卫星在轨任务管理技术研究

白照广 陆春玲 左莉华 朱军 邸国栋 李志武 李永昌

(航天东方红卫星有限公司， 北京 100094)

卫星在轨管理一般由卫星方、运控方、测控方协同完成[1]。运控方根据用户的需求，统筹规划生成卫星的任务指令，发送给测控方。测控方通常有三大任务：①卫星遥测监视和异常处理；②例行的任务指令上注；③轨道与姿态的测量与控制[2]。随着航天事业的发展，在轨卫星数量越来越多，卫星方的任务在协同运控方、测控方进行有效载荷任务管理、卫星健康管理和异常处理的基础上[3]，越来越需要在卫星的最大效能、新功能、新用途、多星协同等在轨应用上创新，扩展卫星方的在轨管理工作内涵。结合实际应用，挖掘提升卫星在轨的应用价值，特别是不同种类国产卫星间的协同工作，更是在轨管理的新趋势。

目前，在轨管理的研究主要涉及航天器在轨管理支持平台建设[4]、航天器故障预测[5-6]、在轨健康管理[7]等方面，给出了航天器在轨管理、故障诊断、故障预测、健康评估和决策的研究进展，分享了导航卫星在轨运行分析与管理经验[1]。这些研究更多的是测控方、运控方维护卫星在轨稳定运行所开展的工作，而本文侧重卫星方在维护卫星稳定运行的基础上，更进一步开展卫星潜力挖掘，试验新功能、新用途及多项目卫星协同所进行的在轨任务管理技术研究。本文提出应开展在轨卫星“再完善、再开发、再利用、再设计”的“四再”工作，并以实例进行说明，希望能拓展卫星在轨管理工作的新领域，提升卫星在轨工作效能，形成卫星设计与使用间的互动，从而更好地促进卫星设计水平的提升。

1 卫星在轨管理概念与内涵

卫星发射入轨后，工作阶段一般包括在轨测试、卫星业务应用、寿命末期管理3个阶段。

(1)在轨测试，主要用于评判卫星功能性能符合研制要求的能力，可再分为在轨工程测试和在轨业务测试2个子阶段。在轨工程测试主要对卫星各单机健康状态、工作状态进行测试或设定，对整星功能和性能进行测试，评判卫星具备支持业务任务的能力。在轨业务测试主要对卫星的业务能力进行测试，包括有效载荷性能确认与精度评判、业务模式、运行能力等测试[8]。

(2)卫星业务应用，主要是为业务部门或用户提供服务。卫星方需要做好服务保障，一般包括：按用户要求进行必要的业务模式调整；按轨道或寿命运行情况进行卫星参数调整；根据故障发生情况进行故障处理[2]。

(3)寿命末期管理，包括延寿应用、退役及离轨管理。在延寿期间，由于卫星功能的衰退，卫星开展业务工作时需要结合卫星实际工作能力，优化卫星的业务工作量。例如：电源发电能力在寿命末期会逐渐降低，这时就需要不断优化或缩短业务有效载荷工作时间；退役后的卫星一般会降低地面测控跟踪次数；离轨管理需要实施变轨操作，并对卫星进行钝化处理[9]。

通过多年来对多颗在轨卫星管理工作的总结、分析，卫星在轨测试后，虽然已经将卫星设置为正常运行的最佳状态，并作为在轨卫星技术基线交付业务运行管理部门，但是在轨卫星仍然需要卫星方的关注。一方面，需要保证卫星业务运行能力的稳定；另一方面，需要通过在轨实际工作的考验[10]，不断挖掘设计与使用的不足，完善卫星的使用，促进卫星设计技术的不断发展。

卫星方的在轨管理概念是广义的，即在测控方、运控方维护卫星在轨稳定运行的基础上，由卫星方开展卫星潜力挖掘、试验新功能、新用途及多项目卫星协同等工作。其内涵是在全寿命周期的遥测、遥控、业务应用和异常处理等工作的基础上，基于在轨卫星的实际情况，开展卫星的“再完善、再开发、再利用、再设计”等拓展工作，并按照卫星在轨的工作进程逐步实施。“再完善”主要是针对研制要求之内，为了挖掘卫星潜力或余量，以最大效能实施业务应用；“再开发”是针对研制要求之外，为验证或试验新的功能及多项目卫星协同运行能力而进行的开发；“再利用”是研究卫星新的功能、新的用途；“再设计”是根据在轨卫星应用情况而改进后续卫星设计、“举一反三”、提升效能等。“四再”全面覆盖了卫星在轨管理工作，并且循序渐进，如图1所示。

