一种天基信息支援测控保障能力快速评估方法

张国云，王大鹏，韩海涛，陈庆亚，王鼎蔚，任鹏飞

（航天器在轨故障诊断与维修重点实验室 西安 710043）

引言

当前，越来越多的国家或国际突发性、紧急性的军民活动，对天基信息支援时效性要求不断增强[1−4]。天基信息支援从任务规划开始，经过测控（Telemetry,Tracking,and Command,TT&C）资源调度、航天器载荷指令上注、数据传输等多个过程完成信息获取，整个流程要求在小时级甚至分钟级时限内完成，任务窗口缩短至近乎实时。航天器载荷指令上注是整个任务实施的关键环节，低轨航天器测控弧段通常只有10 分钟左右，除去地面装备建立星地间稳定状态所需的时间，有效上注时间更短，所以载荷指令上注往往是任务实施中风险较大的环节，需要加强保障。因此，任务实施前对航天器运行状态及地面测控保障系统能力进行快速评估，显得十分必要。由于评估过程对时效性要求较高，那么就要尽可能地简洁高效，概略且及时的评估结论比准确但延滞的结果更有助益[5−7]。

天基信息支援下测控保障能力快速评估一般包括航天器健康状态评估、测控装备保障能力评估两方面。航天器健康状态评估方面，刘帆等人[8]已建立天基信息支援前航天器平台重点参数状态评估，实现了健康状态评估报告自动生成和快速推送，可辅助操作员快速研判得出载荷健康的评估结论，进而支持决策活动。测控装备保障能力评估方面，当前研究主要集中于装备自身测控保障能力的评估，包括测控装备健康评估和抗干扰能力评估等方面[9,10]。而在任务层面，结合天基信息支援任务特点，以及影响任务执行的因素，对测控保障能力评估的研究还相对欠缺，缺乏快速评估方法与工具支持，难以得出定量结论与决策建议，使得测控流程环节难以提供快速、高效、灵活的保障，一定程度上降低了测控执行效率和成功率。评估方法方面，归一化的量化结果可以综合反映多因素的综合影响[11]，可用于测控保障能力快速评估。

本文综合航天器状态、航天器参与度、测控装备参与度、测控装备任务表现、测控窗口满足度、数据注入完成度等因素，通过合理确定各因素权值，建立了测控保障能力评估归一化参数，为天基信息支援决策提供了支撑。

1 天基信息支援测控保障特点及流程

1.1 测控保障特点

天基信息支援下测控支持主要表现出时效性要求高、制约因素多、逻辑约束强、流程环节多等显著特征[12−14]。

①时效性要求高。由于事件突发性强，导致任务执行紧急，从受领任务到测控保障实施，要求在很短时间内完成。

②制约因素多。受限于航天器工作模式、星上载荷工作状态、存储容量、能源管理等多约束条件，测控保障实施难度大。

③逻辑约束强。载荷控制指令存在关联块和独立块，即多个观测任务之间存在先后关系或互斥关系；星载内存清除和数据上注有时限要求等。

④流程环节多。测控全流程包括需求受理及信息解析、资源分析调配、测控支持能力分析、任务环境建立、多约束条件遥控作业编制、载荷指令注入、故障预案制定等一系列动作。

1.2 测控保障流程

天基信息支援下测控保障流程主要有测控需求信息快速获取、资源快速调配、测控装备保障能力快速评估、测控环境快速建立、载荷控制指令快速上注等关键环节，具体如图1所示。

图1 天基信息支援下测控流程Fig.1 TT&C process of space-based information support action

考虑到天基信息支援下测控保障特点，通常可通过优化航天器和测站资源调度流程、消解任务冲突、建立不间断运行任务环境、提高载荷控制指令上注效率等一系列动作实现测控需求快速响应。

2 测控保障能力快速评估方法

基于历次天基信息支援下测控实践总结，依据时序和事件逻辑匹配一致性原则，将整个评估流程拆解为5 个步骤。基于5 个步骤，确定了评估实施过程，设计了评估层级结构模型，提出了评估方法。评估方法中，先确定了评估指标，评估指标分为时间维度和空间维度，其中时间维度参数约束最强，是任务是否可开展的前提，需要重点评估，而后确定了评估标准。

2.1 快速评估流程建立

整个评估流程整体划分为5个步骤，见表1。5个步骤按照匹配测控时间窗口、确定评估窗口和框架、制定评估指标和标准、分析处理数据和评估结论4类事件递进展开。

表1 天基信息支援下测控保障能力快速评估流程Table 1 Rapid evaluation process of TT&C support capabilities in space-based information support

