衛(wèi)星全壽命周期效費評價及優(yōu)化方法

摘 要：為設(shè)計低成本、高效能的衛(wèi)星，提出了一種衛(wèi)星全壽命周期效費權(quán)衡優(yōu)化方法，結(jié)合衛(wèi)星不可修、在軌運行中可能存在降級使用等情況，建立了以ADC（availability， dependability， capacity）模型為基礎(chǔ)的全壽命周期效能評估模型，提出了多維度參數(shù)成本模型以評估衛(wèi)星費用，開發(fā)了基于CAIV（cost as an independent variable）方法的效費優(yōu)化模型及求解方法。以遙感衛(wèi)星為例開展應(yīng)用驗證，結(jié)果表明，所提出的方法可實現(xiàn)能力指標(biāo)、可靠性和重量等衛(wèi)星總體設(shè)計指標(biāo)優(yōu)化，為衛(wèi)星方案論證、任務(wù)管理、全壽命周期費用管控等工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：全壽命周期;效能評估;費用評估;效費優(yōu)化

中圖分類號：V423 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.018

Life cycle cost-effectiveness estimation and optimization method for satellite

ZHAO Jianyu1， WANG Jingyan1， CHENG Zhuo1， JIAO Jian2， CHENG Yao1

（1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China;

2. Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract：In order to design satellite with low cost and high effectiveness， an optimization method of life cycle cost-effectiveness for satellites is proposed in this paper. Since most satellites are unrepairable and their performances experience degradation in orbit， a life cycle effectiveness model based on ADC model is constructed. Then， a multidimensional parameter cost model is proposed to estimate the satellite cost. Finally， an optimization model and the solution method are developed by synthesizing the life cycle effectiveness model and the multidimensional parameter cost model based on CAIV. A remote sensing satellite is adopted to demonstrate the proposed method， the result suggests that this method could optimize the performance， reliability and weight indicators of satellite system， which might be applied for project design demonstration， task management， and life cycle cost control of satellites.

Key words：life cycle; effectiveness estimation; cost estimation; cost-effectiveness optimization

衛(wèi)星在推動國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展的作用日益凸顯，更加重視“低成本、高效能”的衛(wèi)星設(shè)計理念，期望以最小的壽命周期費用實現(xiàn)效能最好，越來越注重衛(wèi)星質(zhì)量效益提升。這離不開對衛(wèi)星全壽命周期的效能和費用開展權(quán)衡優(yōu)化。

美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會（WSEIAC）提出，系統(tǒng)效能是預(yù)期一個系統(tǒng)滿足一組特定任務(wù)的程度的度量［1］，可表達為可用性（availability）、可信性（dependability）與固用能力（capacity）的函數(shù)，即ADC模型。其中，可用性反映了系統(tǒng)初始狀態(tài)，可信性反映了系統(tǒng)正常執(zhí)行任務(wù)的能力，兩者均與系統(tǒng)的任務(wù)可靠性和任務(wù)維修性相關(guān);固有能力反映了系統(tǒng)完成最終任務(wù)的程度，與系統(tǒng)的功能、性能水平相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，美國航空無線電研究公司、美國海軍、美國陸軍分別開發(fā)了ARINC模型、AN模型和AAM模型等一系列衍生模型用于武器裝備效能評估［2-5］。相比較而言，ADC模型更清晰、易理解，因此得到了廣泛應(yīng)用和認可。我國在系統(tǒng)效能評估方面也開展了大量研究，其中ADC模型應(yīng)用較為廣泛［2，6-7］。

同時，國內(nèi)外對裝備采辦的經(jīng)濟可承受性越來越重視。美國、歐洲、俄羅斯等國家和地區(qū)都有裝備研制和生產(chǎn)經(jīng)費的估算方法研究。美國國防部提出了壽命周期費用（LCC）的概念，揭示了壽命周期費用發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律［8］。數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)運行和支持成本可占成本的60％［9］，在研制階段提升產(chǎn)品可靠性有助于降低產(chǎn)品維護保養(yǎng)成本，從而降低總開銷。美國國防部頒布的采辦條例強調(diào)對系統(tǒng)可靠性的要求，提出把維修保障與裝備性能看成一個整體來采辦，加強費用估算和對LCC的管控［2］。美國國家航空航天局（NASA）將重量作為航天器費用估算的核心要素，提出了無人航天器成本模型（USCM）以及小型航天器成本模型（SSCM） ［10］。蘭德公司在大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了DAPCA模型，將飛機總費用表達為效能、重量和可靠度的對數(shù)線性函數(shù)，得到了廣泛應(yīng)用［11］。我國頒布了費用估算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［12］。

