超期運(yùn)行航天器在軌管理精細(xì)化實(shí)踐

張志國(guó)

(中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048)

自1970年我國(guó)首顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射至今，中國(guó)“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)超過300次，目前中國(guó)的通信、導(dǎo)航、遙感等各類在軌航天器超過300個(gè)[1]，其中大量航天器已經(jīng)接近或超過其設(shè)計(jì)壽命，進(jìn)入超期運(yùn)行階段。

充分發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值，合理利用和開發(fā)太空資源，是國(guó)內(nèi)外超期運(yùn)行航天器在軌管理的普遍共識(shí)。例如，在德國(guó)“X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)”(TerraSAR-X)衛(wèi)星達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后，通過任務(wù)擴(kuò)展將最高分辨率從1 m提高至0.25 m[2]；美國(guó)通過發(fā)射任務(wù)拓展飛行器-1(MEV-1)，利用其攜帶的燃料將一顆地球靜止軌道衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)5年[3]。同時(shí)，根據(jù)機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)建議[4-5]，航天器在壽命終結(jié)前應(yīng)實(shí)施離軌操作，以減緩空間碎片。例如：地球靜止軌道衛(wèi)星應(yīng)離軌進(jìn)入高于地球靜止軌道約300 km的墳?zāi)管壍?；低軌衛(wèi)星在任務(wù)完成后應(yīng)主動(dòng)離軌，并在25年內(nèi)再入大氣層燒毀。國(guó)內(nèi)超期運(yùn)行航天器在延壽、退役、離軌方面也開展了一些研究和實(shí)踐，在軌服務(wù)及維護(hù)技術(shù)也已納入國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃[6-9]。

本文針對(duì)超期運(yùn)行航天器，提出了系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估模型，建立了健全的在軌管理機(jī)制，制定了科學(xué)的在軌管理方案，開展了精細(xì)化實(shí)踐。對(duì)于應(yīng)用價(jià)值較好的超期航天器實(shí)行延壽管理，繼續(xù)納入業(yè)務(wù)運(yùn)行體系，動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行策略；對(duì)于應(yīng)用效能較低的實(shí)行退役管理，及時(shí)退出業(yè)務(wù)應(yīng)用模式，開展頻率/軌位資源保護(hù)、技術(shù)試驗(yàn)等工作；對(duì)于存在嚴(yán)重運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的遵循國(guó)際慣例，及早進(jìn)入報(bào)廢程序，實(shí)施離軌鈍化等處置。

1 超期運(yùn)行航天器在軌管理思路

超期運(yùn)行航天器在軌管理以系統(tǒng)的在軌狀態(tài)評(píng)估模型為指導(dǎo)，精細(xì)的在軌管理方案為基礎(chǔ)，由用戶協(xié)同機(jī)制、動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制和隊(duì)伍保障機(jī)制為支撐，如圖1所示。

(1)在軌狀態(tài)評(píng)估模型：主要包括應(yīng)用效能、維護(hù)成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)方面，對(duì)航天器超期運(yùn)行后的綜合效益和失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果是制定在軌管理方案的依據(jù)。

(2)在軌管理機(jī)制：用戶單位、測(cè)控單位和研制單位三方協(xié)調(diào)完成狀態(tài)評(píng)估，確定管理方案；采取動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制，及時(shí)識(shí)別狀態(tài)變化，調(diào)整管理方案；建立隊(duì)伍保障機(jī)制，明確各崗位人員責(zé)任，保證各項(xiàng)工作順利推進(jìn)。

