宇航團體標準《衛星控制分系統極性測試要求》的研究和實踐

謝任遠 余維 吳敬玉 史康 徐曉雄

（上海航天控制技術研究所， 上海， 201109）

2011 年以來， 我國的航天事業持續快速發展， 自主創新能力顯著增強， 進入空間的能力也大幅提升[1]。 傳統的空間應用衛星， 如提供通訊和氣象觀測的服務繼續穩步前進； 同時新興的空間科學衛星也得到了井噴式發展， 如暗物質衛星“悟空”、 量子科學實驗衛星 “墨子號”、 硬 X 射線調制望遠鏡衛星等空間科學衛星相繼發射上天，為我國空間科學探索提供了強有力的工具[2]。

然而在航天事業繁榮的背后， 也出現了不少挫折， 一些衛星由于設計、 制造等環節的極性錯誤導致整星失效[3]。 日本被寄予厚望、 代表 “新一代 X 射線天文學” 未來的衛星 “瞳”， 于 2016年2 月17 日發射成功， 但一個半月后由于控制分系統出現極性錯誤， 推力器往相反的方向點火， 導致衛星自身高速旋轉直至解體， 損失了2.86 億美元。 這些挫折也進一步說明， 對衛星控制分系統來說， 極性是特別重要的一環， 是衛星能正常工作的基本要求和必要條件[4]。

由于控制分系統的組成及內外部關聯比較復雜， 因此其極性的測試和確認， 一直是包括衛星在內的各類航天器控制分系統研制工作中的重要環節[5]。控制分系統在單機、 分系統、 整星層面極性設計與實現的一致性、 正確性， 事關衛星任務成敗。

1 控制分系統的極性

典型航天器控制分系統組成框圖如圖1 所示。 由圖可知其控制分系統由敏感器、 控制器和執行機構3 類產品組成， 具體衛星控制分系統的單機配置根據系統在軌任務特點和技術指標要求確定。

極性的定義指的是： 產品特定的安裝方向、連接對應關系、 介質流向關系、 運動方向關系等。 控制分系統的極性包括： 產品特定的坐標系對應關系、 運動類產品指定的運動方向關系、 敏感器測量與輸出的對應關系、 軟件計算要求與實際數據輸出的對應關系等。

2 極性測試要求的技術內容

衛星控制分系統極性測試涵蓋了各產品在各研制階段的極性測試內容， 具體內容包含了整個研制周期中的單機級、 分系統級、 整星級極性測試及發射場極性確認工作， 并體現了不同研制階段測試的區別。 根據衛星控制分系統的工作原理、 研制流程及設計要求， 分解出極性測試和確認的項目以及相應的測試方法。

2.1 單機級極性測試

在控制分系統產品驗收時， 對單機自身的極性進行測試， 一般使用目標模擬器和運動模擬器等專用模擬器對單機進行測試， 驗證有極性單機的極性是否與任務書、 技術要求等輸入文件的規定一致。

根據常規衛星控制分系統的構成， 該類測試應包含星敏感器、 地球敏感器、 數字式太陽敏感器、 0-1 式太陽敏感器、 模擬式太陽敏感器、 慣性器件、 磁強計、 飛輪、 磁力矩器等控制分系統部組件極性測試的內容、 方法、 所用儀器設備及確認要求 （表格）。

2.2 控制分系統級單機極性測試

各部組件通過電氣連接電纜、 分系統軟件等連接成控制分系統后， 按分系統進行開閉環測試前， 在分系統級仿真試驗環境下開展系統級下的單機極性測試， 包括各單機與系統控制器之間的極性接口檢查， 一般使用目標模擬器和運動模擬器等專用模擬器對單機進行測試， 驗證單機與系統之間極性信息是否一致、 正確。

根據各部組件在控制分系統內的工作方式及分系統測試環境， 該類測試應包含星敏感器、 地球敏感器、 數字式太陽敏感器、 0-1 式太陽敏感器、 模擬式太陽敏感器、 慣性器件、 磁強計、 飛輪、 磁力矩器等部組件在分系統條件下的極性測試的內容、 方法、 所用儀器設備、 用例、 數據記錄及極性確認要求 （表格）。

2.3 控制分系統極性測試

控制分系統極性測試是在各單機部件與測試設備一起連成分系統后， 在姿態角、 角速度、 狀態等控制輸入人為設置偏差的情況下將閉環狀態在動力學模型執行機構輸入位置斷開， 進行分系統的開環特性測試， 驗證控制分系統在給定的輸入下， 解算輸出的極性正確性和相關執行機構動作的正確性。

