BDS測控系統監測評估指標體系設計

王星宇，徐冰霖，陳星伊，汪　濤

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，陜西 西安　710043；2.西安衛星測控中心，陜西 西安　710043)

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BDS測控系統監測評估指標體系設計

王星宇1，2，徐冰霖2，陳星伊1，2，汪濤2

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，陜西 西安710043；2.西安衛星測控中心，陜西 西安710043)

為了提升BDS測控系統現有運行效能和服務性能，針對測控系統的實際運行狀況，結合對導航性能產生直接影響、反映測控系統能力、反映衛星測控系統效能等原則，建立了一套BDS測控系統監測評估指標體系：闡述了采用層次分析法分析各評估指標權重的具體實現；通過功效系數法對測控系統進行綜合評估和分析，為BDS測控管理監測評估工作提供了一種定量和定性相結合的決策方法。BDS長期在軌管理工作實踐表明，該監測評估指標體系的建立能夠對測控系統穩定運行提供幫助。

北斗系統；測控；監測評估；指標體系；層次分析法

0　引言

北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)已經正式提供導航服務。為了保證系統提供全天時、全天候良好服務，已經在服務層面開展了監測評估工作，全面評價系統服務性能。文獻[1]提出了全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)開放服務的監測與評估，可以為導航用戶在使用服務時提供可靠的決策支持信息，從而最大限度地減少可能產生的不利影響；但在BDS測控系統的監測和評估方面卻仍未發現相關研究，對BDS測控系統開展監測評估的研究勢在必行。

本文對BDS測控系統的監測評估工作進行初步探索，運用層次分析法構建了一套BDS測控系統監測評估指標體系。層次分析法是美國運籌學家Satty于20世紀70年代中期提出的一種層次權重決策分析方法。該方法定性分析和定量分析相結合，能夠將主觀判斷為主的定性分析進行量化，顯示各方案的差異性[2]；同時通過權重分析確定各個目標在項目總體評價方面的重要性，克服了傳統方法無法直觀、簡潔地分析和描述系統特點的缺陷[3-5]。

1　監測評估體系構建的原則

建立BDS測控系統監測評估指標體系之前，應該首先確認體系構建的原則。根據測控系統與導航服務的關系及測控系統在衛星導航系統中承擔的職責，同時參考建立區域性金融風險監測評估體系的經驗[6]，制定體系構建的基本原則為：1)直接性，指所選指標要直接反映影響導航服務性能的情況；2)相關性，指設定的指標能夠收集、操作性強、相關聯程度高；3)科學性，指監測評估指標體系的設計要科學合理、簡單易行、便于操作；4)突出能力，指所選指標要全面反映測控系統的能力；5)體現效能，指所選指標要反映測控系統的效能。

2　體系設計

2.1層次分析法的原理

層次分析法是指將一個復雜的決策問題分解為不同的組成因素，將這些因素按目標、準則、措施(方案、手段)等分類，構造一個反映各因素間隸屬關系和關聯程度的遞階層次模型；通過一系列成對比較的評判來得到各個評價對象在某個準則之下的相對重要的量度；將這種評判轉換成數字處理，構成判斷矩陣，然后使用單準則排序計算方法便可獲得這些方案或措施在該準則下的優先度排序。通過層次的遞階關系，可以計算出各個對象對最高目標的總排序權重，根據結果進行規劃決策和選擇解決問題的途徑[7]。層次分析法的步驟一般為：

1)構造遞階層次結構。

首先要把復雜的問題分解為各組成元素，按元素的屬性不同分為若干組，以形成有序的遞階層次結構。

2)建立判斷矩陣。

判斷矩陣是以上一層的某一要素作為判斷準則對下一層要素進行兩兩比較來確定矩陣元素值。通常按照文獻[2]提出的1～9判斷矩陣標度原則(見表1[2])對因素層和子因素層間各元素的相對重要性給出判斷，得到矩陣A。A的元素aij表示同一層次中第i個因素相對于第j個因素的相對重要性比較結果。對于一個遞階層次結構，從目標層到子因素層有幾個隸屬關系，就要建立幾個判斷矩陣。

表1　1～9標度表

3)層次單排序及一致性檢驗。

構造好判斷矩陣后，通過對每一個判斷矩陣求解最大特征根λmax及對應特征向量W得出針對某一準則層各元素的相對權重。為驗證判斷矩陣的合理性，需要由求解出的λmax檢驗判斷矩陣是否存在嚴重的非一致性，一致性檢驗可以通過求解一致性比率CR完成，即：

(1)

(2)

式中：CI為一致性指標；CR為一致性檢驗率；RI為隨機一致性指標(見表2[2])。

表2　RI隨機一致性指標標準值

當CR≤0.1時，特征向量進行歸一化處理后得到向量Ei，其各分量即為某一層次指標對于上一層次某相關指標的相對重要性權值；若CR>0.1，則認為該判斷矩陣不滿足一致性要求，需根據矩陣標度原則重新評價，直到通過檢驗為止。

2.2BDS測控系統監測評估指標體系

按照指標體系構建的基本原則，綜合測控領域專家的經驗和判斷，并結合測控領域從業人員的充分討論，建立如表3所示的BDS測控系統監測評估指標體系。

2.3指標權重的確定

2.3.1一級指標權重的確定

1)確定目標A和一級指標Bi：A=BDS測控系統運行情況；Bi={B1，B2，B3}。

2)構造A-Bi(i=1，2，3)判斷矩陣，如表4所示。

表3　BDS測控系統監測評估指標體系

表4　A-Bi 判斷矩陣

3)計算判斷矩陣每行所有元素幾何平均值為：

(3)

