超期運行航天器在軌管理精細化實踐

張志國

(中國航天科技集團有限公司，北京 100048)

自1970年我國首顆人造地球衛星成功發射至今，中國“長征”系列運載火箭發射次數超過300次，目前中國的通信、導航、遙感等各類在軌航天器超過300個[1]，其中大量航天器已經接近或超過其設計壽命，進入超期運行階段。

充分發揮應用價值，合理利用和開發太空資源，是國內外超期運行航天器在軌管理的普遍共識。例如，在德國“X頻段陸地合成孔徑雷達”(TerraSAR-X)衛星達到設計壽命后，通過任務擴展將最高分辨率從1 m提高至0.25 m[2]；美國通過發射任務拓展飛行器-1(MEV-1)，利用其攜帶的燃料將一顆地球靜止軌道衛星的設計壽命延長5年[3]。同時，根據機構間空間碎片協調委員會(IADC)建議[4-5]，航天器在壽命終結前應實施離軌操作，以減緩空間碎片。例如：地球靜止軌道衛星應離軌進入高于地球靜止軌道約300 km的墳墓軌道；低軌衛星在任務完成后應主動離軌，并在25年內再入大氣層燒毀。國內超期運行航天器在延壽、退役、離軌方面也開展了一些研究和實踐，在軌服務及維護技術也已納入國家科技創新規劃[6-9]。

本文針對超期運行航天器，提出了系統的狀態評估模型，建立了健全的在軌管理機制，制定了科學的在軌管理方案，開展了精細化實踐。對于應用價值較好的超期航天器實行延壽管理，繼續納入業務運行體系，動態調整運行策略；對于應用效能較低的實行退役管理，及時退出業務應用模式，開展頻率/軌位資源保護、技術試驗等工作；對于存在嚴重運行風險的遵循國際慣例，及早進入報廢程序，實施離軌鈍化等處置。

1 超期運行航天器在軌管理思路

超期運行航天器在軌管理以系統的在軌狀態評估模型為指導，精細的在軌管理方案為基礎，由用戶協同機制、動態評估機制和隊伍保障機制為支撐，如圖1所示。

(1)在軌狀態評估模型：主要包括應用效能、維護成本和運行風險3個方面，對航天器超期運行后的綜合效益和失效風險進行評價，其評價結果是制定在軌管理方案的依據。

(2)在軌管理機制：用戶單位、測控單位和研制單位三方協調完成狀態評估，確定管理方案；采取動態評估機制，及時識別狀態變化，調整管理方案；建立隊伍保障機制，明確各崗位人員責任，保證各項工作順利推進。

(3)在軌管理方案：根據在軌狀態評估情況，按照延壽、退役和報廢3個類別制定精細的管理方案。

圖1 超期運行航天器在軌管理思路Fig.1 In-orbit management strategy for overdue spacecraft

2 系統的在軌狀態評估模型

超期運行航天器在軌狀態評估，需要綜合考慮技術、成本、風險等多種要素。首先，要對與用戶應用相關的核心指標和主要功能進行梳理和評價，評估其應用價值；其次，應考慮超期運行期間的維護成本增加情況，對效費比進行綜合評估，為判斷是否具備延壽價值提供依據；最后，需要對航天器平臺的運行風險進行分析和識別，評估其失效風險，為是否需要及時開展離軌報廢工作提供依據。

2.1 效費比評估

航天器超期運行期間，由于設備發生故障或性能退化，應用效能可能有所降低；同時，在軌運行期間的地面日常管理、維護成本可能有所增加。因此，本文建立了效費比評估模型，其各要素/子要素如表1所示。

(1)核心指標：指影響用戶應用的重要指標，如遙感圖像信噪比、衛星等效全向輻射功率(EIRP)值等。每項核心指標與任務要求進行比較，視指標下降程度打分，評估值范圍為0～1，“0”表示該指標已無法接受，“1”表示該指標未下降。

(2)主要功能：指影響用戶應用的重要功能，如機動觀測、數據實時下傳等。每項主要功能與任務要求進行比較，評估值范圍為0～1，“0”表示該功能喪失，“1”表示該功能完全正常。

(3)維護成本：超期運行期間，各系統的維護成本與壽命期內維護成本之比，最小值為1，表示超期運行期間未增加維護成本。該值如果大于1，則表示超期運行期間的維護成本有所增加。

