硬X射线调制望远镜卫星系统级自主功能设计与在轨验证

顾荃莹 潘腾 倪润立 张龙 梁中坚

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星携带了高 能、中能、低能3种准直型望远镜,通过巡天、定点、小天区等不同姿态指向控制的空间观测模式对遍布全天球的天体目标开展观测[1]。作为我国首个大型空间天文任务,HXMT卫星具有全天球任意指向、多种空间姿态控制方式频繁切换、全空间测控数传覆盖、每天连续境外时间长(12 h)、载荷长期开机连续观测、同结构安装的不同载荷工作温度要求差异大且部分载荷低温控制要求高以及对空间环境敏感等特点。多任务、多约束特点使得HXMT卫星功能设计具有很大难度,也和传统卫星设计不一样。

传统航天活动中,主要由地面测控对航天器进行控制与管理。但随着航天任务需求的快速增长和航天器在轨任务模式的发展,高度依赖地面进行航天器控制管理的缺点日益明显[2],如频繁的天地交互对通信实时性的要求难以满足、庞大的地面系统和地面工作量增加了运营成本、对地面依赖造成在轨任务不能及时实施且影响系统可靠性。因此,从好用、易用、安全、可靠的角度出发,设计具有HXMT卫星鲜明特点的自主规划、自主管理和自主保护功能,以提高卫星的科学观测效率、在轨生存能力、使用便捷性和与用户的直接交互能力,以及科学数据下传处理的及时性,确保任务科学产出最大化,同时降低地面运行的工作量,提高系统可靠性。这也正符合航天器向智能化、灵巧化方向发展的趋势。

本文从HXMT卫星的自主功能设计框架出发,重点对系统级自主功能进行研究,并通过在轨实施结果验证其应用效果。

1 卫星自主功能设计框架

HXMT卫星的自主功能基于系统顶层策划,以任务需求为目标导向,以星上、地面资源和使用条件为约束,采用分布式体系结构和模块化的设计思路,遵循可交互性、可服务性、开放性的原则[3],从智能规划、智能执行、故障检测与自主处理、系统重构等方面进行功能分级、功能交互关系以及信息流向设计,系统结构简化框架见图1。

HXMT卫星的自主功能分为系统级和子系统级两层。子系统级自主功能主要是分系统/子系统内部的故障监测诊断、处理与重构、规划与调度等,如数管分系统对遥测、时钟等关键接口电路的自测试与自诊断操作,控制分系统对陀螺、动量轮等部件的故障诊断与组态重构等。子系统级自主功能由各分系统/子系统独立实现,以即插即用的结构集成至整个卫星系统内,可根据需求灵活调整。

图1 HXMT卫星自主功能系统结构简化框架Fig.1 Simplified autonomous functions system architecture for HXMT

系统级自主功能是从总体层面进行系统的全局决策和处置,由星上多分系统联合,在不占用卫星太多资源和成本的基础上实现。HXMT卫星的系统级自主功能以任务需求为设计导向,以高用户直接交互能力、高自主性、使用灵活便捷和高安全性为设计目标,以数管计算机(主)和控制计算机(辅)为具体实施核心,各功能模块化分解和实现。同时考虑开放性与独立性的统一,在强调卫星内部自治的同时保留地面测控介入控制的能力,保障卫星安全[4]。HXMT卫星的系统级自主功能包括自主规划、自主管理、自主保护三大类12种,实行功能编号化管理,其中9种为全新设计,具体见表1。

表1 HXMT卫星系统级自主功能Table 1 System autonomous functions for HXMT

2 卫星自主功能设计与在轨验证

2.1 自主规划功能设计与在轨验证

1)观测姿态规划功能设计

HXMT卫星充分考虑科学观测需求、载荷热控约束、控制实施能力和地面数据处理的难度并兼顾整星能源需求,设计了巡天、定点、小天区3种采用不同姿态指向控制方式的观测模式,分别实现对整个天球的扫描覆盖、指定天体目标的定向深度观测和指定天区的深度扫描观测[5]。

