基于TDRSS的导弹远程监控检验评估模型设计及实现

蔡季萍，刘云杰，裴　培

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于TDRSS的导弹远程监控检验评估模型设计及实现

蔡季萍，刘云杰，裴培

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要从跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)的基本通信原理入手，开展基于中继卫星系统的导弹远程监控通信能力检验评估研究，利用模糊层次分析方法搭建了基于中继卫星系统的远程监控通信能力评估体系框架，对评估模型的构建进行了详细阐述，并给出了几个重要评估指标的计算方法，通过评估实施和对评估结果数据的分析，构建的评估体系和方法能够对导弹远程监控通信能力进行有效评估，方法有效、可行。

关键词评估模型；导弹远程监控；跟踪与数据中继卫星系统

0引言

要使战略导弹发挥出高效的作战效能，需要对其做到迅速、准确、保密、不间断的“状态监测与远程监控通信”，同时对通信系统进行有效可靠的效能评估[1]。在建设中继卫星之前，我国对飞行器进行“状态监测与远程监控”的主要手段是依靠陆上测控站(陆基)和海上测量船(海基)等测控系统，但受国土面积和经济条件等因素的限制，无法做到全球布网，覆盖率较低，不能对飞行器进行超视距的通信与测控[2]。

TDRSS是指一种利用地球同步卫星上的中继转发器转发地面测控站的出入站信号，实现地面设备对中、低轨航天器的实时、连续地跟踪测轨和数据中继传输的测控通信系统。其中地球同步卫星称为TDRS，能与用户航天器进行几乎不间断的实时通信。主要作用包括中继转发地面站对中、低轨道用户航天器的跟踪测控信号以跟踪、测量和控制用户航天器，将用户航天器的海量遥测遥感等图像和数据中继转发至地面站。TDRSS从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，数据传输量大、使用灵活，能够大大减少地面站数量，省掉用户航天器上的存储记录装置，从而提高数据传输的可靠性，尤其是可弥补在国外难以建立测控站的缺陷，实现指挥控制系统与武器平台的无缝隙连接，对提高远程作战指挥能力、发挥武器平台效能具有重要作用[3，4]。

本文开展基于TDRSS的导弹远程监控通信能力检验评估研究，建立远程监控通信能力评估指标体系，研究通信能力综合评估方法，实现远程监控通信能力检验评估方案的优化设计。

1评估体系框架

评估体系包括：① 远程监控通信需要传输的数据内容和要求；② 完成用户需求TDRSS通信链路应具备的能力。本文主要讨论评估TDRSS通信链路对导弹远程监控所能提供的通信能力支持上。

1.1　评估流程

对基于TDRSS的导弹远程监控通信能力进行评估的具体流程如图1所示。

图1　导弹远程监控通信能力评估流程

1.2　评估指标体系

导弹远程监控通信能力反映TDRSS前向链路通信能力，指标体系中各能力要素和能力指标如图2所示。

图2　导弹远程监控通信能力评估指标体系

1.3　评估方法和步骤

采用模糊层次分析法(Fuzzy-AHP)作为监控能力评估方法，将层次分析法(AHP)的分层、相对重要性定量表示与模糊法的评价要素综合评判划分相结合[5]。评估步骤包括：构建评估指标体系、确立指标体系权重和确立二级模糊综合评价模型[6，7]。

构建递阶层次结构的评估指标体系，确定指标体系权重包括构造判断矩阵、指标权重计算和一致性检查等3个步骤。

组织m个评估专家(序号为k,k=1,2……m)对同层次中n个元素关于上一层某准则的重要性进行两两比较，指标间相对重要程度采用9/9～9/1标度法，用比较值构造判断矩阵分别为D1,D2,…,Dm。其中Dk=(dij,k)n×n，dij,k为第k个专家对评价指标给出的评分，ηk是第k个专家的权重系数。用加权几何平均法将多个判断矩阵合成一个综合判断矩阵D，有

