导航卫星在轨运行分析与管理

马利 袁莉芳 王璐 张芸香 张旭 李懿

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

导航卫星在轨运行分析与管理

马利 袁莉芳 王璐 张芸香 张旭 李懿

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

为加强导航卫星在轨管理,提高在轨处置效率,提升星座服务整体性能,在充分总结导航星座在轨三方协同管理经验的基础上,创新性地开展了星座在轨分级管理工作实践。通过在轨组织分级管理、异常问题分级处置、遥测参数分级监视、支持系统分类管控等管理实践,对星座卫星星上产品特性及趋势分析进行周期性评估、关注卫星长期稳定运行健康状况、持续开展卫星使用策略优化,有效保证星上状态可控,最大程度提高卫星在轨处置能力。通过在轨分级管理实践,提高了异常处置效率,确保判读全面、处置准确,实现了在轨管理的模式化、专业化运行,对星座系统在轨管理工作具有重要的参考价值。

星座;在轨管理;分级管理;异常处置

1 引言

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统,是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后,第三个全球卫星导航系统。2012年12月27日,北斗二号区域卫星导航系统正式提供服务[1]。

导航系统需要全天候24小时不间断地提供导航服务,随着卫星在轨运行时间的不断增长,导航卫星部分设备出现故障或工作异常的概率将逐渐增大,某些卫星故障不可避免地会导致卫星服务中断,影响导航星座系统完好性、连续性和可用性等核心指标[2]。因此,加强导航星座的在轨管理,及时发现并快速解决出现的问题,减少单星不可用时间,提高星座整体服务性能成为导航系统建设的一项重要工作[3]。

通过几十年的发展,GPS系统的建设已经比较成熟,而且根据需求还在不断地升级完善,在这个过程中形成了星座在轨管理的模式,并积累了丰富的经验。而我国北斗导航系统的建设还不够完善,同时也缺乏大型星座的在轨管理经验,在轨地面支持手段薄弱,“地面强星”的能力需要持续提升。

本文在挖掘导航卫星在轨运行规律的基础上,不断总结经验、固化成果,优化在轨异常处置流程。通过在轨组织分级管理、异常问题分级处置、遥测参数分级监视、监控报告分级评估、支持系统分类管控等分级管理实践,对导航卫星星上产品特性及趋势分析进行周期性评估、关注卫星长期稳定运行的健康状况、持续开展卫星使用策略优化,有效保证星上状态可控,最大程度提高卫星在轨处置能力,减少单星不可用时间,提升导航星座整体服务性能,开创我国大型星座运行管理的新模式。

2 导航卫星在轨分级管理实践

2.1 在轨分级组织管理

导航星座单星的可用性直接影响到星座的服务性能。卫星发射入网后,如何提高单星可用性,除了必要的技术支持外,落实管理职责、缩短管理链条成为减少卫星不可用时间的一个重要方面。

按照工程大总体关于导航星座稳定运行职责分工,导航卫星在轨异常处置由卫星方、运控方、测控方协同完成,简称“三方联保”。在轨管理的组织机构见图1。导航卫星在轨管理项目办公室根据“三方联保”的特点,实施分级组织管理。

(1)与大系统之间。通过与运控和测控方反复沟通协调,促成三方共同编制并签署了导航卫星运行管理三方协调机制,并根据实际情况进行了多次优化。该机制明确了三方的职责分工,以及在轨管理主要工作分工接口和工作流程,确保了三方协同工作的顺畅开展。

(2)卫星方内部各单位之间。以导航卫星在轨管理项目办公室第三层次文件的形式,对相关的在轨工作,如“单星履历书编制”等均提出明确要求。目前已发布第三层次文件33份,覆盖了在轨管理所有的工作内容,确保各项工作规范、有序。

