航天測控任務可靠性模型的統一描述框架研究

許雙偉，陸法

（國防大學聯合勤務學院，北京 100858）

0 引言

航天測控系統是對航天器及其有效載荷進行跟蹤測量、監視與控制的技術系統，在航天器的發射、飛行與返回過程中，需要通過航天測控系統的跟蹤、測量與控制來保證航天器按照預定狀態和計劃完成航天任務[1]。航天測控任務的可靠性與航天任務的成敗直接相關，因此，對測控任務可靠性的定量評價具有十分重要的意義。

定量評價測控任務可靠性的前提是建立測控任務的可靠性模型。航天測控任務需通過測控站和指控中心協作完成，其中，測控站負責獲取所需的航天器信息，指控中心則用于處理測控信息及指揮測控站執行測控任務。從發射至返回過程中，航天器要繞地飛行很多圈次，每個飛行圈次都要執行多種類型的測控任務。在某一飛行圈次上，可能有一個或多個測控站參與測控任務。在單測控站條件下，所有參與測控資源的使用時間完全一致，測控任務可靠性模型與常見的一般任務模型并無區別。在多測控站條件下，由于各個測控站地理分布的不同，其能提供的測控服務的起止時間也不同；此外，不同類型的測控任務有著不同的任務成功標準。這些因素的存在使得多測控站條件下的測控任務可靠性模型極為復雜。此外，作為測控任務可靠性模型評估輸入的各種測控資源自身的可靠性指標也有靜態和動態之分，不同類型指標下所選用的可靠性評估方法也存在著較大的區別。文獻 [2]基于XML分別對測控任務和測控資源進行描述建模，其優點是提高了模型的重用性，但難以直觀地表達復雜測控任務可靠性模型的類型且在選擇任務可靠性評估方法時需要人為地進行判斷。

本文介紹了航天測控系統的構成及測控資源可靠性指標，給出了航天測控任務的過程，詳細地闡述了不同的測控任務的成功標準和測控資源可靠性指標對測控任務可靠性模型及其評估方法的影響。在此基礎上，給出了統一的測控任務可靠性模型描述框架，該框架能夠全面地表達測控任務可靠性模型所需要的信息，并可據此靈活地選擇相應的評估方法進行測控任務可靠性分析。

1 航天測控系統

1.1 航天測控系統的構成

航天測控系統都由一定的測控資源構成，它們分散部署在分布地域不同的測控站和指控中心。

測控站是測控任務的具體實施者，配置有各類測控設備，如引導系統、遙測系統等，用于獲取航天器軌道及各類工作狀態等信息，并通過通信設備將信息傳輸至指控中心進行數據處理。測控站以分布在不同地理位置上的固定地面測控站為主，還包括可機動部署的測控船與測控車輛等。在一些航天測控系統中還可能包含中繼星系統，其中的中繼衛星可以看作是一類特殊的測控站。

指控中心是實施航天測控的神經中樞，一般配置有大型的計算機系統、航天器狀態監控系統和通信系統，負責測控任務的指揮與測控信息的數據處理。

1.2 測控資源的可靠性指標

測控資源的可靠性指標是反映測控資源自身可靠性特性的度量參數。在評估測控任務的可靠性時，測控資源的可靠性是測控任務可靠性模型的輸入。即使是同一個可靠性模型，由于可靠性指標類型的不同，其所適用的評估方法也可能不盡相同。

對于航天測控系統而言，隨時有新型設備的加入、舊設備的退出或現有設備的升級改造，其測控資源的構成是不斷發展變化的。因而，測控資源可靠性指標的獲取有相當大的困難，有的可能是長期使用得到的統計指標，有的為可靠性設計指標，也有些是根據設計與使用情況折合得出的可靠性指標。無論源自何種形式，測控資源的可靠性指標大體上都可分為以下兩類。

a）靜態指標

這類指標的特點是測控資源的可靠性不隨時間的變化而變化，如使用可用度。

b）動態指標

在該類指標下，測控資源的可靠性隨時間的變化而變化。在動態可靠性指標下，測控資源又可分為可修和不可修的。測控資源的可靠性、維修性隨時間變化的情況可以通過一定的分布函數來描述，如指數分布、威布爾分布等。

2 航天測控任務

2.1 航天測控過程

在執行某一具體的航天測控任務時，并非測控系統中的所有測控資源都參與該測控任務。指控中心由于全過程地指揮與協調測控任務的執行，因而必定有指控中心的測控資源參與測控任務。在航天器的某一特定軌道上，測控系統中僅有一個或幾個測控站對航天器是可見的，其參與測控任務的測控資源僅局限于可見測控站與指控中心。

