功能可重構(gòu)衛(wèi)星載荷測(cè)試評(píng)估方法

李宇恒

摘 要 載荷測(cè)試評(píng)估是衛(wèi)星載荷研制的重要組成部分，貫穿了衛(wèi)星整個(gè)研制過程。本文基于功能可重構(gòu)衛(wèi)星載荷具有軟件定義功能和功能可重構(gòu)的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究載荷測(cè)試評(píng)估方法，提出了具有針對(duì)性的測(cè)試流程和基于模糊數(shù)學(xué)理論的效能評(píng)估算法，并以某類功能可重夠載荷為例，對(duì)測(cè)試流程和效能評(píng)估算法的使用進(jìn)行了說明。文章最后對(duì)效能評(píng)估算法的優(yōu)化和改進(jìn)提出了想法和思路。

【關(guān)鍵詞】功能可重構(gòu)衛(wèi)星載荷 測(cè)試流程 效能評(píng)估

功能可重構(gòu)衛(wèi)星載荷是以高度的模塊化和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次化為基礎(chǔ)，采用開放化的系統(tǒng)架構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)，最大限度地復(fù)用同類型的模塊、部件和元器件，強(qiáng)調(diào)多功能協(xié)同工作，各項(xiàng)指標(biāo)平衡，通過數(shù)據(jù)融合達(dá)到綜合應(yīng)用性能指標(biāo)最優(yōu)。本文將重點(diǎn)研究功能可重構(gòu)載荷指標(biāo)測(cè)試流程的設(shè)計(jì)和效能評(píng)估方法。指標(biāo)測(cè)試流程是基于對(duì)功能可重構(gòu)載荷不同類型指標(biāo)進(jìn)行分類，分別映射入地面測(cè)試階段、在軌測(cè)試階段，要求映射關(guān)系準(zhǔn)確、測(cè)試邏輯緊密。效能評(píng)估算法是基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊綜合評(píng)價(jià)方法。本文最后，以某類功能可重構(gòu)載荷為例，對(duì)設(shè)計(jì)出的指標(biāo)測(cè)試流程和效能評(píng)估算法進(jìn)行了說明，并對(duì)評(píng)估算法的改進(jìn)提出了思路想法。

1 測(cè)試評(píng)估方案

1.1 測(cè)試評(píng)估環(huán)境組成

測(cè)試評(píng)估環(huán)境由通用測(cè)試儀器、目標(biāo)與環(huán)境模擬器、在軌配試系統(tǒng)、測(cè)試評(píng)估軟件四部分組成。測(cè)試評(píng)估環(huán)境各設(shè)備間通過通信總線相連，由測(cè)試軟件控制完成載荷自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試評(píng)估環(huán)境組成如圖1所示。測(cè)試評(píng)估環(huán)境各部分功能如表1所示。

1.2 測(cè)試流程設(shè)計(jì)

對(duì)于在軌功能可重構(gòu)的綜合化衛(wèi)星載荷，其測(cè)試內(nèi)容應(yīng)分為：載荷物理指標(biāo)測(cè)試、載荷功能指標(biāo)測(cè)試、載荷功能重構(gòu)指標(biāo)測(cè)試三類。測(cè)試流程應(yīng)按照指標(biāo)類型和測(cè)試場(chǎng)景兩個(gè)維度進(jìn)行分析。

1.2.1 按指標(biāo)類型分析

物理設(shè)備被不同功能軟件調(diào)用，是功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，所以物理指標(biāo)測(cè)試應(yīng)先行與其它測(cè)試。被測(cè)試的物理指標(biāo)包括：天線指標(biāo)（天線形式、工作頻率、帶寬、極化方式、EIRP、G/T、瞬時(shí)帶寬、靈敏度、波束覆蓋范圍等）；信號(hào)傳輸信道及交換指標(biāo)（傳輸速率、誤碼率、通道幅度一致性、相位一致性、交換網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、交換容量、端口速率、傳輸時(shí)延等）；信號(hào)及數(shù)據(jù)處理指標(biāo)（硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、輸入＼輸出能力、浮點(diǎn)運(yùn)算能力等）；管理控制指標(biāo)（系統(tǒng)監(jiān)控能力、任務(wù)調(diào)度能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力等）；電源能力（充電功率、放電功率、充電時(shí)間、放電時(shí)間、輸出電壓、充放電循環(huán)次數(shù)、熱耗等）。

當(dāng)物理設(shè)備經(jīng)測(cè)試達(dá)到指標(biāo)要求時(shí)，可開展載荷功能指標(biāo)測(cè)試。功能實(shí)體是部署于物理設(shè)備上的功能軟件，通過軟件算法和功能管控借助不同載荷硬件實(shí)現(xiàn)用戶需求的某類功能。被測(cè)試的功能指標(biāo)包括例如：信號(hào)偵查類功能指標(biāo)（對(duì)象類型、瞬時(shí)帶寬、定位精度）；微波成像類指標(biāo)（系統(tǒng)靈敏度、分辨率/幅寬、定位精度）；通信、網(wǎng)絡(luò)類功能（信息傳輸速率、傳輸體制、路由表容量、路由交換能力、支持協(xié)議類型、同時(shí)接入用戶數(shù)量等）。

