衛(wèi)星在軌任務(wù)管理技術(shù)研究

白照廣 陸春玲 左莉華 朱軍 邸國(guó)棟 李志武 李永昌

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司， 北京 100094)

衛(wèi)星在軌管理一般由衛(wèi)星方、運(yùn)控方、測(cè)控方協(xié)同完成[1]。運(yùn)控方根據(jù)用戶的需求，統(tǒng)籌規(guī)劃生成衛(wèi)星的任務(wù)指令，發(fā)送給測(cè)控方。測(cè)控方通常有三大任務(wù)：①衛(wèi)星遙測(cè)監(jiān)視和異常處理；②例行的任務(wù)指令上注；③軌道與姿態(tài)的測(cè)量與控制[2]。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，在軌衛(wèi)星數(shù)量越來(lái)越多，衛(wèi)星方的任務(wù)在協(xié)同運(yùn)控方、測(cè)控方進(jìn)行有效載荷任務(wù)管理、衛(wèi)星健康管理和異常處理的基礎(chǔ)上[3]，越來(lái)越需要在衛(wèi)星的最大效能、新功能、新用途、多星協(xié)同等在軌應(yīng)用上創(chuàng)新，擴(kuò)展衛(wèi)星方的在軌管理工作內(nèi)涵。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，挖掘提升衛(wèi)星在軌的應(yīng)用價(jià)值，特別是不同種類國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星間的協(xié)同工作，更是在軌管理的新趨勢(shì)。

目前，在軌管理的研究主要涉及航天器在軌管理支持平臺(tái)建設(shè)[4]、航天器故障預(yù)測(cè)[5-6]、在軌健康管理[7]等方面，給出了航天器在軌管理、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估和決策的研究進(jìn)展，分享了導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行分析與管理經(jīng)驗(yàn)[1]。這些研究更多的是測(cè)控方、運(yùn)控方維護(hù)衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行所開(kāi)展的工作，而本文側(cè)重衛(wèi)星方在維護(hù)衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步開(kāi)展衛(wèi)星潛力挖掘，試驗(yàn)新功能、新用途及多項(xiàng)目衛(wèi)星協(xié)同所進(jìn)行的在軌任務(wù)管理技術(shù)研究。本文提出應(yīng)開(kāi)展在軌衛(wèi)星“再完善、再開(kāi)發(fā)、再利用、再設(shè)計(jì)”的“四再”工作，并以實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，希望能拓展衛(wèi)星在軌管理工作的新領(lǐng)域，提升衛(wèi)星在軌工作效能，形成衛(wèi)星設(shè)計(jì)與使用間的互動(dòng)，從而更好地促進(jìn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)水平的提升。

1 衛(wèi)星在軌管理概念與內(nèi)涵

衛(wèi)星發(fā)射入軌后，工作階段一般包括在軌測(cè)試、衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用、壽命末期管理3個(gè)階段。

(1)在軌測(cè)試，主要用于評(píng)判衛(wèi)星功能性能符合研制要求的能力，可再分為在軌工程測(cè)試和在軌業(yè)務(wù)測(cè)試2個(gè)子階段。在軌工程測(cè)試主要對(duì)衛(wèi)星各單機(jī)健康狀態(tài)、工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試或設(shè)定，對(duì)整星功能和性能進(jìn)行測(cè)試，評(píng)判衛(wèi)星具備支持業(yè)務(wù)任務(wù)的能力。在軌業(yè)務(wù)測(cè)試主要對(duì)衛(wèi)星的業(yè)務(wù)能力進(jìn)行測(cè)試，包括有效載荷性能確認(rèn)與精度評(píng)判、業(yè)務(wù)模式、運(yùn)行能力等測(cè)試[8]。

(2)衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用，主要是為業(yè)務(wù)部門或用戶提供服務(wù)。衛(wèi)星方需要做好服務(wù)保障，一般包括：按用戶要求進(jìn)行必要的業(yè)務(wù)模式調(diào)整；按軌道或壽命運(yùn)行情況進(jìn)行衛(wèi)星參數(shù)調(diào)整；根據(jù)故障發(fā)生情況進(jìn)行故障處理[2]。

