硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星飛行程序設(shè)計(jì)及在軌驗(yàn)證

顧荃瑩 倪潤(rùn)立 張志強(qiáng) 戴孟瑜

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

衛(wèi)星飛行程序是指衛(wèi)星臨射前檢查、運(yùn)載火箭起飛、衛(wèi)星入軌、正常運(yùn)行過(guò)程中,衛(wèi)星按規(guī)定的要求設(shè)計(jì)的工作程序[1]。由于任務(wù)不同,其軌道、星載設(shè)備以及有效載荷要求等存在很大差異,因此不同衛(wèi)星的飛行程序設(shè)計(jì)也存在很大差異。飛行程序是衛(wèi)星在軌測(cè)試、在軌運(yùn)行管理程序編排的依據(jù),同時(shí)也是地面模飛測(cè)試細(xì)則的依據(jù),對(duì)衛(wèi)星任務(wù)的完成具有極其重要的作用。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星攜帶了多種觀測(cè)載荷,通過(guò)巡天、定點(diǎn)、小天區(qū)等不同姿態(tài)指向控制的空間觀測(cè)模式及多種姿態(tài)機(jī)動(dòng)方式對(duì)遍布全天球的目標(biāo)開(kāi)展觀測(cè),設(shè)計(jì)了多種具有HXMT衛(wèi)星特色的自主功能,此外還搭載了X射線脈沖星導(dǎo)航探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及甚高精度星敏感器,具有在軌工作模式復(fù)雜、飛行事件耦合強(qiáng)、載荷需求約束多、在軌測(cè)試內(nèi)容多的特點(diǎn)[2],飛行程序設(shè)計(jì)需符合其獨(dú)特需求。

本文對(duì)HXMT衛(wèi)星的飛行程序進(jìn)行介紹,重點(diǎn)針對(duì)入軌段程序時(shí)序評(píng)估與改進(jìn)、觀測(cè)模式和星上自主功能應(yīng)用設(shè)計(jì)以及復(fù)雜工作狀態(tài)組合和約束條件下的飛行程序綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明,并通過(guò)在軌測(cè)試結(jié)果對(duì)飛行程序的合理性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 飛行程序設(shè)計(jì)

衛(wèi)星飛行程序設(shè)計(jì)遵照通用性原則開(kāi)展,同時(shí)要考慮自身任務(wù)特點(diǎn)和特殊需求,使設(shè)計(jì)結(jié)果符合衛(wèi)星使用要求[1]。由于HXMT衛(wèi)星觀測(cè)載荷在軌測(cè)試及在軌標(biāo)定工作與科學(xué)需求、觀測(cè)規(guī)劃以及地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型校準(zhǔn)工作高度耦合,具有很強(qiáng)的不確定性,需要根據(jù)具體需求確定具體的工作步驟,不適合制定標(biāo)準(zhǔn)化工作程序。因此HXMT衛(wèi)星的飛行程序主要規(guī)定的是從衛(wèi)星射前狀態(tài)設(shè)置到衛(wèi)星平臺(tái)在軌測(cè)試結(jié)束的工作程序,以及衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行期間的基本操作的詳細(xì)步驟。

1.1 飛行程序設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)

HXMT衛(wèi)星任務(wù)需求、有效載荷配置以及工作模式設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星[3-7]有很大差異,根據(jù)衛(wèi)星的任務(wù)及使用特點(diǎn),飛行程序設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要包括:

1)兼顧科學(xué)需求和衛(wèi)星功能驗(yàn)證需求,優(yōu)化復(fù)雜觀測(cè)模式應(yīng)用設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星通過(guò)巡天、定點(diǎn)、小天區(qū)3種采用不同空間姿態(tài)控制方式的觀測(cè)模式[5],實(shí)現(xiàn)不同科學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)需求。衛(wèi)星觀測(cè)目標(biāo)可遍布整個(gè)天球,觀測(cè)目標(biāo)的具體位置與科學(xué)目標(biāo)密切相關(guān),具體觀測(cè)模式的應(yīng)用時(shí)機(jī)受限于目標(biāo)天體與太陽(yáng)的相對(duì)關(guān)系。在軌測(cè)試期間還要同時(shí)考慮衛(wèi)星功能測(cè)試和設(shè)備標(biāo)校工作的觀測(cè)模式需求,如巡天掃描自主換向、星敏標(biāo)定等。因此需優(yōu)化觀測(cè)模式的飛行程序編排,最大程度的兼顧科學(xué)需求和功能測(cè)試需求。

