遙感衛星地面接收系統業務能力評估

張文慶，彭興會，劉 暢

(航天恒星科技有限公司，北京 100086 )

0 引言

遙感衛星地面接收站主要承擔遙感衛星數據的接收工作，對于遙感數據的地面應用發揮著重要的作用。隨著航天事業的飛速發展，遙感衛星的發射數量越來越多，同時，伴隨著國家對軍民融合發展戰略的大力推進，地面接收資源的共享使用勢必會成為未來的發展方向。如何快速評估已有地面接收系統是否具備接入某新型號衛星的業務能力，以及如何快速定位已有地面接收系統無法接入該衛星的原因成為了重要而又棘手的問題。

本文以優化和提升遙感衛星地面接收系統的業務能力為目標，運用多層次分析方法，開展對遙感衛星地面接收系統的業務能力評估研究。建立了遙感衛星接收系統能力評估指標體系及能力評估模型，并利用該評估模型實現遙感衛星地面接收系統的業務能力評估。通過實踐案例驗證模型的有效性，分析遙感衛星地面接收系統對新型衛星的業務能力狀態，并提出最小化的改進建議。

1 遙感衛星地面接收系統組成

遙感衛星地面接收系統內設備種類繁多，系統結構復雜，按照系統功能組成可劃分為天飼饋分系統、跟蹤接收分系統、測試分系統、技術支持分系統和站監控管理分系統。系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖

圖2 業務能力評估體系分層結構示意圖

天飼饋分系統主要包括天饋子系統、座架子系統、伺服子系統以及附屬設備等。主要負責控制天線跟蹤衛星信號，并傳送給跟蹤接收分系統。跟蹤接收分系統主要包括低噪聲放大器、下變頻器、矩陣開關、解調器、跟蹤接收機等設備。主要負責完成衛星的自動跟蹤及衛星數據的接收、解調、傳輸。測試分系統主要包括測試上變頻器、調制器、功率計、頻譜儀等設備。主要負責為系統關鍵指標的自動化測試提供硬件支持。技術支持分系統主要包括時頻設備、氣象監測設備、機柜等。主要負責為系統的正常運行提供支撐。站監控管理分系統主要包括站控服務器、網絡設備、串口服務器、站控軟件、數據庫等。主要負責對系統進行統一的運行控制與集中管理，協調各個分系統共同完成數據接收任務。

2 基于AHP的業務能力評估指標體系設計

隨著遙感衛星數量的極具增加，針對于遙感衛星數據接收的地面系統也越來越復雜，系統內設備種類繁多，各型號衛星的跟蹤接收任務共用一套地面接收系統，系統內部資源呈現共享狀態。因此系統業務能力評估指標體系的建立并不是簡單的將系統中各個離散的指標因素進行疊加、組合，而是根據衛星對地面資源的需求以及系統業務邏輯關系來確定指標因素的重要性、權重和指標因素層級關系，建立一套分層的業務能力評估指標體系。

層次分析法(AHP,analytic hierarchy process)，是20世紀70年代初，美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂提出的一種將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法。本文結合遙感衛星地面接收系統特點，借鑒AHP的分層決策思想，建立多層次的遙感衛星地面接收系統業務能力評估指標體系。遙感衛星地面接收系統由眾多子系統組成，且各子系統間存在多種關聯關系，是一個復雜的大系統。本文從系統工程思想出發，采用體系架構分析方法構建遙感衛星地面接收系統的業務能力模型，進而分析提取業務能力評估指標。