(3)在軌管理方案：根據(jù)在軌狀態(tài)評(píng)估情況，按照延壽、退役和報(bào)廢3個(gè)類別制定精細(xì)的管理方案。

圖1 超期運(yùn)行航天器在軌管理思路Fig.1 In-orbit management strategy for overdue spacecraft

2 系統(tǒng)的在軌狀態(tài)評(píng)估模型

超期運(yùn)行航天器在軌狀態(tài)評(píng)估，需要綜合考慮技術(shù)、成本、風(fēng)險(xiǎn)等多種要素。首先，要對(duì)與用戶應(yīng)用相關(guān)的核心指標(biāo)和主要功能進(jìn)行梳理和評(píng)價(jià)，評(píng)估其應(yīng)用價(jià)值；其次，應(yīng)考慮超期運(yùn)行期間的維護(hù)成本增加情況，對(duì)效費(fèi)比進(jìn)行綜合評(píng)估，為判斷是否具備延壽價(jià)值提供依據(jù)；最后，需要對(duì)航天器平臺(tái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和識(shí)別，評(píng)估其失效風(fēng)險(xiǎn)，為是否需要及時(shí)開展離軌報(bào)廢工作提供依據(jù)。

2.1 效費(fèi)比評(píng)估

航天器超期運(yùn)行期間，由于設(shè)備發(fā)生故障或性能退化，應(yīng)用效能可能有所降低；同時(shí)，在軌運(yùn)行期間的地面日常管理、維護(hù)成本可能有所增加。因此，本文建立了效費(fèi)比評(píng)估模型，其各要素/子要素如表1所示。

(1)核心指標(biāo)：指影響用戶應(yīng)用的重要指標(biāo)，如遙感圖像信噪比、衛(wèi)星等效全向輻射功率(EIRP)值等。每項(xiàng)核心指標(biāo)與任務(wù)要求進(jìn)行比較，視指標(biāo)下降程度打分，評(píng)估值范圍為0～1，“0”表示該指標(biāo)已無法接受，“1”表示該指標(biāo)未下降。

(2)主要功能：指影響用戶應(yīng)用的重要功能，如機(jī)動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳等。每項(xiàng)主要功能與任務(wù)要求進(jìn)行比較，評(píng)估值范圍為0～1，“0”表示該功能喪失，“1”表示該功能完全正常。

(3)維護(hù)成本：超期運(yùn)行期間，各系統(tǒng)的維護(hù)成本與壽命期內(nèi)維護(hù)成本之比，最小值為1，表示超期運(yùn)行期間未增加維護(hù)成本。該值如果大于1，則表示超期運(yùn)行期間的維護(hù)成本有所增加。

表1 超期運(yùn)行航天器效費(fèi)比評(píng)估模型

要素/子要素的選取和權(quán)值，可根據(jù)航天器具體特點(diǎn)，與用戶及工程各系統(tǒng)單位協(xié)調(diào)確定。其中：要素/子要素的權(quán)值范圍為0～1，且∑j1i=1，∑j2i=1，∑ki=1，∑qi=1；j1i和E1i分別為各項(xiàng)核心指標(biāo)的權(quán)值和評(píng)估值，n為核心指標(biāo)的項(xiàng)數(shù)；j2i和E2i分別為各項(xiàng)主要功能的權(quán)值和評(píng)估值，m為主要功能的項(xiàng)數(shù)；ki和Ci分別為維護(hù)成本需要考慮的要素的權(quán)值和評(píng)估值，p為需要考慮的要素個(gè)數(shù)；q1和q2分別為核心指標(biāo)和主要功能在應(yīng)用效能中所占的權(quán)值。核心指標(biāo)評(píng)估值E1、主要功能評(píng)估值E2、維護(hù)成本C、效費(fèi)比M的計(jì)算公式分別見式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

M=E1q1E2q2/C

(4)

效費(fèi)比M的最大值為1，表示航天器超期運(yùn)行期間核心指標(biāo)、主要功能未下降，維護(hù)成本無增加。一般情況下，當(dāng)0.8≤M<1時(shí)，可認(rèn)為具有較好使用價(jià)值；當(dāng)0.6≤M<0.8時(shí)，可認(rèn)為具有一定使用價(jià)值；當(dāng)M<0.6時(shí)，可認(rèn)為延壽價(jià)值不高，在實(shí)踐過程中，可綜合考慮用戶意見予以判斷。

