航天系統(tǒng)工程中的操作概念

柴建國（北京跟蹤與通信技術研究所）

操作概念是在一個系統(tǒng)的設計之初對系統(tǒng)中所用到的所有操作及其之間的接口關系進行定義的文件，該文件有三個作用：通過這個定義可以向客戶說明其設計的系統(tǒng)能夠達到的期望結果；作為系統(tǒng)頂層定義文件，指導系統(tǒng)設計；系統(tǒng)的下層操作文件基于操作概念進行編寫。在大型系統(tǒng)工程項目中，操作概念文件的編寫是非常重要的，有利于指導項目的設計人員圍繞項目的頂層目標進行系統(tǒng)設計。本文基于遙感衛(wèi)星項目介紹航天系統(tǒng)工程中的操作概念。

1 引言

在大型系統(tǒng)工程項目中，操作概念文件的編寫是非常重要的，有利于指導項目的設計人員圍繞項目的頂層目標進行系統(tǒng)設計。

在操作概念的指導下，設計人員要編寫詳細的系統(tǒng)操作程序，包括系統(tǒng)出現(xiàn)故障后如何進行應急處理的操作程序。在系統(tǒng)出現(xiàn)預測中的故障的時候，操作人員只要按照相關的操作程序進行處理就可以了，不需要把許多技術人員臨時召集起來進行分析討論。

操作概念是對系統(tǒng)中相關操作的頂層定義，因此首先要對系統(tǒng)的頂層目標進行定義，比如對于一個遙感衛(wèi)星項目，系統(tǒng)的目標包括以下幾個方面：

1）給未來客戶提供遙感圖像產品；

2）要提供一顆遙感衛(wèi)星；

3）要提供一個數(shù)據(jù)接收站來接收衛(wèi)星下傳的遙感數(shù)據(jù)；

4）要提供一個數(shù)據(jù)處理中心，處理遙感數(shù)據(jù)生成圖像產品；

5）要提供一個任務中心來管理和協(xié)調客戶的需求和產品獲得及提供；

6）要提供一個衛(wèi)星控制中心來管理控制衛(wèi)星；

7）要提供測控站對衛(wèi)星進行測控；

8）其他功能備份設施。

系統(tǒng)的目標確定之后，系統(tǒng)中應該包括的功能劃分及分系統(tǒng)就可以明確了，各分系統(tǒng)之間的接口關系也可以明確下來。

操作概念所包括的時間跨度跨越整個項目的壽命期，從項目開始研制到項目的壽命結束，包括了在系統(tǒng)整個壽命周期中所有的操作事件。對于一個遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，其操作事件可以劃分成以下幾個階段：

1）衛(wèi)星發(fā)射之前；

2）發(fā)射及早期軌道階段；

3）系統(tǒng)現(xiàn)場功能測試及開通階段；

4）系統(tǒng)運行階段；

5）衛(wèi)星離軌。

2 衛(wèi)星發(fā)射之前的操作事件

衛(wèi)星發(fā)射之前的操作包括了從項目合同簽訂后到衛(wèi)星發(fā)射之前這個階段的所有操作事件，這些事件主要由項目承包商負責完成，用戶負責參與及監(jiān)督。其操作包括：

1）研制一顆遙感衛(wèi)星；

2）研制衛(wèi)星測控系統(tǒng)；

3）研制衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)；

4）研制火箭；

5）發(fā)射場工作準備；

6）衛(wèi)星測控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝測試；

7）數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)現(xiàn)場安裝測試；

8）整個地面系統(tǒng)的調試測試；

9）發(fā)射前對接測試；

10）發(fā)射前測控系統(tǒng)演練。

在這個階段用戶需要參與的操作事件包括：

1）衛(wèi)星及地面設備研制過程中的一些關鍵的評審；

2）衛(wèi)星研制過程中一些關鍵測試；

3）地面設備研制過程中的一些關鍵測試；

4）系統(tǒng)操作培訓；

5）合同中規(guī)定的其他操作事件。

3 發(fā)射及早期軌道階段的操作事件

這個階段從發(fā)射倒計時開始，包括發(fā)射和主動段、軌道注入、星箭分離、衛(wèi)星變軌及到達最終軌道。期間兩個控制中心將參與控制工作，發(fā)射場衛(wèi)星控制中心及早期軌道段衛(wèi)星控制中心。期間還要完成衛(wèi)星平臺的在軌測試，由衛(wèi)星制造商負責完成。

衛(wèi)星控制中心負責接收遙測并對衛(wèi)星狀態(tài)進行監(jiān)視，在星箭分離之后還要監(jiān)視衛(wèi)星的太陽能帆板展開和衛(wèi)星天線展開。同時還要對衛(wèi)星進行軌道測試并完成預定的軌道機動控制操作。

