空间维护技术试验评估方法研究

柴 黎，王杰娟



空间维护技术试验评估方法研究

柴 黎，王杰娟

（航天工程大学，北京 101416）

空间维护技术试验为形成航天能力奠定技术基础。首先，分析了试验评估国内外现状，研究美军试验与评估理论基础；其次，针对我国在空间系统技术评估方面存在的不足，从分析关键技术和试验项目，统计待评相关试验、建立评估准则、划分评估结果区间等步骤构建完整的评估分析方法。最后，详细说明技术评估方法实现及细则，为评估方案提供依据，也为今后类似技术验证试验评估提供借鉴和参考。

空间维护技术；试验技术评估；评估准则

0 引言

空间技术的迅猛发展，已经成为世界各国谋求战略优势、增强军事力量的重要舞台，空间维护技术试验是用于卫星工程和空间科学的原理性、工程性和科学性的试验。航天科学中的新技术需要进行空间飞行试验，成功后才能投入实际应用。空间维护技术试验综合多项高技术于真实的航天环境下实施，具有预研演示验证特点，验证若干项关键技术，寻找技术增长点，为将来转入航天装备研制或形成航天技术能力奠定技术基础。试验验证新研发的技术是否成熟、可用，加强研究人员同未来用户的关系，并揭示和解决技术以外的其他问题。

目前，美、俄、欧、日都在大力发展技术试验卫星，如美国的“应用技术卫星”系列、轨道快车，欧洲空间局的“轨道通信试验卫星”系列，日本的“工程技术试验卫星”系列以及前苏联／俄罗斯混编在“宇宙号”卫星系列中的试验卫星系列等。

1 试验评估国内外现状

1.1 美军试验与评估

美军试验与评估包括研制试验与评估、使用试验与评估两大类。试验与评估是系统研制期间用于解决关键性能参数问题的一系列技术。包括技术与生产能力（研制试验）、效能与实用性（使用试验）。

（1）研制试验与评估

研制试验与评估验证是否满足详细的技术规范，对达到技术目标的潜力进行检验,为工程设计和研制提供帮助，评估的是新系统相对于现有能力的潜力，评估新方案新技术的科学性、验证设计风险最小化的程度，验证与规范、标准和合同的一致性，验证系统性能并确定系统安全性。

（2）使用试验与评估

使用试验与评估是武器装备的任何项目（或关键部件）在真实作战条件下进行的野外试验，目的是确定这些武器装备由典型的军事用户在作战中使用时的效能与适用性，并对试验结果进行评估[1]。

1.2 我国空间系统试验评估现状

我国空间维护技术试验评估依据在轨试验阶段和目的，将评估对象分层，分为技术层、科学层和应用层三个层次。此外，需要考虑对任务管理情况进行评估[3]，所以评估从实施层面上分为技术层、科学层、应用层和管理层四个层次。空间维护技术试验阶段通常分为地面研制试验阶段与在轨试验阶段，在轨试验阶段又分为技术验证阶段和后期拓展试验阶段。后期拓展试验是在前期技术验证阶段试验基础上，进一步挖掘卫星潜力，获取更多的科学试验数据，同时按照试验项目风险递增排序，逐项开展高风险试验，最大限度地发挥卫星的能力极限[2]。

2 空间维护技术试验技术评估

按照系统论的观点，通常与科学技术活动密切相关的评估体系是一个复杂的系统，涉及组织管理机构、评估主体、评估客体、评估指标、评估方法、评估准则等及其各自的相互关系，评估体系的有效性取决于评估系统各组成要素的有效性，各要素之间相互关联、相互作用、相互影响，每一要素都会影响评估效果。结合空间维护技术试验基本情况，主要界定以下几方面的内容。

2.1 评估目的和原则

空间维护技术试验具有“战略性、前沿性、前瞻性”的特点，同时也是一个复杂航天工程项目，其技术攻关和技术试验不同以往航天型号试验，无明确用户需求，其技术具有较强的创新性和探索性。

技术评估是要满足详细的技术规范，对达到技术目标的潜力进行检验，评估的是新系统相对于现有能力的潜力，评估新方案新技术的科学性、验证设计风险最小化的程度、验证与规范、标准的一致性、验证系统性能并确定系统安全性。技术评估目的有：

➢ 研制新方案和技术收集基本的科学与工程数据；

➢ 为费用——进度——性能权衡分析提供经验性数据；

➢ 应用建模与仿真技术和数字系统模型，通过实际试验数据进行验证；

➢ 验证设计风险最小化的程度；

➢ 验证与规范、标准的一致性；

➢ 确定系统性能及系统安全性；

评估原则包括：评估项目的准确性、层次性；评估指标的系统性、简明性；评估方法的科学性、可行性；评估数据的完整性、有效性；评估结论的权威性、综合性；评估实施的时效性、分步性。

