衛星在軌任務管理技術研究

白照廣 陸春玲 左莉華 朱軍 邸國棟 李志武 李永昌

(航天東方紅衛星有限公司， 北京 100094)

衛星在軌管理一般由衛星方、運控方、測控方協同完成[1]。運控方根據用戶的需求，統籌規劃生成衛星的任務指令，發送給測控方。測控方通常有三大任務：①衛星遙測監視和異常處理；②例行的任務指令上注；③軌道與姿態的測量與控制[2]。隨著航天事業的發展，在軌衛星數量越來越多，衛星方的任務在協同運控方、測控方進行有效載荷任務管理、衛星健康管理和異常處理的基礎上[3]，越來越需要在衛星的最大效能、新功能、新用途、多星協同等在軌應用上創新，擴展衛星方的在軌管理工作內涵。結合實際應用，挖掘提升衛星在軌的應用價值，特別是不同種類國產衛星間的協同工作，更是在軌管理的新趨勢。

目前，在軌管理的研究主要涉及航天器在軌管理支持平臺建設[4]、航天器故障預測[5-6]、在軌健康管理[7]等方面，給出了航天器在軌管理、故障診斷、故障預測、健康評估和決策的研究進展，分享了導航衛星在軌運行分析與管理經驗[1]。這些研究更多的是測控方、運控方維護衛星在軌穩定運行所開展的工作，而本文側重衛星方在維護衛星穩定運行的基礎上，更進一步開展衛星潛力挖掘，試驗新功能、新用途及多項目衛星協同所進行的在軌任務管理技術研究。本文提出應開展在軌衛星“再完善、再開發、再利用、再設計”的“四再”工作，并以實例進行說明，希望能拓展衛星在軌管理工作的新領域，提升衛星在軌工作效能，形成衛星設計與使用間的互動，從而更好地促進衛星設計水平的提升。

1 衛星在軌管理概念與內涵

衛星發射入軌后，工作階段一般包括在軌測試、衛星業務應用、壽命末期管理3個階段。

(1)在軌測試，主要用于評判衛星功能性能符合研制要求的能力，可再分為在軌工程測試和在軌業務測試2個子階段。在軌工程測試主要對衛星各單機健康狀態、工作狀態進行測試或設定，對整星功能和性能進行測試，評判衛星具備支持業務任務的能力。在軌業務測試主要對衛星的業務能力進行測試，包括有效載荷性能確認與精度評判、業務模式、運行能力等測試[8]。

(2)衛星業務應用，主要是為業務部門或用戶提供服務。衛星方需要做好服務保障，一般包括：按用戶要求進行必要的業務模式調整；按軌道或壽命運行情況進行衛星參數調整；根據故障發生情況進行故障處理[2]。

(3)壽命末期管理，包括延壽應用、退役及離軌管理。在延壽期間，由于衛星功能的衰退，衛星開展業務工作時需要結合衛星實際工作能力，優化衛星的業務工作量。例如：電源發電能力在壽命末期會逐漸降低，這時就需要不斷優化或縮短業務有效載荷工作時間；退役后的衛星一般會降低地面測控跟蹤次數；離軌管理需要實施變軌操作，并對衛星進行鈍化處理[9]。

通過多年來對多顆在軌衛星管理工作的總結、分析，衛星在軌測試后，雖然已經將衛星設置為正常運行的最佳狀態，并作為在軌衛星技術基線交付業務運行管理部門，但是在軌衛星仍然需要衛星方的關注。一方面，需要保證衛星業務運行能力的穩定；另一方面，需要通過在軌實際工作的考驗[10]，不斷挖掘設計與使用的不足，完善衛星的使用，促進衛星設計技術的不斷發展。

衛星方的在軌管理概念是廣義的，即在測控方、運控方維護衛星在軌穩定運行的基礎上，由衛星方開展衛星潛力挖掘、試驗新功能、新用途及多項目衛星協同等工作。其內涵是在全壽命周期的遙測、遙控、業務應用和異常處理等工作的基礎上，基于在軌衛星的實際情況，開展衛星的“再完善、再開發、再利用、再設計”等拓展工作，并按照衛星在軌的工作進程逐步實施。“再完善”主要是針對研制要求之內，為了挖掘衛星潛力或余量，以最大效能實施業務應用；“再開發”是針對研制要求之外，為驗證或試驗新的功能及多項目衛星協同運行能力而進行的開發；“再利用”是研究衛星新的功能、新的用途；“再設計”是根據在軌衛星應用情況而改進后續衛星設計、“舉一反三”、提升效能等。“四再”全面覆蓋了衛星在軌管理工作，并且循序漸進，如圖1所示。

