高分多模衛星飛行程序設計及驗證

姜洋 于龍江 王躍 楊文濤 范立佳

(中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

衛星的飛行程序規定衛星從發射前在發射工位上衛星初始狀態的設置、臨射前狀態檢查、運載火箭發射、衛星入軌、正常運行狀態建立到整星在軌交付前的主要程序和正常飛行階段的工作程序[1]。并且會詳細分解從入軌飛行到高精度對地姿態建立整個過程中的衛星動作、地面指令操作程序及指令執行判據,制定初軌調整策略和在軌測試中的主要內容和基本流程。飛行程序是衛星入軌初期工作的指導文件，對衛星任務完成具有重要作用。

飛行程序根據衛星的功能、特點以及驗證需求，設計工作流程及工作事件，繼承常規設計經驗并根據衛星特點開展針對性的設計，二者有機結合。高分多模衛星(GFDM-1)是一顆敏捷衛星，具備新型成像模式[2]，衛星工作模式復雜姿態機動頻繁，具備自主任務管理和自主健康管理的智能處理能力，采用5級的星地任務管理體系完成載荷任務，通過“元任務”方式上注地面任務，飛控操作與以往衛星不同。

太陽翼、天線等撓性附件對衛星敏捷性能有很大的影響，傳統衛星太陽翼在軌展開剛度較低[3-4]，展開狀態的基頻通常不超過1 Hz，難以滿足敏捷衛星快速姿態機動、快速穩定的任務需求[5]。太陽翼采用了新型并聯式結構的高剛度太陽翼，其展開方式為二次展開，且太陽翼是關乎衛星安全的重要單機，所以在飛行程序中確保其順利展開并捕獲太陽是一個關鍵。另外，敏捷衛星相對于傳統的三軸對地工作衛星在狀態建立階段和載荷任務執行階段，衛星姿態的敏捷機動會對測控、數傳、導航的使用帶來影響,需要在程序設計時綜合分析保證時序合理。高分多模衛星具備多模式高密度的圖像獲取能力，需要根據星上自主任務的管理和約束，采用星地一體的任務規劃的體系來設計和安排在軌任務。

本文對高分多模衛星的飛行程序進行介紹,重點針對入軌段程序和任務模式中復雜工作狀態組合和約束條件下的飛行程序綜合優化設計進行說明,并通過在軌應用效果對飛行程序的合理性和有效性進行驗證。

1 飛行程序設計

1.1 設計原則

飛行程序設計原則有一些通用性,同時也要根據衛星自身特點進行特殊考慮[6]。高分多模衛星的飛行程序設計原則主要有以下幾點。

1)關鍵事件保障

關系衛星安全和功能的關鍵事件，要合理采用程控/遙控指令、雙機備份、直接/間接指令備份等多種執行方式重點保障，同時要做好故障預案以及預留故障處置時間，必要時安排中繼測控弧段提供操作時間保障。

2)優化時序

根據事件的重要程度，預估操作執行和監視狀態的時間，綜合考慮快速性和可靠性，合理設置事件的串行和并行時序、綜合運用元任務、指令序列、子任務三種執行方式，提高效率。

3)預先規劃

衛星具備自主任務管理能力，采用天地一體的任務管理方式，地面提前進行軌道、姿態、能源、固存容量、天氣情況等綜合約束仿真，確保測試任務的可行性，提高圖像獲取率。

4)模式覆蓋

敏捷成像模式有5種，數傳方式有對地、對中繼兩種且碼速率各有3種，此外還有星上任務規劃和星上區域提取與處理等模式，遵循從簡到繁的測試順序，同時考慮覆蓋和重點測試兼顧的綜合原則。

1.2 飛行事件和任務設計

高分多模衛星的載荷配置多樣，除主載荷高分相機外，還有大氣同步校正儀、區域提取與處理單元、激光通信終端等，具備5種敏捷成像模式；通信和數據傳輸鏈路多樣，含對地測控、中繼測控、對地數傳和中繼數傳且碼速率多達6種；需要火工解鎖的設備7臺，轉動部件眾多，衛星系統狀態建立和載荷任務復雜且工作量大，所以在確?？煽康耐瑫r快速狀態建立面臨著很大的困難。

高分多模衛星飛行程序設計時，充分考慮衛星的能力，簡化地面操作：在主動段地面不發送指令，采用延時指令方式進行力學采集和監視相機采集；在星箭分離階段，以星上的程控指令組完成推進加電和太陽翼火工品解鎖及展開等關鍵動作，地面上注作為備份手段；在狀態建立階段，考慮應用需求采用指令序列、子任務、數據塊等多種形式合理安排，簡化操作流程；載荷任務階段，使用面向用戶的自主任務管理方式，提前規劃并上注元任務，簡化了星地接口，減少了上行鏈路的數據量和操作復雜度。整個飛控期間的主要事件和任務如圖1所示。