(4)

(5)

式中Wi為第i行元素的幾何平均值。

4)歸一化求特征向量為：

(6)

(7)

(8)

式中Ei為第i行元素的歸一化值。

5)計算判斷矩陣最大特征根。記A-Bi層次判斷矩陣為AW，則有：

(9)

(10)

式中λmax為矩陣AW最大特征根。

6)一致性檢驗

(11)

查表得RI≈0.58(n=3時)，因而有

(12)

2.3.2二級指標權重的確定

1)B2-Ci判斷矩陣，如表5所示。

表5　B2-Ci判斷矩陣

最大特征根λmax=4.016，一致性檢驗率CR=0.005 9。

2)B3-Ci判斷矩陣，如表6所示。

表6　B3-Ci判斷矩陣

最大特征根λmax=4.233，一致性檢驗率CR=0.086 4。

2.4排序

通過確定二級指標層相對于總目標的權重得到9個指標的重要性排序為：C1>C2=C3>C6>C7>C4>C5>C8>C9。單星導航不可用時間直接影響導航系統性能，在BDS測控管理中應該重點監測、定期評估，并不斷優化，提高測控系統服務用戶的能力和水平。

2.5綜合評估

BDS測控系統監測評估指標體系中每一個指標都只能反映測控系統某個方面的運行情況，要全面監測評估整個測控系統的運行情況，還必須對其進行綜合評估。對于可測量數值的指標，可以采用功效系數法。該方法對每個評估指標設置2個數值，一個是滿意值(歷史最優值)，另一個是和不允許值(歷史最差值)，可用式(13)或式(14)計算出每個指標的功效系數——對于無法直接測量的指標，由行業內專家進行打分，確定其單項指標功效系數為：

(13)

(14)

式中：D表示指標功效系數；Zy表示指標最優值；Zc表示指標最差值；Zl表示指標測量值。

通過對體系內所有指標的功效系數進行加權算術平均，可以計算出BDS測控系統監測評估指標體系綜合功效系數。根據計算結果，可以采用表7的評價結果進行分析，進而對測控系統運行情況進行評估。綜合功效系數的計算過程如圖1所示。

表7　評價結果表

圖1　綜合功效系數的計算流程

3　指標體系的應用

根據建立的BDS測控系統監測評估指標體系以及運用層次分析法確定的權重，選擇2015-01至2015-08期間BDS測控系統運行的數據進行測評。通過計算和專家評判，得出二級指標的功效系數，具體如表8所示。根據各指標權重進行綜合功效計算，綜合功效系數為92.13。

表8　二級指標功效系數表

通過以上得出的綜合功效系數及各個二級指標的功效系數分析可見：BDS測控系統的綜合評價為優等，說明BDS測控系統運行情況優秀；同時也看到測控管理人員效率、軌道確定效率及軌道確定能力等指標處于良等，說明這些方面還有進一步提升的空間。

4　結束語

本文從BDS衛星導航系統持續穩定運行的需求出發，遵循體系構建原則，建立了BDS測控系統監測評估指標體系。指標體系涵蓋了BDS測控系統的各個方面，能夠對測控系統運行進行客觀評估：運用層次分析法確定了各個指標權重，并進行排序，避免了指標權重確定隨意性大的弊端；同時說明各個指標在系統運行中有主次之分，能夠為集中有限力量，突出重點、分清主次抓測控系統建設提供參考。使用功效系數法對BDS測控系統開展監測評估，結合指標權重進行綜合評估和分析，并指出后續測控系統建設的努力方向，為推動測控系統不斷改進和完善、提升測控系統的服務性能發揮作用；但采用層次分析法確定指標權重以及指標功效系數時，由于其打分過程中存在較多的主觀因素，會對監測評估結果有一定影響：因此指標選取和評估的方法仍然需要進一步完善。

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Design on monitoring and evaluation indicator system of BDS measurement and control system

WANG Xingyu1，2，XU Binglin2，CHEN Xingyi1，2，WANG Tao2

(1.Key Laboratory for Fault Diagnosis and Maintenance of Spacecraft in Orbit，Xi’an， Shaanxi 710043，China；2.Xi’an Satellite Control Center，Xi’an， Shanxi 710043，China)

In order to improve the evaluation and service effectiveness of BDS measurement and control system，the paper based on actual situation of the system，combined with the principles of direct impact on navigation performance and reflection of the measurement and control efficiency，built up and applied a set of indicators for monitoring and evaluation the BDS measurement and control system：the indicators weight was analyzed with AHP，the measurement and control system was comprehensively evaluated with efficacy coefficient method，which would provide a quantitative and qualitative decision-making way for BDS measurement and control.Result of practical application showed that the indicator system could help the stable operation of BDS measurement and control system.

BDS；measurement and control；monitoring and evaluation；indicator system；analytic hierarchy process

2016-10-20

王星宇(1979—)，男，陜西富平人，本科學歷，工程師，研究方向為航天器測控管理。

簡介：陳星伊(1984—)，女，山東淄博人，碩士，工程師，研究方向為航天器測控管理。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160308.

P228

A

2095-4999(2016)03-0035-05

引文格式：王星宇，徐冰霖，陳星伊，等.BDS測控系統監測評估指標體系設計[J].導航定位學報，2016，4(3)：35-39.(WANG Xingyu，XU Binglin，CHEN Xingyi，et al.Design on monitoring and evaluation indicator system of BDS measurement and control system[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：35-39.)