許雙偉，陸法

（國防大學(xué)聯(lián)合勤務(wù)學(xué)院，北京 100858）

0 引言

航天測控系統(tǒng)是對航天器及其有效載荷進行跟蹤測量、監(jiān)視與控制的技術(shù)系統(tǒng)，在航天器的發(fā)射、飛行與返回過程中，需要通過航天測控系統(tǒng)的跟蹤、測量與控制來保證航天器按照預(yù)定狀態(tài)和計劃完成航天任務(wù)[1]。航天測控任務(wù)的可靠性與航天任務(wù)的成敗直接相關(guān)，因此，對測控任務(wù)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(wù)可靠性的前提是建立測控任務(wù)的可靠性模型。航天測控任務(wù)需通過測控站和指控中心協(xié)作完成，其中，測控站負責(zé)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(zhí)行測控任務(wù)。從發(fā)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(zhí)行多種類型的測控任務(wù)。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(wù)。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(wù)可靠性模型與常見的一般任務(wù)模型并無區(qū)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(wù)的起止時間也不同；此外，不同類型的測控任務(wù)有著不同的任務(wù)成功標(biāo)準(zhǔn)。這些因素的存在使得多測控站條件下的測控任務(wù)可靠性模型極為復(fù)雜。此外，作為測控任務(wù)可靠性模型評估輸入的各種測控資源自身的可靠性指標(biāo)也有靜態(tài)和動態(tài)之分，不同類型指標(biāo)下所選用的可靠性評估方法也存在著較大的區(qū)別。文獻 [2]基于XML分別對測控任務(wù)和測控資源進行描述建模，其優(yōu)點是提高了模型的重用性，但難以直觀地表達復(fù)雜測控任務(wù)可靠性模型的類型且在選擇任務(wù)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(tǒng)的構(gòu)成及測控資源可靠性指標(biāo)，給出了航天測控任務(wù)的過程，詳細地闡述了不同的測控任務(wù)的成功標(biāo)準(zhǔn)和測控資源可靠性指標(biāo)對測控任務(wù)可靠性模型及其評估方法的影響。在此基礎(chǔ)上，給出了統(tǒng)一的測控任務(wù)可靠性模型描述框架，該框架能夠全面地表達測控任務(wù)可靠性模型所需要的信息，并可據(jù)此靈活地選擇相應(yīng)的評估方法進行測控任務(wù)可靠性分析。

1 航天測控系統(tǒng)

1.1 航天測控系統(tǒng)的構(gòu)成

航天測控系統(tǒng)都由一定的測控資源構(gòu)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(wù)的具體實施者，配置有各類測控設(shè)備，如引導(dǎo)系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)等，用于獲取航天器軌道及各類工作狀態(tài)等信息，并通過通信設(shè)備將信息傳輸至指控中心進行數(shù)據(jù)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(tǒng)中還可能包含中繼星系統(tǒng)，其中的中繼衛(wèi)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(jīng)中樞，一般配置有大型的計算機系統(tǒng)、航天器狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，負責(zé)測控任務(wù)的指揮與測控信息的數(shù)據(jù)處理。

1.2 測控資源的可靠性指標(biāo)

測控資源的可靠性指標(biāo)是反映測控資源自身可靠性特性的度量參數(shù)。在評估測控任務(wù)的可靠性時，測控資源的可靠性是測控任務(wù)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(biāo)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(tǒng)而言，隨時有新型設(shè)備的加入、舊設(shè)備的退出或現(xiàn)有設(shè)備的升級改造，其測控資源的構(gòu)成是不斷發(fā)展變化的。因而，測控資源可靠性指標(biāo)的獲取有相當(dāng)大的困難，有的可能是長期使用得到的統(tǒng)計指標(biāo)，有的為可靠性設(shè)計指標(biāo)，也有些是根據(jù)設(shè)計與使用情況折合得出的可靠性指標(biāo)。無論源自何種形式，測控資源的可靠性指標(biāo)大體上都可分為以下兩類。

a）靜態(tài)指標(biāo)

這類指標(biāo)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(tài)指標(biāo)

在該類指標(biāo)下，測控資源的可靠性隨時間的變化而變化。在動態(tài)可靠性指標(biāo)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(shù)來描述，如指數(shù)分布、威布爾分布等。

2 航天測控任務(wù)