2)與飛行事件操作流程耦合的多種在軌自主管理、自主保護(hù)功能的應(yīng)用設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星攜帶進(jìn)行X射線光子采集的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡,具有多種觀測(cè)模式,觀測(cè)計(jì)劃由地面應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)收集的科學(xué)需求制定上注。同時(shí)對(duì)全空間覆蓋的雙數(shù)傳天線采用分時(shí)復(fù)用方案,需在每次數(shù)傳時(shí)根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)指向選擇對(duì)地條件好的一副使用。此外,軌道還具有每天連續(xù)12 h不過(guò)境的特點(diǎn)。為提高觀測(cè)效率和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)可靠性并降低地面工作量,確保載荷和平臺(tái)的性能和安全,HXMT衛(wèi)星設(shè)計(jì)了多種在軌自主管理和自主保護(hù)功能,其中部分功能在軌測(cè)試程序與載荷開(kāi)機(jī)、數(shù)據(jù)下傳程序耦合,因此如何確保自主功能的測(cè)試和應(yīng)用安排合理、有效是飛行程序設(shè)計(jì)必須要考慮的。

3)多系統(tǒng)多種組合工作狀態(tài)下,飛行程序綜合優(yōu)化

HXMT衛(wèi)星更換觀測(cè)目標(biāo)就要通過(guò)姿態(tài)機(jī)動(dòng)進(jìn)行一次觀測(cè)模式切換。姿態(tài)機(jī)動(dòng)方式有直接和路徑規(guī)劃兩種,根據(jù)觀測(cè)時(shí)機(jī)選擇使用,同時(shí)還要根據(jù)目標(biāo)的觀測(cè)特點(diǎn)使用不同的調(diào)姿指令形式完成模式切換實(shí)施。衛(wèi)星還具有地面干預(yù)和星上自主控制兩種數(shù)傳方式,不同觀測(cè)模式下星上自主控制算法和執(zhí)行流程有所差別。3個(gè)地面站可選,用于實(shí)施單站和多站接力數(shù)傳。每次數(shù)傳有4種數(shù)據(jù)回放方式和2種斷點(diǎn)更新方式可選。觀測(cè)模式、姿態(tài)機(jī)動(dòng)方式、數(shù)傳方式、回放方式多系統(tǒng)使用方式相互交叉組合成數(shù)量眾多的衛(wèi)星在軌工作狀態(tài),衛(wèi)星交付前必須要完成有效的在軌測(cè)試覆蓋,同時(shí)兼顧科學(xué)需求和測(cè)試效率。

4)入軌段程序的可靠性、安全性設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星為在慣性空間定向的衛(wèi)星,入軌段程序與傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星有差異,因此飛行程序設(shè)計(jì)需重點(diǎn)從可靠性和安全性角度,對(duì)入軌段(發(fā)射首圈)程序變化及各分系統(tǒng)間的時(shí)序匹配進(jìn)行分析評(píng)估與優(yōu)化改進(jìn)。

1.2 入軌段程序時(shí)序設(shè)計(jì)與改進(jìn)

HXMT衛(wèi)星入軌段飛行事件如圖1所示。

圖1 HXMT衛(wèi)星入軌段飛行事件Fig.1 HXMT satellite flight events in injection stage

通過(guò)對(duì)HXMT衛(wèi)星入軌段程控時(shí)序設(shè)計(jì)狀態(tài)與飛行事件執(zhí)行時(shí)序需求分析,發(fā)現(xiàn)推進(jìn)線路接通晚于控制分系統(tǒng)啟動(dòng)速率阻尼的時(shí)刻,而火工品引爆太陽(yáng)翼展開(kāi)時(shí)序存在時(shí)間浪費(fèi),有優(yōu)化余地,由此對(duì)數(shù)管星箭分離成功判據(jù)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前后的入軌段程序時(shí)序?qū)Ρ纫?jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)前后的入軌段程序時(shí)序Fig.2 Time sequence of injection stage program(before and after design improvement)

