一種天基信息支援測控保障能力快速評估方法

張國云，王大鵬，韓海濤，陳慶亞，王鼎蔚，任鵬飛

（航天器在軌故障診斷與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710043）

引言

當(dāng)前，越來越多的國家或國際突發(fā)性、緊急性的軍民活動，對天基信息支援時效性要求不斷增強(qiáng)[1?4]。天基信息支援從任務(wù)規(guī)劃開始，經(jīng)過測控（Telemetry,Tracking,and Command,TT&C）資源調(diào)度、航天器載荷指令上注、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€過程完成信息獲取，整個流程要求在小時級甚至分鐘級時限內(nèi)完成，任務(wù)窗口縮短至近乎實(shí)時。航天器載荷指令上注是整個任務(wù)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，低軌航天器測控弧段通常只有10 分鐘左右，除去地面裝備建立星地間穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間，有效上注時間更短，所以載荷指令上注往往是任務(wù)實(shí)施中風(fēng)險(xiǎn)較大的環(huán)節(jié)，需要加強(qiáng)保障。因此，任務(wù)實(shí)施前對航天器運(yùn)行狀態(tài)及地面測控保障系統(tǒng)能力進(jìn)行快速評估，顯得十分必要。由于評估過程對時效性要求較高，那么就要盡可能地簡潔高效，概略且及時的評估結(jié)論比準(zhǔn)確但延滯的結(jié)果更有助益[5?7]。

天基信息支援下測控保障能力快速評估一般包括航天器健康狀態(tài)評估、測控裝備保障能力評估兩方面。航天器健康狀態(tài)評估方面，劉帆等人[8]已建立天基信息支援前航天器平臺重點(diǎn)參數(shù)狀態(tài)評估，實(shí)現(xiàn)了健康狀態(tài)評估報(bào)告自動生成和快速推送，可輔助操作員快速研判得出載荷健康的評估結(jié)論，進(jìn)而支持決策活動。測控裝備保障能力評估方面，當(dāng)前研究主要集中于裝備自身測控保障能力的評估，包括測控裝備健康評估和抗干擾能力評估等方面[9,10]。而在任務(wù)層面，結(jié)合天基信息支援任務(wù)特點(diǎn)，以及影響任務(wù)執(zhí)行的因素，對測控保障能力評估的研究還相對欠缺，缺乏快速評估方法與工具支持，難以得出定量結(jié)論與決策建議，使得測控流程環(huán)節(jié)難以提供快速、高效、靈活的保障，一定程度上降低了測控執(zhí)行效率和成功率。評估方法方面，歸一化的量化結(jié)果可以綜合反映多因素的綜合影響[11]，可用于測控保障能力快速評估。

本文綜合航天器狀態(tài)、航天器參與度、測控裝備參與度、測控裝備任務(wù)表現(xiàn)、測控窗口滿足度、數(shù)據(jù)注入完成度等因素，通過合理確定各因素權(quán)值，建立了測控保障能力評估歸一化參數(shù)，為天基信息支援決策提供了支撐。

1 天基信息支援測控保障特點(diǎn)及流程

1.1 測控保障特點(diǎn)

天基信息支援下測控支持主要表現(xiàn)出時效性要求高、制約因素多、邏輯約束強(qiáng)、流程環(huán)節(jié)多等顯著特征[12?14]。

①時效性要求高。由于事件突發(fā)性強(qiáng)，導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行緊急，從受領(lǐng)任務(wù)到測控保障實(shí)施，要求在很短時間內(nèi)完成。

②制約因素多。受限于航天器工作模式、星上載荷工作狀態(tài)、存儲容量、能源管理等多約束條件，測控保障實(shí)施難度大。

③邏輯約束強(qiáng)。載荷控制指令存在關(guān)聯(lián)塊和獨(dú)立塊，即多個觀測任務(wù)之間存在先后關(guān)系或互斥關(guān)系；星載內(nèi)存清除和數(shù)據(jù)上注有時限要求等。

④流程環(huán)節(jié)多。測控全流程包括需求受理及信息解析、資源分析調(diào)配、測控支持能力分析、任務(wù)環(huán)境建立、多約束條件遙控作業(yè)編制、載荷指令注入、故障預(yù)案制定等一系列動作。

1.2 測控保障流程

天基信息支援下測控保障流程主要有測控需求信息快速獲取、資源快速調(diào)配、測控裝備保障能力快速評估、測控環(huán)境快速建立、載荷控制指令快速上注等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。