HXMT卫星实现了基于模型的观测姿态在轨自主规划,观测过程中卫星的三轴姿态指向、扫描起点、扫描路径等,由星上根据观测模式、观测目标参数以及星载太阳历、星历,基于各模式下的观姿态确定模型在轨进行计算规划,并自主执行。设计上具有良好的用户直接交互能力,可直接提取地面观测计划中的观测参数进行规划并执行,提高了卫星易用性和可靠性。同时巡天模式通过自主的观测姿态规划,确保载荷视场始终不受地球遮挡,极大地提高了观测效率。

2)机动路径规划功能设计

不同观测目标、观测模式间的频繁切换,通过卫星的姿态机动来实现。为确保载荷性能可以进行连续观测,机动过程中也必须满足卫星与太阳相对关系约束,以防止载荷温度升高。

基于此需求,HXMT卫星实现了基于模型的姿态机动路径在轨自主规划,根据机动前后观测目标位置,结合观测姿态规划功能确定的卫星姿态,自主进行模式切换中的姿态变化过程规划并实施。

根据一次姿态机动实施过程中卫星的光照条件,将姿态机动划分为全地影机动(即整个姿态机动过程均处于地影区)和非全地影机动(即姿态机动过程中存在非地影时段,包括跨地影/阳照区机动和全阳照区机动)两类,根据每次姿态机动实施时机,兼顾太阳相对关系约束和最短机动时间,选择最优机动方式。

(1)全地影机动,采用一步机动方式完成,以最短机动时间和最短机动距离为优化目标,自主规划机动路径和机动速度。

(2)非全地影机动,采用分步机动方式完成,自主规划机动步数、机动路径和机动速度,在满足避太阳要求的基础上,以最短的机动时间为优化目标。

3)自主规划功能的在轨验证

截至HXMT卫星在轨运行1周年(2017年6月15日—2018年7月15日),星上自主执行了183个常规短期的观测计划、13个机遇目标的观测计划,完成了45个核心目标天体、22个银道天区、9次蟹状星云(Crab)总计1202次观测,同时还进行了多次巡天扫描。HXMT卫星核心科学目标源的观测已完成。目前,卫星基本保持着每天至少4～5个目标的观测频率[6]。

全部观测计划通过星上观测姿态规划和机动路径规划功能自主实施,得以及时、有效开展,载荷温度始终稳定处于工作范围内,平台、载荷功能性能均符合指标要求,卫星自主规划功能在轨应用效果良好,用户使用感良好。

2.2 在轨自主管理功能设计与在轨验证

1)载荷防污染功能设计与在轨验证

HXMT卫星中、低能望远镜探测较低能区X射线,探测信号弱且探测器在轨裸露安装,对有机物污染十分敏感。为防止卫星入轨后释放的污染物在中、低能望远镜探测器区域冷凝吸附聚集,危害望远镜的探测性能,HXMT卫星设计了载荷防污染的自主管理功能。具体是通过对载荷温度在轨监测、分析,实现中、低能望远镜探测器区域的自主加热控制,使得探测器区域主动处于局部相对高温。

由于污染物大量释放集中于入轨初期,且中、低能望远镜需要工作于极低温环境下,因此载荷防污染功能主要应用于中、低能望远镜首次开机前的入轨初期阶段。

2017年6月15日,卫星射前状态设置时载荷防污染功能开启。在轨结果表明中能探测器阵列与其辐冷板之间温差在6℃以上,低能探测器与其辐冷板之间温差在2.5℃以上,满足探测器阵列平均温度相对于辐冷板平均温度不小于1℃的要求。

