测控设备运行效能评估建模及分析 (1).pdf

第40卷 第4期2023年8月工程数学学报CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING MATHEMATICSVol.40 No.4Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1005-3085.2023.04.002文章编号:1005-3085(2023)04-0523-22测控设备运行效能评估建模及分析梁军1,宋建国1,陈嘉铭1,刘建业2,李晓超3,雷瀚1(1.中国西安卫星测控中心，西安 710043;2.中国人民解放军32039部队，北京 102399;3.中国人民解放军63620部队，酒泉 735214)摘要:近年来，在轨航天器数量急剧增长，测控设备类型更加多样，测控需求种类愈发繁多，使航天测控成为一个复杂的系统工程问题。当前，针对航天测控网设备的日常运行效能的评估仍处于人工统计数据和片面计算单一指标的阶段，这缺乏系统有效的评估模型，且难以综合反映测控网设备的实际运行效能。为科学准确分析测控网设备的日常运行情况，从时段、日和月的不同时间度量尺度出发，立足于测控设备的负荷率、空闲可用率和空闲碎片率等评估指标，首先构建了航天测控网不同测控区域的平均运行效能评估模型。然后，建立了各区域中负荷时长贡献度最大的测控设备的日常运行效能评估模型。最后，进一步构建了适用于航天测控设备运行效能评估的运行效能显著性差异的统计检验计算式，能有效检验不同测控区域或不同测控设备在同一效能评估模型上是否存在明显差异。在仿真算例中对航天测控网中的西部、东部、南部和北部四大测控区域中21套测控设备的运行数据进行了评估与分析，为进一步提高测控网设备在航天测控系统中所发挥的效力提供科学有效的评估手段支撑。关键词:测控设备；运行效能评估；负荷率；空闲可用率；空闲碎片率分类号:AMS(2010)62P20中图分类号:O213.9文献标志码:A0引引引言言言测控设备是航天测控网的主要组成节点，在日常运行中承担着对航天器进行跟踪测量、遥测、遥控和通信等测控任务1。根据我国标准对系统效能27的规定，测控设备在日常任务中的运行效能指的是，在规定的时间内，满足了日常测控任务需求的条件下设备所发挥效力的程度810。由此可见，测控设备的运行效能是需要建立系统有效的评估模型来科学评价。近年来，随着我国航天事业的飞速发展，日益增多的航天器测控需求同数量有限的测控设备之间的矛盾日渐突出。因此，对航天测控网设备的日常运行效能进行科学有效的评估，能促进航天测控过程不断优化，发挥的效力不断提高，这对于进一步提升航天测控网设备的整体运行效能来保障更多的航天测控需求以解决当前航天测控资源紧张的问题是很有意义的。国内方面，文献11针对星座系统地面站设备配置方案的综合评价和优化，提出了卫星地面站设备配置效能评价指标体系。文献12从地面站资源拥有方的观点出发，定义了收稿日期:2020-09-03.作者简介:梁军(1995)，男，硕士，工程师.研究方向：航天测控资源智能调度与效能评估.基金项目:国家自然科学基金(91638202).524工程数学学报第40卷平均设备利用率的指标用来反映测控设备的使用效率。文献13给出了各地面站平均每天可提供服务时间的计算方法，作为地面站系统服务能力的评估指标。文献14给出了测控资源利用率的评估指标，可以对测控系统中的每个测控资源的利用情况进行分析。这些研究均没有考虑实际工程中星地可见预报的影响，而是将设备全天24小时都作为其可承担任务的总时间，所建立起的评估指标对测控设备日常运行效能的评估是不精准的，因其夸大了测控设备的实际可承担任务总时间导致所建立的评估指标计算出的评估值会明显偏小。这是因为将测控设备在没有星地可见预报的时段也一并纳入设备的可承担任务总时间是没有意义的，设备只有在具有星地可见预报的时段才能对航天器实施测控工作，才能算作是测控设备的实际可承担任务时间。