影響系統能力的指標存在多種類型，各類指標對于系統接收能力的應用權重也不同，需要建立基于某型號衛星地面系統接收能力的評估指標體系，來實現系統對該衛星的數據接收能力的評估。影響系統能力的設備類型包括：天線、信道設備、調制解調器、測試設備、儀器設備、技術支持設備等，各類設備又包含了多個影響設備狀態的模塊。能力評估系統獲取接收設備上報的基礎數據，評估系統資源中各設備類型的功能狀態及可用數量；結合衛星跟蹤接收所需最低資源指標，評估當前系統接收業務能力的狀態；根據衛星資源需求以及系統業務邏輯關系，提取系統關鍵指標因素，建立能力評估系統指標體系。該指標體系可分為四層，單因素為系統底層因素能夠通過系統采集獲取因素數據；一級因素為單因素按照單機屬性劃分的單因素的集合，二級因素為一級因素按照設備、功能類型屬性劃分一級因素的集合，三級因素為二級因素按照衛星資源需求屬性劃分的二級因素的集合，遙感衛星地面接收系統業務能力評估體系分層結構示意如圖2所示。

3 系統能力評估模型

3.1 系統單機狀態評估模型

1)根據系統可收集的所有影響系統單機狀態的因素，建立系統單機狀態單因素集

U

={

u

，

u

，…，

u

}，此因素對應評估指標體系中的底層單因素，能夠通過監控系統實現所有因素的采集工作；2)根據遙感衛星地面接收系統業務能力評估指標體系，將所有的單因素按照單機歸屬屬性劃分成

s

個因素子集

U

={

U

1，

U

2，…，

U

}，

i

=1,2,…,

s

，此因素對應評估指標體系中的一級因素，表示系統單機狀態；3)根據遙感衛星地面接收系統業務能力評估指標體系，將所有的一級因素按照設備種類屬性劃分成

t

個因素子集

UU

={

UU

1，

UU

2，…，

UU

},

k

=1,2,…,

t

，此因素對應評估指標體系中的二級因素；4)為系統單機狀態因素建立因素評判等級集，對于每一個因素

U

建立因素評判等級集

V

={

v

,

v

,

v

,

v

}={好，較好，一般，差}={0.95，0.85，0.65，0.125}，其中，“好”∈[0.9,1.0]，“較好”∈[0.8,0.9)，“一般”∈[0.5,0.8)，“差”∈[0,0.5)。5)根據因素評判等級集，算出一級因素內各單因素的評判等級，其模糊關系評判矩陣為：

(1)

其中:(

r

1,…,

r

4)為一級因素

U

中第一個單因素對應的評判等級集，是專家對該單因素根據歷史經驗和測試結果進行統計分析，得出的該單因素的指標模糊向量。6)對于每一個一級因素

U

建立其中各單因素相對于

V

的權重分配為：={

a

1,

a

2…,

a

1},

i

=1,2,…,

s

其中:

a

1+

a

2+…+

a

1=1。單因素的權重分配根據歷史經驗及設備廠商提供的設備測試結果確定。

7)算出一級因素的模糊關系評判向量：

=·={

b

1,

b

,2,…,

b

4},

i

=1,2,…,

s

(2)

8)結合因素評判等級集

V

以及計算出的一級因素模糊關系評判向量

B

，確定一級因素

U

的能力狀態評分：

(3)

C

反映系統第

i

個一級因素的單機狀態評分。9)計算各個二級因素

UU

的狀態評分：

(4)

其中:

p

為在二級因素

UU

中狀態為“好”、“較好”、“一般”的一級因素數量之和。

3.2 業務能力評估模型

由于各類型號的衛星對于接收系統的業務能力需求不一致，需要結合衛星的接收資源需求和當前接收系統已有的資源總量，建立針對某顆衛星的地面接收系統業務能力評估模型。衛星的接收資源需求集合即為對接收系統內部分二級因素資源需求的集合。

