航天器在轨测试方法标准建设思路与实践

李国强 徐启

（1 北京跟踪与通信技术研究所， 北京， 100094；2 中国航空综合技术研究所， 北京， 100028）

在轨测试是航天器交付用户前的最后一个环节， 也是航天器验收最重要的环节。 通过在轨测试可全面获取航天器在经历发射直至入轨以后各种工作状态下的功能和性能指标参数。 相关测试数据一方面用于确认航天器的功能、 性能是否满足研制要求； 另一方面用于确认航天器与测控系统、 运控系统、 应用系统的接口协调性和匹配性， 进而确定航天器是否具备在轨执行任务的能力、 是否具备交付用户的条件。 经过多年的探索和实践， 我国已经在航天器在轨测试领域形成了一套成熟的运行机制和工作方法。 及时将工作经验和技术成果总结归纳形成标准， 对于规范、 高效、 准确、 安全可靠地开展后续航天器在轨测试工作具有重要意义。

1 国内标准现状

航天器在轨测试属于实操性很强的工作， 我们目前未检索到国外相关标准。 国内目前与航天器在轨测试相关的标准共28 份， 涉及国家标准、国家军用标准、 航天行业标准等。 通过分析， 现有28 份标准呈现出如下特点。

a） 现有标准主要以测试方法类为主， 侧重于航天器在轨测试工作的具体实施。 但这些标准的划分维度不统一， 标准化对象及技术内容存在部分交叉的情况。 其中， 有的标准是针对整星，如： GJB 9098 《航天器在轨测试方法》 系列标准； 有的标准是针对某一类卫星平台， 如： GJB 5831A—2019 《 地球同步卫星平台在轨测试规程》； 有的标准是针对某一类有效载荷， 如：GJB 9348—2018 《中继卫星有效载荷在轨测试方法》； 有的标准甚至只针对有效载荷的某一个测试项目， 如： QJ 20613—2016 《陆地观测卫星原始数据误码率在轨测试方法》。

b） 现有标准主要针对通信卫星、 导航卫星、遥感卫星、 载人航天器等主流航天器， 但具体到每一类航天器， 其覆盖面、 适用范围又不尽统一。 其中， 通信卫星标准只针对基于透明转发、基于传统卫星固定业务和卫星广播业务频段的通信卫星， 缺少针对高通量通信卫星、 移动通信卫星等新型通信卫星的内容。 导航卫星标准基于北斗二号制定， 除了单颗卫星的在轨测试， 还涉及星间链路在轨测试的相关内容。 遥感卫星标准划分较细， 从载荷类型来看覆盖了目前主流的光学遥感器和微波遥感器， 从用途来看覆盖了资源探测、 测绘等主要应用领域。 载人航天器标准相对完善， 覆盖了载人飞船、 空间站、 货运飞船。

我国航天事业正经历着前所未有的快速发展。 随着新技术新体制新方法的不断进步和应用， 应及时对现有航天器在轨测试方法标准进行补充、 修订和完善， 以保证标准的先进性、 适用性和可操作性。

2 标准建设思路

航天器在轨测试是航天器全生命周期大系统综合测试的重要组成部分， 也是对航天器功能和性能指标进行评定的重要手段。 航天器在轨测试需要对系统测试状态、 测试过程、 测试覆盖性、测试结果有效性等进行全面分析与评估， 仅靠简单地继承和借鉴其他型号经验、 多次重复测试是远远不能满足要求的， 需要通过标准对在轨测试工作的方方面面进行规范和引导。 而之前出版发布的关于航天器在轨测试的各级标准存在定位不尽清晰、 技术内容不够全面、 技术要求零散且交叉重复等问题， 对科学开展在轨测试工作的支撑力度不够， 不能完全满足任务需求。 因此亟需在总结以往航天器在轨测试工作经验的基础上加以总结和提炼， 针对在轨测试工作开展过程中存在的实际问题， 同时结合各类航天器在轨测试的发展趋势以及未来航天任务的新特点和新要求， 建立一套系统全面、 科学合理的航天器在轨测试标准。

针对上述问题， 航天器研制应用主管部门对航天器在轨测试标准进行了系统的论证和规划，确定了如下建设思路： 一是鉴于航天器种类较多，不同类型的航天器由于运行轨道不同、 执行任务不同， 在测试项目和测试方法上存在较大差异，因此需要针对每一类航天器分别制定在轨测试标准。 二是航天器在轨测试是一项复杂的工作， 涉及面广， 为了保证广泛的适用性， 标准需要覆盖在轨测试的所有技术内容。 同时为了方便技术人员使用标准， 不能把工作内容拆解过细， 应该把在轨测试做成 “大” 标准， 即将针对一类航天器在轨测试的所有技术内容整合在一份标准里。

