中国空间站分布式运行控制模式

2023-12-27张国亭

载人航天 2023年6期

李瑭，张国亭，万鹏

（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

1 引言

2022 年11 月，中国空间站T 字型三舱组合体建成，标志着太空实验室投入使用。空间站面临长达10 年以上在轨运营，长期在轨期间需要开展大量的在轨活动，包括航天员轮换、出舱活动、轨道维持、载荷实验与应用等，具有飞行事件密集、参与单位众多、协同关系复杂等特点，需统一进行事件规划和航天器平台运行管理和控制、载荷管理和控制、航天员支持保障等，即进行运行控制。

在空间实验室甚至更早的载人航天任务中，任务准备时间长、任务实施周期短，采用集中式飞行控制组织模式，航天员、航天器、空间应用等各相关系统人员在航天飞行控制中心集中执行飞控任务［1］，监测相关状态，讨论控制策略，确认控制数据，协商解决问题，较好地保证了飞控任务的可靠性和安全性。

空间站作为有人在轨的大型系统工程，任务周期长、发射返回频度高、任务状态更动频繁，运行控制实施和发射、返回、航天员出舱等任务准备长期并行，对运行控制的可靠性、安全性和实施效率均提出了更高要求，运行控制工作面临前所未有的挑战和压力。原有全程集中式工作模式难以适应空间站长期有人在轨的任务特点，需要在确保安全、可靠的前提下，探索更为高效、灵活的运行控制模式。

本文以中国空间站高效、可靠、安全运行管理的需求为导向，提出了以5 类中心（运行控制中心、航天员中心、航天器中心、载荷中心、规划中心）为主体，具备容灾备份能力和碎片预警能力的分布式运行控制体系。主要内容包括国际空间站运行控制模式、中国空间站分布式运行控制总体思路和体系架构、分布式运行控制系统工作模式和发展重点。

2 国际空间站运行控制模式

参与国际空间站运行控制工作的任务中心主要有7 个，采用分布式结构［2］。实施过程中，相关任务中心联合对空间站进行运行控制操作。

1）约翰逊航天中心。位于美国休斯敦，负责整个国际空间站的操作和安全运行，以及所有NASA 组件的发射、对接和组装。

2）有效载荷综合操作中心。位于美国亨茨维尔的马歇尔航天中心，负责协调所有NASA 有效载荷的操作、规划和安全。

3）莫斯科飞行控制中心。位于俄罗斯莫斯科，负责俄罗斯组件的发射、对接和组装，并负责NASA 在拜科努尔发射场的发射任务。

4）哥伦布实验舱控制中心。位于德国奥伯法芬霍芬，负责控制欧空局哥伦布实验舱，监测、控制哥伦布号实验舱的技术系统以及有效载荷；提供和操作配套的互联地面子网；协调国际空间站上的欧洲有效载荷的操作［3］。

5）自动转移飞行器（Automatic Transfer of Aircraft，简称ATV）控制中心。位于法国图卢兹，负责控制欧空局的货运飞行器。

6）日本筑波宇宙中心。主要负责控制日本的H-2 转移飞行器（H-2 Transfer Vehicle，简称HTV），并为日本空间实验舱运行和空间实验提供支持。

7）移动服务系统操作中心。位于加拿大的魁北克，负责监测空间站上的机械臂。

7 个中心按照分布式架构密切协同，共同完成国际空间站运行控制工作。其中，约翰逊航天中心最为重要，负责协调空间站的所有活动，统一集成平台+载荷的飞控需求和在轨服务规划［4］，定期制订综合性的飞行控制计划，其他控制中心发往空间站的指令均由该中心审核并统一发送。其他中心负责监测所属产品的状态和处置产品故障，并在整个运行控制过程中提供技术支持。

国际空间站运行控制工作具备较强的的容灾备份能力。在运行期间，约翰逊航天中心对空间站的运行具有全部权力［5］，约翰逊航天中心和莫斯科飞行控制中心对其各自的舱段提供飞行控制。如果需要，在应急状态下，双方还有互为控制中心备份的能力。每个中心均配备有另一个中心的应急支持团队，一旦一方的控制中心遭受灾难，另一方将接管空间站的控制［6］。

3 中国空间站运行控制总体考虑

3.1 总体思路

为充分发挥载人航天各方力量优势，在确保航天员、航天器安全和飞控任务可靠实施的前提下，本文提出优化一种模式、建好一个平台、形成新型机制的总体思路，逐步实现任务高效准备、长期自动运行，现场少人值班、远程有机联动，以适应空间站任务有人长期在轨和高频度发射返回的形势。

优化集中与分布相结合的运行控制模式，在发射与早期轨道段、部分关键任务段采用适当集中+分布式的技术支持模式；长期运行段采用分布式联合运行控制模式。建好分布式运行控制平台，统一运控信息呈现、进程监控、数据共享、联合确认等。建立高效可靠的运行控制组织管理体系与远程会商、决策指挥机制，支撑早期集中、长期分散的新模式。

