CN103731221A - 一种天地一体化网络系统可用性确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天地一体化网络系统可用性确定方法，首先计算出单轨位的可用性和星座构型参数，然后利用贝叶斯网络构建天地一体化网络系统可用性模型，最后用蒙特卡洛仿真对天地一体化网络系统可用性进行评价可得到一定置信度下的系统可用性。本发明能够反映天地一体化网络系统动态可维修和网络化特点，适用于由多种轨道类型卫星组成的混合星座的可用性分析与评价，为制定合理的星座备份方案提供量化依据，为我国大型复杂天地一体化网络系统的研制建设提供重要的专业技术支持。

Description

一种天地一体化网络系统可用性确定方法

技术领域

本发明涉及一种天地一体化网络系统可用性确定方法，属于网络系统可靠性技术领域。

背景技术

天地一体化网络系统一般由空间段和地面控制段组成。空间段通常由多颗类型和功能相似的卫星组成；地面控制段为支持整个系统正常运行的地面设施，由主控站、监测站、注入站以及通信和辅助系统组成。空间段和地面控制段紧密联系，天体一体化网络系统提供的服务依赖于空间段，而空间段则受到地面控制段的控制、监测和影响。

系统可用性是指在规定的时间和服务区域内，系统能够提供正常服务性能水平的概率。对于空间段由同一轨道类型卫星组成的天地一体化网络系统，可选用马尔科夫链进行系统可用性建模分析。随着多轨道类型混合星座的出现，马尔科夫链方法已不适用，因此需要一种新的可用性建模、分析与评价方法。

传统的可用性技术一般只考虑卫星自身故障时星座的可用性，难以适应天地一体化网络系统的发展要求。而在系统实际运行中，地面控制段的故障和失效也会对星座可用性造成影响，从而影响系统的可用性。因此，必须兼顾空间段和地面控制段的中断情况，才能真实反映系统的可用性，从而为系统设计、研制、建设、运行和维护等方面的工程决策提供有效的专业技术支持。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种天地一体化网络系统可用性确定方法，解决了多轨道卫星组成的天地一体化网络系统可靠性的分析与确定问题。

本发明的技术解决方案是：

一种天地一体化网络系统可用性确定方法，所述天地一体化网络系统包括空间段和地面控制段，空间段包括多颗不同类型但功能相似的卫星，地面控制段用于控制、监测空间段；步骤如下：

（1）根据地面控制段对于空间段中卫星的监测数据得到各卫星的中断参数；所述中断参数包括短期计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、短期非计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、长期计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、长期非计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间；

