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實驗室 西安 710043）

引言

當前，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[1?4]。天基信息支援從任務規(guī)劃開始，經過測控（Telemetry,Tracking,and Command,TT&C）資源調度、航天器載荷指令上注、數(shù)據傳輸?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完成，任務窗口縮短至近乎實時。航天器載荷指令上注是整個任務實施的關鍵環(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實施中風險較大的環(huán)節(jié)，需要加強保障。因此，任務實施前對航天器運行狀態(tài)及地面測控保障系統(tǒng)能力進行快速評估，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論比準確但延滯的結果更有助益[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參數(shù)狀態(tài)評估，實現(xiàn)了健康狀態(tài)評估報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論，進而支持決策活動。測控裝備保障能力評估方面，當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]。而在任務層面，結合天基信息支援任務特點，以及影響任務執(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、測控裝備任務表現(xiàn)、測控窗口滿足度、數(shù)據注入完成度等因素，通過合理確定各因素權值，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及流程

1.1 測控保障特點

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、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，導致任務執(zhí)行緊急，從受領任務到測控保障實施，要求在很短時間內完成。

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，測控保障實施難度大。

③邏輯約束強。載荷控制指令存在關聯(lián)塊和獨立塊，即多個觀測任務之間存在先后關系或互斥關系；星載內存清除和數(shù)據上注有時限要求等。

④流程環(huán)節(jié)多。測控全流程包括需求受理及信息解析、資源分析調配、測控支持能力分析、任務環(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，通常可通過優(yōu)化航天器和測站資源調度流程、消解任務沖突、建立不間斷運行任務環(huán)境、提高載荷控制指令上注效率等一系列動作實現(xiàn)測控需求快速響應。

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踐總結，依據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，確定了評估實施過程，設計了評估層級結構模型，提出了評估方法。評估方法中，先確定了評估指標，評估指標分為時間維度和空間維度，其中時間維度參數(shù)約束最強，是任務是否可開展的前提，需要重點評估，而后確定了評估標準。

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、制定評估指標和標準、分析處理數(shù)據和評估結論4類事件遞進展開。

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 快速評估實施過程

測控保障時間約束主要與3 個時間參數(shù)有關，即星載內存清除最早時間、星載內存清除最晚時間和載荷控制指令上注最晚時間。當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果，為本次任務開展提供決策。

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數(shù)據可服務于尚未開展待規(guī)劃的任務，對制定形成指揮決策的質量有著至關重要的作用[15,16]。當前工程化評估理論和工具尚未廣泛應用于天基信息支援活動，本文從利于評估開展和實踐的角度，采用層次分析法[17?19]，建立的評估層級結構模型如圖2 所示。各指標描述可基于量化或非量化狀態(tài)描述的歷史測控數(shù)據，運用統(tǒng)計評估方法獲得。

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

2.2.2 評估指標

在天基信息支援任務執(zhí)行期間，隨著任務進程持續(xù)推進，任務實施節(jié)奏會逐漸加快，該特殊條件下難以全面對各類指標進行信息采集與評估，因此需要重點分析對任務參考價值大、易使用、信息精簡的關鍵評估指標，使評估工作高效順利進行。根據這一特征要求，結合天基信息支援下測控保障特點，采用獨立性原則，評估指標主要包括兩方面：

①時間維度指標，用于表征任務實施在時限方面的要求，判定任務能否按計劃時間節(jié)點逐步完成；

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

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：

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)送關閉中繼測控發(fā)射機第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鍵分系統(tǒng)重要參數(shù)判讀完成所需的時間。

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

根據以上，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)據注入平均耗時tks，表示每塊載荷數(shù)據注入平均用時，表達式為：

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

②測控窗口時長NSJKS，表示測控裝備可跟蹤航天器的時間，表達式為：

式中：TGZJS為跟蹤結束時刻，TGZKS為跟蹤開始時刻。

③數(shù)據上注最長耗時Tmax，表示歷史測控保障中單次上注的最多數(shù)據塊數(shù)與單塊數(shù)據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)據注入量。

