一種航天測控系統(tǒng)可靠性定量化計算方法

李 瑭，王志生，楊 洋，王紹山

（北京跟蹤與通信技術研究所 北京 100094）

引 言

航天測控系統(tǒng)是對航天器飛行進行跟蹤測量、對工作狀態(tài)進行監(jiān)視與控制的技術系統(tǒng)[1]，是天地聯(lián)系的唯一手段。在載人航天任務中，系統(tǒng)還提供天地話音、圖像和應用數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，被稱為測控通信系統(tǒng)。因此，在航天任務中，測控系統(tǒng)的可靠運轉是航天器正常運行和航天員安全的重要保障，對系統(tǒng)可靠性的定量分析是實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化設計的重要依據(jù)，尤其是在航天器和航天員長期在軌工作階段，可靠性定量化分析結果可直接指導測控通信資源配置。

航天測控系統(tǒng)本質上屬于多階段任務系統(tǒng)PMS[2]。從上世紀以來，國內外學者對PMS 提出了經(jīng)典的可靠性求解算法[3-6]，但是，關于航天測控系統(tǒng)的可靠性研究的相關成果較少，現(xiàn)有研究成果主要是基于經(jīng)典的可靠性計算理論進行的。

Jeff B.Berried 指出了研究測控網(wǎng)可靠性的必要性，以及單元可靠性對系統(tǒng)可靠性的影響[7]，但并未對可靠性評價方法進行論述。南加州噴氣推進實驗室使用可靠性框圖模型和仿真方法，建立了美國國家航空航天局的SIM（Space Interferometry Mission）任務的可靠模型[8]。Erdem Demircioglu 等對航天測控系統(tǒng)的可靠性進行了分析[9]，仿真建立了航天測控系統(tǒng)可靠性指標曲線，用于優(yōu)化系統(tǒng)結構。文獻[10]介紹了串、并、混聯(lián)、備份等經(jīng)典的系統(tǒng)可靠性分析技術。高薇等運用故障樹分析方法對航天測控系統(tǒng)中的應急通信網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了基本可靠性計算[11]。馬順南等深入研究了測控系統(tǒng)的可靠性計算框架[12]，按照不同的測控業(yè)務建立可靠性原理框圖，通過Bayes 模型計算整個系統(tǒng)的可靠性。

分析表明，上述方法均為近似描述航天測控系統(tǒng)，未全面反映系統(tǒng)的特點。因此，可靠性定量化準確計算成為長期以來困擾測控系統(tǒng)的難題。本文提出了基于Markov 模型的航天測控系統(tǒng)可靠性計算方法，借鑒Markov 鏈描述航天測控系統(tǒng)可靠性階段內狀態(tài)轉移過程；綜合利用全概率思想進行階段間狀態(tài)映射，體現(xiàn)階段間的依賴性；最后通過與蒙特卡洛仿真結果的比對，驗證Markov 方法的準確性。

1 航天測控系統(tǒng)可靠性計算難點

航天測控系統(tǒng)由多個任務中心、分布在國內外的地面測控站、航行在海上的測量船、接近全球覆蓋的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以及地面通信網(wǎng)組成。在可靠性方面，航天測控系統(tǒng)的特點包括動態(tài)性、復雜性、可維修性、階段間相關性等。

①動態(tài)性：中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、地面測控站分布于不同的地理位置，各測控資源為航天器提供服務的時間有所不同，因此不同時間段內系統(tǒng)的參試結構和組成不同，呈現(xiàn)動態(tài)變化。

② 復雜性：系統(tǒng)執(zhí)行任務的環(huán)節(jié)包括任務中心、通信網(wǎng)、測控設備等，測控設備可提供多種的服務，不同的服務之間使用的通信方式、涉及的任務中心不完全相同，因此系統(tǒng)的邏輯結構并非簡單的串聯(lián)、并聯(lián)等，呈現(xiàn)復雜性。

③可維修性：測控設備、通信設備、任務中心均設計為可修復產(chǎn)品，出現(xiàn)故障后可在一定時間內修復。

④ 階段間相關性：執(zhí)行航天任務時，存在同一設備參與多個任務階段（或圈次）的情況，各時段間并非統(tǒng)計獨立的關系，存在相關性和依賴性。

在可靠性計算過程中，必須要真實反映上述特點，計算的結果才具有較高的可信度。通過分析現(xiàn)有經(jīng)典可靠性計算模型的適用性，串、并聯(lián)等方法均不適用于測控系統(tǒng)工作場景。

2 基于Markov 模型和全概率思想的系統(tǒng)可靠性計算方法

航天測控系統(tǒng)本質上是一個具有多個任務階段的動態(tài)結構系統(tǒng)，系統(tǒng)由多個單元組成，在執(zhí)行不同階段的任務時，參試的單元不盡相同，各單元間的邏輯結構也有所不同，同時，各階段間還存在著一定的相關性。

