航天器在軌運行段遙控作業(yè)規(guī)范化設(shè)計與實現(xiàn)

張國云，王大鵬，曹繼宏，王 謙，魏 亮

（航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室 西安 710043）

引 言

當(dāng)前，航天器在軌長期運行段遙控作業(yè)在完成日常平臺運維和控制載荷工作正常開展方面發(fā)揮了重要作用[1,2]，實現(xiàn)了遙控上行事件自動化運行[3]。隨著在軌航天器數(shù)量的持續(xù)增多，上行測控事件日益頻繁，上行安全管控面臨嚴峻挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外具有代表性的航天器作業(yè)主要有國外的基于HAL/S、Timeliner 和國內(nèi)的基于SCL 語言三種。HAL/S 由NASA 設(shè)計，適用于航空、航天實時領(lǐng)域。Timeliner 于1982 年開發(fā)，在國際空間站、日本空間站及軌道快車計劃中取得了成功應(yīng)用，可以與聯(lián)合手動的人工程序結(jié)合。HAL/S 優(yōu)點為較強的實時性支持，但由于需要為每一種目標(biāo)機進行精確開發(fā)，通用性支持不強。Timeliner 將執(zhí)行器嵌入到目標(biāo)系統(tǒng)中，提供了很好的通用性和一定的實時機制，但對星上系統(tǒng)要求較高[4]。SCL 語言通過對遙控指令控制命令的顯式支持，解決了遙控作業(yè)操作模式問題，但隨著航天任務(wù)高密度發(fā)展，自動化智能化水平較低、流程標(biāo)準(zhǔn)化不高、要素不完整、事后工作不完整等問題逐漸突出，當(dāng)前相關(guān)研究主要集中在遙控作業(yè)功能架構(gòu)設(shè)計[5,6]，需要對面向新的航天任務(wù)需求的遙控作業(yè)規(guī)范性進行研究，提高上行工作的安全性、可靠性、通用性及自動化水平。

本文在提出航天器在軌運行段遙控作業(yè)編寫規(guī)范需求的基礎(chǔ)上，對規(guī)范作業(yè)運行流程進行針對性設(shè)計與實現(xiàn)，并將規(guī)范前后遙控作業(yè)流程進行比對分析，最后對新設(shè)計的規(guī)范性遙控作業(yè)進行了在軌驗證。

1 運行段遙控作業(yè)規(guī)范需求分析

現(xiàn)有遙控作業(yè)結(jié)構(gòu)相對簡單，功能單一，且需人工參與整個任務(wù)過程實施，結(jié)構(gòu)組成及運行流程如圖1 所示[2]。基于現(xiàn)有流程，規(guī)范化需求主要表現(xiàn)在：

①開啟遙控作業(yè)時機和開啟后是否具備上行條件依賴于人工判斷，增加了操作風(fēng)險，降低了管理效率，需增加自動判斷條件；

② 各類數(shù)據(jù)注入或指令發(fā)送失敗后作業(yè)僅是暫停，需增加可用于快速研判的有效告警信息和處置策略提示；

③各類數(shù)據(jù)注入或指令發(fā)送完畢后未對執(zhí)行效果（是否正常完成預(yù)定上行工作）進行提示，需增加注入結(jié)果完整性具體提示；

④ 進行特殊事件的管理如固定指令、密鑰更換等工作時機依賴于人工判斷，存在管理風(fēng)險，需增加時間自動驅(qū)動模塊。

綜上所述，目前上行遙控模式難以與大數(shù)量衛(wèi)星精細化管理的要求相適應(yīng)，需要進一步規(guī)范。

圖1 原遙控作業(yè)組成及運行流程Fig.1 Composition and operation process of original telecommand program

2 運行段遙控作業(yè)編寫規(guī)范構(gòu)建

針對原有航天器運行段遙控作業(yè)存在的不足，在對遙控作業(yè)實現(xiàn)任務(wù)功能分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計出規(guī)范化的功能模塊。通過分析上行任務(wù)中各模塊間時序關(guān)系，由這些功能相對獨立的模塊協(xié)同完成上行任務(wù)[7,8]。據(jù)此，提出構(gòu)建運行段遙控作業(yè)編寫規(guī)范，應(yīng)綜合考慮上行工作中各種因素及星地狀態(tài)，運行段遙控作業(yè)可劃分為三個階段，即上行遙控前、上行遙控中和上行遙控后。

①上行遙控前：考慮遙控作業(yè)啟動的合法性、天地基跟蹤測控模式、航天器平臺健康狀態(tài)、地面任務(wù)環(huán)境安全性；

② 上行遙控中：重點關(guān)注指令和數(shù)據(jù)發(fā)送的時間、條件等約束內(nèi)容以及每條指令每塊數(shù)據(jù)的執(zhí)行情況；

③上行遙控后：完成善后安全處置，如數(shù)據(jù)注入的完整性和結(jié)果的正確性檢查，天基測控時關(guān)機停發(fā)遙測，已上注完成數(shù)據(jù)文件清除，用于驅(qū)動遙控作業(yè)運行的相關(guān)遙控參數(shù)無效處置等。