圖1 飛控期間的主要事件Fig.1 Major operations in flight control

針對第1圈太陽翼展開、第2圈的新研關鍵單機控制力矩陀螺啟動過程、高精度姿態測量狀態建立等關鍵事件節點，使用了中繼測控弧段用于監視和故障應對，確保可靠性；在4圈和6圈，完成天線復位、姿態機動、載荷初始狀態檢查等重要功能測試，確保了第7圈北京站雙天線對地傳輸鏈路打通，具備載荷任務狀態，提升了狀態建立的快速性。此外，在整個狀態建立過程中，精細化分析指令執行時間，對于天線展開、復位、激光轉動、姿態機動等耗時的動作，采用事件并行設計同時優化串行指令時序，合理的縮減總流程時間；充分利用北京站的一次過境數傳弧段，根據天線仰角使用約束結合自主任務時序要求，一次過境完成兩個天線數傳鏈路測試，為后續高分相機高頻次任務大數據量傳輸奠定了基礎。

第1天，完成測控通道、數據管理、電源供給、高精度姿態控制、數傳通道等平臺狀態建立和載荷初始狀態確認工作；第2天，進行多次相機調焦操作，初步確定焦面位置；第3天，開展載荷工作模式驗證，此后持續開展成像、回放和圖像實時處理功能測試；第4天，制定軌控方案并開展軌道調整工作、開展區域提取與處理功能驗證；第5天，開展星上自主任務規劃和大氣同步校正儀定標測試；第6、7天，開展中繼數傳鏈路打通，完成三種碼速率的傳輸功能驗證。最后，按照衛星在軌運行需求進行整星狀態設置，移交到長期運行管理部門。

2 關鍵復雜飛行事件識別與設計

針對高分多模衛星的設計特點和事件執行過程進行分析，識別本型號新動作和新狀態，尤其是針對敏捷特性耦合下的事件重點關注。

1)太陽翼展開與捕獲跟蹤太陽

和傳統三軸對地衛星相比，為減少機動過程的帆板撓性影響，配置高剛度的并聯式太陽翼，其展開過程相對復雜。太陽翼展開、捕獲、跟蹤是能源狀態建立的關鍵。

2)慣性定向模式下的中繼傳輸模式規劃

敏捷衛星的姿態機動頻繁，對測控和數傳的使用存在約束，對于慣性定向模式下的中繼數傳測試尤其明顯，姿態、測控和數傳時變約束復雜且工況持續時間長。

3)多模式高頻次任務設計與規劃

首次采用以元任務為星地接口的天地一體的自主任務管理方案，星上可以實現任務解析、子任務分解、大指令、指令序列的生成和發送，地面需要先開展預先規劃工作，確保多模式高頻度任務安排合理可行。

2.1 太陽翼展開與捕獲跟蹤太陽

高分多模衛星采用并聯式的太陽翼，在軌通過二次展開鎖定到正常工作狀態，太陽翼展開及跟蹤是整星能源供給的重要步驟，在飛行程序設計前對太陽翼的展開過程進行了力學響應、跟蹤過程和指令時序等全面分析。

基于Adams軟件建立太陽翼展開過程動力學分析模型,在飛行程序設計前對展開過程的沖擊情況進行了仿真。太陽翼展開過程及帆板沖擊轉角如圖2、圖3所示。根據理論發射軌道參數、太陽翼沖擊響應結果結合捕獲策略分析太陽翼捕獲時間和太陽翼電流的變化情況，整個過程是建立能源狀態的重要環節。

圖2 太陽翼二維展開過程Fig.2 Two-dimensional deployment process of solar panel

圖3 SADA轉動角度-時間曲線Fig.3 Angle-time curve of SADA rotation

經過對太陽翼展開沖擊、捕獲跟蹤過程和對地、中繼測控弧段的綜合分析，表明太陽翼展開過程的沖擊導致太陽翼轉動60°左右，此狀態下按照太陽翼控制策略分析兩翼捕獲過程會持續約410 s，需要對地和中繼測控聯合保障。依據分析結果，細化發射入軌首圈的正常事件時序和預案執行時機和時序，分配對地和中繼測控弧段使用需求，確定在對地弧段的指令序列及緊急故障處置序列，中繼弧段用于監視太陽翼的捕獲跟蹤過程，同時也為故障處置預留了時間，為飛控關鍵事件提供保障。