2.1 航天測控過程

在執(zhí)行某一具體的航天測控任務(wù)時，并非測控系統(tǒng)中的所有測控資源都參與該測控任務(wù)。指控中心由于全過程地指揮與協(xié)調(diào)測控任務(wù)的執(zhí)行，因而必定有指控中心的測控資源參與測控任務(wù)。在航天器的某一特定軌道上，測控系統(tǒng)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(wù)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(wù)時，首先由指控中心下達相應(yīng)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(nèi)獲取測控任務(wù)所需要的信息，并將信息回傳至指控中心供數(shù)據(jù)處理和決策分析。測控任務(wù)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(wù)實施過程的示例如圖1所示。

圖1 測控任務(wù)實施過程

2.2 航天測控任務(wù)可靠性模型

測控任務(wù)指在航天器的發(fā)射、運行與返回過程中航天測控系統(tǒng)所需完成的既定任務(wù)，主要有軌道測量任務(wù)、遙測接收任務(wù)和遙控指令發(fā)送任務(wù)，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(nèi)為航天器提供測控服務(wù)。在僅有一個測控站參與測控任務(wù)的條件下，所有參與測控任務(wù)的測控資源的使用起止時間都是一樣的，此時測控任務(wù)的可靠性模型與常見的任務(wù)系統(tǒng)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(wù)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(nèi)參與測控任務(wù)，測控站B中的測控資源執(zhí)行任務(wù)的起止時間段為tBstart～tBend，而指控中心在整個任務(wù)期間 （tAstart～tBend）都參與測控任務(wù)。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(wù)可靠性模型較為復(fù)雜。

采用多測控站執(zhí)行測控任務(wù)的可能目的有兩點：1）提高測控服務(wù)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(wù)的要求，如軌道測量任務(wù)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(wù)的能力，對于某些測控任務(wù)而言，在單個測控站對航天器的可見時間段內(nèi)就滿足完成測控任務(wù)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(wù)的可靠性，如遙控指令只是一條幾kb的數(shù)據(jù)，任何一個測控站在其對航天器的可見弧段內(nèi)發(fā)送成功即表示遙控指令發(fā)送任務(wù)成功。

以提高測控服務(wù)時間為目的的測控任務(wù)，被稱之為航天測控任務(wù)類型I，它要求在對航天器的可見時間內(nèi)都要獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于在測控任務(wù)持續(xù)時間內(nèi)的不同階段，執(zhí)行測控任務(wù)的測控資源及其邏輯配置都發(fā)生了變化，此時航天測控任務(wù)的可靠性模型為一個多階段任務(wù)系統(tǒng)可靠性模型[4-5]。以提高測控冗余為目的的測控任務(wù)，被稱之為測控任務(wù)類型II。由于測控任務(wù)由任何一個測控站完成即可，此時的測控任務(wù)的結(jié)構(gòu)雖然在任務(wù)期間發(fā)生了變化，但它并不是一個多階段任務(wù)系統(tǒng)。與常見的所有系統(tǒng)部件執(zhí)行時間都一致的任務(wù)系統(tǒng)不同，在任務(wù)類型II下，航天測控系統(tǒng)表現(xiàn)為一個測控資源使用起、止時間不同的復(fù)雜任務(wù)系統(tǒng)。

2.3 測控任務(wù)可靠性模型的評估方法

測控任務(wù)可靠性模型的評估方法不僅與測控任務(wù)模型相關(guān)，而且與參與測控任務(wù)的測控資源的可靠性指標(biāo)相關(guān)。

在測控資源的可靠性指標(biāo)全部為靜態(tài)指標(biāo)的情況下，無論測控任務(wù)由單測控站執(zhí)行還是多測控站執(zhí)行，其可靠性模型都是一個靜態(tài)模型，測控任務(wù)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(wù)的類型為I，則測控站之間相當(dāng)于一個串聯(lián)關(guān)系；若任務(wù)類型為II，則測控站之間為并聯(lián)關(guān)系。靜態(tài)測控任務(wù)可靠性模型的解析評估方法可采用文獻 [3]中經(jīng)典的靜態(tài)系統(tǒng)可靠性評估方法。

在測控資源的可靠性指標(biāo)全為動態(tài)指標(biāo)的情況下，若測控任務(wù)由單測控站執(zhí)行，則可依據(jù)文獻[6]中所介紹的可修和不可修系統(tǒng)的評估方法進行任務(wù)可靠性的分析；若測控任務(wù)由多測控站執(zhí)行且任務(wù)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(wù)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(shù)分布，則可基于Markov過程分析測控任務(wù)的可靠性[9-10]。對于多測控站執(zhí)行且類型為II的測控任務(wù)，目前還尚未見到相應(yīng)的解析分析方法。

