基于ADC模型的遥感卫星地面系统效能评估

梁桂林,周晓纪,王亚琼

(1.中国航天系统科学与工程研究院,北京 100048；2.中国空间技术研究院,北京 100048)

卫星遥感是空间信息获取的重要手段,是信息化时代国家重要的基础性、战略性资源。随着遥感卫星技术的发展,卫星遥感影像数据应用日益广泛,在经济社会发展中扮演着越来越重要的角色。遥感空间基础设施由遥感卫星和地面系统两大部分组成,其中,遥感卫星地面系统作为长期稳定运行的业务化系统,是发挥遥感卫星应用效能必需的基础设施[1],一方面负责对星上有效载荷的控制与运行管理,更重要的是负责对星上载荷所获取数据的接收、处理、分发与服务等。

近年来,我国遥感卫星地面系统建设步伐逐渐加快并呈现了体系化发展的趋势,同时也出现了体系发展不均衡、总体运行效率不高等问题。如何有效评估遥感卫星地面系统的体系效能,以提高遥感卫星地面系统的运行效率已经成为一个重要问题。

本文以促进遥感卫星地面系统的运行优化为目标,运用体系结构分析与效能评估相结合的方法,开展遥感卫星地面系统的综合效能评估研究。首先,借鉴DoDAF V2.0体系结构框架的分析方法,对遥感卫星地面系统进行系统分析,为效能评估指标体系的构建奠定基础。然后,基于以上分析,构建效能评估指标体系,建立基于ADC的遥感卫星地面系统效能评估模型。最后,利用建立的评估模型,开展陆地观测卫星地面系统的效能评估,实例验证模型的有效性,据此分析我国遥感卫星地面系统的能力和不足,提出有关建议。

1 基于ADC与体系结构框架的遥感卫星体系效能评估模型设计

ADC效能评估模型是武器系统效能评估模型中的典型模型,在20世纪60年代中期由美国武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)提出,将武器系统效能作为系统的可用度(Availability)、可信性(Dependability)和能力(Capability)的函数来研究的[2]。将这三大要素综合形成一个表示装备系统总性能的单一效能度量。装备系统的效能可表示为:

E=A·D·C

本文结合遥感卫星地面系统的特点,借鉴ADC效能评估思想和常规评估流程,采用体系结构分析与效能评估的方法对其开展评估,其思路与流程如图1所示。本文提出的遥感卫星地面系统效能评估模型和流程,以ADC效能评估思路为基础构建,但其主要特点在于从系统工程思想出发,采用体系架构分析方法构建遥感卫星地面系统的能力模型,进而分析提取综合效能评估指标。由于遥感卫星地面系统由众多子系统组成,且各子系统间存在多种关联关系,是一个复杂大系统,因此,在系统分析过程中,本文借鉴了DoDAF V2.0体系结构框架[3]的描述方法,深入分析遥感卫星地面系统的系统特性,以提取影响系统效能的关键指标。在系统分析的过程中,主要采用DoDAF V2.0系统视图中的SV-1模型分析了效能评估的总体框架和模型架构,采用DoDAF系统视图中的SV-4模型分析了遥感卫星地面系统的功能特点,采用DoDAF V2.0业务视图中的OV-5模型分析效能影响因素,为构建系统、合理、有效的遥感卫星地面系统效能评估指标体系奠定基础。

图2 评估总体框架模型SV-1

图1 遥感卫星地面系统效能评估流程

2 基于DoDAF V2.0的系统分析

系统分析是在确定系统目标和准则的基础上,分析构成系统的各个层次分系统的功能和相互关系,以及系统同环境的相互影响,是有效开展系统效能评估的关键和基础,因此,选取适当的方法分析遥感卫星地面系统的系统特性显得至关重要。DoDAF V2.0作为典型、实用的体系结构框架,已成为为世界领先的体系结构框架,可从多个角度对复杂系统进行全面深入的分析,通过规范的图形和文字,清晰、直观地描述复杂系统的系统特性,故本文选取DoDAF V2.0中的SV-1、SV-4和OV-5模型分析遥感卫星地面系统的系统特性[4]。

2.1 基于SV-1模型的评估总体框架分析

评估总体框架是开展效能评估研究的前提。SV-1模型是DoDAF系统视图中的系统接口模型,主要用于描述系统的组成及系统间的信息交互。利用SV-1模型描述评估总体框架,可清晰、详尽地展现遥感卫星地面系统的各组成部分及其子系统间的信息交互,如图2所示。

遥感卫星地面系统由接收系统、管控系统、处理系统、辅助系统及公共平台等五个分系统组成,每个分系统中均有物理实体系统进行对应,通过各个分系统节点和实体系统间的信息流,实现了遥感卫星地面系统间的信息交互,直观地展现了评估对象的总体框架。

