資源一號02D衛星控制分系統設計及在軌驗證

王勝剛 潘立鑫 劉捷 魏懿 程莉 楊曉龍 張恒 袁軍

(北京控制工程研究所，北京 100094)

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)是基于《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》和國務院批復的《陸海觀測衛星業務發展規劃(2011-2020年)》，開展建設的一顆業務衛星。該衛星用于接替超期服役的資源一號02C衛星，服務于環保、住建、交通、農業、林業、減災等行業[1]。

近些年，隨著衛星需求的不斷放大，對業務衛星的開發提出了新的要求。作為平臺服務核心分系統之一的控制分系統，怎么樣快速、經濟、實用地滿足研制要求，是值得探討的問題；同時，好用、易用、可靠也是衛星工程實現上追求的重要目標。資源一號02D衛星作為一顆業務衛星，要求采用“一步正樣”的研制模式，由于沒有初樣的驗證改錯過程，對設計、開發、測試提出了更高的要求。同時，相對于資源一號02C衛星，資源一號02D衛星對控制分系統的指標要求，如姿態測量精度、姿態控制精度及穩定度、衛星機動能力、壽命、可靠性等要求都有所提高，這些都導致控制分系統要進行相應的改進、提升。

本文圍繞“一步正樣”的研制要求，并結合資源一號02D衛星控制分系統的系統復雜度高、單機部件多、系統集成難度大的任務特點，提出了一種快速、經濟的控制分系統研制思路。為了使衛星在軌更好用，針對控制分系統制定了在軌故障預案和處理措施，保障衛星在軌安全可靠運行；為了使衛星在軌更易用，控制分系統采用一種小推力軌道控制方法，可簡化變軌操作流程，提高變軌精度。

1 控制分系統軟硬件設計及實現

1.1 控制分系統“一步正樣”設計思路

一般情況下，衛星設計和研制需要經歷模樣設計階段、初樣研制階段和正樣研制階段[2]。其中，初樣階段是驗證衛星設計的重要過程。在此研制階段，要對各個分系統的硬件、軟件、分系統之間的匹配性進行測試驗證，找出其中的問題，并在正樣中進行改正和再驗證。

“一步正樣”，在研制流程中去掉了初樣研制階段，硬件、軟件設計的時間減少，測試驗證的時間也減少，各環節都存在驗證不充分的風險。在資源一號02D衛星控制分系統的研制過程中，針對“一步正樣”的研制要求，對應“計劃、實施、檢查，行動”(PDCA)質量控制過程，采取如下措施控制風險，高質量地完成控制分系統的研制。

策劃階段(Plan)：首先，對控制分系統的指標進行詳細分析，并將這些指標與類似衛星進行對比，這些衛星包括基線衛星，還包括指標要求類似的其他衛星(如高分三號衛星)，找出各重要指標(如軌道類型、機動和姿態指標、壽命、可靠性等)的相同點和差異[3]；從類似衛星的硬件配置中找出適合使用的產品，確定控制分系統的硬件配置。原則上，盡量選擇經過飛行驗證的產品，減少單機產品自身軟件的修改，將必需的軟件更改都放在姿態、軌道和控制計算機(AOCC)軟件中進行，并控制更改的總量。

設計開發階段(Do)：將控制計算機軟件列為工作重點，在策劃的基礎上先期開展研制工作，保留和繼承原基線衛星軟件中與方案有關的部分，包括系統工作模式、故障診斷和處理等。針對硬件產品的驅動，則通過調整軟件中與硬件產品相關的取數和控制等接口，調整與外系統相關的接口模塊，盡快地開發出接口驗證版本。在正樣硬件產品生產的同時，利用控制器電性產品和控制系統模擬器，開展控制分系統軟件的接口版本的測試，驗證控制分系統內的接口匹配性。

檢查測試階段(Check)：在控制分系統內部接口都調通后，完成全功能軟件版本的開發和自測試，并在控制分系統正樣硬件產品環境下完成全功能軟件版本的測試，以及完成與控制分系統有直接接口的系統聯試，如與數管分系統、天線分系統、GPS分系統的聯合測試，提早發現并改正與其他分系統間的接口匹配問題，特別是硬件接口問題，避免將來整星正樣測試時出現測試問題，導致被動。

