高分三號衛星發射前狀態設置的優化

安亮 于忠江 侯銳 王華茂

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分三號衛星發射前狀態設置的優化

安亮 于忠江 侯銳 王華茂

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

歸納了高分三號(GF-3)衛星發射前狀態設置與監視的工作,介紹了使用自動化測試工具的優點,并闡述了應用該自動化測試工具實施發射前狀態設置工作的方法,給出未簡化發射前狀態設置流程的前提下,將5 h工作項目壓縮至3 h完成的優化方案。通過GF-3衛星發射場試驗的數據對方案進行了驗證與測算,實踐證明該方案可行,具有可靠性高、規范性強、動作執行時長受控的優點,將GF-3衛星發射前狀態設置時間減少了40%,對后續遙感衛星乃至各類航天器射前狀態設置工作具有借鑒意義。

高分三號衛星;發射;狀態設置;流程優化

1 引言

根據衛星運行軌道、自身質量和應用需求不同,遙感衛星一般會選擇相對應的運載火箭和發射基地執行發射任務。目前,我國已發射的遙感衛星基本以長征二號和長征四號運載火箭為主。按照測試發射工藝流程,遙感衛星在發射基地要完成一系列自身測試檢查以及與運載火箭之間的聯合檢查,同時,衛星在發射當天還須完成發射前的狀態設置和監視[1]。其中,衛星在發射前的狀態設置與監視對于衛星成功發射至關重要:須在保證準確、可靠地進行設置的前提下在規定時間內完成動作,同時要全面監視衛星的健康狀態,及時提供支撐運載火箭發射工作開展的信息。遙感衛星功能愈加復雜也給發射前狀態設置與監視帶來了新的挑戰和思考。

衛星的發射流程和工作時機受到火箭測試發射模式制約,當前國內外的運載火箭在路基發射場內主要有二平二垂模式、一平二垂模式、三垂模式和三平一豎模式,其中三垂模式和三平一豎模式可以將發射時間縮短到2～3天,已實現航天器快速發射[2]。當前,我國運載火箭平均發射時間為9～12天,其中,有部分時間用于衛星測試和健康檢查,特別是在發射前要進行詳細的狀態設置與監視,因此,為了提高衛星快速響應能力,在優化運載測試發射模式的同時,也需要優化衛星測試發射模式和流程,提高衛星發射前狀態設置的工作效率。

在我國遙感衛星領域,傳統執行發射任務衛星須綜合考慮準確、可靠完成狀態設置所需要的時間,均遵循發射前5 h加電的工作流程。在5 h中安排以星地狀態確認、衛星加電、部件預熱、蓄電池補充電、衛星健康檢查、軟硬件狀態配置、星體表面操作設置以及撤收測試設備為主的任務作為關鍵步驟。根據我國遙感衛星多個型號發射經驗,當前遙感衛星在發射前狀態設置上花費的時間較長。測試發射人員需要提前6～7個小時開展衛星發射準備工作,人員容易處于疲憊狀態,給衛星發射帶來了不確定風險。同時,長時間準備工作也降低我國遙感衛星快速響應發射的效率。

本文對執行高分三號(GF-3)衛星狀態設置與監視的自動化測試系統的優點進行了分析,開展了衛星發射前測試用例設計與實現,對發射前工作流程進行了合理安排,給出未簡化發射前操作步驟的前提下將傳統的遙感衛發射前5 h工作項目壓縮至3 h內完成的優化方案,并在GF-3衛星發射場試驗中進行了試驗與驗證,實踐證明該方案可行,具有可靠性高、規范性強、動作執行時長受控的優點,并將傳統的遙感衛星發射前加電時間減少了40%,提高了遙感衛星發射響應速度,值得在后續遙感衛星發射任務中所借鑒。

2 典型遙感衛星發射前狀態設置與監視

我國研制的遙感衛星主要包含資源衛星、測繪衛星、氣象衛星、海洋衛星等。根據上述衛星歷年的發射流程,均從發射前5 h開始準備工作,包含了星地狀態確認、衛星加電、部件預熱、蓄電池不充電、衛星健康檢查、軟硬件狀態配置、星體表面操作設置、撤收測試設備等。星地狀態確認,主要對衛星設備和電纜狀態、地面設備和軟件狀態以及星地電纜連接狀態進行檢查,確認其符合發射前技術要求;衛星加電,主要按照發射前規定程序對衛星各分系統和各單機進行加電設置,配置好設備組合狀態;部件預熱,主要針對遙感衛星陀螺、動量輪等有特殊要求的部件進行預熱,保證其滿足正常工作條件要求;蓄電池補充電,是為了保證蓄電池電量滿足衛星發射要求;衛星健康檢查,是對衛星發射前各分系統的基本工作狀態進行巡檢,確保其各項功能參數符合要求,系統工作穩定;軟硬件狀態配置,主要根據衛星發射前要求對軟件的工作參數注入、延時指令注入等進行配置,以及對硬件的開機狀態和主備份組合狀態進行設置;星體表面操作設置,主要對星表插頭、防護裝置、防護罩、星地電纜等進行設置;撤收測試設備,主要指對發射塔架上臨時使用的測試設備、電纜、工具等進行撤收。