经过多轮讨论和迭代， 规划确定了编制建设航天器在轨测试方法系列标准的方案， 针对不同类型的航天器， 该系列标准划分为通信卫星、 导航定位卫星、 气象卫星、 地球资源卫星、 测绘卫星、 深空探测卫星、 载人飞船、 货运飞船、 空间站、 星座等12 个部分。

3 标准建设实践

自2012 年起， 根据各类航天器在轨测试技术状态及需求， 结合年度技术基础计划论证， 中国空间技术研究院等航天器研制单位联合各类航天器用户分批次开展了该系列标准的制订， 《航天器在轨测试方法 第1 部分： 通信卫星》 《航天器在轨测试方法 第2 部分： 导航定位卫星》《航天器在轨测试方法 第9 部分： 载人飞船》 等7 项， 迄今均已完成编制。 其中 《航天器在轨测试方法 第2 部分： 导航定位卫星》 《航天器在轨测试方法 第9 部分： 载人飞船》 等4 项已于2017 年正式颁布； 其余3 项也已处于报批阶段。

为保证系列标准之间在框架结构、 名词术语、 表述方式、 技术内容颗粒度等方面的协调统一， 在标准正式启动编制前， 主办部门组织各编制组就标准的编写模式进行了集中研讨。 经过相关专家的共同讨论， 设计确定了该系列标准的编写 “模板”， 就标准框架结构统一划分为测试依据、 测试原则、 测试条件和时机、 测试系统、 测试项目、 测试方法、 测试报告等10 个章节。

其中 “测试原则” 对在轨测试应遵循的一般原则进行了总结， 包括： 先进行卫星平台测试，后进行有效载荷测试； 除卫星正常运行所使用的工作状态和工作模式外， 不再另行安排特殊条件下的测试； 不进行余量或适应性试验， 也不安排可能影响卫星可靠性、 安全性的特殊试验项目；卫星入轨过程中已验证的卫星功能、 性能指标不再重复测试等。 “测试项目” 和 “测试方法” 是编写的重点。 对于规定的每一个测试项目， 一方面说明其类型是卫星平台测试、 有效载荷测试，或是星地一体化指标测试； 另一方面还要说明其属性是必测项目， 或是选测项目。 在描述测试方法时， 对于功能检查类项目， 需要规定测试条件和主要设置， 落脚点应是检查某项功能； 对于性能指标考核类项目， 应从测试原理、 测试框图、测试步骤、 数据处理4 个方面进行详细规定， 落脚点应是获得某项具体指标。 在标准编制过程中， 各编制组还不定期地组织了多轮讨论， 就测试原则的表述方式、 平台测试项目的命名方式等共性技术内容进行协调统一。

4 部分标准的主要内容

对GJB 9098 航天器在轨测试方法系列标准中已完成编制和颁布的部分， 以下遴选有代表性的通信卫星、 导航定位卫星、 测绘卫星、 载人飞船和空间站等， 分别就其标准适用范围、 主要内容及确定依据等作简要介绍。

4.1 通信卫星

通信卫星作为最早投入应用的卫星类型， 发展最为成熟。 通信卫星的有效载荷由两部分组成： 转发器和通信天线， 其中转发器可分为处理转发器和透明转发器。 由于不同的处理转发器在功能、 性能指标及测试方法等方面均差异较大，不具备进行统一规范的条件， 因此标准中关于有效载荷的内容主要针对透明转发器， 测试项目包括等效全向辐射功率 （EIRP）、 接收品质因数（G/T）、 幅频特性、 群时延特性、 天线 方向图等。 对于处理转发器仅给出了测试项目， 对具体的测试方法未作明确规定， 建议按用户要求进行测试。 另外， 由于不同通信卫星的用途不同， 在轨要求差异较大， 为保证标准的通用性， 对测试过程中相关参数的取值未做强制要求， 仅给出了推荐值供参考， 具体实施时应按在轨测试大纲和在轨测试细则中的要求执行。

