒng)中存在非衛(wèi)星需求類資源故障現(xiàn)象，但不影響系統(tǒng)對于該衛(wèi)星的接收業(yè)務(wù)，針對某衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力為良；“中”∈[0.5，0.9)，表示系統(tǒng)中存在衛(wèi)星需求類資源故障現(xiàn)象，但剩余衛(wèi)星需求類資源能夠支持系統(tǒng)完成對于該衛(wèi)星的接收業(yè)務(wù)，針對某衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力為中；“差”∈[0,0.5)，表示系統(tǒng)中存在衛(wèi)星需求類資源故障現(xiàn)象，且剩余衛(wèi)星需求類資源無法支持系統(tǒng)完成對于該衛(wèi)星的接收業(yè)務(wù)，針對某衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力為差。2)根據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估指標體系，將所有的二級因素按照衛(wèi)星資源需求屬性劃分成2個三級因素子集

G

={

G

,

G

}={衛(wèi)星資源類，非衛(wèi)星資源類}，其中，

G

中包含所有完成衛(wèi)星接收業(yè)務(wù)必須的二級因素

UU

，

G

中包含所有完成衛(wèi)星接收業(yè)務(wù)非必須的二級因素

UU

-1；建立三級因素評判等級集

X

={

x

,

x

,

x

,

x

}={好，較好，一般，差}={0.9，0.8，0.5，0}，其中，“好”∈[0.9,1.0]，“較好”∈[0.8,0.9)，“一般”∈[0.5,0.8)，“差”∈[0,0.5)；3)確定衛(wèi)星資源類

G

的評判系數(shù)：

α

=1,以及非衛(wèi)星資源類

G

的評判系數(shù)

β

=0.027。三級因素的評判系數(shù)根據(jù)專家的技術(shù)分析結(jié)果確定。4)建立衛(wèi)星資源需求集

M

={

m

,

m

…,

m

},

l

=1,2…,且

l

=

t

，其中，

m

對應(yīng)二級因素

UU

的資源需求數(shù)量；建立系統(tǒng)資源總量集

Z

={

z

,

z

,…,

z

,

z

},

k

=1,2,…,

t

，其中，

z

為系統(tǒng)內(nèi)第

k

個二級因素的資源總量；5)根據(jù)衛(wèi)星資源需求和系統(tǒng)資源總量，計算各類二級因素

UU

狀態(tài)的評判等級集

Y

={

y

1,

y

2,

y

3,

y

4}={好，較好，一般，差}={0

.

9，0

.

8，0

.

5，0}，

k

=1,2,…,

t

：

6)確定二級因素

UU

評判指標系數(shù)：

ε

={

ε

,

ε

,…,

ε

}={1,2,3,5}；7)結(jié)合二級因素

UU

的狀態(tài)評分，確定各個二級因素的評判等級指標

y

，以及相應(yīng)的評判指標系數(shù)，得到二級因素的評判指標集

Y

={

y

,

y

,…,

y

}，以及評判指標系數(shù)集

ε

={

ε

,

ε

,…,

ε

}；其中，

k

=1,2,…,

l

對應(yīng)的

y

分別對應(yīng)

UU

的評判指標，

ε

分別對應(yīng)

UU

的評判指標系數(shù)；8)計算三級因素

G

的能力狀態(tài)值：

(5)

其中:

k

=1,2,…

l

9)計算三級因素

G

的能力狀態(tài)值：

(6)

其中:

k

=

l

,(

l

+1),…,

t

10)結(jié)合三級因素評判等級集

X

和能力狀態(tài)值，確定

G

、

G

的評判等級指標為

θ

、

θ

；

11)計算針對于該衛(wèi)星的系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力值：

F

=

α

·

θ

+

β

·

θ

(7)

4 實例分析

4.1 系統(tǒng)組成

本文以某遙感地面接收地面站的接收系統(tǒng)為例，對該系統(tǒng)是否能夠接收某新型號衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力進行評估。在發(fā)射某新型號衛(wèi)星之前，地面接收系統(tǒng)的管理人員使用業(yè)務(wù)能力評估方法，對當前系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力狀態(tài)能否滿足新衛(wèi)星的接入進行評判，并得出當前系統(tǒng)對于該新衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力等級。若能力等級較低，則表明該系統(tǒng)不具備新衛(wèi)星的接入能力。此時通過系統(tǒng)能力評估模型的判斷，給出影響新衛(wèi)星接入的主要因素，以便系統(tǒng)管理人員能夠精準的完善系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力，實現(xiàn)該新型號衛(wèi)星的快速接入。

地面接收系統(tǒng)的設(shè)備組成如表1所示。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備組成及衛(wèi)星需求數(shù)據(jù)，列舉影響系統(tǒng)對于該衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力的因素，如表2所示。

4.2 業(yè)務(wù)能力評估

根據(jù)當前系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估指標體系，建立系統(tǒng)因素集：

