航天测控任务可靠性模型的统一描述框架研究

许双伟，陆法

（国防大学联合勤务学院，北京 100858）

0 引言

航天测控系统是对航天器及其有效载荷进行跟踪测量、监视与控制的技术系统，在航天器的发射、飞行与返回过程中，需要通过航天测控系统的跟踪、测量与控制来保证航天器按照预定状态和计划完成航天任务[1]。航天测控任务的可靠性与航天任务的成败直接相关，因此，对测控任务可靠性的定量评价具有十分重要的意义。

定量评价测控任务可靠性的前提是建立测控任务的可靠性模型。航天测控任务需通过测控站和指控中心协作完成，其中，测控站负责获取所需的航天器信息，指控中心则用于处理测控信息及指挥测控站执行测控任务。从发射至返回过程中，航天器要绕地飞行很多圈次，每个飞行圈次都要执行多种类型的测控任务。在某一飞行圈次上，可能有一个或多个测控站参与测控任务。在单测控站条件下，所有参与测控资源的使用时间完全一致，测控任务可靠性模型与常见的一般任务模型并无区别。在多测控站条件下，由于各个测控站地理分布的不同，其能提供的测控服务的起止时间也不同；此外，不同类型的测控任务有着不同的任务成功标准。这些因素的存在使得多测控站条件下的测控任务可靠性模型极为复杂。此外，作为测控任务可靠性模型评估输入的各种测控资源自身的可靠性指标也有静态和动态之分，不同类型指标下所选用的可靠性评估方法也存在着较大的区别。文献 [2]基于XML分别对测控任务和测控资源进行描述建模，其优点是提高了模型的重用性，但难以直观地表达复杂测控任务可靠性模型的类型且在选择任务可靠性评估方法时需要人为地进行判断。

本文介绍了航天测控系统的构成及测控资源可靠性指标，给出了航天测控任务的过程，详细地阐述了不同的测控任务的成功标准和测控资源可靠性指标对测控任务可靠性模型及其评估方法的影响。在此基础上，给出了统一的测控任务可靠性模型描述框架，该框架能够全面地表达测控任务可靠性模型所需要的信息，并可据此灵活地选择相应的评估方法进行测控任务可靠性分析。

1 航天测控系统

1.1 航天测控系统的构成

航天测控系统都由一定的测控资源构成，它们分散部署在分布地域不同的测控站和指控中心。

测控站是测控任务的具体实施者，配置有各类测控设备，如引导系统、遥测系统等，用于获取航天器轨道及各类工作状态等信息，并通过通信设备将信息传输至指控中心进行数据处理。测控站以分布在不同地理位置上的固定地面测控站为主，还包括可机动部署的测控船与测控车辆等。在一些航天测控系统中还可能包含中继星系统，其中的中继卫星可以看作是一类特殊的测控站。

指控中心是实施航天测控的神经中枢，一般配置有大型的计算机系统、航天器状态监控系统和通信系统，负责测控任务的指挥与测控信息的数据处理。

1.2 测控资源的可靠性指标

测控资源的可靠性指标是反映测控资源自身可靠性特性的度量参数。在评估测控任务的可靠性时，测控资源的可靠性是测控任务可靠性模型的输入。即使是同一个可靠性模型，由于可靠性指标类型的不同，其所适用的评估方法也可能不尽相同。

对于航天测控系统而言，随时有新型设备的加入、旧设备的退出或现有设备的升级改造，其测控资源的构成是不断发展变化的。因而，测控资源可靠性指标的获取有相当大的困难，有的可能是长期使用得到的统计指标，有的为可靠性设计指标，也有些是根据设计与使用情况折合得出的可靠性指标。无论源自何种形式，测控资源的可靠性指标大体上都可分为以下两类。

a）静态指标

这类指标的特点是测控资源的可靠性不随时间的变化而变化，如使用可用度。

b）动态指标

在该类指标下，测控资源的可靠性随时间的变化而变化。在动态可靠性指标下，测控资源又可分为可修和不可修的。测控资源的可靠性、维修性随时间变化的情况可以通过一定的分布函数来描述，如指数分布、威布尔分布等。

2 航天测控任务

2.1 航天测控过程

在执行某一具体的航天测控任务时，并非测控系统中的所有测控资源都参与该测控任务。指控中心由于全过程地指挥与协调测控任务的执行，因而必定有指控中心的测控资源参与测控任务。在航天器的某一特定轨道上，测控系统中仅有一个或几个测控站对航天器是可见的，其参与测控任务的测控资源仅局限于可见测控站与指控中心。

