航天系统工程中的操作概念

2020-02-18柴建国北京跟踪与通信技术研究所

国际太空 2020年1期

柴建国（北京跟踪与通信技术研究所）

操作概念是在一个系统的设计之初对系统中所用到的所有操作及其之间的接口关系进行定义的文件，该文件有三个作用：通过这个定义可以向客户说明其设计的系统能够达到的期望结果；作为系统顶层定义文件，指导系统设计；系统的下层操作文件基于操作概念进行编写。在大型系统工程项目中，操作概念文件的编写是非常重要的，有利于指导项目的设计人员围绕项目的顶层目标进行系统设计。本文基于遥感卫星项目介绍航天系统工程中的操作概念。

1 引言

在大型系统工程项目中，操作概念文件的编写是非常重要的，有利于指导项目的设计人员围绕项目的顶层目标进行系统设计。

在操作概念的指导下，设计人员要编写详细的系统操作程序，包括系统出现故障后如何进行应急处理的操作程序。在系统出现预测中的故障的时候，操作人员只要按照相关的操作程序进行处理就可以了，不需要把许多技术人员临时召集起来进行分析讨论。

操作概念是对系统中相关操作的顶层定义，因此首先要对系统的顶层目标进行定义，比如对于一个遥感卫星项目，系统的目标包括以下几个方面：

1）给未来客户提供遥感图像产品；

2）要提供一颗遥感卫星；

3）要提供一个数据接收站来接收卫星下传的遥感数据；

4）要提供一个数据处理中心，处理遥感数据生成图像产品；

5）要提供一个任务中心来管理和协调客户的需求和产品获得及提供；

6）要提供一个卫星控制中心来管理控制卫星；

7）要提供测控站对卫星进行测控；

8）其他功能备份设施。

系统的目标确定之后，系统中应该包括的功能划分及分系统就可以明确了，各分系统之间的接口关系也可以明确下来。

操作概念所包括的时间跨度跨越整个项目的寿命期，从项目开始研制到项目的寿命结束，包括了在系统整个寿命周期中所有的操作事件。对于一个遥感卫星系统，其操作事件可以划分成以下几个阶段：

1）卫星发射之前；

2）发射及早期轨道阶段；

3）系统现场功能测试及开通阶段；

4）系统运行阶段；

5）卫星离轨。

2 卫星发射之前的操作事件

卫星发射之前的操作包括了从项目合同签订后到卫星发射之前这个阶段的所有操作事件，这些事件主要由项目承包商负责完成，用户负责参与及监督。其操作包括：

1）研制一颗遥感卫星；

2）研制卫星测控系统；

3）研制卫星数据接收处理系统；

4）研制火箭；

5）发射场工作准备；

6）卫星测控系统现场安装测试；

7）数据接收处理系统现场安装测试；

8）整个地面系统的调试测试；

9）发射前对接测试；

10）发射前测控系统演练。

在这个阶段用户需要参与的操作事件包括：

1）卫星及地面设备研制过程中的一些关键的评审；

2）卫星研制过程中一些关键测试；

3）地面设备研制过程中的一些关键测试；

4）系统操作培训；

5）合同中规定的其他操作事件。

3 发射及早期轨道阶段的操作事件

这个阶段从发射倒计时开始，包括发射和主动段、轨道注入、星箭分离、卫星变轨及到达最终轨道。期间两个控制中心将参与控制工作，发射场卫星控制中心及早期轨道段卫星控制中心。期间还要完成卫星平台的在轨测试，由卫星制造商负责完成。

卫星控制中心负责接收遥测并对卫星状态进行监视，在星箭分离之后还要监视卫星的太阳能帆板展开和卫星天线展开。同时还要对卫星进行轨道测试并完成预定的轨道机动控制操作。

用户的地面测控系统也将参与对卫星的跟踪及接收遥测，数据接收系统也将跟踪卫星并接收数据。

用户的操作人员负责对地面设备进行操作，承包商的技术人员负责现场技术支持。

这个阶段对卫星的控制在早期轨道段卫星控制中心进行，用户的控制中心只能进行跟踪及接收遥测，不能对卫星进行控制。在这个阶段完成时，对卫星的控制从早期轨道段卫星控制中心转移到用户的地面测控中心。

4 系统现场测试及开通阶段的操作事件

这个阶段从早期轨道阶段结束到系统正式开始使用。主要操作事件包括系统端到端测试及遥感图像校准。端到端测试由任务中心发起，卫星和测控系统、数据接收处理系统参加。图像校准包括辐射校准和几何校准。

这个阶段系统操作由用户操作人员负责，承包商人员负责技术支持及数据分析和部分关键操作。对卫星的所有控制操作都必须经过卫星制造商书面批准，所有的操作都必须按照操作文件及培训给出的操作步骤进行。