2.2 快速评估实施过程

测控保障时间约束主要与3 个时间参数有关，即星载内存清除最早时间、星载内存清除最晚时间和载荷控制指令上注最晚时间。当测控资源满足时间约束匹配成功且载荷控制指令确定后，按照评估流程，开展后续评估，得出航天装备测控能力评估结果，为本次任务开展提供决策。

2.2.1 评估框架模型及方法确定

天基信息支援下测控保障形成的历史测控数据可服务于尚未开展待规划的任务，对制定形成指挥决策的质量有着至关重要的作用[15,16]。当前工程化评估理论和工具尚未广泛应用于天基信息支援活动，本文从利于评估开展和实践的角度，采用层次分析法[17−19]，建立的评估层级结构模型如图2 所示。各指标描述可基于量化或非量化状态描述的历史测控数据，运用统计评估方法获得。

图2 天基信息支援下测控保障能力评估层级结构模型Fig.2 Evaluation hierarchy model of space-based information support capabilities

2.2.2 评估指标

在天基信息支援任务执行期间，随着任务进程持续推进，任务实施节奏会逐渐加快，该特殊条件下难以全面对各类指标进行信息采集与评估，因此需要重点分析对任务参考价值大、易使用、信息精简的关键评估指标，使评估工作高效顺利进行。根据这一特征要求，结合天基信息支援下测控保障特点，采用独立性原则，评估指标主要包括两方面：

①时间维度指标，用于表征任务实施在时限方面的要求，判定任务能否按计划时间节点逐步完成；

②空间维度指标，表征历次天基信息支援任务中航天装备参与次数、实际表现、执行情况及原因等内容，该类指标对待规划任务的实施策略制定、情况研判有重要指导意义。

按照测控保障流程环节划分，天基信息支援下测控保障包含的执行类时间参数主要有4项：

①全向中继测控遥测下传时长TZJCYC，指从盲发打开中继测控发射机第1条指令至地面收到下传遥测的时间。

②全向中继测控遥测停传时长TZJTYC，指从发送关闭中继测控发射机第1条指令至地面未收到星上下传遥测的时间。

③航天器健康状态检查时长TJKJC，指地面收到遥测至关键分系统重要参数判读完成所需的时间。

④星载内存清除时长TNCQC，指星载内存清除指令发出至完成清除内容所需的时间。

根据以上，天基信息支援下测控保障主要时间约束量各执行时间可量化为：

①单块数据注入平均耗时tks，表示每块载荷数据注入平均用时，表达式为：

式中：ti为每块数据上注用时，NSJKS为注入数据块总数。

②测控窗口时长NSJKS，表示测控装备可跟踪航天器的时间，表达式为：

式中：TGZJS为跟踪结束时刻，TGZKS为跟踪开始时刻。

③数据上注最长耗时Tmax，表示历史测控保障中单次上注的最多数据块数与单块数据注入平均耗时的乘积：

式中:Tmax为注数最大耗时，nmax为历史最大数据注入量。

根据上述时间参数，可以得到天基信息支援下测控保障载荷控制指令上注的预估时长tyg为：

式中：n表示本次待注入数据块数。值得注意的是，其中星载内存清除耗时对于部分航天器只有在有星载内存清除要求的情况下才考虑；全向中继测控遥测下传时长、全向中继测控遥测停传时长仅适用于中继测控的情况。

为保证任务顺利实施，在时间关系上需要满足载荷控制指令上注预估时长小于测控跟踪窗口时长（tyg＜tck），该条件是测控保障成功执行的前提条件，此指标记为C1。实际运行时，tyg、tck由系统在信息库中数据分析得到，自动判定。空间维度评估指标有以下5项：

①航天器状态C2，指在轨运行航天器各分系统健康状态。

②航天器参与度C3，指航天器参与天基信息支援任务的历史次数、成功率等。

③测控装备参与度C4，指航天测控装备参与天基信息支援任务的次数、成功率等。

④测控装备任务表现C5，指测控装备系统捕获速度、跟踪稳定性、链路误码率等参数。

⑤数据注入完成率C6，指测控装备最近5 次参与天基信息支援任务数据注入完成情况。

2.2.3 评估标准

针对时间、空间指标内容，设计形成了评估标准，根据实际表现情况将标准划分为Ⅰ阶、Ⅱ阶、Ⅲ阶三种等级。通过制定评估指标及其评估标准，从整体上形成了一套简洁有效的天基信息支援下测控保障能力评估框架。其中，航天器健康状态分数采用综合分值表征，是依据在轨长期运行及管理要求，由管理人员根据在轨运行遥测数据综合航天器测控、电源、控制、热控、载荷等分系统运行状态加权得到[20]。

