航天器项目试验评估新方法*

2016-10-28 07:43吴金美凌晓冬
电讯技术 2016年3期
关键词:航天器关键技术评估

吴金美,凌晓冬

(中国卫星海上测控部,江苏江阴 214431)

航天器项目试验评估新方法*

吴金美**,凌晓冬

(中国卫星海上测控部,江苏江阴214431)

合理的评估方法是使得航天飞行器项目的试验论证更具有科学性的有力手段。针对航天器项目试验评估的过程复杂且内容目标不明确的现状,归纳总结了对航天器项目试验的关键技术的遴选和评估指标的确定方法,分析了航天器项目试验数据的特性,选择了差分检测法进行异常值的剔除,基于经典数理统计理论进行两类指标的估计,从而形成了完整的航天器项目试验的评估方法构建,为航天器项目试验的评估验证提供了技术途径。

航天器项目试验;评估方法;关键技术;评估指标

引用格式:吴金美,凌晓冬.航天器项目试验评估新方法[J].电讯技术,2016,56(3):273-277.[WU Jinmei,LING Xiaodong.A new eva1uation method for sPacecraft Project test[J].Te1ecommunication Engineering,2016,56(3):273-277.]

1 引 言

21世纪,太空已成为新的战略制高点,世界各国纷纷加大对航天工业的投入。我国航天器的研制也进入了快速发展的轨道,急剧的任务增加和高密度发射,使得航天器的研制项目已经成为关注重点。对新型航天器项目的试验和评估,可以早期发现和纠正存在的缺陷和问题,为改进航天器的性能,完善研制项目监控,保障用户的最终使用提供至关重要的信息[1]。为了保证日益增长的航天器型号研制任务能够顺利进行试验和评估,特别是进一步推动航天器项目评估理论创新,完善和规范其试验与评估的内容及要求,有必要组织开展航天器研制项目的试验评估方法的研究。

目前国内外针对项目的评估理论主要集中在项目的安全性评估、财务效益估算、风险评估等[2-3],针对航天器研制的评估又大多是对航天器机构或者产品的可靠性评估[4-5],对武器装备的评估内容主要是武器的效能评估[1,6-7]或者评估系统设计[8-9],所以目前针对航天器项目的试验和评估方法还只在摸索阶段。

事实上,科研项目论证重点在风险和效益,而在航天器项目的试验评估阶段,关注点是各个方面的精确度、安全性和可靠性等,亦即航天器的“效能”。难点就在于如何将这么多的用试验数据无法直接运用的关注点转化为可以用试验数据能够体现的评估指标,如何用试验数据进行分析得到某一个指标上的具体得分,以及如何根据评估用的各种指标反过来决定试验过程中需要获得哪方面具体数据等。

航天器项目的试验相关的理论包括了试验的方法、标准的制定、组织领导、协调、策划、实施等[1],试验的方法和管理不是本文的研究内容,本文的目的是解决航天器项目试验后怎么进行评估,试验过程获得的数据如何处理等问题。

本文在深入分析和充分调研的基础上,提出了针对航天器项目试验的评估方法,形成了从评估指标的确定到试验数据的预处理和评估计算的一整套评估流程,对进一步提高航天器项目试验的评估水平具有参考价值。

2 关键技术的遴选和评估指标的确定

如何将用试验数据无法直接看出来的评估目标转化为可以用试验数据能够体现的评估指标是进行评估要解决的第一个问题,也是后续进行数据分析的基础。

对一个航天器项目进行试验和评估,首先要确定所需试验评估的内容。航天器研制项目是一个复杂的系统工程,必然有着大量的技术点,因为试验的成本和条件限制,不可能为每个相关技术进行一次单独的试验和评估,所以在试验前就必须对试验评估内容进行遴选。

另一方面,我们注意到,对每一个项目而言,是其成败关键,体现了项目的各方面值得关注的地方,也就是前面所说的关注点。因此,对关键技术进行的试验和评估是最能体现项目工程评估要求的,明确项目工程的关键技术才能有的放矢地对项目开展试验和评估,所以对评估指标的确定其实就是选择关键技术及其相关指标的一个过程。

