基于模糊TOPSIS的新型空間平臺航天試驗效能評估

劉盛銘，　馮書興

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416；　2. 裝備學院 訓練部, 北京 101416)

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基于模糊TOPSIS的新型空間平臺航天試驗效能評估

劉盛銘1，馮書興2

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416；2. 裝備學院 訓練部, 北京 101416)

摘要針對新型空間平臺航天試驗效能評估問題，基于美國國防部體系結構框架建立了任務分解樹模型。在此基礎上分析并提出評估指標，運用模糊逼近理想解排序法對評價方案進行效能分析，按照該方法的各個步驟計算出評價方案的排序結果，結果表明，美國軌道試驗飛行器的航天試驗效能較高。在評價方案的基礎上進行敏感度分析，計算評估指標的貼近度，結果表明，入軌能力等評估指標對應的效能度量在新型空間平臺航天試驗中較為重要。

關鍵詞新型空間平臺；航天試驗；效能評估；逼近理想解排序法

作為衛星技術和載人航天技術相結合的產物，空間平臺是能同時裝載、運行多種有效載荷，提供包括維修、補給、載荷替換等在軌服務并將產品帶回地面的一種空間結構[1-2]。近十年來，美國等世界強國研究提出了軌道快車、快速響應空間航天器、X-37B等多種多樣的新型空間平臺[3]，并開展了一系列的航天試驗。2013年，俄羅斯用于可重復使用的空天飛行系統(俄文首字母是MAKS)軌道飛行器等研究設計工作的累積花費已超過15億美元[4]。2015年2月，歐洲航天局的過渡性試驗飛行器(Intermediate Experimental Vehicle，IXV)在法屬圭亞那庫魯航天中心發射升空，成功地進行了再入大氣層試驗。2015年5月，美國軌道試驗飛行器(Orbital Test Vehicle，OTV)X-37B在佛羅里達卡納維拉爾角發射升空，執行第4次在軌飛行任務，試驗內容對外保持高度機密。除此之外，印度航天研究組織已宣布將在2015年中期進行可重復使用航天器的首次試飛。可見，能夠穿越大氣層，往返于地球與外層空間并具備軌道機動、可重復使用等能力的新型空間平臺，已是世界各軍事強國競相發展的航天裝備之一。

1研究現狀

新型空間平臺航天試驗是指圍繞新型空間平臺入軌、在軌、返回等試驗任務而在一定約束條件下開展的航天試驗活動，具有規模大、綜合性強、不確定因素多等特點。作為一項系統工程，新型空間平臺航天試驗涉及人員、設備較多，跨越地域較廣，試驗方案分析與決策質量要求高。為科學選擇符合實際且效益較好的初步試驗方案，迫切需要對新型空間平臺航天試驗開展效能評估工作。

效能評估常用的方法有層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)、指數法、模糊綜合評價法、多屬性決策方法(Multiple Attribute Decision Making，MADM)等[5]。其中，逼近理想解排序法(TOPSIS)作為MADM的綜合評價方法之一[6]，得到了航天試驗領域學者們的重視與應用。文獻[7]指出MADM是航天系統工程面臨的挑戰性問題之一，提出了一種隨機AHP和TOPSIS相結合的工作流程方法用于支持該領域的決策與評估，并以衛星軌道和運載火箭選型問題為例進行說明。文獻[8]在約翰遜航天中心的人類探索項目中對航天任務模擬器進行了效能評估，提出了一種AHP和TOPSIS相結合的方法用于方案排序。文獻[9]構建了航天工程項目合作伙伴評價指標體系，通過信息熵和AHP進行組合賦權，建立了TOPSIS的航天合作伙伴評價模型。

以上研究為本文工作提供了重要參考和借鑒，但對專家評價中可能存在的模糊問題考慮較少。而現實中，參與決策的專家對TOPSIS指標與方案的評價往往存在模糊性，因此，本文基于模糊TOPSIS分3步對新型空間平臺航天試驗進行效能評估。第1步基于美國國防部體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)分析了新型空間平臺的航天試驗過程，提出評估指標；第2步基于模糊TOPSIS對MAKS、IXV、X-37B的第3次任務(OTV-3)等航天試驗進行效能評估；第3步對MAKS、IXV及OTV-3進行指標的敏感度分析。

2評估指標

新型空間平臺航天試驗效能是指在規定試驗方案下完成新型空間平臺航天試驗任務的能力程度。基于MAKS、IVX、X-37B等航天試驗資料的研究，新型空間平臺航天試驗的概念圖如圖1所示。圖中實線代表實體之間的通信關系，虛線代表實體之間的任務關系。

圖1　試驗概念圖OV-1

圖2　試驗任務分解樹OV-5a

在試驗概念圖OV-1的基礎上，結合新型空間平臺試驗環境、資源配置、作戰任務等內容，建立了火箭發射[10]、測量控制、在軌試驗、返回著陸、試驗指揮等航天試驗任務的分解樹模型OV-5a，如圖2所示。