为快速直观反映测控保障能力，采用归一化结果，每个指标按百分制，结合其权值得出。由于测控窗口满足度C1、航天器健康状态C2对任务成败具有决定作用，设置为整个结果修正因子W1、W2，取值为0、0.85、1 分别表示完全不满足、基本满足、完全满足。航天器参与度C3、测控装备参与度C4为客观间接指标，测控装备任务表现C5、数据注入完成率C6为直接指标，权值大小采用综合赋值法，在主要参考各指标在历史任务中异常所占比率的基础上，结合专家意见得出。权向量W可表示为：

综合以上，测控保障能力综合评分C计算公式为：

各指标及对应的具体量化标准如表2所示，其中，测控装备任务表现C5需遥控稳定锁定耗时t秒（地基：0

表2 天基信息支援下测控保障能力评估标准Table 2 Evaluation standards of TT&C support capabilities in space-based information support

因而，地基测控装备任务表现C5可表示为：

对于天基测控装备任务表现C5可表示为：

通过表2中量化指标计算，可以计算出归一化的测控保障能力评估值C。按照设定的各阶标准，总体上，C=0 时，应暂停任务；C＜80 分时，谨慎开展，C＞80分时，正常开展。

2.3 评估结论及建议

在确定评估指标后，通过地面系统数据信息库，运用统计评估法，系统可自动、快速输出各指标统计结果以支持操控人员决策，在得到综合归一化的评估结果之后，还需输出每种标准对应的处置建议[21]，为地面操控人员活动提供具体依据，评估决策建议见表3。每个指标处置建议分为“暂停任务”“谨慎开展”和“正常开展”3 个等级，结合具体评估指标包含有更加详细的操作建议。

表3 天基信息支援下测控保障能力评估决策建议Table 3 Suggestions to decision-making of TT&C support capabilities in space-based information support

3 评估应用实例

以想定天基信息支援下测控保障任务为输入，以实际例行轨道数据代替载荷控制指令，基于天地基测控装备开展保障能力评估活动。对历史测控保障任务中产生的测控数据进行快速挖掘分析，对照表2 和表3 制定的标准，形成基于某次地基测控装备的测控保障能力评估及对应处置建议。W1=0.85；W2=1；（C3,C4,C5,C6）=（84,100,87.69,100）

根据公式（1），可得C=79.82，说明本次任务整体上可谨慎开展，具体实施建议见表4。

表4 天基信息支援下测控保障能力评估结果Table 4 Evaluation results of TT&C support capabilities in space-based information support

根据本次实例评估结果，此次任务可以开展实施。但由于航天器近期参与任务频度较低，可靠性和适应性未得到充分验证，同时地面测站系统捕获速度比理想状态略慢，有一定误码率，因此在执行任务期间需要密切关注航天器和测站状态，及时响应异常。此外，单测站不满足数据上注预估时间，为保证任务可靠完成，需要提前安排双站接力跟踪，延长测控时间窗口，提高数据上注成功率，若不能安排双测站接力跟踪，则需要告知用户数据注入存在一定风险，需要谨慎开展。

4 结束语

天基信息支援下测控保障能力快速评估中，采用层次分析法建立了评估层级结构模型、评价指标。为快速直观反映测控保障能力，采取加权叠加算法对各指标结果进行归一化处理，每个指标按照百分制，权值大小采用综合赋值法，在主要参考各指标在历史任务失败原因所占比率的基础上，结合专家意见得出。实例验证了本文提出的方法可快速完成测控保障能力评估，并提供对应的处置决策建议，为天基信息支援辅助决策提供依据。下一步主要工作为基于历史测控数据，建立智能系统，得出更加详细的评估结论及建议。

同时，为更直观表示评估结果，评估系统除了输出综合分数及建议外，还输出能力雷达图，可视化显示每项指标评估情况，对评估指标的消涨情况，一目了然，辅助地面操控人员快速决策与应对。测控保障能力评估雷达图如图3所示。

图3 测控保障能力评估雷达图Fig.3 Evaluation radar chart of TT&C support capabilities