航天器在軌測試方法標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)思路與實(shí)踐

李國強(qiáng) 徐啟

（1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京， 100094；2 中國航空綜合技術(shù)研究所， 北京， 100028）

在軌測試是航天器交付用戶前的最后一個環(huán)節(jié)， 也是航天器驗(yàn)收最重要的環(huán)節(jié)。 通過在軌測試可全面獲取航天器在經(jīng)歷發(fā)射直至入軌以后各種工作狀態(tài)下的功能和性能指標(biāo)參數(shù)。 相關(guān)測試數(shù)據(jù)一方面用于確認(rèn)航天器的功能、 性能是否滿足研制要求； 另一方面用于確認(rèn)航天器與測控系統(tǒng)、 運(yùn)控系統(tǒng)、 應(yīng)用系統(tǒng)的接口協(xié)調(diào)性和匹配性， 進(jìn)而確定航天器是否具備在軌執(zhí)行任務(wù)的能力、 是否具備交付用戶的條件。 經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐， 我國已經(jīng)在航天器在軌測試領(lǐng)域形成了一套成熟的運(yùn)行機(jī)制和工作方法。 及時將工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果總結(jié)歸納形成標(biāo)準(zhǔn)， 對于規(guī)范、 高效、 準(zhǔn)確、 安全可靠地開展后續(xù)航天器在軌測試工作具有重要意義。

1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

航天器在軌測試屬于實(shí)操性很強(qiáng)的工作， 我們目前未檢索到國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 國內(nèi)目前與航天器在軌測試相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)共28 份， 涉及國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、 航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。 通過分析， 現(xiàn)有28 份標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)。

a） 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要以測試方法類為主， 側(cè)重于航天器在軌測試工作的具體實(shí)施。 但這些標(biāo)準(zhǔn)的劃分維度不統(tǒng)一， 標(biāo)準(zhǔn)化對象及技術(shù)內(nèi)容存在部分交叉的情況。 其中， 有的標(biāo)準(zhǔn)是針對整星，如： GJB 9098 《航天器在軌測試方法》 系列標(biāo)準(zhǔn)； 有的標(biāo)準(zhǔn)是針對某一類衛(wèi)星平臺， 如： GJB 5831A—2019 《 地球同步衛(wèi)星平臺在軌測試規(guī)程》； 有的標(biāo)準(zhǔn)是針對某一類有效載荷， 如：GJB 9348—2018 《中繼衛(wèi)星有效載荷在軌測試方法》； 有的標(biāo)準(zhǔn)甚至只針對有效載荷的某一個測試項(xiàng)目， 如： QJ 20613—2016 《陸地觀測衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼率在軌測試方法》。

b） 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要針對通信衛(wèi)星、 導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、 載人航天器等主流航天器， 但具體到每一類航天器， 其覆蓋面、 適用范圍又不盡統(tǒng)一。 其中， 通信衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)只針對基于透明轉(zhuǎn)發(fā)、基于傳統(tǒng)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)頻段的通信衛(wèi)星， 缺少針對高通量通信衛(wèi)星、 移動通信衛(wèi)星等新型通信衛(wèi)星的內(nèi)容。 導(dǎo)航衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)基于北斗二號制定， 除了單顆衛(wèi)星的在軌測試， 還涉及星間鏈路在軌測試的相關(guān)內(nèi)容。 遙感衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)劃分較細(xì)， 從載荷類型來看覆蓋了目前主流的光學(xué)遙感器和微波遙感器， 從用途來看覆蓋了資源探測、 測繪等主要應(yīng)用領(lǐng)域。 載人航天器標(biāo)準(zhǔn)相對完善， 覆蓋了載人飛船、 空間站、 貨運(yùn)飛船。

我國航天事業(yè)正經(jīng)歷著前所未有的快速發(fā)展。 隨著新技術(shù)新體制新方法的不斷進(jìn)步和應(yīng)用， 應(yīng)及時對現(xiàn)有航天器在軌測試方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充、 修訂和完善， 以保證標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性、 適用性和可操作性。

2 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)思路

航天器在軌測試是航天器全生命周期大系統(tǒng)綜合測試的重要組成部分， 也是對航天器功能和性能指標(biāo)進(jìn)行評定的重要手段。 航天器在軌測試需要對系統(tǒng)測試狀態(tài)、 測試過程、 測試覆蓋性、測試結(jié)果有效性等進(jìn)行全面分析與評估， 僅靠簡單地繼承和借鑒其他型號經(jīng)驗(yàn)、 多次重復(fù)測試是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的， 需要通過標(biāo)準(zhǔn)對在軌測試工作的方方面面進(jìn)行規(guī)范和引導(dǎo)。 而之前出版發(fā)布的關(guān)于航天器在軌測試的各級標(biāo)準(zhǔn)存在定位不盡清晰、 技術(shù)內(nèi)容不夠全面、 技術(shù)要求零散且交叉重復(fù)等問題， 對科學(xué)開展在軌測試工作的支撐力度不夠， 不能完全滿足任務(wù)需求。 因此亟需在總結(jié)以往航天器在軌測試工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加以總結(jié)和提煉， 針對在軌測試工作開展過程中存在的實(shí)際問題， 同時結(jié)合各類航天器在軌測試的發(fā)展趨勢以及未來航天任務(wù)的新特點(diǎn)和新要求， 建立一套系統(tǒng)全面、 科學(xué)合理的航天器在軌測試標(biāo)準(zhǔn)。