在实施航天测控任务时，首先由指控中心下达相应的测控指令，各个测控站接受指令后在各自对航天器的可见时间内获取测控任务所需要的信息，并将信息回传至指控中心供数据处理和决策分析。测控任务的实施过程可以概述为：通过可见测控站和指控中心的共同支持，形成一条航天器信息获取、传输与处理的通路。双测控站下的测控任务实施过程的示例如图1所示。

图1 测控任务实施过程

2.2 航天测控任务可靠性模型

测控任务指在航天器的发射、运行与返回过程中航天测控系统所需完成的既定任务，主要有轨道测量任务、遥测接收任务和遥控指令发送任务，在实施载人航天时还包括话音通信、图像接收和航天员生理遥测等。

在地球曲率的影响下，测控站只能在有限的一段时间内为航天器提供测控服务。在仅有一个测控站参与测控任务的条件下，所有参与测控任务的测控资源的使用起止时间都是一样的，此时测控任务的可靠性模型与常见的任务系统可靠性模型一致[3]。在多测控站条件下，由于测控站分布在不同的地理位置上，因而各个测控站对航天器实施测控服务的起止时间是不同的。以图1为例，测控站A中的测控资源仅能在tAstart～tAend时间段内参与测控任务，测控站B中的测控资源执行任务的起止时间段为tBstart～tBend，而指控中心在整个任务期间 （tAstart～tBend）都参与测控任务。由于测控资源使用时间的不同，因而多测控站条件下的测控任务可靠性模型较为复杂。

采用多测控站执行测控任务的可能目的有两点：1）提高测控服务时间，由于单个地面测控站对低轨的航天器的可见时间非常短，一般仅为几分钟，不能满足某些测控任务的要求，如轨道测量任务就需要较长时间的航天器轨道信息以提高轨道定位的精度；2）通过冗余提高完成测控任务的能力，对于某些测控任务而言，在单个测控站对航天器的可见时间段内就满足完成测控任务的需要，采用多测控站的目的是通过测控站的备份来提高测控任务的可靠性，如遥控指令只是一条几kb的数据，任何一个测控站在其对航天器的可见弧段内发送成功即表示遥控指令发送任务成功。

以提高测控服务时间为目的的测控任务，被称之为航天测控任务类型I，它要求在对航天器的可见时间内都要获得相应的数据。由于在测控任务持续时间内的不同阶段，执行测控任务的测控资源及其逻辑配置都发生了变化，此时航天测控任务的可靠性模型为一个多阶段任务系统可靠性模型[4-5]。以提高测控冗余为目的的测控任务，被称之为测控任务类型II。由于测控任务由任何一个测控站完成即可，此时的测控任务的结构虽然在任务期间发生了变化，但它并不是一个多阶段任务系统。与常见的所有系统部件执行时间都一致的任务系统不同，在任务类型II下，航天测控系统表现为一个测控资源使用起、止时间不同的复杂任务系统。

2.3 测控任务可靠性模型的评估方法

测控任务可靠性模型的评估方法不仅与测控任务模型相关，而且与参与测控任务的测控资源的可靠性指标相关。

在测控资源的可靠性指标全部为静态指标的情况下，无论测控任务由单测控站执行还是多测控站执行，其可靠性模型都是一个静态模型，测控任务可靠性不随时间的变化而变化。在多测控站的条件下，若测控任务的类型为I，则测控站之间相当于一个串联关系；若任务类型为II，则测控站之间为并联关系。静态测控任务可靠性模型的解析评估方法可采用文献 [3]中经典的静态系统可靠性评估方法。

在测控资源的可靠性指标全为动态指标的情况下，若测控任务由单测控站执行，则可依据文献[6]中所介绍的可修和不可修系统的评估方法进行任务可靠性的分析；若测控任务由多测控站执行且任务类型为I，测控资源都是不可修的，则可以采用基于故障树的二元决策图 （BDD：Binary Decision Diagram）算法解析求解测控任务的可靠性[7-8]，若测控资源都是可修的，且故障和维修过程都服从指数分布，则可基于Markov过程分析测控任务的可靠性[9-10]。对于多测控站执行且类型为II的测控任务，目前还尚未见到相应的解析分析方法。

更为复杂的情况是，测控任务所涉及的测控资源的可靠性指标可能既包含静态指标又包括动态指标，或者全部是动态指标但部分是可修的而其他的为不可修的。在上述情况下，测控任务可靠性的解析求解难以实现，只能采用仿真法[11]。仿真法是可靠性评估中较为通用的方法，它根据各种测控资源的可靠性指标来模拟测控系统在任务期间的状态变化过程，并结合测控任务的成功标准，判断一次仿真是否成功。通过大量次数的重复仿真，可以得到一定精度的任务可靠性估计值。

