基于ADC模型的GEO光學遙感衛星工作效能評估?

李 暢 賴 鵬 李 懋 賀景瑞

（中國人民解放軍63795部隊 北京 100089）

1 引言

地球靜止軌道（GEO）光學遙感衛星是未來光學對地觀測衛星技術發展的一個重要領域［1］，2015年發射入軌的高分四號（GF-4）是我國第一顆地球同步軌道遙感衛星，憑借高分辨率、大視場、多譜段等優勢，在各應用領域具有廣闊應用前景和重大意義。針對體系復雜、結構龐大、效能評估困難等特點，國內外對其工作效能評估開展了深入研究。覃鵬程等應用體系貢獻度，對探測任務需求展開設計仿真［2］；梁桂林等采用DoDFA體系結構分析了遙感衛星地面系統特性，并依據ADC模型對其進行建模評估［3］；彭耿構建面向任務的評價體系，對遙感衛星信息支援能力進行了評估研究［4］。

通過上述研究進展可以發現，由于光學遙感衛星系統結構復雜、應用領域眾多，研究者多以特定場景下的任務需求為牽引進行能力評估，而很少有面向衛星本體的工作效能評估方法。本文綜合GEO光學遙感衛星軌道特征尤其是太陽光照射這一影響條件，結合ADC效能評估模型，建立以衛星本體為核心的系統效能評估方法，對后續該類型遙感衛星系統設計提供借鑒和參考。

2 工作效能評估體系

GEO遙感衛星工作效能主要從以下幾個方面進行評價。

1）衛星本體結構

衛星本體由衛星平臺和有效載荷組成，其工作穩定性、故障修復能力是重要評價指標。由于衛星所處太空，無法通過人工對故障進行現場修復，故在設計之初即充分考慮各分系統及零部件工作穩定性、低故障性和主備份設計。與其他通用類型武器裝備相似，主要考慮衛星平均無故障工作時長和故障修復時間兩方面因素。

2）軌道環境

GEO軌道距地球表面約35786km，當衛星運行在該軌道上時由于地球無法全程規避太陽光，故在星下點當地午夜前后將出現陽光入侵現象［1］。此情況下如不加以防護，將會對探測器敏感度造成永久性損傷，影響遙感衛星相機工作壽命和性能指標。針對這一問題，Dennis Gallagher等通過安裝遮光罩對太陽光進行規避［5］，彭洲等設計改進了滾動軸機動規避算法［6］。然而上述方法均不能實現不影響衛星系統可用度，故軌道環境是限制GEO遙感衛星工作效能的重要因素。

3）關鍵性能指標

關于遙感衛星工作效能評價研究，劉鋒等基于信息完備性、準確性、時效性等因素，構建了系統能力基本框架和層次化指標體系［7］；謝劍鋒等根據系統特點，建立了基于證據推理的遙感衛星探測效能評估模型［8］；王玉菊采用模糊層次分析法，確定了衛星探測艦船的評價指標［9］。通過追蹤GEO遙感衛星關鍵技術發展，我們選定分辨率、探測器效能、定位精度和定標精度四個關鍵技術指標，對衛星工作效能進行綜合評價。

綜合上述影響因素，構建GEO遙感衛星工作效能評價體系如圖1所示。

圖1 GEO光學遙感衛星工作效能評價體系

3 太陽光影響模型

太陽、地球、衛星模型示意如圖2所示，其中OE為地心，OE-X指向衛星星下點，OE-Z指向地球北極，OE-Y與OE-X、OE-Z軸成右手螺旋。α為衛星與星下點0時夾角，β為太陽直射點緯度角，θ為太陽光入射角度。

圖2 太陽光入射角示意圖

不難得到β計算公式為

計算得到太陽直射點緯度年變化值，如圖3所示。

圖3 太陽直射點緯度年變化

根據太陽、地球、衛星相對位置關系，可得到太陽光向量Fs及載荷平面法向量Fp計算公式為

定義衛星全年規避期概率pg為太陽光入射角θ小于θ0的時長與衛星工作一年總時長的比值。

通過計算，得到太陽光入射角全年變化值，其中午夜0時全年太陽入射角變化情況如圖4所示。

圖4 太陽光入射角年變化（00：00）

4 工作效能評價模型

ADC模型由美國武器系統效能咨詢委員會WSEIAC提出，是一種基于可用性、可信性和系統能力的工作效能解析評估方法此方法將可用性（Availability）、可靠性（Dependability）和能力（Ca?pacity）等要素綜合成表示系統效能的單一效能量度（E）［10］，如式（4）所示。

式中，A代表可用性矩陣，表示任務開始時系統或武器裝備處于可用狀態的概率；D表示可靠性矩陣，表示任務過程中系統狀態發生轉換的概率，也可以反映系統保持狀態的能力；C表示系統能力矩陣，通過對系統發揮工作效能因素的考量反映系統完成任務的能力，是系統工作效能的核心。

4.1 可用性矩陣A建立

把衛星系統執行任務開始時所處不同工作狀態的概率用A表示，由評價體系可知A由衛星平臺、有效載荷和軌道環境共同確定。將“平臺+載荷”作為衛星本體結構可用性因子，太陽規避影響作為軌道環境可用性因子，得可用性矩陣A分類如表1所示。

