信息化技术在嫦娥一号卫星研制中的应用

叶培建，于 萍

（l.中国空间技术研究院，北京l0008l；2.北京控制工程研究所，北京l00080）

信息化技术在嫦娥一号卫星研制中的应用

叶培建l，于 萍2

（l.中国空间技术研究院，北京l0008l；2.北京控制工程研究所，北京l00080）

嫦娥一号卫星首发成功，是我国航天事业发展的第三个里程碑。信息化技术在嫦娥一号卫星的管理、设计、加工及测试等各个环节都得到了充分应用，为确保高效、高质量地完成嫦娥一号卫星的研制任务起到了至关重要的作用。报告对嫦娥一号卫星的主要特点进行了归纳；全面回顾了在嫦娥一号卫星研制过程中信息化技术的应用情况及其成效；简要介绍了信息化技术在星上产品中的应用情况，详细阐述了信息化技术在制导、导航与控制（GNC）系统中的应用情况；并对信息化技术在飞控任务中的应用作了介绍。

信息化；计算机；嫦娥一号卫星；GNC系统

1 引 言

嫦娥一号卫星的研制、发射和成功环月是我国深空探测活动的开端，开创了我国航天史上继人造卫星和载人航天后的第三个里程碑。作为我国第一颗月球探测卫星，嫦娥一号的研制过程攻克了很多近地卫星不曾遇到的难题，开辟了我国航天的新领域，为我国执行未来的深空探测任务积累了较丰富的经验。信息化技术在嫦娥一号卫星自身及其研制过程中的管理、设计、加工及测试等各个环节得到了充分的应用，为确保准时、高效、高质量的完成嫦娥一号卫星的研制任务起到了至关重要的作用。

本文对嫦娥一号卫星的主要特点进行了归纳；全面回顾了在嫦娥一号卫星研制过程中，信息化技术的应用情况及其成效；简要介绍了信息化技术在星上产品中的应用情况，并重点地详细阐述了信息化技术在GNC系统研制中的应用；同时对信息化技术在飞控任务中的应用作了介绍。

2 嫦娥一号卫星简介

根据我国月球探测工程的总体规划，月球探测一期工程的主要目标是研制环月探测卫星，突破地月转移和环月飞行的关键技术，对月球进行环绕遥感探测，初步建立月球探测工程系统。嫦娥一号卫星的工程目标是研制和发射我国第一颗月球探测卫星，初步掌握绕月球探测基本技术，首次开展月球科学探测，初步构建月球探测航天系统，为月球探测后继工程积累经验；嫦娥一号卫星的科学探测目标是获取月球表面三维影像，分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点，探测月壤厚度与特性，探测地-月空间环境等。

嫦娥一号卫星共有11个分系统组成：即总体，测试两个综合分系统；平台部分的结构，热控，制导、导航与控制、能源、推进、数据管理（OBDH）、测控数传、定向天线八个分系统及有效载荷分系统。各自相对独立又互相密不可分，构成一个完整的整体，共同实现嫦娥一号卫星的各项功能。

嫦娥一号卫星整个飞行任务可划分为相对独立的7个阶段：射前准备阶段、主动段、调相轨道阶段、地月转移轨道段、月球捕获阶段、环月工作状态建立阶段和环月运行阶段。

2007年l0月24日嫦娥一号卫星由运载火箭送入近地点200km、远地点5l000km、倾角3l°的地球椭圆轨道；2007年l0月3l日进入地-月转移轨道（近地点600km，远地点380000km），期间进行了l次远地点变轨、3次近地点变轨；11月5日卫星飞抵月球完成了第一次近月制动，进入围绕月球运行的周期为l2h的椭圆轨道；11月6日进行了第二次近月点制动，把轨道周期调整为3.5h；11月7日完成第三次近月点制动，把轨道变为高度为200km，周期l27min的使命轨道；11月20日传回第一幅图像。

嫦娥一号卫星的成功研制、发射和绕月飞行，表明我国在空间技术领域突破并掌握了探月轨道设计，制导、导航与控制，远距离测控与通信，探月卫星热控等一大批核心技术和关键技术。

3 嫦娥一号卫星研制与信息化技术

嫦娥一号卫星是我国深空探测的第一个飞行器，其研制仅用了三年多的时间，且一次成功。整个工程在技术与管理上有多项创新点，得益于多方面的贡献，信息技术的应用是其中重要因素。