(3)壽命末期管理，包括延壽應(yīng)用、退役及離軌管理。在延壽期間，由于衛(wèi)星功能的衰退，衛(wèi)星開(kāi)展業(yè)務(wù)工作時(shí)需要結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際工作能力，優(yōu)化衛(wèi)星的業(yè)務(wù)工作量。例如：電源發(fā)電能力在壽命末期會(huì)逐漸降低，這時(shí)就需要不斷優(yōu)化或縮短業(yè)務(wù)有效載荷工作時(shí)間；退役后的衛(wèi)星一般會(huì)降低地面測(cè)控跟蹤次數(shù)；離軌管理需要實(shí)施變軌操作，并對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行鈍化處理[9]。

通過(guò)多年來(lái)對(duì)多顆在軌衛(wèi)星管理工作的總結(jié)、分析，衛(wèi)星在軌測(cè)試后，雖然已經(jīng)將衛(wèi)星設(shè)置為正常運(yùn)行的最佳狀態(tài)，并作為在軌衛(wèi)星技術(shù)基線交付業(yè)務(wù)運(yùn)行管理部門，但是在軌衛(wèi)星仍然需要衛(wèi)星方的關(guān)注。一方面，需要保證衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行能力的穩(wěn)定；另一方面，需要通過(guò)在軌實(shí)際工作的考驗(yàn)[10]，不斷挖掘設(shè)計(jì)與使用的不足，完善衛(wèi)星的使用，促進(jìn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展。

衛(wèi)星方的在軌管理概念是廣義的，即在測(cè)控方、運(yùn)控方維護(hù)衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，由衛(wèi)星方開(kāi)展衛(wèi)星潛力挖掘、試驗(yàn)新功能、新用途及多項(xiàng)目衛(wèi)星協(xié)同等工作。其內(nèi)涵是在全壽命周期的遙測(cè)、遙控、業(yè)務(wù)應(yīng)用和異常處理等工作的基礎(chǔ)上，基于在軌衛(wèi)星的實(shí)際情況，開(kāi)展衛(wèi)星的“再完善、再開(kāi)發(fā)、再利用、再設(shè)計(jì)”等拓展工作，并按照衛(wèi)星在軌的工作進(jìn)程逐步實(shí)施。“再完善”主要是針對(duì)研制要求之內(nèi)，為了挖掘衛(wèi)星潛力或余量，以最大效能實(shí)施業(yè)務(wù)應(yīng)用；“再開(kāi)發(fā)”是針對(duì)研制要求之外，為驗(yàn)證或試驗(yàn)新的功能及多項(xiàng)目衛(wèi)星協(xié)同運(yùn)行能力而進(jìn)行的開(kāi)發(fā)；“再利用”是研究衛(wèi)星新的功能、新的用途；“再設(shè)計(jì)”是根據(jù)在軌衛(wèi)星應(yīng)用情況而改進(jìn)后續(xù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)、“舉一反三”、提升效能等。“四再”全面覆蓋了衛(wèi)星在軌管理工作，并且循序漸進(jìn)，如圖1所示。

圖1 在軌衛(wèi)星任務(wù)管理“四再”Fig.1 Four re-managements of on-orbit satellite mission management

在圖1中：“再完善”是為了更好地完成研制要求；“再開(kāi)發(fā)”是為了驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)技術(shù)；“再利用”是為了尋求新的用途；“再設(shè)計(jì)”是為了后續(xù)衛(wèi)星改進(jìn)設(shè)計(jì)。這樣可將在軌應(yīng)用、拓展及后續(xù)發(fā)展關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成研制、應(yīng)用、開(kāi)發(fā)的有機(jī)統(tǒng)一。