表1 可用性矩陣各因子釋義

其中衛星平臺和有效載荷分為正常工作狀態和故障狀態，設其平均無故障工作時長和平均故障修復時間分別為MTBFp、MTTRp和MTBFl、MTTRl，可得衛星平臺可用率μp和有效載荷可用率μl，如式（5）。

由式（2）、表1和式（5），推導可用性矩陣A各因子計算如式（6）：

綜上得系統可用性矩陣A計算表達式為

4.2 可靠性矩陣D建立

根據可用性矩陣可知，衛星在執行任務時可能處于四種系統狀態，則可靠性矩陣D為4×4矩陣，如式（8）所示。其中d11表示衛星執行任務時處于a1狀態、任務結束時仍處于a1狀態；d12表示衛星執行任務時處于a1狀態、任務結束時處于a2狀態；其余子項以此類推。

其中m表示任務結束時衛星本體處于可用狀態的概率，n表示任務結束時衛星本體處于故障狀態的概率；j表示任務結束時衛星處于非規避期的概率，k表示任務結束時衛星處于規避期的概率。綜合可得可靠性矩陣D表達式為

4.3 能力評價矩陣C建立

設分辨率、探測器、定標精度和定位精度四個評價因子分別為s1、s2、s3和s4，各評價因子權重視任務執行實際情況確定，設定為w1、w2、w3和w4。則能力評價矩陣C可表達為

其中w11表示在a1狀態下s1評價因子權重，w12表示在a1狀態下s2評價因子權重，其他子項以此類推。根據可用性矩陣A各狀態實際情況，設定a1狀態下系統工作效能為1，a2狀態下w21=1、w22=0.2、w23=0.5、w12=0.5，a3狀態下 w31=0.5、w32=0.5、w33=0.5、w34=0，a4狀態下系統工作效能為0。則能力評價矩陣C可表示為

5 仿真分析

設定平臺平均故障修復時間MTTRp=1h，有效載荷平均故障修復時間MTTRl=2h，能力評價矩陣C中分辨率因子s1=0.3、探測器效能因子s2=0.25、定標精度因子s3=0.15、定位精度因子s4=0.35。以衛星系統工作時長t為變量，分別對平臺、載荷平均無故障工作時長1000、2000、3000、4000和5000小時下的工作效能情況進行仿真，結果如圖5、6所示。

圖5 工作效能仿真結果

從仿真結果可以發現，當平均無故障工作時長一定時，GEO遙感衛星的工作效能隨工作時長增加而降低，且工作初期衰減速度較快；當系統平均無故障工作時長降低時，系統工作效能衰減速度明顯加快。

6 結語

結合上述仿真結果，對提升GEO遙感衛星工作效能提出以下建議。

1）降低衛星本體故障率

衛星本體平均無故障工作時長是影響衛星工作效能的重要因素，良好的結構設計、優質的零部件品控和充分的主備份設計能夠有效提升衛星本體無故障工作時長。對于內部系統，降低衛星本體故障率必須充分考慮各分系統制造、組裝、測試等環節，足質足量完成系統老練測試，加大冗余和主備設計。既充分考慮老技術成熟性，又著重加強新技術應用驗證穩定性和可靠性把控。對于外部環境，應加強地球靜止軌道太空環境研究，針對宇宙射線、高能帶電粒子、太陽光壓、極端溫度變化等惡劣條件，提出有效的防護措施與應對策略，增強衛星在其生命周期內的抗風險能力，以提高系統穩定性、可靠性乃至工作效能。

2）加快衛星在軌故障診斷

在軌故障診斷技術是保證衛星正常運行的重要支撐，隨著航天器日益大型化、復雜化、集成化趨勢，故障診斷技術也隨之快速發展。其難點在于衛星遙測數據數據量龐大且難以與實際故障相對應，需要長期經驗積累和故障模型匹配。國內研究方面，尹洪依據海量遙測數據驅動提出了基于Map Reduce的DTW并行算法［11］，卞德坤綜合信號處理和智能技術提出基于信號處理的衛星故障診斷方法［12］。

相較于故障診斷技術，故障修復方法較為單一，多以重啟故障單機、切換備份等方式為主。可以說故障診斷與定位是解決衛星故障的先導，同時也占據整個修復周期的大部分時間。故加快衛星在軌故障定位是縮短故障修復時間、提升衛星工作效能的重要方式。衛星在軌故障自主診斷技術是未來研究發展重點［13］，其突破性進展將對衛星發揮性能產生重大影響。

3）提升探測器抗陽光能力

針對太陽光入侵問題，目前主流采用方法為安裝遮光罩或通過機構調整更改探測器與陽光直射角度。但前者主要對雜散光進行抑制，并不能完全遮擋太陽光；后者不僅受限于機構穩定度，同時也增加了系統復雜程度。因此，提升探測器本身抗陽光能力對有效提升系統工作效能具有重要意義。

結合太陽光影響模型，仿真計算得到規避角度設置對衛星可用率及工作效能影響示意（如圖6所示）。可以看出，太陽光直射時規避角度越小，衛星規避時間越短、可用時間越長，同時衛星工作效能也會更高。故積極開發新型探測器材料、提升探測器抗陽光直射能力是規避太陽光直射的有效途徑。

圖6 規避角度變化仿真結果