在嫦娥一号卫星的研制过程中，始终坚持以信息技术为核心，综合运用信息技术、建模与仿真技术、管理技术、设计与生产技术、系统工程技术及与产品有关的专业技术，重点解决了四个矛盾：第一，任务与能力之间的矛盾；第二，产品性能与新的要求之间的矛盾；第三，多学科交叉与专业分工的矛盾；第四，系统高度集成性与研制单位地理分散性的矛盾。这四个矛盾的解决依赖于两个方面，一是在产品设计、仿真、制造及管理中充分应用了信息化技术，二是星上产品自身中含有大量先进的数字化技术与成果。下面从仿真设计、项目管理两个方面，说明信息化技术应用的成效。

3.1 信息化技术在设计、仿真及制造中的应用

嫦娥一号卫星在研制过程中，广泛采用数字化手段，高可靠的验证了新设计与新方案，减少了设计差错，提高了效率，缩短了研制时间。数字化设计/制造促进了流程再造，实现了质量、进度双重提升。具体说来，有以下几点：

l）嫦娥一号卫星在立项之初就充分利用仿真手段确立了合理的方案、优化的参数，特别是最优的轨道设计为顺利完成任务奠定了坚实的基础；

2）建立了复杂而逼真的数字环境模型，为设计正确性验证和各项试验（力学、热、电磁等）奠定了基础；在产品设计中大量采用了改造引进及自研的各种机械、电子、高频、无线等软件，保证了设计一次到位和质量；

3）充分利用历史数据，通过数据重用和分析仿真减少了部分试验，节省时间、经费；采用数字化手段完成卫星的总体布局、总装设计和结构设计，取消了传统的实物模装星，缩短了设计时间，提高了设计更改的快速反应能力；

4）充分应用CAD/CAM一体化技术，减少了三维管路设计误差，减少或取消了取样工作，协调性由设计直接保证。管路加工计划安排由与卫星生产流程主线串行变为与卫星生产流程主线并行；

5）数字化设计改变了管路设计流程，传统流程需要20天，而新流程只需l至2天；

6）卫星结构的研制中，广泛应用CAD/CAM/CAE技术，在各种工装与模具的设计中全面采用了三维设计，三/二维CAD出图率达到l00%；

7）通过对重要、关键件的加工仿真，取消了零件的试切削，不仅缩短了加工周期，创造了经济效益，而且提高了加工质量，减少了差错。

3.2 信息化技术在项目管理中的应用

嫦娥一号卫星项目采用以总指挥与总设计师为主要责任人的“两总”管理体制，强调整体资源平衡下的综合协调，采用自上至下的任务分解与自下而上的产品汇总的管理模式。在卫星研制过程中，全面推行项目管理的信息化，提升了科研生产综合计划管理能力。具体说来，有以下几点：

l）利用网络技术，建立了统一的桌面办公和近、远距视频交流环境，加速了研制部门、发射场、飞控中心间的信息流通。网络跨越六省一市，实现中国空间技术研究院所有下属单位与发射基地的互联互通，京区骨干带宽达到了千兆，构建了稳定、畅通的中国空间技术研究院科研网络。网络信息点8700个，覆盖率达l00%；

2）依靠计算机网络实现了工程文档的电子管理。用航天PDM软件-AVIDM进行工程电子文档的管理，包括报告、图纸、图表的流转、签署、分发和版本控制，形成了统一规范、保密性好、技术状态统一受控的管理模式；

3）基于计算机网络平台AVIDM实现了电子仓库及文档管理、产品结构及配置管理、工作流程管理、项目计划管理、建模向导工具、协同工作环境支持及应用集成等多项功能；

4）依托AVIDM系统，建立了贯穿决策层、职能管理层、项目经理、计划经理和项目参与人员的全员数字化管理环境，采用统一的数字化平台对工程技术和管理两个层面进行管理；

5）依托AVIDM系统，将任务逐级分解到每个研制人员的桌面，实现项目的精细化管理。规范计划管理主要业务流程的执行、控制过程；实现了项目计划执行情况的实时反馈、查询与统计。任务计划与进展和完成信息进行关联，实现了多级计划编制、下发、执行和控制跟踪，从而达到了项目闭环控制的目的；

6）通过项目计划与财务、物资等信息关联，实现了对各型号、部门的计划执行，资源占用、经费开支等多要素运行的监控，为型号综合管理提供及时、准确、量化的决策信息。实现了以项目计划为纽带的多系统信息集成。

综上，正是成功、充分的应用信息化技术，改造了工作流程、改进了研制手段、提高了管理水平和研制能力，才确保了嫦娥一号卫星高性能、短周期交付和首发成功。

3.3 信息化技术在星上产品中的应用

与其它卫星一样，嫦娥一号卫星具备需要完成任务的各种设备，但这些设备的功能和性能需满足更高、更新的要求。在资源约束下，要在有限的时间内，用较少的经费，按规定的重量、功耗、体积完成任务，向信息技术要出路是最有效的。从嫦娥一号卫星星上产品来看，其信息化技术的应用具有以下两个特点，本节简要的介绍这方面的情况。

