國際空間站有效載荷集成流程分析

王明芳，劉迎春，呂從民，郭麗麗

(中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094)

1 引言

在國際空間站(ISS)的建設過程中，NASA建立了一套科學、規(guī)范、有效的任務實施流程，涵蓋任務規(guī)劃、實施、實施后科學研究、總結改進這一全生命周期過程，稱為有效載荷集成(Payload Integration)［1］。NASA將整個集成流程編寫成一本入門指導書，在項目意向階段即分發(fā)給各項目的有效載荷研制方(PD，Payload Developer)和項目研究者(PI，Project Investigator)作為指導。ISS有效載荷的集成流程從理念上不完全等同于傳統(tǒng)衛(wèi)星有效載荷隨飛行任務實施的研制流程，對此，本文將進行系統(tǒng)分析和研究。

2 有效載荷集成流程

目前國際空間站提供兩類有效載荷集成流程，標準流程和精益流程。載荷通常采用36個月的標準集成流程，可獲得較多的ISS航天器和地面運控支持，PD完全按照載荷參試的飛行任務計劃節(jié)點開展工作。精益流程是在標準流程中提供4個直通入口，允許載荷在通過一系列評審后，最快在6個月內完成飛行任務準備后參試。這兩種模式互為補充，有效支持了ISS載荷隨飛行任務的滾動實施。

2.1 標準集成流程

標準集成流程［2-7］中，ISS有效載荷整個集成流程被分為四個階段，分別是戰(zhàn)略階段、戰(zhàn)術階段、實時運行階段和飛行試驗后階段(見圖1)。戰(zhàn)略階段包括載荷需求、硬件設計和研制、安全性評估等。戰(zhàn)術階段包括開發(fā)航天員手冊、航天員訓練、需求驗證和轉運前評審等。實時運行階段包括硬件集成到航天器、發(fā)射、運行和載荷返回等。飛行后階段包括航天器分解需求、載荷樣品/硬件從著陸場回收、經驗總結、航天員匯報和所需的任務總結報告等。

圖1 ISS有效載荷標準集成流程Fig.1 Standard integration template of ISS payloads

2.2 精益集成流程

精益集成流程［8］與標準集成流程的不同之處在于不需要遵從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術階段的流程，而是通過一種直通入口程序的控制將其納入到飛行任務中(見圖2)。從圖2可以看出，精益流程是通過4次入口控制，滿足一定的標準，經過多方多層次的檢查和評審，將一些研究項目快速的納入到飛行任務中。

入口1(Gate1)主要是確定載荷是否滿足精益流程標準。當ISS有效載荷辦公室獲知可能上行的有效載荷后，就指定有效載荷集成經理(PIM，Payload Integration Manager)來檢查有效載荷信息。有效載荷信息檢查將決定該載荷在運控、硬件和軟件等方面是否滿足精益流程標準。如果滿足，ISS有效載荷辦公室和PD將繼續(xù)進行該有效載荷的精益集成。如果在集成過程中的任何一點確定有效載荷比在Gate1評估時復雜，有效載荷的集成計劃將更新，并采用標準集成模式進行集成。換句話說，已具有一定研制基礎的有效載荷在通過一系列嚴格的評審后可以走“快速通道”，跳過研制流程的前期階段。

入口2(Gate2)主要活動是載荷的安全性和運控等方面的工作。

入口3(Gate3)主要是關鍵技術數據的提交。一旦精益集成技術數據包順利通過PIM、站上設施負責人和運控團隊的檢查，確認數據的完整性和準確性后，該有效載荷就可以進入飛行配套。

入口4(Gate4)主要包含接口的工程驗證和程序檢查等，其完成的標志是有效載荷硬件轉運到總裝地點。

3 多線并行的集成方式

一旦項目成為候選，國際空間站有效載荷辦公室就為有效載荷設立PIM，PIM可以是某個人也可以是某個組織，在整個有效載荷集成過程中都起著不可或缺的作用。他確保有效載荷滿足ISS的技術、進度和資源約束要求，同時代表PD的利益，保證有效載荷提出的運行需求得到落實。PIM的職責范圍很寬，如圖3所示，在有效載荷集成過程中的各個專業(yè)領域都需要進行有效地協(xié)調，崗位能力要求非常高。

部分有效載荷的集成順序進行，大多數載荷的集成并行實施。PIM會來幫助PD進行有效載荷的集成。NASA有效載荷的集成工作是分布式完成的，包括了研究計劃集成和任務集成兩大類，從實施層面按分工和專業(yè)不同，集成包括研究集成、任務集成、工程集成、軟件集成、運控集成、測試集成、發(fā)射場和著陸場保障、任務后報告集成等多個并行線［1］。