HXMT衛(wèi)星與運(yùn)載火箭以傳統(tǒng)的對(duì)地姿態(tài)分離,入軌段測(cè)控弧段240 s,衛(wèi)星出境前需完成太陽(yáng)翼展開(kāi)鎖定確認(rèn)和對(duì)日姿態(tài)捕獲。飛行程序設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)各飛行事件的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算分析,以確保設(shè)計(jì)合理。地面仿真和整星測(cè)試結(jié)果表明,衛(wèi)星可在17 s內(nèi)(設(shè)計(jì)留有90 s)完成速率阻尼,太陽(yáng)翼展開(kāi)鎖定時(shí)間不超過(guò)13 s(設(shè)計(jì)留有17.75 s),入軌段為陽(yáng)照區(qū),且星箭分離時(shí)星體對(duì)日軸與太陽(yáng)夾角小于11°,太陽(yáng)翼展開(kāi)后可立即遙測(cè)判斷太陽(yáng)翼展開(kāi)狀態(tài),星箭分離后約130 s(衛(wèi)星出境前)即可完成對(duì)日定向姿態(tài)建立,首圈各工作時(shí)間余量充足。

1.3 觀測(cè)模式應(yīng)用安排設(shè)計(jì)

觀測(cè)模式的系統(tǒng)規(guī)劃框架見(jiàn)圖3。常規(guī)運(yùn)行期間以科學(xué)需求為驅(qū)動(dòng),觀測(cè)模式規(guī)劃只需判斷是否滿足觀測(cè)需求、是否有匹配觀測(cè)約束,并根據(jù)實(shí)施時(shí)機(jī)選擇衛(wèi)星使用效率最高的調(diào)姿方式即可完成飛行程序的設(shè)計(jì)。而在軌測(cè)試期間,則還要進(jìn)一步考慮如何兼顧大量的平臺(tái)測(cè)試需求,進(jìn)行反復(fù)組合優(yōu)化和設(shè)計(jì)迭代,以完成最合理、高效的飛行程序設(shè)計(jì)。

圖3 觀測(cè)模式系統(tǒng)規(guī)劃框架Fig.3 System planning diagram of observation modes

1.4 自主管理和自主保護(hù)功能應(yīng)用安排設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星有10項(xiàng)自主管理和自主保護(hù)功能,根據(jù)衛(wèi)星需求制定的在軌應(yīng)用安排見(jiàn)表1。

表1 HXMT衛(wèi)星自主功能應(yīng)用安排Table 1 The application design of HXMT autonomous functions

1.5 設(shè)計(jì)需求約束與飛行程序編排

HXMT衛(wèi)星有巡天、定點(diǎn)、小天區(qū)3種觀測(cè)姿態(tài)模式,10種姿態(tài)機(jī)動(dòng)狀態(tài),可通過(guò)調(diào)姿數(shù)據(jù)塊或6條總線設(shè)置指令(共20種指令填充格式)完成姿態(tài)機(jī)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)觀測(cè)模式切換;有高、低2種數(shù)傳速率,可通過(guò)地面干預(yù)和星上自主(3種觀測(cè)姿態(tài)模式處理程序不同)的方式進(jìn)行數(shù)傳控制,對(duì)應(yīng)3個(gè)地面數(shù)傳站(數(shù)傳控制方式與數(shù)傳鏈路接口組合共計(jì)32種),每次數(shù)傳有全盤、分區(qū)(A、B、C、D分區(qū)可選)、按時(shí)間、按地址4種回放方式和2種斷點(diǎn)處理方式可選(共12種回放組合形式)。衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)組成,由控制、數(shù)管、數(shù)傳、數(shù)據(jù)記錄以及地面數(shù)據(jù)站等多系統(tǒng)交叉耦合,組合形式數(shù)量大,無(wú)法在平臺(tái)在軌測(cè)試期間全部進(jìn)行測(cè)試。此外平臺(tái)在軌測(cè)試期間還需完成星敏感器標(biāo)定、軌控流程測(cè)試以及搭載測(cè)試等與衛(wèi)星觀測(cè)模式密切相關(guān)的衛(wèi)星功能測(cè)試和設(shè)備標(biāo)校工作,有效載荷首次開(kāi)機(jī)的時(shí)間、順序、與功能測(cè)試狀態(tài)的耦合問(wèn)題等約束要求也需要一并統(tǒng)籌考慮。