式中，i,j= 1,…,n。

进行指标权重计算时，由判断矩阵计算相对上一层次中某准则的权重采用平方根法。设i= 1,…,n，计算综合判断矩阵D中每行元素的乘积为：

对λi进行偏差一致性检查指标C.I.=(λmax-n)/(n-1)，对λi进行随机一致性检查指标C.R.=C.I./R.I.。其中R.I.为平均一致性检查指标，查表1获得。一致性检查如表1所示。

表1　一致性检查

当C.R.≤0.10，认为判断矩阵符合相容性要求；否则重新打分计算，甚至改换评估指标体系，直到符合相容性条件为止。

由于指标体系中的各性能指标量纲不一致，相关特性也不相同，必须进行统一量化处理。本文采用模糊评价法来获得评价表征值。

n1+…+ns=n;

U1∪…∪Us=U;

Ui∩Uj=φ,i≠j。

依据指标层次图，一级模糊综合评判集(Bi)n×1即是对于第2层所有指标的综合评判：

二级模糊综合评判集为：

1.4　远程监控评估模型

依据评估指标体系构建通信能力综合评估模型。根据每个专家对各指标相对重要性打分构造的各能力要素判断矩阵形式如下，R1i、R2i、R3i分别代表第i个专家对覆盖范围、信息传输能力、通信质量中各指标相对重要性评分构造的判断矩阵。

用加权几何平均的方法构造综合判断矩阵R1、R2和R3，利用平方根法计算权重并进行归一化得到各指标权重向量λ1=(λ11,λ12)，λ2=(λ21,λ22,λ23)，λ3=(λ31,λ32,λ33,λ34,λ35)，进行一致性检验直到符合相容性条件。

将多方案中需求指标值与计算获得的指标值做对比，获取各性能指标对于上一级能力要素的隶属度函数：

选用加权平均模糊算子，得到一级模糊综合评判模型为：

B1=W1·L1=(b11,b12,b13,b14,b15)，

B2=W2·L2=(b21,b22,b23,b24,b25)，

B3=W3·L3=(b31,b32,b33,b34,b35)。

式中，

二级模糊综合评判集

1.5　评估指标计算

1.5.1系统链路性能计算

中继卫星系统链路性能由接收端信噪比的归一化形式Eb/N0表示,Eb为每比特能量，N0为噪声谱功率密度。前向和返向Eb/N0均包括站到星、星过星的信号衰减计算。

① 前向Eb/N0：地面站发送功率，经过地面站与中继星间的对流层和电离层的衰减；信号由中继星进行转发，经过中继星与目标间的链路衰减，即为目标的接收信噪比。

② 返向Eb/N0：飞行器发送功率，经过飞行器与中继星之间的链路衰减；信号由中继星进行转发，减去中继星与地面站间的对流层和电离层的衰减，即为地面站的接收信噪比。

1.5.2雨衰计算

天线仰角E≥5°时，信号通过雨区的实际传输路径长度LS与地球站天线仰角E、当地0°等温线高度H、地球站平均海拔高度H0，有下列几何关系LS=(H-H0)/sinE，降雨区范围LG与LS的关系式为LG=LScosE。

仰角E<5°时，计算LS时还要考虑地球表面曲率半径的影响。由于在整个路径中，降雨密度不是均匀的，因此LS与有效传输路径Le成正比，但还有比较复杂的函数关系。有效传输路径长度Le与实际传输路径长度LS，近似有下列关系Le=γpLS，式中，γp为缩减因子，与年降雨时间百分比p和降雨区范围LG有关。

1.5.3自由空间路径损耗计算

无损耗的各向同性辐射源到其路径长度相等的距离处的理论损耗为L=(4πd/λ)2，d为路径长度，对数形式为[L]=20lg(4πd/λ)，静止轨道卫星距地球表面约为36 000 km，当频率为6 GHz时，自由空间路径损耗为200 dB左右，当频率为4 GHz时，路径损耗为195.6 dB。