此外，在运行控制体系长期执行空间站任务的场景下，为了规避部分节点遭受意外灾害导致系统瘫痪的风险，在其他地区的备份系统应具有尽快恢复能力，接续对在轨空间站提供运行控制支持。

3.2 体系架构

中国空间站运行控制体系按照业务类别划分，同一类业务在同一个中心集中统一管理，不同类业务分别由不同中心管理。该体系由彼此联系、职能相对独立的5 类中心组成，如图1 所示。

图1 分布式运行控制体系架构Fig.1 Architecture of the distributed operation control mode

1）规划中心负责制定中长期任务规划，以及包含航天员、有效载荷、空间站平台等在轨活动的月事件计划；

2）运行控制中心负责运行控制任务的组织指挥和统一调度，组织制定飞控实施计划，监测、控制空间站在轨运行状态，负责航天器轨道控制和姿态模式控制；

3）航天员中心负责航天员在轨活动支持、健康状态监测等；

4）航天器中心负责空间站、载人飞船、货运飞船等载人航天器在轨支持，对平台运行状态进行评估和预警；

5）载荷中心对空间应用资源进行统一管理，负责实验操作，监测载荷实验与在轨应用基本状态。

此外，在体系架构设计时，还需要考虑以下方面问题：

1）容灾备份问题。容灾备份问题不容忽视，应在异地设立空间站运行控制的备份体系，形成以分布式为特征并具有容灾备份能力的空间站运行控制体系。

2）状态验证问题。考虑到空间站长期有人在轨，技术状态更动频繁，将数字空间站纳入分布式运行控制体系，能够协助各职能中心先期开展机械臂转位、出舱活动、推进剂补加等关键事件验证和故障处置对策验证，为关键任务实施和应急处置提供有力支撑。

3）安全运行问题。空间站运行的轨道空间存在大量空间碎片或其他航天器，需要将空间碎片碰撞预警机构纳入运行控制体系，建立碎片预警和规避能力，确保空间站和航天员在轨安全。

4 运行控制工作模式

4.1 不同任务阶段运行控制模式

空间站任务阶段包括关键任务段和长期运行段，拟采用集中式和分布式相结合的联合运行控制模式。关键任务段采用人员适当集中+分布式技术支持的新型集中式运行控制模式，长期运行段采用分布式联合运行控制模式。其中，关键任务段是指发射返回、交会对接、航天员出舱活动等。

关键任务段运行控制模式的核心为精简现场集中、强化远程支持、高效组织实施。实施要点如下：①骨干人员现场集中，确保安全。各相关系统派驻必需的指挥决策和关键岗位技术负责人，组成精干的试验队，在现场参与重大决策和应急处置；在重要控制事件实施前，集中组织会议进行研究决策，确保关键飞控任务安全、可靠实施。②充分发挥各支持中心作用，高效联动。各相关单位专家团队、技术骨干分别位于航天员中心、航天器中心、有效载荷运行管理中心，充分利用分布式运行控制环境在后方提供状态监测、注入会签、远程会商等必要的技术支持，有机联动，形成合力。

长期运行段运行控制模式的核心为现场少人值班、状态定期评估、控制远程复核、异常自动告警、预案远程会签。实施要点如下：①分布式协同飞控。各大系统利用分布式飞控环境完成远程会签确认和决策会商等工作，也可以派少量人员在运行控制中心轮流值班；运行控制中心现场仅保留少量值班人员，与各中心远程协同飞控。同时，在运行控制中心建设新型综合态势系统，实现值班员快速认知、全面掌握空间站运行状态、工作计划、任务进程等。此外，当信息安全保障条件具备时，发展移动飞控终端，将分布式飞控进一步延伸为远程、移动式决策支持，更好地适应突发事件。②自动运行，快速应急。运行控制中心任务系统采用自动运行的方式，自动判断飞行状态异常并自动告警，原则上自动从故障预案数据库中调用处置程序，经由运行控制中心与相关中心远程方式确认后，实施处置。③远程会商，高效决策。针对常规控制不再采用现场会议决策方式，根据规则独立自动化实施；对重要控制事件，由运行控制中心和其他中心利用分布式飞控环境对相关控制参数进行远程复核和会签。

4.2 分布式运行控制业务实施流程

分布式模式下的各运行控制业务流程如下：

1）飞控实施计划制定与实施。运行控制中心根据规划中心确定的月事件计划，组织各相关支持中心，通过分布式运行控制系统协同完成飞控实施计划制定，并发送各支持中心作为工作实施的基本遵循。