1)系統(tǒng)單因素集

U

={

u

,

u

,…,

u

}，其中

u

為系統(tǒng)可監(jiān)控的所有設(shè)備的關(guān)鍵模塊狀態(tài)；例如，電源模塊、光功率模塊、解調(diào)模塊等，由于系統(tǒng)監(jiān)測點眾多，此處不

表1 系統(tǒng)設(shè)備組成列表

再一一列舉；

2)系統(tǒng)一級因素集

U

={

U

1,

U

2,…,

U

}為系統(tǒng)各個單機狀態(tài)，其中

U

為各個一級因素包含的單因素；一級因素包含：X下變頻器1、測試上變頻器1、室內(nèi)X接收光端機1、室內(nèi)X發(fā)射光端機1、解調(diào)器1、調(diào)制器等，由于系統(tǒng)單機眾多，此處不再一一列舉；

表2 業(yè)務(wù)能力影響因素

3)系統(tǒng)二級因素集

UU

={

UU

1,

UU

2,…,

UU

}為系統(tǒng)各個設(shè)備類型狀態(tài)，其中

UU

為各個二級因素包含的一級因素；二級因素包含：X天線類、X下變頻器類、室內(nèi)X接收光端機類、解調(diào)器類等，此處不再一一列舉；4)系統(tǒng)三級因素集

G

G

,

G

}為系統(tǒng)資源能力狀態(tài)，其中

G

為各個三級因素中包含的二級因素；三級因素包含：衛(wèi)星資源類和非衛(wèi)星資源類；

由于系統(tǒng)過于龐大，設(shè)備種類繁多，此處以X下變頻器設(shè)備為例進行分析，其他設(shè)備認為狀態(tài)均為“好”。

5)各層級因素評判因素及單因素評判值確定：X下變頻器設(shè)備各級因素權(quán)重及單因素評判值列舉如表3所示。

表3 X下變頻器設(shè)備各級因素權(quán)重及單因素評判值

6)按照表3的統(tǒng)計結(jié)果，基于模糊關(guān)系矩陣計算一級因素能力評分：

C

={0.822,0.497,0.753,0.913,0.913,0.913,0.913,0.913,0.913,0.913}；7)計算二級因素“X下變頻器類”狀態(tài)評分：

D

=0.9；8)該衛(wèi)星對于此資源因素的需求數(shù)量為

m

=4，系統(tǒng)資源總數(shù)量

z

=10，計算二級因素“X下變頻器類”評判等級集：

Y

={好，較好，一般，差}={0.9，0.8，0.5，0}，其中，“好”∈(0.9,1.0]，“較好”∈[0.5,0.9]，“一般”∈[0.4,0.5)，“差”∈[0,0.4)；9)確定二級因素“X下變頻器類”的評判等級為“較好”，評判值

y

=0.8，評判指標系數(shù)為2；其他二級因素評判等級均為“好”，評判值為0.9，評判指標系數(shù)為1；10)確定三級因素

G

的評判等級值為

θ

=0

.

875，三級因素

G

的評判等級值為

θ

=0

.

9；

11)計算針對于該衛(wèi)星的系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力值：

F

=

α

·

θ

+

β

·

θ

=0

.

89 93

4.3 業(yè)務(wù)能力評估結(jié)果分析

基于定義的評判標準，可以看出，該地面接收系統(tǒng)當前對于該衛(wèi)星的跟蹤接收業(yè)務(wù)能力為“中”的水平，表明系統(tǒng)中存在該衛(wèi)星跟蹤接收需求的資源出現(xiàn)了部分故障，即故障資源為“X下變頻器2”，但其余的資源能夠支持地面接收系統(tǒng)完成該衛(wèi)星的接收業(yè)務(wù)。在系統(tǒng)實際運行中，此結(jié)果與系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力一致，該方法及模型能夠有效的評估當前系統(tǒng)對于一顆衛(wèi)星的跟蹤接收業(yè)務(wù)能力狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文首先借鑒AHP的描述方法對遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)進行系統(tǒng)研究及分析，提煉出影響系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力狀態(tài)的關(guān)鍵因素，建立了遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收業(yè)務(wù)能力評估指標體系，然后，結(jié)合遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的特點，以接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地面系統(tǒng)為評估對象，設(shè)計了一套遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力評估模型，并通過遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的實例應(yīng)用驗證了模型的可行性，結(jié)果表明，本文論述的評估方法能夠快速評估系統(tǒng)當前狀態(tài)對新接入衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力，定位系統(tǒng)故障對新接入衛(wèi)星業(yè)務(wù)能力的影響，為系統(tǒng)接入衛(wèi)星的能力優(yōu)化提供改進方向。同時，使用該方法也能夠評估系統(tǒng)當前狀態(tài)對系統(tǒng)內(nèi)已接入的衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力，對遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收業(yè)務(wù)能力的評估及系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化具有一定的參考價值。舉一反三，該方法同樣能夠擴展應(yīng)用于測控數(shù)傳一體化地面系統(tǒng)中進行系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力的評估。