3.3.l 信息技术在星上产品应用中的多学科性

所谓信息技术，其本质是以计算机硬、软件为基础的，卫星产品也不例外。在嫦娥一号卫星上，涉及的信息技术分支颇多。由于星上应用了大量计算机，因此，它在环境上关联计算机体系结构、计算机操作系统、网络与总线、多媒体技术等等；当然，也离不开最基本的科学计算技术；软件方面关联软件开发工具、软件开发方法、软件工程规范、软件工程管理等技术；星上星敏感器、紫外敏感器、有效载荷的大量信息需处理，离不开图像处理、模式识别及人工智能等技术的支持；考虑到信息的安全性、可靠性，尤其是在空间、深空这一特定环境，有关的信息保护、防空间负效应技术是必需采取的；测试是卫星产品保证质量的重要手段，信息技术在测试中也扮演着重要的角色等。

3.3.2 信息技术在星上产品应用中的广泛性

前面谈到，星上除两个综合分系统外，整星由九个物理上的分系统组成。信息技术几乎遍及每个分系统。其中最为典型的是GNC分系统，这在3.4节单独叙述。此外，还有数据管理分系统，它负责对全星进行星务管理，并在一定程度上与GNC相互支持，保存重要数据。具有CTU（中央单元）和多个RTU（远置单元）。确保在深空探测信噪比低的情况下实现低误码率，数管系统采用了卷积编码、多码速率多格式的遥测信息流处理技术，且具有良好的功能与自主性；有效载荷由8台设备组成，运行工作模式多，信息多样。对这些设备进行管理和数据处理的核心是智能化。为克服嫦娥一号卫星在飞行过程中我国国内测控站有观测盲区的实际情况，星上热控、能源系统的控制也与以往的飞行器大不相同，具备了很好的智能，可以按照设定的控制软件进行温度、电量式电压的精确控制；为解决38万公里的遥控遥测，星上产品采用了一系列先进的信息化技术手段，加之其它方面的贡献，从而克服了无大天线支持下的38万公里遥测遥控难题。

3.4 信息化技术在GNC产品中的应用

在制导、导航与控制系统方面，主要挑战表现在复杂的轨道与姿态控制，以及对多个目标天体的指向控制。信息化技术在GNC系统中的应用，为解决上述控制问题起了重要的作用。本节以GNC系统为例，详细介绍信息化技术在星上产品中的应用情况。

嫦娥一号卫星在GNC系统控制下要完成的任务如下：首先，在调相轨道，GNC系统要执行一系列姿态机动和轨道控制，以使飞行器不断提升轨道，在适当时间进入奔月轨道；然后，在奔月轨道，GNC分系统要保证卫星向太阳惯性定向，并根据测轨结果执行轨道中途修正，以使卫星可在预期点捕获月球；接下来，在月球轨道捕获阶段，GNC分系统要执行三次轨控发动机点火，以使飞行器捕获月球轨道并进入标称环月轨道；最后，在环月轨道，GNC分系统要完成“三体定向”的控制功能，即探测器本体对月球定向、太阳帆板对太阳定向、数传天线对地球定向。

嫦娥一号卫星在GNC系统控制下及时、准确、高可靠的完成了上述任务，轨道控制与姿态控制精度都优于设计指标，这与GNC系统研制过程中成功应用了信息化技术有着密切的关系。

3.4.l GNC系统的信息化体系结构

GNC系统采用了分布式采集、集中控制的系统结构，基于信息流的层次结构实现了系统模式的正常调度和故障情况下的系统重构。

l）GNC系统的信息流结构

嫦娥一号卫星GNC系统层次结构底层为各敏感器和执行机构的局部终端处理单元（LTU）；层次结构顶层为控制计算机和应急控制器。在信息流的层次结构支持下，各LTU完成分布式信息采集功能，计算机和应急控制器完成集中控制的功能。系统正常模式调度下，根据模式的不同启用不同的软件模块和设备；当发生故障时，根据故障的具体情况启用备份设备或进行系统降级，自主更改信息流方向，进行系统重构，保证卫星安全。