国外方面，美国空军卫星控制网在卫星调度系统中提出了基于资源依赖度的瓶颈资源评价方法，有效促进了现用资源调度算法对测控资源利用率的提高1517。欧洲航天管理局为了评估地面测控资源调度结果，给出了任务完成率和资源利用率这两项评估指标1820。这些国外的参考文献对测控设备日常运行效能评估问题的研究均具有一定的借鉴意义。因此，本文立足于负荷率、空闲可用率和空闲碎片率等评估指标，分别从时段、日和月的不同时间度量尺度出发，建立了测控区域的平均运行效能评估模型和各区域中负荷时长贡献度最大的设备日常运行效能评估模型。而且，针对文献1114的研究中因没有考虑星地可见预报的影响导致所建立的评估指标不精准的问题，本文在建立测控设备日常运行效能评估模型的过程中，考虑了通过计算星地可见预报中各可见弧段并集的方式来得到测控设备的实际可承担任务总时间这一工程因素，所建立的评估模型能更加科学准确地评估出不同测控区域中测控设备的日常运行情况。此外，本文还根据是否需要对与已承担任务弧段相冲突的可见弧段进行切割以扩充设备空闲可用时长的处理方式的不同，设计了非精细化评估和精细化评估两种不同的评估原则，能更加丰富所建立的测控设备运行效能评估模型的内涵；并进一步构建了适用于航天测控设备运行效能评估的运行效能显著性差异的统计检验计算式，能有效检验不同测控区域或不同测控设备在同一效能评估模型上是否存在明显差异，这些都能为指导优化测控网设备在航天测控任务中的服务能力奠定扎实的基于数学分析的评估基础。1问问问题题题描描描述述述测控设备日常运行效能评估问题主要研究的是，如何建立测控设备日常运行效能评估模型来对测控设备资源调度计划和星地可见预报等相关数据进行充分挖掘与分析，进而科学、准确地评估出不同区域中的测控设备的日常运行情况(包括时段、日和月的不同时间度量尺度下的运行情况)，为促进航天测控过程的不断优化提供理论依据和改进方向。因此，测控设备日常运行效能评估问题中涉及到的输入和输出要素描述如下。1)输入要素指定评估周期；评估周期内的测控设备资源调度计划数据；第4期梁军，等：测控设备运行效能评估建模及分析525评估周期内的星地可见预报数据；测控区域的集合以及各区域所包含的测控设备集合。2)输出要素各区域的平均运行效能评估结果，包括时段、日和月平均指标中的负荷率、空闲可用率和空闲碎片率以及各测控区域运行效能的显著性差异的统计检验结果；各区域中负荷时长贡献度最大的设备的日常运行效能评估结果，包括日指标、时段和月平均指标中的负荷率、空闲可用率和空闲碎片率以及各区域中负荷时长贡献度最大的设备的日常运行效能的显著性差异的统计检验结果。2评评评估估估模模模型型型建建建立立立2.1评估指标定义为解决文献1114中所建立的评估指标中夸大了测控设备实际可承担任务总时间的不足，本文在评估模型建立过程中，对单套测控设备的实际可承担任务总时间是通过计算星地可见预报中各可见弧段并集的总时长而得到。可承担任务总时间又分为已承担任务总时间、空闲可用总时间和空闲碎片总时间。其中，已承担任务总时间由该设备已计划的可见弧段总时长、任务准备总时长和设备释放总时长的加和得到。空闲可用总时间是除去不满足最高仰角约束的持续时长过短的可见弧段和与已承担任务弧段相冲突的可见弧段后，对剩下的可见弧段进行求并后计算总时长得到。空闲碎片总时间通过将可承担任务总时间减去已承担任务总时间和空闲可用总时间后得到。参照文献21提出的单套测控设备的负荷率指标，本节给出负荷率、空闲可用率和空闲碎片率评估指标的定义。2.1.1负荷率负荷率Lr是指第r套设备的已承担任务总时间与可承担任务总时间的比值，如下Lr=eE(Per+STr+RTr)eE(Per+STr+RTr)+hHAhr+nNDnr 100%,(1)其中E为第r套设备的已计划弧段集合，Per为集合E中第e个已计划弧段的时长，STr为第r套设备的任务准备时间，RTr为第r套设备的释放时间，H为第r套设备的求并后的空闲可用弧段集，Ahr为集合E中第h个空闲可用弧段的时长，N为第r套设备的求并后的空闲碎片弧段集，Dnr为集合N中第n个空闲碎片弧段的时长。