2.2 慣性定向下的中繼傳輸模式規劃

高分多模衛星是具備中繼傳輸功能的民用衛星，實現軍民融合應用需求。在進行中繼信標校準的過程要對接收機的像移值進行遍歷，需要中繼回放模式持續30 min。考慮滿足敏捷衛星布局要求充分利用衛星的敏捷特性，中繼數據回放模式采用慣性定向模式，衛星姿態機動范圍很大且對地持續改變，僅用單一對地測控只有10 min測控弧段無法滿足需求，若采用延時下傳則時效性差，參數解算會延時一軌，信標校準的串行測試耗時增加2軌時間。綜合優化采用中繼測控方式，全程下傳實時遙測數據，以能夠在當圈快速完成數據分析和參數解算。在測試設計中要考慮多方面需求，需要在姿態機動約束下，再將測控和數傳需求進行聯合迭代仿真。利用任務規劃軟件和STK仿真軟件進行建模，綜合考慮慣性姿態、測控天線、中繼數傳天線的安裝位置、天線方向圖、天線波束角約束，結合軌道信息找到中繼測控可見且中繼數傳的時長30 min左右弧段。仿真過程如圖4所示。

圖4 多約束條件的中繼數傳聯合仿真流程Fig.4 Data relay transmission simulation process in multiple constraints

經過迭代仿真分析，優化后的中繼任務規劃結果如表1所示，表中的q1～q4表示衛星姿態四元數。

表1 中繼數傳任務規劃結果Table 1 Mission planning of data relay transmission

2.3 多模式高頻度載荷任務規劃

高分多模衛星具備一軌內密集成像能力，相比以往大中型遙感衛星提高至少5倍；可實現多點目標、區域拼幅、主動推掃、立體、多角度等多種敏捷成像模式[7]和對地、對中繼的多種數傳模式，大幅提高了衛星有效圖像的獲取效率和應用價值。高分多模衛星首次采用了基于元任務的自主任務管理方式，大大簡化了復雜模式大任務量的星地接口，減輕了上行鏈路的壓力，上注包含目標的地理位置、成像相關參數信息的元任務，直接面向用戶需求，由星上自主完成任務準備和執行階段的姿態規劃、指令序列的解析和積分時間計算等，實現了圖像的精準獲取。

任務的規劃和執行是在星地一體化框架下的任務系統內實現，為保證任務的有效、合理和正確性，在地面構建了多種模式的任務規劃模型形成地面任務規劃仿真系統，對任務階段的姿態、軌道、固存狀態、能源平衡、積分時間等任務參數進行了全面仿真分析，提前直觀清晰展示任務準備、執行和恢復狀態過程，為飛控期間的任務設計提供了保障。任務仿真結果見圖5。

圖5 任務規劃仿真結果(示例)Fig.5 Simulation results of mission planning(examples)

3 飛控預案設計

針對高分多模衛星飛行程序中的發射及入軌的各項事件進行梳理，明確操作流程和關注的重點，從薄弱環節和故障模式等綜合分析可能出現的各種故障情況并制定故障處置預案，其中影響衛星安全和任務的故障及應對預案共計33項，具體詳見表2。其中，針對太陽翼展開故障設計了姿態抖動、-Y/+Y對日定向的處置策略；針對衛星未進入預定軌道，對軌道高度和姿態開展了多種情況分析，制定了對應的搶救時機和策略；其他故障可以通過設備備份、通道備份、系統重構、備份指令等方式進行處置。飛控預案項目覆蓋了飛控重點圈次的全部事件，處置措施合理可行。

表2 飛控期間重要故障事件Table 2 Important fault event during flight control period

4 飛行程序及預案地面測試驗證

在整星測試期間，依據飛行程序進行了模式測試，對射前3 h的狀態設置、入軌段狀態建立、載荷調試和模式測試事件和動作時序開展了全面測試，測試結果正常，具體測試項目見表3。經過測試，進一步固化了飛控流程、指令序列、數據塊和指令時序，為后續的飛控實施奠定了基礎。

表3 飛行程序模飛測試Fig.3 Flight simulating test of flight program

在高分多模衛星的分系統功能性能測試階段和整星故障模式模飛測試中，對飛控預案進行了測試。采用地面模擬故障或是遙控注入的方式模擬在軌故障，按照預案卡進行故障處置措施的測試驗證。對于無法模擬的故障開展分析，對指令和時序進行了驗證，飛控故障預案地面驗證充分。

5 飛行程序在軌應用及驗證

高分多模衛星2020年7月3日發射入軌，按照制定的飛行程序開展飛控工作，飛行事件和指令均執行正常。在主動段、星箭分離和入軌初期，順利完成了能源、測控、控制、熱控、數傳等狀態建立，各載荷相繼開機工作，覆蓋了全部的敏捷成像模式和數傳模式。經過7天的飛控測試，建立了衛星平臺工作狀態，對載荷設備進行了調試和初步測試驗證，表明衛星工作正常，在軌運行穩定。最后，根據衛星長期在軌運行需求完成了系統狀態設置，交付到在軌長期運行管理部門。