1.5.4黑障损耗计算

黑障对信号传输的影响有幅度衰减和随机相移，其中幅度衰减常数α、相移常数β与射频工作频率f、等离子体振荡频率f0、等离子体碰撞频率fv的关系为[11，12]：

对于相干解调系统，在信噪比γ一定的前提下，黑障区内总衰减值αd很大，可忽略总相移φ对误码率的影响；而黑障区外系统误码率Pe对相位常数β的变化很敏感。对于非相干解调系统，由于采用的是包络检波，其包络检波器直接从已调制波的幅度中提取原调制信号，所以最终检波信号只需计算等离子体鞘套对穿越其间调制波的幅度衰减αd而无需顾及相移量βd，也即非相干解调系统误码率Pe与βd无关。所以只要考虑幅度衰减。

1.5.5信息传输能力指标计算

通信容量通常指通信信道路数，以每个转发器所能提供的实际信道数为基准，取决于卫星通信系统的体制和参数。

中继星系统设计有S、Ka波段的双向数据传输能力，Ka波段可以支持300 Mbit/s的高速率数据传输，为克服黑障影响，需要采用Ka频段信号传输。信息速率的指标以Ka频段的数据传输速率为准。

1.5.6通信质量指标计算

单个目标系统解调器输出误码率Pb与输入能量噪声功率谱密度之比的关系为：

对于多目标，设目标信号到达接收机的功率相等，系统解调器输出误码率Pb与输人能量噪声功率谱密度之比的关系为：

式中，N为扩频倍数；Eb为信号能力；N0为零均值高斯白噪声的双边功率谱密度。

虚指令概率：设出现随机信息流的概率P0=1，出现一条虚指令的概率为：P1虚=P0(1/2)(n2+n3)。

漏指令概率：在一次指令中无论是地址码还是指令码只要有1bit的码元错误，就不能正确判断而漏掉，则出现漏指令的概率为P1漏=(n2+n3)Pe,Pe为误码率。

误指令概率：产生误指令的条件是要有3次以上的地址码接收正确，而指令码错成别的许用码字，设指令码的码距为1，指令段出现1个以上的错误时就出现误指令，则误指令概率为：

传输时延：以通信距离与光速的比值来衡量。TDRSS通信距离包含导弹到中继星的空间链路距离和中继星到地面站的空地链路距离。中继卫星只是进行数据的透明转发，转发时延可忽略。为此传输时延可以表示为：τ=(SSM+SSG)/c。τ为转发时延，SSM为导弹到中继星的空间链路距离，SSG为中继星到地面站的空地链路距离，c为光速。

2评估实施及结果分析

以导弹打击某国城市为例开展远程监控通信能力评估的数据采集并进行结果分析。经STK仿真，选用对导弹的最大、最小、平均以及累积空间、时间覆盖率均能够达到100%的02号星进行评估。