遙測狀態監視工作與狀態設置工作同時開展,至遙感衛星發射前加電持續至發射為止。需采取自動化手段,對涉及遙感衛星安全及健康的參數進行持續監視。一旦參數超限,則報警提示工作人員暫停發射活動。涉及衛星安全及健康的參數監視工作不受衛星狀態設置工作影響,當前多數航天器發射過程中能夠實現自動化監視,不在本文做重點討論。

在遙感衛星發射前狀態設置過程中,星地狀態確認、星體表面操作設置、撤收測試設備環節主要通過工作人員手動操作來完成;衛星加電、衛星健康檢查、軟硬件狀態配置環節主要依托計算機發送指令和判讀參數來完成相關工作?？梢?在發射前的狀態設置上相對來說,人工操作的工作量比例還是很高,也是無法避免的。隨著信息技術的發展,衛星自動化測試技術取得了長足進步,當前多數航天器的指令發送可由自動測試序列完成,參數的判讀實現了計算機判讀。但發射前狀態設置流程中穿插的工作人員手動操作的工作,還需要經過紙質文件進行規范與確認,狀態設置工作未做到全自動化受控。

本文以GF-3衛星為例,對發射前狀態設置過程進行說明,并給出發射前狀態設置工作的耗時情況。根據GF-3衛星飛行程序要求,制定了衛星發射前要完成的加電、健康檢查、軟硬件狀態設置與檢查內容,根據所需的時長,安排在發射前5 h、2 h、30 min、15 min、10 min、5 min完成,共計900余項操作步驟。在發射前5 h到2 h之間操作步驟最多,按照傳統少量指令配合多個簡單序列的發令模式,需占用3 h完成(見表1)。

為配合后續論述,記錄GF-3衛星控制與推進部件預熱時間需約5 min,蓄電池補充電工作需約10 min。

表1 高分三號衛星發射前狀態設置工作內容Table 1 Pre-launch status configuration of GF-3 satellite

3 一鍵化測試方法構建

3.1 自動化測試平臺

為了提高發射前狀態設置效率和質量,GF-3衛星在實踐過程中采用了一鍵化測試方法來完成發射前狀態設置,與傳統方法相比可以縮短狀態設置時間,提高狀態設置的準確率。一鍵化測試方法,是將衛星發射前狀態設置與監視中的發指令判參數、監視參數、控制人工操作等需求綜合考慮并付諸設計,做到利用計算機控制完整的發射前衛星狀態設置與監視工作,在必要的人工操作與確認時,提供接口供操作人員執行與記錄,全部工作受控自動完成。一鍵化測試方法需要應用自動化測試平臺和測試用例來實現,測試用例已在軟件測試領域廣泛應用,當前,隨著航天器數量增多以及測試任務周期縮短,自動化測試平臺逐漸向通用化、小型化、智能化等方向發展,測試用例的設計方法也逐漸完善[3],針對GF-3衛星射前狀態設置與監視需求,為支撐一鍵化測試,自動化測試平臺應具備以下特性。

(1)可覆蓋發射前狀態設置的全流程,自動化執行連貫性、連續性,尤其是將手動操作類的狀態設置工作納入自動化控制;

(2)具備完備、及時的判讀能力;

(3)執行全過程受控;

(4)人工可隨時暫停;

(5)應急事件處理,確保安全。

GF-3衛星所采用的是STS3000自動化測試平臺(見圖1)。該平臺實現了“測試設計通用化、測試實施自動化、測試過程信息化、測試評估智能化”,通過設置斷點,填寫記錄操作結果方式提供人機交互接口,實現了手動操作類狀態設置的自動化受控[4],具備了支持一鍵式實現GF-3衛星發射前狀態設置的工具手段條件[5-6]。

3．2 發射前準備與狀態設置應用

GF-3衛星在發射前狀態設置中工作人員手動操作與發指令操作存在交叉,同時在衛星系統狀態設置過程中,火箭系統也需要進行安全檢查和健康維護。GF-3衛星系統在發射塔架工作人員需要手動操作主要有測試天線架設、調試、撤收和星表插頭更換操作,其它狀態設置均可通過發送遙控指令來實現。為了實現發射前狀態設置的連貫性,在進行發射前測試用例設計時,充分考慮了配合運載火箭操作的需求,選擇時間資源安排工作人員手動操作的時機,形成發射前狀態設置過程,如圖2所示,并通過自動化測試平臺利用一鍵化測試方法進行搭建。

圖3為采用遙控指令進行狀態設置的測試用例在一鍵化測試方法中皆通過測試平臺來實現,不需要人工來干預,能夠根據邏輯順序自動發送指令并判讀相對應的遙測參數和衛星工作狀態。同時手動操作類工作也納入測試用例進行規范,通過人機交互實現手動操作類工作內容與結果可控,實現自動化測試用例執行的銜接。

