歐空局控制工程標準和手冊簡析

宋軼姝 李小龍

（中國航天標準化研究所，北京，100071）

文 摘：對ECSS-E-60A控制工程標準和ECSS-E-HB-60A控制工程手冊兩項文件技術(shù)內(nèi)容進行研究，列出ECSS控制工程任務(wù)簡表，與國內(nèi)相關(guān)標準的各研制階段技術(shù)內(nèi)容進行對比分析，提出借鑒意見及相應(yīng)的國內(nèi)標準制定建議。

歐洲空間局 （ESA）作為負責(zé)組織、管理、協(xié)調(diào)與統(tǒng)一各成員國航天產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、發(fā)射活動的機構(gòu)，為保證其航天產(chǎn)品的高質(zhì)量、高可靠和低成本，在調(diào)研國際標準化組織 （ISO）、美國宇航局 （NASA）及航天公司標準現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，制定了一套系統(tǒng)、全面的標準體系 （即ECSS標準），并以此約束和指導(dǎo)歐洲航天產(chǎn)品保證活動，具有一定的先進性和實用性。

ECSS標準擁有系統(tǒng)、科學(xué)、完善的標準、手冊、指南等文件，并清楚地劃分各分支系統(tǒng)，作為管理、設(shè)計、制造、試驗等活動的依據(jù)，通過標準的實施應(yīng)用，有效規(guī)范了各項工作，大大提高了工作效率，降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本和風(fēng)險，保證了產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

在我國航天控制系統(tǒng)標準的規(guī)劃和制定過程中，為提高標準的總體策劃水平，提高標準內(nèi)容的總體性、系統(tǒng)性和全面性，對ECSS控制工程（E-60）系列標準化文件進行了系統(tǒng)的研究和分析。本文將對其中總體性的兩項文件ECSS-E-60A控制工程標準和ECSS-E-HB-60A控制工程手冊的研究情況和研究收獲進行介紹。

1 ECSS相關(guān)文件介紹

歐洲空間標準化合作組織 （ECSS）是歐洲標準的權(quán)威機構(gòu)，ECSS協(xié)調(diào)現(xiàn)有航天項目的標準需求，提供了應(yīng)用于歐洲航天系統(tǒng)開發(fā)和運行的唯一持續(xù)有效的一系列面向用戶文件。ECSS面向用戶的文件為標準或支撐性文件，文件的類型包括標準、手冊和備忘錄。這些文件規(guī)定了以下技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容：

● ECSS系統(tǒng)的描述和實施 （ECSS-S-ST-00）；

● 航天項目管理 （ECSS-M系列文件）；

● 航天產(chǎn)品保證 （ECSS-Q系列文件）；

● 航天工程 （ECSS-E系列文件）；

● 空間可持續(xù)性 （ECSS-U系列文件）。

其中，涉及航天控制工程分支的文件包括：E-10系列，系統(tǒng)工程；E-20系列，電子和光學(xué)工程；E-30系列，機械工程；E-40系列，軟件工程；E-50系列，通信；E-60系列，控制工程；E-70，地面系統(tǒng)和運行[1]。

目前，ECSS-E-60已發(fā)布的標準及手冊列表見表1。 本文研究的ECSS-E-60A《Control engineering》 （控制工程）標準和ECSS-E-HB-60A 《Control engineering handbook》 （控制工程手冊）是ECSS-E-60系列中的總體性文件。

表1 ECSS-E-60系列文件列表

2 《控制工程》標準和 《控制工程手冊》的技術(shù)內(nèi)容

《控制工程》標準 （ECSS-E-60A）和 《控制工程手冊》 （ECSS-E-HB-60A）是配套使用的兩個文件，所講述的技術(shù)內(nèi)容一致。首先就 《控制工程手冊》的內(nèi)容進行介紹。

2.1 《控制工程手冊》的范圍

控制工程手冊將控制系統(tǒng)作為航天項目的一部分進行開發(fā)。它適用于航天系統(tǒng)的所有元素，包括空間段、地面段和發(fā)射服務(wù)段。

手冊覆蓋了航天控制工程的所有方面，包括需求定義、分析、設(shè)計、生產(chǎn)、確認和驗證、轉(zhuǎn)運、操作和維護。

手冊定義了航天控制工程的過程以及其與管理和質(zhì)量保證的接口界面，并解釋了它們是怎樣應(yīng)用于控制工程過程之中的。

2.2 《控制工程手冊》中定義的通用控制結(jié)構(gòu)

《控制工程手冊》中定義的通用控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 通用控制結(jié)構(gòu)圖

