ECSS控制工程系列标准简介

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100074）

1 概述

欧洲航天局（ESA）是欧洲国家组织和协调空间科学技术活动的机构，其任务是制定空间政策和计划，协调成员国的空间政策和活动，促进成员国空间科学技术活动的合作和一体化。欧洲空间标准化合作组织（ECSS）是在ESA 的倡导下成立的，是欧洲空间标准化最为权威的机构。ECSS 与欧洲标准化组织保持着密切的联系，同时与ISO 航天分技术委员会（ISO/TC20/SC14）保持卓有成效的联络与合作。ECSS 标准结合法国航天局等欧洲各国航天机构以及德国宇航公司等航天公司的标准形成，主要致力于协调和补充并将欧洲空间标准向国际空间标准靠拢、上升，以便于欧洲空间共同体与国际航天界的接轨与融合，更好地开展全球范围内的空间合作。

ECSS 规定了参与欧洲空间飞行任务的任何要素的装置、设备、分系统、系统和服务的定义，同时规定了研发、制造、验收、使用、运行各方都应共同遵循和采用的ECSS 标准，标准内容涉及运载、航天器、发射场和地面站等，从零部件、元器件到整个航天系统。

ECSS 的标准体系框架分为顶层文件和四大标准体系，顶层为ECSS-S-ST-00 系统描述和ECSS-S-ST-00-01 术语汇编。在顶层文件下，有四大标准体系：空间项目管理标准体系、空间产品保证标准体系、空间工程系列标准体系以及空间可持续性标准体系。其中，项目管理标准体系包括5 个部分：项目计划和实施、机构和信息管理、成本和进度管理、风险管理；产品保证标准体系分为7 个部分：产品保证管理、质量保证、可靠性、安全性、EEE 元器件、材料机械零件和工艺、软件产品保证；空间工程标准体系分为7 个部分：系统工程、电子和电气工程、机械工程、软件工程、通讯、控制工程、地面系统和运行；空间可持续性标准体系分为2 个部分：空间碎片和行星保护。

空间工程中的第6 分支（E-60）为控制工程标准，包括已发布标准4 项，手册1 项，待发布标准1 项。E-60 系列标准主要规定控制工程的过程、总体要求、功能要求、系统分析、性能要求、操作要求、性能的验证与确认等方面内容。ECSS 控制工程（E-60）系列已发布的标准和手册见表1。

下面对已发布的ECSS 控制工程各项标准和手册的内容进行简要的介绍。

表1 已发布的ECSS 控制工程系列标准及手册列表

2 ECSS-E-60A《控制工程》与ECSSE-HB-60A《控制工程手册》主要内容

ECSS-E-60A《控制工程》标准与ECSSE-HB-60A《控制工程手册》的内容基本一致，适用于空间系统的所有要素，包括空间段、地面段和发射服务段，内容涵盖空间控制系统的所有方面，包括控制系统要求定义、分析、设计、产品、验证与确认、转运、操作与维护。这两项标准与手册规定了控制工程基本术语、空间控制系统过程及控制工程过程要求，是控制工程（E-60）系列标准的基础。

空间控制系统过程内容包括3 个方面：概述、控制工程过程定义、控制工程各项目阶段的任务。概述部分内容主要为一般控制系统结构框图、控制系统各组成单元的具体介绍、控制理论、控制系统主要功能及控制工程活动的实现；控制工程过程定义部分将控制工程过程分解为5个项目阶段：合成与控制、工程要求、分析、设计与配置、验证与确认，并对各个项目阶段进行介绍；控制工程各项目阶段的任务部分针对前述的5 个控制工程项目阶段，逐一明确各阶段控制工程任务的具体要求及其输入输出信息情况，将整个控制系统的任务和要求清晰、明确地表现出来。

控制工程过程要求内容同样针对前述的5 个项目阶段分别提出。合成与控制项目阶段具体要求内容包括：控制工程活动的组织与计划、为系统工程数据库提供的数据与文件要求、与其它系统间的界面与管理要求、控制工程中涉及人员因素的要求、控制预算与裕量考虑的要求、控制技术的评估要求、风险管理、控制部件的获取、涉及控制管理更改的要求以及控制工程能力评估与资源管理。工程要求项目阶段具体要求内容包括：控制要求产生的依据、控制要求在控制部件间的具体分配（如敏感器、执行器等的具体控制要求分配）、控制确认要求、控制操作要求。分析项目阶段具体要求内容包括：分析的任务方法和途径、分析的具体要求、扰动分析要求、各阶段模型的性能分析要求。设计与配置项目阶段具体要求内容包括：功能性设计要求、操作性设计要求、控制实现的体系结构、控制器的设计要求。验证与确认项目阶段具体要求内容包括：控制验证策略的定义与实现、性能的初步验证要求、最终性能与功能的验证要求、飞行确认要求。

同时，这两项标准与手册还在附录中规定了一些控制系统文件方面的要求，如：控制工程文件、控制系统设计报告文件要求定义、控制算法规范文件要求定义以及受控系统分析报告文件要求定义、受控系统验证方案文件要求定义、受控系统确认报告文件要求定义。

3 ECSS-E-60-10C《控制性能》主要内容

ECSS-E-60-10C《控制性能》标准重点明确在空间项目框架下控制系统性能方面的问题。标准主要内容涵盖：术语定义、预算规则和用于通用控制系统开发的特定模板。标准除规定控制工程常用的性能参数术语外，主要规定控制系统性能要求、预算以及线性系统稳定性和健壮性要求与确认两方面内容。