系統(tǒng)效能提升通常面臨研制經(jīng)費有限的矛盾，因而需要對系統(tǒng)的費用和效益進行綜合權(quán)衡。歷史資料統(tǒng)計顯示：衛(wèi)星方案論證驗證結(jié)束時，大約70％的系統(tǒng)全周期成本即被確定［13］。因此，有必要及早在衛(wèi)星研制過程中開展效費優(yōu)化，在保證效能的前提下降低研制成本。美國國防部采用以費用為獨立變量（CAIV）的方法對新型武器裝備作戰(zhàn)效能、費用和性能參數(shù)進行綜合優(yōu)化，確定壽命周期內(nèi)費用目標(biāo)并進行費用控制［8］，在聯(lián)合直接攻擊彈藥（JDAM）項目、V-1B轟炸機改進項目進行了應(yīng)用，取得了很好的效果［14］。

總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗，可以看到：對衛(wèi)星效費權(quán)衡優(yōu)化是保證衛(wèi)星效能、降低研制成本的有效手段，涉及效能評估、費用評估和效費優(yōu)化等內(nèi)容，如果在設(shè)計初期及早開展效費權(quán)衡優(yōu)化有助于獲得低成本、高效能回報。這需要解決兩方面問題：

第一，如何根據(jù)衛(wèi)星高可靠、不可維修的特點開展效費建模。當(dāng)星上產(chǎn)品發(fā)生故障時，可能導(dǎo)致衛(wèi)星長期降級使用，這與武器裝備差異較大。

第二，如何在衛(wèi)星全壽命周期開展效費權(quán)衡優(yōu)化工作、支持低成本、高效能衛(wèi)星設(shè)計。這尚無成熟的經(jīng)驗可以借鑒。

本文針對上述問題，建立一種衛(wèi)星全壽命周期效費評價及優(yōu)化方法，通過在方案階段優(yōu)化性能參數(shù)、可靠性參數(shù)和重量參數(shù)等總體參數(shù)，為衛(wèi)星成本控制和效能提升提供方法支撐。

1 衛(wèi)星全壽命周期效能評價

1．1 可用性建模

1．2 全壽命周期可信性建模

1．3 能力建模

1．3．1 能力指標(biāo)體系

1．3．2 基于層次分析法的能力評價

1．3．3 降級使用能力評價

2 費用評估

3 效費優(yōu)化

4 案例應(yīng)用

在遙感衛(wèi)星方案優(yōu)化設(shè)計階段，根據(jù)相似在軌衛(wèi)星費用、重量、可靠性及能力指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過效能模型建模評估及費效權(quán)衡優(yōu)化，對原設(shè)計方案提出改進建議。

衛(wèi)星的可靠性和重量設(shè)計值及取值范圍見圖4。衛(wèi)星能力指標(biāo)設(shè)計值及取值范圍見圖5。

根據(jù)專家經(jīng)驗，得到C1層能力指標(biāo)和P層能力指標(biāo)判斷矩陣，見表5～表8。各能力指標(biāo)判斷矩陣一致性指標(biāo)分別為0．003 6、0．017 6、0．038 6和0．017 6，通過一致性檢驗。

根據(jù)表3可得到P層能力指標(biāo)總排序見表9。

經(jīng)計算，衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)效能變化見圖6。

在軌初期，衛(wèi)星效能為7．98 2;隨著在軌時間增加，衛(wèi)星故障率增加，導(dǎo)致衛(wèi)星效能逐漸下降;到設(shè)計壽命末期，衛(wèi)星效能為6．671 2，相比在軌初期，效能下降了19．64％。

針對費用模型構(gòu)建，本案例采集了同類型衛(wèi)星的費用數(shù)據(jù)樣本，擬合得到各分系統(tǒng)費用計算公式如下：

根據(jù)用戶對衛(wèi)星可靠度和重量的要求，利用遺傳算法，對原設(shè)計方案進行優(yōu)化。其中，運行參數(shù)為：種群數(shù)量200、交叉概率0．6、變異概率0．2、進化代數(shù)200。