圖2 ISS有效載荷精益集成流程Fig.2 Lean integration template of ISS payloads

圖3 PIM職責范圍Fig.3 PIM’s responsibilities

3.1 研究集成

對于一次飛行任務，研究集成［1，9］的第一步是由研究規(guī)劃組發(fā)布征集研究項目和有效載荷的指南。指南中會明確飛行任務計劃進度及其飛行機會的安排。指南發(fā)布后半個月，有意向的研究團隊或有效載荷團隊提交相應的研究規(guī)劃數據包，內容包括候選載荷清單、實驗概述、載荷資源需求等。研究規(guī)劃組組織對各提交項目的需求和約束等進行評審，比較和評估載荷提出的需求和ISS項目提供的資源，確定ISS項目能夠分配給該載荷的應用資源，根據評審結果形成一份整體研究規(guī)劃報告。各合作參與方再對該研究規(guī)劃報告進行評審，包括建議研究項目清單及主要內容、所分配的資源、運輸要求(上下行)、存儲要求和航天員操作時間需求等，提出增加、刪減或修改的建議，并達成一致意見，最后形成正式的研究規(guī)劃，由有效載荷控制委員會(PCB)評審和批準。

3.2 任務集成過程

3.2.1 硬件可行性評估

硬件可行性評估［1］在研究規(guī)劃評估時便開始進行，目的是暴露各項目潛在的任務集成問題，以便PCB將適宜的有效載荷納入到研究規(guī)劃報告中。該過程對候選項目填寫有效載荷可行性檢查單并對檢查單進行評審，形成任務可行性評估表。PIM進一步組織對任務可行性評估表進行評審，并對每一個項目給出可行/不可行的結論。

3.2.2 確定管理和技術實施依據

研究規(guī)劃批準以后，PIM開始策劃各個研究項目的設計和開發(fā)，起草有效載荷集成協(xié)議(PIA，Payload Integration Agreement)、接口控制文檔、工作計劃、有效載荷數據產品等文件。在這些文件的起草過程中，PIM會與PD充分溝通和協(xié)調，詳細討論ISS向有效載荷提出的要求、PD提出的資源和服務需求、職責、進度、頂層接口等相關內容。

3.2.3 飛行準備就緒證明

ISS的飛行準備就緒證明(CoFR，Certificate of Flight Readiness)過程包括一系列詳細的準備就緒評審［1］，通過這些評審確認各方已經具備支持航天器的發(fā)射、?？俊⒊冯x和返回、飛行試驗期間在軌活動的狀態(tài)，不存在影響發(fā)射及任務成功的遺留問題。CoFR過程的最后一個評審是ISS項目運行控制準備就緒(SORR，Stage Operations Readiness Review)評審，一般在發(fā)射前2到3.5周之間進行，目的是確定整個飛行任務是否具備發(fā)射和飛行狀態(tài)。

3.2.4 硬件進場

硬件進場是研制過程中的一個里程碑事件。PD負責在指定的時間內將硬件運輸至指定地點，運抵后進行技術狀態(tài)檢查和集成至待發(fā)射的航天器上。一般在技術狀態(tài)檢查前2周進行轉運。

3.3 工程集成過程

3.3.1 產品研制

根據接口要求文件和接口控制文件的要求，PD研制有效載荷并確保其接口設計和驗證滿足ISS項目的要求。

在產品研制過程中，ISS特別重視有效載荷安全性的控制。一旦對候選載荷提出安全性要求，在整個有效載荷集成過程中，該載荷共需要進行4 個階段的安全性評審［1，10］:概念設計階段的0階段安全性評審定義危險源;概要設計階段I階段的安全性評審則通過初步驗證優(yōu)化危險源定義和危險控制;詳細設計階段II階段的安全性評審識別設計更改、新的危險源和控制措施，并確定安全性驗證方法;在運輸至發(fā)射場前，進行III階段的安全性評審完成安全性驗證，這次評審必須在轉運前30天完成。

地面系統(tǒng)安全性評審與飛行產品安全性評審同步進行，明顯的區(qū)別是地面系統(tǒng)評審一般只需要進行一次函評。PD負責地面處理過程中其自己系統(tǒng)和人員的安全，同時不影響其他載荷、航天器和發(fā)射場設施和人員的安全。