基于Markov 模型和全概率思想的航天測控系統(tǒng)可靠性計算的主要思路是，按系統(tǒng)參試結構是否變化分別處理，參試結構固定時以Markov 思想進行狀態(tài)轉移，在每一個任務階段分別建立各自的Markov模型，利用狀態(tài)轉移矩陣表示各參試單元在正常與故障之間的變化；當系統(tǒng)結構變化時以全概率思想將前一階段的最終狀態(tài)映射為下階段的初態(tài)。依次對各階段的任務可靠性進行遞推求解，即得到全過程的任務可靠性。

2.1 階段內Markov 模型建立與求解方法

設某一階段有m個單元參加任務，每個單元有故障和正常兩種狀態(tài)，建立這些單元的狀態(tài)向量為A=｛A1,A2,…Ai…,Am｝，其中，Ai=1,0分別表示第i個單元正?；蚬收稀個單元參加任務時，微觀狀態(tài)空間S共有個狀態(tài)。記在時刻t系統(tǒng)的狀態(tài)向量為

設起始時刻為0，則根據(jù)可靠性模型，可以利用公式（1）確定狀態(tài)轉移概率關系[13,14]：

其中，P（0）為系統(tǒng)處于X（0）的概率向量。給定第k個任務階段系統(tǒng)的結構函數(shù)為Φ（A），則系統(tǒng)的失效狀態(tài)集為：

設系統(tǒng)在階段初處于各正常狀態(tài)的概率向量為 [p1,p2...pn]，任務時間為t，則階段末的任務可靠度為：

2.2 階段間全概率狀態(tài)映射方法

航天測控系統(tǒng)中，各任務階段間密切相關，且每個階段參試單元數(shù)量不盡相同，因此，不同階段間的系統(tǒng)狀態(tài)一般不能直接映射，而應將后一階段各狀態(tài)的概率初值采用前階段各狀態(tài)概率的全概率函數(shù)表示。需注意的是，因某一階段的吸收態(tài)不會對整個任務可靠性產(chǎn)生貢獻，狀態(tài)映射時不對前一階段末的吸收狀態(tài)進行映射。

由于各階段間是無縫銜接的，所以在階段轉移期間可以認為共用單元的狀態(tài)不會發(fā)生變化。因此，兩個連續(xù)任務弧段間狀態(tài)映射的基本規(guī)則為：當前弧段中狀態(tài)的初始概率值為前一弧段末相同狀態(tài)對應的概率值。由于不同階段的參試單元并不相同，給階段間狀態(tài)匹配增加了復雜度。

系統(tǒng)狀態(tài)可以用一個二進制字符串M=s1s2…表示，其中si對應某個參試單元ui的狀態(tài)。令表示階段k-1(arck-1)中的第i種狀態(tài)，表示階段k(arck)中的第j種狀態(tài)。下面分三種情況進行討論。

情況一：當前任務弧段有新的參試單元加入。

若arck中有新的參試單元加入，由于新單元初始狀態(tài)為正常，因此包含新單元為“0”的狀態(tài)在arck的初始概率為0；對于包含新單元為“1”的狀態(tài)二進制串中新單元的對應位剔除，然后按照上述基本規(guī)則將狀態(tài)，得到arck的初始狀態(tài)概率向量。舉例，設arck-1中的參試單元為u1、u2，arck中的參試單元為u1、u2和新單元u3，則其狀態(tài)映射過程如圖1 所示。

圖1 情況一階段間狀態(tài)映射過程Fig.1 Process of state mapping between stages for case 1

情況二：前一任務弧段的某些參試單元在以后的任務弧段中都不再執(zhí)行任務。

圖2 情況二階段間狀態(tài)映射過程Fig.2 Process of state mapping between stages for case 2

情況三：前一階段的單元在當前階段不參試，但會在后續(xù)階段中再次使用。這種情況下，該單元雖不承擔任務但應保持運行狀態(tài)，可認為該單元在arck中進行正常的狀態(tài)轉移，但不影響任務成敗。因此，arck中的狀態(tài)是包含了對這些單元的描述。舉例，設arck-1中的參試單元為u1、u2和u3，arck中的單元為u1，單元u2和u3在arck中暫不參試，但在以后的任務弧段中還會繼續(xù)使用，則其狀態(tài)映射過程如圖3 所示。

