中国指挥与控制学会会刊 
遥测系统是火箭、卫星、空间站、载人飞船等航天器发射和运行中不可或缺的重要支持系统,通过“下行信号”接收、解调、传输等,实时监视装备质量状态、工作性能、运行环境,为装备运行、故障排除、升级改造等提供服务保障。近年来,随着对太空领域的研究不断向挖掘深度、探索广度、细化粒度拓展延伸,加速了遥测装备迭代升级。笔者针对遥测系统发展策略问题,采用“定性定量” 结合方法,设计了遥测系统发展策略SWOT-AHP模型,从遥测系统发展表现的优势、劣势、机遇和挑战等方面着手研究,提出意见建议,以期为遥测系统升级转型提供参考借鉴。
1 遥测系统发展SWOT分析
1.1 优势(S)
1)性能可靠稳定。整体看,遥测系统性能稳定,可靠性高,可以长时间不间断工作。在短周期、高密度、高难度的“快、紧、密”执行任务中,也具有较高数据传输能力和解调精度,确保了数据实时性和高效性。
2)软件化程度增强。随着智能化软件注入和程序开源控制,使遥测系统自主能力、反应速度逐步提升,能够较好地实现不同地域、不同轨道、不同任务的服务保障。
3)通信能力强劲。随着通信技术创新发展,能够实现多参数、远距离、多链路的数据接收和传递,为探索浩瀚太空提供较好的交互平台、高效的带宽传递速度,实现海量数据的高质快速传输。
4)应用领域广泛。遥测系统应用于天基物理实验、深空探测、空间站等航天领域,进行不间断参数验证、状态检测和数据获取,为各型号、多轨道航天器提供服务保障。
1.2 劣势(W)
1)资源共享能力较弱。现有遥测系统固有“独家定制、独立运维、独自支撑”短板弱项和“一站多机”“一机一功能”“软硬件专机专用”应用模式,以及厂家差异、型号差异、规格差异造成的设备、数据、软件等资源不可兼容性,使临近站点资源难以互通共享,甚至“烟囱式”布局下同一测控站的同一设备也难替代备份。
2)技术更新换代较慢。基于软件定义无线电技术的遥测系统,传统FPGA可编程和CUP计算平台是其核心部分,其灵活性、自主性能力有待提升。控制和执行功能还没有完全隔离开,弹性柔性不足,造成了“竖井式”布设臃肿庞大,这也是系统维修性弱、成本高、扩展难的原因所在。
3)解调速度有待提升。遥测系统传统中央处理器(CPU)系统瓶颈问题,设备模块叠加累积、软件算法传统内嵌,导致很难达成解调速度最优,难以满足未来数据信息快速、准确、高效解调需求,解调速度还有较大提升空间。
4)功能拓展路径较窄。系统控制和执行设备的过度依赖,造成了硬件资源的不可再分和按需调度,因此提升性能仍需进行硬件设备的复制扩增和重新部署,造成了“竖井式”“烟囱式”臃肿庞大体系架构,不利于响应未来即时需求。
5)安全防护能力较弱。庞大的遥测系统体系架构和“烟囱式”垂直布设,致使机动运输能力偏弱。日常使用更多侧重性能、效能发挥,其抗毁抗击能力、抗磁止扰能力、隐蔽伪装能力、快速重构能力方面倾注关注较少。
1.3 机遇(O)
3)现实任务需求旺盛。随着对太空领域的研究不断向深度广度粒度延伸、向多维多域多层拓展,加速了遥测装备换代升级。尤其是遥测任务日益呈现短周期、高密度、高难度的“快、紧、密”态势,亟需遥测功能开放多元、资源调配规范和弹性柔性服务,实现技术革新和应用创新。
1.4 挑战(T)
1)体制机制影响。任务和训练“工学矛盾”交织,致使操作人员在理论学习和装备实操作业上时间不够,训管机制有待优化。联合保障缺少机制监管、标准规范和制度牵引,导致多家企业各自为战,使装备功能标准不同,协议接口难以匹配,装备资源难以共享。