2.2 在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

超期運(yùn)行的航天器可能由于設(shè)備老化、故障等原因失效或失控，無法主動(dòng)實(shí)施離軌等報(bào)廢程序，由此可能帶來再入地球落點(diǎn)不受控、軌位資源浪費(fèi)、解體并產(chǎn)生空間碎片等風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須對(duì)航天器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)估，當(dāng)航天器存在嚴(yán)重故障可能隨時(shí)失效時(shí)，應(yīng)立即開展報(bào)廢工作。

評(píng)估要素包括故障類、衰退類和消耗類。其中：故障類主要指控制、推進(jìn)、能源、測(cè)控及其他關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)備故障造成的風(fēng)險(xiǎn)；衰退類指太陽(yáng)電池陣、蓄電池等自然緩慢衰退造成的風(fēng)險(xiǎn)；消耗類指推進(jìn)劑等正常消耗后剩余量不足的風(fēng)險(xiǎn)。3個(gè)類別間不重復(fù)統(tǒng)計(jì)，其他特殊風(fēng)險(xiǎn)可參照評(píng)估。評(píng)估要素說明及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分別如表2和表3所示，各要素風(fēng)險(xiǎn)Ri最低為“0”，最高為“4”。各要素的權(quán)值si默認(rèn)為“1”，如遇特殊情況可由專家審議確定。航天器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)R的計(jì)算公式如式(5)所示。結(jié)合在軌運(yùn)行管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，當(dāng)R≥12時(shí)，說明航天器存在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“高”；當(dāng)8≤R<12時(shí)，說明航天器存在重要風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“中”；當(dāng)R<8時(shí)，說明航天器風(fēng)險(xiǎn)可控，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“低”。

(5)

表2 在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要素

表3 在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)各要素評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

2.3 評(píng)估結(jié)果應(yīng)用建議

根據(jù)航天器在軌運(yùn)行評(píng)估結(jié)果，應(yīng)采取相應(yīng)的管理措施，總體原則如下。①效費(fèi)比較高且運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較低：建議納入業(yè)務(wù)應(yīng)用，進(jìn)行延壽管理，部分風(fēng)險(xiǎn)略高的航天器可進(jìn)行退役管理。②運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高或效費(fèi)比低：以退役或報(bào)廢為主要管理建議，部分風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)可控、應(yīng)用價(jià)值高的航天器，可進(jìn)行延壽管理。③運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高、且效費(fèi)比低：無應(yīng)用價(jià)值，且存在隨時(shí)失效的可能，建議及早報(bào)廢，如表4所示。具體情況需要與用戶溝通后確定。

表4 在軌狀態(tài)評(píng)估結(jié)果及管理建議

3 健全的管理機(jī)制

為充分發(fā)揮超期運(yùn)行航天器的在軌應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)履行國(guó)際空間碎片減緩要求，首先應(yīng)建立隊(duì)伍保障機(jī)制，落實(shí)各崗位人員在航天器全生命周期的管理責(zé)任，并根據(jù)在軌狀態(tài)評(píng)估結(jié)果分級(jí)分類配置隊(duì)伍，動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化；同時(shí)，要建立動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制，及時(shí)識(shí)別效費(fèi)比和重大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)變化情況，為調(diào)整在軌保障隊(duì)伍和在軌管理方案提供依據(jù)；最后，要建立用戶協(xié)同機(jī)制，為協(xié)調(diào)用戶單位、測(cè)控單位完成在軌狀態(tài)評(píng)估、制定管理方案提供支撐。

