導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行分析與管理

馬利 袁莉芳 王璐 張蕓香 張旭 李懿

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行分析與管理

馬利 袁莉芳 王璐 張蕓香 張旭 李懿

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

為加強(qiáng)導(dǎo)航衛(wèi)星在軌管理,提高在軌處置效率,提升星座服務(wù)整體性能,在充分總結(jié)導(dǎo)航星座在軌三方協(xié)同管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地開展了星座在軌分級(jí)管理工作實(shí)踐。通過在軌組織分級(jí)管理、異常問題分級(jí)處置、遙測(cè)參數(shù)分級(jí)監(jiān)視、支持系統(tǒng)分類管控等管理實(shí)踐,對(duì)星座衛(wèi)星星上產(chǎn)品特性及趨勢(shì)分析進(jìn)行周期性評(píng)估、關(guān)注衛(wèi)星長期穩(wěn)定運(yùn)行健康狀況、持續(xù)開展衛(wèi)星使用策略優(yōu)化,有效保證星上狀態(tài)可控,最大程度提高衛(wèi)星在軌處置能力。通過在軌分級(jí)管理實(shí)踐,提高了異常處置效率,確保判讀全面、處置準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)了在軌管理的模式化、專業(yè)化運(yùn)行,對(duì)星座系統(tǒng)在軌管理工作具有重要的參考價(jià)值。

星座;在軌管理;分級(jí)管理;異常處置

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后,第三個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年12月27日,北斗二號(hào)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供服務(wù)[1]。

導(dǎo)航系統(tǒng)需要全天候24小時(shí)不間斷地提供導(dǎo)航服務(wù),隨著衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)間的不斷增長,導(dǎo)航衛(wèi)星部分設(shè)備出現(xiàn)故障或工作異常的概率將逐漸增大,某些衛(wèi)星故障不可避免地會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星服務(wù)中斷,影響導(dǎo)航星座系統(tǒng)完好性、連續(xù)性和可用性等核心指標(biāo)[2]。因此,加強(qiáng)導(dǎo)航星座的在軌管理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速解決出現(xiàn)的問題,減少單星不可用時(shí)間,提高星座整體服務(wù)性能成為導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的一項(xiàng)重要工作[3]。

通過幾十年的發(fā)展,GPS系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)比較成熟,而且根據(jù)需求還在不斷地升級(jí)完善,在這個(gè)過程中形成了星座在軌管理的模式,并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。而我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)還不夠完善,同時(shí)也缺乏大型星座的在軌管理經(jīng)驗(yàn),在軌地面支持手段薄弱,“地面強(qiáng)星”的能力需要持續(xù)提升。

本文在挖掘?qū)Ш叫l(wèi)星在軌運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、固化成果,優(yōu)化在軌異常處置流程。通過在軌組織分級(jí)管理、異常問題分級(jí)處置、遙測(cè)參數(shù)分級(jí)監(jiān)視、監(jiān)控報(bào)告分級(jí)評(píng)估、支持系統(tǒng)分類管控等分級(jí)管理實(shí)踐,對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星星上產(chǎn)品特性及趨勢(shì)分析進(jìn)行周期性評(píng)估、關(guān)注衛(wèi)星長期穩(wěn)定運(yùn)行的健康狀況、持續(xù)開展衛(wèi)星使用策略優(yōu)化,有效保證星上狀態(tài)可控,最大程度提高衛(wèi)星在軌處置能力,減少單星不可用時(shí)間,提升導(dǎo)航星座整體服務(wù)性能,開創(chuàng)我國大型星座運(yùn)行管理的新模式。

2 導(dǎo)航衛(wèi)星在軌分級(jí)管理實(shí)踐

2.1 在軌分級(jí)組織管理

導(dǎo)航星座單星的可用性直接影響到星座的服務(wù)性能。衛(wèi)星發(fā)射入網(wǎng)后,如何提高單星可用性,除了必要的技術(shù)支持外,落實(shí)管理職責(zé)、縮短管理鏈條成為減少衛(wèi)星不可用時(shí)間的一個(gè)重要方面。

按照工程大總體關(guān)于導(dǎo)航星座穩(wěn)定運(yùn)行職責(zé)分工,導(dǎo)航衛(wèi)星在軌異常處置由衛(wèi)星方、運(yùn)控方、測(cè)控方協(xié)同完成,簡稱“三方聯(lián)保”。在軌管理的組織機(jī)構(gòu)見圖1。導(dǎo)航衛(wèi)星在軌管理項(xiàng)目辦公室根據(jù)“三方聯(lián)?！钡奶攸c(diǎn),實(shí)施分級(jí)組織管理。