表1 超期運行航天器效費比評估模型

要素/子要素的選取和權值，可根據航天器具體特點，與用戶及工程各系統單位協調確定。其中：要素/子要素的權值范圍為0～1，且∑j1i=1，∑j2i=1，∑ki=1，∑qi=1；j1i和E1i分別為各項核心指標的權值和評估值，n為核心指標的項數；j2i和E2i分別為各項主要功能的權值和評估值，m為主要功能的項數；ki和Ci分別為維護成本需要考慮的要素的權值和評估值，p為需要考慮的要素個數；q1和q2分別為核心指標和主要功能在應用效能中所占的權值。核心指標評估值E1、主要功能評估值E2、維護成本C、效費比M的計算公式分別見式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

M=E1q1E2q2/C

(4)

效費比M的最大值為1，表示航天器超期運行期間核心指標、主要功能未下降，維護成本無增加。一般情況下，當0.8≤M<1時，可認為具有較好使用價值；當0.6≤M<0.8時，可認為具有一定使用價值；當M<0.6時，可認為延壽價值不高，在實踐過程中，可綜合考慮用戶意見予以判斷。

2.2 在軌運行風險評估

超期運行的航天器可能由于設備老化、故障等原因失效或失控，無法主動實施離軌等報廢程序，由此可能帶來再入地球落點不受控、軌位資源浪費、解體并產生空間碎片等風險。因此，必須對航天器的運行風險進行全面評估，當航天器存在嚴重故障可能隨時失效時，應立即開展報廢工作。

評估要素包括故障類、衰退類和消耗類。其中：故障類主要指控制、推進、能源、測控及其他關鍵分系統設備故障造成的風險；衰退類指太陽電池陣、蓄電池等自然緩慢衰退造成的風險；消耗類指推進劑等正常消耗后剩余量不足的風險。3個類別間不重復統計，其他特殊風險可參照評估。評估要素說明及評估標準分別如表2和表3所示，各要素風險Ri最低為“0”，最高為“4”。各要素的權值si默認為“1”，如遇特殊情況可由專家審議確定。航天器運行風險綜合指數R的計算公式如式(5)所示。結合在軌運行管理實踐經驗，一般情況下，當R≥12時，說明航天器存在嚴重風險，風險等級為“高”；當8≤R<12時，說明航天器存在重要風險，風險等級為“中”；當R<8時，說明航天器風險可控，風險等級為“低”。

(5)

表2 在軌運行風險評估要素

表3 在軌運行風險各要素評估標準

2.3 評估結果應用建議

根據航天器在軌運行評估結果，應采取相應的管理措施，總體原則如下。①效費比較高且運行風險較低：建議納入業務應用，進行延壽管理，部分風險略高的航天器可進行退役管理。②運行風險高或效費比低：以退役或報廢為主要管理建議，部分風險相對可控、應用價值高的航天器，可進行延壽管理。③運行風險高、且效費比低：無應用價值，且存在隨時失效的可能，建議及早報廢，如表4所示。具體情況需要與用戶溝通后確定。

表4 在軌狀態評估結果及管理建議

3 健全的管理機制

為充分發揮超期運行航天器的在軌應用價值，同時履行國際空間碎片減緩要求，首先應建立隊伍保障機制，落實各崗位人員在航天器全生命周期的管理責任，并根據在軌狀態評估結果分級分類配置隊伍，動態調整優化；同時，要建立動態評估機制，及時識別效費比和重大運行風險變化情況，為調整在軌保障隊伍和在軌管理方案提供依據；最后，要建立用戶協同機制，為協調用戶單位、測控單位完成在軌狀態評估、制定管理方案提供支撐。

3.1 隊伍保障機制

建立并強化在軌航天器全生命周期責任制，保障每個航天器超期運行后得到精細管理，最大限度發揮作用；及時識別重大在軌運行風險，協調啟動退役及報廢管理工作，化解航天器失控失效風險，合理開發和利用空間資源，遵守聯合國有關規定，維護我國作為航天大國的良好形象。因此，在航天器超期運行期間，仍要按照項目管理模式[10]，建立并保持由總體院組織、總體單位牽頭、專業單位參加，航天器系統級負責人負責、各分系統及產品負責人參加的矩陣式隊伍保障機制，確保超期運行階段的狀態評估、用戶溝通、應急處置等工作落實到人，制定的延壽、退役及報廢方案科學、合理。

根據航天器在軌狀態評估結果和管理方案，分級分類配置和調整保障隊伍。對于應用價值較高、實行延壽管理的航天器，與壽命期內航天器一樣配置技術支持人員；對于運行風險較高的航天器，適當增加技術支持隊伍力量；對于退役航天器，酌情調減在軌管理支持人員；對于需要采取離軌、鈍化及再入地球等操作的航天器，組建專題工作組，配合用戶和測控單位實施[11]。