圖1 天基信息支援下測控流程Fig.1 TT&C process of space-based information support action

考慮到天基信息支援下測控保障特點(diǎn)，通?？赏ㄟ^優(yōu)化航天器和測站資源調(diào)度流程、消解任務(wù)沖突、建立不間斷運(yùn)行任務(wù)環(huán)境、提高載荷控制指令上注效率等一系列動作實(shí)現(xiàn)測控需求快速響應(yīng)。

2 測控保障能力快速評估方法

基于歷次天基信息支援下測控實(shí)踐總結(jié)，依據(jù)時序和事件邏輯匹配一致性原則，將整個評估流程拆解為5 個步驟?；? 個步驟，確定了評估實(shí)施過程，設(shè)計(jì)了評估層級結(jié)構(gòu)模型，提出了評估方法。評估方法中，先確定了評估指標(biāo)，評估指標(biāo)分為時間維度和空間維度，其中時間維度參數(shù)約束最強(qiáng)，是任務(wù)是否可開展的前提，需要重點(diǎn)評估，而后確定了評估標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 快速評估流程建立

整個評估流程整體劃分為5個步驟，見表1。5個步驟按照匹配測控時間窗口、確定評估窗口和框架、制定評估指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)、分析處理數(shù)據(jù)和評估結(jié)論4類事件遞進(jìn)展開。

表1 天基信息支援下測控保障能力快速評估流程Table 1 Rapid evaluation process of TT&C support capabilities in space-based information support

2.2 快速評估實(shí)施過程

測控保障時間約束主要與3 個時間參數(shù)有關(guān)，即星載內(nèi)存清除最早時間、星載內(nèi)存清除最晚時間和載荷控制指令上注最晚時間。當(dāng)測控資源滿足時間約束匹配成功且載荷控制指令確定后，按照評估流程，開展后續(xù)評估，得出航天裝備測控能力評估結(jié)果，為本次任務(wù)開展提供決策。

2.2.1 評估框架模型及方法確定

天基信息支援下測控保障形成的歷史測控?cái)?shù)據(jù)可服務(wù)于尚未開展待規(guī)劃的任務(wù)，對制定形成指揮決策的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用[15,16]。當(dāng)前工程化評估理論和工具尚未廣泛應(yīng)用于天基信息支援活動，本文從利于評估開展和實(shí)踐的角度，采用層次分析法[17?19]，建立的評估層級結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。各指標(biāo)描述可基于量化或非量化狀態(tài)描述的歷史測控?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)評估方法獲得。

圖2 天基信息支援下測控保障能力評估層級結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Evaluation hierarchy model of space-based information support capabilities

2.2.2 評估指標(biāo)

在天基信息支援任務(wù)執(zhí)行期間，隨著任務(wù)進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，任務(wù)實(shí)施節(jié)奏會逐漸加快，該特殊條件下難以全面對各類指標(biāo)進(jìn)行信息采集與評估，因此需要重點(diǎn)分析對任務(wù)參考價值大、易使用、信息精簡的關(guān)鍵評估指標(biāo)，使評估工作高效順利進(jìn)行。根據(jù)這一特征要求，結(jié)合天基信息支援下測控保障特點(diǎn)，采用獨(dú)立性原則，評估指標(biāo)主要包括兩方面：

①時間維度指標(biāo)，用于表征任務(wù)實(shí)施在時限方面的要求，判定任務(wù)能否按計(jì)劃時間節(jié)點(diǎn)逐步完成；

②空間維度指標(biāo)，表征歷次天基信息支援任務(wù)中航天裝備參與次數(shù)、實(shí)際表現(xiàn)、執(zhí)行情況及原因等內(nèi)容，該類指標(biāo)對待規(guī)劃任務(wù)的實(shí)施策略制定、情況研判有重要指導(dǎo)意義。

