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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710043；2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安　710043)

?

BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710043；2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安710043)

為了提升BDS測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)有運(yùn)行效能和服務(wù)性能，針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，結(jié)合對(duì)導(dǎo)航性能產(chǎn)生直接影響、反映測(cè)控系統(tǒng)能力、反映衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)效能等原則，建立了一套BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系：闡述了采用層次分析法分析各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的具體實(shí)現(xiàn)；通過(guò)功效系數(shù)法對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估和分析，為BDS測(cè)控管理監(jiān)測(cè)評(píng)估工作提供了一種定量和定性相結(jié)合的決策方法。BDS長(zhǎng)期在軌管理工作實(shí)踐表明，該監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系的建立能夠?qū)y(cè)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供幫助。

北斗系統(tǒng)；測(cè)控；監(jiān)測(cè)評(píng)估；指標(biāo)體系；層次分析法

0　引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)已經(jīng)正式提供導(dǎo)航服務(wù)。為了保證系統(tǒng)提供全天時(shí)、全天候良好服務(wù)，已經(jīng)在服務(wù)層面開展了監(jiān)測(cè)評(píng)估工作，全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)服務(wù)性能。文獻(xiàn)[1]提出了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)開放服務(wù)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，可以為導(dǎo)航用戶在使用服務(wù)時(shí)提供可靠的決策支持信息，從而最大限度地減少可能產(chǎn)生的不利影響；但在BDS測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估方面卻仍未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究，對(duì)BDS測(cè)控系統(tǒng)開展監(jiān)測(cè)評(píng)估的研究勢(shì)在必行。

本文對(duì)BDS測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)評(píng)估工作進(jìn)行初步探索，運(yùn)用層次分析法構(gòu)建了一套BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系。層次分析法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Satty于20世紀(jì)70年代中期提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。該方法定性分析和定量分析相結(jié)合，能夠?qū)⒅饔^判斷為主的定性分析進(jìn)行量化，顯示各方案的差異性[2]；同時(shí)通過(guò)權(quán)重分析確定各個(gè)目標(biāo)在項(xiàng)目總體評(píng)價(jià)方面的重要性，克服了傳統(tǒng)方法無(wú)法直觀、簡(jiǎn)潔地分析和描述系統(tǒng)特點(diǎn)的缺陷[3-5]。

1　監(jiān)測(cè)評(píng)估體系構(gòu)建的原則

建立BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系之前，應(yīng)該首先確認(rèn)體系構(gòu)建的原則。根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)與導(dǎo)航服務(wù)的關(guān)系及測(cè)控系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中承擔(dān)的職責(zé)，同時(shí)參考建立區(qū)域性金融風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)評(píng)估體系的經(jīng)驗(yàn)[6]，制定體系構(gòu)建的基本原則為：1)直接性，指所選指標(biāo)要直接反映影響導(dǎo)航服務(wù)性能的情況；2)相關(guān)性，指設(shè)定的指標(biāo)能夠收集、操作性強(qiáng)、相關(guān)聯(lián)程度高；3)科學(xué)性，指監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)要科學(xué)合理、簡(jiǎn)單易行、便于操作；4)突出能力，指所選指標(biāo)要全面反映測(cè)控系統(tǒng)的能力；5)體現(xiàn)效能，指所選指標(biāo)要反映測(cè)控系統(tǒng)的效能。

2　體系設(shè)計(jì)

2.1層次分析法的原理

層次分析法是指將一個(gè)復(fù)雜的決策問(wèn)題分解為不同的組成因素，將這些因素按目標(biāo)、準(zhǔn)則、措施(方案、手段)等分類，構(gòu)造一個(gè)反映各因素間隸屬關(guān)系和關(guān)聯(lián)程度的遞階層次模型；通過(guò)一系列成對(duì)比較的評(píng)判來(lái)得到各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在某個(gè)準(zhǔn)則之下的相對(duì)重要的量度；將這種評(píng)判轉(zhuǎn)換成數(shù)字處理，構(gòu)成判斷矩陣，然后使用單準(zhǔn)則排序計(jì)算方法便可獲得這些方案或措施在該準(zhǔn)則下的優(yōu)先度排序。通過(guò)層次的遞階關(guān)系，可以計(jì)算出各個(gè)對(duì)象對(duì)最高目標(biāo)的總排序權(quán)重，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行規(guī)劃決策和選擇解決問(wèn)題的途徑[7]。層次分析法的步驟一般為：

1)構(gòu)造遞階層次結(jié)構(gòu)。

首先要把復(fù)雜的問(wèn)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(jié)構(gòu)。

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(zhǔn)則對(duì)下一層要素進(jìn)行兩兩比較來(lái)確定矩陣元素值。通常按照文獻(xiàn)[2]提出的1～9判斷矩陣標(biāo)度原則(見表1[2])對(duì)因素層和子因素層間各元素的相對(duì)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(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的相對(duì)重要性比較結(jié)果。對(duì)于一個(gè)遞階層次結(jié)構(gòu)，從目標(biāo)層到子因素層有幾個(gè)隸屬關(guān)系，就要建立幾個(gè)判斷矩陣。

表1　1～9標(biāo)度表

3)層次單排序及一致性檢驗(yàn)。

構(gòu)造好判斷矩陣后，通過(guò)對(duì)每一個(gè)判斷矩陣求解最大特征根λmax及對(duì)應(yīng)特征向量W得出針對(duì)某一準(zhǔn)則層各元素的相對(duì)權(quán)重。為驗(yàn)證判斷矩陣的合理性，需要由求解出的λmax檢驗(yàn)判斷矩陣是否存在嚴(yán)重的非一致性，一致性檢驗(yàn)可以通過(guò)求解一致性比率CR完成，即：