針對上述問題， 航天器研制應(yīng)用主管部門對航天器在軌測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的論證和規(guī)劃，確定了如下建設(shè)思路： 一是鑒于航天器種類較多，不同類型的航天器由于運(yùn)行軌道不同、 執(zhí)行任務(wù)不同， 在測試項(xiàng)目和測試方法上存在較大差異，因此需要針對每一類航天器分別制定在軌測試標(biāo)準(zhǔn)。 二是航天器在軌測試是一項(xiàng)復(fù)雜的工作， 涉及面廣， 為了保證廣泛的適用性， 標(biāo)準(zhǔn)需要覆蓋在軌測試的所有技術(shù)內(nèi)容。 同時為了方便技術(shù)人員使用標(biāo)準(zhǔn)， 不能把工作內(nèi)容拆解過細(xì)， 應(yīng)該把在軌測試做成 “大” 標(biāo)準(zhǔn)， 即將針對一類航天器在軌測試的所有技術(shù)內(nèi)容整合在一份標(biāo)準(zhǔn)里。

經(jīng)過多輪討論和迭代， 規(guī)劃確定了編制建設(shè)航天器在軌測試方法系列標(biāo)準(zhǔn)的方案， 針對不同類型的航天器， 該系列標(biāo)準(zhǔn)劃分為通信衛(wèi)星、 導(dǎo)航定位衛(wèi)星、 氣象衛(wèi)星、 地球資源衛(wèi)星、 測繪衛(wèi)星、 深空探測衛(wèi)星、 載人飛船、 貨運(yùn)飛船、 空間站、 星座等12 個部分。

3 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)實(shí)踐

自2012 年起， 根據(jù)各類航天器在軌測試技術(shù)狀態(tài)及需求， 結(jié)合年度技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃論證， 中國空間技術(shù)研究院等航天器研制單位聯(lián)合各類航天器用戶分批次開展了該系列標(biāo)準(zhǔn)的制訂， 《航天器在軌測試方法 第1 部分： 通信衛(wèi)星》 《航天器在軌測試方法 第2 部分： 導(dǎo)航定位衛(wèi)星》《航天器在軌測試方法 第9 部分： 載人飛船》 等7 項(xiàng)， 迄今均已完成編制。 其中 《航天器在軌測試方法 第2 部分： 導(dǎo)航定位衛(wèi)星》 《航天器在軌測試方法 第9 部分： 載人飛船》 等4 項(xiàng)已于2017 年正式頒布； 其余3 項(xiàng)也已處于報批階段。

為保證系列標(biāo)準(zhǔn)之間在框架結(jié)構(gòu)、 名詞術(shù)語、 表述方式、 技術(shù)內(nèi)容顆粒度等方面的協(xié)調(diào)統(tǒng)一， 在標(biāo)準(zhǔn)正式啟動編制前， 主辦部門組織各編制組就標(biāo)準(zhǔn)的編寫模式進(jìn)行了集中研討。 經(jīng)過相關(guān)專家的共同討論， 設(shè)計(jì)確定了該系列標(biāo)準(zhǔn)的編寫 “模板”， 就標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)統(tǒng)一劃分為測試依據(jù)、 測試原則、 測試條件和時機(jī)、 測試系統(tǒng)、 測試項(xiàng)目、 測試方法、 測試報告等10 個章節(jié)。

其中 “測試原則” 對在軌測試應(yīng)遵循的一般原則進(jìn)行了總結(jié)， 包括： 先進(jìn)行衛(wèi)星平臺測試，后進(jìn)行有效載荷測試； 除衛(wèi)星正常運(yùn)行所使用的工作狀態(tài)和工作模式外， 不再另行安排特殊條件下的測試； 不進(jìn)行余量或適應(yīng)性試驗(yàn)， 也不安排可能影響衛(wèi)星可靠性、 安全性的特殊試驗(yàn)項(xiàng)目；衛(wèi)星入軌過程中已驗(yàn)證的衛(wèi)星功能、 性能指標(biāo)不再重復(fù)測試等。 “測試項(xiàng)目” 和 “測試方法” 是編寫的重點(diǎn)。 對于規(guī)定的每一個測試項(xiàng)目， 一方面說明其類型是衛(wèi)星平臺測試、 有效載荷測試，或是星地一體化指標(biāo)測試； 另一方面還要說明其屬性是必測項(xiàng)目， 或是選測項(xiàng)目。 在描述測試方法時， 對于功能檢查類項(xiàng)目， 需要規(guī)定測試條件和主要設(shè)置， 落腳點(diǎn)應(yīng)是檢查某項(xiàng)功能； 對于性能指標(biāo)考核類項(xiàng)目， 應(yīng)從測試原理、 測試框圖、測試步驟、 數(shù)據(jù)處理4 個方面進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定， 落腳點(diǎn)應(yīng)是獲得某項(xiàng)具體指標(biāo)。 在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中， 各編制組還不定期地組織了多輪討論， 就測試原則的表述方式、 平臺測試項(xiàng)目的命名方式等共性技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4 部分標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