6月19日,载荷防污染功能关闭,中、低能望远镜依次开机。后续获得的工程数据和科学数据结果表明,中、低能望远镜性能良好,低温状态下的探测器污染防护有效。

2)太阳翼偏置功能设计与在轨验证

为了使卫星供电设备在轨处于最优的工作状态,防止整星在轨实际功率需求与地面预计差异可能对供电设备造成的危害,提高卫星可靠性和寿命,HXMT卫星设计了太阳翼偏置自主管理功能。可根据整星在轨实际功率需求,设置太阳翼在轨偏置角度(太阳矢量与太阳翼法线的夹角),星上自主根据各种工作模式的姿态特点,自主实现太阳翼太阳偏置角度定向和跟踪管理。

飞控测试期间先后进行了两翼同向旋转偏置固定角度的同向10°、同向35°和两翼反向旋转偏置固定角度的差动35°的帆板偏置测试,并最终权衡能源、敏感器视场和姿态稳定性选择了差动35°偏置作为HXMT卫星在轨前期的长期设置状态使用。

在轨测试结果表明:通过对太阳翼偏置角度的合理设置,有效降低电源分系统单机和太阳翼的工作温度(见表2),同时实现了整星高精度姿态稳定度性能,优于指标要求一个量级,有利于卫星在轨可靠地稳定运行。

表2 太阳翼偏置35°前后电源分系统温度比对Table 2 Temperature comparison of powerequipments with solar panels offset before and after 35° ℃

3)南大西洋异常(SAA)区自主管理功能设计与在轨验证

HXMT卫星运行于43°倾角、550 km的圆轨道,在轨会频繁经过SAA区。SAA区的高能质子和粒子会对高能望远镜探测器的光电倍增管高压电源造成永久损伤,同时该区域高能粒子背景也会使中、低能望远镜及搭载的X射线脉冲星导航探测器的数据采集无法分辨。为防止设备辐射损伤,避免星上数据存储和用户数据处理不必要的负担,HXMT卫星设计了SAA区自主管理功能。

HXMT卫星的SAA区自主管理功能,有别于以往空间天文卫星只能依赖地面计算SAA区域并上注保护模式事件进行载荷保护的方式[7],充分利用星载设备实现了真正意义的在轨智能监测、决策及处置的自主管理。

具体是通过用于背景环境测量的粒子监测器(属于高能望远镜的一部分)和空间环境监测器对主要集中于SAA区的特定能区粒子进行监测,结合地面计算上注的进出SAA区时间,基于星载分析模型,自主判定卫星的进出SAA区时间并自主生成指令开启或关闭SAA区保护措施(即降低高能望远镜高压和停止中、低能望远镜及X射线脉冲星导航探测器采集)。

该功能支持星上空间环境监测器和粒子监测器自主监测阈值判定和地面上注时间判定3种判据的单独或组合使用,提高了在轨可靠性和使用灵活性。

卫星飞控测试期间,对SAA区自主管理功能进行了专项测试,并根据粒子监测器和空间环境监测器的实际在轨性能对功能模型参数进行修正,测试结果表明各种组合判据下对载荷设备的保护功能有效。

卫星在轨运行至今,SAA区自主管理功能作为长期在轨使用的自主管理功能处于3种判据同时开启状态,在此期间全部载荷在轨性能良好,SAA区保护措施有效实施。

4)数传天线在轨自主管理功能与在轨验证

针对卫星在轨无固定对地面,且过境姿态不确定的特点,HXMT卫星使用了2副半球天线全空间覆盖分时复用的数传方案,这就需要每次数传时根据卫星姿态选择对地条件好的1副作为当班天线。

传统的方法通常是由地面进行预报并通过指令上注延时执行的方式进行天线切换和数传通道的开关机操作[8]。但由于HXMT卫星有巡天和小天区2个扫描模式,地面预计比较困难,尤其是小天区观测模式还采用的是往复扫描的方式,且由星上全自主规划实施,不中断观测的情况下,地面预报的精度根本无法达到数据接收的要求。

为保证科学观测任务的连续实施、大量科学数据及时下传,降低地面长期运营的工作量,HXMT卫星设计了数传天线在轨自主管理功能,实现了巡天、定点、小天区3种姿态指向控制的空间观测模式下全自主的当班数传天线优选、切换以及数传通道的开关机控制管理。