因此,HXMT衛(wèi)星飛行程序編排難點(diǎn)在于提取能夠有效驗(yàn)證全部工作狀態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)組合形式,并優(yōu)化編排,在有限測(cè)試時(shí)間內(nèi)完成衛(wèi)星功能和工作狀態(tài)的有效測(cè)試。為使科學(xué)產(chǎn)出最大化,平臺(tái)測(cè)試期間所選用觀測(cè)目標(biāo)全部來(lái)自于科學(xué)標(biāo)定源,對(duì)平臺(tái)在軌測(cè)試期間的飛行程序的編排又增加了一定的約束。經(jīng)分析,形成以下的編排原則:

(1)所有觀測(cè)模式穿插編排,即不連續(xù)編排相同的觀測(cè)模式;

(2)從用戶在軌使用出發(fā),調(diào)姿方式以輪控和總線設(shè)置指令為主,調(diào)姿塊方式通過(guò)提供的固定塊完成測(cè)試驗(yàn)證,噴氣機(jī)動(dòng)方式原則上僅測(cè)試一次,交與用戶使用的總線設(shè)置指令和輪控機(jī)動(dòng)方式需測(cè)試覆蓋;

(3)長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)模式下的星敏標(biāo)定通過(guò)境外時(shí)段完成;

(4)小天區(qū)模式參數(shù)選取從科學(xué)需求出發(fā),至少覆蓋最小/最大尺寸、最小/最大掃描速率、最小/中位/最大行間距,飛行程序編排要保證天區(qū)可以完成完整掃描;

(5)數(shù)傳測(cè)試覆蓋低速、高速,并以高速為主;覆蓋各模式下的數(shù)傳控制使用方式,聯(lián)合覆蓋3個(gè)地面站使用,需專門安排定點(diǎn)模式的多站接力數(shù)傳驗(yàn)證;回放覆蓋4種方式和2種斷點(diǎn)處置方式,考慮星上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)優(yōu)先級(jí)順序,分區(qū)回放重點(diǎn)考核A、B分區(qū);

(6)飛行事件編排應(yīng)具有一定調(diào)整適應(yīng)性,以適應(yīng)飛控期間非預(yù)期執(zhí)行結(jié)果出現(xiàn)時(shí)的測(cè)試工作應(yīng)急調(diào)整需求,確保后續(xù)工作連續(xù)。

2 在軌驗(yàn)證

2.1 衛(wèi)星入軌參數(shù)及特性評(píng)估

HXMT衛(wèi)星實(shí)際分離點(diǎn)軌道參數(shù)與理論設(shè)計(jì)值一致,經(jīng)地面測(cè)算得到的軌道誤差見(jiàn)表2,衛(wèi)星入軌后的軌道根數(shù)誤差滿足設(shè)計(jì)要求,衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。

表2 衛(wèi)星軌道根數(shù)誤差Table 2 Errors of satellite orbit elements

2.2 入軌段程序執(zhí)行情況

HXMT衛(wèi)星于北京時(shí)間2017年6月15日11時(shí)11分10秒星箭分離,遙測(cè)顯示(圖4和圖5)星箭分離時(shí)衛(wèi)星三軸角速度分別為－0.094(°)/s,－0.067(°)/s,0.01(°)/s,控制分系統(tǒng)進(jìn)入入軌段模式,衛(wèi)星速率阻尼。11時(shí)12分43秒太陽(yáng)翼開(kāi)始展開(kāi),星箭分離后103 s太陽(yáng)翼完成展開(kāi)鎖定,用時(shí)10 s。星箭分離后約110 s,衛(wèi)星再次啟動(dòng)噴氣執(zhí)行速率阻尼和對(duì)日捕獲程序,遙測(cè)顯示(圖5)衛(wèi)星立即完成了對(duì)日捕獲并建立對(duì)日定向姿態(tài)。

圖4 入軌段三軸姿態(tài)角速度遙測(cè)曲線Fig.4 Triaxial attitude angular velocity during injection stage

圖5 入軌段控制模式字和太陽(yáng)捕獲模式字曲線Fig.5 Telemetry curve of AOCS mode word and sun-capture mode word during injection stage