2)设计理念影响。受以往遥测系统“试验型”组织管理模式影响,多偏重于“万无一失”任务完成,智能化、自主化倾注不够。面对当前多任务、多轨道、多频段需求,依靠复杂组织流程、大量工作人员参与和前期较多时间准备,能够“满弓” 状态完成任务。但面对短周期、高密度、高难度的快速响应需求,能力略显不足,造成了人员的“饱和式”投入和成本的“不惜代价”投放。
3)人才队伍影响。遥测系统执行任务的数据处理、记录、存储过程很难同步同时同屏监管,执行同一任务还需多体制多成员协助配合完成。基层工作人员大多时间投入在设备操控、监管监视和突发情况处置上,维修能力储备和时间存量不足,综合能力有待提升与加强。
4)供需保障影响。设备多为“垂直”布设、“暗箱”结构,安装、拆卸、维修具有较多不方便性,必须由专业部门、专业力量、专门工具,定点送修、定人维护,也可能因商家转型或流水线缺失,购置设备备件或替代品难度较大,维修费用高。
2 SWOT-AHP模型设计
20世纪70年代,由美国匹兹堡大学运筹学家T.L.Saaty教授提出的AHP,是指将决策问题分解成目标、准则、方案等层次进行定性分析和定量计算的一种评价方法[8]。该方法简单易行,层级架构清晰,应用范围广泛,通过将复杂问题逐层分解,建立准则体系,求出指标权重,进而快速确立最优选项。
2.1 搭建模型层次架构
对遥测系统的SWOT的分析结果进行归纳整理,确定目标层、准则层和指标层,形成模型层次架构,如图1 所示。
其中,第一层是目标层,表示决策者所要达成期望目标,即求得遥测系统最优发展策略;第二层是准则层,表示是否达成目标的判别准则,优势(劣势)占比大小、面临机遇多少、挑战影响程度等都是相对目标层的判别准则,其大小用权重衡量;第三层是指标层,是准则层的具体表征属性,便于分析计算。
2.2 构造比较判断矩阵
邀请遥测领域专家,依据1~9赋权标度[9](见图2 ),对模型各层级指标进行两两重要度比较,得出相应判断矩阵。对于同一层级任意的指标i和j有同等重要、稍微重要、比较重要、十分重要和绝对重要之分,分别用1、3、5、7、9标度进行表示,2、4、6、8则处于以上标度之间,可由专家根据客观实际进行打分赋值(倒数则表示重要度相反方面)。
2.3 计算权重大小
首先,利用专家智慧经验和岗位实践经历,对图1 模型层次架构准则层优势、劣势、机遇、挑战相对目标层进行两两重要度比较,得出遥测系统发展策略判断矩阵。其次,利用公式CR=CI/RI(式中,CR为一致性比率,CI为一致性指数,RI为随机一致性指数)进行一致性判断验证,直至CR<0.1为止。最后求出准则层相对目标层权重值,如表1 所示。依次类推,可分别求出4个准则层下的指标层重要度大小,构建判断矩阵,并进行一致性检验,得出指标权重。由表1 计算结果可知,准则层优势、劣势、机遇、挑战相对于目标层所占比重大小分别为0.572 4、0.063 3、0.245 1、0.119 2,可见优势占比最大,机遇次之,挑战较小,劣势最小。若直接将16个指标组内权重集中归一化处理,则是将4个准则层进行平均分配(各取值0.25),与上述计算准则层结论矛盾,也忽略了专家客观评价的重要性。
表1 发展策略比较判断矩阵Tab.1 Development strategy comparison judgment matrix |
| 指标 | S | W | O | T | CR | 权重 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| S | 1 | 7 | 3 | 5 | 0.018 8 | 0.572 4 |
| W | 1/7 | 1 | 1/5 | 1/2 | 0.063 3 | |
| O | 1/3 | 5 | 1 | 2 | 0.245 1 | |
| T | 1/5 | 2 | 1/2 | 1 | 0.119 2 |
