功能可重構衛星載荷測試評估方法

李宇恒

摘 要 載荷測試評估是衛星載荷研制的重要組成部分，貫穿了衛星整個研制過程。本文基于功能可重構衛星載荷具有軟件定義功能和功能可重構的特點，重點研究載荷測試評估方法，提出了具有針對性的測試流程和基于模糊數學理論的效能評估算法，并以某類功能可重夠載荷為例，對測試流程和效能評估算法的使用進行了說明。文章最后對效能評估算法的優化和改進提出了想法和思路。

【關鍵詞】功能可重構衛星載荷 測試流程 效能評估

功能可重構衛星載荷是以高度的模塊化和系統結構的層次化為基礎，采用開放化的系統架構和總線結構，最大限度地復用同類型的模塊、部件和元器件，強調多功能協同工作，各項指標平衡，通過數據融合達到綜合應用性能指標最優。本文將重點研究功能可重構載荷指標測試流程的設計和效能評估方法。指標測試流程是基于對功能可重構載荷不同類型指標進行分類，分別映射入地面測試階段、在軌測試階段，要求映射關系準確、測試邏輯緊密。效能評估算法是基于模糊數學理論的模糊綜合評價方法。本文最后，以某類功能可重構載荷為例，對設計出的指標測試流程和效能評估算法進行了說明，并對評估算法的改進提出了思路想法。

1 測試評估方案

1.1 測試評估環境組成

測試評估環境由通用測試儀器、目標與環境模擬器、在軌配試系統、測試評估軟件四部分組成。測試評估環境各設備間通過通信總線相連，由測試軟件控制完成載荷自動測試。測試評估環境組成如圖1所示。測試評估環境各部分功能如表1所示。

1.2 測試流程設計

對于在軌功能可重構的綜合化衛星載荷，其測試內容應分為：載荷物理指標測試、載荷功能指標測試、載荷功能重構指標測試三類。測試流程應按照指標類型和測試場景兩個維度進行分析。

1.2.1 按指標類型分析

物理設備被不同功能軟件調用，是功能實現的基礎，所以物理指標測試應先行與其它測試。被測試的物理指標包括：天線指標（天線形式、工作頻率、帶寬、極化方式、EIRP、G/T、瞬時帶寬、靈敏度、波束覆蓋范圍等）；信號傳輸信道及交換指標（傳輸速率、誤碼率、通道幅度一致性、相位一致性、交換網絡規模、交換容量、端口速率、傳輸時延等）；信號及數據處理指標（硬件架構、軟件架構、輸入＼輸出能力、浮點運算能力等）；管理控制指標（系統監控能力、任務調度能力、數據存儲能力等）；電源能力（充電功率、放電功率、充電時間、放電時間、輸出電壓、充放電循環次數、熱耗等）。

當物理設備經測試達到指標要求時，可開展載荷功能指標測試。功能實體是部署于物理設備上的功能軟件，通過軟件算法和功能管控借助不同載荷硬件實現用戶需求的某類功能。被測試的功能指標包括例如：信號偵查類功能指標（對象類型、瞬時帶寬、定位精度）；微波成像類指標（系統靈敏度、分辨率/幅寬、定位精度）；通信、網絡類功能（信息傳輸速率、傳輸體制、路由表容量、路由交換能力、支持協議類型、同時接入用戶數量等）。

當不同功能經測試達到指標要求時，可開展功能重構指標測試。功能重構過程由系統管控控制，涉及功能軟件上注、功能軟件卸載、功能軟件加載、藍圖部署等內容。功能重構指標包括（任務調度種類、任務指令解譯響應時間、任務切換響應時間等）。載荷指標測試流程—按指標類型分類如圖 2（a）所示。

1.2.2 載荷指標測試流程—按測試場景分類

載荷指標測試按測試場景劃分為：地面有線測試、地面無線測試段、在軌測試。地面有線測試成本低、代價最小，原則上應對載荷物理、功能、重構等所有指標進行測試，及時發現軟件、硬件問題，調整設計方案。地面無線測試基于對載荷在軌工作無線信道環境和配試對端狀態的模擬，應重點對載荷天線指標、功能指標、功能重構指標進行測試。在軌測試關注點一是載荷功能指標，系統管控收集并下傳各功能信號處理前、信號處理后、數據處理后等階段遙測數據至地面中心，地面中心對數據進行分析、對比，及時更新、升級功能軟件算法并上注至載荷。另外，在軌測試應驗證載荷功能重構指標。載荷指標測試流程—按測試場景分類如圖 2（b）所示。

1.2.3 載荷指標與測試場景映射關系

通過1.2.1和1.2.2節描述，可將不同類型指標測試映射入不同測試場景。其中，物理指標測試重點安排在地面有線和地面無線測試過程，是否需要在軌測試可由項目總體決定。功能指標測試重點安排在地面有線、地面無線測試和在軌測試。其中，地面有線測試通過信號直接注入方式測試功能算法有效性和系統管理控制能力。功能重構指標是由載荷管控硬件能力、任務調度算法、天地測控回路數傳能力共同決定的，因此該指標測試應安排在全部測試場景。不同類型待測指標與測試場景的映射關系如圖 3所示。

