功能可重构卫星载荷测试评估方法

李宇恒

摘 要 载荷测试评估是卫星载荷研制的重要组成部分，贯穿了卫星整个研制过程。本文基于功能可重构卫星载荷具有软件定义功能和功能可重构的特点，重点研究载荷测试评估方法，提出了具有针对性的测试流程和基于模糊数学理论的效能评估算法，并以某类功能可重够载荷为例，对测试流程和效能评估算法的使用进行了说明。文章最后对效能评估算法的优化和改进提出了想法和思路。

【关键词】功能可重构卫星载荷 测试流程 效能评估

功能可重构卫星载荷是以高度的模块化和系统结构的层次化为基础，采用开放化的系统架构和总线结构，最大限度地复用同类型的模块、部件和元器件，强调多功能协同工作，各项指标平衡，通过数据融合达到综合应用性能指标最优。本文将重点研究功能可重构载荷指标测试流程的设计和效能评估方法。指标测试流程是基于对功能可重构载荷不同类型指标进行分类，分别映射入地面测试阶段、在轨测试阶段，要求映射关系准确、测试逻辑紧密。效能评估算法是基于模糊数学理论的模糊综合评价方法。本文最后，以某类功能可重构载荷为例，对设计出的指标测试流程和效能评估算法进行了说明，并对评估算法的改进提出了思路想法。

1 测试评估方案

1.1 测试评估环境组成

测试评估环境由通用测试仪器、目标与环境模拟器、在轨配试系统、测试评估软件四部分组成。测试评估环境各设备间通过通信总线相连，由测试软件控制完成载荷自动测试。测试评估环境组成如图1所示。测试评估环境各部分功能如表1所示。

1.2 测试流程设计

对于在轨功能可重构的综合化卫星载荷，其测试内容应分为：载荷物理指标测试、载荷功能指标测试、载荷功能重构指标测试三类。测试流程应按照指标类型和测试场景两个维度进行分析。

1.2.1 按指标类型分析

物理设备被不同功能软件调用，是功能实现的基础，所以物理指标测试应先行与其它测试。被测试的物理指标包括：天线指标（天线形式、工作频率、带宽、极化方式、EIRP、G/T、瞬时带宽、灵敏度、波束覆盖范围等）；信号传输信道及交换指标（传输速率、误码率、通道幅度一致性、相位一致性、交换网络规模、交换容量、端口速率、传输时延等）；信号及数据处理指标（硬件架构、软件架构、输入＼输出能力、浮点运算能力等）；管理控制指标（系统监控能力、任务调度能力、数据存储能力等）；电源能力（充电功率、放电功率、充电时间、放电时间、输出电压、充放电循环次数、热耗等）。

当物理设备经测试达到指标要求时，可开展载荷功能指标测试。功能实体是部署于物理设备上的功能软件，通过软件算法和功能管控借助不同载荷硬件实现用户需求的某类功能。被测试的功能指标包括例如：信号侦查类功能指标（对象类型、瞬时带宽、定位精度）；微波成像类指标（系统灵敏度、分辨率/幅宽、定位精度）；通信、网络类功能（信息传输速率、传输体制、路由表容量、路由交换能力、支持协议类型、同时接入用户数量等）。

当不同功能经测试达到指标要求时，可开展功能重构指标测试。功能重构过程由系统管控控制，涉及功能软件上注、功能软件卸载、功能软件加载、蓝图部署等内容。功能重构指标包括（任务调度种类、任务指令解译响应时间、任务切换响应时间等）。载荷指标测试流程—按指标类型分类如图 2（a）所示。

1.2.2 载荷指标测试流程—按测试场景分类

载荷指标测试按测试场景划分为：地面有线测试、地面无线测试段、在轨测试。地面有线测试成本低、代价最小，原则上应对载荷物理、功能、重构等所有指标进行测试，及时发现软件、硬件问题，调整设计方案。地面无线测试基于对载荷在轨工作无线信道环境和配试对端状态的模拟，应重点对载荷天线指标、功能指标、功能重构指标进行测试。在轨测试关注点一是载荷功能指标，系统管控收集并下传各功能信号处理前、信号处理后、数据处理后等阶段遥测数据至地面中心，地面中心对数据进行分析、对比，及时更新、升级功能软件算法并上注至载荷。另外，在轨测试应验证载荷功能重构指标。载荷指标测试流程—按测试场景分类如图 2（b）所示。

