蔡季萍，劉云杰，裴　培

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于TDRSS的導彈遠程監(jiān)控檢驗評估模型設計及實現(xiàn)

蔡季萍，劉云杰，裴培

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要從跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)的基本通信原理入手，開展基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的導彈遠程監(jiān)控通信能力檢驗評估研究，利用模糊層次分析方法搭建了基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的遠程監(jiān)控通信能力評估體系框架，對評估模型的構建進行了詳細闡述，并給出了幾個重要評估指標的計算方法，通過評估實施和對評估結果數(shù)據(jù)的分析，構建的評估體系和方法能夠對導彈遠程監(jiān)控通信能力進行有效評估，方法有效、可行。

關鍵詞評估模型；導彈遠程監(jiān)控；跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

0引言

要使戰(zhàn)略導彈發(fā)揮出高效的作戰(zhàn)效能，需要對其做到迅速、準確、保密、不間斷的“狀態(tài)監(jiān)測與遠程監(jiān)控通信”，同時對通信系統(tǒng)進行有效可靠的效能評估[1]。在建設中繼衛(wèi)星之前，我國對飛行器進行“狀態(tài)監(jiān)測與遠程監(jiān)控”的主要手段是依靠陸上測控站(陸基)和海上測量船(?；?等測控系統(tǒng)，但受國土面積和經(jīng)濟條件等因素的限制，無法做到全球布網(wǎng)，覆蓋率較低，不能對飛行器進行超視距的通信與測控[2]。

TDRSS是指一種利用地球同步衛(wèi)星上的中繼轉發(fā)器轉發(fā)地面測控站的出入站信號，實現(xiàn)地面設備對中、低軌航天器的實時、連續(xù)地跟蹤測軌和數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)臏y控通信系統(tǒng)。其中地球同步衛(wèi)星稱為TDRS，能與用戶航天器進行幾乎不間斷的實時通信。主要作用包括中繼轉發(fā)地面站對中、低軌道用戶航天器的跟蹤測控信號以跟蹤、測量和控制用戶航天器，將用戶航天器的海量遙測遙感等圖像和數(shù)據(jù)中繼轉發(fā)至地面站。TDRSS從根本上解決了測控、通信的高覆蓋率問題，數(shù)據(jù)傳輸量大、使用靈活，能夠大大減少地面站數(shù)量，省掉用戶航天器上的存儲記錄裝置，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，尤其是可彌補在國外難以建立測控站的缺陷，實現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)與武器平臺的無縫隙連接，對提高遠程作戰(zhàn)指揮能力、發(fā)揮武器平臺效能具有重要作用[3，4]。

本文開展基于TDRSS的導彈遠程監(jiān)控通信能力檢驗評估研究，建立遠程監(jiān)控通信能力評估指標體系，研究通信能力綜合評估方法，實現(xiàn)遠程監(jiān)控通信能力檢驗評估方案的優(yōu)化設計。

1評估體系框架

評估體系包括：① 遠程監(jiān)控通信需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內容和要求；② 完成用戶需求TDRSS通信鏈路應具備的能力。本文主要討論評估TDRSS通信鏈路對導彈遠程監(jiān)控所能提供的通信能力支持上。

1.1　評估流程

對基于TDRSS的導彈遠程監(jiān)控通信能力進行評估的具體流程如圖1所示。

圖1　導彈遠程監(jiān)控通信能力評估流程

1.2　評估指標體系

導彈遠程監(jiān)控通信能力反映TDRSS前向鏈路通信能力，指標體系中各能力要素和能力指標如圖2所示。

圖2　導彈遠程監(jiān)控通信能力評估指標體系

1.3　評估方法和步驟

采用模糊層次分析法(Fuzzy-AHP)作為監(jiān)控能力評估方法，將層次分析法(AHP)的分層、相對重要性定量表示與模糊法的評價要素綜合評判劃分相結合[5]。評估步驟包括：構建評估指標體系、確立指標體系權重和確立二級模糊綜合評價模型[6，7]。

