通信衛星在軌運行風險管理

摘要 衛星項目具有技術要求高、資金成本高、系統性強、風險性高等特點，隨著科技進步和通信需求增加，通信衛星的發展越來越得到重視。通信衛星在軌運行狀態是功能作用發揮的關鍵，分析在軌運行階段風險，對降低通信功能故障率和提高衛星運行穩定性具有積極作用。文章基于對通信衛星在軌運行風險管理方法的探究，分析了通信衛星功能需求和在軌運行需求，對通信衛星在軌運行進行風險識別；運用層次分析法對衛星系統、地面站等風險因素進行分析，得出風險等級；結合風險接受準則制定相應風險應對措施，以提高通信衛星在軌運行風險管理水平。

關鍵詞 通信衛星；在軌運行；風險管理

中圖分類號 V57 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0017-03

0 引言

隨著衛星技術發展進步和應用的擴展，通信衛星逐漸廣泛應用于政治、經濟、軍事、氣象等各個領域。通信衛星項目具有技術要求高、工藝復雜、投資金額大、系統性強、風險性高等特點，而且衛星發射之后，其在軌維修難度大，在軌運行期間出現故障對通信衛星功能作用發揮將產生重大影響。開展衛星在軌運行期間的風險管理研究，制定有針對性的應對措施，可降低在軌運行期間故障率，提高衛星運行效能。

衛星風險管理研究領域歷來是學者專家重視的領域。孫紀文等[1]針對環境減災二號A/B衛星特點，分析風險管理重難點，進行風險評估，給出了風險應對措施，有效降低了風險嚴重程度；肖荃益[2]從全壽命周期角度出發，構建北斗地基增強系統風險評價指標體系，并進行風險評價，研究結果能夠有效推廣北斗系統使用范圍。季業[3]利用在軌衛星控制系統歷史數據，利用BP神經網絡建立了風險等級預測模型。曾婷[4]利用貝葉斯網絡建立了衛星天線裝配的人機環風險耦合模型，并對風險因素進行重要度排序。任書儀[5]對低軌大型衛星運行過程中的碰撞風險進行分析。從以上研究內容可以看出，人們對衛星風險管理研究日漸重視，但是針對通信衛星在軌運行風險進行研究相對較少。該文提出的通信衛星在軌運行風險管理方法首先分析通信衛星功能需求和在軌運行需求，對通信衛星在軌運行進行風險識別；然后運用層次分析法對衛星系統、地面站等風險因素進行分析，得出風險等級；并以××通信衛星作為實例，進行在軌運行風險分析評估，最后結合風險接受準則，制定相應風險應對措施，進而提高通信衛星在軌運行風險管理水平。

1 在軌運行風險識別

通信衛星在軌運行風險識別的目的是全面、準確和系統地識別和分析通信衛星在軌運行風險事故的可能風險因素，能夠對在軌運行風險有更加直觀、準確的認識。當前，沒有相關歷史項目風險信息資料的風險識別方法主要有德爾菲法、頭腦風暴法和專家面談法。德爾菲法采取多輪次匿名反饋集中的形式，形成趨于一致的意見，有助于防止個人對結果產生不恰當的影響，增加數據準確性。頭腦風暴以會議的形式征求專家意見，有利于誘發更多的意見建議。專家面談法，以逐個征求專家意見的形式，獲得每個人的意見建議，綜合整理得出結論。為增加數據準確性，避免專家之間的意見相互影響，該文選擇德爾菲方法，由風險管理項目組選定相關專家，參考相關資料、研究成果等結合通信衛星在軌運行實際形成初步風險因素，然后采用匿名遠程函詢的方式收集專家意見，經過綜合整理后再匿名反饋給各位專家，再次征詢意見。如此反復，經過五輪反饋，專家意見趨于一致，進而為后續的風險分析與評價提供基礎。

德爾菲方法的優點：一是吸收了不同的專家預測，充分利用了專家的經驗和學識，具有資源利用的充分性。二是采用匿名或背靠背的方式，能使每一位專家獨立地做出自己的判斷，不會受到其他繁雜因素的影響，具有分析結論的可靠性。三是預測過程必須經過幾輪的反饋，使專家的意見逐漸趨同，具有最終結論的統一性。表1是根據德爾菲方法得到的通信衛星在軌運行階段風險因素清單。

