航天器在軌測試方法標準建設思路與實踐

李國強 徐啟

（1 北京跟蹤與通信技術研究所， 北京， 100094；2 中國航空綜合技術研究所， 北京， 100028）

在軌測試是航天器交付用戶前的最后一個環節， 也是航天器驗收最重要的環節。 通過在軌測試可全面獲取航天器在經歷發射直至入軌以后各種工作狀態下的功能和性能指標參數。 相關測試數據一方面用于確認航天器的功能、 性能是否滿足研制要求； 另一方面用于確認航天器與測控系統、 運控系統、 應用系統的接口協調性和匹配性， 進而確定航天器是否具備在軌執行任務的能力、 是否具備交付用戶的條件。 經過多年的探索和實踐， 我國已經在航天器在軌測試領域形成了一套成熟的運行機制和工作方法。 及時將工作經驗和技術成果總結歸納形成標準， 對于規范、 高效、 準確、 安全可靠地開展后續航天器在軌測試工作具有重要意義。

1 國內標準現狀

航天器在軌測試屬于實操性很強的工作， 我們目前未檢索到國外相關標準。 國內目前與航天器在軌測試相關的標準共28 份， 涉及國家標準、國家軍用標準、 航天行業標準等。 通過分析， 現有28 份標準呈現出如下特點。

a） 現有標準主要以測試方法類為主， 側重于航天器在軌測試工作的具體實施。 但這些標準的劃分維度不統一， 標準化對象及技術內容存在部分交叉的情況。 其中， 有的標準是針對整星，如： GJB 9098 《航天器在軌測試方法》 系列標準； 有的標準是針對某一類衛星平臺， 如： GJB 5831A—2019 《 地球同步衛星平臺在軌測試規程》； 有的標準是針對某一類有效載荷， 如：GJB 9348—2018 《中繼衛星有效載荷在軌測試方法》； 有的標準甚至只針對有效載荷的某一個測試項目， 如： QJ 20613—2016 《陸地觀測衛星原始數據誤碼率在軌測試方法》。

b） 現有標準主要針對通信衛星、 導航衛星、遙感衛星、 載人航天器等主流航天器， 但具體到每一類航天器， 其覆蓋面、 適用范圍又不盡統一。 其中， 通信衛星標準只針對基于透明轉發、基于傳統衛星固定業務和衛星廣播業務頻段的通信衛星， 缺少針對高通量通信衛星、 移動通信衛星等新型通信衛星的內容。 導航衛星標準基于北斗二號制定， 除了單顆衛星的在軌測試， 還涉及星間鏈路在軌測試的相關內容。 遙感衛星標準劃分較細， 從載荷類型來看覆蓋了目前主流的光學遙感器和微波遙感器， 從用途來看覆蓋了資源探測、 測繪等主要應用領域。 載人航天器標準相對完善， 覆蓋了載人飛船、 空間站、 貨運飛船。

我國航天事業正經歷著前所未有的快速發展。 隨著新技術新體制新方法的不斷進步和應用， 應及時對現有航天器在軌測試方法標準進行補充、 修訂和完善， 以保證標準的先進性、 適用性和可操作性。

2 標準建設思路

航天器在軌測試是航天器全生命周期大系統綜合測試的重要組成部分， 也是對航天器功能和性能指標進行評定的重要手段。 航天器在軌測試需要對系統測試狀態、 測試過程、 測試覆蓋性、測試結果有效性等進行全面分析與評估， 僅靠簡單地繼承和借鑒其他型號經驗、 多次重復測試是遠遠不能滿足要求的， 需要通過標準對在軌測試工作的方方面面進行規范和引導。 而之前出版發布的關于航天器在軌測試的各級標準存在定位不盡清晰、 技術內容不夠全面、 技術要求零散且交叉重復等問題， 對科學開展在軌測試工作的支撐力度不夠， 不能完全滿足任務需求。 因此亟需在總結以往航天器在軌測試工作經驗的基礎上加以總結和提煉， 針對在軌測試工作開展過程中存在的實際問題， 同時結合各類航天器在軌測試的發展趨勢以及未來航天任務的新特點和新要求， 建立一套系統全面、 科學合理的航天器在軌測試標準。

針對上述問題， 航天器研制應用主管部門對航天器在軌測試標準進行了系統的論證和規劃，確定了如下建設思路： 一是鑒于航天器種類較多，不同類型的航天器由于運行軌道不同、 執行任務不同， 在測試項目和測試方法上存在較大差異，因此需要針對每一類航天器分別制定在軌測試標準。 二是航天器在軌測試是一項復雜的工作， 涉及面廣， 為了保證廣泛的適用性， 標準需要覆蓋在軌測試的所有技術內容。 同時為了方便技術人員使用標準， 不能把工作內容拆解過細， 應該把在軌測試做成 “大” 標準， 即將針對一類航天器在軌測試的所有技術內容整合在一份標準里。