2）GNC系统的信息交换

控制计算机通过系统的内部串行总线与惯性测量单元、各光学敏感器、帆板和天线驱动线路进行通信，通过并行或模拟量接口控制推进系统和动量轮。

应急线路通过模拟接口采集陀螺和太阳敏感器的信息，通过并行接口控制推力器电磁阀，实现卫星对日定向。

控制计算机通过数管系统l553B总线实现接收地面上行注入指令；同时也通过数管系统l553B总线将数字量遥测发送到数管分系统的CTU，进而由CTU发送地面。

3）GNC系统的信息流程

嫦娥一号卫星GNC系统的信息流程可划分为两类：一般信息流程和应急信息流程，分别以控制计算机和应急线路为核心。系统运行的一般情况下，控制计算机采集各敏感器信息，根据控制目标集中计算各执行机构的控制量，通过控制推进系统和动量轮，实现轨道控制和姿态控制，通过向帆板和天线驱动线路发出控制指令，实现对帆板和天线的控制。应急信息流程仅用于卫星飞行时应急状态的控制。在控制计算机控制功能正常时，应急线路不工作。当控制计算机不能完成控制功能时，应急线路加电，接替工作。此时，系统功能降级，不能完成轨道控制和多种姿态控制要求，仅保证卫星处于太阳定向姿态，避免控制计算机功能不正常而带来的灾难性的故障。

4）GNC系统的信息检测功能

嫦娥一号卫星GNC系统具有自主信息监测功能，可实现星上自主故障诊断和故障处理能力，在星上发生一次故障的情况下，可进行系统重构以确保地月转移关键性变轨如期完成，确保卫星安全。

星上自主故障诊断分为部件级和系统级两个层次进行。部件级故障诊断由部件LTU智能单元完成，可进行部件的工况自检及进行数据有效性判别。系统级诊断由控制计算机实现，包含两方面：一是根据系统多路测量信息的一致性检测部件故障；二是发现和确认卫星姿态异常。

星上自主重构手段有更换敏感器组合、启动备份部件，系统工作模式切换等。同时利用地面注入手段可实现控制参数和控制软件的在轨修改，以实现系统设计的在轨完善。基于自主故障诊断与系统重构技术，嫦娥一号卫星在国内首次设计实现了轨控故障自主恢复功能。

3.4.2 多任务实时操作系统在GNC中的应用

嫦娥一号卫星GNC系统控制需求多样，任务复杂，要求很高的实时性。采用传统的单任务机制很难适应嫦娥一号卫星GNC系统复杂的控制任务。在详细分析GNC任务的基础上，嫦娥一号卫星在GNC控制计算机（GNCC）中采用了多任务实时操作系统，构建了规则清楚、接口明确、时序顺畅的复杂多任务实时处理系统。

根据飞行阶段和飞行任务的不同，嫦娥一号卫星GNC分系统设计了l0个模式，其中多数模式可采用较慢的控制周期来完成，也就是说从测量信息的采集到执行机构按照计算机指令执行控制命令的时间相对可以较长。当发动机点火时，扰动剧烈，为了保证轨控精度就必须采用快周期，以便控制系统对扰动做出快速反应，修正姿态偏差。这就对GNC系统提出变周期控制需求，要求系统具有高实时性。

基于实时操作系统时间片调度方式，可有效的解决变周期控制问题。具体地说，是将GNC系统每个模式细分为多个功能模块，各功能模块具体划分为优先级不同的多项任务。根据各任务的实时性需求，同时考虑到可能发生的突发事件，由多任务实时操作系统按时间片处理周期性任务，并采用中断方式处理突发性任务。控制计算机采用固定优先级的调度策略，使优先级高的任务被实时处理。同时根据固定时间片，分配任务执行时间，从而实现了变周期的GNC控制系统，解决了轨控模式快周期控制与其它模式慢周期控制的冲突。

多任务实时操作系统在嫦娥一号卫星上的应用，在GNC控制计算机体系结构层面确保了复杂任务的实时控制顺利完成。

3.4.3 GNC测试系统的信息化技术

GNC系统地面测试的目的在于利用地面测试设备与星上产品一起构成模拟飞行系统，由此验证GNC系统星上产品的硬件和软件的正确性。嫦娥一号卫星是我国第一颗深空探测卫星，地面测试系统的难点在于要模拟其深空运行环境，以便对GNC系统姿轨控功能和性能进行测试。