2 基于最大效能的“再完善”研究

2.1 “再完善”場(chǎng)景分析

“再完善”主要是針對(duì)研制要求之內(nèi)，為了挖掘衛(wèi)星潛力或余量，最大效能地實(shí)施業(yè)務(wù)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)在軌衛(wèi)星管理工作梳理，本文主要基于如下5個(gè)方面的情況，提出衛(wèi)星在軌的“再完善”措施。

(1)余量。衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)一般有一定余量或裕度，釋放出來(lái)有利于提升衛(wèi)星業(yè)務(wù)效能。例如：有效載荷工作時(shí)間可以根據(jù)整星能量平衡的實(shí)際情況，適當(dāng)延長(zhǎng)。

(2)冗余。設(shè)備單機(jī)一般都有冗余，往往只在主份有問(wèn)題時(shí)，才使用備份。目前，在軌小衛(wèi)星已應(yīng)用了主備交替使用策略，既不降低可靠性，又能監(jiān)測(cè)備份工作情況，甚至能提升任務(wù)效能。例如：固態(tài)存儲(chǔ)器主備份交替工作，可以使存儲(chǔ)數(shù)據(jù)獲取能力提高1倍。

(3)優(yōu)化。根據(jù)在軌實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，為提高衛(wèi)星任務(wù)效能或運(yùn)行可靠性，可提出優(yōu)化措施。例如：在表1中，根據(jù)實(shí)測(cè)的側(cè)擺機(jī)動(dòng)時(shí)間160 s,將側(cè)擺等待200 s的指令間隔縮短為160 s,提高任務(wù)響應(yīng)時(shí)效性。

(4)退化。衛(wèi)星狀態(tài)參數(shù)會(huì)隨著衛(wèi)星運(yùn)行發(fā)生變化或衰退，需要不斷調(diào)整衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)，使衛(wèi)星一直處于最佳工作狀態(tài)。

(5)非預(yù)期。衛(wèi)星運(yùn)行期間總會(huì)出現(xiàn)非預(yù)期事件，包括設(shè)計(jì)的不足及可能發(fā)生的故障，這些都需要及時(shí)對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 “再完善”實(shí)例

在軌衛(wèi)星挖掘余量、使用冗余、優(yōu)化模式、壽命維護(hù)、改進(jìn)非預(yù)期的典型實(shí)例，如表1所示。

表1 “再完善”實(shí)例Table 1 Re-improvement cases

3 基于新功能的“再開(kāi)發(fā)”研究

3.1 “再開(kāi)發(fā)”場(chǎng)景分析

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星方在軌任務(wù)管理工作梳理，主要基于如下3種場(chǎng)景提出“再開(kāi)發(fā)”。

(1)潛力挖掘。針對(duì)新的或未來(lái)的需求，可以利用衛(wèi)星的潛力開(kāi)發(fā)一些新的功能，特別是針對(duì)軟件的可維護(hù)性增加的任務(wù)功能。

(2)新技術(shù)演示。衛(wèi)星的性能需要滾動(dòng)提升，因此衛(wèi)星的設(shè)計(jì)總要有一些新的技術(shù)。其中，部分新技術(shù)在地面的驗(yàn)證條件總是難以完全與實(shí)際在軌環(huán)境等效，在軌驗(yàn)證就顯得十分必要。

(3)多星協(xié)同。隨著衛(wèi)星種類的增多及衛(wèi)星壽命的增加，不同種類的衛(wèi)星共同完成同一目標(biāo)的情況越來(lái)越多，如災(zāi)害情況下的多星協(xié)同遙感。但是，這些衛(wèi)星的有效載荷配置、軌道設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理都不會(huì)相同，因此需要調(diào)整任務(wù)計(jì)劃、改變?nèi)蝿?wù)參數(shù)，甚至調(diào)整衛(wèi)星的軌道，而上述調(diào)整必須在能力許可的情況下實(shí)施，因此需要開(kāi)展“再開(kāi)發(fā)”研究。