所述短期计划中断的平均故障间隔时间是指连续两次对卫星的计划维修活动之间的时间间隔；

所述短期计划中断的平均修复时间是指多次对卫星的计划维修活动所用时间的平均值；

所述短期非计划中断平均故障间隔时间是指卫星连续两次出现可修复的故障之间的时间间隔；

所述短期非计划中断的平均修复时间是指多次对卫星的可修复故障进行维修所用的时间的平均值；

所述长期计划中断的平均故障间隔时间是指卫星的设计使用寿命；

所述长期计划中断的平均修复时间是指将计划中的替换卫星从发射到入轨所需的时间；

所述长期非计划中断的平均故障间隔时间是指卫星从启用到遇到不可修复的故障之间的时间间隔；

所述长期非计划中断的平均修复时间是指从空间段中卫星发生不可修复故障到替换卫星入轨之间的时间间隔；

（2）对步骤（1）中得到多颗卫星的多组中断参数进行抽样，得到样本，并设定样本数量等于仿真次数N；

（3）对步骤（2）中得到的样本，使用马尔科夫链进行建模，得到单轨位可用性模型，之后通过公式

计算得到单轨位平均可用性A，其中，λ为单轨位的失效率，μ为单轨位的修复率，且 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4\\ \mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4}{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{{\mathrm{\μ}}_3}+\frac{{\mathrm{\λ}}_4}{{\mathrm{\μ}}_4}}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MTBF}}_i}\\ {\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MTTR}}_i}\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2,3,4}),$ MTBF₁为短期计划中断的平均故障间隔时间，MTBF₂为短期非计划中断平均故障间隔时间，MTBF₃为长期计划中断的平均故障间隔时间，MTBF₄为长期非计划中断的平均故障间隔时间；MTTR₁为短期计划中断的平均修复时间，MTTR₂为短期非计划中断的平均修复时间，MTTR₃为长期计划中断的平均修复时间，MTTR₄为长期非计划中断的平均修复时间；λ₁为短期计划中断的失效率，λ₂为短期非计划中断的失效率，λ₃为长期计划中断的失效率，λ₄为长期非计划中断的失效率，μ₁为短期计划中断的修复率，μ₂为短期非计划中断的修复率，μ₃为长期计划中断的修复率，μ₄为长期非计划中断的修复率；

（4）通过公式 $\mathrm{CV}=\frac{\underset{t=t_0+\mathrm{n\Δt}}{\overset{t_0+\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{bool}({\mathrm{PDOP}}_{t,i}\≤{\mathrm{PDOP}}_{\max })\×{\mathrm{area}}_i}{\mathrm{\ΔT}\×\mathrm{Area}}\×100\%$ 计算得到星座构型参数CV，其中，L为将空间段中的卫星对地球的覆盖面积等分成的块数，Area为空间段中的卫星对地球的覆盖面积，area_i为第i块的面积，area_i=Area/L；t₀为预设的仿真初始时刻，Δt为预设的仿真步长，n取值为0,1,…,N-1,N，ΔT为预设的总仿真时间，且ΔT=Δt×N；PDOP_t,i为t时刻第i块面积的平面定位精度因子；PDOP_max为预设的平面定位精度因子的最大值；

（5）根据步骤（3）中得到的单轨位平均可用性和步骤（4）中得到的星座构型参数建立天地一体化网络系统的贝叶斯网络模型，之后再根据所述单轨位平均可用性、星座构型参数和所建立的贝叶斯网络模型计算得到天地一体化网络系统的可用性，之后进入步骤（6）；

（6）通过蒙特卡洛仿真方法对步骤（5）中得到的天地一体化网络系统的可用性进行评价，仿真次数即为N，得到本次仿真带有置信度的天地一体化网络系统的可用性结果。

所述步骤（2）中的样本是通过拉丁超立方抽样获得。

所述根据单轨位平均可用性和星座构型参数建立贝叶斯网络模型通过如下方式进行：

贝叶斯网络模型由网络拓扑结构和数学模型组成，网络拓扑结构的节点为空间段中所有的卫星，所述网络拓扑结构的节点的子节点为所述天地一体化网络系统的可用性；网络拓扑结构的节点状态包括可用和不可用两种，网络拓扑结构的节点可用状态由所述单轨位可用性表示，数学模型由星座构型参数表示。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明利用贝叶斯网络构建出的系统可用性模型，能够反映天地一体化网络系统动态可维修和网络化的特点，适用于由多种轨道类型卫星组成的混合星座的可用性分析与评价，可以方便地表达卫星故障、在轨维修、轨道机动、空间环境等因素对卫星可用性乃至系统可用性的影响。

（2）利用本方法和模型，可确定出天地一体化网络系统的可用性，为制定合理的星座备份方案提供量化依据，为我国大型复杂卫星网络系统的研制建设提供重要的专业技术支持。

附图说明

图1是使用马尔科夫链建立的星座中单轨位可用性模型的示意图；

图2是天地一体化网络系统可用性模型图；

图3是天地一体化网络系统可用性确定流程图；

图4是天地一体化网络系统的可用性评价结果图；

具体实施方式

本方法是基于贝叶斯网络和蒙特卡洛仿真进行系统可用性分析与评价。首先利用贝叶斯网络进行系统可用性建模与分析，然后结合蒙特卡洛仿真技术进行系统可用性评价，得到带有置信度的系统可用性。如图3所示，具体步骤如下：