2.1.2空闲可用率空闲可用率Kr是第r套设备的空闲可用总时间与可承担任务总时间的比值，如下Kr=hHAhreE(Per+STr+RTr)+hHAhr+nNDnr 100%.(2)526工程数学学报第40卷2.1.3空闲碎片率空闲碎片率Fr是第r套设备的空闲碎片总时间与可承担任务总时间的比值，如下Fr=nNDnreE(Per+STr+RTr)+hHAhr+nNDnr 100%.(3)2.2评估流程分析根据是否需要对与已承担任务弧段相冲突的可见弧段进行切割以扩充设备空闲可用时长的处理方式的不同，提出了基于非精细化评估和精细化评估这两种原则。其中，非精细化评估原则是不对与已承担任务弧段相冲突的可见弧段进行切割，而是将与已承担任务弧段相冲突的可见弧段都作为测控设备的非空闲可用时长；而精细化评估原则是需要对与已承担任务弧段相冲突的可见弧段进行切割，之后判断切割后的可见弧段的持续时长是否大于工程上要求的最短时长，如果满足最短时长要求，则切割后的可见弧段仍可以作为测控设备的空闲可用时长。2.2.1非精细化评估原则单套测控设备在评估周期内各种类型的可见弧段分布情况，如图1所示。图中包含了2个已承担任务弧段(计划1和计划2)和14个星地可见预报弧段(预报114)。其中，预报15均与计划1存在时间冲突，预报1114均与计划2存在时间冲突。按照非精细化评估原则，这些可见预报弧段不能作为空闲可用弧段。预报6属于最高仰角低于10的持续时长过短的弧段，同样不能作为空闲可用弧段。因此，在评估周期内该测控设备的空闲可用弧段只剩下了预报710。?1?2?1?2?3?4?5?6?7?8?9?12?10?11?14?13?10?图1非精细化评估原则2.2.2精细化评估原则在非精细化评估原则的基础上，精细化评估原则只是将与已承担任务弧段存在时间冲突的可见弧段按照已承担任务弧段的起止时间进行切割，进而判断切割后的可见弧段的持续时长是否大于工程上要求的最短时长，如果满足该要求，则切割后的可见弧段可以作为空闲可用弧段，否则仍需要被舍弃。如图2所示，按照计划1的起止时间对与计划1存在交集的预报1和预报5进行切割，切割后的预报1的时长小于工程上所要求的最短持续第4期梁军，等：测控设备运行效能评估建模及分析527时长，所以切割后的预报1仍需被舍弃，不能作为空闲可用弧段；切割后的预报5的时长大于最短持续时长的要求，所以切割后的预报5可以作为空闲可用弧段；同理，按照计划2的起止时间进行切割后的预报11也可以作为空闲可用弧段。?1?2?1?2?3?4?5?6?7?8?9?12?10?11?14?13?1?5?11?图2精细化评估原则2.2.3基于两种原则的评估流程基于以上两种评估原则，单套测控设备的评估指标的计算流程，如图3所示。在图3中，已计划弧段集合A用来存储所有已计划可见弧段，已承担任务弧段集合A用来存储设备的已承担任务弧段，以便求解负荷率；星地可见预报弧段集合B用来存储去掉所有已计划弧段的剩余可见弧段，集合B用来存储由集合B去掉不符合最短持续时长要求的弧段后剩余的可见弧段；空闲可用弧段集合C用来存储与集合A中已承担任务弧段无任何时间冲突的空闲可用弧段，集合C用来存储集合C中所有空闲可用弧段的并集，以便求解空闲可用率；空闲碎片弧段集合D用来存储设备的所有空闲碎片弧段，是在将集合A和集合B求并所得到的全集的基础上，通过求集合C和集合A两者并集的补集而得到，用来求解空闲碎片率。2.3运行效能评估建模在定义了评估指标和分析了评估流程的基础上，首先需要对航天测控网中测控区域的平均运行效能评估模型进行构建；然后，选取各区域中负荷时长贡献度最大的测控设备作为典型设备，再建立单套设备的运行效能评估模型。2.3.1控区域的平均运行效能评估模型对于第i个区域regioni而言，设deviceSet=device1,devicet,deviceT表示该区域中的T套测控设备的集合，daySet=day1,daym,dayM表示指定评估周期内有M个