BDS测控系统监测评估指标体系设计

王星宇，徐冰霖，陈星伊，汪　涛

(1.航天器在轨故障诊断与维修重点实验室，陕西 西安　710043；2.西安卫星测控中心，陕西 西安　710043)



BDS测控系统监测评估指标体系设计

王星宇1，2，徐冰霖2，陈星伊1，2，汪涛2

(1.航天器在轨故障诊断与维修重点实验室，陕西 西安710043；2.西安卫星测控中心，陕西 西安710043)

为了提升BDS测控系统现有运行效能和服务性能，针对测控系统的实际运行状况，结合对导航性能产生直接影响、反映测控系统能力、反映卫星测控系统效能等原则，建立了一套BDS测控系统监测评估指标体系：阐述了采用层次分析法分析各评估指标权重的具体实现；通过功效系数法对测控系统进行综合评估和分析，为BDS测控管理监测评估工作提供了一种定量和定性相结合的决策方法。BDS长期在轨管理工作实践表明，该监测评估指标体系的建立能够对测控系统稳定运行提供帮助。

北斗系统；测控；监测评估；指标体系；层次分析法

0　引言

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)已经正式提供导航服务。为了保证系统提供全天时、全天候良好服务，已经在服务层面开展了监测评估工作，全面评价系统服务性能。文献[1]提出了全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)开放服务的监测与评估，可以为导航用户在使用服务时提供可靠的决策支持信息，从而最大限度地减少可能产生的不利影响；但在BDS测控系统的监测和评估方面却仍未发现相关研究，对BDS测控系统开展监测评估的研究势在必行。

本文对BDS测控系统的监测评估工作进行初步探索，运用层次分析法构建了一套BDS测控系统监测评估指标体系。层次分析法是美国运筹学家Satty于20世纪70年代中期提出的一种层次权重决策分析方法。该方法定性分析和定量分析相结合，能够将主观判断为主的定性分析进行量化，显示各方案的差异性[2]；同时通过权重分析确定各个目标在项目总体评价方面的重要性，克服了传统方法无法直观、简洁地分析和描述系统特点的缺陷[3-5]。

1　监测评估体系构建的原则

建立BDS测控系统监测评估指标体系之前，应该首先确认体系构建的原则。根据测控系统与导航服务的关系及测控系统在卫星导航系统中承担的职责，同时参考建立区域性金融风险监测评估体系的经验[6]，制定体系构建的基本原则为：1)直接性，指所选指标要直接反映影响导航服务性能的情况；2)相关性，指设定的指标能够收集、操作性强、相关联程度高；3)科学性，指监测评估指标体系的设计要科学合理、简单易行、便于操作；4)突出能力，指所选指标要全面反映测控系统的能力；5)体现效能，指所选指标要反映测控系统的效能。

2　体系设计

2.1层次分析法的原理

层次分析法是指将一个复杂的决策问题分解为不同的组成因素，将这些因素按目标、准则、措施(方案、手段)等分类，构造一个反映各因素间隶属关系和关联程度的递阶层次模型；通过一系列成对比较的评判来得到各个评价对象在某个准则之下的相对重要的量度；将这种评判转换成数字处理，构成判断矩阵，然后使用单准则排序计算方法便可获得这些方案或措施在该准则下的优先度排序。通过层次的递阶关系，可以计算出各个对象对最高目标的总排序权重，根据结果进行规划决策和选择解决问题的途径[7]。层次分析法的步骤一般为：

1)构造递阶层次结构。

首先要把复杂的问题分解为各组成元素，按元素的属性不同分为若干组，以形成有序的递阶层次结构。

2)建立判断矩阵。

判断矩阵是以上一层的某一要素作为判断准则对下一层要素进行两两比较来确定矩阵元素值。通常按照文献[2]提出的1～9判断矩阵标度原则(见表1[2])对因素层和子因素层间各元素的相对重要性给出判断，得到矩阵A。A的元素aij表示同一层次中第i个因素相对于第j个因素的相对重要性比较结果。对于一个递阶层次结构，从目标层到子因素层有几个隶属关系，就要建立几个判断矩阵。

表1　1～9标度表

3)层次单排序及一致性检验。

构造好判断矩阵后，通过对每一个判断矩阵求解最大特征根λmax及对应特征向量W得出针对某一准则层各元素的相对权重。为验证判断矩阵的合理性，需要由求解出的λmax检验判断矩阵是否存在严重的非一致性，一致性检验可以通过求解一致性比率CR完成，即：

(1)

(2)

式中：CI为一致性指标；CR为一致性检验率；RI为随机一致性指标(见表2[2])。

表2　RI随机一致性指标标准值

当CR≤0.1时，特征向量进行归一化处理后得到向量Ei，其各分量即为某一层次指标对于上一层次某相关指标的相对重要性权值；若CR>0.1，则认为该判断矩阵不满足一致性要求，需根据矩阵标度原则重新评价，直到通过检验为止。