2）航天器及在轨航天员飞行状态监测与控制。包括：①任务状态监测。运行控制中心监测航天器平台状态，航天器中心同步监测航天器平台状态，并利用航天器健康管理系统进行状态评估和故障诊断等；载荷中心监测有效载荷的飞行状态，航天员中心监测航天员在轨状态。②上行控制。运行控制中心按照飞控实施计划进行上行控制，发送相关指令和注入数据。任务中使用的上行数据核校与会签由运行控制中心组织，采用运行控制中心向各支持中心部署的分布式数据核校与会签系统完成。注入数据会签程序均由运行控制中心发起，相关方飞控人员采用本系统的专用软件完成核校后提交结果。③决策会商。任务中通过分布式协同会商系统进行决策会商，监测控制相关的重要试验文书通过运行控制中心统一部署的分布式决策软件进行传递。

3）有效载荷飞行控制。载荷中心负责有效载荷状态监视与控制工作，按照飞控实施计划生成上行控制数据或控制指令代号，并发送至运行控制中心，运行控制中心进行控制数据组帧，并通过分布式注入数据会签软件组织有效载荷中心、航天器中心等会签后向空间站发送。

4）航天员在轨支持。航天员在轨工作由运行控制中心统一指挥，专业支持和航天员生理支持由航天员、航天器、有效载荷等相关中心经由运行控制中心进行。

4.3 运行控制体系容灾备份模式

主中心和灾备中心的工作模式如下：

1）系统运行模式。容灾需求主要包括功能需求、性能需求和数据需求［7］。在发射返回、交会对接等关键任务段，异地灾备中心以热备份方式运行，即与主中心同步运行，但不进行任务控制相关工作；在长期运行段，异地灾备中心以冷备份方式运行，不进行任务控制，不进行数据处理。

2）数据同步模式。天地基测控网的数据同时向运行控制主中心和灾备中心发送，运行控制主中心产生的规划计划等信息定期向灾备中心备份，保持2 个中心数据同步；灾备中心不向天地基测控网发送控制数据。主中心遭受灾害切换后，由灾备中心向天地基测控网发送控制数据，天地基测控网切换接收数据方向。

3）状态同步模式。主中心定期向灾备中心同步控制执行等情况，2 个中心软件同步升级，确保灾备中心与主中心技术状态同步。

4.4 分布式运行控制系统发展重点

分布式运行控制系统重点发展建设的内容如下：

1）分布式运行控制平台。建立连接运行控制中心和各相关中心的具有统一架构的分布式运行控制平台（图2），提供指显页面共享、联合任务规划、注入数据会签、远程数据查询、发令／邮件发送／网络数据发送／天地通话申请等业务，提供远程决策会商等手段，能够充分发挥航天器、航天员等各系统支持力量，联动开展日常飞控工作，是长期可持续、可靠遂行空间站运行管理任务的良好途径。分布式运行控制平台由分布式监控显示、分布式任务规划、分布式数据会签、分布式决策支持等主要模块组成，具体如下：①分布式监控显示模块。运行控制中心向各相关中心推送分布式监控显示数据产品，包括遥测数据、轨道、控制、预报、计划、航天器综合状态数据产品、运控配置文件等数据或文件。②分布式任务规划模块。运行控制中心与其他4 个中心间传递飞控需求申请（遥控指令、注入数据等）、平台可用资源、航天员人时可用资源、测控可用资源等，明确飞控事件对应的月事件。③分布式数据会签模块。能够根据相关计划自主调度启动数据会签功能，向相关人员推送会签流程启动信息，数据生成相关输入齐备后，由系统调度注入生成功能，自动完成数据生成与校核，参试单位通过分布式任务系统软件进行远程核校，并完成会签流程，会签结果返回运行控制中心进行实施。④分布式决策支持模块。将任务规划结果、航天器重要状态信息报告、运控支持材料等重要实施文书发送至相关单位，辅助进行远程决策，完成会签、审核及确认工作。

图2 分布式运行控制平台Fig.2 The distributed operation control platform

2）容灾备份系统。在异地建设运行控制体系的容灾备份系统，要求硬件配置规模适当，功能上可与主系统对等，或在满足基本运行控制需要的前提下适当简化，最为重要的是要具备状态同步功能，保证与主系统协调匹配工作。

3）航天器健康管理系统。建立航天器健康管理系统，为运行控制提供航天器状态评估、异常分析、故障诊断、维修维护等技术支持，各相关中心可实时访问航天器历史数据、故障与预案数据库等。

5 国内外情况对比

国际空间站的运行控制体系由7 个中心组成，各中心的职能划分主要是出于国际合作的需要，并非按照不同类别业务进行分布式管理。中国空间站的运行控制体系由5 类中心组成，各中心构成彼此联系、职能相对独立的分布式结构。2 种分布式运行控制体系的对比如表1 所示。中国空间站运行控制体系更有利于航天器平台、航天员、有效载荷的统一管理和分布协同，分布式架构更优。