3.3.2 載荷運行指南及約束

有效載荷集成團隊通過分析有效載荷技術數據，形成有效載荷運行控制指南和約束報告，明確在軌運行期間有效載荷的控制規(guī)則和約束。

3.3.3 人因接口要求檢查

由專門的人因集成團隊通過必要的驗證活動確認有效載荷是否滿足人因接口的相關要求。人因集成團隊有權察看所有與乘員接口要求相關的硬件和圖紙。

3.3.4 有效載荷標識審批

有效載荷標識的評估與檢查屬于人因活動的一部分。ISS有專門的有效載荷標識審批團隊，該團隊確認有效載荷的標識是否滿足關于有效載荷標識的要求，并通過與PD和航天員辦公室協(xié)調，確定乘員接口標識，目的是標準化有效載荷標識以確保航天員能夠更好的理解。

3.3.5 有效載荷噪聲控制

為了保證國際空間站內部整體噪聲水平適宜航天員駐留，單個有效載荷的噪聲水平不能超過一定的限值。應通過聲學實驗室進行必要的測試，以確保載荷的噪聲符合規(guī)定的水平。

3.4 軟件集成過程

PD在進行軟件開發(fā)時應該充分考慮ISS研究設施的支持能力和載荷與航天員交互的程度。這兩個關鍵因素將影響軟件架構的設計以及軟件集成的方式。ISS有效載荷頂層架構主要有全自主、半自主、人機交互和僅作研究等模式［11，12］。全自主軟件在載荷加電后即進入工作狀態(tài)，自主運行，不需要任何地面或航天員的交互，采集的實驗數據在軌存儲，不需要在軌下傳至地面，待有效載荷返回地面后再做處理。全自主軟件必須設計成異常情況下自動停止運行模式。半自主軟件需要地面的干預。人機交互軟件必須在載荷上設計顯示面板，且顯示面板具有良好的可達性，也可以借助載荷所在研究設施的筆記本電腦或公用筆記本電腦來實現(xiàn)載荷的應用。僅作研究的軟件不需要有專門的硬件，它可以上載至站上已有的計算機內，通過自主、半自主或航天員參與的方式運行，地面運控人員可以從在軌的筆記本電腦中將相應的文件下行到地面。

3.5 有效載荷運控集成過程

載荷運控集成［12，13］的概念是為了確保有效載荷和航天器在軌運控順利實施而開展相應運控產品和程序的開發(fā)。在任務前24到30個月就應開始有效載荷運控集成的工作，以確保航天員和地面運控人員能夠得到充分的培訓，運控依據文件能夠及時準備到位。

有效載荷運行中心(POIC，Payload Operations and Integration Center)地面系統(tǒng)向每個載荷提供遙控、遙測和科學數據分發(fā)、載荷健康狀態(tài)分發(fā)、任務規(guī)劃、航天員手冊、話音通信和載荷運控信息管理等服務，有效載荷運控中心可以遠程接入。

3.5.1 航天員的培訓

航天員培訓的設計和實施是一項聯(lián)合工作，包括界面顯示、操作手冊、航天員培訓和執(zhí)行計劃等，由有效載荷運控主管、PD、JSC航天員辦公室代表等多方共同對各有效載荷提出的航天員培訓需求和航天員培訓過程中的關鍵檢查點進行討論、確定，并最終達成一致。這些需求將作為培訓者選擇、課程設置和進度安排的基礎。

3.5.2 飛控人員培訓

在飛控任務中要定員定崗，并接受相應的培訓，包括對全體參試人員培訓和 PD成員進行培訓。

3.5.3 飛控文件的編制

在進行飛行控制工作準備過程中，需要編制有效載荷在軌操作一覽表(OOS)、航天員操作手冊、地面控制程序、飛行準則文件、有效載荷控制規(guī)則等多份飛控文件。

3.6 測試集成過程

如果載荷與ISS上其他設施(載荷實驗柜或外部載荷設施)存在接口，發(fā)射前需進行集成和接口測試［1］，主要目的是保證ISS和載荷之間的兼容性以及驗證與其它載荷的聯(lián)合運控。載荷的集成測試在模擬站上實驗柜或研究設施的地面實驗柜或地面設施上進行。環(huán)境試驗在運抵集成測試中心前完成。

3.7 發(fā)射和著陸保障

射前的工作［1，14］包括射前計劃、離線準備、載荷集成、測試和檢查、接口驗證測試和最后在發(fā)射塔架上臨射安裝。著陸后的工作主要是從航天器中取出返回設備。

根據載荷在發(fā)射場所需的生命科學處理級別，處理支持分成兩類。第一類是很少需要或者沒有生物科學處理的載荷，對于此類載荷的保障條件主要包括提供實驗室和辦公室、通用測試設備，酒精和清潔球等消耗品、轉運支持等。第二類是需要進行生物科學處理的載荷，對于此類載荷的保障條件主要包括提供實驗室和辦公室、消耗品，化學或生物毒性廢棄物的處理、設備溫度監(jiān)視和轉運支持等。