在實施航天測控任務時，首先由指控中心下達相應的測控指令，各個測控站接受指令后在各自對航天器的可見時間內獲取測控任務所需要的信息，并將信息回傳至指控中心供數據處理和決策分析。測控任務的實施過程可以概述為：通過可見測控站和指控中心的共同支持，形成一條航天器信息獲取、傳輸與處理的通路。雙測控站下的測控任務實施過程的示例如圖1所示。

圖1 測控任務實施過程

2.2 航天測控任務可靠性模型

測控任務指在航天器的發射、運行與返回過程中航天測控系統所需完成的既定任務，主要有軌道測量任務、遙測接收任務和遙控指令發送任務，在實施載人航天時還包括話音通信、圖像接收和航天員生理遙測等。

在地球曲率的影響下，測控站只能在有限的一段時間內為航天器提供測控服務。在僅有一個測控站參與測控任務的條件下，所有參與測控任務的測控資源的使用起止時間都是一樣的，此時測控任務的可靠性模型與常見的任務系統可靠性模型一致[3]。在多測控站條件下，由于測控站分布在不同的地理位置上，因而各個測控站對航天器實施測控服務的起止時間是不同的。以圖1為例，測控站A中的測控資源僅能在tAstart～tAend時間段內參與測控任務，測控站B中的測控資源執行任務的起止時間段為tBstart～tBend，而指控中心在整個任務期間 （tAstart～tBend）都參與測控任務。由于測控資源使用時間的不同，因而多測控站條件下的測控任務可靠性模型較為復雜。

采用多測控站執行測控任務的可能目的有兩點：1）提高測控服務時間，由于單個地面測控站對低軌的航天器的可見時間非常短，一般僅為幾分鐘，不能滿足某些測控任務的要求，如軌道測量任務就需要較長時間的航天器軌道信息以提高軌道定位的精度；2）通過冗余提高完成測控任務的能力，對于某些測控任務而言，在單個測控站對航天器的可見時間段內就滿足完成測控任務的需要，采用多測控站的目的是通過測控站的備份來提高測控任務的可靠性，如遙控指令只是一條幾kb的數據，任何一個測控站在其對航天器的可見弧段內發送成功即表示遙控指令發送任務成功。

以提高測控服務時間為目的的測控任務，被稱之為航天測控任務類型I，它要求在對航天器的可見時間內都要獲得相應的數據。由于在測控任務持續時間內的不同階段，執行測控任務的測控資源及其邏輯配置都發生了變化，此時航天測控任務的可靠性模型為一個多階段任務系統可靠性模型[4-5]。以提高測控冗余為目的的測控任務，被稱之為測控任務類型II。由于測控任務由任何一個測控站完成即可，此時的測控任務的結構雖然在任務期間發生了變化，但它并不是一個多階段任務系統。與常見的所有系統部件執行時間都一致的任務系統不同，在任務類型II下，航天測控系統表現為一個測控資源使用起、止時間不同的復雜任務系統。

2.3 測控任務可靠性模型的評估方法

測控任務可靠性模型的評估方法不僅與測控任務模型相關，而且與參與測控任務的測控資源的可靠性指標相關。

在測控資源的可靠性指標全部為靜態指標的情況下，無論測控任務由單測控站執行還是多測控站執行，其可靠性模型都是一個靜態模型，測控任務可靠性不隨時間的變化而變化。在多測控站的條件下，若測控任務的類型為I，則測控站之間相當于一個串聯關系；若任務類型為II，則測控站之間為并聯關系。靜態測控任務可靠性模型的解析評估方法可采用文獻 [3]中經典的靜態系統可靠性評估方法。

在測控資源的可靠性指標全為動態指標的情況下，若測控任務由單測控站執行，則可依據文獻[6]中所介紹的可修和不可修系統的評估方法進行任務可靠性的分析；若測控任務由多測控站執行且任務類型為I，測控資源都是不可修的，則可以采用基于故障樹的二元決策圖 （BDD：Binary Decision Diagram）算法解析求解測控任務的可靠性[7-8]，若測控資源都是可修的，且故障和維修過程都服從指數分布，則可基于Markov過程分析測控任務的可靠性[9-10]。對于多測控站執行且類型為II的測控任務，目前還尚未見到相應的解析分析方法。

更為復雜的情況是，測控任務所涉及的測控資源的可靠性指標可能既包含靜態指標又包括動態指標，或者全部是動態指標但部分是可修的而其他的為不可修的。在上述情況下，測控任務可靠性的解析求解難以實現，只能采用仿真法[11]。仿真法是可靠性評估中較為通用的方法，它根據各種測控資源的可靠性指標來模擬測控系統在任務期間的狀態變化過程，并結合測控任務的成功標準，判斷一次仿真是否成功。通過大量次數的重復仿真，可以得到一定精度的任務可靠性估計值。