分系統極性測試一般包括的內容： 分系統各工作模式中姿態角、 角速度正負偏差下的飛輪、磁力矩器、 推力器極性測試； 飛輪的推力器、 磁力矩器卸載極性測試； 太陽電池陣的驅動極性測試； 安全模式下對日定向控制的極性測試等。 并對極性確認要求進行表格化說明。

2.4 控制分系統整星極性測試

在控制分系統整星極性測試前， 控制分系統各單機， 根據設計要求通過安裝面、 支架等固連于星體艙內或艙外， 除安裝精度外， 安裝極性、電纜連接關系也必須經過確認。 安裝正確、 連接正確是分系統單機實現控制算法的基礎保障。

按照控制分系統極性規定， 控制分系統各單機裝星后， 與衛星其他分系統協調工作時， 使用目標模擬器、 整星運動等方式對控制分系統及其單機進行極性測試， 驗證單機與分系統之間極性信息是否一致、 正確。 測試的內容主要包括對控制分系統執行機構、 太陽陣驅動機構、 推進分系統在整星條件下進行極性的測試。

2.5 控制分系統發射場整星極性測試

衛星運往發射場時， 一些部組件需要拆卸后單獨運輸， 發射場極性測試主要針對單獨運輸后在發射場安裝、 連接的部組件以及有插拔電纜過程的單機開展， 其他單機極性測試可結合光路測試和功能測試進行。 一般使用目標模擬器等專用模擬器對單機進行極性測試， 再次驗證重新裝星后部組件與控制分系統之間極性信息是否一致、正確。 用多媒體記錄的方式， 測試確認各單機在整星坐標系中的安裝極性與規定要求的一致、正確。

3 極性測試要求的實踐

按照前文所述的控制分系統極性測試分類及方法， 在某型號衛星的研制中進行了實踐應用。

3.1 單機級極性測試

a） 0-1 式太陽敏感器單機級極性測試

0-1 式太陽敏感器 （簡稱 “LSS”） 一般具有 3個正交方向的電池片 （LSSX、 LSSY、 LSSZ）， 運用太陽電池片將光信號轉換成電信號這一基本原理， 制作成為衛星測量產品。 該產品在單機級極性測試時， 通過手持式光源照射不同的電池片，產生電信號， 采集設備將電流輸出至不同通道，確認其極性的正確性。 極性測試表格見表1。

表1 0-1 式太陽敏感器單機級極性測試表

b） 反作用飛輪單機級極性測試

反作用飛輪是衛星姿態執行機構的重要器件， 它接收星載計算機的控制指令， 通過驅動電機對飛輪輪體加、 減速產生反作用力矩， 與衛星本體進行動量交換， 從而達到控制衛星姿態的目的。 該產品在單機級極性測試時， 將其安裝在專用工裝上， 通過地測設備發送正/負向轉速指令，觀察并使用多媒體設備記錄其轉動方向， 確認其極性的正確性。 極性測試表格見表2。

表2 反作用飛輪單機級極性測試表

3.2 控制分系統級單機極性測試

a） 光纖陀螺組合控制分系統級極性測試

光纖陀螺組合是衛星姿軌控分系統的重要敏感器件， 用于敏感衛星星體的慣性角速度， 輸出其在星體坐標系上的分量， 為衛星各個工作模式和飛行階段提供連續的三軸慣性角速度信息。 該產品在控制分系統級極性測試時， 將其接入系統后放置在試驗臺上， 通過轉動光纖陀螺組合的X、 Y、 Z 軸， 觀察并記錄控制分系統星載計算機采集到的角速度大小及方向， 確認其極性的正確性。 極性測試表格見表3。

表3 光纖陀螺組合控制分系級極性測試表

b） 磁力矩器控制分系統級極性測試

磁力矩器是控制分系統的一種執行機構， 用磁力矩器的磁矩與磁場作用產生力矩， 以補償航天器上的殘余磁場或由小干擾力矩引起的姿態漂移， 或對動量交換系統進行卸載。 該產品在控制分系統級極性測試時， 將其接入系統后放置在試驗臺上， 通過星載計算機向其注入磁控電流， 使用指北針確認產生的磁場方向， 確認其極性的正確性。 極性測試表格見表4。

表4 磁力矩器控制分系級極性測試表

3.3 控制分系統極性測試

a） 角速度偏差下的控制分系統極性測試

在角速度偏差下的控制分系統極性測試時， 輸入點為角速度敏感器的角速度偏差量， 輸出檢測點為執行機構的輸出方向。 以某衛星使用推力器作為執行機構進行速率阻尼極性測試為例， 當初始輸入角速度大于系統控制目標值時， 推力器輸出本體系下負力矩； 反之， 當初始輸入角速度小于控制目標值時， 推力器輸出本體系下正力矩。 通過觀察記錄角速度偏差設置與推力器輸出對應關系， 考核姿軌控軟件的控制極性。 極性測試表格見表5。

