ECSS控制工程系列標準簡介

（航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100074）

1 概述

歐洲航天局（ESA）是歐洲國家組織和協(xié)調(diào)空間科學(xué)技術(shù)活動的機構(gòu)，其任務(wù)是制定空間政策和計劃，協(xié)調(diào)成員國的空間政策和活動，促進成員國空間科學(xué)技術(shù)活動的合作和一體化。歐洲空間標準化合作組織（ECSS）是在ESA 的倡導(dǎo)下成立的，是歐洲空間標準化最為權(quán)威的機構(gòu)。ECSS 與歐洲標準化組織保持著密切的聯(lián)系，同時與ISO 航天分技術(shù)委員會（ISO/TC20/SC14）保持卓有成效的聯(lián)絡(luò)與合作。ECSS 標準結(jié)合法國航天局等歐洲各國航天機構(gòu)以及德國宇航公司等航天公司的標準形成，主要致力于協(xié)調(diào)和補充并將歐洲空間標準向國際空間標準靠攏、上升，以便于歐洲空間共同體與國際航天界的接軌與融合，更好地開展全球范圍內(nèi)的空間合作。

ECSS 規(guī)定了參與歐洲空間飛行任務(wù)的任何要素的裝置、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)和服務(wù)的定義，同時規(guī)定了研發(fā)、制造、驗收、使用、運行各方都應(yīng)共同遵循和采用的ECSS 標準，標準內(nèi)容涉及運載、航天器、發(fā)射場和地面站等，從零部件、元器件到整個航天系統(tǒng)。

ECSS 的標準體系框架分為頂層文件和四大標準體系，頂層為ECSS-S-ST-00 系統(tǒng)描述和ECSS-S-ST-00-01 術(shù)語匯編。在頂層文件下，有四大標準體系：空間項目管理標準體系、空間產(chǎn)品保證標準體系、空間工程系列標準體系以及空間可持續(xù)性標準體系。其中，項目管理標準體系包括5 個部分：項目計劃和實施、機構(gòu)和信息管理、成本和進度管理、風(fēng)險管理；產(chǎn)品保證標準體系分為7 個部分：產(chǎn)品保證管理、質(zhì)量保證、可靠性、安全性、EEE 元器件、材料機械零件和工藝、軟件產(chǎn)品保證；空間工程標準體系分為7 個部分：系統(tǒng)工程、電子和電氣工程、機械工程、軟件工程、通訊、控制工程、地面系統(tǒng)和運行；空間可持續(xù)性標準體系分為2 個部分：空間碎片和行星保護。

空間工程中的第6 分支（E-60）為控制工程標準，包括已發(fā)布標準4 項，手冊1 項，待發(fā)布標準1 項。E-60 系列標準主要規(guī)定控制工程的過程、總體要求、功能要求、系統(tǒng)分析、性能要求、操作要求、性能的驗證與確認等方面內(nèi)容。ECSS 控制工程（E-60）系列已發(fā)布的標準和手冊見表1。

下面對已發(fā)布的ECSS 控制工程各項標準和手冊的內(nèi)容進行簡要的介紹。

表1 已發(fā)布的ECSS 控制工程系列標準及手冊列表

2 ECSS-E-60A《控制工程》與ECSSE-HB-60A《控制工程手冊》主要內(nèi)容

ECSS-E-60A《控制工程》標準與ECSSE-HB-60A《控制工程手冊》的內(nèi)容基本一致，適用于空間系統(tǒng)的所有要素，包括空間段、地面段和發(fā)射服務(wù)段，內(nèi)容涵蓋空間控制系統(tǒng)的所有方面，包括控制系統(tǒng)要求定義、分析、設(shè)計、產(chǎn)品、驗證與確認、轉(zhuǎn)運、操作與維護。這兩項標準與手冊規(guī)定了控制工程基本術(shù)語、空間控制系統(tǒng)過程及控制工程過程要求，是控制工程（E-60）系列標準的基礎(chǔ)。

空間控制系統(tǒng)過程內(nèi)容包括3 個方面：概述、控制工程過程定義、控制工程各項目階段的任務(wù)。概述部分內(nèi)容主要為一般控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、控制系統(tǒng)各組成單元的具體介紹、控制理論、控制系統(tǒng)主要功能及控制工程活動的實現(xiàn)；控制工程過程定義部分將控制工程過程分解為5個項目階段：合成與控制、工程要求、分析、設(shè)計與配置、驗證與確認，并對各個項目階段進行介紹；控制工程各項目階段的任務(wù)部分針對前述的5 個控制工程項目階段，逐一明確各階段控制工程任務(wù)的具體要求及其輸入輸出信息情況，將整個控制系統(tǒng)的任務(wù)和要求清晰、明確地表現(xiàn)出來。