(1)與大系統(tǒng)之間。通過與運(yùn)控和測(cè)控方反復(fù)溝通協(xié)調(diào),促成三方共同編制并簽署了導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行管理三方協(xié)調(diào)機(jī)制,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了多次優(yōu)化。該機(jī)制明確了三方的職責(zé)分工,以及在軌管理主要工作分工接口和工作流程,確保了三方協(xié)同工作的順暢開展。

(2)衛(wèi)星方內(nèi)部各單位之間。以導(dǎo)航衛(wèi)星在軌管理項(xiàng)目辦公室第三層次文件的形式,對(duì)相關(guān)的在軌工作,如“單星履歷書編制”等均提出明確要求。目前已發(fā)布第三層次文件33份,覆蓋了在軌管理所有的工作內(nèi)容,確保各項(xiàng)工作規(guī)范、有序。

2.2 在軌異常分級(jí)處置

相比單星,導(dǎo)航系統(tǒng)的在軌異常存在如下特點(diǎn):重復(fù)輕度異常占異?？倲?shù)的97%以上;影響用戶使用的異常基本都需要運(yùn)控方、衛(wèi)星方、測(cè)控方協(xié)同處置;異常處置的中間環(huán)節(jié)是影響衛(wèi)星處置效率的一個(gè)主要因素。為提高異常處置效率,減少異常導(dǎo)致的單星不可用時(shí)間,從兩個(gè)方面實(shí)施了分級(jí)管理。

2.2.1 按處置等級(jí)進(jìn)行在軌異常分類

國內(nèi)航天器目前一般依據(jù)《航天器在軌故障等級(jí)規(guī)定》進(jìn)行在軌異常分類。此標(biāo)準(zhǔn)中,在軌故障的分類原則包括:①故障所在航天器系統(tǒng)的層次;②故障的可修復(fù)性;③故障對(duì)飛行任務(wù)成功的影響程度。上述故障分類方法均未考慮異常處置對(duì)單星安全性、可用性的影響,以及導(dǎo)航星座服務(wù)24小時(shí)不間斷的需求。為此,導(dǎo)航衛(wèi)星首先提出并實(shí)施了按“處置等級(jí)”進(jìn)行異常分類的方法。即,綜合考慮異常對(duì)衛(wèi)星安全及服務(wù)性能的影響,異常處置的風(fēng)險(xiǎn)等因素,最大限度地減少異常處置的中間環(huán)節(jié),提高處置效率。故障等級(jí)定義如下:

(1)1級(jí)故障:由衛(wèi)星各分系統(tǒng)研制單位提前給測(cè)控方“異常處置授權(quán)傳真”,測(cè)控方通過工程遙測(cè)發(fā)現(xiàn)故障后緊急處置,之后通知衛(wèi)星方。該類異常包括影響衛(wèi)星安全的緊急異常;影響單星可用性的重復(fù)異常,如載荷某單機(jī)的狀態(tài)跳變異常;重復(fù)發(fā)生且處置無風(fēng)險(xiǎn)的輕度異常,如衛(wèi)星平臺(tái)某單機(jī)的狀態(tài)位跳變異常。目前,已經(jīng)授權(quán)測(cè)控方直接處置的在軌異常9類,約占異?？倲?shù)的5%。

(2)2級(jí)故障:提前將簽署好的指令單存放于運(yùn)管中心。運(yùn)管中心發(fā)現(xiàn)或運(yùn)控系統(tǒng)通報(bào)運(yùn)管中心故障后,判斷故障,并直接將對(duì)應(yīng)的處置指令單傳真發(fā)給測(cè)控方處置,之后通知設(shè)計(jì)師。這類異常主要是只能由運(yùn)控系統(tǒng)通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的載荷重復(fù)、輕度異常。該類異常約占異?？倲?shù)的93%。

(3)3級(jí)故障:由運(yùn)管中心提前準(zhǔn)備好指令單,發(fā)現(xiàn)異常后先通知設(shè)計(jì)師確認(rèn)故障,并經(jīng)設(shè)計(jì)師確認(rèn)后,將對(duì)應(yīng)的指令單傳真發(fā)給測(cè)控方處置。該類異常包括處置程序較為復(fù)雜,發(fā)生概率較低,存在一定處置風(fēng)險(xiǎn)的異常。該類異常約占異?？倲?shù)的1%。