（1）根据地面控制段对于空间段中卫星的监测数据得到各卫星的中断参数；所述中断参数包括短期计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、短期非计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、长期计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、长期非计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间；

所述短期计划中断的平均故障间隔时间是指连续两次对卫星的计划维修活动之间的时间间隔；

所述短期计划中断的平均修复时间是指多次对卫星的计划维修活动所用时间的平均值；

所述短期非计划中断平均故障间隔时间是指卫星连续两次出现可修复的故障之间的时间间隔；

所述短期非计划中断的平均修复时间是指多次对卫星的可修复故障进行维修所用的时间的平均值；

所述长期计划中断的平均故障间隔时间是指卫星的设计使用寿命；

所述长期计划中断的平均修复时间是指将计划中的替换卫星从发射到入轨所需的时间；

所述长期非计划中断的平均故障间隔时间是指卫星从启用到遇到不可修复的故障之间的时间间隔；

所述长期非计划中断的平均修复时间是指从空间段中卫星发生不可修复故障到替换卫星入轨之间的时间间隔；

（2）对步骤（1）中得到多颗卫星的多组中断参数进行抽样，得到样本，具体为：

中断参数通常服从对数正态分布，对步骤（1）中得到多颗卫星的多组中断参数（x）计算平均值和方差，分别作为对数正态分布的期望（μ）和方差（σ），则该对数正态分布的密度函数f(x)为：

然后对该对数正态分布进行拉丁超立方抽样，得到样本，并设定样本数量等于仿真次数N；

（3）对步骤（2）中得到的样本，使用马尔科夫链进行建模，得到单轨位可用性模型，如图1所示，该模型将卫星单轨位分为“可用”和“不可用”两种状态，中断发生时卫星从“可用”状态转换到“不可用”状态，对中断进行修复后卫星从“不可用”状态转换到“可用”状态，中断分为：短期计划中断、短期非计划中断、长期计划中断和长期非计划中断。之后通过公式

计算得到单轨位平均可用性A，其中，λ为单轨位的失效率，μ为单轨位的修复率，且 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4\\ \mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4}{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{{\mathrm{\μ}}_3}+\frac{{\mathrm{\λ}}_4}{{\mathrm{\μ}}_4}}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MTBF}}_i}\\ {\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MTTR}}_i}\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2,3,4}),$ MTBF₁为短期计划中断的平均故障间隔时间，MTBF₂为短期非计划中断平均故障间隔时间，MTBF₃为长期计划中断的平均故障间隔时间，MTBF₄为长期非计划中断的平均故障间隔时间；MTTR₁为短期计划中断的平均修复时间，MTTR₂为短期非计划中断的平均修复时间，MTTR₃为长期计划中断的平均修复时间，MTTR₄为长期非计划中断的平均修复时间；λ₁为短期计划中断的失效率，λ₂为短期非计划中断的失效率，λ₃为长期计划中断的失效率，λ₄为长期非计划中断的失效率，μ₁为短期计划中断的修复率，μ₂为短期非计划中断的修复率，μ₃为长期计划中断的修复率，μ₄为长期非计划中断的修复率；

（4）通过公式 $\mathrm{CV}=\frac{\underset{t=t_0+\mathrm{n\Δt}}{\overset{t_0+\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{bool}({\mathrm{PDOP}}_{t,i}\≤{\mathrm{PDOP}}_{\max })\×{\mathrm{area}}_i}{\mathrm{\ΔT}\×\mathrm{Area}}\×100\%$ 计算得到星座构型参数CV，其中，L为将空间段中的卫星对地球的覆盖面积等分成的块数，Area为空间段中的卫星对地球的覆盖面积，area_i为第i块的面积，area_i=Area/L；t₀为预设的仿真初始时刻，即为中断数据收集的起始时刻，Δt为预设的仿真步长，仿真步长为两次仿真之间的时间间隔，根据仿真次数和总仿真时间设定，即Δt=ΔT/N，ΔT为预设的仿真总时间，n取值为0,1,…,N-1,N；PDOP_t,i为t时刻第i块面积的平面定位精度因子，可以由位于所述第i块面积之内的GPS接收机输出。