控制工程過程要求內(nèi)容同樣針對前述的5 個項目階段分別提出。合成與控制項目階段具體要求內(nèi)容包括：控制工程活動的組織與計劃、為系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)與文件要求、與其它系統(tǒng)間的界面與管理要求、控制工程中涉及人員因素的要求、控制預(yù)算與裕量考慮的要求、控制技術(shù)的評估要求、風(fēng)險管理、控制部件的獲取、涉及控制管理更改的要求以及控制工程能力評估與資源管理。工程要求項目階段具體要求內(nèi)容包括：控制要求產(chǎn)生的依據(jù)、控制要求在控制部件間的具體分配（如敏感器、執(zhí)行器等的具體控制要求分配）、控制確認要求、控制操作要求。分析項目階段具體要求內(nèi)容包括：分析的任務(wù)方法和途徑、分析的具體要求、擾動分析要求、各階段模型的性能分析要求。設(shè)計與配置項目階段具體要求內(nèi)容包括：功能性設(shè)計要求、操作性設(shè)計要求、控制實現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)、控制器的設(shè)計要求。驗證與確認項目階段具體要求內(nèi)容包括：控制驗證策略的定義與實現(xiàn)、性能的初步驗證要求、最終性能與功能的驗證要求、飛行確認要求。

同時，這兩項標準與手冊還在附錄中規(guī)定了一些控制系統(tǒng)文件方面的要求，如：控制工程文件、控制系統(tǒng)設(shè)計報告文件要求定義、控制算法規(guī)范文件要求定義以及受控系統(tǒng)分析報告文件要求定義、受控系統(tǒng)驗證方案文件要求定義、受控系統(tǒng)確認報告文件要求定義。

3 ECSS-E-60-10C《控制性能》主要內(nèi)容

ECSS-E-60-10C《控制性能》標準重點明確在空間項目框架下控制系統(tǒng)性能方面的問題。標準主要內(nèi)容涵蓋：術(shù)語定義、預(yù)算規(guī)則和用于通用控制系統(tǒng)開發(fā)的特定模板。標準除規(guī)定控制工程常用的性能參數(shù)術(shù)語外，主要規(guī)定控制系統(tǒng)性能要求、預(yù)算以及線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性要求與確認兩方面內(nèi)容。

控制系統(tǒng)性能要求和預(yù)算內(nèi)容包括：性能要求的詳細說明和使用誤差預(yù)算來評價符合性的方法兩部分。控制系統(tǒng)性能要求的詳細說明主要明確了性能要求、理論要求中需要規(guī)定的量值、各量值的范圍、量值在規(guī)定范圍內(nèi)的概率以及對概率的統(tǒng)計學(xué)解釋；使用誤差預(yù)算來評價符合性的方法部分主要明確了這種方法的應(yīng)用范圍和限制，各誤差因子的識別、分類、特征參數(shù)和比例因數(shù)，誤差因子的組合，預(yù)算誤差與要求值的比較等方面內(nèi)容。

線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性要求與確認內(nèi)容包括：線性系統(tǒng)穩(wěn)定性內(nèi)在性能特性，穩(wěn)定性與健壯性不確定范疇、穩(wěn)定性要求、檢查點的確定、穩(wěn)定性裕量指示的選擇與確定、穩(wěn)定性裕量要求、單一不確定域的穩(wěn)定性裕量的確認以及縮小與擴大的不確定度穩(wěn)定性裕量的確認。

同時，此項標準還在附錄中給出了性能參數(shù)誤差的使用方法、誤差預(yù)算輸入和具體示例等。

4 ECSS-E-60-20C《星敏感器術(shù)語與性能規(guī)范》主要內(nèi)容

ECSS-E-60-20C《星敏感器術(shù)語與性能規(guī)范》標準涵蓋星敏感器性能規(guī)范的各方面內(nèi)容，包括：術(shù)語、定義、星敏感器性能的定義及規(guī)格化等，用于定義和規(guī)范在敏感器部件、敏感器能力、敏感器類型、敏感器參考框架、敏感器標定等幾種評估情況下的星敏感器性能指標。