(4)4級(jí)故障為:除處置等級(jí)為1、2、3級(jí)故障以外的其它故障。該類異常一般為新增的非緊急異常,占異?？倲?shù)的1%以內(nèi)。

2.2.2 按異常分類進(jìn)行處置流程

上述四類故障中處置流程如圖2所示。

(1)1級(jí)故障由測(cè)控方通過地面軟件自動(dòng)處置,無中間環(huán)節(jié)。

(2)2級(jí)故障異?，F(xiàn)象較復(fù)雜,需要運(yùn)控方發(fā)現(xiàn)后,由衛(wèi)星方判斷并確認(rèn)異常,并給測(cè)控方發(fā)送傳真,再由測(cè)控方發(fā)令處置。這類異常發(fā)生概率較高,且部分異常影響單星可用性,之前衛(wèi)星方每次的處置時(shí)間都在30分鐘以上。為了盡可能提高該類異常的處置效率,通過對(duì)所有的異常現(xiàn)象進(jìn)行分類總結(jié),形成載荷異常處置表格。運(yùn)控方發(fā)現(xiàn)異常后,直接在對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象后打“√”,運(yùn)管中心可直接將對(duì)應(yīng)的指令單傳真發(fā)給測(cè)控方應(yīng)急發(fā)令處置,實(shí)現(xiàn)了表格化異常處理。采取該措施后,衛(wèi)星方處置該類故障時(shí)間明顯縮短。

(3)3級(jí)故障發(fā)生的概率較低,處置具有一定風(fēng)險(xiǎn)。相比1,2級(jí)故障,需要設(shè)計(jì)師提前確認(rèn)后,方可進(jìn)行處置,避免了處置風(fēng)險(xiǎn)。

(4)4級(jí)故障發(fā)生的概率極低。該類異?，F(xiàn)象可能與“故障預(yù)想與對(duì)策”報(bào)告中預(yù)想的故障現(xiàn)象不完全一致,需現(xiàn)場(chǎng)制定處置策略。為確保異常處置及時(shí)、有效。制定了圖2所示的處置流程。該流程詳細(xì)規(guī)定了異常發(fā)現(xiàn)、異常上報(bào)、異常處置、異常閉環(huán)等各個(gè)環(huán)節(jié)的具體要求。實(shí)踐表明,該流程可確保新增異常處置有序,風(fēng)險(xiǎn)可控。

2.3 遙測(cè)參數(shù)分級(jí)管理

導(dǎo)航衛(wèi)星每顆星有上千個(gè)遙測(cè)參數(shù),整個(gè)星座運(yùn)行將有上萬個(gè)參數(shù)。為確保關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)不漏判、誤判。在管理上從以下三個(gè)方面實(shí)施了遙測(cè)參數(shù)分級(jí)管理。

1)遙測(cè)參數(shù)分級(jí)

按照核心、重要、一般三個(gè)等級(jí)對(duì)所有遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行分類。明確各參數(shù)的判讀方法,對(duì)于需要根據(jù)不同條件進(jìn)行判讀的參數(shù),同時(shí)對(duì)判讀條件和參數(shù)正常值范圍進(jìn)行量化。并形成規(guī)范“遙測(cè)參數(shù)重要性等級(jí)及判讀方法”。

2)分級(jí)監(jiān)視判讀

通過如下3條措施,確保了在參數(shù)判讀全面性的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)核心、重要參數(shù)的監(jiān)視,進(jìn)行趨勢(shì)分析和壽命預(yù)測(cè),對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況提前進(jìn)行預(yù)報(bào),并采取可能的規(guī)避措施:①所有參數(shù)按3級(jí)報(bào)警門限錄入自動(dòng)監(jiān)視判讀系統(tǒng),進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)判讀;②重要參數(shù)每個(gè)月進(jìn)行一次趨勢(shì)判讀分析;③核心參數(shù)每天進(jìn)行趨勢(shì)判讀分析。

3)分級(jí)參數(shù)分析

為規(guī)避單一參數(shù)判讀可能導(dǎo)致誤判或漏判,建立并逐漸完善專家知識(shí)庫,從多個(gè)層面提高判讀能力:①單個(gè)參數(shù)的歷史變化趨勢(shì)與同類星參數(shù)變化趨勢(shì)的對(duì)比分析;②關(guān)聯(lián)參數(shù)的變化趨勢(shì)分析;③參數(shù)變化與空間環(huán)境的關(guān)聯(lián)分析。