按照測控保障流程環(huán)節(jié)劃分，天基信息支援下測控保障包含的執(zhí)行類時間參數(shù)主要有4項(xiàng)：

①全向中繼測控遙測下傳時長TZJCYC，指從盲發(fā)打開中繼測控發(fā)射機(jī)第1條指令至地面收到下傳遙測的時間。

②全向中繼測控遙測停傳時長TZJTYC，指從發(fā)送關(guān)閉中繼測控發(fā)射機(jī)第1條指令至地面未收到星上下傳遙測的時間。

③航天器健康狀態(tài)檢查時長TJKJC，指地面收到遙測至關(guān)鍵分系統(tǒng)重要參數(shù)判讀完成所需的時間。

④星載內(nèi)存清除時長TNCQC，指星載內(nèi)存清除指令發(fā)出至完成清除內(nèi)容所需的時間。

根據(jù)以上，天基信息支援下測控保障主要時間約束量各執(zhí)行時間可量化為：

①單塊數(shù)據(jù)注入平均耗時tks，表示每塊載荷數(shù)據(jù)注入平均用時，表達(dá)式為：

式中：ti為每塊數(shù)據(jù)上注用時，NSJKS為注入數(shù)據(jù)塊總數(shù)。

②測控窗口時長NSJKS，表示測控裝備可跟蹤航天器的時間，表達(dá)式為：

式中：TGZJS為跟蹤結(jié)束時刻，TGZKS為跟蹤開始時刻。

③數(shù)據(jù)上注最長耗時Tmax，表示歷史測控保障中單次上注的最多數(shù)據(jù)塊數(shù)與單塊數(shù)據(jù)注入平均耗時的乘積：

式中:Tmax為注數(shù)最大耗時，nmax為歷史最大數(shù)據(jù)注入量。

根據(jù)上述時間參數(shù)，可以得到天基信息支援下測控保障載荷控制指令上注的預(yù)估時長tyg為：

式中：n表示本次待注入數(shù)據(jù)塊數(shù)。值得注意的是，其中星載內(nèi)存清除耗時對于部分航天器只有在有星載內(nèi)存清除要求的情況下才考慮；全向中繼測控遙測下傳時長、全向中繼測控遙測停傳時長僅適用于中繼測控的情況。

為保證任務(wù)順利實(shí)施，在時間關(guān)系上需要滿足載荷控制指令上注預(yù)估時長小于測控跟蹤窗口時長（tyg＜tck），該條件是測控保障成功執(zhí)行的前提條件，此指標(biāo)記為C1。實(shí)際運(yùn)行時，tyg、tck由系統(tǒng)在信息庫中數(shù)據(jù)分析得到，自動判定?？臻g維度評估指標(biāo)有以下5項(xiàng)：

①航天器狀態(tài)C2，指在軌運(yùn)行航天器各分系統(tǒng)健康狀態(tài)。

②航天器參與度C3，指航天器參與天基信息支援任務(wù)的歷史次數(shù)、成功率等。

③測控裝備參與度C4，指航天測控裝備參與天基信息支援任務(wù)的次數(shù)、成功率等。

④測控裝備任務(wù)表現(xiàn)C5，指測控裝備系統(tǒng)捕獲速度、跟蹤穩(wěn)定性、鏈路誤碼率等參數(shù)。

⑤數(shù)據(jù)注入完成率C6，指測控裝備最近5 次參與天基信息支援任務(wù)數(shù)據(jù)注入完成情況。

2.2.3 評估標(biāo)準(zhǔn)

針對時間、空間指標(biāo)內(nèi)容，設(shè)計(jì)形成了評估標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際表現(xiàn)情況將標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ階、Ⅱ階、Ⅲ階三種等級。通過制定評估指標(biāo)及其評估標(biāo)準(zhǔn)，從整體上形成了一套簡潔有效的天基信息支援下測控保障能力評估框架。其中，航天器健康狀態(tài)分?jǐn)?shù)采用綜合分值表征，是依據(jù)在軌長期運(yùn)行及管理要求，由管理人員根據(jù)在軌運(yùn)行遙測數(shù)據(jù)綜合航天器測控、電源、控制、熱控、載荷等分系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)加權(quán)得到[20]。

為快速直觀反映測控保障能力，采用歸一化結(jié)果，每個指標(biāo)按百分制，結(jié)合其權(quán)值得出。由于測控窗口滿足度C1、航天器健康狀態(tài)C2對任務(wù)成敗具有決定作用，設(shè)置為整個結(jié)果修正因子W1、W2，取值為0、0.85、1 分別表示完全不滿足、基本滿足、完全滿足。航天器參與度C3、測控裝備參與度C4為客觀間接指標(biāo)，測控裝備任務(wù)表現(xiàn)C5、數(shù)據(jù)注入完成率C6為直接指標(biāo)，權(quán)值大小采用綜合賦值法，在主要參考各指標(biāo)在歷史任務(wù)中異常所占比率的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家意見得出。權(quán)向量W可表示為：