2.2 基于SV-4模型的系统功能分析

系统功能是描述系统所具有的活动的某种特征,是效能评估指标体系建立的依据。SV-4模型是DoDAF系统视图中系统功能描述模型,主要采用功能分层分类的方法,描述了系统所具有的主要功能。利用SV-4模型分析评估系统功能,具有层次清晰、分类简洁的特点,如图3所示。遥感卫星地面系统的主要功能可分解为数据接收功能、数据处理功能、运行保障功能、应用服务功能、任务管控和评估功能等五个子功能,据此进一步分析影响系统功能发挥的因素,为效能评估指标体系构建做好铺垫。

图3 系统功能分析模型SV-4

2.3 基于OV-5模型的效能影响指标分析

效能影响指标是构成效能评估指标体系的主体元素,OV-5模型是DoDAF业务活动视图中的业务活动模型,主要描述为完成任务需要执行的一系列活动,由能力、任务活动、活动间的输入输出流等建模元素构成,体现了层次关系和信息流关系。在遥感卫星地面系统的运行管理过程中,其业务活动可以分解为用户需求提出、任务管控、数据处理、应用服务、运行保障。在业务活动分解中,不强调具体的服务操作,而侧重于对遥感卫星地面系统运行管理中所必需的数据接收、处理、存储与管理、数据分发、定标校验、真实性检验等通用操作环节进行分解。

为了分析遥感卫星运行管理和应用服务中涉及的任务活动及其子活动之间的信息流关系,在业务活动节点树模型OV-5基础上,明确任务活动的顶部约束和底部系统支撑,分析任务活动之间的输入输出流。在顶层业务活动模型分析中,描述了遥感卫星地面系统运行管理所需外部其他系统的支持和所受的约束。遥感卫星的主要用户向地面系统提出的观测需求,作为遥感卫星地面系统的部分输入,而地面系统的另一部分输入来自于遥感卫星提供的原始数据及轨道参数。地面系统的输出主要以地面系统处理完成的标准产品为主,以分发或推送方式传给用户,完成用户所提出的观测需求。

图4主要针对业务活动节点树模型OV-5中A.1至A.7次级业务活动进行分析,描述了遥感卫星地面系统任务活动中的七个子任务活动间的信息流及其交换关系。该模型明确了每个子任务活动的顶部约束和底部系统资源支撑,分析了各个子任务之间的输入输出及影响业务运行的关键因素,使遥感卫星地面系统运行管理中的各项活动更加明确,对分析和构建遥感卫星地面系统的效能评估指标体系具有重要的作用。

3 遥感卫星地面系统效能评估

3.1 遥感卫星地面系统效能评估指标体系

遥感卫星地面系统效能评估指标体系不是指标简单的相加或堆积,是基于评估目的,按照指标重要性、指标间的内在规律和逻辑结构排列组合而成的有机组合体。在遥感卫星地面系统指标体系建立的过程中,指标体系的分层应合理,且指标应相对独立,从而形成一个在总目标下分层级、分系列的有机整体。

在具体构建遥感卫星地面系统效能评估指标体系时,主要包括两方面工作。

一是建立基于体系框架的指标体系和指标集合,包括三个步骤。首先,从遥感卫星地面系统功能的角度,将系统划分为多个子系统,即基于SV-1模型,确定遥感卫星地面系统各个子系统的划分,形成指标体系的一级指标;其次,对于每一个子系统,从系统能力的视角,以完成子系统任务为驱动纵向划分功能模块,即基于SV-4模型确定支持和影响能力发挥的关键子功能,提取指标体系功能层的指标;第三,提取各功能板块的表征指标,主要按照OV-5模型中业务活动流程的指引,提炼影响每个子系统效能的关键性能指标[5],形成基于体系结构模型的关键指标体系。

图4 效能影响因素分析模型OV-5

图5 遥感卫星地面系统效能评估指标体系

二是指标体系融合、精炼与专家咨询。通过这种方式提取的指标体系,可以尽可能系统全面地描述遥感卫星地面系统能力。但是,这样形成的指标体系指标相对过多,部分指标对体系效能的影响度较低。因此,需要根据综合效能评估的目标,对指标体系进一步分析和提炼。进而借助相关领域专家的专业知识和经验,利用Delphi法对指标体系进行优化和完善,以提高指标体系的科学性和合理性。

为此,我们邀请了从事陆地、海洋、气象三大类遥感卫星地面系统建设、运行和应用等方面的专家参与调研咨询。在第一次调研过程中,主要对指标体系分层是否合理性、指标独立性、关键指标是否缺失、指标定义的准确性等问题向专家进行了咨询,根据专家反馈结果对指标体系进行修改,修改后的指标体系再次咨询专家意见,直到基本达成一致。最终形成的遥感卫星地面系统效能评估指标体系,如图5所示。