遺傳算法進化次數(shù)和效費比、效能及費用的關(guān)系分別見圖7。從圖中可以看出，隨著進化次數(shù)增加，衛(wèi)星效能和效費比不斷提高，衛(wèi)星費用不斷減少，最終收斂到一個優(yōu)化的解。

衛(wèi)星優(yōu)化后重量和可靠性指標(biāo)相對優(yōu)化前的變化百分比見圖8，優(yōu)化后性能指標(biāo)相對優(yōu)化前的變化百分比見圖9。優(yōu)化后衛(wèi)星效費比提高了23．35％。衛(wèi)星能力指標(biāo)、分系統(tǒng)可靠度和重量分配反饋給設(shè)計師，供衛(wèi)星設(shè)計優(yōu)化和費用管控參考。

5 技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)衛(wèi)星研制特點，本文提出技術(shù)應(yīng)用建議：將全壽命周期劃分為研制階段、運營階段和離軌階段，從數(shù)據(jù)層、模型層、技術(shù)層、工程目標(biāo)、用戶等5個維度，提出了衛(wèi)星效費權(quán)衡優(yōu)化總體方案，如圖10所示。

用戶期望衛(wèi)星實現(xiàn)低成本、高效能的需求，這要求設(shè)計人員在全壽命周期各階段結(jié)合衛(wèi)星特點，制定合適的工程目標(biāo)，并在工程目標(biāo)牽引下，開展針對性的效費權(quán)衡優(yōu)化工作。

在研制階段，工作目標(biāo)是支撐方案論證和研制費用管控。需要收集衛(wèi)星設(shè)計要求、歷史費用數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建效費評估模型，開展效能評估、費用評估工作。通過實施效費優(yōu)化對重要性能指標(biāo)、重量、費用等進行分配，為方案擇優(yōu)和研制費用管控提供參考。

在運營階段，工作目標(biāo)是支持在軌任務(wù)管理和運營費用管控。需要持續(xù)采集衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)，包括性能數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等，對衛(wèi)星的性能參數(shù)和可靠性參數(shù)進行修正。之后再次開展效能評估和費用評估，對方案設(shè)計結(jié)果進行校正，以及評估衛(wèi)星全周期內(nèi)效能變化趨勢，為在軌任務(wù)管理和運營費用管控提供準(zhǔn)確依據(jù)。

在離軌階段，工作目標(biāo)是支撐新研衛(wèi)星論證。需要收集、整理衛(wèi)星效能、故障數(shù)據(jù)、費用決算數(shù)據(jù)等，分別比對用戶滿意度與效能評估結(jié)果、費用決算與費用評估結(jié)果，修正效費評估模型，減小模型誤差，支撐新研衛(wèi)星方案論證。

6 結(jié)束語

本文圍繞低成本、高效能衛(wèi)星的發(fā)展需求，開展了衛(wèi)星全周期效費權(quán)衡優(yōu)化技術(shù)研究，提出了開展效費評估、費用評估和效費優(yōu)化的技術(shù)方案。針對衛(wèi)星不可修、降級使用等特點，確定并建立了以ADC效能模型為基礎(chǔ)的衛(wèi)星效能分析模型;開發(fā)了用于衛(wèi)星費用分析的多維度參數(shù)成本模型;基于CAIV方法，并結(jié)合工程實際特點，建立了效費優(yōu)化模型，利用遺傳算法生成最優(yōu)設(shè)計方案。

本文以遙感衛(wèi)星為案例，開展方法應(yīng)用驗證。結(jié)果表明，本文提出的方法能夠有效評估在軌衛(wèi)星的效能，并為在研衛(wèi)星的能力指標(biāo)、可靠性和重量三類總體指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

后續(xù)可進一步開展如下兩方面的研究：

（1）衛(wèi)星能力指標(biāo)體系精細化建模?？刹杉煌愋托l(wèi)星性能參數(shù)，利用聚類分析、主成分分析等方法，建立覆蓋全面、代表性強、客觀性好的衛(wèi)星能力指標(biāo)體系，更為準(zhǔn)確反映衛(wèi)星實際能力。

（2）在軌數(shù)據(jù)深度挖掘?？沙浞掷迷谲夁b測得到的單機壽命數(shù)據(jù)和性能退化數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)融合分析，利用貝葉斯等可靠性評估理論得到各級產(chǎn)品可靠度，完善效能模型、費用模型和優(yōu)化模型，為效費權(quán)衡優(yōu)化提供更有力的支撐。

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（責(zé)任編輯：李楠）