表5 角速度偏差下的控制分系統極性測試表

b） 角度偏差下的控制分系統極性測試

在角度偏差下的控制分系統極性測試時， 在各軸向上輸入正向或反向角度偏差量， 觀察并記錄對應通道上飛輪的輸出結果。 以某衛星使用反作用飛輪作為執行機構進行對日定向機動極性測試為例， 當初始輸入角度相對于系統控制目標值有正向偏差時， 反作用飛輪輸出本體系下負向力矩； 反之， 當初始輸入角度相對于系統控制目標值有負向偏差時， 反作用飛輪輸出本體系下正向力矩。 通過觀察記錄角度偏差設置與反作用飛輪輸出對應關系， 考核姿軌控軟件的控制極性。 極性測試表格見表6。

表6 角度偏差下的控制分系統極性測試表

3.4 控制分系統整星極性測試

a） 磁強計整星級極性測試

磁強計是衛星姿軌控系統磁力控制模式中的地磁測量敏感部件， 用于地球磁場強度矢量的在軌測量， 其測量結果送星載計算機， 以保證磁力矩器控制力矩的正確產生。 該產品在整星級極性測試時， 將其按照設計的位置和方向安裝在衛星本體上， 使用磁塊N 級和S 級分別作為磁強計頭部的敏感對象， 通過星載計算機采集到的磁場強度和理論磁場強度的方向和大小相比， 確認其極性的正確性。 極性測試表格見表7。

表7 磁強計整星級極性測試表

b） 與推進分系統接口整星級極性測試

推進分系統作為姿軌控分系統姿態、 軌道控制的主要執行機構， 在整星級狀態下與姿軌控分系統之間進行極性測試， 確認其與姿軌控系統間極性設計、 實現的正確性， 顯得至關重要。 以某衛星進行姿軌控分系統與推進分系統整星級極性測試為例，通過姿軌控星載計算機發送指令， 控制推進分系統推力器噴出一定時長的氣體， 用套在相應推力器上的氣球有無明顯鼓起進行測試可視化， 并同時使用多媒體工具進行記錄。 極性測試表格見表8。

表8 與推進分系統接口整星級極性測試表

3.5 控制分系統發射場整星極性測試

a） 安裝極性測試

衛星在發射場的控制系統極性測試為最后一次極性測試， 因此主要測試項目為對經過單獨拆裝運輸的單機進行極性測試， 測試方法一般同控制系統整星級測試。 產品在重新裝星后進行電測試之前， 會首先確認各單機在整星坐標系中的安裝極性與規定要求的一致、 正確， 并使用多媒體進行記錄。 安裝確認表格示例見表9。

表9 星敏感器控制分系級極性安裝確認表

b） 光路極性測試

數字式太陽敏感器是通過計算太陽光線在探測器上相對中心的位置的偏差來計算太陽光角度的敏感器， 因為產品進行了長距離的運輸， 在發射場還需測試產品光路的極性。 將其按照設計位置和方向接入衛星本體上后， 使用強光太陽燈照射數字式太陽敏感器， 通過星載計算機采集到的光斑坐標與已知判據相比， 確認其極性的正確性。 極性測試表格見表10。

表10 數字式太陽敏感器發射場極性測試表

綜上所述， 某型號使用宇航團體標準 《衛星控制分系統極性測試要求》 中規定的控制分系統測試的流程和方法， 在控制分系統研制過程中通過逐步極性測試， 避免了系統測試中可能出現的極性錯誤、 極性負負得正的情況， 充分考核驗證了控制分系統研制流程中各層級極性的正確性。

4 結論

控制分系統對測量部件和執行機構等單機的極性、 安裝方位、 計算使用方法都有一定的要求。 在單機研制至發射場工作的整個控制分系統研制過程中， 唯有對控制分系統進行極性測試及確認， 保證控制分系統極性的正確性， 才能保證衛星在軌發射后控制分系統的正常工作， 避免系統失控導致任務的失敗。 本文對衛星控制分系統極性測試按照研制流程進行了測試階段和項目分解， 并通過在某衛星研制過程中進行實踐應用， 列舉了每階段個別單機極性測試內容和方法， 充分驗證了控制分系統在單機、 分系統、 整星、 發射場層面極性設計與實現的一致性、 正確性， 確保了控制分系統極性的正確性， 對整星任務成功提供有力支撐， 也驗證了本文對控制分系統極性測試各階段任務分解的可行性和正確性， 可進一步在其他衛星型號研制過程的控制分系統極性測試中應用推廣。