3 航天测控任务可靠性模型统一描述框架

测控任务的可靠性可以看作是与相关测控资源自身可靠性属性、逻辑构成和使用时间的一个函数，在测控任务的可靠性模型中必须表达出这些基本要素。但测控任务所涉及的测控站数量及其任务类型会使得测控任务的可靠性模型有很大的差别，而且作为模型输入参数的各种测控资源自身的可靠性指标不同会使得同一个测控任务模型的可靠性评估方法有很大的区别。因而，有必要提供一种通用的测控任务可靠性模型描述框架，既能全面地描述出测控任务的可靠性模型，在此基础上又能很快地明确基于该模型评估时所适合采用的可靠性评估方法。

3.1 单个测控资源的描述

测控资源是执行测控任务的基本元素，其描述的内容主要包括测控资源名称及其自身的可靠性特性。测控资源有一定的使用时间，由于测控资源的使用时间与其所处测控站点或指控中心的使用时间一致，因而在单个测控资源的描述中可以不进行时间信息的描述。

单个测控资源的描述可写为 （x， （Rpf，p1，p2， …）， （Mpf，，， …）） 的形式， 其中 x 表示资源的名称；Rpf，p1，p2，…表示测控资源的可靠性信息，Rpf为可靠性分布函数，p1，p2，…为Rpf的参数，若测控资源的可靠性指标为静态指标，则Rpf为 （0，1）区间内的实数且不存在p1，p2，…； （Mpf，，， …） 表示测控资源的维修性信息， Mpf为测控资源的维修性分布函数，，，…为Mpf的参数，若测控资源是不可修的，则Mpf为 0 且不存在，， …。

3.2 测控站和指控中心的描述

测控站部署有完成测控任务所需的测控资源，通过对这些测控资源的逻辑组合实现对航天器的测控及与指控中心信息交流的能力。因此，对测控站的描述应包括其测控资源的描述、测控资源逻辑配置描述和执行任务起止时间的描述。

记 Xsi={（xsij（Rpf， p1， p2， …）， （Mpf，，，…））}为测控站si执行测控任务时所用到的测控资源的集合；（Xsi）为获取测控任务所需的信息时，Xsi的逻辑构成函数；Tsi=（Ts，Te）表示测控站执行测控任务的起止时间。则对测控站的描述可写为 si= （Xsi，（Xsi）， Tsi）。

尽管在执行测控任务时，指控中心的功能与测控站有所不同，但它同样是通过自身测控资源的一定逻辑组合，实现测控信息的处理并保持与各个测控站信息传递的互通的。因此，对指控中心的描述同样要体现出测控资源、资源逻辑构成和执行任务的时间信息。值得指出的是，只要有测控中心执行测控任务，则其必须处在运行状态，因而指控中心的使用时间是测控任务所涉及全部测控站使用时间的叠加。参照测控中心的描述形式，指控中心的描述可表示为c=（Xc，（Xc）， Tc）。

3.3 测控任务的描述

在测控站和指控中心描述的基础上，可以对测控任务进行描述。测控任务的描述既要表现出测控任务的类型，还要体现出测控资源可靠性指标的特性，以供测控任务可靠性模型的确定和相应评估方法的选择。

记s={si}为参与测控任务的全部测控站的描述。用 （Mtype，s，c）表示测控任务的可靠性模型信息，其中Mtype为多测控站条件下测控任务的类型，若集合s中仅有一个测控站，则Mtype不取值。在 （Mtype，s，c）中，没有对s和c之间的关系进行描述，这是因为指控中心要协调所有测控站执行测控任务，故默认为指控中心与所有的测控站间都是串联的逻辑关系。用 （Rindex，Rat1，Rat2，…）表示对全部测控资源可靠性指标的综合描述，其中Rindex用于表示测控资源的可靠性指标全都是静态指标、动态指标还是混合指标。Rat1，Rat2，…为全部测控资源都是动态指标情况下的一些标示属性，如测控资源是否全部可修，可靠性、维修性是否全部服从指数分布等。若测控资源的可靠性指标全部为静态指标或混合指标，则Rat1，Rat2，…不存在。整个测控任务可靠性模型的可写为DM={（Mtype，s，c）， （Rindex， Rat1， Rat2， …）}。

4 结束语

航天测控系统在执行测控任务时表现出复杂任务系统的特性，参与测控任务的测控站数量及任务成功标准会使测控任务的可靠性模型有不同的表现形式。而且，作为测控任务可靠性模型评估输入所需的各种测控资源的可靠性指标类型会影响评估方法的选择。本文通过对测控任务可靠性模型及测控资源可靠性指标对模型评估方法的影响的分析，提出了统一的测控任务可靠性模型描述框架，其既能表达出测控任务的可靠性模型信息，又能为可靠性模型评估方法的选择提供依据。