(1)

(2)

式中：CI為一致性指標(biāo)；CR為一致性檢驗(yàn)率；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)(見表2[2])。

表2　RI隨機(jī)一致性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

當(dāng)CR≤0.1時(shí)，特征向量進(jìn)行歸一化處理后得到向量Ei，其各分量即為某一層次指標(biāo)對(duì)于上一層次某相關(guān)指標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)值；若CR>0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣不滿足一致性要求，需根據(jù)矩陣標(biāo)度原則重新評(píng)價(jià)，直到通過(guò)檢驗(yàn)為止。

2.2BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系

按照指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則，綜合測(cè)控領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和判斷，并結(jié)合測(cè)控領(lǐng)域從業(yè)人員的充分討論，建立如表3所示的BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系。

2.3指標(biāo)權(quán)重的確定

2.3.1一級(jí)指標(biāo)權(quán)重的確定

1)確定目標(biāo)A和一級(jí)指標(biāo)Bi：A=BDS測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行情況；Bi={B1，B2，B3}。

2)構(gòu)造A-Bi(i=1，2，3)判斷矩陣，如表4所示。

表3　BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系

表4　A-Bi 判斷矩陣

3)計(jì)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(jì)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(yàn)

(11)

查表得RI≈0.58(n=3時(shí))，因而有

(12)

2.3.2二級(jí)指標(biāo)權(quán)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(yàn)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(yàn)率CR=0.086 4。

2.4排序

通過(guò)確定二級(jí)指標(biāo)層相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重得到9個(gè)指標(biāo)的重要性排序?yàn)椋篊1>C2=C3>C6>C7>C4>C5>C8>C9。單星導(dǎo)航不可用時(shí)間直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)性能，在BDS測(cè)控管理中應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、定期評(píng)估，并不斷優(yōu)化，提高測(cè)控系統(tǒng)服務(wù)用戶的能力和水平。

2.5綜合評(píng)估

BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系中每一個(gè)指標(biāo)都只能反映測(cè)控系統(tǒng)某個(gè)方面的運(yùn)行情況，要全面監(jiān)測(cè)評(píng)估整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還必須對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)估。對(duì)于可測(cè)量數(shù)值的指標(biāo)，可以采用功效系數(shù)法。該方法對(duì)每個(gè)評(píng)估指標(biāo)設(shè)置2個(gè)數(shù)值，一個(gè)是滿意值(歷史最優(yōu)值)，另一個(gè)是和不允許值(歷史最差值)，可用式(13)或式(14)計(jì)算出每個(gè)指標(biāo)的功效系數(shù)——對(duì)于無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)，由行業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行打分，確定其單項(xiàng)指標(biāo)功效系數(shù)為：

(13)

(14)

式中：D表示指標(biāo)功效系數(shù)；Zy表示指標(biāo)最優(yōu)值；Zc表示指標(biāo)最差值；Zl表示指標(biāo)測(cè)量值。

通過(guò)對(duì)體系內(nèi)所有指標(biāo)的功效系數(shù)進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均，可以計(jì)算出BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系綜合功效系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以采用表7的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估。綜合功效系數(shù)的計(jì)算過(guò)程如圖1所示。

表7　評(píng)價(jià)結(jié)果表

圖1　綜合功效系數(shù)的計(jì)算流程

3　指標(biāo)體系的應(yīng)用

根據(jù)建立的BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系以及運(yùn)用層次分析法確定的權(quán)重，選擇2015-01至2015-08期間BDS測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)評(píng)。通過(guò)計(jì)算和專家評(píng)判，得出二級(jí)指標(biāo)的功效系數(shù)，具體如表8所示。根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合功效計(jì)算，綜合功效系數(shù)為92.13。

表8　二級(jí)指標(biāo)功效系數(shù)表

通過(guò)以上得出的綜合功效系數(shù)及各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的功效系數(shù)分析可見：BDS測(cè)控系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)為優(yōu)等，說(shuō)明BDS測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行情況優(yōu)秀；同時(shí)也看到測(cè)控管理人員效率、軌道確定效率及軌道確定能力等指標(biāo)處于良等，說(shuō)明這些方面還有進(jìn)一步提升的空間。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文從BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的需求出發(fā)，遵循體系構(gòu)建原則，建立了BDS測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系。指標(biāo)體系涵蓋了BDS測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)方面，能夠?qū)y(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行客觀評(píng)估：運(yùn)用層次分析法確定了各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行排序，避免了指標(biāo)權(quán)重確定隨意性大的弊端；同時(shí)說(shuō)明各個(gè)指標(biāo)在系統(tǒng)運(yùn)行中有主次之分，能夠?yàn)榧杏邢蘖α?，突出重點(diǎn)、分清主次抓測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)提供參考。使用功效系數(shù)法對(duì)BDS測(cè)控系統(tǒng)開展監(jiān)測(cè)評(píng)估，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)估和分析，并指出后續(xù)測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)的努力方向，為推動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)不斷改進(jìn)和完善、提升測(cè)控系統(tǒng)的服務(wù)性能發(fā)揮作用；但采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重以及指標(biāo)功效系數(shù)時(shí)，由于其打分過(guò)程中存在較多的主觀因素，會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)評(píng)估結(jié)果有一定影響：因此指標(biāo)選取和評(píng)估的方法仍然需要進(jìn)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(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鳒y(cè)控管理。

簡(jiǎn)介：陳星伊(1984—)，女，山東淄博人，碩士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鳒y(cè)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(cè)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，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.)