航天系統工程中的操作概念

柴建國（北京跟蹤與通信技術研究所）

操作概念是在一個系統的設計之初對系統中所用到的所有操作及其之間的接口關系進行定義的文件，該文件有三個作用：通過這個定義可以向客戶說明其設計的系統能夠達到的期望結果；作為系統頂層定義文件，指導系統設計；系統的下層操作文件基于操作概念進行編寫。在大型系統工程項目中，操作概念文件的編寫是非常重要的，有利于指導項目的設計人員圍繞項目的頂層目標進行系統設計。本文基于遙感衛星項目介紹航天系統工程中的操作概念。

1 引言

在大型系統工程項目中，操作概念文件的編寫是非常重要的，有利于指導項目的設計人員圍繞項目的頂層目標進行系統設計。

在操作概念的指導下，設計人員要編寫詳細的系統操作程序，包括系統出現故障后如何進行應急處理的操作程序。在系統出現預測中的故障的時候，操作人員只要按照相關的操作程序進行處理就可以了，不需要把許多技術人員臨時召集起來進行分析討論。

操作概念是對系統中相關操作的頂層定義，因此首先要對系統的頂層目標進行定義，比如對于一個遙感衛星項目，系統的目標包括以下幾個方面：

1）給未來客戶提供遙感圖像產品；

2）要提供一顆遙感衛星；

3）要提供一個數據接收站來接收衛星下傳的遙感數據；

4）要提供一個數據處理中心，處理遙感數據生成圖像產品；

5）要提供一個任務中心來管理和協調客戶的需求和產品獲得及提供；

6）要提供一個衛星控制中心來管理控制衛星；

7）要提供測控站對衛星進行測控；

8）其他功能備份設施。

系統的目標確定之后，系統中應該包括的功能劃分及分系統就可以明確了，各分系統之間的接口關系也可以明確下來。

操作概念所包括的時間跨度跨越整個項目的壽命期，從項目開始研制到項目的壽命結束，包括了在系統整個壽命周期中所有的操作事件。對于一個遙感衛星系統，其操作事件可以劃分成以下幾個階段：

1）衛星發射之前；

2）發射及早期軌道階段；

3）系統現場功能測試及開通階段；

4）系統運行階段；

5）衛星離軌。

2 衛星發射之前的操作事件

衛星發射之前的操作包括了從項目合同簽訂后到衛星發射之前這個階段的所有操作事件，這些事件主要由項目承包商負責完成，用戶負責參與及監督。其操作包括：

1）研制一顆遙感衛星；

2）研制衛星測控系統；

3）研制衛星數據接收處理系統；

4）研制火箭；

5）發射場工作準備；

6）衛星測控系統現場安裝測試；

7）數據接收處理系統現場安裝測試；

8）整個地面系統的調試測試；

9）發射前對接測試；

10）發射前測控系統演練。

在這個階段用戶需要參與的操作事件包括：

1）衛星及地面設備研制過程中的一些關鍵的評審；

2）衛星研制過程中一些關鍵測試；

3）地面設備研制過程中的一些關鍵測試；

4）系統操作培訓；

5）合同中規定的其他操作事件。

3 發射及早期軌道階段的操作事件

這個階段從發射倒計時開始，包括發射和主動段、軌道注入、星箭分離、衛星變軌及到達最終軌道。期間兩個控制中心將參與控制工作，發射場衛星控制中心及早期軌道段衛星控制中心。期間還要完成衛星平臺的在軌測試，由衛星制造商負責完成。

衛星控制中心負責接收遙測并對衛星狀態進行監視，在星箭分離之后還要監視衛星的太陽能帆板展開和衛星天線展開。同時還要對衛星進行軌道測試并完成預定的軌道機動控制操作。

用戶的地面測控系統也將參與對衛星的跟蹤及接收遙測，數據接收系統也將跟蹤衛星并接收數據。

用戶的操作人員負責對地面設備進行操作，承包商的技術人員負責現場技術支持。

這個階段對衛星的控制在早期軌道段衛星控制中心進行，用戶的控制中心只能進行跟蹤及接收遙測，不能對衛星進行控制。在這個階段完成時，對衛星的控制從早期軌道段衛星控制中心轉移到用戶的地面測控中心。

4 系統現場測試及開通階段的操作事件

這個階段從早期軌道階段結束到系統正式開始使用。主要操作事件包括系統端到端測試及遙感圖像校準。端到端測試由任務中心發起，衛星和測控系統、數據接收處理系統參加。圖像校準包括輻射校準和幾何校準。

這個階段系統操作由用戶操作人員負責，承包商人員負責技術支持及數據分析和部分關鍵操作。對衛星的所有控制操作都必須經過衛星制造商書面批準，所有的操作都必須按照操作文件及培訓給出的操作步驟進行。

5 系統運行階段的操作事件

這個階段占據了整個衛星壽命期間，也是系統主要的操作階段，是給潛在客戶提供正式服務的階段。主要操作集中在保障衛星安全、保障系統正常運行和為客戶提供圖像產品上。主要操作事件包括：