1.3 效能評估算法

本文提出一種基于模糊數學理論的模糊綜合評價方法，以量化的隸屬度作為功能的效能評估值，通過對不同功能隸屬度向量的加權計算得出系統效能評估結果。對系統進行模糊綜合評價一般分為四個階段：

（1）確定效能指標集和評價等級集。

（2）計算每個指標對于不同評價等級的隸屬度。

（3）確定每個指標對頂層指標的影響程度，即權重值。

（4）根據所有底層指標計算系統指標對于評價等級的隸屬程度。

模糊綜合評價算法具體過程如下：

（1）首先對系統進行深入分析，盡可全面的找出能夠描述系統效能的指標，確定指標集：

U={u1，u2，….um}，其中ui表示指標集中的第i個指標

中國數字測繪產品檢查和質量評估規范中規定了四種評估等級：優（v1），良（v2），一般（v3），差（v4），參照該規范可以建立評語集：

V={v1，v2， v3 ， v4 }

（2）建立底層指標的隸屬函數g（t），隸屬函數表明該等級指標在取某值得條件下，隸屬于不同評價等級的程度。通過將底層指標測試值代入隸屬函數g（t），不同類型和度量單位的底層指標被映射到統一的[0，1]量綱空間，以便進一步綜合評估。實際情況下，指標隸屬函數的確定需要依據專家經驗和歷史數據等。隸屬度矩陣如下，其中rij表示ui對vi的隸屬程度：

2 方案驗證

2.1 測試流程

將某功能可重構衛星載荷待測指標分為物理指標，包括：天線指標、交換指標、信號處理指標、數據處理指標、任務管控指標、數據存儲指標等；功能指標分為信號偵察、微波成像、通信網絡指標。另外，基于該系統的在軌功能可重構特性還包括功能重構指標。基于1.2.3節測試指標與測試場景的映射關系，功能可重構載荷測試順序如表2所示。

測試過程中，將功能可重構載荷測試數據以有線或無線方式接入測試評估環境，用于地面效能評估。

2.2 效能評估體系建立

功能指標和功能重構指標應做為影響系統效能的“二級因素”。“二級因素”經二級判定準則計算后可以得出一級因素的評價向量，評價向量再經一級判定準則計算，可以得出效能評估目標“快速響應網點攻擊器系統效能”評價值。電子偵查/微波成像/通信網絡功能載荷指標評價結構層次如圖4所示。

圖4中用實線表明了功能可重構載荷效能評估目標、一級因素、二級因素間的對應關系，用虛線表明了二級因素、一級因素、效能評估目標間的兩級遞進判定準則。

2.3 系統效能標評估

首先，深入分析各功能效能評估必要指標值，建立評估指標集。然后，定義評估等級集，確定指標集元素與等級集元素隸屬程度，形成隸屬度矩陣。之后，確定指標集每項元素對該功能的影響程度，形成隸屬度權重向量。再后，基于矩陣運算計算出隸屬度向量。最后，對各功能隸屬度向量進行加權求和得出系統隸屬度向量，隸屬度向量中最大值元素對應的評語即為系統效能評估的結果。各功能隸屬度向量具體計算過程如下（以電子偵查功能為例）：

2.3.1 指標集和評價等級集

由隸屬度向量值E系統可見，功能可重構載荷效能評估結果為優。

3 結語

本文搭建的測試評估環境和效能評估體系能夠滿足在軌功能可重構載荷的測試評估需求，后續應通過軟硬件聯調聯試完善測試評估環境、提高其有效性。另外，針對效能評估算法，后續應開展以下工作：

針對評價結構層級中“評價準則”相對“評價目標”的效能評估算法進行研究，尤其是各“評價準則”相對“評價目標”的隸屬度函數如何確定、權重指標如何確定等問題。對于不同類型的評價準則，評價因素的隸屬度函數可經過工程經驗經驗進行調整，并通過大量試驗驗證其有效性。對于效能評估算法中權重指標的確定，可根據工程經驗建立指標體系中同層指標間的判斷矩陣，通過求解矩陣特征值確定每個同層指標間的相對權重向量。

參考文獻

[1]王春鋒.軟件定義可重構衛星網絡系統研究[J].中國電子科學研究院學報，2015（05）：455-458

[2]張曉清，陳廣旭.通用衛星地面測試平臺的設計與實現[J].指揮技術學院學報，2000（11）：6.

[3]范會楊.ad hoc戰術通信網效能評估模型與方法[D].成都：電子科技大學，2013.

[4]韓書鍵，祝利.網絡電磁空間作戰情報保障效能評估指標體系構建[J].航天電子對抗，2015（31）：39-41.

[5]藍羽石，鄧克波，毛少杰.網絡中心化軍事信息系統能力評估[J].指揮信息系統與技術，2012（03）：1-7.

作者單位

中國電子科學研究院 北京市 100041