圖1 在軌衛星任務管理“四再”Fig.1 Four re-managements of on-orbit satellite mission management

在圖1中：“再完善”是為了更好地完成研制要求；“再開發”是為了驗證新的設計技術；“再利用”是為了尋求新的用途；“再設計”是為了后續衛星改進設計。這樣可將在軌應用、拓展及后續發展關聯起來，形成研制、應用、開發的有機統一。

2 基于最大效能的“再完善”研究

2.1 “再完善”場景分析

“再完善”主要是針對研制要求之內，為了挖掘衛星潛力或余量，最大效能地實施業務應用。通過對在軌衛星管理工作梳理，本文主要基于如下5個方面的情況，提出衛星在軌的“再完善”措施。

(1)余量。衛星設計參數一般有一定余量或裕度，釋放出來有利于提升衛星業務效能。例如：有效載荷工作時間可以根據整星能量平衡的實際情況，適當延長。

(2)冗余。設備單機一般都有冗余，往往只在主份有問題時，才使用備份。目前，在軌小衛星已應用了主備交替使用策略，既不降低可靠性，又能監測備份工作情況，甚至能提升任務效能。例如：固態存儲器主備份交替工作，可以使存儲數據獲取能力提高1倍。

(3)優化。根據在軌實際使用經驗，為提高衛星任務效能或運行可靠性，可提出優化措施。例如：在表1中，根據實測的側擺機動時間160 s,將側擺等待200 s的指令間隔縮短為160 s,提高任務響應時效性。

(4)退化。衛星狀態參數會隨著衛星運行發生變化或衰退，需要不斷調整衛星運行參數，使衛星一直處于最佳工作狀態。

(5)非預期。衛星運行期間總會出現非預期事件，包括設計的不足及可能發生的故障，這些都需要及時對衛星狀態進行調整。

2.2 “再完善”實例

在軌衛星挖掘余量、使用冗余、優化模式、壽命維護、改進非預期的典型實例，如表1所示。

表1 “再完善”實例Table 1 Re-improvement cases

3 基于新功能的“再開發”研究

3.1 “再開發”場景分析

通過對衛星方在軌任務管理工作梳理，主要基于如下3種場景提出“再開發”。

(1)潛力挖掘。針對新的或未來的需求，可以利用衛星的潛力開發一些新的功能，特別是針對軟件的可維護性增加的任務功能。

(2)新技術演示。衛星的性能需要滾動提升，因此衛星的設計總要有一些新的技術。其中，部分新技術在地面的驗證條件總是難以完全與實際在軌環境等效，在軌驗證就顯得十分必要。

(3)多星協同。隨著衛星種類的增多及衛星壽命的增加，不同種類的衛星共同完成同一目標的情況越來越多，如災害情況下的多星協同遙感。但是，這些衛星的有效載荷配置、軌道設計、運行管理都不會相同，因此需要調整任務計劃、改變任務參數，甚至調整衛星的軌道，而上述調整必須在能力許可的情況下實施，因此需要開展“再開發”研究。

3.2 “再開發”實例

基于潛力挖掘、新技術演示和多星協同的衛星在軌“再開發”實例，詳見表2。

表2 “再開發”實例Table 2 Re-development cases

圖2 太陽翼展開及轉動的在軌監測圖像Fig.2 On-orbit monitoring image of solar array deployment and rotation

4 基于新用途探索的“再利用”研究

4.1 “再利用”場景分析

基于新用途探索的“再利用”場景，主要包括3個方面。

(1)已有功能，是指衛星本身具備、無需更改就能實現的衛星任務功能。它一般取決于用戶部門對衛星任務能力認識的提高或投入的增加。例如：捕風一號衛星采用全球導航衛星系統反射計(GNSS-R)能夠實現海風測量，也可以進行土壤濕度等測量，這需要任務規劃、探測參數調整及應用處理的配合。