此標準中規(guī)定了九類共50 多條星敏感器術(shù)語，涉及星敏感器能力、組成、參考框架、時頻相關(guān)的定義、視場、天體角度、最常用術(shù)語、誤差、星敏感器結(jié)構(gòu)，詳細規(guī)定了星敏感器的功能要求與性能要求。星敏感器功能要求包括星敏感器基本能力要求、敏感器類型、參考框架和在軌星圖要求；性能要求包括星圖使用、星敏感器性能模擬在確認方法中的使用、通用性能條件、通用性能標準、星追蹤性能、自主星追蹤性能、自主姿態(tài)確定、自主姿態(tài)追蹤、姿態(tài)追蹤的修正等級、角速率測量以及數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容。

同時，此項標準還在附錄中介紹了功能性數(shù)學(xué)性能描述的文件要求定義、星敏感器輔助術(shù)語、星敏感器光學(xué)特性、星敏感器性能指標的標定、統(tǒng)計分析、坐標系轉(zhuǎn)換以及誤差源等內(nèi)容。

5 ECSS-E-60-30C《衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)要求》主要內(nèi)容

ECSS-E-60-30C《衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)要求》標準確定了用于空間應(yīng)用項目要求文件的姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)的基本要求，適用于衛(wèi)星空間項目的姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)。其典型姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)包括：姿態(tài)估計、姿態(tài)制導(dǎo)、姿態(tài)控制、軌道控制、軌道估計（導(dǎo)航）功能。標準具體規(guī)定了姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)術(shù)語、姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)原則及要求。

衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)原則包括：系統(tǒng)的目的與適用性、標準剪裁要求、系統(tǒng)級與姿態(tài)軌道控制級要求的關(guān)聯(lián)。

衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)要求分5 個方面進行闡述：功能及故障發(fā)現(xiàn)診斷和恢復(fù)、操作要求、性能要求、確認要求和文件要求。在功能及故障發(fā)現(xiàn)診斷和恢復(fù)部分明確了：姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的姿態(tài)識別與保持、姿態(tài)確定、導(dǎo)航、參考框架、任務(wù)指向、軌道識別與保持、安全模式、姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換、服役到期處理、系統(tǒng)與衛(wèi)星對姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的要求、輔助數(shù)據(jù)、姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)標定等具體功能要求，基本的故障發(fā)現(xiàn)診斷和恢復(fù)、硬件與軟件冗余方案方面的故障管理要求，以及應(yīng)用限制、燃料計量、燃料計算、推進器限定等推進相關(guān)的功能要求。在操作要求部分明確了：地面遙控操作中的參數(shù)更新要求、軌道控制操縱要求、軌道確定要求、姿態(tài)制導(dǎo)要求，地面遙測操作中的姿態(tài)軌道估計的地面遙測系統(tǒng)要求、內(nèi)務(wù)處理遙測要求、診斷遙測要求，自主操作要求中的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的自主管理、安全模式，校準操作要求。在性能要求部分明確了：姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的姿態(tài)飛行范圍的界定，絕對姿態(tài)指向、在軌絕對已知姿態(tài)、后續(xù)絕對已知姿態(tài)、姿態(tài)指向穩(wěn)定性、相對姿態(tài)指向、后續(xù)已知相對指向幾種正常模式下的性能要求，當(dāng)前軌道與軌道控制、敏捷軌道、任務(wù)中斷、識別與安全模式以及性能預(yù)算。在確認要求部分明確了：姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)性能確認的具體條件和設(shè)備要求、設(shè)計與性能的確認要求、軟硬件確認要求，衛(wèi)星級確認要求、地面接口確認以及飛行確認。

同時，此項標準還在附錄中規(guī)定了姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)設(shè)計定義、設(shè)計確認、算法與軟件功能描述、驗證方案、用戶手冊方面的文件要求。

ECSS 控制工程系列已發(fā)布的4 項標準和1項手冊對控制系統(tǒng)的功能、性能的要求及驗證確認進行了總體性規(guī)定，明確了控制系統(tǒng)的基本要求，對于控制系統(tǒng)的設(shè)計、驗證及與空間項目中其他系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)起到了很好的規(guī)范和指導(dǎo)作用。

航天控制系統(tǒng)是實現(xiàn)運載火箭的發(fā)射和飛行控制、航天器的姿態(tài)和軌道控制的核心系統(tǒng)，其功能、性能、可靠性等方面的問題一直備受關(guān)注。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國已制定了相當(dāng)數(shù)量的控制系統(tǒng)相關(guān)標準，但是，對比ECSS 控制工程標準的情況，針對控制系統(tǒng)總體性要求及其與其它系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)作用方面在標準層面的規(guī)定都很少，控制工程總體性標準非常欠缺。因此，通過對ECSS 控制工程系列標準的分析與研究，將對我國航天控制工程相關(guān)標準的制定起到很好的借鑒作用，具有重要的參考價值。

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