1）日常操作；

2）緊急任務操作；

3）校準操作；

4）衛星軌道維持；

5）衛星碰撞規避；

6）打補丁和應急操作。

日常操作

日常操作包括以下幾個操作場景：

1）接到客戶圖像需求，圖像中心操作人員查看存儲的圖像，如果有滿足客戶的圖像產品，則直接把存儲的產品提供給客戶；

2）接到客戶圖像需求，圖像中心操作人員查看存儲的圖像，如果沒有滿足客戶要求的圖像產品，則任務中心安排計劃完成圖像拍攝和產品生產；

3）沒有客戶需求，任務中心可以根據對市場的預估安排拍攝計劃，生產部分產品以滿足未來客戶需求。

產品生產操作流程：

1）衛星控制中心根據測控系統對衛星的跟蹤數據確定衛星軌道；

2）衛星控制中心把衛星軌道數據送到任務中心；

3）任務中心根據衛星軌道及客戶需求安排拍攝任務計劃；

4）任務中心把拍攝計劃發到衛星控制中心；

5）衛星控制中心對拍攝計劃進行檢查，確認計劃可以執行；

6）衛星控制中心根據任務計劃生成衛星控制數據塊；

7）衛星控制中心把控制數據塊上注到衛星；

8）衛星根據指令完成拍攝，并下傳圖像數據；

9）數據處理中心對收到的數據進行處理生成產品；

10）把產品提供給客戶。

遙感衛星每天過境可見弧段為4～5軌，一軌最長703s，最短51s。對于方位俯仰座架天線，在衛星仰角高于83°的時候，天線將自動由自跟蹤轉到程序引導，低于83°時再轉到自跟蹤。

在上午衛星第一次過境時，控制中心將把地面計算的衛星軌道數據上注到衛星。

任務計劃生成：第二天的任務計劃在任務中心收到衛星控制中心發來的軌道數據后生成，然后在當天晚上第一軌過境之前任務中心把計劃發給衛星控制中心，衛星控制中心把生成的控制數據塊在晚上第一軌過境時發到衛星上。

緊急任務操作

緊急任務主要是指任務中心接到一個緊急的拍攝任務，需要把這個任務插入到已經計劃好的任務之前。緊急任務操作流程如下：

1）任務中心在接到一個緊急任務后，首先需要計算這個任務的優先級別，優先級別和客戶的優先級以及任務的緊急程度有關。如果不能接受該緊急程度，則拒絕任務，如果可以接受其緊急程度，則需要修改前面的任務計劃；

2）任務中心修改任務計劃；

3）修改后的任務計劃必須要在前一個計劃被上注到衛星前15分鐘發送到衛星控制中心；

4）衛星控制中心在上注第二天計劃之前收到新的計劃，則將用新的計劃代替原來的計劃；

5）已經上注的計劃在沒有開始執行之前可以被檫除，用新的計劃代替舊的計劃。已經開始執行的計劃不能被檫除。

校準操作

衛星圖像校準包括幾何校準和輻射校準。

幾何校準主要有兩個目的：

1）校準相機方向與衛星跟蹤方向之間的角度；

2）校準相機安裝位置和衛星軸線之間的角度。

輻射校準主要有以下幾個目的：

1）相對校準；

2）絕對校準；

3）條帶校準；

4）多時段校準。

衛星軌道維持

軌道分析計算軟件對衛星軌道進行計算分析。如果發現衛星軌道偏離超過一定范圍，則利用控制軟件制定控制策略，對衛星進行軌道控制機動。控制中心在進行軌道維護之前應通知任務中心，在這段時間不能進行任務拍攝。完成軌道機動后，把新的軌道數據上注到衛星。

衛星碰撞規避

對于低軌衛星，由于相同軌道高度上的衛星比較多，衛星之間碰撞的風險還是比較大的，我們的用戶也都一直在提出這個問題。如何才能躲避碰撞，保障衛星安全，是一直在研究討論的問題。實際上到目前為止，真正發射碰撞的事件并不多，因此國際上并沒有形成一套完善的標準做法。一般都由衛星用戶或制造商進行關注并在緊急時刻采取一定的規避措施。

對于我們整星出口項目中的衛星，我們原先設想的策略是由用戶提供衛星當前軌道位置，我方負責計算潛在的碰撞風險并通知用戶，再由用戶給出衛星機動策略，由我方確認用戶給出的策略，最后由用戶實施衛星機動。但后來發現這個策略有缺陷，主要是用戶沒有足夠的能力提出衛星機動策略。新的策略還在討論中。

給衛星打補丁

當衛星軟件需要升級的時候，按照如下流程操作。

1）衛星制造商提出打補丁申請；

2）任務中心停止任務計劃；

3）衛星控制中心生產補丁數據塊，在下一圈衛星過境時上注到衛星；

4）衛星制造商通過遙測確認打補丁的效果；

5）衛星回歸正常工作模式，任務中心開始新的任務計劃。

應急操作

這里是指當衛星出現故障或衛星進入緊急模式，地面操作人員需要進行相關操作使衛星恢復正常。

1）當衛星出現故障或進入緊急模式后，用戶第一時間需要通知衛星制造商；

2）控制中心停止向衛星上注數據；

3）任務中心停止規劃新的任務；

4）由衛星制造商根據需要提供新的遙控命令；

5）控制中心上注新的控制命令；

6）衛星制造商根據遙測判斷衛星狀態；

7）當衛星狀態恢復正常后，可以開始新的任務操作。

6 衛星離軌操作

在衛星壽命末期，當確認衛星已經不能正常完成任務后，就需要對衛星進行離軌操作。其操作包括以下流程：

1）降低衛星軌道；

2）關閉動量輪；

3）關閉電池。

操作概念只是對頂層的一些操作事件和其操作流程進行了定義，具體到設備的操作程序還需要有大量的文件支撐。也有許多操作是系統自動進行的，不需要操作人員干涉。在設計一個新系統的過程中，對于出現的新的事件的操作流程需要不斷的討論優化，最后找到一個最好的操作流程。

系統在不斷利用新技術，不斷改進和優化配置的同時，其操作方式也會不斷發生變化。通過以文件的形式把這些概念明確下來，有利于后來人員借鑒提高。