2.2 在轨异常分级处置

相比单星,导航系统的在轨异常存在如下特点:重复轻度异常占异常总数的97%以上;影响用户使用的异常基本都需要运控方、卫星方、测控方协同处置;异常处置的中间环节是影响卫星处置效率的一个主要因素。为提高异常处置效率,减少异常导致的单星不可用时间,从两个方面实施了分级管理。

2.2.1 按处置等级进行在轨异常分类

国内航天器目前一般依据《航天器在轨故障等级规定》进行在轨异常分类。此标准中,在轨故障的分类原则包括:①故障所在航天器系统的层次;②故障的可修复性;③故障对飞行任务成功的影响程度。上述故障分类方法均未考虑异常处置对单星安全性、可用性的影响,以及导航星座服务24小时不间断的需求。为此,导航卫星首先提出并实施了按“处置等级”进行异常分类的方法。即,综合考虑异常对卫星安全及服务性能的影响,异常处置的风险等因素,最大限度地减少异常处置的中间环节,提高处置效率。故障等级定义如下:

(1)1级故障:由卫星各分系统研制单位提前给测控方“异常处置授权传真”,测控方通过工程遥测发现故障后紧急处置,之后通知卫星方。该类异常包括影响卫星安全的紧急异常;影响单星可用性的重复异常,如载荷某单机的状态跳变异常;重复发生且处置无风险的轻度异常,如卫星平台某单机的状态位跳变异常。目前,已经授权测控方直接处置的在轨异常9类,约占异常总数的5%。

(2)2级故障:提前将签署好的指令单存放于运管中心。运管中心发现或运控系统通报运管中心故障后,判断故障,并直接将对应的处置指令单传真发给测控方处置,之后通知设计师。这类异常主要是只能由运控系统通过业务数据发现的载荷重复、轻度异常。该类异常约占异常总数的93%。

(3)3级故障:由运管中心提前准备好指令单,发现异常后先通知设计师确认故障,并经设计师确认后,将对应的指令单传真发给测控方处置。该类异常包括处置程序较为复杂,发生概率较低,存在一定处置风险的异常。该类异常约占异常总数的1%。

(4)4级故障为:除处置等级为1、2、3级故障以外的其它故障。该类异常一般为新增的非紧急异常,占异常总数的1%以内。

2.2.2 按异常分类进行处置流程

上述四类故障中处置流程如图2所示。

(1)1级故障由测控方通过地面软件自动处置,无中间环节。

(2)2级故障异常现象较复杂,需要运控方发现后,由卫星方判断并确认异常,并给测控方发送传真,再由测控方发令处置。这类异常发生概率较高,且部分异常影响单星可用性,之前卫星方每次的处置时间都在30分钟以上。为了尽可能提高该类异常的处置效率,通过对所有的异常现象进行分类总结,形成载荷异常处置表格。运控方发现异常后,直接在对应的现象后打“√”,运管中心可直接将对应的指令单传真发给测控方应急发令处置,实现了表格化异常处理。采取该措施后,卫星方处置该类故障时间明显缩短。

(3)3级故障发生的概率较低,处置具有一定风险。相比1,2级故障,需要设计师提前确认后,方可进行处置,避免了处置风险。

(4)4级故障发生的概率极低。该类异常现象可能与“故障预想与对策”报告中预想的故障现象不完全一致,需现场制定处置策略。为确保异常处置及时、有效。制定了图2所示的处置流程。该流程详细规定了异常发现、异常上报、异常处置、异常闭环等各个环节的具体要求。实践表明,该流程可确保新增异常处置有序,风险可控。

2.3 遥测参数分级管理

导航卫星每颗星有上千个遥测参数,整个星座运行将有上万个参数。为确保关键遥测参数不漏判、误判。在管理上从以下三个方面实施了遥测参数分级管理。

1)遥测参数分级

按照核心、重要、一般三个等级对所有遥测参数进行分类。明确各参数的判读方法,对于需要根据不同条件进行判读的参数,同时对判读条件和参数正常值范围进行量化。并形成规范“遥测参数重要性等级及判读方法”。