2 在軌運行風險評估與風險評價模型建立

在得到通信衛星在軌運行風險因素清單后，需要進行風險評價。建立系統、科學的風險評估指標體系，是提高風險評價效率和得到正確風險評價結果的基礎。層次分析法是目前應用較為廣泛的指標權重計算方法，能夠解決多準則決策問題。層次分析法以逐層逐因素分析為核心，將復雜問題簡單化，是處理復雜化問題的有效方法。層次分析法將與決策問題息息相關、緊密聯系的原則分為目標層、準則層和方案層等層次，針對各層次因素進行定性定量分析。各風險因素在層次分析過程中具有不同的重要性，故需進行風險因素權重計算。建立通信衛星在軌運行風險評價模型的具體過程如下：

2.1 建立層次結構

層次結構建立過程共三層，分別為目標層、標準層和指標層。較為常見的為目標層，即研究過程預設的目標。標準層為目標層實現過程中的中間環節，一般由多層構成。指標層為相對具體的決策和措施。

2.2 建立判斷矩陣

指標層在目標層的衡量和判斷過程所占權重不同，決策者在進行指標相互對比過程中，通過專家調查建立決策矩陣B=（aij）n×n，定義為1～9，矩陣倒數為標度。

2.3 一致性判斷

一致性判斷能夠檢驗所求權重是否滿足相關要求，符合一致性要求才能作為所求權重使用。首先計算判斷矩陣的最大特征值，然后計算一致性指標CI，計算如式（1）所示。

（1）

式中，n——判斷矩陣的秩；λmax——判斷矩陣的最大特征值。利用CI計算RI，若RI＜0.1，則權重滿足一致性要求，否則需要重新構建判斷矩陣。

3 實例研究

××通信衛星為無線電通信中繼衛星，能夠實現地球與航天器之間、地球站之間的通信，按照運行軌道劃分為中軌道通信衛星。

3.1 風險評估指標體系建立

由于通信衛星在軌運行期間環境復雜多變，導致風險因素較多且相對復雜，在建立風險評估指標體系的過程中，難以將所有風險因素全部考慮其中，結合通信衛星在軌運行風險因素清單，根據系統性、獨立性、科學性、可操作性等指標體系建立原則，建立通信衛星在軌運行風險評估指標體系，如圖1所示。該評估指標體系包含3個一級指標和10個二級指標。

3.2 評估指標權重計算

目前指標權重計算方法較多，例如層次分析法、專家調查法、決策實驗室分析法和熵權法等，每種方法都有自身的適用條件和優勢特點。層次分析法是一種多層次權重解析結構分析法，將定性與定量結合，將人的思維過程數學化、模型化和規范化，更加便于接受。專家調查法圍繞某一主題或問題，征求有關專家或者權威人士的意見和看法。決策實驗室分析法通過系統中各要素之間的邏輯關系和直接影響矩陣，確定要素間的因果關系和每個要素在系統中的地位，是一種運用圖論和矩陣工具的系統分析方法。熵權法是一種客觀賦權方法，具有較高的適用性，可以結合一些其他的方法共同使用。結合通信衛星在軌運行風險實際，選擇目前應用最廣泛的層次分析法來計算風險評估指標權重。具體計算過程如下：

根據通信衛星在軌運行風險層次模型，結合研究問題實際，選擇5位領域專家進行指標評價，評價過程中運用“1～9標度法”，對各層次評估指標進行兩兩比較分析，給出對比值。建立的標準層D和指標層D1～D3的判斷矩陣如下：

通過Matlab軟件計算指標權重，計算結果為ωd1=0.21，ωd2=0.31，ωd3=0.48，一級風險指標最大特征值為3.054，經一致性檢驗，CI值為0.027，滿足一致性條件。然后，依次對衛星本體風險、衛星測控風險和通信干擾風險構建判斷矩陣。運用Matlab軟件計算風險評估指標權重，然后進行一致性檢驗，得出風險評估指標權重，經一致性檢驗，各指標權重均能通過檢驗。權重計算結果如下：