1)確定業務能力評判等級集

W

={

w

,

w

,

w

,

w

}={優，良，中，差}={0.99,0.9,0.5,0.1}，其中，“優”∈[0.99,1.0]，表示系統所有資源狀態好，能夠完成該衛星的接收業務，針對某衛星的業務能力為優；“良”∈[0.9,0.99)，表示系統中存在非衛星需求類資源故障現象，但不影響系統對于該衛星的接收業務，針對某衛星的業務能力為良；“中”∈[0.5，0.9)，表示系統中存在衛星需求類資源故障現象，但剩余衛星需求類資源能夠支持系統完成對于該衛星的接收業務，針對某衛星的業務能力為中；“差”∈[0,0.5)，表示系統中存在衛星需求類資源故障現象，且剩余衛星需求類資源無法支持系統完成對于該衛星的接收業務，針對某衛星的業務能力為差。2)根據遙感衛星地面接收系統業務能力評估指標體系，將所有的二級因素按照衛星資源需求屬性劃分成2個三級因素子集

G

={

G

,

G

}={衛星資源類，非衛星資源類}，其中，

G

中包含所有完成衛星接收業務必須的二級因素

UU

，

G

中包含所有完成衛星接收業務非必須的二級因素

UU

-1；建立三級因素評判等級集

X

={

x

,

x

,

x

,

x

}={好，較好，一般，差}={0.9，0.8，0.5，0}，其中，“好”∈[0.9,1.0]，“較好”∈[0.8,0.9)，“一般”∈[0.5,0.8)，“差”∈[0,0.5)；3)確定衛星資源類

G

的評判系數：

α

=1,以及非衛星資源類

G

的評判系數

β

=0.027。三級因素的評判系數根據專家的技術分析結果確定。4)建立衛星資源需求集

M

={

m

,

m

…,

m

},

l

=1,2…,且

l

=

t

，其中，

m

對應二級因素

UU

的資源需求數量；建立系統資源總量集

Z

={

z

,

z

,…,

z

,

z

},

k

=1,2,…,

t

，其中，

z

為系統內第

k

個二級因素的資源總量；5)根據衛星資源需求和系統資源總量，計算各類二級因素

UU

狀態的評判等級集

Y

={

y

1,

y

2,

y

3,

y

4}={好，較好，一般，差}={0

.

9，0

.

8，0

.

5，0}，

k

=1,2,…,

t

：

6)確定二級因素

UU

評判指標系數：

ε

={

ε

,

ε

,…,

ε

}={1,2,3,5}；7)結合二級因素

UU

的狀態評分，確定各個二級因素的評判等級指標

y

，以及相應的評判指標系數，得到二級因素的評判指標集

Y

={

y

,

y

,…,

y

}，以及評判指標系數集

ε

={

ε

,

ε

,…,

ε

}；其中，

k

=1,2,…,

l

對應的

y

分別對應

UU

的評判指標，

ε

分別對應

UU

的評判指標系數；8)計算三級因素

G

的能力狀態值：

(5)

其中:

k

=1,2,…

l

9)計算三級因素

G

的能力狀態值：

(6)

其中:

k

=

l

,(

l

+1),…,

t

10)結合三級因素評判等級集

X

和能力狀態值，確定

G

、

G

的評判等級指標為

θ

、

θ

；

11)計算針對于該衛星的系統業務能力值：

F

=

α

·

θ

+

β

·

θ

(7)

4 實例分析

4.1 系統組成

本文以某遙感地面接收地面站的接收系統為例，對該系統是否能夠接收某新型號衛星的業務能力進行評估。在發射某新型號衛星之前，地面接收系統的管理人員使用業務能力評估方法，對當前系統的業務能力狀態能否滿足新衛星的接入進行評判，并得出當前系統對于該新衛星的業務能力等級。若能力等級較低，則表明該系統不具備新衛星的接入能力。此時通過系統能力評估模型的判斷，給出影響新衛星接入的主要因素，以便系統管理人員能夠精準的完善系統業務能力，實現該新型號衛星的快速接入。