远程监控判断矩阵分别为：

计算指标权重为：

λ1=[0.75,0.25]，

λ2=[0.55,0.24,0.21]，

λ3=[0.012,0.018,0.72,0.2,0.05]。

一级模糊综合评价模型中指标权重为：

W1=[0.75,0.25]，

W2=[0.55,0.24,0.21]，

W3=[0.012,0.018,0.72,0.2,0.05]。

隶属度函数为：

一级模糊综合评价模型为：

B1=(0.01,0.12,0.12,0.02,0.79),

B2=(0.36,0.23,0.17,0.19,0.2),

B3=(0.1,0.12,0.56,0.67,0.2)。

二级模糊综合评价模型能力要素判断矩阵：

权重为：W0=[0.856,0.032,0.112]。二级综合模糊评价模型为：B=(0.01,0.12,0.12,0.02,0.79)。

最大传输距离为：

S城市1-星+S星-X国城市2=

(RE+h)sin(180-118+180-177)+(RE+h)sin(177-155)=

(6 371+35 787)(sin65°+sin22°)=54 000 km。

最大传输时延为5.4/30=0.18 s。

指令判决采用五判三前向纠错方式。

P1虚=P0(1/2)(n2+n3)=P0(1/2)24=5.96×10-8,

P1漏=(n2+n3)Pe=24×10-6=2.4×10-5。

虚、漏指令概率为：

10[(1-10-6)×10-6]3≈1.0×10-17。

将需求指标与计算的指标进行比对，02星满足通信容量需求，满足在星间和星地链路之间使用Ka频段，最大通信速率达到300 Mbps的数据中继的需求，满足前向和返向码速率需求；适当调整接收端与发射端的载波与噪声功率之比，可达到误码率需求；传输时延最大0.18 s，小于需求的1 s；虚指令概率、漏指令概率和误指令概率均达到指标。

综上所述，当前我国的TDRSS通信链路具备为战略导弹提供从我国境内发射，打击X国城市的通信能力。

3结束语

从TDRSS的基本通信原理入手，搭建了基于TDRSS的导弹远程监控通信能力评估体系框架，构建了评估指标体系并进行了实证研究。所构建的体系和方法能够对导弹远程监控通信能力进行有效的评估，达到预设标准，方法有效可行。

目前评估系统还存在一些不足，例如：缺乏弹载收发、中继星转发以及地面站终端的具体参数。在后续工作中考虑进一步获取以往实验的实际数据进行评估处理。

参考文献

[1]史西斌,李本津,王锟，等.美国三代跟踪与数据中继卫星系统的发展[J].飞行器测控学报，2011,30(2):1-8.

[2]吴琼玉.跟踪与数据中继卫星系统链路的分析及仿真研究[D].长沙：国防科学技术大学硕士学位论文，2003:1-62.

[3]李于衡,郑军,易克初.中继卫星(TDRS)支持环月探测器的研究[J].空间科学学报，2007,27(3):227-232.

[4]王家胜.我国数据中继卫星系统发展建议[J].航天器工程，2011,20(2):1-8.

[5]姜启源.数学模型[M].北京：高等教育出版社，1999.

[6]赵华琼,唐学文.基于模糊层次分析法的网络业务性能评估模型[J].计算机应用,2013,33(11):3 036-3 038.

[7]卫青春,赵华敏,赵锦华.帧间码参差解距离模糊方法[J].无线电通信技术,2013,39(1):63-66.

[8]陈振国,杨鸿文,郭文斌.卫星通信系统与技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.

[9]罗静,秦宏伟,洪军.Ku频段卫星雨衰计算及自动观测系统设计[J].无线电通信技术,2012,38(1):77-80.

[10]刘秀文.基于目标分群与模糊匹配的态势评估技术[J].无线电工程,2012,42(12):61-64.

[11]赵向阳.黑障对无线电信号的影响分析与研究[D].兰州:兰州大学硕士论文,2012：1-67.

[12]胡红军,陈勇,陈菊.飞行器黑障区测控技术问题探讨[J].弹箭与制导学报,2012,32(2):197-199.

蔡季萍女，(1976—)，硕士，工程师。主要研究方向：航天测控技术领域和工程实践。

刘云杰男，(1974—)，博士，高级工程师。主要研究方向：航天测控、数据处理技术领域和工程实践。

Assessing Model of Missile Flight Monitoring and

Control System Based on TDRSS

CAI Ji-ping，LIU Yun-jie,PEI Pei

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractResearches about assessing system of missile flight monitoring and control based on Tracking and Data Relay Satellite System(TDRSS)are carried out.Fuzzy-AHP method is used to build the framework of communication capacity assessing system.The assessing model is introduced in detail as well as the most important assessing index calculation methods.Missile flight data and assessing results are also presented and analyzed.

Key wordsassessing model;missile flight monitoring and control;TDRSS

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-03-23

中图分类号P228.6

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0004-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.02

引用格式：蔡季萍，刘云杰，裴培.基于TDRSS的导弹远程监控检验评估模型设计及实现[J].无线电工程，2015，45(6)：4-8，24.