摘要
航天测控系统作为航天工程的重要组成部分，通过其测控站建立地面与航天器之间的链路，保障航天器全寿命周期的运行与使用。作为天地两大部分之间唯一的联系通道，该系统在各类航天任务中不可或缺，对其任务可靠性的评估一直是航天工程实践中的重要一环。 航天测控系统的任务是通过测控方案描述的，方案详细地记录了一次测控任务中包含的各个可视弧段、不同弧段中安排的各项测控业务、以及执行业务的具体测控设备。在以往的研究中，对系统任务可靠性的评估一直是基于给定的测控方案。然而，在实际执行任务过程中往往存在着时间冗余。一些测控业务在当前弧段失败后，可以调整到后续弧段再次执行（称为跨阶段时间冗余）；也有一些测控业务的执行时间需求只占用了可视弧段的一部分时间窗口（称为阶段内时间冗余）。测控方案对上述时间冗余是鲜有描述的。 为了得到更为准确的评估结果，论文研究了测控方案中存在时间冗余时，航天测控系统的任务可靠性评估问题。具体开展了如下工作： （1）对具有时间冗余的航天测控系统进行描述性建模。首先从航天测控系统的组成、业务类型及任务范围出发，完成对测控方案的规范化描述。进而对时间冗余在测控任务中的表现形式进行明确，并给出包含时间冗余的测控方案规范化描述方式。在此基础上，通过弧段划分，将规范化的测控方案转换为具有时间冗余的多阶段任务系统（phasedmissionsystem,PMS）。 （2）在单航天器场景下，对具有跨阶段时间冗余的航天测控系统任务可靠性进行评估。评估过程以具有备份阶段的PMS描述性模型为输入。针对该PMS中，当前阶段的失败可能引起后续阶段系统配置发生变化的特点，选择使用事件树（eventtree,ET）模型作为解决方案。提出一种静态组合模型方法，完成对该PMS的任务可靠性建模。在此基础上，基于二元决策图（binarydecisiondiagram,BDD）方法对该静态组合模型进行定量分析。针对组合模型结构非单调的特点，提出基于BDD及其否形式的多阶段BDD构造方法，提高了BDD模型的建模效率。 （3）在多航天器场景下，对具有跨阶段时间冗余的航天测控系统任务可靠性进行评估。评估过程以具有公共备份阶段的PMS描述性模型为输入。针对该PMS中，不同测控业务对公共备份阶段的占用取决于其失效时序的特点，选择使用动态故障树（dynamicfaulttree,DFT）的动态逻辑门作为解决方案。提出一种多阶段DFT模型构造方法，完成对该PMS的任务可靠性建模。在此基础上，基于时序BDD（sequentialBDD,SBDD）方法对该多阶段DFT模型进行定量分析。针对DFT模型结构高耦合的特点，提出一种改进的SBDD生成方法，有效地缩减了SBDD模型的规模、提高了计算效率。 （4）在多航天器场景下，对具有跨阶段时间冗余和阶段内时间冗余的航天测控系统任务可靠性进行评估。评估过程以具有时间冗余的PMS描述性模型为输入。考虑到解析方法难以对该PMS进行评估，选择基于扩展的面向对象Petri网（extendedobject-orientedPetrinet,EOOPN）仿真方法完成对该PMS的任务可靠性评估。针对现有EOOPN模型定义中存在的不足，对EOOPN的变迁种类进行精简、对其令牌的数据结构进行规范。在此基础上，提出一种三级分层建模方法建立描述该PMS任务可靠性的EOOPN模型。构建的EOOPN模型相较其它Petri网模型，在结构上更加精简、规模上也更小。设计实现基于事件调度法的EOOPN模型仿真工具，并通过一个卫星发射测控任务算例，对该方法进行应用说明和结果验证。另外，在设备不可修、阶段内无时间冗余条件下，运用EOOPN仿真方法对若干不同跨阶段时间冗余假设下的算例任务不可靠度进行估计，并与静态组合模型方法及多阶段DFT方法进行结果比对，吻合程度良好。
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