由上述通用控制結(jié)構(gòu)可見，控制工程至少包括：

● 分析任務(wù)目標以確定控制目標；

●對被控對象以及與其交互作用的環(huán)境的分析和建模；

● 根據(jù)控制需求，對敏感器和執(zhí)行機構(gòu)（包括結(jié)構(gòu)和特性）的分析、建模以及詳細規(guī)定；

●控制器的需求分析和詳細規(guī)定，控制器的設(shè)計和配置；

● 控制性能驗證；

● 控制系統(tǒng)相關(guān)的地面操作。

2.3 《控制工程手冊》中對控制工程過程的定義

控制工程是多學(xué)科的綜合 （需要具有對機械、動力學(xué)、空間環(huán)境及效應(yīng)、數(shù)字和模擬電路、控制理論、計算機系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、軟件工程、操作等學(xué)科的深入了解方可執(zhí)行）；控制工程是系統(tǒng)工程的一部分并與系統(tǒng)工程中的其他過程在很大程度上相互作用，系統(tǒng)工程內(nèi)容參見ECSS-E-ST-10。按照系統(tǒng)工程標準 （ECSS-E-ST-10）中對于工程活動的分解，控制工程中的工程活動分解情況如下：

● 集成和控制：確保在項目所有階段，根據(jù)受控系統(tǒng)的全部定義和實現(xiàn)集成各個控制相關(guān)的學(xué)科；

●需求工程：包括對任務(wù)和系統(tǒng)需求的正確解釋、連貫正確的控制需求來源、下級的部件或設(shè)備級的需求定義、連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)督與追溯；

● 分析：在所有層次和領(lǐng)域?qū)嵭校馕隹刂葡嚓P(guān)的功能和性能要求、評估控制設(shè)計的可替代性；加強和確認控制性能、補充試驗；

●設(shè)計和配置：包括得到可滿足控制需求（由正確的分析和權(quán)衡來支撐）的物理控制架構(gòu)和控制器設(shè)計。設(shè)計還包括通過正確的預(yù)算方法學(xué)和裕度原則得到控制預(yù)算；

●確認和驗證：通過指定過程驗證受控系統(tǒng)達到其控制目標和需求。

2.4 不同控制工程活動的相互關(guān)系

在系統(tǒng)開發(fā)的各個階段，不同的控制工程活動并行工作相互支持，其相互作用關(guān)系如圖 2所示。

圖2 控制工程活動的相互作用

2.5 控制工程在每個項目階段中的任務(wù)

在詳述控制系統(tǒng)功能后，硬件、軟件和操作支持項可能在通過平行的路徑設(shè)計開發(fā)或者通過以相應(yīng)的學(xué)科形成控制工程過程的分支。控制工程是在系統(tǒng)工程與較低層級組件或設(shè)備級工程間的相互作用，控制工程過程被定義為使這些交互過程合理可行。控制工程是從初步設(shè)計至設(shè)計確認和飛行驗證的循序漸進的過程。控制工程是在需求工程、設(shè)計和配置、確認和驗證與分析間的重復(fù)過程。對應(yīng)每項活動的控制工程任務(wù)簡表見表2。

表2 控制工程任務(wù)簡表

2.6 《控制工程》標準的內(nèi)容補充

相較于 《控制工程手冊》， 《控制工程》的內(nèi)容更注重于標準的格式，在各章內(nèi)容的描述中更多地采用了 “應(yīng)該怎樣”的說法，并且盡量分條來表述，在內(nèi)容表述方面更加清晰。此外，《控制工程》標準還包含了一些附錄，這些附錄分別為：

● 控制工程文件；

● 控制系統(tǒng)設(shè)計報告文件要求定義；

● 控制算法規(guī)范文件要求定義；

● 受控系統(tǒng)分析報告文件要求定義；

● 受控系統(tǒng)確認方案文件要求定義；

● 受控系統(tǒng)確認報告文件要求定義。

每項附錄分別規(guī)定了這些文件的目的、意義、范圍和內(nèi)容，形成了對于控制工程全過程應(yīng)形成的文件的規(guī)范性要求。

3 《控制工程》標準和 《控制工程手冊》與國內(nèi)標準的對比

《控制工程》和 《控制工程手冊》主要是從系統(tǒng)工程的角度，講述了控制系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)的基本功能，控制工程在每個任務(wù)階段應(yīng)執(zhí)行的特定任務(wù)，并規(guī)定了相應(yīng)的文件要求。在標準中始終貫穿了系統(tǒng)策劃和管理的思路與方法。通過梳理和研究我國現(xiàn)有標準，涉及衛(wèi)星、航天器、運載火箭控制系統(tǒng)研制程序等相關(guān)內(nèi)容。

在 《控制工程》和 《控制工程手冊》中簡單闡述了通用控制結(jié)構(gòu)的組成以及基本的控制功能的要求。這些內(nèi)容源于通用的控制理論，僅為航天控制系統(tǒng)提供了基本的功能限定，并沒有涉及到某些控制系統(tǒng)設(shè)計中對其任務(wù)詳細的、特定的需求。

《控制工程》和 《控制工程手冊》重點的部分是對于控制工程過程的定義和描述，這里是按照系統(tǒng)工程的方法，將控制工程過程分解為7個項目階段 （從時間維度來看）的5項工程活動（從任務(wù)分解維度來看）。在ECSS-E-ST-10C《系統(tǒng)工程通用要求》中定義的這7個項目階段分別為：0階段：任務(wù)分析—需求確認；A階段：可行性；B階段：初步定義；C階段：詳細定義；D階段：鑒定和產(chǎn)品；E階段：運行/使用；F階段：退役處置。