經過多輪討論和迭代， 規劃確定了編制建設航天器在軌測試方法系列標準的方案， 針對不同類型的航天器， 該系列標準劃分為通信衛星、 導航定位衛星、 氣象衛星、 地球資源衛星、 測繪衛星、 深空探測衛星、 載人飛船、 貨運飛船、 空間站、 星座等12 個部分。

3 標準建設實踐

自2012 年起， 根據各類航天器在軌測試技術狀態及需求， 結合年度技術基礎計劃論證， 中國空間技術研究院等航天器研制單位聯合各類航天器用戶分批次開展了該系列標準的制訂， 《航天器在軌測試方法 第1 部分： 通信衛星》 《航天器在軌測試方法 第2 部分： 導航定位衛星》《航天器在軌測試方法 第9 部分： 載人飛船》 等7 項， 迄今均已完成編制。 其中 《航天器在軌測試方法 第2 部分： 導航定位衛星》 《航天器在軌測試方法 第9 部分： 載人飛船》 等4 項已于2017 年正式頒布； 其余3 項也已處于報批階段。

為保證系列標準之間在框架結構、 名詞術語、 表述方式、 技術內容顆粒度等方面的協調統一， 在標準正式啟動編制前， 主辦部門組織各編制組就標準的編寫模式進行了集中研討。 經過相關專家的共同討論， 設計確定了該系列標準的編寫 “模板”， 就標準框架結構統一劃分為測試依據、 測試原則、 測試條件和時機、 測試系統、 測試項目、 測試方法、 測試報告等10 個章節。

其中 “測試原則” 對在軌測試應遵循的一般原則進行了總結， 包括： 先進行衛星平臺測試，后進行有效載荷測試； 除衛星正常運行所使用的工作狀態和工作模式外， 不再另行安排特殊條件下的測試； 不進行余量或適應性試驗， 也不安排可能影響衛星可靠性、 安全性的特殊試驗項目；衛星入軌過程中已驗證的衛星功能、 性能指標不再重復測試等。 “測試項目” 和 “測試方法” 是編寫的重點。 對于規定的每一個測試項目， 一方面說明其類型是衛星平臺測試、 有效載荷測試，或是星地一體化指標測試； 另一方面還要說明其屬性是必測項目， 或是選測項目。 在描述測試方法時， 對于功能檢查類項目， 需要規定測試條件和主要設置， 落腳點應是檢查某項功能； 對于性能指標考核類項目， 應從測試原理、 測試框圖、測試步驟、 數據處理4 個方面進行詳細規定， 落腳點應是獲得某項具體指標。 在標準編制過程中， 各編制組還不定期地組織了多輪討論， 就測試原則的表述方式、 平臺測試項目的命名方式等共性技術內容進行協調統一。

4 部分標準的主要內容

對GJB 9098 航天器在軌測試方法系列標準中已完成編制和頒布的部分， 以下遴選有代表性的通信衛星、 導航定位衛星、 測繪衛星、 載人飛船和空間站等， 分別就其標準適用范圍、 主要內容及確定依據等作簡要介紹。

4.1 通信衛星

通信衛星作為最早投入應用的衛星類型， 發展最為成熟。 通信衛星的有效載荷由兩部分組成： 轉發器和通信天線， 其中轉發器可分為處理轉發器和透明轉發器。 由于不同的處理轉發器在功能、 性能指標及測試方法等方面均差異較大，不具備進行統一規范的條件， 因此標準中關于有效載荷的內容主要針對透明轉發器， 測試項目包括等效全向輻射功率 （EIRP）、 接收品質因數（G/T）、 幅頻特性、 群時延特性、 天線 方向圖等。 對于處理轉發器僅給出了測試項目， 對具體的測試方法未作明確規定， 建議按用戶要求進行測試。 另外， 由于不同通信衛星的用途不同， 在軌要求差異較大， 為保證標準的通用性， 對測試過程中相關參數的取值未做強制要求， 僅給出了推薦值供參考， 具體實施時應按在軌測試大綱和在軌測試細則中的要求執行。