更為復(fù)雜的情況是，測控任務(wù)所涉及的測控資源的可靠性指標(biāo)可能既包含靜態(tài)指標(biāo)又包括動態(tài)指標(biāo)，或者全部是動態(tài)指標(biāo)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(wù)可靠性的解析求解難以實現(xiàn)，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(jù)各種測控資源的可靠性指標(biāo)來模擬測控系統(tǒng)在任務(wù)期間的狀態(tài)變化過程，并結(jié)合測控任務(wù)的成功標(biāo)準(zhǔn)，判斷一次仿真是否成功。通過大量次數(shù)的重復(fù)仿真，可以得到一定精度的任務(wù)可靠性估計值。

3 航天測控任務(wù)可靠性模型統(tǒng)一描述框架

測控任務(wù)的可靠性可以看作是與相關(guān)測控資源自身可靠性屬性、邏輯構(gòu)成和使用時間的一個函數(shù)，在測控任務(wù)的可靠性模型中必須表達出這些基本要素。但測控任務(wù)所涉及的測控站數(shù)量及其任務(wù)類型會使得測控任務(wù)的可靠性模型有很大的差別，而且作為模型輸入?yún)?shù)的各種測控資源自身的可靠性指標(biāo)不同會使得同一個測控任務(wù)模型的可靠性評估方法有很大的區(qū)別。因而，有必要提供一種通用的測控任務(wù)可靠性模型描述框架，既能全面地描述出測控任務(wù)的可靠性模型，在此基礎(chǔ)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(zhí)行測控任務(wù)的基本元素，其描述的內(nèi)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(shù)，p1，p2，…為Rpf的參數(shù)，若測控資源的可靠性指標(biāo)為靜態(tài)指標(biāo)，則Rpf為 （0，1）區(qū)間內(nèi)的實數(shù)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(shù)，，，…為Mpf的參數(shù)，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(wù)所需的測控資源，通過對這些測控資源的邏輯組合實現(xiàn)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(yīng)包括其測控資源的描述、測控資源邏輯配置描述和執(zhí)行任務(wù)起止時間的描述。

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

盡管在執(zhí)行測控任務(wù)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(xiàn)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(xiàn)出測控資源、資源邏輯構(gòu)成和執(zhí)行任務(wù)的時間信息。值得指出的是，只要有測控中心執(zhí)行測控任務(wù)，則其必須處在運行狀態(tài)，因而指控中心的使用時間是測控任務(wù)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(wù)的描述

在測控站和指控中心描述的基礎(chǔ)上，可以對測控任務(wù)進行描述。測控任務(wù)的描述既要表現(xiàn)出測控任務(wù)的類型，還要體現(xiàn)出測控資源可靠性指標(biāo)的特性，以供測控任務(wù)可靠性模型的確定和相應(yīng)評估方法的選擇。

記s={si}為參與測控任務(wù)的全部測控站的描述。用 （Mtype，s，c）表示測控任務(wù)的可靠性模型信息，其中Mtype為多測控站條件下測控任務(wù)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(guān)系進行描述，這是因為指控中心要協(xié)調(diào)所有測控站執(zhí)行測控任務(wù)，故默認為指控中心與所有的測控站間都是串聯(lián)的邏輯關(guān)系。用 （Rindex，Rat1，Rat2，…）表示對全部測控資源可靠性指標(biāo)的綜合描述，其中Rindex用于表示測控資源的可靠性指標(biāo)全都是靜態(tài)指標(biāo)、動態(tài)指標(biāo)還是混合指標(biāo)。Rat1，Rat2，…為全部測控資源都是動態(tài)指標(biāo)情況下的一些標(biāo)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(shù)分布等。若測控資源的可靠性指標(biāo)全部為靜態(tài)指標(biāo)或混合指標(biāo)，則Rat1，Rat2，…不存在。整個測控任務(wù)可靠性模型的可寫為DM={（Mtype，s，c）， （Rindex， Rat1， Rat2， …）}。

4 結(jié)束語

航天測控系統(tǒng)在執(zhí)行測控任務(wù)時表現(xiàn)出復(fù)雜任務(wù)系統(tǒng)的特性，參與測控任務(wù)的測控站數(shù)量及任務(wù)成功標(biāo)準(zhǔn)會使測控任務(wù)的可靠性模型有不同的表現(xiàn)形式。而且，作為測控任務(wù)可靠性模型評估輸入所需的各種測控資源的可靠性指標(biāo)類型會影響評估方法的選擇。本文通過對測控任務(wù)可靠性模型及測控資源可靠性指標(biāo)對模型評估方法的影響的分析，提出了統(tǒng)一的測控任務(wù)可靠性模型描述框架，其既能表達出測控任務(wù)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(jù)。