3.2 動態評估機制

建立超期運行航天器在軌狀態動態評估機制，在航天器達到設計壽命前、延壽或退役管理期間，以及發生重要異常時，及時評價航天器的在軌運行效費比，識別存在重大運行風險的航天器，調整在軌管理方案。效費比較高、風險較低且具備延壽條件的航天器，繼續延壽使用；效費比低、不具備延壽條件的，實行退役處理；存在重大突發風險的，及早報廢。同時，為調整在軌技術支持隊伍配置情況提供依據。

(1)航天器到達設計壽命前3個月，開展延壽狀態評估，由航天器運行管理責任人確定在軌管理方案。

(2)延壽或退役管理期間，實行自動實時判讀和人工定期分析相結合的機制。每日通過在軌航天器智能化自動判讀系統，對在軌數據進行實時判讀，及時處理異常信息；每3個月或半年，由設計師對在軌運行數據進行分析，由航天器運行管理責任人對運行狀態進行評估，提出下一階段的管理方案(延壽、退役或報廢)。

(3)突發重要在軌異常時，由航天器運行管理責任人牽頭完成應急處置，評估在軌運行狀態，必要時調整在軌管理方案。

3.3 用戶協同機制

建立與用戶單位、測控單位的溝通機制，及時通報在軌運行風險，溝通運行效能和維護成本情況，提出后續管理方案建議。

(1)用戶單位、測控單位和研制單位的三方協同工作機制。用戶單位主要負責提出航天器在軌使用意見與建議，對應用效能的部分主觀要素、有關系統的維護成本進行評估，對研制單位提出的評估要素、權值分配、評估結果、管理方案進行確認。測控單位主要負責日常測控任務，開展異常應急處置，評估超期運行期間的測控成本。研制單位負責配合用戶開展航天器效費比、運行風險綜合評價，并提供各類在軌技術支持。

(2)定期回訪機制。定期走訪用戶，主動向用戶了解在軌運行效能和維護情況，溝通在軌狀態評估結果，提出下一階段的在軌管理方案及調整建議。存在重大在軌運行風險時，及時向用戶提出退役或報廢建議。

(3)用戶座談會機制。在每年底邀請所有航天器用戶召開座談會，介紹一年內的在軌管理工作開展情況，聽取用戶的意見和建議，分享航天器在軌管理經驗，研究下一年度管理措施。

4 精細的管理方案

根據狀態評估結果，結合航天器自身特點和當前的技術水平，按照“一星一策”的原則，逐一為每個航天器制定精細化的超期運行管理方案。目前，在實踐過程中主要形成了延壽、退役、報廢3個方面共11類方案，如表5所示。

表5 延壽、退役、報廢方案及實例

(1)延壽管理：對于效費比較高、運行風險較低的航天器，可進入延壽管理階段。根據航天器在軌狀態，制定正常使用、降級使用、任務拓展等方案。其中，降級使用包括降低精度、降低使用強度、關閉部分載荷、損失部分功能等。

(2)退役管理：對于效費比較低、運行風險較低的航天器，可建議用戶實行退役管理，不再納入業務運行體系，可開展頻率/軌位資源維護、技術試驗等工作。

(3)報廢管理：對于運行風險較高的在軌航天器，可建議用戶進行報廢管理，包括離軌及鈍化、受控再入、鈍化并自然隕落等方案。

5 實踐成果

通過近幾年來的精細化實踐，超期運行航天器在軌管理工作取得了顯著的成效，主要體現在以下幾個方面。

(1)延壽價值充分發揮。通過“一星一策”精心管理，動態調整在軌運行策略，目前80余個航天器處于延壽管理階段，在軌運行故障率持續下降，累計穩定運行超過200星年。其中，約40%的航天器業務運行時間達到設計壽命的2倍，在軌應用價值得到了充分發揮；約25%的航天器與其業務接替航天器組網運行，進一步提升了應用效能。

(2)退役報廢規范有序。近年來，通過用戶協同、動態評估等機制，10余個低效費比的超期運行航天器先后退出業務運行，履行了退役程序，并開展了頻率/軌位資源保護、任務拓展、技術試驗等工作120余項，進一步發掘了潛在價值；20余個存在嚴重運行風險的航天器，及時通過采取離軌、鈍化、再入大氣層等方式，進行了報廢處置，有效減緩了空間碎片風險，釋放了空間頻率軌位資源。

(3)用戶滿意度持續提升。通過精細化管理實踐，達到了超期運行航天器“有價值延壽使用、低效費比退役管理、高風險報廢處置”的管理效果，在軌服務質量得到了航天器用戶的好評，用戶滿意度不斷提升，連續數年用戶滿意率達到99%以上。