ωd1=（0.4，0.6）

ωd2=（0.3，0.11，0.15，0.24，0.2）

ωd3=（0.34，0.15，0.22，0.29）

基于一級、二級風險評估指標權重，得出通信衛星在軌運行風險評估指標體系權重如表2所示。

由表2可知，準則層中的通信干擾風險權重最大，為0.48；衛星測控風險為0.31；衛星本體風險為0.21；指標層中的自然因素風險最高，為0.164；數據程序風險權重最低，為0.034。

3.3 模糊綜合評價

將FUSS相關理論轉換為專家評語集進行通信衛星在軌運行風險評價，語義集為風險較小、風險小、風險適中、風險較高、風險極高，分別對應1、2、3、4、5。利用風險評估指標權重和專家評語集進行風險評價，共組織10位專家進行評價，將評價情況轉換為小數形式展現，評價情況如表3所示。

由表3能夠得出準則層隸屬矩陣，根據模糊評價向量計算公式Ci=BiRi求出準則層評價向量分別如下：

C1=（0.052 8，0.086 4，0.060 4，0.060 4，0）

C2=（0.009 2，0.108 1，0.147 6，0.041 7，0.003 4）

C3=（0.027 8，0.07，0.153 8，0.165 3，0.049 2）

根據最大隸屬度原則，衛星本體風險屬于較小，衛星測控風險屬于中度風險，通信干擾風險屬于較高風險。根據指標層模糊評價矩陣，推出準則層模糊綜合評價矩陣如下：

準則層權重向量如下：

ωD=（0.21，0.31，0.48）

故準則層模糊隸屬矩陣如下：

C=（0.027 3，0.085 3，0.132 2，0.104 9，0.024 7）

根據最大隸屬度原則，通信衛星在軌衛星風險屬于中度風險，需要針對性制定風險應對監控措施，降低風險水平至可接受范圍內。

4 風險管控措施

為有效地降低通信衛星在軌運行過程中可能發生的風險因素水平，避免通信業務被影響，要結合通信衛星在軌運行特點，針對已識別風險因素制定風險控制措施。

針對衛星本體風險，主要是從提高衛星自身可靠性、做好故障預防和提前變軌等方面著手；針對衛星測控風險，主要是從規范化衛星測控流程規定、加強自動化識別錄入、定期做好元器件檢查等方面著手；針對通信干擾風險，主要是從預測干擾時間、強化天線功能、空間環境播報等方面著手，整體降低通信衛星在軌運行風險水平。

5 結語

該文以××通信衛星在軌運行風險管理為例，基于風險識別、風險分析、風險評估和風險管控4個方面進行梳理分析，并提出針對性管控措施，可為通信衛星在軌運行風險管理提供參考。

作為一項典型的項目管理活動，通信衛星在軌運行風險管理是一個動態的、持續的過程，務必對其進行深入的分析和研究，采用將定性方法和定量方法相結合的形式，基于先進的企業風險管理理論，建立和完善風險評估、評價和決策體系，對通信衛星在軌運行風險實施全面、持續和有效的管理，減少因風險造成的損失，提高通信衛星在軌運行風險管理水平。

參考文獻

[1]孫紀文， 白照廣， 董筠， 等. 環境減災二號A/B衛星風險管理實踐[J]. 航天器工程， 2022（3）： 26-33.

[2]肖荃益. 北斗地基增強系統（GBAS）全壽命周期風險評價研究[D]. 廣漢：中國民用航空飛行學院， 2022.

[3]季業， 崔振， 徐菁宇， 等. 一種在軌衛星控制分系統風險等級預測方法[J]. 南京航空航天大學學報， 2021（S1）： 130-134.

[4]曾婷， 高帥， 孫富強， 等. 人機環耦合效應下衛星天線裝配概率風險分析[J]. 系統工程與電子技術， 2023（2）： 606-613.

[5]任書儀. 面向低軌衛星星座的軌道演化分析及碰撞風險研究[D]. 北京：中國科學院大學（中國科學院國家空間科學中心）， 2022.