基于博弈论组合赋权的空间新技术卫星在轨运行风险评价

摘要：对空间新技术卫星在轨运行风险进行及时分析、判断和评价，对提高其运行风险管理效率具有重要意义。鉴于空间新技术卫星具有技术状态新、在轨试验周期长、整体成熟度低等特点，提出一种基于博弈论的组合赋权风险评估方法。首先，利用工作分解结构法、“九新”分析法等方法对空间新技术卫星全生命周期运行风险进行识别，并从人员、系统、技术、管理和环境5个方面构建两级风险评估指标体系；其次，采用G1序关系分析法进行主观赋权，并结合熵权法进行客观赋权；再次，运用博弈论确定各指标的组合权重，形成一套综合的风险评估模型；最后，对某型号空间新技术卫星的风险管控实例进行分析，验证该方法的有效性和合理性，以期为航天领域风险管理提供参考。

关键词：空间新技术卫星；博弈论；组合赋权；风险评价

0 引言

卫星项目的风险管理历来都受到各级的高度重视。孙纪文等^[1]针对环境减灾二号A/B卫星的特点分析项目风险管理难点，在卫星管理实践基础上，对重要风险源识别、分析和应对，将风险控制到可接受范围；赵霄洋等^[2]针对卫星项目特点，提出了以分级风险管理为基础的项目风险动态管理体系，建立量化评估“动态管控”技术验证及全面保障的风险管理机制；王建铎等^[3]分析了通信卫星的特点及在轨运行需求，对其在轨运行进行风险识别，运用层次分析法进行风险因素分析，针对风险等级制定风险应对措施，提高通信卫星运行稳定性；杨军^[4]分析研判北斗系统全球服务的风险现状与发展态势，梳理总结其面临的5种风险，细致分析风险成因，并提出了应对策略；龚佩佩等^[5]采用贝叶斯网络，分别构建卫星导航系统完好性和连续性风险模型，开展故障诊断，以识别薄弱环节，并提出风险控制建议。综上所述，卫星项目风险管理越来越受到各级重视，但对航天发射项目进度、成本风险研究较多，对卫星在轨运行风险研究较少，如对在轨运行可能引起的舆论法理、政治外交等研究较少。空间新技术卫星因其整体成熟度低、在轨试验周期长、技术状态切换复杂等特点，使得其在轨运行风险管理显得更加重要，亟须建立空间新技术卫星在轨运行风险管控体系。

本文针对空间新技术卫星的特点，在总结传统通信、导航、遥感等类型卫星风险评价研究的基础上，首先从空间运行段、信息传输段、地面管控段不同空间域，卫星发射入轨到退役报废全生命周期的多维度，全方面识别风险因素；其次构建风险指标体系，利用组合赋权法进行风险指标权重计算；最后以某型空间新技术卫星为例，进行方法验证，验证该方法的有效性和合理性。

1 空间新技术卫星在轨运行基本特征分析

空间新技术卫星主要开展新材料、新技术和新型器部件验证试验，进而为卫星定型提供设计需求和改进意见。相较于其他通信、遥感、导航等成体系、技术相对成熟型号而言，空间新技术卫星有着以下几点鲜明特点。

1.1 技术状态新

空间新技术卫星主要用于开展空间探测、精准控制、精细操作等高精尖技术验证，同时新技术多为首次验证，缺少先验经验、完备的任务流程和操作规范。

1.2 在轨试验周期长

卫星发射入轨后，绝大部分时间用于在轨新技术试验。需要星地密切协同，对卫星操控人员能力、测控设备可靠性、测控链路稳定性等提出了更高的要求。

1.3 试验项目敏感度高

因需要验证新技术，部分试验项目需要实施近距离抵近，会对其他在轨卫星造成一定的安全威胁，易引发舆论炒作。同时也存在因保密措施不到位造成的核心关键技术外泄的风险。

1.4 卫星总体成熟度低

空间新技术卫星主要是对计划定型高价值卫星的技术验证和探索，很多立项源于创新成果申报、树立品牌影响力等，生产厂家相对多样，总体成熟度远低于定型卫星。

2 空间新技术卫星在轨运行风险评价指标体系构建

2.1 空间新技术卫星运行风险因素分析

综合采取卫星管理单位实地调研、文献综述分析和领域专家打分排序等风险识别方法，对空间新技术卫星自身设计、空间环境、地面设备、网络通信、人员操作等方面运行管理内容和特点分析，梳理卫星发射入轨至退役报废全生命周期的测控事件，最终识别出新技术卫星在轨运行风险因素如下：