其中σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃为矩阵M的主对角线元素，M=(G^TG)^-1，矩阵G为地面点到卫星S_i(i=1,2,…,k,k≥4)的方向余弦矩阵，即： $G=\left[\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& 1\\ l_2& m_2& n_2& 1\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ l_k& m_k& n_k& 1\end{array}\right],$ 其中，l_i，,m_i，n_i分别为地面点到卫星Si的方向余弦，即l_i=cosα_x,m_i=cosα_y,n_i=cosα_z；α_x,α_y,α_z分别为地面点到卫星S_i与站心坐标系（东北天坐标系）中X轴、Y轴、Z轴之间的夹角，即：

${\mathrm{\α}}_x=\frac{(x2-x1)}{\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2+{(z2-z1)}^2}}$

${\mathrm{\α}}_y=\frac{(y2-y1)}{\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2+{(z2-z1)}^2}},$ 其中(x1,y1,z1)为地面点坐标，即为覆盖面积

${\mathrm{\α}}_z=\frac{(z2-z1)}{\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2+{(z2-z1)}^2}}$

所划分块的坐标，(x2,y2,z2)为卫星坐标，通过卫星星历可以得到。PDOP_max为预设的平面定位精度因子的最大值，根据国外的经验通常取值为4或6；

（5）建立天地一体化网络系统的贝叶斯网络模型。贝叶斯网络模型由网络拓扑结构和数学模型（条件概率表）组成。网络拓扑结构描述贝叶斯网络节点之间的关系，而数学模型（条件概率表）用于表征网络节点之间的相互影响。首先构建一个贝叶斯网络，如图2所示，该网络节点为空间段中所有的卫星，所有贝叶斯网络的节点的子节点均为所述天地一体化网络系统的可用性。各贝叶斯网络的节点的状态包括“可用”和“不可用”两种，贝叶斯网络的节点“可用”状态由步骤（3）得到的单轨位可用性表示。数学模型（条件概率表）由步骤（4）计算得到的星座构型参数CV表示。之后再根据所述单轨位平均可用性、星座构型参数和所建立的贝叶斯网络模型计算得到天地一体化网络系统的可用性，本发明中采用匹兹堡大学决策系统实验室开发的GeNIe软件进行计算得到天地一体化网络系统的可用性；

（6）通过蒙特卡洛仿真方法对步骤（5）中得到的天地一体化网络系统的可用性A_i(i=1,2,…,N)进行评价，即通过公式：

计算得到的作为系统可用性，置信区间为

置信度为95%。其中σ为通过A_i(i=1,2,…,N)计算得到的方差，即：

为A的二阶矩。图4所示为通过5000次仿真后得到的某一天地一体化网络系统可用性评价结果图。

Claims (3)

1.一种天地一体化网络系统可用性确定方法，所述天地一体化网络系统包括空间段和地面控制段，空间段包括多颗不同类型但功能相似的卫星，地面控制段用于控制、监测空间段；其特征在于步骤如下：

（1）根据地面控制段对于空间段中卫星的监测数据得到各卫星的中断参数；所述中断参数包括短期计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、短期非计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、长期计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间、长期非计划中断的平均故障间隔时间及其平均修复时间；