2)分级监视判读

通过如下3条措施,确保了在参数判读全面性的基础上,加强对核心、重要参数的监视,进行趋势分析和寿命预测,对可能出现的异常情况提前进行预报,并采取可能的规避措施:①所有参数按3级报警门限录入自动监视判读系统,进行24小时连续判读;②重要参数每个月进行一次趋势判读分析;③核心参数每天进行趋势判读分析。

3)分级参数分析

为规避单一参数判读可能导致误判或漏判,建立并逐渐完善专家知识库,从多个层面提高判读能力:①单个参数的历史变化趋势与同类星参数变化趋势的对比分析;②关联参数的变化趋势分析;③参数变化与空间环境的关联分析。

2.4 星座卫星分级健康评估

为准确把握导航星座在轨状态,及时采取有效的措施,在如下层面实施了星座卫星的分级健康评估。

(1)关注在轨状态实时监控的周报分级评估。根据在轨卫星的工作状态,卫星各分系统对重点项目进行分析,卫星在轨管理主任设计师负责编制,并分级编写。

(2)关注星座性能的月健康评估。每月对在轨卫星的异常及健康状态进行统计分析,评估异常对单星可用性、连续性等系统性能的影响。

(3)关注产品特性及趋势分析的半年健康评估;每半年对卫星的全面健康状况进行诊断,对整个半年的健康趋势进行分析,并完成健康评估报告。

(4)每年更新一次卫星在轨状态报告和故障预案。每年根据卫星在轨表现进行一年评估,对在轨处理方法进行补充,完善在轨故障预案;

(5)每一期的健康评估都对上一期的问题及措施落实情况进行复查确认,确保每个在轨现象或在轨异常闭环,实现指针式在轨管理。

2.5 在轨技术支持系统分步建设

为加强运控、测控、卫星三方之间的信息沟通和协调,提升卫星系统对星座在轨运行管理的技术支持能力,强化系统稳定性保障手段,确保星座长期稳定运行,创新性提出导航星座卫星在轨技术支持系统建设。

该系统采取“边建设边优化”的思路,即在系统建设过程中,为确保系统的实用性,每建完一个模块即投入试运行,对不实用的部分进行优化完善。逐步建成了一个完善实用的高效在轨支持系统。系统由管理与监控、信息交互、信号监测、故障诊断、故障及对策验证、健康评估与维护共6个子系统构成,每个子系统都针对不同的在轨业务,分别处理、分类管控。各子系统各具不同的功能,又彼此关联,通过接口信息交互,数据共用。此系统的建设,实现了自动读取在轨数据库、实时提供控制预报、分析、计算类在轨维护策略,提升了在轨维护效率,提高了维护策略的准确性。卫星在轨信息实时获取,在轨维护策略实时更新,全面提升在轨决策自动化程度,确保了导航星座的长期稳定运行。

3 取得的成果

针对导航卫星星座管理经验缺乏、地面支持能力有限的情况,面对在轨管理复杂、情况多变的难题,导航卫星在轨管理项目办公室创新性地提出了导航卫星在轨分级管理方法,并积累了大量的实践经验,取得了一系列成果,力争把在轨管理工作打造成“精品工程”。主要成果如下:

(1)建立制度,明确责任,有力推进“三方联保”机制。

探索并逐步建立了一系列在轨管理的工作制度,编制了一系列共9本在轨管理工作手册,形成了整套完善的在轨管理技术文件体系,首次实现星座卫星的表格化管理。

根据在轨组织分级管理的要求,卫星方站在总体高度,积极主动与运控方、测控方协调外部接口,明确用户的需求,理清关系,明确责任,明晰接口,三方共同签署了卫星长期运行管理协议。该协议的签订,有力推进了导航卫星“三方联保”机制的有效运行,确保了北斗导航卫星在轨管理工作顺利开展,也为后续北斗三号卫星在轨管理工作提供了经验。