根據上述時間參數(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估時長tyg為：

式中：n表示本次待注入數(shù)據塊數(shù)。值得注意的是，其中星載內存清除耗時對于部分航天器只有在有星載內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。

為保證任務順利實施，在時間關系上需要滿足載荷控制指令上注預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，此指標記為C1。實際運行時，tyg、tck由系統(tǒng)在信息庫中數(shù)據分析得到，自動判定?？臻g維度評估指標有以下5項：

①航天器狀態(tài)C2，指在軌運行航天器各分系統(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的次數(shù)、成功率等。

④測控裝備任務表現(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數(shù)據注入完成情況。

2.2.3 評估標準

針對時間、空間指標內容，設計形成了評估標準，根據實際表現(xiàn)情況將標準劃分為Ⅰ階、Ⅱ階、Ⅲ階三種等級。通過制定評估指標及其評估標準，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)分數(shù)采用綜合分值表征，是依據在軌長期運行及管理要求，由管理人員根據在軌運行遙測數(shù)據綜合航天器測控、電源、控制、熱控、載荷等分系統(tǒng)運行狀態(tài)加權得到[20]。

為快速直觀反映測控保障能力，采用歸一化結果，每個指標按百分制，結合其權值得出。由于測控窗口滿足度C1、航天器健康狀態(tài)C2對任務成敗具有決定作用，設置為整個結果修正因子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，測控裝備任務表現(xiàn)C5、數(shù)據注入完成率C6為直接指標，權值大小采用綜合賦值法，在主要參考各指標在歷史任務中異常所占比率的基礎上，結合專家意見得出。權向量W可表示為：

綜合以上，測控保障能力綜合評分C計算公式為：

各指標及對應的具體量化標準如表2所示，其中，測控裝備任務表現(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準Table 2 Evaluation standards of TT&C support capabilities in space-based information support

因而，地基測控裝備任務表現(xiàn)C5可表示為：

對于天基測控裝備任務表現(xiàn)C5可表示為：

通過表2中量化指標計算，可以計算出歸一化的測控保障能力評估值C。按照設定的各階標準，總體上，C=0 時，應暫停任務；C＜80 分時，謹慎開展，C＞80分時，正常開展。

2.3 評估結論及建議

在確定評估指標后，通過地面系統(tǒng)數(shù)據信息庫，運用統(tǒng)計評估法，系統(tǒng)可自動、快速輸出各指標統(tǒng)計結果以支持操控人員決策，在得到綜合歸一化的評估結果之后，還需輸出每種標準對應的處置建議[21]，為地面操控人員活動提供具體依據，評估決策建議見表3。每個指標處置建議分為“暫停任務”“謹慎開展”和“正常開展”3 個等級，結合具體評估指標包含有更加詳細的操作建議。

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 評估應用實例

以想定天基信息支援下測控保障任務為輸入，以實際例行軌道數(shù)據代替載荷控制指令，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中產生的測控數(shù)據進行快速挖掘分析，對照表2 和表3 制定的標準，形成基于某次地基測控裝備的測控保障能力評估及對應處置建議。W1=0.85；W2=1；（C3,C4,C5,C6）=（84,100,87.69,100）

根據公式（1），可得C=79.82，說明本次任務整體上可謹慎開展，具體實施建議見表4。

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

根據本次實例評估結果，此次任務可以開展實施。但由于航天器近期參與任務頻度較低，可靠性和適應性未得到充分驗證，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)行任務期間需要密切關注航天器和測站狀態(tài)，及時響應異常。此外，單測站不滿足數(shù)據上注預估時間，為保證任務可靠完成，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)據注入存在一定風險，需要謹慎開展。

4 結束語

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構模型、評價指標。為快速直觀反映測控保障能力，采取加權疊加算法對各指標結果進行歸一化處理，每個指標按照百分制，權值大小采用綜合賦值法，在主要參考各指標在歷史任務失敗原因所占比率的基礎上，結合專家意見得出。實例驗證了本文提出的方法可快速完成測控保障能力評估，并提供對應的處置決策建議，為天基信息支援輔助決策提供依據。下一步主要工作為基于歷史測控數(shù)據，建立智能系統(tǒng)，得出更加詳細的評估結論及建議。

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

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