由圖2可知，新型空間平臺航天試驗需要多個任務配合完成，其中的任務交互關系可能造成效能度量及評估指標存在耦合關系，而基于美國國防部體系結構框架(DoDAF)對新型空間平臺航天試驗任務進行分解與消化，再選取效能度量，將有助于解決效能評估時耦合指標度量與獨立變量選取問題[11]。通過分析圖2試驗任務之間的協作關系，提出新型空間平臺航天試驗效能度量及評估指標，如表1所示，記指標集合C={C1，C2，…，C28}，“+”表示該指標期望越大越好，屬于C+指標集，“-”表示該指標期望越小越好，屬于C-指標集。

表1　效能度量及評估指標

在表1中，新型空間平臺航天試驗效能度量可分為平臺試驗能力和支援試驗能力，這些能力基本涵蓋了圖2中的A.1～A.5試驗任務。

3模糊TOPSIS

圖3　三角模糊數

表2　三角模糊數相關運算

使用的評價語言變量及其模糊數如表3所示。

表3　語言變量及其模糊數

模糊TOPSIS基本步驟如下[12-13]：

1) 提出評價指標與評價方案。指標集合C如表1所示，方案集合A={A1=‘MAKS’，A2=‘IXV’，A3=‘OTV-3’}，專家集合E={E1，E2，…，Ek}。

(1)

9)A中元素按照CCi值從大到小排序。

從以上步驟可知，模糊TOPSIS選擇的評價方案介于正、負理想解之間，逼近正理想解而遠離負理想解，正理想解由評價指標的最優值組成，負理想解由評價指標的最差值組成。

4算例分析

設有3名專家參與了新型空間平臺航天試驗效能評估，他們對各項指標和各方案的評價如表4所示。

表4　指標與方案的評價(局部)

經過步驟2)至步驟7)后，正、負理想解和正、負理想解與各方案的距離如表5所示。

步驟7)對各方案的距離進行了累加，再經過步驟8)后，可得A1、A2、A3的貼近度分別是0.482,0.467,0.516，即MAKS、IXV、OTV-3對表1中效能度量的完成程度，因此，效能評估結果是OTV-3?MAKS?IXV。

對OTV-3、MAKS以及IXV航天試驗進行指標的敏感度分析，各指標分配權重如表6所示。

表5　正、負理想解及距離(局部)

表6　指標權重

在表4的基礎上，經過模糊TOPSIS處理后，A1、A2和A3貼近度結果如圖4所示。

圖4　貼近度結果

在圖4中，各方案排序位置不變，此情況肯定了效能評估結果OTV-3?MAKS?IXV；編號1和編號2結果差異大，說明指標權重對此類評估具有較大影響；各指標對應的編號3～30中，編號3～7、15～16、20～22、24、26、28～30的貼近度變化較為明顯，這些編號對應指標屬于效能度量的入軌能力、機動能力、載荷能力、發射能力、測控能力、空間偵察與感知能力、信息傳輸能力、任務保障需求，這在某種程度上反映出這些能力在新型空間平臺航天試驗中較為重要。

5結 束 語

本文基于模糊TOPSIS對新型空間平臺航天試驗進行效能評估，首先構建了新型空間平臺航天試驗效能評估指標，其次使用基于模糊TOPSIS進行效能評估，最后對指標進行敏感度分析，評價過程和敏感度分析結果可為新型空間平臺開展航天試驗提供參考和借鑒。

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(編輯：李江濤)

Effectiveness Evaluation of Aerospace Test for New-type Space Platform Based on Fuzzy TOPSIS

LIU Shengming1，FENG Shuxing2

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2.Training Department, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractTo solve out the issues about effectiveness evaluation of aerospace test for new-type space platform, the article establishes a task decomposition tree model based on the system structure of United States Department of Defense and then makes analysis and proposes evaluation indicators. The article makes effectiveness analysis on the evaluation scheme with technique for order preference by similarity to ideal solution and calculates the sorting result of the evaluation plan through all steps in this method， the result shows, the effectiveness of aerospace test of orbital test vehicle is relatively high. Based on the evaluation scheme, the article makes sensitivity analysis and thus calculates the closeness of the evaluation indicators， the result shows, the measurement of effectiveness of evaluation indicators such as ability to enter orbit is relatively important in the aerospace test of new-type space platform.

Keywordsnew-type space platform; aerospace test; effectiveness evaluation; technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS)

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.017

文章編號2095-3828(2016)02-0073-05

中圖分類號V57

作者簡介劉盛銘(1986-)，男，博士研究生，主要研究方向為航天試驗指揮。my163beijing@163.com

基金項目部委級資助項目

收稿日期2015-06-18

馮書興，男，教授，博士生導師。