當(dāng)不同功能經(jīng)測(cè)試達(dá)到指標(biāo)要求時(shí)，可開展功能重構(gòu)指標(biāo)測(cè)試。功能重構(gòu)過程由系統(tǒng)管控控制，涉及功能軟件上注、功能軟件卸載、功能軟件加載、藍(lán)圖部署等內(nèi)容。功能重構(gòu)指標(biāo)包括（任務(wù)調(diào)度種類、任務(wù)指令解譯響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)切換響應(yīng)時(shí)間等）。載荷指標(biāo)測(cè)試流程—按指標(biāo)類型分類如圖 2（a）所示。

1.2.2 載荷指標(biāo)測(cè)試流程—按測(cè)試場(chǎng)景分類

載荷指標(biāo)測(cè)試按測(cè)試場(chǎng)景劃分為：地面有線測(cè)試、地面無線測(cè)試段、在軌測(cè)試。地面有線測(cè)試成本低、代價(jià)最小，原則上應(yīng)對(duì)載荷物理、功能、重構(gòu)等所有指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件、硬件問題，調(diào)整設(shè)計(jì)方案。地面無線測(cè)試基于對(duì)載荷在軌工作無線信道環(huán)境和配試對(duì)端狀態(tài)的模擬，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)載荷天線指標(biāo)、功能指標(biāo)、功能重構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。在軌測(cè)試關(guān)注點(diǎn)一是載荷功能指標(biāo)，系統(tǒng)管控收集并下傳各功能信號(hào)處理前、信號(hào)處理后、數(shù)據(jù)處理后等階段遙測(cè)數(shù)據(jù)至地面中心，地面中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)比，及時(shí)更新、升級(jí)功能軟件算法并上注至載荷。另外，在軌測(cè)試應(yīng)驗(yàn)證載荷功能重構(gòu)指標(biāo)。載荷指標(biāo)測(cè)試流程—按測(cè)試場(chǎng)景分類如圖 2（b）所示。

1.2.3 載荷指標(biāo)與測(cè)試場(chǎng)景映射關(guān)系

通過1.2.1和1.2.2節(jié)描述，可將不同類型指標(biāo)測(cè)試映射入不同測(cè)試場(chǎng)景。其中，物理指標(biāo)測(cè)試重點(diǎn)安排在地面有線和地面無線測(cè)試過程，是否需要在軌測(cè)試可由項(xiàng)目總體決定。功能指標(biāo)測(cè)試重點(diǎn)安排在地面有線、地面無線測(cè)試和在軌測(cè)試。其中，地面有線測(cè)試通過信號(hào)直接注入方式測(cè)試功能算法有效性和系統(tǒng)管理控制能力。功能重構(gòu)指標(biāo)是由載荷管控硬件能力、任務(wù)調(diào)度算法、天地測(cè)控回路數(shù)傳能力共同決定的，因此該指標(biāo)測(cè)試應(yīng)安排在全部測(cè)試場(chǎng)景。不同類型待測(cè)指標(biāo)與測(cè)試場(chǎng)景的映射關(guān)系如圖 3所示。

1.3 效能評(píng)估算法

本文提出一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，以量化的隸屬度作為功能的效能評(píng)估值，通過對(duì)不同功能隸屬度向量的加權(quán)計(jì)算得出系統(tǒng)效能評(píng)估結(jié)果。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)一般分為四個(gè)階段：

（1）確定效能指標(biāo)集和評(píng)價(jià)等級(jí)集。

（2）計(jì)算每個(gè)指標(biāo)對(duì)于不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

（3）確定每個(gè)指標(biāo)對(duì)頂層指標(biāo)的影響程度，即權(quán)重值。

（4）根據(jù)所有底層指標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度。

模糊綜合評(píng)價(jià)算法具體過程如下：

（1）首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，盡可全面的找出能夠描述系統(tǒng)效能的指標(biāo)，確定指標(biāo)集：

U={u1，u2，….um}，其中ui表示指標(biāo)集中的第i個(gè)指標(biāo)

中國數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品檢查和質(zhì)量評(píng)估規(guī)范中規(guī)定了四種評(píng)估等級(jí)：優(yōu)（v1），良（v2），一般（v3），差（v4），參照該規(guī)范可以建立評(píng)語集：

V={v1，v2， v3 ， v4 }

（2）建立底層指標(biāo)的隸屬函數(shù)g（t），隸屬函數(shù)表明該等級(jí)指標(biāo)在取某值得條件下，隸屬于不同評(píng)價(jià)等級(jí)的程度。通過將底層指標(biāo)測(cè)試值代入隸屬函數(shù)g（t），不同類型和度量單位的底層指標(biāo)被映射到統(tǒng)一的[0，1]量綱空間，以便進(jìn)一步綜合評(píng)估。實(shí)際情況下，指標(biāo)隸屬函數(shù)的確定需要依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)等。隸屬度矩陣如下，其中rij表示ui對(duì)vi的隸屬程度：