2.4 星座衛(wèi)星分級(jí)健康評(píng)估

為準(zhǔn)確把握導(dǎo)航星座在軌狀態(tài),及時(shí)采取有效的措施,在如下層面實(shí)施了星座衛(wèi)星的分級(jí)健康評(píng)估。

(1)關(guān)注在軌狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的周報(bào)分級(jí)評(píng)估。根據(jù)在軌衛(wèi)星的工作狀態(tài),衛(wèi)星各分系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行分析,衛(wèi)星在軌管理主任設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)編制,并分級(jí)編寫。

(2)關(guān)注星座性能的月健康評(píng)估。每月對(duì)在軌衛(wèi)星的異常及健康狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,評(píng)估異常對(duì)單星可用性、連續(xù)性等系統(tǒng)性能的影響。

(3)關(guān)注產(chǎn)品特性及趨勢(shì)分析的半年健康評(píng)估;每半年對(duì)衛(wèi)星的全面健康狀況進(jìn)行診斷,對(duì)整個(gè)半年的健康趨勢(shì)進(jìn)行分析,并完成健康評(píng)估報(bào)告。

(4)每年更新一次衛(wèi)星在軌狀態(tài)報(bào)告和故障預(yù)案。每年根據(jù)衛(wèi)星在軌表現(xiàn)進(jìn)行一年評(píng)估,對(duì)在軌處理方法進(jìn)行補(bǔ)充,完善在軌故障預(yù)案;

(5)每一期的健康評(píng)估都對(duì)上一期的問題及措施落實(shí)情況進(jìn)行復(fù)查確認(rèn),確保每個(gè)在軌現(xiàn)象或在軌異常閉環(huán),實(shí)現(xiàn)指針式在軌管理。

2.5 在軌技術(shù)支持系統(tǒng)分步建設(shè)

為加強(qiáng)運(yùn)控、測(cè)控、衛(wèi)星三方之間的信息溝通和協(xié)調(diào),提升衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)星座在軌運(yùn)行管理的技術(shù)支持能力,強(qiáng)化系統(tǒng)穩(wěn)定性保障手段,確保星座長期穩(wěn)定運(yùn)行,創(chuàng)新性提出導(dǎo)航星座衛(wèi)星在軌技術(shù)支持系統(tǒng)建設(shè)。

該系統(tǒng)采取“邊建設(shè)邊優(yōu)化”的思路,即在系統(tǒng)建設(shè)過程中,為確保系統(tǒng)的實(shí)用性,每建完一個(gè)模塊即投入試運(yùn)行,對(duì)不實(shí)用的部分進(jìn)行優(yōu)化完善。逐步建成了一個(gè)完善實(shí)用的高效在軌支持系統(tǒng)。系統(tǒng)由管理與監(jiān)控、信息交互、信號(hào)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障及對(duì)策驗(yàn)證、健康評(píng)估與維護(hù)共6個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,每個(gè)子系統(tǒng)都針對(duì)不同的在軌業(yè)務(wù),分別處理、分類管控。各子系統(tǒng)各具不同的功能,又彼此關(guān)聯(lián),通過接口信息交互,數(shù)據(jù)共用。此系統(tǒng)的建設(shè),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)讀取在軌數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)提供控制預(yù)報(bào)、分析、計(jì)算類在軌維護(hù)策略,提升了在軌維護(hù)效率,提高了維護(hù)策略的準(zhǔn)確性。衛(wèi)星在軌信息實(shí)時(shí)獲取,在軌維護(hù)策略實(shí)時(shí)更新,全面提升在軌決策自動(dòng)化程度,確保了導(dǎo)航星座的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 取得的成果

針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星星座管理經(jīng)驗(yàn)缺乏、地面支持能力有限的情況,面對(duì)在軌管理復(fù)雜、情況多變的難題,導(dǎo)航衛(wèi)星在軌管理項(xiàng)目辦公室創(chuàng)新性地提出了導(dǎo)航衛(wèi)星在軌分級(jí)管理方法,并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),取得了一系列成果,力爭把在軌管理工作打造成“精品工程”。主要成果如下:

(1)建立制度,明確責(zé)任,有力推進(jìn)“三方聯(lián)?！睓C(jī)制。

探索并逐步建立了一系列在軌管理的工作制度,編制了一系列共9本在軌管理工作手冊(cè),形成了整套完善的在軌管理技術(shù)文件體系,首次實(shí)現(xiàn)星座衛(wèi)星的表格化管理。