（1）人员风险。空间新技术卫星技术状态新，存在试验人员对技术机理掌握不够深入、专业技能不足、组织协调不严密、指挥决策能力不足及工作作风不严谨等风险。

（2）系统风险。空间新技术卫星相较于定型卫星，成熟度偏低，存在整体稳定性不足、冗余设计、可靠性不足等风险。

（3）技术风险。空间新技术卫星在轨试验状态复杂，存在技术可行性论证不充分、技术状态设置错误、关键技术存在缺陷、特殊材料和元器件应用测试不充分等风险。

（4）管理风险。空间新技术在轨试验涉及参与单位多，协同关系复杂，存在操作流程不规范、方案预案不充分、高层管理者重视程度不够、职责分工不清晰、测试验证不充分等风险。

（5）环境风险。空间新技术卫星受到空间环境影响，存在与空间目标发生碰撞、受电磁辐射和极端天气影响、诱发舆论炒作和政治外交等风险。

2.2 风险指标体系构建

按照全面性、独立性、可操作性等原则，建立空间新技术卫星在轨运行风险评价体系，其中包括5个一级风险指标、23个二级风险指标，空间新技术卫星在轨运行风险评价指标体系如图1所示。

3 确定风险评价指标权重

风险指标的权重确定是评价的关键，通常运用主观赋权或者客观赋权计算权重。综合分析相关文献并结合空间新技术卫星管理特点，选取G1序关系分析法^[6-7]进行主观赋权，用熵权法^[8-9]进行客观赋权，并利用博弈论^[10-12]的纳什均衡思想来确定组合权重。