用戶的地面測控系統(tǒng)也將參與對衛(wèi)星的跟蹤及接收遙測，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)也將跟蹤衛(wèi)星并接收數(shù)據(jù)。

用戶的操作人員負責對地面設備進行操作，承包商的技術人員負責現(xiàn)場技術支持。

這個階段對衛(wèi)星的控制在早期軌道段衛(wèi)星控制中心進行，用戶的控制中心只能進行跟蹤及接收遙測，不能對衛(wèi)星進行控制。在這個階段完成時，對衛(wèi)星的控制從早期軌道段衛(wèi)星控制中心轉移到用戶的地面測控中心。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場測試及開通階段的操作事件

這個階段從早期軌道階段結束到系統(tǒng)正式開始使用。主要操作事件包括系統(tǒng)端到端測試及遙感圖像校準。端到端測試由任務中心發(fā)起，衛(wèi)星和測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)參加。圖像校準包括輻射校準和幾何校準。

這個階段系統(tǒng)操作由用戶操作人員負責，承包商人員負責技術支持及數(shù)據(jù)分析和部分關鍵操作。對衛(wèi)星的所有控制操作都必須經過衛(wèi)星制造商書面批準，所有的操作都必須按照操作文件及培訓給出的操作步驟進行。

5 系統(tǒng)運行階段的操作事件

這個階段占據(jù)了整個衛(wèi)星壽命期間，也是系統(tǒng)主要的操作階段，是給潛在客戶提供正式服務的階段。主要操作集中在保障衛(wèi)星安全、保障系統(tǒng)正常運行和為客戶提供圖像產品上。主要操作事件包括：

1）日常操作；

2）緊急任務操作；

3）校準操作；

4）衛(wèi)星軌道維持；

5）衛(wèi)星碰撞規(guī)避；

6）打補丁和應急操作。

日常操作

日常操作包括以下幾個操作場景：

1）接到客戶圖像需求，圖像中心操作人員查看存儲的圖像，如果有滿足客戶的圖像產品，則直接把存儲的產品提供給客戶；

2）接到客戶圖像需求，圖像中心操作人員查看存儲的圖像，如果沒有滿足客戶要求的圖像產品，則任務中心安排計劃完成圖像拍攝和產品生產；

3）沒有客戶需求，任務中心可以根據(jù)對市場的預估安排拍攝計劃，生產部分產品以滿足未來客戶需求。

產品生產操作流程：

1）衛(wèi)星控制中心根據(jù)測控系統(tǒng)對衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星軌道；

2）衛(wèi)星控制中心把衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)送到任務中心；

3）任務中心根據(jù)衛(wèi)星軌道及客戶需求安排拍攝任務計劃；

4）任務中心把拍攝計劃發(fā)到衛(wèi)星控制中心；

5）衛(wèi)星控制中心對拍攝計劃進行檢查，確認計劃可以執(zhí)行；

6）衛(wèi)星控制中心根據(jù)任務計劃生成衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)塊；

7）衛(wèi)星控制中心把控制數(shù)據(jù)塊上注到衛(wèi)星；

8）衛(wèi)星根據(jù)指令完成拍攝，并下傳圖像數(shù)據(jù)；

9）數(shù)據(jù)處理中心對收到的數(shù)據(jù)進行處理生成產品；

10）把產品提供給客戶。

遙感衛(wèi)星每天過境可見弧段為4～5軌，一軌最長703s，最短51s。對于方位俯仰座架天線，在衛(wèi)星仰角高于83°的時候，天線將自動由自跟蹤轉到程序引導，低于83°時再轉到自跟蹤。

在上午衛(wèi)星第一次過境時，控制中心將把地面計算的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)上注到衛(wèi)星。

任務計劃生成：第二天的任務計劃在任務中心收到衛(wèi)星控制中心發(fā)來的軌道數(shù)據(jù)后生成，然后在當天晚上第一軌過境之前任務中心把計劃發(fā)給衛(wèi)星控制中心，衛(wèi)星控制中心把生成的控制數(shù)據(jù)塊在晚上第一軌過境時發(fā)到衛(wèi)星上。

緊急任務操作

緊急任務主要是指任務中心接到一個緊急的拍攝任務，需要把這個任務插入到已經計劃好的任務之前。緊急任務操作流程如下：

1）任務中心在接到一個緊急任務后，首先需要計算這個任務的優(yōu)先級別，優(yōu)先級別和客戶的優(yōu)先級以及任務的緊急程度有關。如果不能接受該緊急程度，則拒絕任務，如果可以接受其緊急程度，則需要修改前面的任務計劃；