3.2 “再開(kāi)發(fā)”實(shí)例

基于潛力挖掘、新技術(shù)演示和多星協(xié)同的衛(wèi)星在軌“再開(kāi)發(fā)”實(shí)例，詳見(jiàn)表2。

表2 “再開(kāi)發(fā)”實(shí)例Table 2 Re-development cases

圖2 太陽(yáng)翼展開(kāi)及轉(zhuǎn)動(dòng)的在軌監(jiān)測(cè)圖像Fig.2 On-orbit monitoring image of solar array deployment and rotation

4 基于新用途探索的“再利用”研究

4.1 “再利用”場(chǎng)景分析

基于新用途探索的“再利用”場(chǎng)景，主要包括3個(gè)方面。

(1)已有功能，是指衛(wèi)星本身具備、無(wú)需更改就能實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星任務(wù)功能。它一般取決于用戶部門對(duì)衛(wèi)星任務(wù)能力認(rèn)識(shí)的提高或投入的增加。例如：捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射計(jì)(GNSS-R)能夠?qū)崿F(xiàn)海風(fēng)測(cè)量，也可以進(jìn)行土壤濕度等測(cè)量，這需要任務(wù)規(guī)劃、探測(cè)參數(shù)調(diào)整及應(yīng)用處理的配合。

(2)開(kāi)發(fā)的新功能，基于在軌“再開(kāi)發(fā)”實(shí)現(xiàn)的新功能開(kāi)展應(yīng)用。“再開(kāi)發(fā)”的功能應(yīng)是經(jīng)在軌驗(yàn)證成功的。例如，某衛(wèi)星在軌對(duì)月成像功能試驗(yàn)成功，推動(dòng)了對(duì)地遙感器的天基深空觀測(cè)新功能應(yīng)用。

(3)潛在功能及新用戶，針對(duì)用戶提出的新業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展研究與開(kāi)發(fā)工作。例如：捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星主要針對(duì)氣象部門提供海表風(fēng)場(chǎng)測(cè)量服務(wù)，隨著應(yīng)用的拓展，也可以為海洋部門提供海面有效波高、水位/潮位測(cè)量及洋流(流速)等服務(wù)。

4.2 “再利用”實(shí)例

表3是衛(wèi)星在軌基于已有功能、開(kāi)發(fā)的新功能和潛在功能的“再利用”實(shí)例。

表3 “再利用”實(shí)例Table 3 Re-use cases

5 基于后續(xù)衛(wèi)星的“再設(shè)計(jì)”研究

5.1 “再設(shè)計(jì)”場(chǎng)景分析

“再設(shè)計(jì)”主要針對(duì)在軌衛(wèi)星難以進(jìn)行設(shè)計(jì)更改、需要在后續(xù)衛(wèi)星研制中采取的新設(shè)計(jì)。經(jīng)分析，主要場(chǎng)景如下。

(1)可靠性增長(zhǎng)。在軌衛(wèi)星發(fā)生的問(wèn)題往往很難徹底解決，后續(xù)衛(wèi)星需要針對(duì)問(wèn)題情況開(kāi)展新的設(shè)計(jì)。這方面是“再設(shè)計(jì)”的主要工作。另外，衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，有時(shí)會(huì)暴露出不合理或有隱患的設(shè)計(jì)，往往很難在軌更正，需要在后續(xù)衛(wèi)星中重新設(shè)計(jì)[18]。

(2)好用易用。對(duì)衛(wèi)星在使用方面要求的表述一般不充分，特別是對(duì)新的用戶或新的衛(wèi)星項(xiàng)目，很難一步要求到位，衛(wèi)星設(shè)計(jì)自然也很難一步做到好用易用，這就需要總結(jié)在軌實(shí)際運(yùn)行效果，在后續(xù)衛(wèi)星中采取改進(jìn)設(shè)計(jì)。

(3)水平提升。通過(guò)總結(jié)在軌使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)師水平的提升和技術(shù)進(jìn)步，后續(xù)衛(wèi)星一般總會(huì)有一定的功能或性能的提升能力。