3.2 指标体系的检验

在效能评估指标体系应用于评估实践之前,需对指标体系的完备性、合理性及有效性进行检验[6-7]。在指标体系检验的过程中,一旦发现指标体系中的不足,即可对指标体系进行优化与完善,使指标体系更加科学。

1)完备性检验

完备性分析主要从整个遥感卫星地面系统效能评估体系出发,检验评估指标的分解是否出现遗漏,有没有出现指标交叉而导致结构混乱的情况。在完备性分析过程中,主要采用专家定性分析的方法,设计了专家打分表咨询指标体系是否完备。经统计,10位接受调查的专家均认为建立的指标体系较为完备,能够反映和评估遥感卫星地面系统的效能。

2)有效性检验

表1 指标体系的有效性分析表

综上,验证了建立的遥感卫星地面系统效能评估指标体系完备、合理、有效。

3.3 遥感卫星地面系统效能评估模型

该评估模型是在遥感卫星正常运行的状况下,以上述指标体系为基础建立的。基于上述分析过程,结合ADC评估方法[8-9],遥感卫星地面系统的效能评估模型可表示为:

E=A×D×C(C=ω1·f1+ω2·f2+ω3·f3+ω4·f4+ω5·f5)

式中,E表示遥感卫星地面系统的综合效能;A表示遥感卫星地面系统的可用度;D表示遥感卫星地面系统的可信度;C表示遥感卫星地面系统的运行管理能力;f1表示遥感卫星地面系统的数据接收能力;f2表示遥感卫星地面系统的任务管控能力;f3表示遥感卫星地面系统的数据接收能力的数据处理能力;f4表示遥感卫星地面系统的应用支撑能力;f5表示遥感卫星地面系统的系统保障能力;ω1,ω2,ω3,ω4,ω5分别是遥感卫星地面系统的数据接收能力、任务管控能力、数据处理能力、应用支撑能力、系统保障能力的权重系数。

1)确定可用度A

通常情况下,一个系统或处于工作状态,或处于故障状态(系统维护状态),本文考虑遥感卫星地面系统一般只有工作状态和故障状态两种情况。

在这种情况下,可用度向量A只有两个分量a1和a2,即:A=(a1,a2)。a1和a2分别表示遥感卫星地面系统在任意时刻处于可工作状态和故障状态的概率,有

式中,MTBF指遥感卫星地面系统的平均无故障工作时间,MTTF指遥感卫星地面系统的平均故障修理时间。

2)确定可信度D

根据前面已经确定的可用度矩阵A,基于遥感卫星地面系统处于的两种状态,可信度矩阵由四个元素构成:

其中，d11为遥感卫星地面系统开始执行任务时处于可工作状态、完成任务时处于可工作状态的概率;d12为开始执行任务处于可工作状态、完成任务时处于故障状态的概率;d21为开始执行任务时处于故障状态、完成任务时处于可工作状态的概率;d22为开始执行任务时处于故障状态、完成任务时处于故障状态的概率。本文主要按照一般可修复系统,平均无故障时间和平均修复时间服从指数分布的基本规律确定D中元素的计算方法。

3)确定系统能力C

能力矩阵C是确定系统性能的依据,又是系统性能的集中体现。本文选用AHP和模糊评估法对C进行量化处理,其具体步骤如下:

①建立遥感卫星地面系统运行管理能力的评估集合C。基于已建立的遥感卫星地面系统体系效能评估指标体系,可得:

C={f1,f2,f3,f4,f5},f1={f11,f12,f13,f14},
f2={f21,f22,f23},f3={f31,f32,f33,f34,f35,f36},
f4={f41,f42,f43,f44},f5={f51,f52,f53}。

②确定评价语等级集合V

V={v1,v2,v3,v4,v5}={优秀,良好,中等，较差，极差}=

{0.95,0.85,0.7,0.5,0.2}。

其中,“优秀”∈[0.9,1.0],“良好”∈[0.8,0.9],“中等”∈[0.6,0.8],“较差”∈[0.4,0.6],“极差”∈[0,0.4]。

③进行单因素评判,建立因素集合U和评语集合V之间的模糊关系矩阵R为

④基于AHP法确定评判权重向量A

⑤选择合成算子,将评判权重向量ω和模糊关系矩阵R合成模糊评判矩阵B:

B=ω∘R

⑥计算能力综合值c1

将计算得出的模糊评判矩阵B与其相应的评价集合V相结合,计算遥感卫星地面系统运行管理的综合能力值c1的评分:

4 实例分析

为验证遥感卫星地面系统指标体系和效能评估模型的有效性,本文以陆地观测卫星地面系统为评估案例,应用已建立的评估模型,对其综合效能进行评估,并对评估结果进行综合分析。

