航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)管控模式建立與實(shí)踐

鄂煒 趙寧 明建

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著航天器設(shè)計(jì)水平的快速提升和高等級集成器件的迅速發(fā)展，軟件系統(tǒng)能力不斷增強(qiáng)，為航天器在軌運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)調(diào)整在軌運(yùn)行策略、提高連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行能力提供了重要技術(shù)支撐。航天器長期在軌運(yùn)行過程中，可通過使能或禁止某項(xiàng)自主健康管理、自主應(yīng)急處置功能，調(diào)整自主故障診斷閾值和條件，或?qū)浖M(jìn)行上注升級等操作，適應(yīng)用戶提出的在軌應(yīng)用模式調(diào)整、自身異常問題處置、其他航天器問題“舉一反三”等需要[1-3]。

在航天器在軌運(yùn)行實(shí)際管理過程中，存在以下2個(gè)方面的突出問題。①航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)缺少清晰、全面的描述。目前的在軌管理技術(shù)支持文件[4-5]中關(guān)于航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)描述的內(nèi)容不夠全面，且分散在遙測正常值范圍、長期運(yùn)行管理要求等技術(shù)文件中，不利于在軌維護(hù)人員開展工作。②現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)管理要求不能完全適用在軌狀態(tài)更改操作。軟件自主管理功能使能/禁止、系統(tǒng)工作模式、產(chǎn)品開關(guān)機(jī)等狀態(tài)的切換操作并不改變產(chǎn)品實(shí)物技術(shù)屬性，現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)管理要求[6]不能完全覆蓋，對于哪些在軌操作需要管、如何管，需要進(jìn)一步探索和規(guī)范。目前，針對技術(shù)狀態(tài)記錄文件與實(shí)物狀態(tài)的一致性、在軌技術(shù)狀態(tài)管理等問題已有相關(guān)研究和實(shí)踐[7-9]。文獻(xiàn)[7]中針對組批生產(chǎn)產(chǎn)品提出了對相關(guān)技術(shù)狀態(tài)項(xiàng)目之間關(guān)聯(lián)化自動(dòng)更新的措施；文獻(xiàn)[8]中針對復(fù)雜在軌航天器提出了在軌技術(shù)狀態(tài)管理的概念，通過指令設(shè)置、遙測參數(shù)、通話、圖像等多種措施，對在軌技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)；文獻(xiàn)[9]中針對超期運(yùn)行航天器建立了量化評估模型和協(xié)同保障機(jī)制。但是，如何清晰、快捷地了解航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)，如何從流程上對在軌運(yùn)行狀態(tài)更改操作風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，仍需要開展深入的研究和實(shí)踐。

本文提出建立在軌運(yùn)行狀態(tài)基線的概念，通過明確在軌運(yùn)行狀態(tài)范圍、在軌運(yùn)行狀態(tài)基線建立原則、制定在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制程序，探索形成了航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)管控模式，并進(jìn)行了實(shí)踐。在軌管理實(shí)踐結(jié)果表明：該管控模式對于支持維護(hù)人員快速掌握當(dāng)前在軌狀態(tài)，全面分析在軌維護(hù)方案的影響和風(fēng)險(xiǎn)，確保在軌操作安全、有效，具有一定參考價(jià)值。

1 航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)管控模式

為清晰地描述航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)，需要對航天器軟硬件產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，將分散在各類技術(shù)文件中、內(nèi)容不夠全面的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行集中的描述；結(jié)合航天器在軌測試階段和長期運(yùn)行階段的特點(diǎn)，分階段對平臺(tái)狀態(tài)和載荷狀態(tài)進(jìn)行固化，對于狀態(tài)固化后的更改操作，根據(jù)影響程度，采取不同等級的管控措施，以降低在軌操作風(fēng)險(xiǎn)。因此，按照“分階段建基線、過程中管基線”的思想，分階段固化航天器軟硬件產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)，建立在軌運(yùn)行狀態(tài)基線，對在軌運(yùn)行狀態(tài)更改實(shí)行分級管控，建立航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)管控機(jī)制。其主要內(nèi)容包括以下2個(gè)方面。