2.2BDS测控系统监测评估指标体系

按照指标体系构建的基本原则，综合测控领域专家的经验和判断，并结合测控领域从业人员的充分讨论，建立如表3所示的BDS测控系统监测评估指标体系。

2.3指标权重的确定

2.3.1一级指标权重的确定

1)确定目标A和一级指标Bi：A=BDS测控系统运行情况；Bi={B1，B2，B3}。

2)构造A-Bi(i=1，2，3)判断矩阵，如表4所示。

表3　BDS测控系统监测评估指标体系

表4　A-Bi 判断矩阵

3)计算判断矩阵每行所有元素几何平均值为：

(3)

(4)

(5)

式中Wi为第i行元素的几何平均值。

4)归一化求特征向量为：

(6)

(7)

(8)

式中Ei为第i行元素的归一化值。

5)计算判断矩阵最大特征根。记A-Bi层次判断矩阵为AW，则有：

(9)

(10)

式中λmax为矩阵AW最大特征根。

6)一致性检验

(11)

查表得RI≈0.58(n=3时)，因而有

(12)

2.3.2二级指标权重的确定

1)B2-Ci判断矩阵，如表5所示。

表5　B2-Ci判断矩阵

最大特征根λmax=4.016，一致性检验率CR=0.005 9。

2)B3-Ci判断矩阵，如表6所示。

表6　B3-Ci判断矩阵

最大特征根λmax=4.233，一致性检验率CR=0.086 4。

2.4排序

通过确定二级指标层相对于总目标的权重得到9个指标的重要性排序为：C1>C2=C3>C6>C7>C4>C5>C8>C9。单星导航不可用时间直接影响导航系统性能，在BDS测控管理中应该重点监测、定期评估，并不断优化，提高测控系统服务用户的能力和水平。

2.5综合评估

BDS测控系统监测评估指标体系中每一个指标都只能反映测控系统某个方面的运行情况，要全面监测评估整个测控系统的运行情况，还必须对其进行综合评估。对于可测量数值的指标，可以采用功效系数法。该方法对每个评估指标设置2个数值，一个是满意值(历史最优值)，另一个是和不允许值(历史最差值)，可用式(13)或式(14)计算出每个指标的功效系数——对于无法直接测量的指标，由行业内专家进行打分，确定其单项指标功效系数为：

(13)

(14)

式中：D表示指标功效系数；Zy表示指标最优值；Zc表示指标最差值；Zl表示指标测量值。

通过对体系内所有指标的功效系数进行加权算术平均，可以计算出BDS测控系统监测评估指标体系综合功效系数。根据计算结果，可以采用表7的评价结果进行分析，进而对测控系统运行情况进行评估。综合功效系数的计算过程如图1所示。

表7　评价结果表

图1　综合功效系数的计算流程

3　指标体系的应用

根据建立的BDS测控系统监测评估指标体系以及运用层次分析法确定的权重，选择2015-01至2015-08期间BDS测控系统运行的数据进行测评。通过计算和专家评判，得出二级指标的功效系数，具体如表8所示。根据各指标权重进行综合功效计算，综合功效系数为92.13。

表8　二级指标功效系数表

通过以上得出的综合功效系数及各个二级指标的功效系数分析可见：BDS测控系统的综合评价为优等，说明BDS测控系统运行情况优秀；同时也看到测控管理人员效率、轨道确定效率及轨道确定能力等指标处于良等，说明这些方面还有进一步提升的空间。

4　结束语

本文从BDS卫星导航系统持续稳定运行的需求出发，遵循体系构建原则，建立了BDS测控系统监测评估指标体系。指标体系涵盖了BDS测控系统的各个方面，能够对测控系统运行进行客观评估：运用层次分析法确定了各个指标权重，并进行排序，避免了指标权重确定随意性大的弊端；同时说明各个指标在系统运行中有主次之分，能够为集中有限力量，突出重点、分清主次抓测控系统建设提供参考。使用功效系数法对BDS测控系统开展监测评估，结合指标权重进行综合评估和分析，并指出后续测控系统建设的努力方向，为推动测控系统不断改进和完善、提升测控系统的服务性能发挥作用；但采用层次分析法确定指标权重以及指标功效系数时，由于其打分过程中存在较多的主观因素，会对监测评估结果有一定影响：因此指标选取和评估的方法仍然需要进一步完善。

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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，陕西富平人，本科学历，工程师，研究方向为航天器测控管理。

简介：陈星伊(1984—)，女，山东淄博人，硕士，工程师，研究方向为航天器测控管理。

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，陈星伊，等.BDS测控系统监测评估指标体系设计[J].导航定位学报，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.)