5.2 “再設(shè)計(jì)”實(shí)例

基于可靠性增長(zhǎng)、好用易用和水平提升的一些“再設(shè)計(jì)”實(shí)例，詳見(jiàn)表4。

表4 “再設(shè)計(jì)”實(shí)例Table 4 Re-design cases

6 幾點(diǎn)建議

綜上，為了進(jìn)一步規(guī)范衛(wèi)星方的在軌任務(wù)管理工作，提高衛(wèi)星在軌應(yīng)用價(jià)值，提出如下建議。

(1)將衛(wèi)星在軌任務(wù)管理當(dāng)作衛(wèi)星研制工作的一部分，特別對(duì)新研衛(wèi)星，應(yīng)提供必要的保障條件。

(2)系統(tǒng)研究衛(wèi)星在軌任務(wù)管理工作內(nèi)容，建立在軌工作規(guī)范，完善衛(wèi)星在軌管理組織職能。

(3)健全衛(wèi)星延壽、壽命末期管理、離軌等標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)衛(wèi)星的最終效能不但取決于衛(wèi)星，也取決于其使用及應(yīng)用，只有通過(guò)使用、應(yīng)用的深入接觸與迭代，才能更好地了解可用性需求，開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)。

(5)對(duì)月成像是實(shí)現(xiàn)地球軌道衛(wèi)星無(wú)場(chǎng)輻射定標(biāo)的趨勢(shì)，建議后續(xù)遙感衛(wèi)星增加天基對(duì)月成像功能；開(kāi)展天地同步對(duì)月觀測(cè)，并進(jìn)一步業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

(6)增強(qiáng)遙感衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計(jì)。將按相機(jī)視場(chǎng)進(jìn)行軌道回歸特性的設(shè)計(jì)改變?yōu)榘粗卦L要求設(shè)計(jì)；應(yīng)對(duì)軌道進(jìn)行規(guī)定和制度化管理，實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星的加入或擴(kuò)充；高分辨率衛(wèi)星應(yīng)增強(qiáng)姿態(tài)敏捷來(lái)提高衛(wèi)星重訪及與其他衛(wèi)星的協(xié)同觀測(cè)能力；衛(wèi)星有效載荷規(guī)模應(yīng)與數(shù)據(jù)傳輸能力、姿態(tài)敏捷能力相容，同時(shí)也要與其他衛(wèi)星有效載荷參數(shù)匹配，以適用于應(yīng)用數(shù)據(jù)融合需求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)總結(jié)、梳理衛(wèi)星方對(duì)多顆衛(wèi)星在軌任務(wù)管理經(jīng)驗(yàn)，提出了“再完善、再開(kāi)發(fā)、再利用、再設(shè)計(jì)”的“四再”在軌管理工作。通過(guò)挖掘衛(wèi)星潛力和余量，延長(zhǎng)有效載荷開(kāi)機(jī)時(shí)間等“再完善”措施，可最大效能地實(shí)施業(yè)務(wù)工作；“再開(kāi)發(fā)”試驗(yàn)了可視化遙測(cè)新功能及5顆衛(wèi)星重構(gòu)組網(wǎng)運(yùn)行能力；“再利用”拓展了衛(wèi)星對(duì)月定標(biāo)新功能、新用途的應(yīng)用；“再設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn)了星上自動(dòng)生成累計(jì)信息遙測(cè)等功能，可為后續(xù)衛(wèi)星提供改進(jìn)參考。在軌管理不僅僅是衛(wèi)星的在軌健康管理，還應(yīng)是衛(wèi)星的進(jìn)一步應(yīng)用、拓展及開(kāi)發(fā)。“四再”工作循序漸進(jìn)，全面覆蓋了衛(wèi)星方的在軌任務(wù)管理工作，并將在軌應(yīng)用、拓展及后續(xù)發(fā)展關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成研制、應(yīng)用、開(kāi)發(fā)的有機(jī)統(tǒng)一。通過(guò)進(jìn)一步規(guī)范衛(wèi)星在軌管理工作，能提升衛(wèi)星在軌工作效能，并且形成衛(wèi)星設(shè)計(jì)與使用間的互動(dòng)，以更好地促進(jìn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)水平的提升。