(1)在軌運(yùn)行狀態(tài)基線建立：分別以飛控工作結(jié)束、在軌測試結(jié)束為節(jié)點(diǎn)，固化在軌運(yùn)行狀態(tài)，建立在軌運(yùn)行狀態(tài)基線，作為在軌測試階段、長期運(yùn)行階段的管控基礎(chǔ)。納入在軌運(yùn)行狀態(tài)基線管控的內(nèi)容，主要是可通過操作進(jìn)行切換的狀態(tài)，包括硬件開關(guān)狀態(tài)、軟件版本、軟件自主功能使能、系統(tǒng)工作模式等。在軌運(yùn)行狀態(tài)基線建立的載體是航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，該報(bào)告是在軌運(yùn)行狀態(tài)的集中描述。

(2)在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制：在軌運(yùn)行狀態(tài)基線確定后，對后續(xù)在軌運(yùn)行狀態(tài)相對于基線的更改操作進(jìn)行分級管控，狀態(tài)更改依據(jù)影響程度按照從大到小依次劃分為Ⅰ類更改、Ⅱ類更改和Ⅲ類更改，實(shí)行分級管控。Ⅰ類和Ⅱ類更改控制按照“論證充分、各方認(rèn)可、試驗(yàn)驗(yàn)證、審批完備、落實(shí)到位”五項(xiàng)原則進(jìn)行，需要提出更改申請；Ⅰ類更改還需要編寫航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)更改論證及實(shí)施方案。

2 在軌運(yùn)行狀態(tài)基線

2.1 納入基線管控的在軌運(yùn)行狀態(tài)范圍

在軌運(yùn)行狀態(tài)基線指經(jīng)正式確認(rèn)、相對固化的航天器軟硬件產(chǎn)品在軌工作狀態(tài)。其中：“正式確認(rèn)”指經(jīng)研制單位、長期管理單位、用戶單位等各方認(rèn)可；“相對固化”指在一定階段內(nèi)產(chǎn)品的軟硬件產(chǎn)品狀態(tài)較為固定。

實(shí)施在軌運(yùn)行狀態(tài)管控的主要目的，是使長期運(yùn)行管理部門清晰地了解當(dāng)前航天器的狀態(tài)，準(zhǔn)確識(shí)別和控制在軌狀態(tài)更改操作風(fēng)險(xiǎn)，保證操作方案的正確性。因此，將可操作、可切換的狀態(tài)納入在軌運(yùn)行狀態(tài)管理范圍，主要包括硬件開關(guān)狀態(tài)及軟件版本、軟件自主功能使能、系統(tǒng)工作模式等。對于不可操作、不可切換或不可調(diào)整的狀態(tài)，如不具備上注功能的軟件配置項(xiàng)、硬件產(chǎn)品健康參數(shù)等，可不納入在軌運(yùn)行狀態(tài)范圍。

一般情況下，在軌運(yùn)行狀態(tài)范圍包括：①硬件開關(guān)狀態(tài)及軟件版本狀態(tài)，如航天器硬件產(chǎn)品的開關(guān)機(jī)狀態(tài)、主備份關(guān)系，裝載軟件版本號(hào)，歷次在軌維護(hù)時(shí)間、原因等，見表1。②軟件自主功能使能狀態(tài)，如各項(xiàng)軟件自主管理功能、對應(yīng)的遙測參數(shù)、當(dāng)前狀態(tài)，見表2。③系統(tǒng)工作模式，如控制、綜合電子工作模式、對應(yīng)遙測參數(shù)、當(dāng)前狀態(tài)，見表3。

表3 系統(tǒng)工作模式匯總(示例)Table 3 Summary of system modes (e.g.)

表2 軟件自主功能使能狀態(tài)匯總(示例)Table 2 Summary of software autonomous function enabling status (e.g.)

表1 硬件開關(guān)及軟件版本狀態(tài)匯總(示例)Table 1 Summary of hardware switches and software version status (e.g.)