表2 遥测系统发展战略研究指标权重Tab.2 Depicts the weightings of research indicators for the development of telemetry systems |
| 目标层 | 准则层 | 准则层权重 | 指标层 | 组内权重 | 总体权重 |
|---|---|---|---|---|---|
| 遥 测 系 统 发 展 策 略 研 究 | 优势 | 0.572 4 | 性能可靠稳定 | 0.273 5 | 0.156 6 |
| 软件化程度增强 | 0.137 8 | 0.078 9 | |||
| 通信能力强劲 | 0.058 5 | 0.033 5 | |||
| 应用领域广泛 | 0.530 2 | 0.303 5 | |||
| 资源共享能力较弱 | 0.068 3 | 0.004 3 | |||
| 技术更新换代较慢 | 0.510 7 | 0.032 3 | |||
| 劣势 | 0.063 3 | 解调速度有待提升 | 0.035 1 | 0.002 2 | |
| 功能拓展路径较窄 | 0.143 2 | 0.009 1 | |||
| 安全防护能力偏弱 | 0.242 7 | 0.015 4 | |||
| 国内外重视遥测系统发展 | 0.088 2 | 0.021 6 | |||
| 机遇 | 0.245 1 | 软件定义蓬勃兴起 | 0.668 7 | 0.163 9 | |
| 现实任务需求旺盛 | 0.243 1 | 0.059 6 | |||
| 挑战 | 0.119 2 | 体制机制影响 | 0.267 9 | 0.031 9 | |
| 设计理念影响 | 0.534 4 | 0.063 7 | |||
| 人才队伍影响 | 0.054 0 | 0.006 4 | |||
| 供需保障影响 | 0.143 7 | 0.017 1 |
2.4 进行四象限坐标系量化分析
遥测系统发展策略是优势、劣势、机遇和挑战综合作用的结果。为此以4个变量作为半坐标轴,坐标轴上的点S'、W'、O'、T'分别代表总体优势、总体劣势、总体机遇和总体挑战水平,由各变量层次综合权重之和的平均值计算得到。通过四象限分析法[10],构建遥测系统发展的SWOT四边形进行战略决策选择,具体如图3 所示。
由图3 计算各三角形面积大小分别为:S△SMO=(0.143 125×0.061 275)/2=0.004 385;S△WMO=(0.061 275×0.015 825)/2=0.000 485;S△TMW=(0.015 825×0.029 775)/2=0.000 236;S△SMT=(0.143 125×0.029 775)/2=0.002 131。由此可见,S△SMO>S△SMT>S△WMO>S△TMW,得出遥测系统发展策略SO为核心策略。因此,遥测系统的发展方向应在保持遥测系统性能稳定可靠、软件日趋智能、应用普适广泛等优势基础之上,借助“软件定义一切、赋能万物”蓬勃兴起之风,开展软件定义遥测系统新装备、新系统研究开发,基于先进计算平台之上,通过标准化、市场化、虚拟化技术的注入赋能,快速达成软硬件松耦合、控制执行功能分离,进而颠覆传统运维模式、单一供需体制和固守架构格局,实现功能重构、结构重组、构件重用,开启应用崭新范式。此SO策略为设计遥测系统发展战略长期规划提供结论支撑,为遥测系统技术革新、转型升级提供了参考依据,助推了软件定义遥测系统开启崭新范式。
3 对策建议
基于遥测系统优势、劣势、机遇、挑战影响因素分析和四象限坐标系量化结论,提出遥测系统发展对策建议。