3 航天測控任務可靠性模型統一描述框架

測控任務的可靠性可以看作是與相關測控資源自身可靠性屬性、邏輯構成和使用時間的一個函數，在測控任務的可靠性模型中必須表達出這些基本要素。但測控任務所涉及的測控站數量及其任務類型會使得測控任務的可靠性模型有很大的差別，而且作為模型輸入參數的各種測控資源自身的可靠性指標不同會使得同一個測控任務模型的可靠性評估方法有很大的區別。因而，有必要提供一種通用的測控任務可靠性模型描述框架，既能全面地描述出測控任務的可靠性模型，在此基礎上又能很快地明確基于該模型評估時所適合采用的可靠性評估方法。

3.1 單個測控資源的描述

測控資源是執行測控任務的基本元素，其描述的內容主要包括測控資源名稱及其自身的可靠性特性。測控資源有一定的使用時間，由于測控資源的使用時間與其所處測控站點或指控中心的使用時間一致，因而在單個測控資源的描述中可以不進行時間信息的描述。

單個測控資源的描述可寫為 （x， （Rpf，p1，p2， …）， （Mpf，，， …）） 的形式， 其中 x 表示資源的名稱；Rpf，p1，p2，…表示測控資源的可靠性信息，Rpf為可靠性分布函數，p1，p2，…為Rpf的參數，若測控資源的可靠性指標為靜態指標，則Rpf為 （0，1）區間內的實數且不存在p1，p2，…； （Mpf，，， …） 表示測控資源的維修性信息， Mpf為測控資源的維修性分布函數，，，…為Mpf的參數，若測控資源是不可修的，則Mpf為 0 且不存在，， …。

3.2 測控站和指控中心的描述

測控站部署有完成測控任務所需的測控資源，通過對這些測控資源的邏輯組合實現對航天器的測控及與指控中心信息交流的能力。因此，對測控站的描述應包括其測控資源的描述、測控資源邏輯配置描述和執行任務起止時間的描述。

記 Xsi={（xsij（Rpf， p1， p2， …）， （Mpf，，，…））}為測控站si執行測控任務時所用到的測控資源的集合；（Xsi）為獲取測控任務所需的信息時，Xsi的邏輯構成函數；Tsi=（Ts，Te）表示測控站執行測控任務的起止時間。則對測控站的描述可寫為 si= （Xsi，（Xsi）， Tsi）。

盡管在執行測控任務時，指控中心的功能與測控站有所不同，但它同樣是通過自身測控資源的一定邏輯組合，實現測控信息的處理并保持與各個測控站信息傳遞的互通的。因此，對指控中心的描述同樣要體現出測控資源、資源邏輯構成和執行任務的時間信息。值得指出的是，只要有測控中心執行測控任務，則其必須處在運行狀態，因而指控中心的使用時間是測控任務所涉及全部測控站使用時間的疊加。參照測控中心的描述形式，指控中心的描述可表示為c=（Xc，（Xc）， Tc）。

3.3 測控任務的描述

在測控站和指控中心描述的基礎上，可以對測控任務進行描述。測控任務的描述既要表現出測控任務的類型，還要體現出測控資源可靠性指標的特性，以供測控任務可靠性模型的確定和相應評估方法的選擇。

記s={si}為參與測控任務的全部測控站的描述。用 （Mtype，s，c）表示測控任務的可靠性模型信息，其中Mtype為多測控站條件下測控任務的類型，若集合s中僅有一個測控站，則Mtype不取值。在 （Mtype，s，c）中，沒有對s和c之間的關系進行描述，這是因為指控中心要協調所有測控站執行測控任務，故默認為指控中心與所有的測控站間都是串聯的邏輯關系。用 （Rindex，Rat1，Rat2，…）表示對全部測控資源可靠性指標的綜合描述，其中Rindex用于表示測控資源的可靠性指標全都是靜態指標、動態指標還是混合指標。Rat1，Rat2，…為全部測控資源都是動態指標情況下的一些標示屬性，如測控資源是否全部可修，可靠性、維修性是否全部服從指數分布等。若測控資源的可靠性指標全部為靜態指標或混合指標，則Rat1，Rat2，…不存在。整個測控任務可靠性模型的可寫為DM={（Mtype，s，c）， （Rindex， Rat1， Rat2， …）}。

4 結束語

航天測控系統在執行測控任務時表現出復雜任務系統的特性，參與測控任務的測控站數量及任務成功標準會使測控任務的可靠性模型有不同的表現形式。而且，作為測控任務可靠性模型評估輸入所需的各種測控資源的可靠性指標類型會影響評估方法的選擇。本文通過對測控任務可靠性模型及測控資源可靠性指標對模型評估方法的影響的分析，提出了統一的測控任務可靠性模型描述框架，其既能表達出測控任務的可靠性模型信息，又能為可靠性模型評估方法的選擇提供依據。