2.2 在軌運(yùn)行狀態(tài)基線建立原則

一般情況下，航天器的在軌過程可分為發(fā)射入軌、飛控、在軌測試、長期運(yùn)行等階段[10]，在軌測試時(shí)間為3～6個(gè)月，時(shí)間相對較長，為規(guī)范這一階段的在軌運(yùn)行狀態(tài)管理工作，采取分階段建立在軌運(yùn)行狀態(tài)基線的策略，即：①初始基線。飛控工作結(jié)束后，交付在軌長期運(yùn)行管理單位時(shí)，對航天器平臺(tái)產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，明確遙測判讀方法，編制形成航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，建立初始基線。對于需配合在軌測試工作進(jìn)行臨時(shí)切換的狀態(tài)，可不納入基線管理。②長期運(yùn)行基線。在軌測試工作完成后，對航天器的平臺(tái)和載荷運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行再確認(rèn)，明確遙測判讀方法，對航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告及相關(guān)在軌管理配套文件進(jìn)行更新，形成長期運(yùn)行基線，作為后續(xù)在軌狀態(tài)控制的基礎(chǔ)。另外，在特殊情況下，對于飛控結(jié)束后直接交付長期運(yùn)行管理單位的航天器，可以只建立初始基線。

3 在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制

3.1 在軌運(yùn)行狀態(tài)更改分類和要求

按照“用戶至上、穩(wěn)定運(yùn)行”的理念，綜合考慮2個(gè)因素對在軌運(yùn)行狀態(tài)更改進(jìn)行分類，即是否影響用戶使用和航天器在軌狀態(tài)是否發(fā)生實(shí)際變化。按照該原則，將在軌運(yùn)行狀態(tài)更改劃分為3類(如表4所示)，具體分類情況及要求如下。

表4 航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)更改類別和要求Table 4 Categories and requirements of spacecraft in-orbit operation status change

(1)Ⅰ類更改：直接影響用戶使用的更改，例如在軌操作過程中，需要暫時(shí)中斷或停止對用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)。此類更改實(shí)行最嚴(yán)格的管控，需要編寫航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)更改論證及實(shí)施方案(以下簡稱“論證報(bào)告”)，提出航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)更改申請(以下簡稱為“更改申請”)，批準(zhǔn)后實(shí)施。

(2)Ⅱ類更改：改變航天器的在軌運(yùn)行狀態(tài)，但不直接影響用戶使用，例如將某項(xiàng)自主管理功能狀態(tài)由“使能”調(diào)整為“禁止”，需要開展更改論證和影響分析，提出更改申請，批準(zhǔn)后實(shí)施。

(3)Ⅲ類更改：僅涉及航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告文字內(nèi)容的更改，不需要上注在軌維護(hù)程序或指令，不改變航天器的在軌運(yùn)行狀態(tài)。此類更改影響程度最小，直接填寫文件更改單進(jìn)行更改。

3.2 在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制流程

航天器在軌運(yùn)行過程中，一般有2個(gè)方面的原因需要對產(chǎn)品的在軌運(yùn)行軟硬件狀態(tài)進(jìn)行更改。①研制部門通過對在軌航天器進(jìn)行健康評估、對其他航天器質(zhì)量問題“舉一反三”等工作，需要向用戶申請調(diào)整產(chǎn)品在軌運(yùn)行狀態(tài)，以保證航天器安全穩(wěn)定運(yùn)行。②用戶或長期運(yùn)行管理部門由于在軌補(bǔ)充測試、在軌試驗(yàn)、業(yè)務(wù)運(yùn)行模式調(diào)整等原因，需要對航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更改，要求研制部門配合論證、提出更改操作方案，并配合實(shí)施。

在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制過程如圖1所示，一般包括發(fā)起在軌運(yùn)行狀態(tài)更改、確定更改類別、提出更改申請并開展更改論證、審批更改申請、落實(shí)更改等步驟。更改控制參照“論證充分、各方認(rèn)可、試驗(yàn)驗(yàn)證、審批完備、落實(shí)到位”五項(xiàng)原則執(zhí)行。

圖1 航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制過程Fig.1 Control process of spacecraft in-orbit operation status change

(1)論證充分：對在軌運(yùn)行狀態(tài)更改進(jìn)行影響分析，對更改方案進(jìn)行論證，明確需要上注的指令清單和時(shí)序要求，以及更改操作的故障預(yù)案。需要調(diào)整地面監(jiān)視報(bào)警門限時(shí)，作具體說明。對于Ⅰ類更改，形成論證報(bào)告進(jìn)行詳細(xì)論述。

(2)各方認(rèn)可：提出更改申請，經(jīng)相關(guān)分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人、總體技術(shù)負(fù)責(zé)人、產(chǎn)品保證人員審簽后，報(bào)項(xiàng)目副總師/產(chǎn)保經(jīng)理、在軌運(yùn)行管理責(zé)任人審批。