5 系统运行阶段的操作事件

这个阶段占据了整个卫星寿命期间，也是系统主要的操作阶段，是给潜在客户提供正式服务的阶段。主要操作集中在保障卫星安全、保障系统正常运行和为客户提供图像产品上。主要操作事件包括：

1）日常操作；

2）紧急任务操作；

3）校准操作；

4）卫星轨道维持；

5）卫星碰撞规避；

6）打补丁和应急操作。

日常操作

日常操作包括以下几个操作场景：

1）接到客户图像需求，图像中心操作人员查看存储的图像，如果有满足客户的图像产品，则直接把存储的产品提供给客户；

2）接到客户图像需求，图像中心操作人员查看存储的图像，如果没有满足客户要求的图像产品，则任务中心安排计划完成图像拍摄和产品生产；

3）没有客户需求，任务中心可以根据对市场的预估安排拍摄计划，生产部分产品以满足未来客户需求。

产品生产操作流程：

1）卫星控制中心根据测控系统对卫星的跟踪数据确定卫星轨道；

2）卫星控制中心把卫星轨道数据送到任务中心；

3）任务中心根据卫星轨道及客户需求安排拍摄任务计划；

4）任务中心把拍摄计划发到卫星控制中心；

5）卫星控制中心对拍摄计划进行检查，确认计划可以执行；

6）卫星控制中心根据任务计划生成卫星控制数据块；

7）卫星控制中心把控制数据块上注到卫星；

8）卫星根据指令完成拍摄，并下传图像数据；

9）数据处理中心对收到的数据进行处理生成产品；

10）把产品提供给客户。

遥感卫星每天过境可见弧段为4～5轨，一轨最长703s，最短51s。对于方位俯仰座架天线，在卫星仰角高于83°的时候，天线将自动由自跟踪转到程序引导，低于83°时再转到自跟踪。

在上午卫星第一次过境时，控制中心将把地面计算的卫星轨道数据上注到卫星。

任务计划生成：第二天的任务计划在任务中心收到卫星控制中心发来的轨道数据后生成，然后在当天晚上第一轨过境之前任务中心把计划发给卫星控制中心，卫星控制中心把生成的控制数据块在晚上第一轨过境时发到卫星上。

紧急任务操作

紧急任务主要是指任务中心接到一个紧急的拍摄任务，需要把这个任务插入到已经计划好的任务之前。紧急任务操作流程如下：

1）任务中心在接到一个紧急任务后，首先需要计算这个任务的优先级别，优先级别和客户的优先级以及任务的紧急程度有关。如果不能接受该紧急程度，则拒绝任务，如果可以接受其紧急程度，则需要修改前面的任务计划；

2）任务中心修改任务计划；

3）修改后的任务计划必须要在前一个计划被上注到卫星前15分钟发送到卫星控制中心；

4）卫星控制中心在上注第二天计划之前收到新的计划，则将用新的计划代替原来的计划；

5）已经上注的计划在没有开始执行之前可以被檫除，用新的计划代替旧的计划。已经开始执行的计划不能被檫除。

校准操作

卫星图像校准包括几何校准和辐射校准。

几何校准主要有两个目的：

1）校准相机方向与卫星跟踪方向之间的角度；

2）校准相机安装位置和卫星轴线之间的角度。

辐射校准主要有以下几个目的：

1）相对校准；

2）绝对校准；

3）条带校准；

4）多时段校准。

卫星轨道维持

轨道分析计算软件对卫星轨道进行计算分析。如果发现卫星轨道偏离超过一定范围，则利用控制软件制定控制策略，对卫星进行轨道控制机动。控制中心在进行轨道维护之前应通知任务中心，在这段时间不能进行任务拍摄。完成轨道机动后，把新的轨道数据上注到卫星。

卫星碰撞规避

对于低轨卫星，由于相同轨道高度上的卫星比较多，卫星之间碰撞的风险还是比较大的，我们的用户也都一直在提出这个问题。如何才能躲避碰撞，保障卫星安全，是一直在研究讨论的问题。实际上到目前为止，真正发射碰撞的事件并不多，因此国际上并没有形成一套完善的标准做法。一般都由卫星用户或制造商进行关注并在紧急时刻采取一定的规避措施。

对于我们整星出口项目中的卫星，我们原先设想的策略是由用户提供卫星当前轨道位置，我方负责计算潜在的碰撞风险并通知用户，再由用户给出卫星机动策略，由我方确认用户给出的策略，最后由用户实施卫星机动。但后来发现这个策略有缺陷，主要是用户没有足够的能力提出卫星机动策略。新的策略还在讨论中。