3.1 隊(duì)伍保障機(jī)制

建立并強(qiáng)化在軌航天器全生命周期責(zé)任制，保障每個(gè)航天器超期運(yùn)行后得到精細(xì)管理，最大限度發(fā)揮作用；及時(shí)識(shí)別重大在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，協(xié)調(diào)啟動(dòng)退役及報(bào)廢管理工作，化解航天器失控失效風(fēng)險(xiǎn)，合理開發(fā)和利用空間資源，遵守聯(lián)合國(guó)有關(guān)規(guī)定，維護(hù)我國(guó)作為航天大國(guó)的良好形象。因此，在航天器超期運(yùn)行期間，仍要按照項(xiàng)目管理模式[10]，建立并保持由總體院組織、總體單位牽頭、專業(yè)單位參加，航天器系統(tǒng)級(jí)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)、各分系統(tǒng)及產(chǎn)品負(fù)責(zé)人參加的矩陣式隊(duì)伍保障機(jī)制，確保超期運(yùn)行階段的狀態(tài)評(píng)估、用戶溝通、應(yīng)急處置等工作落實(shí)到人，制定的延壽、退役及報(bào)廢方案科學(xué)、合理。

根據(jù)航天器在軌狀態(tài)評(píng)估結(jié)果和管理方案，分級(jí)分類配置和調(diào)整保障隊(duì)伍。對(duì)于應(yīng)用價(jià)值較高、實(shí)行延壽管理的航天器，與壽命期內(nèi)航天器一樣配置技術(shù)支持人員；對(duì)于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的航天器，適當(dāng)增加技術(shù)支持隊(duì)伍力量；對(duì)于退役航天器，酌情調(diào)減在軌管理支持人員；對(duì)于需要采取離軌、鈍化及再入地球等操作的航天器，組建專題工作組，配合用戶和測(cè)控單位實(shí)施[11]。

3.2 動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制

建立超期運(yùn)行航天器在軌狀態(tài)動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制，在航天器達(dá)到設(shè)計(jì)壽命前、延壽或退役管理期間，以及發(fā)生重要異常時(shí)，及時(shí)評(píng)價(jià)航天器的在軌運(yùn)行效費(fèi)比，識(shí)別存在重大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的航天器，調(diào)整在軌管理方案。效費(fèi)比較高、風(fēng)險(xiǎn)較低且具備延壽條件的航天器，繼續(xù)延壽使用；效費(fèi)比低、不具備延壽條件的，實(shí)行退役處理；存在重大突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的，及早報(bào)廢。同時(shí)，為調(diào)整在軌技術(shù)支持隊(duì)伍配置情況提供依據(jù)。

(1)航天器到達(dá)設(shè)計(jì)壽命前3個(gè)月，開展延壽狀態(tài)評(píng)估，由航天器運(yùn)行管理責(zé)任人確定在軌管理方案。

(2)延壽或退役管理期間，實(shí)行自動(dòng)實(shí)時(shí)判讀和人工定期分析相結(jié)合的機(jī)制。每日通過在軌航天器智能化自動(dòng)判讀系統(tǒng)，對(duì)在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判讀，及時(shí)處理異常信息；每3個(gè)月或半年，由設(shè)計(jì)師對(duì)在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由航天器運(yùn)行管理責(zé)任人對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，提出下一階段的管理方案(延壽、退役或報(bào)廢)。

(3)突發(fā)重要在軌異常時(shí)，由航天器運(yùn)行管理責(zé)任人牽頭完成應(yīng)急處置，評(píng)估在軌運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)調(diào)整在軌管理方案。

3.3 用戶協(xié)同機(jī)制

建立與用戶單位、測(cè)控單位的溝通機(jī)制，及時(shí)通報(bào)在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，溝通運(yùn)行效能和維護(hù)成本情況，提出后續(xù)管理方案建議。

(1)用戶單位、測(cè)控單位和研制單位的三方協(xié)同工作機(jī)制。用戶單位主要負(fù)責(zé)提出航天器在軌使用意見與建議，對(duì)應(yīng)用效能的部分主觀要素、有關(guān)系統(tǒng)的維護(hù)成本進(jìn)行評(píng)估，對(duì)研制單位提出的評(píng)估要素、權(quán)值分配、評(píng)估結(jié)果、管理方案進(jìn)行確認(rèn)。測(cè)控單位主要負(fù)責(zé)日常測(cè)控任務(wù)，開展異常應(yīng)急處置，評(píng)估超期運(yùn)行期間的測(cè)控成本。研制單位負(fù)責(zé)配合用戶開展航天器效費(fèi)比、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)，并提供各類在軌技術(shù)支持。