(2)优化流程,提高效率,有效缩短在轨处理故障时间。

基于多个维度对导航卫星5年来的在轨异常规律大数据分析评估结果,提出的异常问题分级处置管理方法以及对在轨故障处理的流程,最大程度地减少了重复异常处置的中间环节,大幅提升了工作效率。在轨处理故障时间由最初的30多分钟缩短至10分钟以内,有效地减少了卫星不可用时间,为在轨故障及时处理、星座稳定运行提供了有力的保障。

(3)建立系统,打通链路,全力确保星座长期稳定运行。

在轨支持系统的建立,打通了运控、测控和卫星三方之间的数据交互链路,实现了三方的信息共享和多方联动,提高了在轨卫星故障处理和日常维护的工作效率。系统的建立,丰富了卫星在轨监测手段和数据来源,提高了在轨异常技术发现及快速诊断能力,有力保障了导航卫星在轨运行服务,提高了卫星在轨运行保障能力,确保了星座长期稳定运行。该系统的建立得到了用户的极大好评。

该系统完成了57台(套)硬件设备和47个子软件的配套,形成设计类、测试试验类、手册类等相关文件共计337份。目前该系统已经完成8项专利的受理和9篇论文。

4 结束语

导航卫星在轨管理是一项复杂的系统工程管理,与其他卫星在轨管理不同,它强调的是星座的稳定性,参与管理的部门较多,具有一定的难度。针对导航卫星星座管理,探索并总结出了一套导航卫星分级管理实践经验,明确了在轨管理的责任,提高了在轨管理的效率,缩短了在轨卫星故障处理时间,强化了对在轨卫星的状态管控,提高了用户满意度。

References)

[1]范丽,张育林.区域覆盖混合星座设计[J].航天控制,2007,25(6):52-55 Fan Li,Zhang Yulin.Regional coverage hybrid constellation design[J].Aerospace Control,2007,25(6):52-55(in Chinese)

[2]郑恒,李海生,杨卓鹏.卫星导航系统星座可用性分析[J].航天控制,2011,29(3):87-97 Zheng Heng,Li Haisheng,Yang Zhuopeng.Analysis of constellation availability for satellite navigation system[J].Airspace Control,2011,29(3):87-97(in Chinese)

[3]Heng Zheng,Liming Ren.Availability analysis of satellite constellation[C]//8th International Conference on Reliability,Maintainability and Safety.Beijing:Chinese Mechanical Engineering Society,2009:245-248

Analysis and Management of On-orbit Navigation Satellite Operation

MA Li YUAN Lifang WANG Lu ZHANG Yunxiang ZHANG Xu LI Yi
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

On the basis of fully summing up the experience of a tripartite collaborative management of on-orbit navigation satellites,hierarchical management is carried out creatively,in order to strengthen the management of the navigation satellite,to improve the efficiency of on-orbit disposal and to enhance the overall performance of the constellation service.There are many hierarchical management methods,such as on-orbit organization classification management,abnormal problem classification processing,telemetry parameter hierarchical monitoring,and support system classification management control and so on.Through the hierarchical management,we can periodically evaluate the satellite product characteristics and trend analysis,focus on long-term stability of the satellite health,and continue to optimize the use of satellite strategy.And then,we can effectively ensure the state of the satellite is under control,maximize the satellite disposal capacity.Meanwhile,we can also improve the efficiency of on-orbit anomalies disposal to ensure the data is comprehensive and the disposal is correct,and we can achieve a model and professional on-orbit management.It is an important reference for the management of the constellation system.

constellation;on-orbit management;hierarchical management;anomalies disposal

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.018

2017-09-22;

2017-09-28

国家重大科技专项工程

马利,女,高级工程师,研究方向为卫星总体设计。Email:920953149@qq.com。

(编辑:张小琳)