衛星全壽命周期效費評價及優化方法

摘 要：為設計低成本、高效能的衛星，提出了一種衛星全壽命周期效費權衡優化方法，結合衛星不可修、在軌運行中可能存在降級使用等情況，建立了以ADC（availability， dependability， capacity）模型為基礎的全壽命周期效能評估模型，提出了多維度參數成本模型以評估衛星費用，開發了基于CAIV（cost as an independent variable）方法的效費優化模型及求解方法。以遙感衛星為例開展應用驗證，結果表明，所提出的方法可實現能力指標、可靠性和重量等衛星總體設計指標優化，為衛星方案論證、任務管理、全壽命周期費用管控等工作提供指導。

關鍵詞：全壽命周期;效能評估;費用評估;效費優化

中圖分類號：V423 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.018

Life cycle cost-effectiveness estimation and optimization method for satellite

ZHAO Jianyu1， WANG Jingyan1， CHENG Zhuo1， JIAO Jian2， CHENG Yao1

（1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China;

2. Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract：In order to design satellite with low cost and high effectiveness， an optimization method of life cycle cost-effectiveness for satellites is proposed in this paper. Since most satellites are unrepairable and their performances experience degradation in orbit， a life cycle effectiveness model based on ADC model is constructed. Then， a multidimensional parameter cost model is proposed to estimate the satellite cost. Finally， an optimization model and the solution method are developed by synthesizing the life cycle effectiveness model and the multidimensional parameter cost model based on CAIV. A remote sensing satellite is adopted to demonstrate the proposed method， the result suggests that this method could optimize the performance， reliability and weight indicators of satellite system， which might be applied for project design demonstration， task management， and life cycle cost control of satellites.

Key words：life cycle; effectiveness estimation; cost estimation; cost-effectiveness optimization

衛星在推動國民經濟建設和發展的作用日益凸顯，更加重視“低成本、高效能”的衛星設計理念，期望以最小的壽命周期費用實現效能最好，越來越注重衛星質量效益提升。這離不開對衛星全壽命周期的效能和費用開展權衡優化。

美國工業界武器系統效能咨詢委員會（WSEIAC）提出，系統效能是預期一個系統滿足一組特定任務的程度的度量［1］，可表達為可用性（availability）、可信性（dependability）與固用能力（capacity）的函數，即ADC模型。其中，可用性反映了系統初始狀態，可信性反映了系統正常執行任務的能力，兩者均與系統的任務可靠性和任務維修性相關;固有能力反映了系統完成最終任務的程度，與系統的功能、性能水平相關。在此基礎上，美國航空無線電研究公司、美國海軍、美國陸軍分別開發了ARINC模型、AN模型和AAM模型等一系列衍生模型用于武器裝備效能評估［2-5］。相比較而言，ADC模型更清晰、易理解，因此得到了廣泛應用和認可。我國在系統效能評估方面也開展了大量研究，其中ADC模型應用較為廣泛［2，6-7］。

同時，國內外對裝備采辦的經濟可承受性越來越重視。美國、歐洲、俄羅斯等國家和地區都有裝備研制和生產經費的估算方法研究。美國國防部提出了壽命周期費用（LCC）的概念，揭示了壽命周期費用發生和發展的規律［8］。數據表明，系統運行和支持成本可占成本的60％［9］，在研制階段提升產品可靠性有助于降低產品維護保養成本，從而降低總開銷。美國國防部頒布的采辦條例強調對系統可靠性的要求，提出把維修保障與裝備性能看成一個整體來采辦，加強費用估算和對LCC的管控［2］。美國國家航空航天局（NASA）將重量作為航天器費用估算的核心要素，提出了無人航天器成本模型（USCM）以及小型航天器成本模型（SSCM） ［10］。蘭德公司在大量統計數據基礎上提出了DAPCA模型，將飛機總費用表達為效能、重量和可靠度的對數線性函數，得到了廣泛應用［11］。我國頒布了費用估算相關標準［12］。

系統效能提升通常面臨研制經費有限的矛盾，因而需要對系統的費用和效益進行綜合權衡。歷史資料統計顯示：衛星方案論證驗證結束時，大約70％的系統全周期成本即被確定［13］。因此，有必要及早在衛星研制過程中開展效費優化，在保證效能的前提下降低研制成本。美國國防部采用以費用為獨立變量（CAIV）的方法對新型武器裝備作戰效能、費用和性能參數進行綜合優化，確定壽命周期內費用目標并進行費用控制［8］，在聯合直接攻擊彈藥（JDAM）項目、V-1B轟炸機改進項目進行了應用，取得了很好的效果［14］。

總結國內外經驗，可以看到：對衛星效費權衡優化是保證衛星效能、降低研制成本的有效手段，涉及效能評估、費用評估和效費優化等內容，如果在設計初期及早開展效費權衡優化有助于獲得低成本、高效能回報。這需要解決兩方面問題：