图1 在轨卫星任务管理“四再”Fig.1 Four re-managements of on-orbit satellite mission management

在图1中：“再完善”是为了更好地完成研制要求；“再开发”是为了验证新的设计技术；“再利用”是为了寻求新的用途；“再设计”是为了后续卫星改进设计。这样可将在轨应用、拓展及后续发展关联起来，形成研制、应用、开发的有机统一。

2 基于最大效能的“再完善”研究

2.1 “再完善”场景分析

“再完善”主要是针对研制要求之内，为了挖掘卫星潜力或余量，最大效能地实施业务应用。通过对在轨卫星管理工作梳理，本文主要基于如下5个方面的情况，提出卫星在轨的“再完善”措施。

(1)余量。卫星设计参数一般有一定余量或裕度，释放出来有利于提升卫星业务效能。例如：有效载荷工作时间可以根据整星能量平衡的实际情况，适当延长。

(2)冗余。设备单机一般都有冗余，往往只在主份有问题时，才使用备份。目前，在轨小卫星已应用了主备交替使用策略，既不降低可靠性，又能监测备份工作情况，甚至能提升任务效能。例如：固态存储器主备份交替工作，可以使存储数据获取能力提高1倍。

(3)优化。根据在轨实际使用经验，为提高卫星任务效能或运行可靠性，可提出优化措施。例如：在表1中，根据实测的侧摆机动时间160 s,将侧摆等待200 s的指令间隔缩短为160 s,提高任务响应时效性。

(4)退化。卫星状态参数会随着卫星运行发生变化或衰退，需要不断调整卫星运行参数，使卫星一直处于最佳工作状态。

(5)非预期。卫星运行期间总会出现非预期事件，包括设计的不足及可能发生的故障，这些都需要及时对卫星状态进行调整。

2.2 “再完善”实例

在轨卫星挖掘余量、使用冗余、优化模式、寿命维护、改进非预期的典型实例，如表1所示。

表1 “再完善”实例Table 1 Re-improvement cases

3 基于新功能的“再开发”研究

3.1 “再开发”场景分析

通过对卫星方在轨任务管理工作梳理，主要基于如下3种场景提出“再开发”。

(1)潜力挖掘。针对新的或未来的需求，可以利用卫星的潜力开发一些新的功能，特别是针对软件的可维护性增加的任务功能。

(2)新技术演示。卫星的性能需要滚动提升，因此卫星的设计总要有一些新的技术。其中，部分新技术在地面的验证条件总是难以完全与实际在轨环境等效，在轨验证就显得十分必要。

(3)多星协同。随着卫星种类的增多及卫星寿命的增加，不同种类的卫星共同完成同一目标的情况越来越多，如灾害情况下的多星协同遥感。但是，这些卫星的有效载荷配置、轨道设计、运行管理都不会相同，因此需要调整任务计划、改变任务参数，甚至调整卫星的轨道，而上述调整必须在能力许可的情况下实施，因此需要开展“再开发”研究。

3.2 “再开发”实例

基于潜力挖掘、新技术演示和多星协同的卫星在轨“再开发”实例，详见表2。

表2 “再开发”实例Table 2 Re-development cases

图2 太阳翼展开及转动的在轨监测图像Fig.2 On-orbit monitoring image of solar array deployment and rotation

4 基于新用途探索的“再利用”研究

4.1 “再利用”场景分析

基于新用途探索的“再利用”场景，主要包括3个方面。

(1)已有功能，是指卫星本身具备、无需更改就能实现的卫星任务功能。它一般取决于用户部门对卫星任务能力认识的提高或投入的增加。例如：捕风一号卫星采用全球导航卫星系统反射计(GNSS-R)能够实现海风测量，也可以进行土壤湿度等测量，这需要任务规划、探测参数调整及应用处理的配合。