不同的航天器项目的试验中的关键技术都不相同,我们在实践中对关键技术的遴选一般遵从应用性、创新性、复杂度这三个基本原则,具体操作时可以分3步。

第一步,根据该项目的核心和创新技术以及有应用前景的技术,搭建初步的航天器项目的关键技术的涵盖范围。

第二步,在文献调研和专家咨询的基础上,进行遴选,依据应用性、创新性、复杂度原则,对范围内的各关键技术进行比对分析,这一阶段可借助专家的评价和打分进行排序,依次确定最终所要的关键技术清单,对于复杂的大型项目,可以分层次分阶段定关键技术;对于相近或相关的关键技术,可以分组比较分析从而实现综合优选排序。

例如,表1列出的就是针对高超声速飞行器项目的飞行试验提炼出的部分关键技术[10]。

表1 高超声速飞行器飞行试验关键技术Tab.1 Key techno1ogies of hyPersonic vehic1e in f1ight test

第三步,在充分调研基础上,广泛征询专家意见,对每一项关键技术,提出其相应的评估指标,总体而言,不管是哪一项关键技术,其评估指标均包括能够体现安全性和可靠性的参数标志和体现精确度的各种测值的精度指标,依此规律建立每项关键技术的相应评估后对评估指标的合理性方面进行论证,以完成整个关键技术及其指标体系的建立。

例如,对于表1中的导航与控制技术,其评估指标如表2所示。

表2 导航与控制技术的评估指标Tab.2 Navigation and contro1 index system

3 试验数据的预处理

对航天器项目的飞行试验或仿真试验一般都会分不同类别多次进行,对某项关键技术而言,在不同试验中可能多次涉及到,而且飞行试验一般会持续一段时间,所以数据量是相当大的,但是在利用测量数据进行评估之前,必须排除某些突发因素导致的野值,比如冲击、振动等干扰或者设备故障、读数记录的过程的明显过错导致的过失误差,否则容易影响评估结果的正确性。

类似于表2中飞行器导航标志是否处于导航状态、定位信息是否正常输出这样的测量值来说,其中的异常值可能是数据故障、读数、记录等原因造成的,甚至有的是操作失误导致的错误数据,这样的数据没法进行数学处理,只能依靠人工进行分析和筛查,排除比较明显的过失误差,然后用数学剔除野值的方法对位置速度这一类的测量数据进行处理。

因为航天器的测量数据并非独立等精度的静态测量,所以在一般的测量数据中常用的三σ准则、格拉布斯准则、肖维勒准则、t检验法[11]均不适用,对飞行器测量数据处理时常用的差分检测法[12]算法简单而且对孤立型野值的剔除效果明显,可以用于航天器项目的试验的野值剔除。

但试验数据常常包括自主机动过程的飞行数据,其位置和速度的测量数据往往不是平滑的曲线,会有很大幅度的跳跃,甚至是分段连续的,因此在采用差分检测法时需要对连续检出野值的情况进行处理。如果连续4点判断为野值,则将这4点进行标记,并从这4点起重新进行积累和差分检测,这样就能避免在不连续的跳跃边界点处起连续被检测为野值。

4 基于经典统计理论的评估方法

航天器项目的评估过程中,大量的试验数据完全可以满足经典统计理论的样本量。如表2中导航技术的指标中的导航标志是否处于导航状态,定位信息是否正常输出等,这类试验评估主要以成败结果来度量,即试验的成功率,通常成败型试验对应概率统计中二项分布。

给定置信水平1-α、试验结果n和F,可以计算得到结果,对于常用的参数范围,GB4087.3-85《数据的统计处理和解释二项分布单侧置信下限》提供了数表,可直接查找结果。