綜合以上，測控保障能力綜合評分C計(jì)算公式為：

各指標(biāo)及對應(yīng)的具體量化標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，其中，測控裝備任務(wù)表現(xiàn)C5需遙控穩(wěn)定鎖定耗時t秒（地基：0

表2 天基信息支援下測控保障能力評估標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standards of TT&C support capabilities in space-based information support

因而，地基測控裝備任務(wù)表現(xiàn)C5可表示為：

對于天基測控裝備任務(wù)表現(xiàn)C5可表示為：

通過表2中量化指標(biāo)計(jì)算，可以計(jì)算出歸一化的測控保障能力評估值C。按照設(shè)定的各階標(biāo)準(zhǔn)，總體上，C=0 時，應(yīng)暫停任務(wù)；C＜80 分時，謹(jǐn)慎開展，C＞80分時，正常開展。

2.3 評估結(jié)論及建議

在確定評估指標(biāo)后，通過地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息庫，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)評估法，系統(tǒng)可自動、快速輸出各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以支持操控人員決策，在得到綜合歸一化的評估結(jié)果之后，還需輸出每種標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的處置建議[21]，為地面操控人員活動提供具體依據(jù)，評估決策建議見表3。每個指標(biāo)處置建議分為“暫停任務(wù)”“謹(jǐn)慎開展”和“正常開展”3 個等級，結(jié)合具體評估指標(biāo)包含有更加詳細(xì)的操作建議。

表3 天基信息支援下測控保障能力評估決策建議Table 3 Suggestions to decision-making of TT&C support capabilities in space-based information support

3 評估應(yīng)用實(shí)例

以想定天基信息支援下測控保障任務(wù)為輸入，以實(shí)際例行軌道數(shù)據(jù)代替載荷控制指令，基于天地基測控裝備開展保障能力評估活動。對歷史測控保障任務(wù)中產(chǎn)生的測控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行快速挖掘分析，對照表2 和表3 制定的標(biāo)準(zhǔn)，形成基于某次地基測控裝備的測控保障能力評估及對應(yīng)處置建議。W1=0.85；W2=1；（C3,C4,C5,C6）=（84,100,87.69,100）

根據(jù)公式（1），可得C=79.82，說明本次任務(wù)整體上可謹(jǐn)慎開展，具體實(shí)施建議見表4。

表4 天基信息支援下測控保障能力評估結(jié)果Table 4 Evaluation results of TT&C support capabilities in space-based information support

根據(jù)本次實(shí)例評估結(jié)果，此次任務(wù)可以開展實(shí)施。但由于航天器近期參與任務(wù)頻度較低，可靠性和適應(yīng)性未得到充分驗(yàn)證，同時地面測站系統(tǒng)捕獲速度比理想狀態(tài)略慢，有一定誤碼率，因此在執(zhí)行任務(wù)期間需要密切關(guān)注航天器和測站狀態(tài)，及時響應(yīng)異常。此外，單測站不滿足數(shù)據(jù)上注預(yù)估時間，為保證任務(wù)可靠完成，需要提前安排雙站接力跟蹤，延長測控時間窗口，提高數(shù)據(jù)上注成功率，若不能安排雙測站接力跟蹤，則需要告知用戶數(shù)據(jù)注入存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需要謹(jǐn)慎開展。

4 結(jié)束語

天基信息支援下測控保障能力快速評估中，采用層次分析法建立了評估層級結(jié)構(gòu)模型、評價指標(biāo)。為快速直觀反映測控保障能力，采取加權(quán)疊加算法對各指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，每個指標(biāo)按照百分制，權(quán)值大小采用綜合賦值法，在主要參考各指標(biāo)在歷史任務(wù)失敗原因所占比率的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家意見得出。實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的方法可快速完成測控保障能力評估，并提供對應(yīng)的處置決策建議，為天基信息支援輔助決策提供依據(jù)。下一步主要工作為基于歷史測控?cái)?shù)據(jù)，建立智能系統(tǒng)，得出更加詳細(xì)的評估結(jié)論及建議。

同時，為更直觀表示評估結(jié)果，評估系統(tǒng)除了輸出綜合分?jǐn)?shù)及建議外，還輸出能力雷達(dá)圖，可視化顯示每項(xiàng)指標(biāo)評估情況，對評估指標(biāo)的消漲情況，一目了然，輔助地面操控人員快速決策與應(yīng)對。測控保障能力評估雷達(dá)圖如圖3所示。

圖3 測控保障能力評估雷達(dá)圖Fig.3 Evaluation radar chart of TT&C support capabilities