構建遞階層次結構的評估指標體系，確定指標體系權重包括構造判斷矩陣、指標權重計算和一致性檢查等3個步驟。

組織m個評估專家(序號為k,k=1,2……m)對同層次中n個元素關于上一層某準則的重要性進行兩兩比較，指標間相對重要程度采用9/9～9/1標度法，用比較值構造判斷矩陣分別為D1,D2,…,Dm。其中Dk=(dij,k)n×n，dij,k為第k個專家對評價指標給出的評分，ηk是第k個專家的權重系數(shù)。用加權幾何平均法將多個判斷矩陣合成一個綜合判斷矩陣D，有

式中，i,j= 1,…,n。

進行指標權重計算時，由判斷矩陣計算相對上一層次中某準則的權重采用平方根法。設i= 1,…,n，計算綜合判斷矩陣D中每行元素的乘積為：

對λi進行偏差一致性檢查指標C.I.=(λmax-n)/(n-1)，對λi進行隨機一致性檢查指標C.R.=C.I./R.I.。其中R.I.為平均一致性檢查指標，查表1獲得。一致性檢查如表1所示。

表1　一致性檢查

當C.R.≤0.10，認為判斷矩陣符合相容性要求；否則重新打分計算，甚至改換評估指標體系，直到符合相容性條件為止。

由于指標體系中的各性能指標量綱不一致，相關特性也不相同，必須進行統(tǒng)一量化處理。本文采用模糊評價法來獲得評價表征值。

n1+…+ns=n;

U1∪…∪Us=U;

Ui∩Uj=φ,i≠j。

依據(jù)指標層次圖，一級模糊綜合評判集(Bi)n×1即是對于第2層所有指標的綜合評判：

二級模糊綜合評判集為：

1.4　遠程監(jiān)控評估模型

依據(jù)評估指標體系構建通信能力綜合評估模型。根據(jù)每個專家對各指標相對重要性打分構造的各能力要素判斷矩陣形式如下，R1i、R2i、R3i分別代表第i個專家對覆蓋范圍、信息傳輸能力、通信質量中各指標相對重要性評分構造的判斷矩陣。

用加權幾何平均的方法構造綜合判斷矩陣R1、R2和R3，利用平方根法計算權重并進行歸一化得到各指標權重向量λ1=(λ11,λ12)，λ2=(λ21,λ22,λ23)，λ3=(λ31,λ32,λ33,λ34,λ35)，進行一致性檢驗直到符合相容性條件。

將多方案中需求指標值與計算獲得的指標值做對比，獲取各性能指標對于上一級能力要素的隸屬度函數(shù)：

選用加權平均模糊算子，得到一級模糊綜合評判模型為：

B1=W1·L1=(b11,b12,b13,b14,b15)，

B2=W2·L2=(b21,b22,b23,b24,b25)，

B3=W3·L3=(b31,b32,b33,b34,b35)。

式中，

二級模糊綜合評判集

1.5　評估指標計算

1.5.1系統(tǒng)鏈路性能計算

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路性能由接收端信噪比的歸一化形式Eb/N0表示,Eb為每比特能量，N0為噪聲譜功率密度。前向和返向Eb/N0均包括站到星、星過星的信號衰減計算。

① 前向Eb/N0：地面站發(fā)送功率，經(jīng)過地面站與中繼星間的對流層和電離層的衰減；信號由中繼星進行轉發(fā)，經(jīng)過中繼星與目標間的鏈路衰減，即為目標的接收信噪比。

② 返向Eb/N0：飛行器發(fā)送功率，經(jīng)過飛行器與中繼星之間的鏈路衰減；信號由中繼星進行轉發(fā)，減去中繼星與地面站間的對流層和電離層的衰減，即為地面站的接收信噪比。

1.5.2雨衰計算

天線仰角E≥5°時，信號通過雨區(qū)的實際傳輸路徑長度LS與地球站天線仰角E、當?shù)?°等溫線高度H、地球站平均海拔高度H0，有下列幾何關系LS=(H-H0)/sinE，降雨區(qū)范圍LG與LS的關系式為LG=LScosE。