定義的5項工程活動分別為：集成和控制；需求工程；分析；設(shè)計和配置；確認和驗證。

在 《控制工程》和 《控制工程手冊》中，先給出了控制工程在5項活動中對應(yīng)每項活動的特定任務(wù)簡表；然后給出了在每個任務(wù)階段中，控制工程需要執(zhí)行的詳細工程任務(wù)，包括其詳細的輸入、任務(wù)和輸出的內(nèi)容。在這里將階段0與A、C與D、E與F合并進行描述。通過對這部分的內(nèi)容描述，使控制工程的過程、工作任務(wù)和具體內(nèi)容要求都非常清楚明確。此外， 《控制工程》標準中還以規(guī)范性附錄的形式規(guī)定了控制工程必須生成的文件和支撐性的文件列表。對于必須生成的文件， 《控制系統(tǒng)設(shè)計報告》、 《受控系統(tǒng)分析報告》、 《控制算法規(guī)范》、 《受控系統(tǒng)確認方案》、 《受控系統(tǒng)確認報告》均進行了詳細的要求，保證了控制工程全過程結(jié)束后生成文件和存檔內(nèi)容的最基本要求。

在我國衛(wèi)星控制系統(tǒng)研制程序中劃分了可行性論證階段、方案階段、初樣研制階段、正樣研制階段和應(yīng)用改進階段。在每一個階段中，也基本上按照任務(wù)、準則、主要工作內(nèi)容和完成標準來進行規(guī)定。對于方案階段、初樣研制階段和正樣研制階段又分別進行了細分。如方案階段劃分為方案論證、初步方案設(shè)計、初步技術(shù)設(shè)計、模樣設(shè)計、方案階段總結(jié)、方案階段結(jié)束的標志；初樣階段，又劃分為初樣設(shè)計、初樣設(shè)計評審、初樣生產(chǎn)、初樣試驗、初樣階段總結(jié)、初樣階段完成的標志。有些內(nèi)容的規(guī)定也較為詳細，例如：在初步技術(shù)設(shè)計的主要內(nèi)容中提到 “協(xié)調(diào)并確定控制系統(tǒng)各部件的技術(shù)要求 （包括精度、誤差分配、電器性能、機械性能、電磁兼容性、可靠性、互換性、功耗、質(zhì)量、提及、壽命等），檢測要求，貯存條件和驗收規(guī)則”。

我國的有關(guān)標準沒有對控制系統(tǒng)組成和基本控制功能的描述與要求，可見在國內(nèi)的研制程序標準中不包括對這部分內(nèi)容的簡單交代。這一部分內(nèi)容更多地是在產(chǎn)品規(guī)范的 “要求”一章來規(guī)定的，通常是在 “要求”一章中的最前面進行介紹，包括系統(tǒng)組成、功能、性能的要求，且這些組成、功能、性能是針對特定產(chǎn)品的具體的、明確的要求。

4 結(jié)論

a）ECSS《控制工程》和 《控制工程手冊》中對于通用控制結(jié)構(gòu)的組成以及基本的控制功能的要求的簡要介紹從邏輯上更為合理，是作為工程活動的總體目標來提出的。

b）ECSS《控制工程》和 《控制工程手冊》的7個項目階段和5個工程活動的劃分，將要求的內(nèi)容劃分為矩陣的形式，同時，每一部分按照輸入、任務(wù)、輸出分別進行規(guī)定，這樣可以有效地避免內(nèi)容要求的重復(fù)或缺失，也使表達更加清晰明了。此外，如果不同的文件都采用這樣的形式，也非常有利于整個航天系統(tǒng)工程的策劃和實施，在各分系統(tǒng)間更容易進行對接。

c）盡管我國的控制系統(tǒng)研制程序標準在某些技術(shù)點的規(guī)定上較為詳細，但對研制過程關(guān)于形成的文件和進行評審的內(nèi)容要求不夠清晰明確，大多數(shù)也沒有給出固定的格式和要求。應(yīng)該注意要求的規(guī)范性。

建議按照ECSS-E-60A 《控制工程》、ECSSE-HB-60A《控制工程手冊》兩項文件的思路、內(nèi)容結(jié)合我國控制工程項目和控制工程活動的實際情況制定相應(yīng)的總體性標準。擬制定標準為《航天控制系統(tǒng)通用要求》，標準級別以國家標準或國家軍用標準為宜。通過標準的制定和實施，可以更好地規(guī)范控制工程的工作內(nèi)容、程序和要求，明晰控制系統(tǒng)與航天項目中其他分系統(tǒng)的任務(wù)劃分、性能功能要求。同時，也可以為航天控制系統(tǒng)分支下其他的標準提供框架，能夠起到較好的標準策劃作用。