2）任務中心修改任務計劃；

3）修改后的任務計劃必須要在前一個計劃被上注到衛(wèi)星前15分鐘發(fā)送到衛(wèi)星控制中心；

4）衛(wèi)星控制中心在上注第二天計劃之前收到新的計劃，則將用新的計劃代替原來的計劃；

5）已經上注的計劃在沒有開始執(zhí)行之前可以被檫除，用新的計劃代替舊的計劃。已經開始執(zhí)行的計劃不能被檫除。

校準操作

衛(wèi)星圖像校準包括幾何校準和輻射校準。

幾何校準主要有兩個目的：

1）校準相機方向與衛(wèi)星跟蹤方向之間的角度；

2）校準相機安裝位置和衛(wèi)星軸線之間的角度。

輻射校準主要有以下幾個目的：

1）相對校準；

2）絕對校準；

3）條帶校準；

4）多時段校準。

衛(wèi)星軌道維持

軌道分析計算軟件對衛(wèi)星軌道進行計算分析。如果發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星軌道偏離超過一定范圍，則利用控制軟件制定控制策略，對衛(wèi)星進行軌道控制機動?？刂浦行脑谶M行軌道維護之前應通知任務中心，在這段時間不能進行任務拍攝。完成軌道機動后，把新的軌道數(shù)據(jù)上注到衛(wèi)星。

衛(wèi)星碰撞規(guī)避

對于低軌衛(wèi)星，由于相同軌道高度上的衛(wèi)星比較多，衛(wèi)星之間碰撞的風險還是比較大的，我們的用戶也都一直在提出這個問題。如何才能躲避碰撞，保障衛(wèi)星安全，是一直在研究討論的問題。實際上到目前為止，真正發(fā)射碰撞的事件并不多，因此國際上并沒有形成一套完善的標準做法。一般都由衛(wèi)星用戶或制造商進行關注并在緊急時刻采取一定的規(guī)避措施。

對于我們整星出口項目中的衛(wèi)星，我們原先設想的策略是由用戶提供衛(wèi)星當前軌道位置，我方負責計算潛在的碰撞風險并通知用戶，再由用戶給出衛(wèi)星機動策略，由我方確認用戶給出的策略，最后由用戶實施衛(wèi)星機動。但后來發(fā)現(xiàn)這個策略有缺陷，主要是用戶沒有足夠的能力提出衛(wèi)星機動策略。新的策略還在討論中。

給衛(wèi)星打補丁

當衛(wèi)星軟件需要升級的時候，按照如下流程操作。

1）衛(wèi)星制造商提出打補丁申請；

2）任務中心停止任務計劃；

3）衛(wèi)星控制中心生產補丁數(shù)據(jù)塊，在下一圈衛(wèi)星過境時上注到衛(wèi)星；

4）衛(wèi)星制造商通過遙測確認打補丁的效果；

5）衛(wèi)星回歸正常工作模式，任務中心開始新的任務計劃。

應急操作

這里是指當衛(wèi)星出現(xiàn)故障或衛(wèi)星進入緊急模式，地面操作人員需要進行相關操作使衛(wèi)星恢復正常。

1）當衛(wèi)星出現(xiàn)故障或進入緊急模式后，用戶第一時間需要通知衛(wèi)星制造商；

2）控制中心停止向衛(wèi)星上注數(shù)據(jù)；

3）任務中心停止規(guī)劃新的任務；

4）由衛(wèi)星制造商根據(jù)需要提供新的遙控命令；

5）控制中心上注新的控制命令；

6）衛(wèi)星制造商根據(jù)遙測判斷衛(wèi)星狀態(tài)；

7）當衛(wèi)星狀態(tài)恢復正常后，可以開始新的任務操作。

6 衛(wèi)星離軌操作

在衛(wèi)星壽命末期，當確認衛(wèi)星已經不能正常完成任務后，就需要對衛(wèi)星進行離軌操作。其操作包括以下流程：

1）降低衛(wèi)星軌道；

2）關閉動量輪；

3）關閉電池。

操作概念只是對頂層的一些操作事件和其操作流程進行了定義，具體到設備的操作程序還需要有大量的文件支撐。也有許多操作是系統(tǒng)自動進行的，不需要操作人員干涉。在設計一個新系統(tǒng)的過程中，對于出現(xiàn)的新的事件的操作流程需要不斷的討論優(yōu)化，最后找到一個最好的操作流程。

系統(tǒng)在不斷利用新技術，不斷改進和優(yōu)化配置的同時，其操作方式也會不斷發(fā)生變化。通過以文件的形式把這些概念明確下來，有利于后來人員借鑒提高。