控制系统性能要求和预算内容包括：性能要求的详细说明和使用误差预算来评价符合性的方法两部分。控制系统性能要求的详细说明主要明确了性能要求、理论要求中需要规定的量值、各量值的范围、量值在规定范围内的概率以及对概率的统计学解释；使用误差预算来评价符合性的方法部分主要明确了这种方法的应用范围和限制，各误差因子的识别、分类、特征参数和比例因数，误差因子的组合，预算误差与要求值的比较等方面内容。

线性系统稳定性和健壮性要求与确认内容包括：线性系统稳定性内在性能特性，稳定性与健壮性不确定范畴、稳定性要求、检查点的确定、稳定性裕量指示的选择与确定、稳定性裕量要求、单一不确定域的稳定性裕量的确认以及缩小与扩大的不确定度稳定性裕量的确认。

同时，此项标准还在附录中给出了性能参数误差的使用方法、误差预算输入和具体示例等。

4 ECSS-E-60-20C《星敏感器术语与性能规范》主要内容

ECSS-E-60-20C《星敏感器术语与性能规范》标准涵盖星敏感器性能规范的各方面内容，包括：术语、定义、星敏感器性能的定义及规格化等，用于定义和规范在敏感器部件、敏感器能力、敏感器类型、敏感器参考框架、敏感器标定等几种评估情况下的星敏感器性能指标。

此标准中规定了九类共50 多条星敏感器术语，涉及星敏感器能力、组成、参考框架、时频相关的定义、视场、天体角度、最常用术语、误差、星敏感器结构，详细规定了星敏感器的功能要求与性能要求。星敏感器功能要求包括星敏感器基本能力要求、敏感器类型、参考框架和在轨星图要求；性能要求包括星图使用、星敏感器性能模拟在确认方法中的使用、通用性能条件、通用性能标准、星追踪性能、自主星追踪性能、自主姿态确定、自主姿态追踪、姿态追踪的修正等级、角速率测量以及数学模型的内容。

同时，此项标准还在附录中介绍了功能性数学性能描述的文件要求定义、星敏感器辅助术语、星敏感器光学特性、星敏感器性能指标的标定、统计分析、坐标系转换以及误差源等内容。

5 ECSS-E-60-30C《卫星姿态轨道控制系统要求》主要内容

ECSS-E-60-30C《卫星姿态轨道控制系统要求》标准确定了用于空间应用项目要求文件的姿态与轨道控制系统的基本要求，适用于卫星空间项目的姿态与轨道控制系统。其典型姿态与轨道控制系统包括：姿态估计、姿态制导、姿态控制、轨道控制、轨道估计（导航）功能。标准具体规定了姿态与轨道控制系统术语、姿态与轨道控制系统原则及要求。

卫星姿态轨道控制系统原则包括：系统的目的与适用性、标准剪裁要求、系统级与姿态轨道控制级要求的关联。

卫星姿态轨道控制系统要求分5 个方面进行阐述：功能及故障发现诊断和恢复、操作要求、性能要求、确认要求和文件要求。在功能及故障发现诊断和恢复部分明确了：姿态轨道控制系统的姿态识别与保持、姿态确定、导航、参考框架、任务指向、轨道识别与保持、安全模式、姿态轨道控制系统模式转换、服役到期处理、系统与卫星对姿态轨道控制系统的要求、辅助数据、姿态轨道控制系统标定等具体功能要求，基本的故障发现诊断和恢复、硬件与软件冗余方案方面的故障管理要求，以及应用限制、燃料计量、燃料计算、推进器限定等推进相关的功能要求。在操作要求部分明确了：地面遥控操作中的参数更新要求、轨道控制操纵要求、轨道确定要求、姿态制导要求，地面遥测操作中的姿态轨道估计的地面遥测系统要求、内务处理遥测要求、诊断遥测要求，自主操作要求中的姿态轨道控制系统的自主管理、安全模式，校准操作要求。在性能要求部分明确了：姿态轨道控制系统执行任务的姿态飞行范围的界定，绝对姿态指向、在轨绝对已知姿态、后续绝对已知姿态、姿态指向稳定性、相对姿态指向、后续已知相对指向几种正常模式下的性能要求，当前轨道与轨道控制、敏捷轨道、任务中断、识别与安全模式以及性能预算。在确认要求部分明确了：姿态轨道控制系统性能确认的具体条件和设备要求、设计与性能的确认要求、软硬件确认要求，卫星级确认要求、地面接口确认以及飞行确认。

同时，此项标准还在附录中规定了姿态轨道控制系统设计定义、设计确认、算法与软件功能描述、验证方案、用户手册方面的文件要求。

ECSS 控制工程系列已发布的4 项标准和1项手册对控制系统的功能、性能的要求及验证确认进行了总体性规定，明确了控制系统的基本要求，对于控制系统的设计、验证及与空间项目中其他系统间的协调起到了很好的规范和指导作用。

航天控制系统是实现运载火箭的发射和飞行控制、航天器的姿态和轨道控制的核心系统，其功能、性能、可靠性等方面的问题一直备受关注。经过几十年的发展，我国已制定了相当数量的控制系统相关标准，但是，对比ECSS 控制工程标准的情况，针对控制系统总体性要求及其与其它系统间的协调作用方面在标准层面的规定都很少，控制工程总体性标准非常欠缺。因此，通过对ECSS 控制工程系列标准的分析与研究，将对我国航天控制工程相关标准的制定起到很好的借鉴作用，具有重要的参考价值。

[1]伍平洋.欧洲空间标准体系及其发展综述.航天标准化，1997（2）.

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