(2)定期回訪機(jī)制。定期走訪用戶，主動(dòng)向用戶了解在軌運(yùn)行效能和維護(hù)情況，溝通在軌狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，提出下一階段的在軌管理方案及調(diào)整建議。存在重大在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)向用戶提出退役或報(bào)廢建議。

(3)用戶座談會(huì)機(jī)制。在每年底邀請(qǐng)所有航天器用戶召開座談會(huì)，介紹一年內(nèi)的在軌管理工作開展情況，聽取用戶的意見和建議，分享航天器在軌管理經(jīng)驗(yàn)，研究下一年度管理措施。

4 精細(xì)的管理方案

根據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合航天器自身特點(diǎn)和當(dāng)前的技術(shù)水平，按照“一星一策”的原則，逐一為每個(gè)航天器制定精細(xì)化的超期運(yùn)行管理方案。目前，在實(shí)踐過程中主要形成了延壽、退役、報(bào)廢3個(gè)方面共11類方案，如表5所示。

表5 延壽、退役、報(bào)廢方案及實(shí)例

(1)延壽管理：對(duì)于效費(fèi)比較高、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較低的航天器，可進(jìn)入延壽管理階段。根據(jù)航天器在軌狀態(tài)，制定正常使用、降級(jí)使用、任務(wù)拓展等方案。其中，降級(jí)使用包括降低精度、降低使用強(qiáng)度、關(guān)閉部分載荷、損失部分功能等。

(2)退役管理：對(duì)于效費(fèi)比較低、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較低的航天器，可建議用戶實(shí)行退役管理，不再納入業(yè)務(wù)運(yùn)行體系，可開展頻率/軌位資源維護(hù)、技術(shù)試驗(yàn)等工作。

(3)報(bào)廢管理：對(duì)于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的在軌航天器，可建議用戶進(jìn)行報(bào)廢管理，包括離軌及鈍化、受控再入、鈍化并自然隕落等方案。

5 實(shí)踐成果

通過近幾年來的精細(xì)化實(shí)踐，超期運(yùn)行航天器在軌管理工作取得了顯著的成效，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)延壽價(jià)值充分發(fā)揮。通過“一星一策”精心管理，動(dòng)態(tài)調(diào)整在軌運(yùn)行策略，目前80余個(gè)航天器處于延壽管理階段，在軌運(yùn)行故障率持續(xù)下降，累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行超過200星年。其中，約40%的航天器業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的2倍，在軌應(yīng)用價(jià)值得到了充分發(fā)揮；約25%的航天器與其業(yè)務(wù)接替航天器組網(wǎng)運(yùn)行，進(jìn)一步提升了應(yīng)用效能。

(2)退役報(bào)廢規(guī)范有序。近年來，通過用戶協(xié)同、動(dòng)態(tài)評(píng)估等機(jī)制，10余個(gè)低效費(fèi)比的超期運(yùn)行航天器先后退出業(yè)務(wù)運(yùn)行，履行了退役程序，并開展了頻率/軌位資源保護(hù)、任務(wù)拓展、技術(shù)試驗(yàn)等工作120余項(xiàng)，進(jìn)一步發(fā)掘了潛在價(jià)值；20余個(gè)存在嚴(yán)重運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的航天器，及時(shí)通過采取離軌、鈍化、再入大氣層等方式，進(jìn)行了報(bào)廢處置，有效減緩了空間碎片風(fēng)險(xiǎn)，釋放了空間頻率軌位資源。

(3)用戶滿意度持續(xù)提升。通過精細(xì)化管理實(shí)踐，達(dá)到了超期運(yùn)行航天器“有價(jià)值延壽使用、低效費(fèi)比退役管理、高風(fēng)險(xiǎn)報(bào)廢處置”的管理效果，在軌服務(wù)質(zhì)量得到了航天器用戶的好評(píng)，用戶滿意度不斷提升，連續(xù)數(shù)年用戶滿意率達(dá)到99%以上。