圖3 情況三階段間狀態(tài)映射過程Fig.3 Process of state mapping between stages for case 3

2.3 計算流程

基于Markov 模型的系統(tǒng)可靠性計算流程如圖4 所示。

圖4 基于Markov 模型的可靠性計算流程Fig.4 Flow chart of Markov-based reliability analysis

3 算例分析

為了驗證基于Markov 模型的可靠性計算方法的正確性和有效性，本章將使用該算法和蒙特卡洛仿真法針對同一場景進行可靠性計算，比較二者結果的一致性。蒙特卡洛仿真法的思路是，直接仿真測控系統(tǒng)執(zhí)行任務的過程，根據(jù)各單元的可靠性指標隨機仿真其發(fā)生故障和修復故障的時間，據(jù)此判定任務的成敗，通過大樣本次數(shù)仿真統(tǒng)計得到系統(tǒng)可靠性的近似值。這里的仿真次數(shù)設置為一千萬次，可以證明此時與精確解的近似精度優(yōu)于10-4。

下面以某航天任務關鍵飛行段落為例進行可靠性計算。測控系統(tǒng)需提供軌道測量、遙控與數(shù)據(jù)注入、遙測接收等業(yè)務，上述任務由兩個控制中心、兩個測控站及地面通信網(wǎng)完成，如圖5 所示。

圖5 測控系統(tǒng)布局示意圖Fig.5 Illustration of TT&C system layout

首先，按照本文第2 節(jié)的方法建立任務可靠性模型。第一層次模型按照參加任務的組成單元是否發(fā)生變化切分為三個時段，每個時段相同的部分為兩個任務中心和地面通信網(wǎng)，不同的部分為參試的測控站，t1時段為測站一，t2時段為測站一和測站二，t3時段為測站二，如圖6 所示。

圖6 按時段構建的可靠性模型Fig.6 Reliability model of TT&C system for time stages

以t1時間段為例，給出軌道測量、遙測接收、遙控及數(shù)據(jù)注入任務的可靠性模型。

軌道測量任務由任務中心利用測站一的外測數(shù)據(jù)計算完成。其中，兩個任務中心均具備計算能力，構成并聯(lián)關系；地面通信網(wǎng)由雙路由組成，構成并聯(lián)關系。軌道測量的可靠性模型如圖7 所示。

圖7 軌道測量可靠性模型Fig.7 Reliability model of orbit measurement

遙測接收任務由任務中心處理測站一接收的遙測數(shù)據(jù)完成。其中，僅一個任務中心具備遙測處理能力；測站一具有遙測和數(shù)傳接收能力，數(shù)傳數(shù)據(jù)中也包含遙測數(shù)據(jù)，遙測功能和數(shù)傳功能構成并聯(lián)關系；遙測數(shù)據(jù)利用雙路由向任務中心發(fā)送，數(shù)傳數(shù)據(jù)僅從單路由向任務中心發(fā)送。遙測接收的可靠性模型如圖8 所示。

圖8 遙測接收可靠性模型Fig.8 Reliability model of telemetry receiving

遙控及數(shù)據(jù)注入任務由任務中心通過測站一向航天器發(fā)送上行數(shù)據(jù)完成。其中，僅一個任務中心具備發(fā)送上行數(shù)據(jù)的能力；地面通信網(wǎng)由雙路由組成，構成并聯(lián)關系。遙控及數(shù)據(jù)注入可靠性模型如圖9所示。

圖9 遙控及數(shù)據(jù)注入可靠性模型Fig.9 Reliability model of remote control

t2時段、t3時段內各測控任務可靠性模型可參考t1時段，這里不再贅述。

表1 給出各單元的可靠性參數(shù)；t1、t2、t3三個時段的時長分別是1.5 min、1 min、3 min，對于可靠性模型中的各參試單元，不妨設故障率、修復率服從指數(shù)分布。

表1 單元可靠性參數(shù)Table 1 Reliability of equipment

在已知輸入條件和可靠性模型的基礎上，利用Markov 方法和蒙特卡洛仿真法[15]分別計算可靠性，最終的可靠性計算結果見表2，兩種不同的方法得到結果的一致性較好。由于仿真次數(shù)足夠多，仿真結果偏差可基本忽略，因此兩種方法計算結果的吻合證明了Markov 方法的有效性。需要說明的是，蒙特卡洛仿真法的計算精確度取決于仿真次數(shù)，因此，為獲取較為準確的計算結果需要較大的仿真工作量，對應的計算時間較長；相比之下，Markov 方法屬于解析算法，計算量要小得多，在計算時間方面具有一定優(yōu)勢。

表2 可靠性計算結果Table 2 Result of reliability

4 結束語

本文分析了航天測控系統(tǒng)的特點，建立了系統(tǒng)可靠性模型，提出了基于Markov 模型的精確求解可靠性的理論方法，能夠針對測控通信系統(tǒng)執(zhí)行任務的實際情況進行較為準確的定量化計算。該方法的應用前景主要有兩個方向：一是直接用于當前任務狀態(tài)下系統(tǒng)可靠性評價，指導系統(tǒng)方案設計和資源合理調配，實現(xiàn)資源效益最大化；二是用于指導系統(tǒng)可靠性指標分配，消除系統(tǒng)可靠性短板，為后續(xù)任務系統(tǒng)建設方案論證提供重要參考。