4.2 導航定位衛星

導航定位衛星部分的制定以已建成的北斗二號區域導航衛星的測試項目為基礎， 也包含了后續備份補網衛星所涉及的測試項目， 同時還涉及北斗二號全球導航衛星可能涉及的測試項目， 因此其技術內容如星間鏈路部分具有一定的前瞻性。 關于測距精度的測試方法選擇， 由于星地時間比對載荷和星間鏈路的測距精度是由測距隨機誤差和通道時延不確定度兩部分構成， 衛星實際在軌工作后， 衛星上行測距值和星座構型隨衛星運動會產生相應變化， 難以定量給出通道時延不確定度。 因此標準中采用雙通道接收地面同一信號源發射信號進行測距， 通過測得的測距隨機誤差來評定星地時間比對載荷和星間鏈路的測距精度。

4.3 測繪衛星

測繪衛星的種類較多， 按照有效載荷可分為光學測繪衛星、 微波測繪衛星、 重力測繪衛星以及磁力測繪衛星等多種類型。 其中光學測繪衛星已在軌應用多年， 按照數據傳輸的方式可分為返回式和傳輸型， 其中傳輸型測繪衛星是目前的主流模式， 早期的返回式測繪衛星已退出歷史舞臺。 因此本標準聚焦于傳輸型光學測繪衛星的在軌測試。 因目標定位精度、 輻射定標精度、 在軌標定精度、 數傳系統誤碼率等測試項目不僅與星上有效載荷性能相關， 還與地面應用系統關系密切， 屬于星地一體化指標， 因此標準對測試項目分類進行了優化， 新增了星地一體化指標這一類別。 另外， 考慮到相對于其他類型遙感衛星， 測繪衛星具有對幾何特性、 定位精度有更高要求的特點， 標準將定位精度進一步細化為絕對定位精度和相對定位精度， 同時還增加了攝影測量參數幾何定標等測試項目。

4.4 載人飛船

載人飛船的任務特點與衛星存在較大差異，一是載人飛船的任務為完成交會對接并安全返回， 沒有交付用戶的概念； 二是載人飛船飛行全過程均為任務階段， 沒有專門的在軌測試階段。載人飛船的在軌測試目的在于提前驗證關鍵功能、 性能正常， 確保可靠完成3 項任務： 交會對接、 停靠和返回。 由于載人飛船一撤離就進入返回準備狀態， 撤離后沒有專門的時間進行返回測試， 返回任務的在軌測試項目也在停靠階段進行， 因此停靠階段的在軌測試需要全面覆蓋飛船的關鍵功能與性能， 包括信息管理、 姿態與軌道控制、 能源管理、 人機環境和交會測量等。 而交會對接階段的在軌測試則只針對交會測量設備、空空通信設備、 執行機構等關鍵設備。

4.5 空間站

空間站屬于長期在軌自主飛行、 長期有人照料的空間飛行器， 在軌飛行過程中長期處于長管模式的自主運行階段， 需要利用在軌測試對平臺功能進行檢查； 同時， 空間站需要支持交會對接、 航天員出艙等專項任務， 在執行任務前需要對相應功能進行在軌測試， 以確保順利開展后續任務。 空間站的在軌測試適用于空間站系統的各個艙段 （包括核心艙、 實驗艙等） 及其組合體，涉及空間站控制與推進、 能源、 信息、 艙體結構、 熱管理、 載人環境、 交會對接、 組裝建造、出艙活動支持、 空間應用支持等分系統及功能。相比于衛星， 空間站有效載荷的種類繁多， 且處于動態變化中， 因此標準未規定有效載荷的測試項目。 但考慮到空間站后續將裝載大量應用載荷， 為保證空間站與應用載荷的兼容性， 標準中對空間站與應用載荷支持接口的測試進行了規定。

航天器在軌測試方法標準不僅規定了航天器在軌測試的指標體系和對應的檢驗方法， 同時還規定了各大系統間的工作界面和任務分工，在實際工作中具有重要的作用， 是制定航天器在軌測試大綱、 在軌測試細則等操作文件的重要依據。 航天器在軌測試的測試項目較多， 航天器在軌測試方法標準確定了測試項目的基線，明確了哪些測試項目是必測項， 哪些是選測項，哪些是不測項， 可有效保障航天器在軌測試的底線和降低在軌測試的風險， 從而在保證航天器安全性和可靠性的前提下， 最大限度獲得航天器在軌狀態下的性能指標數據。 航天器的種類較多， 即使是同一類衛星， 由于執行的任務不同， 在軌測試的具體實施也存在較大差異，對于某一個測試項目可能存在多種測試方法，不同的測試方法又有其對應的使用場景。 航天器在軌測試方法標準明確了各測試項目對應測試方法的選用原則， 可以保證測試數據的有效性和準確性， 有利于對航天器在軌測試結果進行有效分析和準確評價。