1)计算可用度矩阵A

陆地观测卫星地面系统的故障主要包括网络通信故障、磁盘阵列故障、服务器故障等,其故障发生频率较低。由平均无故障时间和平均故障修复时间计算可得遥感卫星地面系统的可用度矩阵A为

A=[a1,a2]=[0.9989,0.0011]。

2)计算可信度矩阵D

在常规情况下,去除在轨卫星的观测时间后,陆地观测卫星地面系统的全链路任务持续工作平均时间为T=2.5,经计算可得遥感卫星地面系统的可信度矩阵D为

3)计算能力矩阵C

表2 运行能力各层指标权重表

按照表2中的统计结果,基于模糊关系合成原理计算能力矩阵得:

(0.2440,0.4525,0.2097,0.0804,0.0134)。

由上式计算可得能力矩阵C:

4)计算陆地观测卫星地面系统的综合效能E

陆地观测卫星地面系统的综合效能E为:

5)效能评估结果分析

基于定义的评判标准,可以看出我国陆地观测卫星地面系统的综合效能评估值刚刚达到“良好”的水平,距离“优秀”还有一定的差距。我国陆地观测卫星地面系统经过近几年的基础设施建设与功能完善,虽然与世界航天强国相比,建设规模与技术水平存在一定的差距,但基本上可以满足用户的需求。因此,这一结果与事实基本上是相符的。

针对陆地观测卫星地面系统的能力发展不平衡的问题,通过上述方法计算可得,陆地观测卫星地面系统任务管控能力的定量评估值为“0.8317”,系统保障能力为“0.8316”,数据接收能力为“0.8267”,数据处理能力为“0.8241”,都处于“良好”水平,只有应用支撑能力的评估值为“0.7062”,处于“中等”水平,如图6所示。

图6 陆地观测卫星地面系统各能力评估值

结果表明：陆地卫星地面系统基本能够满足当前用户需求,但也表现一定的能力不平衡状态,主要是数据获取能力与数据处理相对不足,应用支撑能力滞后。其原因主要有四个方面:一是数据共享能力和水平相对较低,已有的空间数据与处理资源存在跨部门、跨地区的资源壁垒和融合应用障碍,影响了我国空间信息综合运用能力的提高;二是定标检校场建设与定标技术研究不足,尚难满足空间基础设施规划的多种载荷的定标功能和定标频次需求,对应用水平产生较大的影响;三是完善的真实性检验体系和规范化业务运行的综合实验设施尚未建立,极大地限制了我国陆地观测卫星数据产品的推广应用;四是我国卫星应用共性技术研究和研发发展较晚,自行研制的软件应用水平不高。总的来说,遥感卫星地面系统体系能力良好,但应用效能仍偏低。

为分析陆地观测卫星地面系统效能评估指标体系中单个指标的优化对整个系统综合效能的影响度,将单个指标优化至“优秀”级后,其他指标依旧按照表3中的专家评估值,对系统的综合效能进行计算[10]。利用SD软件中的Rank Influence Matrix操作,对所有指标的影响度进行排序。

表3 数据变更影响度排序表

由表3可知,影响我国陆地观测卫星地面系统综合效能发挥程度最大的指标是数据接收量,表明我国的地面接收站网规模不满足当前陆地观测卫星观测与应用需求。虽然我国已经建成了由密云、喀什、三亚等组成的国内接收站网体系,但是由于缺乏国外和极地接收站,导致许多卫星的数据只能通过固存存储延时回放的方式下传至国内地面站接收,难以实现卫星在境外的观测数据的及时获取。有必要在优化国内地面站网布局、形成覆盖本国和周边地区的数据实时接收能力的同时,增建南北极站等以提高全球数据获取能力,以及采用中继星、机动站作为固定地面站的有效补充方式,实现数据的快速获取能力。

从影响因素分析看,为提高我国遥感卫星地面系统综合效能,需要统筹规划地面系统建设,增强定标与真实性检验基础设施与技术水平,改善数据质量,从源头提高综合应用水平,并完善统筹管理和政策环境,进一步提高数据共享应用能力。

5 结束语

本文首先借鉴DoDAF的描述方法对遥感卫星地面系统进行系统分析,通过SV-1、SV-4和OV-5模型完成评估总体框架、系统功能及效能影响指标的分析研究,提出了遥感卫星地面系统运行能力评估指标框架,为复杂系统建立合理、有效的效能评估指标体系提供了一种可行的参考方法。最后,本文结合ADC效能评估方法,建立了遥感卫星地面系统效能评估模型，并通过陆地遥感卫星地面系统的实例分析验证了模型的可行性,在一定程度上实现了对卫星地面系统效能的定量化评估,对遥感卫星地面系统后续的建设与优化具有一定的参考价值。