根据空间维护技术试验自身特点，对评估工作提出“基于科学顶层设计、基于合理分层结构、基于优化的指标体系、基于试验数据、基于科学结果分析”的要求，采用量化指标与过程评估相结合的方法，分阶段、分层次进行评估[3]。

图1 技术评估指标体系

2.2 指标体系内容分析

技术评估指标体系如图1所示，对关键技术、系统能力、试验结果进行评估。

（1）关键技术验证指标——重点列出在轨试验中需要验证的以及与试验目的紧密相关的几大类关键技术。

（2）系统能力验证指标——从航天器主要功能的角度进行分解，着眼于未来可能的应用需求，分析在轨试验过程中航天器功能的实现程度。

（3）试验结果指标——根据在轨试验新技术装备任务，对几大类，若干个试验项目是否成功进行评估。

技术评估立足于任务总体，评估整体试验任务，从关键技术、系统能力、试验结果3个方面进行评估。重点是如何根据新技术装备需求，设计一系列复杂的在轨试验，能够最大限度地验证各项关键技术，并且使试验流程的冗余度最小。评估结果的重点在于各项试验是否成功，整体关键技术和各种系统能力是否能够实现[4]。

2.3 评估准则

关键技术的评估结论由“技术验证度”为评语，结论表述形式为（完全验证、验证、基本验证、未验证）。评估准则如表1所示。

系统能力评估的评估结论由“能力具备度”衡量，结论表述形式为（具备、不具备）。评估准则如表2所示。

试验结果的评估结论由“试验完成度”为评语，结论表述形式为（圆满完成、完成、基本完成、未完成）。评估准则如表3所示。

技术评估结论由“试验成功度”为评语，结论表述形式为（圆满成功、成功、基本成功、未成功）。评估准则如表4所示。

表1 关键技术评估准则(技术验证度)

Tab.1 Key technology evaluation criteria (technical verification)

表2 系统能力评估准则(能力具备度)

Tab.2 System capability evaluation criteria (capability fitness)

表3 试验结果评估准则(试验完成度)

Tab.3 Test result evaluation criteria (test completion)

表4 技术评估准则(试验成功度)

Tab.4 Technical evaluation criteria (test success)

2.4 评估方法

技术评估主要基于试验数据，在试验数据的基础上，判断相关指标的可达性与精度，在此基础上获得评估结论。下面以关键技术评估结论“技术验证度”为例说明评估方法。

从整体上来说，评估过程分为三个步骤，试验评估（指标验证）、子技术评估和汇总决策。试验评估主要是采用相对精度计算的方法对各项指标进行评估，为子技术评估的开展做好准备。子技术评估采用加权求和法得到汇总技术评估的结果，即针对蕴含同一子项关键技术的各项试验的评估结果以加权求和的形式计算出数值结果，并将该结果划分出不同的子项关键技术评估结论。汇总决策以决策矩阵为核心，将各子技术评估结论进行汇总决策，最后得出总技术的评估结果。整个评估过程如下图所示[5-7]。

图2 评估过程

（1）试验评估（指标验证）

试验评估（指标验证）的结果主要用于子技术评估。在明确各项试验的性能指标后，对某一项试验来从可达性Pl、可用性P2和精度P3这三个方面对其进行评估。其中精度以试验的数据为主，用来评估试验的实际运行状况与理想状况间的接近程度，精度以各指标的相对精度值来表示；可达性和可用性以相对精度值为主，用来评估该项试验的完成程度。而对于单一实验来说，其可达性与可用性表征的含义是相同的，因此仅取可达性。试验评估的实现如图3所示。

图3 试验评估（指标验证）的实现

试验评估（指标验证）可达性P1、精度P3的计算方法如下。

①可达性P1计算

②精度P3计算

a. 有理想值时的技术指标：

b. 有限定值时的技术指标：

（2）子技术评估

由于在多个不同的试验中蕴含着同一个技术，而该技术在不同的试验中所起的作用是不同的，也即有不同的权值。在技术评估过程中同样采用可达性P1、可用性P2、精度P3来表示该项子技术的验证程度。对于子技术评估来说，精度主要以对应不同试验的精度评估结果为主，用来表示该项技术对试验的满足程度；可达性以对应不同试验的可达性评估结果为主，用来表示该项技术是否得到验证；可用性评估以对应的不同试验的精度评估和可达性评估结果为主，用来表示该项技术是否能够适应不同的试验条件。子技术评估的实现流程如图4所示。

图4 子技术评估的实现

子技术评估的可达性P1、可用性P2、精度P3的计算方法如下：

①子技术评估的可达性P1计算

②子技术评估的可用性P2计算

③子技术评估的精度P3计算

（3）技术汇总决策评估

技术汇总决策评估以决策矩阵为主，其中，决策矩阵在实现过程中以评估矩阵的形式出现。技术汇总决策评估，依据决策矩阵，将各子技术评估结论作为输入，得出技术汇总评估结论。决策矩阵由相关领域内专家组给出。汇总决策的实现流程如图5所示。