地面接收系統的設備組成如表1所示。

根據系統設備組成及衛星需求數據，列舉影響系統對于該衛星的業務能力的因素，如表2所示。

4.2 業務能力評估

根據當前系統業務能力評估指標體系，建立系統因素集：

1)系統單因素集

U

={

u

,

u

,…,

u

}，其中

u

為系統可監控的所有設備的關鍵模塊狀態；例如，電源模塊、光功率模塊、解調模塊等，由于系統監測點眾多，此處不

表1 系統設備組成列表

再一一列舉；

2)系統一級因素集

U

={

U

1,

U

2,…,

U

}為系統各個單機狀態，其中

U

為各個一級因素包含的單因素；一級因素包含：X下變頻器1、測試上變頻器1、室內X接收光端機1、室內X發射光端機1、解調器1、調制器等，由于系統單機眾多，此處不再一一列舉；

表2 業務能力影響因素

3)系統二級因素集

UU

={

UU

1,

UU

2,…,

UU

}為系統各個設備類型狀態，其中

UU

為各個二級因素包含的一級因素；二級因素包含：X天線類、X下變頻器類、室內X接收光端機類、解調器類等，此處不再一一列舉；4)系統三級因素集

G

G

,

G

}為系統資源能力狀態，其中

G

為各個三級因素中包含的二級因素；三級因素包含：衛星資源類和非衛星資源類；

由于系統過于龐大，設備種類繁多，此處以X下變頻器設備為例進行分析，其他設備認為狀態均為“好”。

5)各層級因素評判因素及單因素評判值確定：X下變頻器設備各級因素權重及單因素評判值列舉如表3所示。

表3 X下變頻器設備各級因素權重及單因素評判值

6)按照表3的統計結果，基于模糊關系矩陣計算一級因素能力評分：

C

={0.822,0.497,0.753,0.913,0.913,0.913,0.913,0.913,0.913,0.913}；7)計算二級因素“X下變頻器類”狀態評分：

D

=0.9；8)該衛星對于此資源因素的需求數量為

m

=4，系統資源總數量

z

=10，計算二級因素“X下變頻器類”評判等級集：

Y

={好，較好，一般，差}={0.9，0.8，0.5，0}，其中，“好”∈(0.9,1.0]，“較好”∈[0.5,0.9]，“一般”∈[0.4,0.5)，“差”∈[0,0.4)；9)確定二級因素“X下變頻器類”的評判等級為“較好”，評判值

y

=0.8，評判指標系數為2；其他二級因素評判等級均為“好”，評判值為0.9，評判指標系數為1；10)確定三級因素

G

的評判等級值為

θ

=0

.

875，三級因素

G

的評判等級值為

θ

=0

.

9；

11)計算針對于該衛星的系統業務能力值：

F

=

α

·

θ

+

β

·

θ

=0

.

89 93

4.3 業務能力評估結果分析

基于定義的評判標準，可以看出，該地面接收系統當前對于該衛星的跟蹤接收業務能力為“中”的水平，表明系統中存在該衛星跟蹤接收需求的資源出現了部分故障，即故障資源為“X下變頻器2”，但其余的資源能夠支持地面接收系統完成該衛星的接收業務。在系統實際運行中，此結果與系統業務能力一致，該方法及模型能夠有效的評估當前系統對于一顆衛星的跟蹤接收業務能力狀態。

5 結束語

本文首先借鑒AHP的描述方法對遙感衛星地面接收系統進行系統研究及分析，提煉出影響系統業務能力狀態的關鍵因素，建立了遙感衛星地面接收系統數據接收業務能力評估指標體系，然后，結合遙感衛星地面接收系統的特點，以接收衛星數據的地面系統為評估對象，設計了一套遙感衛星地面接收系統業務能力評估模型，并通過遙感衛星地面接收系統的實例應用驗證了模型的可行性，結果表明，本文論述的評估方法能夠快速評估系統當前狀態對新接入衛星的業務能力，定位系統故障對新接入衛星業務能力的影響，為系統接入衛星的能力優化提供改進方向。同時，使用該方法也能夠評估系統當前狀態對系統內已接入的衛星的業務能力，對遙感衛星地面接收系統數據接收業務能力的評估及系統后續優化具有一定的參考價值。舉一反三，該方法同樣能夠擴展應用于測控數傳一體化地面系統中進行系統業務能力的評估。