第一，如何根據衛星高可靠、不可維修的特點開展效費建模。當星上產品發生故障時，可能導致衛星長期降級使用，這與武器裝備差異較大。

第二，如何在衛星全壽命周期開展效費權衡優化工作、支持低成本、高效能衛星設計。這尚無成熟的經驗可以借鑒。

本文針對上述問題，建立一種衛星全壽命周期效費評價及優化方法，通過在方案階段優化性能參數、可靠性參數和重量參數等總體參數，為衛星成本控制和效能提升提供方法支撐。

1 衛星全壽命周期效能評價

1．1 可用性建模

1．2 全壽命周期可信性建模

1．3 能力建模

1．3．1 能力指標體系

1．3．2 基于層次分析法的能力評價

1．3．3 降級使用能力評價

2 費用評估

3 效費優化

4 案例應用

在遙感衛星方案優化設計階段，根據相似在軌衛星費用、重量、可靠性及能力指標數據，通過效能模型建模評估及費效權衡優化，對原設計方案提出改進建議。

衛星的可靠性和重量設計值及取值范圍見圖4。衛星能力指標設計值及取值范圍見圖5。

根據專家經驗，得到C1層能力指標和P層能力指標判斷矩陣，見表5～表8。各能力指標判斷矩陣一致性指標分別為0．003 6、0．017 6、0．038 6和0．017 6，通過一致性檢驗。

根據表3可得到P層能力指標總排序見表9。

經計算，衛星全壽命周期內效能變化見圖6。

在軌初期，衛星效能為7．98 2;隨著在軌時間增加，衛星故障率增加，導致衛星效能逐漸下降;到設計壽命末期，衛星效能為6．671 2，相比在軌初期，效能下降了19．64％。

針對費用模型構建，本案例采集了同類型衛星的費用數據樣本，擬合得到各分系統費用計算公式如下：

根據用戶對衛星可靠度和重量的要求，利用遺傳算法，對原設計方案進行優化。其中，運行參數為：種群數量200、交叉概率0．6、變異概率0．2、進化代數200。

遺傳算法進化次數和效費比、效能及費用的關系分別見圖7。從圖中可以看出，隨著進化次數增加，衛星效能和效費比不斷提高，衛星費用不斷減少，最終收斂到一個優化的解。

衛星優化后重量和可靠性指標相對優化前的變化百分比見圖8，優化后性能指標相對優化前的變化百分比見圖9。優化后衛星效費比提高了23．35％。衛星能力指標、分系統可靠度和重量分配反饋給設計師，供衛星設計優化和費用管控參考。

5 技術應用

根據衛星研制特點，本文提出技術應用建議：將全壽命周期劃分為研制階段、運營階段和離軌階段，從數據層、模型層、技術層、工程目標、用戶等5個維度，提出了衛星效費權衡優化總體方案，如圖10所示。

用戶期望衛星實現低成本、高效能的需求，這要求設計人員在全壽命周期各階段結合衛星特點，制定合適的工程目標，并在工程目標牽引下，開展針對性的效費權衡優化工作。

在研制階段，工作目標是支撐方案論證和研制費用管控。需要收集衛星設計要求、歷史費用數據、專家經驗等數據，在此基礎上構建效費評估模型，開展效能評估、費用評估工作。通過實施效費優化對重要性能指標、重量、費用等進行分配，為方案擇優和研制費用管控提供參考。

在運營階段，工作目標是支持在軌任務管理和運營費用管控。需要持續采集衛星在軌遙測數據，包括性能數據、故障數據等，對衛星的性能參數和可靠性參數進行修正。之后再次開展效能評估和費用評估，對方案設計結果進行校正，以及評估衛星全周期內效能變化趨勢，為在軌任務管理和運營費用管控提供準確依據。

在離軌階段，工作目標是支撐新研衛星論證。需要收集、整理衛星效能、故障數據、費用決算數據等，分別比對用戶滿意度與效能評估結果、費用決算與費用評估結果，修正效費評估模型，減小模型誤差，支撐新研衛星方案論證。

6 結束語

本文圍繞低成本、高效能衛星的發展需求，開展了衛星全周期效費權衡優化技術研究，提出了開展效費評估、費用評估和效費優化的技術方案。針對衛星不可修、降級使用等特點，確定并建立了以ADC效能模型為基礎的衛星效能分析模型;開發了用于衛星費用分析的多維度參數成本模型;基于CAIV方法，并結合工程實際特點，建立了效費優化模型，利用遺傳算法生成最優設計方案。

本文以遙感衛星為案例，開展方法應用驗證。結果表明，本文提出的方法能夠有效評估在軌衛星的效能，并為在研衛星的能力指標、可靠性和重量三類總體指標優化設計提供指導。

后續可進一步開展如下兩方面的研究：

（1）衛星能力指標體系精細化建模。可采集不同類型衛星性能參數，利用聚類分析、主成分分析等方法，建立覆蓋全面、代表性強、客觀性好的衛星能力指標體系，更為準確反映衛星實際能力。

（2）在軌數據深度挖掘。可充分利用在軌遙測得到的單機壽命數據和性能退化數據，開展數據融合分析，利用貝葉斯等可靠性評估理論得到各級產品可靠度，完善效能模型、費用模型和優化模型，為效費權衡優化提供更有力的支撐。

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（責任編輯：李楠）