(2)開發的新功能，基于在軌“再開發”實現的新功能開展應用。“再開發”的功能應是經在軌驗證成功的。例如，某衛星在軌對月成像功能試驗成功，推動了對地遙感器的天基深空觀測新功能應用。

(3)潛在功能及新用戶，針對用戶提出的新業務需求，開展研究與開發工作。例如：捕風一號衛星主要針對氣象部門提供海表風場測量服務，隨著應用的拓展，也可以為海洋部門提供海面有效波高、水位/潮位測量及洋流(流速)等服務。

4.2 “再利用”實例

表3是衛星在軌基于已有功能、開發的新功能和潛在功能的“再利用”實例。

表3 “再利用”實例Table 3 Re-use cases

5 基于后續衛星的“再設計”研究

5.1 “再設計”場景分析

“再設計”主要針對在軌衛星難以進行設計更改、需要在后續衛星研制中采取的新設計。經分析，主要場景如下。

(1)可靠性增長。在軌衛星發生的問題往往很難徹底解決，后續衛星需要針對問題情況開展新的設計。這方面是“再設計”的主要工作。另外，衛星在軌運行過程中，有時會暴露出不合理或有隱患的設計，往往很難在軌更正，需要在后續衛星中重新設計[18]。

(2)好用易用。對衛星在使用方面要求的表述一般不充分，特別是對新的用戶或新的衛星項目，很難一步要求到位，衛星設計自然也很難一步做到好用易用，這就需要總結在軌實際運行效果，在后續衛星中采取改進設計。

(3)水平提升。通過總結在軌使用經驗，結合設計師水平的提升和技術進步，后續衛星一般總會有一定的功能或性能的提升能力。

5.2 “再設計”實例

基于可靠性增長、好用易用和水平提升的一些“再設計”實例，詳見表4。

表4 “再設計”實例Table 4 Re-design cases

6 幾點建議

綜上，為了進一步規范衛星方的在軌任務管理工作，提高衛星在軌應用價值，提出如下建議。

(1)將衛星在軌任務管理當作衛星研制工作的一部分，特別對新研衛星，應提供必要的保障條件。

(2)系統研究衛星在軌任務管理工作內容，建立在軌工作規范，完善衛星在軌管理組織職能。

(3)健全衛星延壽、壽命末期管理、離軌等標準要求。

(4)衛星的最終效能不但取決于衛星，也取決于其使用及應用，只有通過使用、應用的深入接觸與迭代，才能更好地了解可用性需求，開展針對性設計。

(5)對月成像是實現地球軌道衛星無場輻射定標的趨勢，建議后續遙感衛星增加天基對月成像功能；開展天地同步對月觀測，并進一步業務化應用。

(6)增強遙感衛星協同設計。將按相機視場進行軌道回歸特性的設計改變為按重訪要求設計；應對軌道進行規定和制度化管理，實現不同衛星的加入或擴充；高分辨率衛星應增強姿態敏捷來提高衛星重訪及與其他衛星的協同觀測能力；衛星有效載荷規模應與數據傳輸能力、姿態敏捷能力相容，同時也要與其他衛星有效載荷參數匹配，以適用于應用數據融合需求。

7 結束語

本文通過總結、梳理衛星方對多顆衛星在軌任務管理經驗，提出了“再完善、再開發、再利用、再設計”的“四再”在軌管理工作。通過挖掘衛星潛力和余量，延長有效載荷開機時間等“再完善”措施，可最大效能地實施業務工作；“再開發”試驗了可視化遙測新功能及5顆衛星重構組網運行能力；“再利用”拓展了衛星對月定標新功能、新用途的應用；“再設計”實現了星上自動生成累計信息遙測等功能，可為后續衛星提供改進參考。在軌管理不僅僅是衛星的在軌健康管理，還應是衛星的進一步應用、拓展及開發。“四再”工作循序漸進，全面覆蓋了衛星方的在軌任務管理工作，并將在軌應用、拓展及后續發展關聯起來，形成研制、應用、開發的有機統一。通過進一步規范衛星在軌管理工作，能提升衛星在軌工作效能，并且形成衛星設計與使用間的互動，以更好地促進衛星設計水平的提升。