4.2 导航定位卫星

导航定位卫星部分的制定以已建成的北斗二号区域导航卫星的测试项目为基础， 也包含了后续备份补网卫星所涉及的测试项目， 同时还涉及北斗二号全球导航卫星可能涉及的测试项目， 因此其技术内容如星间链路部分具有一定的前瞻性。 关于测距精度的测试方法选择， 由于星地时间比对载荷和星间链路的测距精度是由测距随机误差和通道时延不确定度两部分构成， 卫星实际在轨工作后， 卫星上行测距值和星座构型随卫星运动会产生相应变化， 难以定量给出通道时延不确定度。 因此标准中采用双通道接收地面同一信号源发射信号进行测距， 通过测得的测距随机误差来评定星地时间比对载荷和星间链路的测距精度。

4.3 测绘卫星

测绘卫星的种类较多， 按照有效载荷可分为光学测绘卫星、 微波测绘卫星、 重力测绘卫星以及磁力测绘卫星等多种类型。 其中光学测绘卫星已在轨应用多年， 按照数据传输的方式可分为返回式和传输型， 其中传输型测绘卫星是目前的主流模式， 早期的返回式测绘卫星已退出历史舞台。 因此本标准聚焦于传输型光学测绘卫星的在轨测试。 因目标定位精度、 辐射定标精度、 在轨标定精度、 数传系统误码率等测试项目不仅与星上有效载荷性能相关， 还与地面应用系统关系密切， 属于星地一体化指标， 因此标准对测试项目分类进行了优化， 新增了星地一体化指标这一类别。 另外， 考虑到相对于其他类型遥感卫星， 测绘卫星具有对几何特性、 定位精度有更高要求的特点， 标准将定位精度进一步细化为绝对定位精度和相对定位精度， 同时还增加了摄影测量参数几何定标等测试项目。

4.4 载人飞船

载人飞船的任务特点与卫星存在较大差异，一是载人飞船的任务为完成交会对接并安全返回， 没有交付用户的概念； 二是载人飞船飞行全过程均为任务阶段， 没有专门的在轨测试阶段。载人飞船的在轨测试目的在于提前验证关键功能、 性能正常， 确保可靠完成3 项任务： 交会对接、 停靠和返回。 由于载人飞船一撤离就进入返回准备状态， 撤离后没有专门的时间进行返回测试， 返回任务的在轨测试项目也在停靠阶段进行， 因此停靠阶段的在轨测试需要全面覆盖飞船的关键功能与性能， 包括信息管理、 姿态与轨道控制、 能源管理、 人机环境和交会测量等。 而交会对接阶段的在轨测试则只针对交会测量设备、空空通信设备、 执行机构等关键设备。

4.5 空间站

空间站属于长期在轨自主飞行、 长期有人照料的空间飞行器， 在轨飞行过程中长期处于长管模式的自主运行阶段， 需要利用在轨测试对平台功能进行检查； 同时， 空间站需要支持交会对接、 航天员出舱等专项任务， 在执行任务前需要对相应功能进行在轨测试， 以确保顺利开展后续任务。 空间站的在轨测试适用于空间站系统的各个舱段 （包括核心舱、 实验舱等） 及其组合体，涉及空间站控制与推进、 能源、 信息、 舱体结构、 热管理、 载人环境、 交会对接、 组装建造、出舱活动支持、 空间应用支持等分系统及功能。相比于卫星， 空间站有效载荷的种类繁多， 且处于动态变化中， 因此标准未规定有效载荷的测试项目。 但考虑到空间站后续将装载大量应用载荷， 为保证空间站与应用载荷的兼容性， 标准中对空间站与应用载荷支持接口的测试进行了规定。

航天器在轨测试方法标准不仅规定了航天器在轨测试的指标体系和对应的检验方法， 同时还规定了各大系统间的工作界面和任务分工，在实际工作中具有重要的作用， 是制定航天器在轨测试大纲、 在轨测试细则等操作文件的重要依据。 航天器在轨测试的测试项目较多， 航天器在轨测试方法标准确定了测试项目的基线，明确了哪些测试项目是必测项， 哪些是选测项，哪些是不测项， 可有效保障航天器在轨测试的底线和降低在轨测试的风险， 从而在保证航天器安全性和可靠性的前提下， 最大限度获得航天器在轨状态下的性能指标数据。 航天器的种类较多， 即使是同一类卫星， 由于执行的任务不同， 在轨测试的具体实施也存在较大差异，对于某一个测试项目可能存在多种测试方法，不同的测试方法又有其对应的使用场景。 航天器在轨测试方法标准明确了各测试项目对应测试方法的选用原则， 可以保证测试数据的有效性和准确性， 有利于对航天器在轨测试结果进行有效分析和准确评价。