5.1 太陽翼展開及捕獲跟蹤太陽

星箭分離后按照程控完成太陽翼火工品電爆解鎖，兩翼經過一次、二次展開后完全展開并鎖定，展開過程用時為19 s。星箭分離120 s后太陽翼驅動機構以-0.6(°)/s轉動，控制太陽翼開始捕獲太陽，到位后自動轉入跟蹤狀態，太陽翼轉角轉動與仿真結果一致。在捕獲跟蹤過程中，兩翼太陽電池陣電流逐漸增大到約43 A，具體電流遙測曲線如圖6所示。太陽翼展開、捕獲和跟蹤過程正常，能源狀態建立正常。

圖6 入軌后太陽翼轉動及輸出電流曲線Fig.6 Curves of rotation and output current of solar array on orbit

5.2 慣性定向下的中繼傳輸模式驗證

經過任務規劃與STK的迭代仿真，最終選取了慣性姿態下滿足中繼測控和中繼數傳需求的多個任務時段并生成了中繼回放元任務，先后開展中繼信標校準和數據傳輸任務。

在中繼信標相位校準過程中，提前上注中繼傳輸元任務、Ka頻段跟蹤接收機的調相序列和天線跟蹤控制模式切換序列，通過遙測觀察不同狀態下方位差和俯仰差的變化情況，分析確定跟蹤接收機的相移值。中繼傳輸任務規劃合理，經過粗精校準兩次任務，利用2軌時間完成了中繼信標校準工作，提升了飛控工作效率，為后續的中繼任務奠定了基礎。

在中繼信標相位校準完成后，開展了3種碼速率的中繼數據傳輸測試。中繼數傳過程中，整星處于慣性定向模式，對地姿態持續變化的狀態下中繼通道遙測連續，為及時判讀提供了基礎保障。所有中繼任務均正確執行，姿態控制正確，中繼天線跟蹤中繼星正常，數據傳輸無誤碼，順利完成了中繼數傳功能驗證。中繼數傳過程的姿態和天線跟蹤情況見圖7。

圖7 中繼傳輸過程姿態和天線跟蹤曲線Fig.7 Curves of attitude and antenna angles in data relay transmission

5.3 多模式高頻度的載荷工作模式驗證

衛星入軌前7圈按照預定飛行程序完成了平臺狀態建立。從第2天到第7天開展了載荷調試、定標和高密度的點目標、區域拼幅、主動成像、立體成像和多角度成像模式、對地數傳和中繼數傳模式的驗證，共計成像277次，回放55次，具體項目如表4所示。所有任務時序安排合理，無沖突和無效情況，星地任務規劃設計正確，實現了基于元任務的載荷任務管理功能測試驗證，所有任務執行正確。

表4 飛控期間的任務統計Table 4 Mission statistics tasks in flight control period

飛控期間按照每天工作10軌來進行任務安排，覆蓋各種模式組合。對于呼倫貝爾、越南東海岸、南沙區域、意大利、海南等不規則狹長地帶，設計了主動推掃模式；臺北、雅典、舊金山、尼亞加拉瀑布等設計了多角度成像模式，獲取了標志性地標建筑的細節圖像，對于北京、羅馬、關島等城市區域，設計了同軌拼幅模式，一次過境獲取全局圖像，對于零散分布的小型目標，采用同軌多點目標成像模式，增加獲得的精細目標數量和有效數據?；胤拍Ｊ礁采w了對地雙天線的傳輸通道，中繼傳輸的3種碼速率。在整個飛控期間覆蓋了全部成像和回放模式，圖像獲取效率和數量較以往在軌衛星大幅度提升，充分利用模式的特點和優勢，獲取了多種類型的典型圖像，取得了良好的觀測效果。

6 結束語

本文梳理了高分多模的特點，分析飛控工作的重點和難點，對事件的順序和指令的編排進行優化，設計并制定了飛控操作程序。識別飛行程序中太陽翼展開及捕獲跟蹤、多模式高頻度的載荷任務規劃、中繼數傳模式等關鍵復雜事件進行設計并開展地面仿真，全面分析在軌狀態、對多約束耦合狀態仿真優化。衛星發射及入軌，按照預定程序進行飛控實施，經過7天的飛控工作，實現了復雜平臺的快速狀態建立，完成了載荷調試、載荷工作模式和功能驗證，圓滿完成了飛控任務，為后續的在軌全面測試奠定基礎。高分多模衛星在軌飛控結果表明:衛星平臺和載荷單機工作正常，衛星系統狀態建立正確且運行穩定，各工作模式下圖像質量良好,載荷數據傳輸正常,衛星具備長期穩定業務運行的能力。高分多模衛星狀態建立和任務執行過程設計合理,可以為其他敏捷類衛星飛行程序設計提供參考。