1)注重智慧灵动,在创新应用范式上下功夫。乘借“软件定义一切”东风[12],采用“一体化”“即时式”“随遇式”服务保障模式,创新“大矩阵”、虚拟化、资源池技术,进行梯度搭建、分布并行、嵌入匹配应用使用,不断开启软件定义遥测系统新范式。深入思考探究现有遥测系统“一站多机”“一机一功能”“专机专用”闭锁架构和“烟囱式”“竖井式”技术瓶颈问题,采取更高增益软件天线“矩阵”、多目标接入智能化技术,通过软件化驱动、嵌入式融合和智能化加持,快速实现构件即插即用、功能连续复现、自主调度匹配、多站接力跟踪功能。集众所长、集体攻关资源动态重组、故障智能诊治、健康自主体检等难点问题,实现遇障破解时间短、再生重构能力强的重大突破,更好地适应跨地域、全天候、高频度任务需要。
2)注重生存保底,在固化防护能力上下功夫。为提升遥测系统安全防护能力,在设计研制上、创新方法上和机动性能上着力关注。运用工学、美学、仿生学成熟理论嫁接到新装备研制设计中,从物理涂抹防护上、运行机理规避上、系统内联预设上实现安防能力加固。利用仿真试验、模拟演练、现地试验,精准检验系统可靠度和安全性等,不断提升装备应对复杂环境适应能力。探索虚拟化、资源池化“天线矩阵”“数据中心矩阵”“地面站矩阵”建设,实行多中心布局架构、多业务一体推进,既发挥“大中心”主体核心作用,又规避“中心化”单一服务模式弊端,破除装备环境地域限制和时间“窗口”约束,增强体系参与度和贡献率。按照担负任务、现实需求和标准要求,加大遥测机动性能提升,不断创新理论研究、作业训练,提升机动运输保障能力。
3)注重人才培育,在加大能力提升上下功夫。遵循“满足当前,适度超前、设计在前”育新理念,采取聚合式牵引带入、嵌入式锤炼升级增效和接力式积淀传承润泽,在超前设计培养、深耕细作培育、精心论证考评和周密保障措施上用心用力,不断提升遥测人才队伍能力素质水平。顺畅数据链、资源链、人才链搭建“通道”,建立内部无线学习网、移动学习终端和重点课程远程教学协助平台,实现智慧理念、前沿技术、先进设备的复合功效。加强实验室、教研室、育才室对外交流协作,创建学教、科研、会商服务“三位一体”平台,打造遥测系统功能软件化、硬件通用化、接口标准化和体系开放化产业新格局。充分论证遥测系统行业领域人员编制实力,按照任务需求、体系架构、专业岗位、任务类型等进行人才资源要素合理分配,既要保持人员“静态”在位数量满员,又要统筹流动岗位人员“动态”变化冗余补填。
4)注重融合共享,在整合保障资源上下功夫。探索实践多维一体、多家融合、多层接续等互通共享服务保障模式,不断整合保障资源,实现设备、技术、信息、数据互通互用、共享共用。构建“多维联通、多域供应、多点配发”联合保障体系,创新保障模式,开展动员编组、训练、保障编组作业,提升服务保障质量效能。建立使用和保障部门信息互通共享机制,加强问题沟通研判,顺畅接洽链路,确保精准供应、精细保障。加快信息共享、物资设备共用建设,注重人才融合、力量组合、技术结合,搞好针对性保障供应。做好气象水文预报、遥感测绘等保障力量吸纳引入,形成多元力量叠加效能,加快助推智能化遥测技术在航天领域普适应用。
4 结束语
采用SWOT分析法对影响遥测系统发展的优势、劣势、机遇和挑战进行综合分析,利用AHP对影响SWOT关键要素进行重要度赋权,进行四象限分析法策略优劣排序。结果表明,优势和机遇在遥测系统发展中影响程度较高。得出的最优发展战略为SO战略,即在遥测系统发展中要继续保持性能可靠稳定、软件化程度高、通信能力强和应用领域广等优势,充分利用国内外遥测技术加速发展之势,乘软件定义蓬勃兴起之风,不断在创新应用范式、固化生存能力、培育专业人才和整合保障资源上聚焦用力,有效解决遥测系统短板弱项,满足现实任务之需求,涌现更多优质服务功能。