图5 技术汇总决策评估的实现

2.5 实施细则

为了清晰地说明关键技术和系统能力的评估方案实施步骤，以关键技术评估为例，给出从试验项目出发，对应关键技术/系统能力，计算可达性、可用性和精度，最后获得技术验证度/能力具备度结论的过程。

第一步：构建指标体系。即构建关键技术/系统能力指标体系。

第二步：统计每一个待评项目所涉及到的试验，即标记出对应的在轨试验项目。在轨试验项目和需要验证的关键技术/系统能力之间存在相互关联，一项试验可验证多个待评项目，同时，同一待评项目也可在多个试验中验证。

第三步：给出关键技术/系统能力评估的准则与方法。具体过程为：①计算各待评项目在所有与其相关的试验中的可达性P1和精度P3；②进一步计算每个待评项目总的可达性P1、可用性P2、精度P3。

第四步：进行评估结果区间划分。前面计算出各待评项目的可达性P1、可用性P2与精度P3的评估结果数据，需要依据评估结果区间划分参考值，才能判断出待评项目P1（得到验证、未得到验证）、P2（完全适合、部分适合，不适合）与P3（完全满足、部分满足，不满足）的评估结果。

第五步：构建评估结论决策矩阵，获得最终“技术验证度”、“能力具备度”的结论。根据技术验证度决策矩阵，结合可达性P1、可用性P2与精度P3等评估结果，综合判断待评项目的技术验证度（完全验证、验证、基本验证、未验证）结论；依据能力具备度决策矩阵，结合可达性P1、可用性P2与精度P3等评估结果，综合判断待评项目的能力具备度（完全验证、验证、基本验证、未验证）结论[8-10]。

提炼以上五个实施步骤如图6所示。

表5是关键技术分解及指标参照值和技术验证度过程示意图

图6 技术评估方案实施步骤图

表5 关键技术分解及指标参照值

Tab.5 Key Technology Decomposition and index reference value

图7 技术评估结论过程示意图（以技术验证度为例）

3 结论

开展空间维护技术试验评估研究，本文提出的技术评估过程分为三个步骤：试验评估、技术评估和汇总决策。依据评估目的、原则和要求，构建指标体系,设计评估准则，建立了完整的评估分析方法。最后，依据评估流程统计待评相关试验、说明关键技术指标、划分评估结果区间等步骤详细说明了技术评估方法实现及细则。

[1] 武小悦, 刘琦. 装备试验与评价[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008: 107-108.

[2] 张先恩. 科学技术评价理论与实践[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 134.

[3] 袁家军. 神州飞船系统工程管理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006: 20.

[4] 江敬灼. 作战实验若干问题研究[M]. 北京: 军事科学出版社, 2010: 122.

[5] 李红辉, 关婷婷, 杨芳南.云计算平台状态监控技术研究与应用[J]. 软件, 2018, 39(01): 09-13.

[6] 赵宏, 郭万鹏. 深度神经网络代价函数选择与性能评测研究[J]. 软件, 2018, 39(01): 14-20.

[7] 李斌, 李蓉, 周蕾. 分布式K-means聚类算法研究与实现[J]. 软件, 2018, 39(01): 35-38.

[8] 陈政, 刘康. 闪烁噪声下的自适应无迹卡尔曼算法[J]. 软件, 2018, 39(01): 70-74.

[9] 陈子迪, 龙毅宏. 基于秘密共享的 IBE 移动密码系统[J]. 软件, 2018, 39(2): 12-15.

[10] 焦英楠, 陈英华. 基于区块链技术的物联网安全研究[J]. 软件, 2018, 39(2): 88-92.

Research on Technical Evaluation Method for Tests of Space Maintenance Technology

CHAI Li, WANG Jie-juan

(Space Engineering University, Beijing 101416, China)

The space maintenance technology tests lay the technical foundation for formation of space ability. First, Research on situation abroad of test evaluation, study theoretical basic of USA military space systems test and evaluation, Second, Aim at insufficient in space system technical evaluation in China, this paper sets up the complete evaluation and analysis method following the steps of analyzing the key technology and the test items,statistics of relative evaluating tests, making of evaluation criteria andpartion the evaluation results, etc. In the end, it specifies the implementation and detailed rules for methods of technology evaluation methods in details, provides the basis for the evaluation scheme and provides references for similar technology verification test evaluation in future.

Space maintenance; Technology tests; Technical evaluationevaluation criteria

V417+.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.017

柴黎(1982-)，硕士研究生。研究方向：信号与信息处理。

本文著录格式：柴黎，王杰娟. 空间维护技术试验评估方法研究[J]. 软件，2018，39（9）：79-85