1.2.3 載荷指标与测试场景映射关系

通过1.2.1和1.2.2节描述，可将不同类型指标测试映射入不同测试场景。其中，物理指标测试重点安排在地面有线和地面无线测试过程，是否需要在轨测试可由项目总体决定。功能指标测试重点安排在地面有线、地面无线测试和在轨测试。其中，地面有线测试通过信号直接注入方式测试功能算法有效性和系统管理控制能力。功能重构指标是由载荷管控硬件能力、任务调度算法、天地测控回路数传能力共同决定的，因此该指标测试应安排在全部测试场景。不同类型待测指标与测试场景的映射关系如图 3所示。

1.3 效能评估算法

本文提出一种基于模糊数学理论的模糊综合评价方法，以量化的隶属度作为功能的效能评估值，通过对不同功能隶属度向量的加权计算得出系统效能评估结果。对系统进行模糊综合评价一般分为四个阶段：

（1）确定效能指标集和评价等级集。

（2）计算每个指标对于不同评价等级的隶属度。

（3）确定每个指标对顶层指标的影响程度，即权重值。

（4）根据所有底层指标计算系统指标对于评价等级的隶属程度。

模糊综合评价算法具体过程如下：

（1）首先对系统进行深入分析，尽可全面的找出能够描述系统效能的指标，确定指标集：

U={u1，u2，….um}，其中ui表示指标集中的第i个指标

中国数字测绘产品检查和质量评估规范中规定了四种评估等级：优（v1），良（v2），一般（v3），差（v4），参照该规范可以建立评语集：

V={v1，v2， v3 ， v4 }

（2）建立底层指标的隶属函数g（t），隶属函数表明该等级指标在取某值得条件下，隶属于不同评价等级的程度。通过将底层指标测试值代入隶属函数g（t），不同类型和度量单位的底层指标被映射到统一的[0，1]量纲空间，以便进一步综合评估。实际情况下，指标隶属函数的确定需要依据专家经验和历史数据等。隶属度矩阵如下，其中rij表示ui对vi的隶属程度：

2 方案验证

2.1 测试流程

将某功能可重构卫星载荷待测指标分为物理指标，包括：天线指标、交换指标、信号处理指标、数据处理指标、任务管控指标、数据存储指标等；功能指标分为信号侦察、微波成像、通信网络指标。另外，基于该系统的在轨功能可重构特性还包括功能重构指标。基于1.2.3节测试指标与测试场景的映射关系，功能可重构载荷测试顺序如表2所示。

测试过程中，将功能可重构载荷测试数据以有线或无线方式接入测试评估环境，用于地面效能评估。

2.2 效能评估体系建立

功能指标和功能重构指标应做为影响系统效能的“二级因素”。“二级因素”经二级判定准则计算后可以得出一级因素的评价向量，评价向量再经一级判定准则计算，可以得出效能评估目标“快速响应网点攻击器系统效能”评价值。电子侦查/微波成像/通信网络功能载荷指标评价结构层次如图4所示。

图4中用实线表明了功能可重构载荷效能评估目标、一级因素、二级因素间的对应关系，用虚线表明了二级因素、一级因素、效能评估目标间的两级递进判定准则。

2.3 系统效能标评估

首先，深入分析各功能效能评估必要指标值，建立评估指标集。然后，定义评估等级集，确定指标集元素与等级集元素隶属程度，形成隶属度矩阵。之后，确定指标集每项元素对该功能的影响程度，形成隶属度权重向量。再后，基于矩阵运算计算出隶属度向量。最后，对各功能隶属度向量进行加权求和得出系统隶属度向量，隶属度向量中最大值元素对应的评语即为系统效能评估的结果。各功能隶属度向量具体计算过程如下（以电子侦查功能为例）：

2.3.1 指标集和评价等级集

由隶属度向量值E系统可见，功能可重构载荷效能评估结果为优。

3 结语

本文搭建的测试评估环境和效能评估体系能够满足在轨功能可重构载荷的测试评估需求，后续应通过软硬件联调联试完善测试评估环境、提高其有效性。另外，针对效能评估算法，后续应开展以下工作：

针对评价结构层级中“评价准则”相对“评价目标”的效能评估算法进行研究，尤其是各“评价准则”相对“评价目标”的隶属度函数如何确定、权重指標如何确定等问题。对于不同类型的评价准则，评价因素的隶属度函数可经过工程经验经验进行调整，并通过大量试验验证其有效性。对于效能评估算法中权重指标的确定，可根据工程经验建立指标体系中同层指标间的判断矩阵，通过求解矩阵特征值确定每个同层指标间的相对权重向量。

参考文献

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作者单位

中国电子科学研究院 北京市 100041