首先，地面测试系统要模拟卫星深空运行的力学与光学环境。为此基于嵌入式多任务操作系统技术和工业组态软件技术开发了姿态和轨道动力学仿真软件，嵌入了高模态柔性动力学仿真模型、姿轨控耦合动力学模型，实现了卫星绕地、奔月及环月的全过程多体摄动轨道和姿态的连贯仿真，实现了卫星光照条件动态仿真，为验证星上产品性能提供了高精度仿真测试环境。其次，地面测试系统以数据库技术为依托，基于实时与非实时隔离的多层网络拓扑结构，利用先进的数据显示技术，实现了测试数据的大量存储和动态显示。数据库存储功能为在测试结束后对测试数据进行深层次处理提供了便利条件。星上数据与地面仿真数据实时比对，实现了数据判读的可视化。最后，地面测试系统基于工业组态软件技术实现了跳时测试、加速测试等测试功能，提高了测试效率。

嫦娥一号卫星GNC地面测试系统运用了信息技术发展的新成果，丰富了测试手段，提高了测试效率，提升了测试能力，在较短的时间内做到了GNC系统功能和性能的充分测试，为确保GNC系统的高质量提供了有力保障。

4 信息化技术在飞控任务中的应用

为了确保嫦娥一号卫星首发成功，卫星系统还研制了两个飞控辅助系统，一个是卫星飞控模拟器，另一个是飞控仿真与支持系统，为我国首颗探月卫星飞控任务顺利实施提供了保障。

卫星飞控模拟器主要用于卫星发射前，满足测控系统进行飞行控制演练的需求。飞控模拟器的主要组成部分就是GNC和OBDH模拟器，它采用基于网络的分布式结构，由多台商用计算机最大限度地模拟了真实卫星的状态，为实战前的飞控任务演练提供了保障条件。

嫦娥一号卫星的飞控仿真与支持系统是我国为探月卫星首次研制。依托该系统，可对轨控任务的实施、意外/突发事件处理、在轨故障的快速分析、控制参数和措施的正确性进行仿真验证，从而为制定卫星在飞行中的应对策略提供依据，确保嫦娥一号卫星奔月、环月的可靠性。

飞控仿真与支持系统以GNC系统数字和半实物仿真系统为主要支撑，应用了数字仿真手段、综合了MATLAB、STK等工具软件，可全面真实模拟卫星系统的硬件状态和软件状态，具有成本低、手段全、效率高的特点。

此外，飞控决策支持系统还具有仿真动画视频显示功能，在实际飞行数据驱动下，可逼真地展示卫星飞行全过程，方便全国人民观察、了解卫星飞行过程。

5 结束语

嫦娥一号卫星作为我国首颗探月卫星，首发成功，在我国航天技术领域取得了新突破，是我国航天事业发展的里程碑事件。嫦娥一号卫星的成功是航天领域多学科技术进步的共同结晶。在研制周期短、任务重、技术难度大的情况下，充分应用信息化技术为确保嫦娥一号卫星圆满成功做出了重要贡献。因而获得了2007年全国工厂大会颁发的信息化建设项目成就奖。

实践表明，信息化技术是当今最为活跃的一个领域，它在其它技术的需求刺激下迅猛发展，而它的发展又极大的改变了其它科学技术的现状，完全是一个相辅相成、共赢共发展的关系，我国航天器40年的发展也验证了这一点。随着航天器，特别是深空探测器向更高水平进军，由于其飞行时间长、距离非常遥远，对智能化、自主性要求很高，进而对信息技术有着更为强烈的需求。今后的研制工作中，信息化技术效益发挥的水准如何，将会对航天器的技术水平、研制周期、经费等起着更大的制约作用。

致谢：本文在形成过程中，得到了张洪华研究员、刘霞研究员及袁利高级工程师等的关心帮助，在此一并表示感谢！

[l]叶培建.信息化在嫦娥一号卫星上的应用[N].计算机世界报，2007-l2-l0（47-A7）

[2]徐福祥.卫星工程概论[M].北京：宇航出版社，2003

App1ication of Information Techno1ogy in Deve1opment of Lunar Probe Chang′E-1

YE Peijian，YU Ping
（1.China Academy of Space Technology，Beijing 100081，China；2.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

The success of the lunar probe Chang′E-l is the third milestone in the history of china′s space industry.Information technology is widely used in the process of the management，design，manufacture and test of the probe Chang′E-l，which p lays a very important role for the efficient and high-quality accomplishment of the probe Chang′E-l.The primary characteristics of Chang′E-l are summarized in this paper，and the application and benefits of information technology for the development of Chang′E-l are reviewed.The application of information technology in onboard facility，mainly in GNC system，is expounded in detail.In the end，the application of information technology in the course of flight control is introduced.

information technology；computer；lunar probe Chang′E-l；GNC system

TN948.6l

A

l674-l579（2008）0l-0009-05

2007-l2-20

叶培建（l945-），男，江苏人，中国科学院院士，研究方向为飞行器总体、图像处理、模式识别（e-mial：yepeijian@cast.cn）。