3.8 任務后報告

飛行實驗結束后，NASA要求各方進行多層面、分階段的總結，并提交總結報告［1］。需要從科學研究角度總結在任務期間研究實驗的完成情況、資源利用情況、實驗結果和投資回報評估等。該報告的目的是總結成功經驗和偏離預期的情況，以便提高后續(xù)任務運控的能力。

3.8.1 經驗總結

經驗總結是總結整個任務中從研究規(guī)劃到應用需求的集成和執(zhí)行過程中獲得的全部經驗，既包括有效載荷研制又包括科學研究方面的，可以是正面的也可以是負面的，應給出原因和建議。任務結束前2周，所有的PD應開始編寫該總結報告。

3.8.2 航天員執(zhí)行情況交流

航天員執(zhí)行情況交流的目的是使首席科學家(PI)、硬件開發(fā)者、研究管理者、任務集成者、運控和科學研究團隊開展與航天員關于有效載荷在軌操作的討論，獲得航天員親身感受的第一手資料和有價值的反饋，以便為后續(xù)任務的航天員手冊、硬件和實驗方案進行改進設計。航天員反饋內容包括科學觀測，航天員手冊/運控方案，硬件性能/設計，參與科學實驗分配的時間，航天員培訓和運控支持等。正常情況下，與航天員的交流在航天員返回地面后15至45天內進行。

3.8.3 30天科學報告

30天科學報告的目的是為ISS項目管理和國際合作科學管理者提供任務期間科學完成情況的初步報告。30天報告中的數據是初步的，不用包括任何數據分析。報告的內容主要總結已經完成的實驗和遺留未完成的實驗，實際運行情況與計劃的對比，實驗過程中發(fā)生的科學和工程問題等。

3.8.4 一年科學報告

一年科學報告的目的是匯報科學研究成果。該報告給出科學實驗數據分析的結果，包含公式、圖表、在軌圖片、新發(fā)現(xiàn)的討論、列出新發(fā)表的文章或專利、提出未來研究的新問題和新想法，該報告一般在航天員返回地面后一年內提交。

4 ISS有效載荷集成流程分析與啟示

通過對國際空間站有效載荷主要集成過程的研究可以看出，其有效載荷的集成過程有如下特點可供借鑒:

1)標準集成流程和精益集成流程提供36月研制周期和相對快速集成周期。ISS為不同成熟度的有效載荷和研究項目提供了不同集成流程。為具有成熟產品、對外交互較簡單的項目提供了快速入口，通過對入口準則的控制可以使一些研究項目通過相對短期的過程而實現(xiàn)在軌飛行實驗。這種因地制宜、區(qū)別對待的做法，不但為科學家提供了更多的實驗機會，也在一定程度上節(jié)約了研究成本。

2)增設有效載荷集成經理，架設有效載荷管理方、研制方和研究團隊之間的橋梁。PIM就是空間站項目管理方與PD和PI之間的橋梁和潤滑劑，使ISS對載荷的要求得到很好的貫徹，PD和PI的想法和需求得到良好的理解和實現(xiàn)，該崗位或組織的設立，是項目順利實施的關鍵。

3)強化全壽命周期管理。ISS認為前期的投入能夠起到事半功倍的效果，所以集成重點前移，對前期的研究計劃的選擇、實驗目標和實驗需求及資源約束的確定、實施可行性評估等給予了重點審查和協(xié)調討論。另外，在科學實驗方案設計和有效載荷研制的過程中充分考慮在軌運控的實現(xiàn)和航天員參與的設計，確保了地面運控人員和航天員對在軌實驗項目具備充分的了解。

4)高度重視研究集成，與工程集成分別管理。在工程集成的各階段，均有所體現(xiàn)，如發(fā)射場測試區(qū)和發(fā)射區(qū)均設置有科學實驗室，配置有常用的實驗室設備。

5)對空間研究實驗進行充分的總結，使PI和PD能夠充分與參與其實驗的航天員進行溝通，督促PI在飛行實驗后積極開展科學實驗結果的分析和提出新的實驗想法，從而能夠獲取重大科技成果和應用效益。這種做法不但有效指導了后續(xù)任務，而且使科學實驗成果科學合理的呈現(xiàn)在公眾面前。

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