HXMT衛(wèi)星首圈測(cè)控弧段內(nèi)即建立對(duì)日定向姿態(tài),用時(shí)約110 s。在軌驗(yàn)證結(jié)果與飛行程序設(shè)計(jì)一致。

2.3 衛(wèi)星工作模式驗(yàn)證情況

飛控期間,對(duì)衛(wèi)星6種在軌正常工作模式、固定調(diào)姿塊和全部總線設(shè)置指令調(diào)姿方式、所有輪控機(jī)動(dòng)組合和噴氣機(jī)動(dòng)方式、立即/延時(shí)機(jī)動(dòng)進(jìn)行了驗(yàn)證,覆蓋了衛(wèi)星在軌期間全部正常工作模式及各種使用方式,測(cè)試結(jié)果正常,自主規(guī)劃有效,各模式功能性能均符合要求。

2.4 數(shù)傳測(cè)試情況

在軌測(cè)試期間,共進(jìn)行了21次數(shù)傳測(cè)試,覆蓋了60 Mbit/s和120 Mbit/s下傳能力、下行通道性能、全部觀測(cè)模式下地面干預(yù)和星上自主數(shù)傳方式、全部數(shù)傳工作模式和數(shù)傳天線使用方式、全部回放功能及全部3個(gè)地面站的單站和雙站接力日常接收和數(shù)據(jù)處理接口進(jìn)行了驗(yàn)證。21軌數(shù)據(jù)均接收成功,下行通道性能滿足要求,數(shù)據(jù)格式正確,星地接口匹配。

2.5 有效載荷開(kāi)機(jī)測(cè)試情況

2017年6月16日空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器和粒子監(jiān)測(cè)器開(kāi)機(jī),6月19日啟動(dòng)南大西洋異常(SAA)區(qū)自主管理時(shí)間判據(jù)功能并開(kāi)啟中、低能望遠(yuǎn)鏡。在SAA區(qū)自主管理時(shí)間判據(jù)功能驗(yàn)證有效、粒子監(jiān)測(cè)器和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器判據(jù)在軌調(diào)整到位后,6月20日,依次開(kāi)啟高能望遠(yuǎn)鏡各模塊高壓,完成全部觀測(cè)載荷開(kāi)機(jī)、基本工作參數(shù)調(diào)整和SAA區(qū)自主管理各功能判據(jù)在軌驗(yàn)證。

2017年6月15日－6月19日,中、低能望遠(yuǎn)鏡開(kāi)機(jī)前進(jìn)行了污染防護(hù),在軌遙測(cè)結(jié)果表明滿足探測(cè)器陣列平均溫度相對(duì)于輻冷板平均溫度不小于1℃的要求,有效實(shí)現(xiàn)了低溫狀態(tài)下的探測(cè)器的污染防護(hù)。

有效載荷分系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)過(guò)程中,各設(shè)備遙測(cè)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)判讀正常,確認(rèn)高、中、低能望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器工作正常,SAA區(qū)自主管理功能有效。開(kāi)機(jī)前衛(wèi)星各項(xiàng)自主保護(hù)功能開(kāi)啟,測(cè)試過(guò)程中未發(fā)生觸發(fā)事件。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于HXMT衛(wèi)星特點(diǎn),對(duì)飛行程序設(shè)計(jì)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)化編排設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與說(shuō)明,并對(duì)在軌測(cè)試驗(yàn)證情況進(jìn)行了介紹。HXMT衛(wèi)星在軌測(cè)試結(jié)果表明:衛(wèi)星在軌運(yùn)行穩(wěn)定,所有工程測(cè)試指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求,各單機(jī)設(shè)備狀態(tài)良好,各項(xiàng)在軌自主功能有效,能夠滿足全天球掃描覆蓋、空間任意天區(qū)和點(diǎn)源指向的科學(xué)觀測(cè)需求,以及衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行期間科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸、載荷平臺(tái)自主保護(hù)、觀測(cè)計(jì)劃靈活有效執(zhí)行的用戶使用需求。入軌段程序設(shè)計(jì)和飛行事件編排合理,在軌驗(yàn)證結(jié)果與地面預(yù)計(jì)一致。

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