数传天线在轨管理功能与地面具有良好的直接交互能力,可直接提取地面应用系统数传计划中的数传弧段、地面站调度结果、数据回放要求等信息,基于星载智能管理模型进行天线对地姿态预估、单次过境天线对地姿态变化趋势分析、当班天线决策和数传通道控制指令自主生成与实施调度。采用模块化功能划分,以数管计算机为调度核心,与控制、数传、数据记录分系统明确功能界面,功能模块通用化设计,便于修改和维护。

卫星飞控测试期间进行了15次数传天线在轨自主管理功能测试,全部由用户的数传计划发起,覆盖全部观测模式、地面站、数传天线使用方式和回放方式,所有轨次的数据均接收成功,地面接收正确没有数据丢失。测试结果表明,数传天线在轨自主功能在轨执行正确,地面应用-地面测控-卫星执行接口匹配,数传弧段利用率由地面控制时50%提升至70%。

卫星交付后,数传天线在轨自主管理功能作为长期运营的基本状态使用,极大的提升的科学数据下传的及时性和可靠性,降低了地面运控系统的工作量,用户使用感良好。

2.3 在轨自主保护功能设计与在轨验证

为了适应HXMT卫星科学载荷长期开机工作、在轨姿态复杂多变、载荷工作温度要求高、在轨自主动作多且直接由观测计划驱动、以及卫星轨道长时间连续不过境(每天连续12 h)等特点,卫星设计了6种系统级的自主保护功能,以提高卫星自主故障诊断、处理和生存能力。

载荷温度异常升高自主保护功能:设计来源于复杂在轨姿态下的中、低能望远镜的低温工作需求(中能望远镜－50～－10℃、低能望远镜－80～－42℃),实现了基于模型的中、低能望远镜长期自主的温度状态监测、异常升高状态诊断和判定,并自主生成指令中断观测任务实施整星对日保护措施,等待地面处理,以避免未知原因的温度异常升高对载荷造成不必要的损伤。

观测目标智能判断功能:设计来源于卫星全自主执行地面观测计划,而观测目标与太阳的夹角的观测时机约束必须通过观测计划制定的合理性来满足。为避免地面规划失误或误注错误指令导致卫星设备损坏,星上设计实现了观测目标指向轴(＋X轴)与太阳矢量夹角的在轨自主判断,若不符合观测约束则自主生成指令中断观测任务实施整星对日保护措施,等待地面处理。

GPS自主加断电控制功能:设计来源于科学载荷观测时间精度高度依赖于GPS秒脉冲输出,当GPS出现故障时,观测数据将失去其科学意义。为此星上设计实现了对GPS接收机工作状态的长期自主监测,并在发生故障时进行自主诊断和处置,对GPS接收机进行重启操作。

除了上述3种具有特色的自主保护功能外,HXMT卫星也具有防止蓄电池过充、过放的蓄电池充电控制主备切换功能和蓄电池放电深度保护功能,以及针对不同层级、不同故障原因的整星姿态失控的卫星自主安全保护功能。

卫星交付时,HXMT卫星的全部自主保护功能均已启用。卫星在轨运行至今,所有自主保护功能持续进行状态监视,未发生自主保护触发事件。

3 结束语

随着航天器数量大幅增长,长期在轨自主运行将是未来发展的必然趋势,航天器的自主功能设计会越发重要。HXMT卫星作为我国首颗X射线空间天文卫星,从设计之初即以任务特点和任务需求为驱动,从好用、易用、安全、可靠的角度出发设计了多种自主功能,其中9种为全新设计,且设计时充分考虑了用户的直接交互性、功能模块化设计以及通用性,易于用户直接使用、便于其他航天器借鉴和应用。HXMT卫星在轨一年多以来,自主功能应用效果良好,满足了用户对于卫星长期在轨运营的高观测效率、高可靠、高自主和数据下传及时、使用简便灵活的需求。

参考文献(References)

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