調整改正階段(Action)：在整個設計、研制、測試過程中，不斷地改正發現的問題，對控制分系統的控制計算機軟件進行迭代，直至發射在軌運行。

1.2 設計及實現

資源一號02D衛星控制分系統的研制按照上述思路進行。首先，對控制分系統的關鍵指標進行分析，與基線衛星及類似衛星進行對比。資源一號02D衛星與資源一號02C衛星及高分三號衛星的重要技術指標對比，如表1所示。

表1 控制分系統重要技術指標對比Table 1 Comparison of control subsystem important technical indexes

通過與資源一號02C衛星和高分三號衛星重要技術指標的對比可以發現：資源一號02D衛星相對于資源一號02C衛星的軌道未變，但技術指標均有提高，更接近高分三號衛星。因此，在軟、硬件設計上，資源一號02D衛星控制分系統充分借鑒這兩顆衛星的產品和經驗。

(1)硬件產品。敏感器中，太陽敏感器選擇與資源一號02C衛星完全一致的敏感器；紅外地球敏感器、慣性敏感器選擇繼承高分三號衛星；星敏感器在滿足指標的情況下，選擇經濟性更好的第4代分體式有源像素傳感器(APS)星敏感器。控制器上，選擇繼承高分三號衛星的3U配置，即中心控制單元、信息采集單元、驅動控制單元。執行機構中，動量輪選擇配置5個動量輪，產品類型與高分三號衛星一致，安裝使用上仍然沿用資源一號02C衛星的方式，3正交+2斜裝；磁力矩器為3根磁棒，完全繼承資源一號02C衛星，推進系統的配套選擇繼承資源一號02C衛星，改變部分推力器的安裝和使用方式；太陽翼驅動機構和線路的選擇繼承資源一號02C衛星，其中太陽翼驅動線路盒為了配合控制器，總線形式改為1553B總線。控制分系統的硬件配置繼承性參見表2。

表2 控制分系統硬件繼承性Table 2 Control subsystem hardware and its inheritance

(2)軟件配置中，除了控制計算機軟件外的其他軟件，均為I、II類繼承軟件[4]，是完全不需要修改或者僅修改參數的軟件；在控制計算機的軟件中，方案相關的部分，如工作模式及轉換、故障診斷及處理，繼承自資源一號02C衛星，其他接口部分(包括控制分系統內接口和外接口)則根據選用產品的繼承性，選擇繼承的衛星。

軟、硬件的繼承性控制，減少了開發過程中更改的總量，降低了出錯的可能。在測試中，完成控制分系統內接口、外接口、系統功能的各級驗證，對發現的問題和其他衛星“舉一反三”的問題進行閉環。通過上述舉措，資源一號02D衛星控制分系統完成了“一步正樣”的研制，保證了研制進度和質量。

2 在軌故障預案及處理措施

作為業務衛星，為了保障衛星在軌安全可靠運行，盡量較少人員的干預，除了提高衛星在軌故障自診斷、自恢復的能力之外，還要制定完備的故障預案，方便操作人員在第一時間進行故障處理。

資源一號02D衛星故障處置的原則為：在確保衛星安全的前提下，最大可能減少對任務的影響。緊急、重大故障時要優先保電源，爭取更多的時間研究和實施拯救對策；在故障原因一時不能查明時，要使衛星處于安全工作模式，并按照保電源的原則關閉部分設備；對于有備份冗余的設備，衛星上盡可能在識別到故障后自主或者由地面設置，使用備份設備，確保任務不受影響。

資源一號02D衛星控制分系統按照《Q/QJA 542-2018航天器在軌故障預案編寫要求》[5]的規定，結合衛星飛行程序，在衛星出廠前制定了在軌故障預案，對在軌可能發生的各種故障模式、影響及危害進行分析(FMECA)，形成故障模式清單，并進行層級劃分，如設備級、分系統級、系統級(整星級)；同時，根據故障發生的概率和危害程度[6]進行區分，根據不同發生概率分為A(頻繁)、B(很可能)、C(偶然)、D(很少)、E(極少)5個等級，根據危害程度分為I類(災難性的)、II類(嚴重的)、III類(一般的)、IV類(輕微的)4個等級。最終，控制分系統共形成故障預案卡36項，建立故障卡索引，涵蓋了重要單機的故障模式(如敏感器故障、執行機構故障、控制器異常)，分系統級的故障模式(如總線故障、進入安全模式故障)，也包含不同在軌階段的故障，如分離姿態異常、軌道控制異常等。對于故障預案卡中的指令，均在地面進行了驗證，確保在軌一旦發生預想的故障，能夠按照預案卡上的指令進行處理。