(2)开发的新功能，基于在轨“再开发”实现的新功能开展应用。“再开发”的功能应是经在轨验证成功的。例如，某卫星在轨对月成像功能试验成功，推动了对地遥感器的天基深空观测新功能应用。

(3)潜在功能及新用户，针对用户提出的新业务需求，开展研究与开发工作。例如：捕风一号卫星主要针对气象部门提供海表风场测量服务，随着应用的拓展，也可以为海洋部门提供海面有效波高、水位/潮位测量及洋流(流速)等服务。

4.2 “再利用”实例

表3是卫星在轨基于已有功能、开发的新功能和潜在功能的“再利用”实例。

表3 “再利用”实例Table 3 Re-use cases

5 基于后续卫星的“再设计”研究

5.1 “再设计”场景分析

“再设计”主要针对在轨卫星难以进行设计更改、需要在后续卫星研制中采取的新设计。经分析，主要场景如下。

(1)可靠性增长。在轨卫星发生的问题往往很难彻底解决，后续卫星需要针对问题情况开展新的设计。这方面是“再设计”的主要工作。另外，卫星在轨运行过程中，有时会暴露出不合理或有隐患的设计，往往很难在轨更正，需要在后续卫星中重新设计[18]。

(2)好用易用。对卫星在使用方面要求的表述一般不充分，特别是对新的用户或新的卫星项目，很难一步要求到位，卫星设计自然也很难一步做到好用易用，这就需要总结在轨实际运行效果，在后续卫星中采取改进设计。

(3)水平提升。通过总结在轨使用经验，结合设计师水平的提升和技术进步，后续卫星一般总会有一定的功能或性能的提升能力。

5.2 “再设计”实例

基于可靠性增长、好用易用和水平提升的一些“再设计”实例，详见表4。

表4 “再设计”实例Table 4 Re-design cases

6 几点建议

综上，为了进一步规范卫星方的在轨任务管理工作，提高卫星在轨应用价值，提出如下建议。

(1)将卫星在轨任务管理当作卫星研制工作的一部分，特别对新研卫星，应提供必要的保障条件。

(2)系统研究卫星在轨任务管理工作内容，建立在轨工作规范，完善卫星在轨管理组织职能。

(3)健全卫星延寿、寿命末期管理、离轨等标准要求。

(4)卫星的最终效能不但取决于卫星，也取决于其使用及应用，只有通过使用、应用的深入接触与迭代，才能更好地了解可用性需求，开展针对性设计。

(5)对月成像是实现地球轨道卫星无场辐射定标的趋势，建议后续遥感卫星增加天基对月成像功能；开展天地同步对月观测，并进一步业务化应用。

(6)增强遥感卫星协同设计。将按相机视场进行轨道回归特性的设计改变为按重访要求设计；应对轨道进行规定和制度化管理，实现不同卫星的加入或扩充；高分辨率卫星应增强姿态敏捷来提高卫星重访及与其他卫星的协同观测能力；卫星有效载荷规模应与数据传输能力、姿态敏捷能力相容，同时也要与其他卫星有效载荷参数匹配，以适用于应用数据融合需求。

7 结束语

本文通过总结、梳理卫星方对多颗卫星在轨任务管理经验，提出了“再完善、再开发、再利用、再设计”的“四再”在轨管理工作。通过挖掘卫星潜力和余量，延长有效载荷开机时间等“再完善”措施，可最大效能地实施业务工作；“再开发”试验了可视化遥测新功能及5颗卫星重构组网运行能力；“再利用”拓展了卫星对月定标新功能、新用途的应用；“再设计”实现了星上自动生成累计信息遥测等功能，可为后续卫星提供改进参考。在轨管理不仅仅是卫星的在轨健康管理，还应是卫星的进一步应用、拓展及开发。“四再”工作循序渐进，全面覆盖了卫星方的在轨任务管理工作，并将在轨应用、拓展及后续发展关联起来，形成研制、应用、开发的有机统一。通过进一步规范卫星在轨管理工作，能提升卫星在轨工作效能，并且形成卫星设计与使用间的互动，以更好地促进卫星设计水平的提升。