對比圖1，規(guī)范后的遙控作業(yè)組成及運行流程如圖2 所示。

3 規(guī)范化前后遙控作業(yè)模塊對比分析

正常情況下，規(guī)范化的遙控作業(yè)進行啟動時機合法性自動檢測、狀態(tài)自動判別、時間條件自動驅(qū)動，注入結(jié)果自動評估、事后安全處置，自動退出，全流程自動運行無人參與；異常情況下循環(huán)報警推送處置策略，對授權(quán)異常智能判斷自動處置，以提高處置效率，避免單靠人工判斷處置帶來的衛(wèi)星管控風(fēng)險。原遙控作業(yè)和規(guī)范化的運行段遙控作業(yè)對比分析如表1 所示。

4 在軌驗證

圖2 規(guī)范化遙控作業(yè)組成及運行流程Fig.2 Composition and operation process of standardized telecommand program

日常平臺運維中，上行測控事件主要有姿態(tài)控制類的軌道數(shù)據(jù)注入、測控管理類的星載應(yīng)答機開/關(guān)機時間表注入（測控星歷）、載荷管理類的用戶載荷開/關(guān)機數(shù)據(jù)注入、星時管理類的時鐘校正數(shù)據(jù)注入以及數(shù)據(jù)管理類的進/出站常規(guī)指令鏈發(fā)送等。上行遙控限制條件多樣，如有些低軌航天器要求在側(cè)擺時禁止注入軌道數(shù)據(jù)，有些則要求載荷數(shù)據(jù)不能重復(fù)注入，有的要求注入時機；同時，天地基測控模式不同處置方法也不一樣。

為驗證規(guī)范化遙控作業(yè)的運行效率，選取了50顆衛(wèi)星（包含測控星歷衛(wèi)星20 顆、天基可測控衛(wèi)星30 顆）進行了為期90 天的測試：每星每天安排2 圈地基進行上行工作（共計9000 圈），其中1 圈上注載荷控制數(shù)據(jù)，1 圈上注平臺運維數(shù)據(jù)；30 顆天基可測控衛(wèi)星每周安排2 圈（共計26 圈），應(yīng)用于在軌衛(wèi)星運行控制任務(wù)。對原遙控作業(yè)和規(guī)范化遙控作業(yè)就遙控上行工作的安全性、可靠性和運行效率等緊密相關(guān)的啟動時機錯誤次數(shù)、上行任務(wù)地面環(huán)境狀態(tài)建立檢查時間、天基測控星歷衛(wèi)星測控時無遙測人工處置次數(shù)、衛(wèi)星健康狀態(tài)檢查用時、授權(quán)異常處置時間、單圈上注數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)漏注次數(shù)共8 個指標(biāo)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2 所示。

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

①遙控作業(yè)啟動合法性檢查模塊解決了遙控作業(yè)開啟太早或太晚導(dǎo)致的星地狀態(tài)誤判和指令數(shù)據(jù)注入結(jié)果無法判斷的問題，該問題發(fā)生概率同比降低了100%。

② 上行任務(wù)地面環(huán)境安全檢查模塊能夠及時檢測上行任務(wù)地面鏈路可用狀態(tài)、星地遙控明密狀態(tài)匹配性和用戶數(shù)據(jù)通道選擇等執(zhí)行任務(wù)所需條件建立狀態(tài)，檢查時間同比減少了75%。

③天地基測控模式判斷及處置模塊和測控星歷控制航天器無遙測情況下處置模塊，分別使天基測控模式下無遙測處置次數(shù)、資源變更后無測控星歷需人工處置的次數(shù)減少了100%，該問題得到解決。

④ 航天器平臺健康狀態(tài)判斷對關(guān)鍵分系統(tǒng)核心參數(shù)健康檢查用時和異常處置檢查用時降低了60%，時效性顯著提高；上行遙控約束條件判斷模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)注入條件、時間等約束信息的自驅(qū)動，提高了注入效率，數(shù)據(jù)注入最大量可提升1.9 倍，同時，有效避免了單靠人工判斷處置帶來衛(wèi)星管控的安全風(fēng)險。

⑤ 對于跟蹤過程中出現(xiàn)的授權(quán)異常，規(guī)范化遙控作業(yè)可以實現(xiàn)對授權(quán)異常處置時機智能判斷自動處置，授權(quán)異常處置效率提升3 倍。

⑥ 數(shù)據(jù)注入完整性檢查模塊避免了低仰角強制退出或剩余時間不夠時出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏注問題；事后安全處置模塊有效規(guī)避了數(shù)據(jù)的重復(fù)注入。

綜上所述，規(guī)范化遙控作業(yè)顯著提升了上行工作的安全性、可靠性和運行效率，可提高航天器在軌運行穩(wěn)定性。

表1 規(guī)范化前后遙控作業(yè)模塊對比分析Table 1 Comparative analysis of telecommand program module before and after normalization

表2 遙控作業(yè)運行情況統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of telecommand program operation

5 結(jié)束語

對航天器運行段遙控作業(yè)運行流程、功能模塊以及異常處置策略等進行規(guī)范化設(shè)計，并且在在軌航天器上進行了長期管理實踐。規(guī)范化的遙控作業(yè)快速高效地完成了日常平臺運維和控制載荷工作等各類控制任務(wù)，有效解決了航天器日常管理中遙控上行限制條件多、執(zhí)行效果無法評估、數(shù)據(jù)重注漏注等需要人工判讀操作的問題，實現(xiàn)了航天器遙控上行工作管理閉環(huán)控制。

規(guī)范化的遙控作業(yè)降低了系統(tǒng)間交互時間，實現(xiàn)了全流程自動化運行，提高了空間信息支援效率和異常處置的時效性，顯著提升了上行工作的安全性、可靠性和運行效率，確保了航天器在軌穩(wěn)定運行。