根據(jù)在軌組織分級(jí)管理的要求,衛(wèi)星方站在總體高度,積極主動(dòng)與運(yùn)控方、測(cè)控方協(xié)調(diào)外部接口,明確用戶的需求,理清關(guān)系,明確責(zé)任,明晰接口,三方共同簽署了衛(wèi)星長期運(yùn)行管理協(xié)議。該協(xié)議的簽訂,有力推進(jìn)了導(dǎo)航衛(wèi)星“三方聯(lián)?！睓C(jī)制的有效運(yùn)行,確保了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在軌管理工作順利開展,也為后續(xù)北斗三號(hào)衛(wèi)星在軌管理工作提供了經(jīng)驗(yàn)。

(2)優(yōu)化流程,提高效率,有效縮短在軌處理故障時(shí)間。

基于多個(gè)維度對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星5年來的在軌異常規(guī)律大數(shù)據(jù)分析評(píng)估結(jié)果,提出的異常問題分級(jí)處置管理方法以及對(duì)在軌故障處理的流程,最大程度地減少了重復(fù)異常處置的中間環(huán)節(jié),大幅提升了工作效率。在軌處理故障時(shí)間由最初的30多分鐘縮短至10分鐘以內(nèi),有效地減少了衛(wèi)星不可用時(shí)間,為在軌故障及時(shí)處理、星座穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。

(3)建立系統(tǒng),打通鏈路,全力確保星座長期穩(wěn)定運(yùn)行。

在軌支持系統(tǒng)的建立,打通了運(yùn)控、測(cè)控和衛(wèi)星三方之間的數(shù)據(jù)交互鏈路,實(shí)現(xiàn)了三方的信息共享和多方聯(lián)動(dòng),提高了在軌衛(wèi)星故障處理和日常維護(hù)的工作效率。系統(tǒng)的建立,豐富了衛(wèi)星在軌監(jiān)測(cè)手段和數(shù)據(jù)來源,提高了在軌異常技術(shù)發(fā)現(xiàn)及快速診斷能力,有力保障了導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行服務(wù),提高了衛(wèi)星在軌運(yùn)行保障能力,確保了星座長期穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)的建立得到了用戶的極大好評(píng)。

該系統(tǒng)完成了57臺(tái)(套)硬件設(shè)備和47個(gè)子軟件的配套,形成設(shè)計(jì)類、測(cè)試試驗(yàn)類、手冊(cè)類等相關(guān)文件共計(jì)337份。目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成8項(xiàng)專利的受理和9篇論文。

4 結(jié)束語

導(dǎo)航衛(wèi)星在軌管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程管理,與其他衛(wèi)星在軌管理不同,它強(qiáng)調(diào)的是星座的穩(wěn)定性,參與管理的部門較多,具有一定的難度。針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星星座管理,探索并總結(jié)出了一套導(dǎo)航衛(wèi)星分級(jí)管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),明確了在軌管理的責(zé)任,提高了在軌管理的效率,縮短了在軌衛(wèi)星故障處理時(shí)間,強(qiáng)化了對(duì)在軌衛(wèi)星的狀態(tài)管控,提高了用戶滿意度。

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Analysis and Management of On-orbit Navigation Satellite Operation

MA Li YUAN Lifang WANG Lu ZHANG Yunxiang ZHANG Xu LI Yi
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

On the basis of fully summing up the experience of a tripartite collaborative management of on-orbit navigation satellites,hierarchical management is carried out creatively,in order to strengthen the management of the navigation satellite,to improve the efficiency of on-orbit disposal and to enhance the overall performance of the constellation service.There are many hierarchical management methods,such as on-orbit organization classification management,abnormal problem classification processing,telemetry parameter hierarchical monitoring,and support system classification management control and so on.Through the hierarchical management,we can periodically evaluate the satellite product characteristics and trend analysis,focus on long-term stability of the satellite health,and continue to optimize the use of satellite strategy.And then,we can effectively ensure the state of the satellite is under control,maximize the satellite disposal capacity.Meanwhile,we can also improve the efficiency of on-orbit anomalies disposal to ensure the data is comprehensive and the disposal is correct,and we can achieve a model and professional on-orbit management.It is an important reference for the management of the constellation system.

constellation;on-orbit management;hierarchical management;anomalies disposal

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.018

2017-09-22;

2017-09-28

國家重大科技專項(xiàng)工程

馬利,女,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體設(shè)計(jì)。Email:920953149@qq.com。

(編輯:張小琳)