2 方案驗(yàn)證

2.1 測(cè)試流程

將某功能可重構(gòu)衛(wèi)星載荷待測(cè)指標(biāo)分為物理指標(biāo)，包括：天線指標(biāo)、交換指標(biāo)、信號(hào)處理指標(biāo)、數(shù)據(jù)處理指標(biāo)、任務(wù)管控指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指標(biāo)等；功能指標(biāo)分為信號(hào)偵察、微波成像、通信網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。另外，基于該系統(tǒng)的在軌功能可重構(gòu)特性還包括功能重構(gòu)指標(biāo)。基于1.2.3節(jié)測(cè)試指標(biāo)與測(cè)試場(chǎng)景的映射關(guān)系，功能可重構(gòu)載荷測(cè)試順序如表2所示。

測(cè)試過程中，將功能可重構(gòu)載荷測(cè)試數(shù)據(jù)以有線或無線方式接入測(cè)試評(píng)估環(huán)境，用于地面效能評(píng)估。

2.2 效能評(píng)估體系建立

功能指標(biāo)和功能重構(gòu)指標(biāo)應(yīng)做為影響系統(tǒng)效能的“二級(jí)因素”。“二級(jí)因素”經(jīng)二級(jí)判定準(zhǔn)則計(jì)算后可以得出一級(jí)因素的評(píng)價(jià)向量，評(píng)價(jià)向量再經(jīng)一級(jí)判定準(zhǔn)則計(jì)算，可以得出效能評(píng)估目標(biāo)“快速響應(yīng)網(wǎng)點(diǎn)攻擊器系統(tǒng)效能”評(píng)價(jià)值。電子偵查/微波成像/通信網(wǎng)絡(luò)功能載荷指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)層次如圖4所示。

圖4中用實(shí)線表明了功能可重構(gòu)載荷效能評(píng)估目標(biāo)、一級(jí)因素、二級(jí)因素間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用虛線表明了二級(jí)因素、一級(jí)因素、效能評(píng)估目標(biāo)間的兩級(jí)遞進(jìn)判定準(zhǔn)則。

2.3 系統(tǒng)效能標(biāo)評(píng)估

首先，深入分析各功能效能評(píng)估必要指標(biāo)值，建立評(píng)估指標(biāo)集。然后，定義評(píng)估等級(jí)集，確定指標(biāo)集元素與等級(jí)集元素隸屬程度，形成隸屬度矩陣。之后，確定指標(biāo)集每項(xiàng)元素對(duì)該功能的影響程度，形成隸屬度權(quán)重向量。再后，基于矩陣運(yùn)算計(jì)算出隸屬度向量。最后，對(duì)各功能隸屬度向量進(jìn)行加權(quán)求和得出系統(tǒng)隸屬度向量，隸屬度向量中最大值元素對(duì)應(yīng)的評(píng)語即為系統(tǒng)效能評(píng)估的結(jié)果。各功能隸屬度向量具體計(jì)算過程如下（以電子偵查功能為例）：

2.3.1 指標(biāo)集和評(píng)價(jià)等級(jí)集

由隸屬度向量值E系統(tǒng)可見，功能可重構(gòu)載荷效能評(píng)估結(jié)果為優(yōu)。

3 結(jié)語

本文搭建的測(cè)試評(píng)估環(huán)境和效能評(píng)估體系能夠滿足在軌功能可重構(gòu)載荷的測(cè)試評(píng)估需求，后續(xù)應(yīng)通過軟硬件聯(lián)調(diào)聯(lián)試完善測(cè)試評(píng)估環(huán)境、提高其有效性。另外，針對(duì)效能評(píng)估算法，后續(xù)應(yīng)開展以下工作：

針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)層級(jí)中“評(píng)價(jià)準(zhǔn)則”相對(duì)“評(píng)價(jià)目標(biāo)”的效能評(píng)估算法進(jìn)行研究，尤其是各“評(píng)價(jià)準(zhǔn)則”相對(duì)“評(píng)價(jià)目標(biāo)”的隸屬度函數(shù)如何確定、權(quán)重指標(biāo)如何確定等問題。對(duì)于不同類型的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，評(píng)價(jià)因素的隸屬度函數(shù)可經(jīng)過工程經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，并通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。對(duì)于效能評(píng)估算法中權(quán)重指標(biāo)的確定，可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)建立指標(biāo)體系中同層指標(biāo)間的判斷矩陣，通過求解矩陣特征值確定每個(gè)同層指標(biāo)間的相對(duì)權(quán)重向量。

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作者單位

中國電子科學(xué)研究院 北京市 100041