3.1 主观权重计算

邀请从事空间新技术卫星试验领域经验丰富的专家，根据指标的重要程度进行判断，确定相对重要度，求出指标权重系数，具体计算步骤如下：

（1）序关系计算。专家从风险指标集{a1，

a2，…，an}中，选取风险影响程度或重要程度最大的基准指标，按重要程度对指标进行排序，获得基于风险指标集的序关系。

（2）确定相邻风险评价指标之间的重要程度。

（3）根据指标间重要程度赋值情况，计算主观权重系数ωk，公式如下

ωk=（1+∑nk=2∏ni=kri）^－1（k=n， n－1， …， 2）

（1）

ωk－1=ωkγk（k=n，n－1，…，2）

（2）

式中，ωk为第k个指标的权重；γk为指标重要性评分量化值，表示第k个指标与第k-1个指标之间的重要程度赋值，γk越大则表示相邻两个指标之间重要程度越大。

（4）根据专家群组计算权重。若S名专家对风险指标集合{a1，a2，…，an}的序关系排列相同，但赋值不同。则权重系数公式如下

ωk=（1+∑nk=2∏ni=kγi′）^－1（k=n，n－1，…，2）

（3）

ωk-1=ωkγk′（k=n，n－1，…，2）

（4）

其中，γk′公式如下

γk′=1s∑si=1γki（k=n，n－1，…，2）

（5）

若S名专家中有s1位专家对风险指标集合的序关系相同，赋值不同。其余专家的序关系不相同，赋值不同，以指标ak为例，计算方法如下。

s-s1位专家序关系相同时，指标ak的权重系数公式如下

ωk″=（1+∑nk=2∏ni=kγi″）^－1

（6）

γk″=1s－s1∑s－s1i=1γki

（7）

指标ak的权重系数的综合权重系数公式如下

ωk=s1sωk′+s－s1sωk″

（8）

3.2 客观权重的计算

根据熵权理论，风险评价指标的信息熵大小与指标蕴含的信息量大小呈负相关。计算步骤如下：

（1）构造评价矩阵。假如有m个风险评价样本、n个风险指标，构造原始数据评价矩阵公式如下

Y=y11y11…y11y11y12…y1n

ym1ym2…ymn（9）

式中，yij为风险指标j下样本i的评价值。

（2）归一化评价矩阵。采用线性变化方法处理后得到归一化矩阵Q=（qij）m×n。

（3）计算指标信息熵Mj，公式如下

Mj=－1lnm∑mi=1qijlnqij

（10）

（4）计算各风险指标权重，公式如下

Nj=1－Mj∑nj=11－Mj

（11）

式中，Nj为风险指标的权重向量，即熵权，Nj数值越大，对评价样本贡献越大。

3.3 博弈论计算综合权重

基于博弈论的权重集结模型将主观和客观赋权方法得到的权重利用合作博弈理论进行组合得到最终权重值。计算步骤如下：

（1）计算风险指标权重。G1法和熵值法计算的基本权重向量集分别为W1和W2，两种权重向量的任意线性组合公式如下

W=∑2k=1akWTk

（12）

式中，W是权重的线性组合；ak是线性组合权重系数；WTk是基本权重向量集W的转置矩阵，k=1，2。

（2）对线性组合权重系数ak进行优化，优化目标为离差最小化。

（3）解最优组合系数，计算得到最优组合系数ak={a1，a2，…，an}，对其进行归一化处理，得到最终组合系数ak，组合权重公式如下

Wj=∑2k=1akWTk

（13）

4 某型新技术卫星在轨运行风险评价模型验证

4.1 指标权重计算

邀请了从事新技术卫星试验项目相关工作5年以上的10名专家（包括试验管理人员、试验设计人员、试验测试人员）分别对空间新技术卫星在轨运行风险评价指标重要程度排序和重要度量化进行打分；熵值法采用李克特5级量表法，其中，1=非常不重要，2=不重要，3=一般重要，4=重要，5=非常重要。G1法采用平均法进行聚合，熵值法采用Min-Max归一化进行处理，对两种权重向量集计算离差最小，获得一级和二级风险指标相对组合权重，基于博弈论的一级风险评价指标组合权重见表1，基于博弈论的二级风险指标组合权重见表2。

4.2 风险评价

根据标准对风险等级进行划分，风险等级划分标准见表3。

首先，选取10名行业专家对新技术卫星风险指标进行量化打分，1～10分表示风险值由低到高，然后按照平均法对10名专家评分计算结果进行聚合，得到综合后的风险评分聚合结果，结合表1组合权重聚合结果，最终获得风险评价指标的风险评分，风险评价指标评分结果见表4。

由表4可知，空间新技术卫星在轨运行风险得分为5.73，属于中风险，通过采取一定管控措施可实现风险的有效控制。技术风险和系统风险属较高风险，要求在卫星设计及测试验证阶段，加强技术研发和质量控制，提高设备和技术的成熟度和稳定性，尤其要充分论证技术的可行性。同时，要适当考虑核心关键器部件的备份，确保一旦出现异常，能够及时启用备份，增加运行保障。空间运行段和信息传输段，要针对恶劣的空间电磁环境，加强卫星本体、测控通信链路的防护抗扰设计，最大限度减少因空间环境干扰带来的运行风险；地面管控段，要进一步完善地面卫星控制系统，确保卫星运行测控的可靠性，同时应注重完善试验方案预案、规范操控处置流程和细化舆论应对措施，防止因技术问题导致外溢风险。

5 结语

本文在深入探讨空间新技术卫星在轨管控风险的基础上，系统性地研究了空间新技术卫星在轨运行风险评价的方法与模型。针对空间新技术卫星在轨运行的实际，详细识别并细化了影响事件的关键指标因素，进而构建了一套适用于空间新技术卫星在轨运行风险管控的指标体系。在研究过程中，深入探讨了G1序关系分析法与熵值法的基本原理及其应用流程。为降低指标权重计算中的主观性影响，创新性地结合了主观赋权与客观赋权，以最大限度地减少评价过程中信息的损失。基于此，提出了一种融合博弈论思想的组合赋权的空间新技术卫星在轨运行风险评价方法，专门用于评估空间新技术卫星的风险。最后以某型号空间新技术卫星的风险评价模型为例，证明了该方法的科学性和合理性。未来，将进一步探索该评价技术的普适性和适用性，并考虑将其推广至其他类型卫星或空间项目的更多运行阶段，为航天领域风险管理提供更为全面的支持。

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收稿日期：2024-07-16

作者简介：

段玉兴（通信作者）（1985—），男，工程师，研究方向：卫星测控与在轨管理。

白洪波（1979—），男，副教授，研究方向：试验鉴定、航天测控。