圖4給出了相同的發射前狀態設置內容,相同的最小發送指令間隔下,GF-3衛星在發射場利用傳統實施方法與使用了一鍵化測試方法執行發射前狀態設置所需要的時長數據差異。從數據圖中可見,在使用傳統方法實施發射前狀態設置時,射前5 h至射前2 h間的設置工作所需時間更長,而在使用一鍵化測試方法后,集中在1 h內便完成了該時間段全部工作,出現整塊空閑時間,期間僅需進行不間斷的狀態監視。而發射前2 h內的操作與耗時基本一致,原因是根據發射基地統一調度配合運載火箭操作執行命令。達到優化目的原因包括:①一鍵化測試方法取消了傳統測試序列與測試序列間的“確認-再執行”的人為確認環節;②一鍵化測試方法對狀態設置所需要全部動作進行了固化,過程中最大限度地減少了人為干預,提高了工作效率。

3.3 發射前狀態設置優化方案

應用GF-3衛星一鍵化測試方法數據驗證結果,充分結合遙感衛星、運載火箭等相關方發射前狀態設置要求,提出如下優化方案。衛星于發射前3 h加電,通過一鍵化測試方法進行發射前狀態設置與監視。在發射前2 h完成傳統方法發射前2 h前全部工作。隨后狀態設置工作開展時間間隔與傳統方法維持一致。該優化方案可行的原因包括:①方案僅影響衛星系統工作時間節點,不影響運載火箭等其它系統工作;②在某次發射演練中實施并獲得成功,耗時情況見圖5;③使用該方法執行發射前狀態設置所需時間精確,多次執行耗時誤差小;④一旦衛星出現意外故障,在發射前2 h至射前30 min時間內,尚有較充分時間排查定位,風險可以接受。

基于GF-3衛星發射前狀態設置提出的一鍵化測試方法優化方案,在遙感衛星乃至各類航天器發射前狀態設置設計中均具有一定適用性。一鍵化測試方法面向解決衛星狀態設置的流程化、自動化問題,減少了人為的反復確認環節與不必要的干預,使狀態設置工作更加固化、確定,節約了時間。一鍵化測試方法同時兼顧了必不可少的人工操作步驟與配合其它如運載火箭系統操作的要求,與自動執行的指令序列較好地進行了結合,做到了過程受控。

4 優化方案約束條件分析

GF-3衛星發射前狀態設置方案經過優化后,可由原來的5 h縮短至3 h,縮短了發射前狀態設置的流程和所需時間,對遙感衛星乃至各類航天器射前狀態設置有一定借鑒作用。在實際借鑒本方案時,應結合自身衛星特點與地面支持系統開展分析,建議重點關注以下幾個方面因素和約束條件。

(1)航天器狀態設置需應用自動化實施測試序列或測試用例的平臺工具,并需要解決航天器的遙測判讀與狀態監視,從而完整替代人為判讀與決策。

(2)結合型號特點構建的一鍵化測試用例需進行完整驗證。在實際應用前,應通過仿真方式進行模擬,并通過前期測試完成驗證后方可在發射場實施。

(3)各航天器發射前狀態設置中的人工操作部分需求各不相同,在流程優化過程中應充分考慮自身操作需求的制約條件,例如復雜的星表操作、敏感的無線信號環境要求等,經模擬演練實踐后確定消耗時長。

5 結束語

遙感衛星發射前狀態設置,仍然繼承于我國航天事業發展早期的流程和操作方式,隨著快速響應計劃和商業遙感衛星的發展,必須提高遙感衛星快速測試與發射能力,本文介紹了GF-3衛星發射前狀態設置流程和工作內容,并應用STS3000自動化測試平臺,給出基于一鍵化測試方法的發射前狀態設置方案與實施結果,并通過對實踐數據進行分析,提出了發射前狀態設置的優化方案,該方案在縮短發射前狀態設置時間40%的基礎上,提高了測試數據判讀的準確性和可靠度,所采用的思路和方法對于后續遙感衛星乃至各類航天器發射前狀態設置工作具有借鑒意義。

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Pre-launch Status Configuration Optimization for GF-3 Satellite

AN Liang YU Zhongjiang HOU Rui WANG Huamao
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

This paper sums up the work contents of pre-launch status configuration and monitoring for GF-3 satellite,and also introduces the advantage of automated test tool based on that the work method of pre-launch status configuration is given．An optimization scheme that can reduce time-consuming from five hours to three hours is presented in this paper without simplifying pre-launch status configuration process．The scheme is proved through verifying and calculating GF-3 satellite test and launched data in satellite launch center．The scheme has the advantages of high reliability,high standardization and controlled operation time．In addition,GF-3 satellite pre-launch status configuration time is shortened by 40%．The optimization strategy and automatic tool have reference value for the pre-launch status configuration of follow-up remote sensing satellites and other type of spacecraft．

GF-3 satellite;launch;status configuration;process optimization

V554．3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.023

2017-10-23;

2017-11-16

國家重大科技專項工程

安亮,男,碩士,高級工程師,從事航天器電性能綜合測試技術研究與管理工作。Email:anliang00＠126．com。

(編輯:李多)