(3)試驗(yàn)驗(yàn)證：上注在軌維護(hù)程序或指令前，進(jìn)行充分的地面測試驗(yàn)證及風(fēng)險(xiǎn)影響分析，保證操作運(yùn)行正確。涉及軟件代碼更改的，按照軟件工程化要求完成第三方評測，并由軟件研制單位統(tǒng)一納入產(chǎn)品庫進(jìn)行版本控制。

(4)審批完備：由航天器在軌運(yùn)行管理責(zé)任人審批。

(5)落實(shí)到位：實(shí)施時(shí)，經(jīng)用戶同意，避開重要任務(wù)時(shí)段或敏感時(shí)期，發(fā)送指令按照用戶和長期運(yùn)行管理單位的審批程序進(jìn)行，并現(xiàn)場確認(rèn)上注后的運(yùn)行狀態(tài)。

Ⅲ類更改影響范圍較小，控制程序從簡，通過填寫文件更改單，按原文件審簽權(quán)限完成文件更改審簽，并報(bào)用戶同意。另外，遇到涉及航天器安全、業(yè)務(wù)需要立即恢復(fù)等緊急情況時(shí)，可先行采取應(yīng)急處置措施，處置結(jié)束或安全后，再對航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告進(jìn)行更改。

3.3 在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制實(shí)例

如表5所示2個(gè)典型實(shí)例，對在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制工作進(jìn)行說明。在實(shí)例1中，為降低充電控制器工作負(fù)荷，擬將太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由正常跟蹤太陽更改為偏置20°跟蹤太陽。該更改需要暫停載荷業(yè)務(wù)，屬于Ⅰ類更改，要編寫論證報(bào)告，對更改影響、風(fēng)險(xiǎn)和方案合理性進(jìn)行論證，提出更改申請并經(jīng)各方認(rèn)可、試驗(yàn)驗(yàn)證、審批，經(jīng)用戶和長期運(yùn)行管理部門同意后實(shí)施。在實(shí)例2中，為提高在軌運(yùn)行穩(wěn)定性，擬將蓄電池充電控制模式由“電量計(jì)控制模式”切換為“電壓-溫度控制模式”。與實(shí)例1的區(qū)別在于，該更改不影響用戶應(yīng)用，屬于Ⅱ類更改，不需要編寫論證報(bào)告，其他要求與實(shí)例1相同。

表5 航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)更改控制實(shí)例Table 5 Examples of in-orbit status change control of spacecraft

4 實(shí)踐成果

通過近兩年的航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)管控模式探索與實(shí)踐，航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)得到有效管控，在軌運(yùn)行管理機(jī)制得到完善，服務(wù)用戶質(zhì)量得到提升，取得了顯著的成果。

(1)航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)得到有效管控。180余個(gè)在軌運(yùn)行航天器建立了長期運(yùn)行管理基線，航天器在軌軟硬件運(yùn)行狀態(tài)清晰、準(zhǔn)確；近兩年來的179項(xiàng)在軌運(yùn)行狀態(tài)更改，按程序開展了分析論證和申請審批等工作，過程規(guī)范，操作正確率100%。

(2)航天器在軌運(yùn)行管理機(jī)制得到完善?！胺蛛A段建基線、過程中管基線”的模式運(yùn)行有效，20余個(gè)發(fā)射入軌的航天器按階段依次建立了初始基線和長期運(yùn)行管理基線；根據(jù)用戶要求和健康評估情況實(shí)施的13項(xiàng)Ⅰ類和Ⅱ類更改論證充分，在軌運(yùn)行狀態(tài)更改方案的合理性和操作的準(zhǔn)確性得到保證。

(3)航天器在軌服務(wù)用戶質(zhì)量得到提升。清晰、全面的在軌運(yùn)行狀態(tài)記錄，嚴(yán)格、規(guī)范的在軌運(yùn)行狀態(tài)更改過程控制，精準(zhǔn)、有效的在軌運(yùn)行狀態(tài)操作結(jié)果，進(jìn)一步提升了在軌服務(wù)用戶的質(zhì)量，近兩年用戶滿意度達(dá)到99%以上。