仰角E<5°時，計算LS時還要考慮地球表面曲率半徑的影響。由于在整個路徑中，降雨密度不是均勻的，因此LS與有效傳輸路徑Le成正比，但還有比較復雜的函數(shù)關系。有效傳輸路徑長度Le與實際傳輸路徑長度LS，近似有下列關系Le=γpLS，式中，γp為縮減因子，與年降雨時間百分比p和降雨區(qū)范圍LG有關。

1.5.3自由空間路徑損耗計算

無損耗的各向同性輻射源到其路徑長度相等的距離處的理論損耗為L=(4πd/λ)2，d為路徑長度，對數(shù)形式為[L]=20lg(4πd/λ)，靜止軌道衛(wèi)星距地球表面約為36 000 km，當頻率為6 GHz時，自由空間路徑損耗為200 dB左右，當頻率為4 GHz時，路徑損耗為195.6 dB。

1.5.4黑障損耗計算

黑障對信號傳輸?shù)挠绊懹蟹人p和隨機相移，其中幅度衰減常數(shù)α、相移常數(shù)β與射頻工作頻率f、等離子體振蕩頻率f0、等離子體碰撞頻率fv的關系為[11，12]：

對于相干解調系統(tǒng)，在信噪比γ一定的前提下，黑障區(qū)內總衰減值αd很大，可忽略總相移φ對誤碼率的影響；而黑障區(qū)外系統(tǒng)誤碼率Pe對相位常數(shù)β的變化很敏感。對于非相干解調系統(tǒng)，由于采用的是包絡檢波，其包絡檢波器直接從已調制波的幅度中提取原調制信號，所以最終檢波信號只需計算等離子體鞘套對穿越其間調制波的幅度衰減αd而無需顧及相移量βd，也即非相干解調系統(tǒng)誤碼率Pe與βd無關。所以只要考慮幅度衰減。

1.5.5信息傳輸能力指標計算

通信容量通常指通信信道路數(shù)，以每個轉發(fā)器所能提供的實際信道數(shù)為基準，取決于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的體制和參數(shù)。

中繼星系統(tǒng)設計有S、Ka波段的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，Ka波段可以支持300 Mbit/s的高速率數(shù)據(jù)傳輸，為克服黑障影響，需要采用Ka頻段信號傳輸。信息速率的指標以Ka頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為準。

1.5.6通信質量指標計算

單個目標系統(tǒng)解調器輸出誤碼率Pb與輸入能量噪聲功率譜密度之比的關系為：

對于多目標，設目標信號到達接收機的功率相等，系統(tǒng)解調器輸出誤碼率Pb與輸人能量噪聲功率譜密度之比的關系為：

式中，N為擴頻倍數(shù)；Eb為信號能力；N0為零均值高斯白噪聲的雙邊功率譜密度。

虛指令概率：設出現(xiàn)隨機信息流的概率P0=1，出現(xiàn)一條虛指令的概率為：P1虛=P0(1/2)(n2+n3)。

漏指令概率：在一次指令中無論是地址碼還是指令碼只要有1bit的碼元錯誤，就不能正確判斷而漏掉，則出現(xiàn)漏指令的概率為P1漏=(n2+n3)Pe,Pe為誤碼率。

誤指令概率：產(chǎn)生誤指令的條件是要有3次以上的地址碼接收正確，而指令碼錯成別的許用碼字，設指令碼的碼距為1，指令段出現(xiàn)1個以上的錯誤時就出現(xiàn)誤指令，則誤指令概率為：

傳輸時延：以通信距離與光速的比值來衡量。TDRSS通信距離包含導彈到中繼星的空間鏈路距離和中繼星到地面站的空地鏈路距離。中繼衛(wèi)星只是進行數(shù)據(jù)的透明轉發(fā)，轉發(fā)時延可忽略。為此傳輸時延可以表示為：τ=(SSM+SSG)/c。τ為轉發(fā)時延，SSM為導彈到中繼星的空間鏈路距離，SSG為中繼星到地面站的空地鏈路距離，c為光速。