3 小推力軌道維持方法及實現

為了提高資源一號02D衛星的易用性，針對資源一號02C衛星在軌使用中測控人員的痛點，控制分系統在資源一號02C衛星變軌策略的基礎上進行了改進。太陽同步軌道衛星由于受到大氣阻力的影響，軌道高度將不斷下降，這是軌道半長軸衰變的結果。由此引起的軌道周期的縮短使得地面軌跡的位置向東漂移，軌跡的重復性受到破壞，衛星要進行周期性的軌跡保持[7]。資源一號02C衛星大約每兩個月進行一次軌道調節，速度增量在0.02～0.03 m/s，使用2個1 N推力器變軌，軌道控制時長為20～30 s。軌道控制時，姿態控制推力器進行姿態調整，控制軌道控制對姿態的干擾，使用的在軌操作流程為：第n圈，注入數據塊，切除偏流角，注入變軌數據塊(地面操作)；第n+1圈，變軌(星上自主操作)；第n+2圈，注入目標軌道塊，注入數據塊，重新引入星敏感器確定姿態(地面操作)。軌道控制前后均要進行地面干預，每次軌道維持都需要至少3個軌道圈次，每個軌道圈100 min左右，時間拖得比較長，特別是隨著在軌衛星的增多，測控人員都是一個人管數顆衛星，測控壓力大。資源一號02D衛星在軌道維持操作上進行了優化，采用基于輪控模式的軌道控制方法[8]。軌道維持時，控制分系統仍然處于正常模式，陀螺+星敏感器確定姿態方式下，由動量輪吸收變軌的干擾力矩；變軌結束后，由磁力矩器進行卸載，慢慢將動量輪吸收的干擾卸載掉，使動量輪轉速回到標稱轉速附近。其操作流程簡化為：第n圈，注入變軌數據塊，星上確認變軌數據塊有效時，自主切除偏流角(地面操作)；第n+1圈，變軌(星上自主操作)；地面操作簡化為軌控前操作一次，圈次減少，減輕了測控人員的壓力和負擔，提高了效率和可靠性。資源一號02C衛星進行軌道控制時，使用姿態控制推力器進行姿態調整，由于推力器不嚴格過質心而在3軸上都可能產生干擾力矩，姿態會偏向一個方向；而在資源一號02D衛星中采用正常模式1 N變軌后，動量輪可以實時吸收軌道控制對姿態的干擾，姿態始終保持正常運行時的零姿態，軌道維持的精度相對提高。

4 在軌驗證

資源一號02D衛星入軌后，完成了狀態建立和在軌測試，控制分系統長期處于正常模式——陀螺+星敏感器確定姿態方式。控制分系統工作穩定，軟、硬件工作正常，相關指標均滿足要求，為有效載荷任務的圓滿完成提供了非常有利的條件。

圖1和圖2是資源一號02D衛星某圈過境的姿態角估值和姿態角速度估值曲線，衛星長期是引入偏流角修正的，圖上也附有實時的偏流角理論值和偏流角速度理論值。可以看出：衛星3軸的控制精度優于0.005°(3σ)，3軸穩定度優于0.000 4(°)/s(3σ)，控制分系統的表現優于指標要求，控制分系統的整個設計驗證過程，滿足了衛星“一步正樣”、指標提升的要求。

圖1 正常運行姿態角估值曲線Fig.1 Attitude angle trajectory under normal operation

圖2 正常運行姿態角速度估值曲線Fig.2 Attitude angular velocity trajectory under normal operation

5 結束語

資源一號02D衛星作為資源一號02C衛星的后繼業務衛星，在控制分系統的研制過程中，合理繼承，優化軟、硬件設計，保證采用“一步正樣”研制流程的整個分系統的可靠性；根據FMECA結果，制定完備的故障預案，并通過地面測試驗證每個故障處理策略，以確保在軌發生故障時能夠及時按照預案對在軌故障進行處置；通過改進軌道控制方法，優化地面操作，切實減少操作人員負擔。上述措施對其他業務衛星的研制與在軌管理均有一定的借鑒意義。