所述短期计划中断的平均故障间隔时间是指连续两次对卫星的计划维修活动之间的时间间隔；

所述短期计划中断的平均修复时间是指多次对卫星的计划维修活动所用时间的平均值；

所述短期非计划中断平均故障间隔时间是指卫星连续两次出现可修复的故障之间的时间间隔；

所述短期非计划中断的平均修复时间是指多次对卫星的可修复故障进行维修所用的时间的平均值；

所述长期计划中断的平均故障间隔时间是指卫星的设计使用寿命；

所述长期计划中断的平均修复时间是指将计划中的替换卫星从发射到入轨所需的时间；

所述长期非计划中断的平均故障间隔时间是指卫星从启用到遇到不可修复的故障之间的时间间隔；

所述长期非计划中断的平均修复时间是指从空间段中卫星发生不可修复故障到替换卫星入轨之间的时间间隔；

（2）对步骤（1）中得到多颗卫星的多组中断参数进行抽样，得到样本，并设定样本数量等于仿真次数N；

（3）对步骤（2）中得到的样本，使用马尔科夫链进行建模，得到单轨位可用性模型，之后通过公式

计算得到单轨位平均可用性A，其中，λ为单轨位的失效率，μ为单轨位的修复率，且 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4\\ \mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\λ}}_3+{\mathrm{\λ}}_4}{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_3}{{\mathrm{\μ}}_3}+\frac{{\mathrm{\λ}}_4}{{\mathrm{\μ}}_4}}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MTBF}}_i}\\ {\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{{\mathrm{MTTR}}_i}\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2,3,4}),$ MTBF₁为短期计划中断的平均故障间隔时间，MTBF₂为短期非计划中断平均故障间隔时间，MTBF₃为长期计划中断的平均故障间隔时间，MTBF₄为长期非计划中断的平均故障间隔时间；MTTR₁为短期计划中断的平均修复时间，MTTR₂为短期非计划中断的平均修复时间，MTTR₃为长期计划中断的平均修复时间，MTTR₄为长期非计划中断的平均修复时间；λ₁为短期计划中断的失效率，λ₂为短期非计划中断的失效率，λ₃为长期计划中断的失效率，λ₄为长期非计划中断的失效率，μ₁为短期计划中断的修复率，μ₂为短期非计划中断的修复率，μ₃为长期计划中断的修复率，μ₄为长期非计划中断的修复率；

（4）通过公式 $\mathrm{CV}=\frac{\underset{t=t_0+\mathrm{n\Δt}}{\overset{t_0+\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{bool}({\mathrm{PDOP}}_{t,i}\≤{\mathrm{PDOP}}_{\max })\×{\mathrm{area}}_i}{\mathrm{\ΔT}\×\mathrm{Area}}\×100\%$ 计算得到星座构型参数CV，其中，L为将空间段中的卫星对地球的覆盖面积等分成的块数，Area为空间段中的卫星对地球的覆盖面积，area_i为第i块的面积，area_i=Area/L；t₀为预设的仿真初始时刻，Δt为预设的仿真步长，n取值为0,1,…,N-1,N，ΔT为预设的总仿真时间，且ΔT=Δt×N；PDOP_t,i为t时刻第i块面积的平面定位精度因子；PDOP_max为预设的平面定位精度因子的最大值；

（5）根据步骤（3）中得到的单轨位平均可用性和步骤（4）中得到的星座构型参数建立天地一体化网络系统的贝叶斯网络模型，之后再根据所述单轨位平均可用性、星座构型参数和所建立的贝叶斯网络模型计算得到天地一体化网络系统的可用性，之后进入步骤（6）；

（6）通过蒙特卡洛仿真方法对步骤（5）中得到的天地一体化网络系统的可用性进行评价，仿真次数即为N，得到本次仿真带有置信度的天地一体化网络系统的可用性结果。

2.根据权利要求1所述的一种天地一体化网络系统可用性确定方法，其特征在于：所述步骤（2）中的样本是通过拉丁超立方抽样获得。

3.根据权利要求1所述的一种天地一体化网络系统可用性确定方法，其特征在于：所述根据单轨位平均可用性和星座构型参数建立贝叶斯网络模型通过如下方式进行：

贝叶斯网络模型由网络拓扑结构和数学模型组成，网络拓扑结构的节点为空间段中所有的卫星，所述网络拓扑结构的节点的子节点为所述天地一体化网络系统的可用性；网络拓扑结构的节点状态包括可用和不可用两种，网络拓扑结构的节点可用状态由所述单轨位可用性表示，数学模型由星座构型参数表示。

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