2評估實施及結果分析

以導彈打擊某國城市為例開展遠程監(jiān)控通信能力評估的數(shù)據(jù)采集并進行結果分析。經(jīng)STK仿真，選用對導彈的最大、最小、平均以及累積空間、時間覆蓋率均能夠達到100%的02號星進行評估。

遠程監(jiān)控判斷矩陣分別為：

計算指標權重為：

λ1=[0.75,0.25]，

λ2=[0.55,0.24,0.21]，

λ3=[0.012,0.018,0.72,0.2,0.05]。

一級模糊綜合評價模型中指標權重為：

W1=[0.75,0.25]，

W2=[0.55,0.24,0.21]，

W3=[0.012,0.018,0.72,0.2,0.05]。

隸屬度函數(shù)為：

一級模糊綜合評價模型為：

B1=(0.01,0.12,0.12,0.02,0.79),

B2=(0.36,0.23,0.17,0.19,0.2),

B3=(0.1,0.12,0.56,0.67,0.2)。

二級模糊綜合評價模型能力要素判斷矩陣：

權重為：W0=[0.856,0.032,0.112]。二級綜合模糊評價模型為：B=(0.01,0.12,0.12,0.02,0.79)。

最大傳輸距離為：

S城市1-星+S星-X國城市2=

(RE+h)sin(180-118+180-177)+(RE+h)sin(177-155)=

(6 371+35 787)(sin65°+sin22°)=54 000 km。

最大傳輸時延為5.4/30=0.18 s。

指令判決采用五判三前向糾錯方式。

P1虛=P0(1/2)(n2+n3)=P0(1/2)24=5.96×10-8,

P1漏=(n2+n3)Pe=24×10-6=2.4×10-5。

虛、漏指令概率為：

10[(1-10-6)×10-6]3≈1.0×10-17。

將需求指標與計算的指標進行比對，02星滿足通信容量需求，滿足在星間和星地鏈路之間使用Ka頻段，最大通信速率達到300 Mbps的數(shù)據(jù)中繼的需求，滿足前向和返向碼速率需求；適當調整接收端與發(fā)射端的載波與噪聲功率之比，可達到誤碼率需求；傳輸時延最大0.18 s，小于需求的1 s；虛指令概率、漏指令概率和誤指令概率均達到指標。

綜上所述，當前我國的TDRSS通信鏈路具備為戰(zhàn)略導彈提供從我國境內發(fā)射，打擊X國城市的通信能力。

3結束語

從TDRSS的基本通信原理入手，搭建了基于TDRSS的導彈遠程監(jiān)控通信能力評估體系框架，構建了評估指標體系并進行了實證研究。所構建的體系和方法能夠對導彈遠程監(jiān)控通信能力進行有效的評估，達到預設標準，方法有效可行。

目前評估系統(tǒng)還存在一些不足，例如：缺乏彈載收發(fā)、中繼星轉發(fā)以及地面站終端的具體參數(shù)。在后續(xù)工作中考慮進一步獲取以往實驗的實際數(shù)據(jù)進行評估處理。

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蔡季萍女，(1976—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測控技術領域和工程實踐。

劉云杰男，(1974—)，博士，高級工程師。主要研究方向：航天測控、數(shù)據(jù)處理技術領域和工程實踐。

Assessing Model of Missile Flight Monitoring and

Control System Based on TDRSS

CAI Ji-ping，LIU Yun-jie,PEI Pei

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractResearches about assessing system of missile flight monitoring and control based on Tracking and Data Relay Satellite System(TDRSS)are carried out.Fuzzy-AHP method is used to build the framework of communication capacity assessing system.The assessing model is introduced in detail as well as the most important assessing index calculation methods.Missile flight data and assessing results are also presented and analyzed.

Key wordsassessing model;missile flight monitoring and control;TDRSS

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-03-23

中圖分類號P228.6

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0004-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.02

引用格式：蔡季萍，劉云杰，裴培.基于TDRSS的導彈遠程監(jiān)控檢驗評估模型設計及實現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(6)：4-8，24.