在航天器项目关键技术的试验中很大一部分性能指标都是有关精度的,比如检验各类偏差,包括角度偏差以及表2中的位置偏差、速度偏差等数值,因为测量的随机误差近似正态分布是精度分析中的常用分布,所以对于这类偏差类的性能指标通常先检验其是否服从正态分布,具体方法见文献[1],如果接受,则可用正态分布的点估计和区间估计。

计算正态分布的分布函数或者查正态分布表,可得到结果。

5 示 例

在某航天器项目的试验和评估中,通过文献调研和专家咨询确定的关键技术中,包括该航天器的相对导航技术,分析该关键技术的主要评估项,论证结果分别为稳定跟踪目标、实现相对导航、在两种状态下的适应性(在A状态下的相对导航、在B状态下的相对导航)、位置精度、速度精度。在对试验数据采用差分检测法剔除部分异常值后,按照评估的方法验证该项关键技术,如表3所示。

根据表3的方法可得出具体的评估结果。在评估后,对数据的分析也是相当重要的,因为分析结果可以直接反馈到技术的改进或者试验过程的修正,比如在精度评估时,结果表明没有达到可接受范围,分析试验数据发现含有较明显的系统误差,应该进行进一步的研究,是否设备原因或者试验过程中的因素导致试验数据有系统误差从而进行及时修正和完善,为尽早掌握该项关键技术做准备。

表3 某航天器的相对导航技术评估Tab.3 Eva1uation of re1ative navigation techno1ogy for a sPacecraft

6 结束语

由于航天器项目试验的评估是一项复杂和庞大的前瞻性工作,本文提出的评估方法从总体上给出评估的方法和流程,搭建了评估框架,具体的评估实施过程中还会面对很多问题,需要进行深入研究。由于缺乏具体的试验数据,并且对航天器评估所需的试验数据进行仿真还需要相当的条件和时间,我们给出的示例展示了评估的方法和算法,目前无法提供具体评估结果。对于评估方法的效果,需要结合数据做进一步分析,这也是我们下一步的研究内容。

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吴金美(1983—),女,江苏扬州人,2008年于国防科技大学获硕士学位,现为工程师,主要从事数据处理、计算机软件及其应用方面的研究;

WU Jinmei was born in Yangzhou,Jiangsu Province,in 1983.She received the M.S.degree from Nationa1 University of Defense Techno1ogy in 2008. She is now an engineer.Her research concerns data Processing and the aPP1ication of comPuter software.

Emai1:wim¯83@a1iyun.com

凌晓冬(1978—),男,江苏宝应人,2009年于国防科技大学获博士学位,现为工程师,主要从事数据处理、资源调度、试验评估等方面的研究。

LING Xiaodong was born in Baoying,Jiangsu Province,in 1978.He received the Ph.D.degree form Nationa1 University of Defense Techno1ogy in 2009.He is now an engineer.His research concerns data Processing resource schedu1ing,test eva1uation,etc.

A New Evaluation Method for Spacecraft Project Test

WU Jinmei,LING Xiaodong
(China Sate11ite Maritime Tracking and Contro1 DePartment,Jiangyin 214431,China)

To imProve the reasonab1eness in sPacecraft Project test and argumentation,an eva1uation method is brought forward.For so1ving Present Prob1ems that the test Process of eva1uation for sPacecraft Project is comP1ex and both target and content are uncertain,methods of choosing key techno1ogies and ascertaining eva1uation indexes are co11ected and c1assified.The characteristics of the test data are ana1yzed and a differentia1 detection scheme is chosen to reject out1iers.Based on c1assica1 statistics,eva1uation of two kinds of indexes is aPP1ied.Consequent1y,a who1e Process of quantificationa1 eva1uation is formed to suPPort the eva1uation test for sPacecraft Project.

sPacecraft Project test;eva1uation method;key techno1ogies;eva1uation indexes

V417

A

1001-893X(2016)03-0273-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.007

2015-07-23;

2015-11-18 Received date:2015-07-23;Revised date:2015-11-18

**通信作者:wim¯83@a1iyun.com Corresponding author:wim¯83@a1iyun.com

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