對GJB 9098 航天器在軌測試方法系列標(biāo)準(zhǔn)中已完成編制和頒布的部分， 以下遴選有代表性的通信衛(wèi)星、 導(dǎo)航定位衛(wèi)星、 測繪衛(wèi)星、 載人飛船和空間站等， 分別就其標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、 主要內(nèi)容及確定依據(jù)等作簡要介紹。

4.1 通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星作為最早投入應(yīng)用的衛(wèi)星類型， 發(fā)展最為成熟。 通信衛(wèi)星的有效載荷由兩部分組成： 轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線， 其中轉(zhuǎn)發(fā)器可分為處理轉(zhuǎn)發(fā)器和透明轉(zhuǎn)發(fā)器。 由于不同的處理轉(zhuǎn)發(fā)器在功能、 性能指標(biāo)及測試方法等方面均差異較大，不具備進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的條件， 因此標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于有效載荷的內(nèi)容主要針對透明轉(zhuǎn)發(fā)器， 測試項(xiàng)目包括等效全向輻射功率 （EIRP）、 接收品質(zhì)因數(shù)（G/T）、 幅頻特性、 群時延特性、 天線 方向圖等。 對于處理轉(zhuǎn)發(fā)器僅給出了測試項(xiàng)目， 對具體的測試方法未作明確規(guī)定， 建議按用戶要求進(jìn)行測試。 另外， 由于不同通信衛(wèi)星的用途不同， 在軌要求差異較大， 為保證標(biāo)準(zhǔn)的通用性， 對測試過程中相關(guān)參數(shù)的取值未做強(qiáng)制要求， 僅給出了推薦值供參考， 具體實(shí)施時應(yīng)按在軌測試大綱和在軌測試細(xì)則中的要求執(zhí)行。

4.2 導(dǎo)航定位衛(wèi)星

導(dǎo)航定位衛(wèi)星部分的制定以已建成的北斗二號區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星的測試項(xiàng)目為基礎(chǔ)， 也包含了后續(xù)備份補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星所涉及的測試項(xiàng)目， 同時還涉及北斗二號全球?qū)Ш叫l(wèi)星可能涉及的測試項(xiàng)目， 因此其技術(shù)內(nèi)容如星間鏈路部分具有一定的前瞻性。 關(guān)于測距精度的測試方法選擇， 由于星地時間比對載荷和星間鏈路的測距精度是由測距隨機(jī)誤差和通道時延不確定度兩部分構(gòu)成， 衛(wèi)星實(shí)際在軌工作后， 衛(wèi)星上行測距值和星座構(gòu)型隨衛(wèi)星運(yùn)動會產(chǎn)生相應(yīng)變化， 難以定量給出通道時延不確定度。 因此標(biāo)準(zhǔn)中采用雙通道接收地面同一信號源發(fā)射信號進(jìn)行測距， 通過測得的測距隨機(jī)誤差來評定星地時間比對載荷和星間鏈路的測距精度。

4.3 測繪衛(wèi)星

測繪衛(wèi)星的種類較多， 按照有效載荷可分為光學(xué)測繪衛(wèi)星、 微波測繪衛(wèi)星、 重力測繪衛(wèi)星以及磁力測繪衛(wèi)星等多種類型。 其中光學(xué)測繪衛(wèi)星已在軌應(yīng)用多年， 按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇煞譃榉祷厥胶蛡鬏斝停?其中傳輸型測繪衛(wèi)星是目前的主流模式， 早期的返回式測繪衛(wèi)星已退出歷史舞臺。 因此本標(biāo)準(zhǔn)聚焦于傳輸型光學(xué)測繪衛(wèi)星的在軌測試。 因目標(biāo)定位精度、 輻射定標(biāo)精度、 在軌標(biāo)定精度、 數(shù)傳系統(tǒng)誤碼率等測試項(xiàng)目不僅與星上有效載荷性能相關(guān)， 還與地面應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)系密切， 屬于星地一體化指標(biāo)， 因此標(biāo)準(zhǔn)對測試項(xiàng)目分類進(jìn)行了優(yōu)化， 新增了星地一體化指標(biāo)這一類別。 另外， 考慮到相對于其他類型遙感衛(wèi)星， 測繪衛(wèi)星具有對幾何特性、 定位精度有更高要求的特點(diǎn)， 標(biāo)準(zhǔn)將定位精度進(jìn)一步細(xì)化為絕對定位精度和相對定位精度， 同時還增加了攝影測量參數(shù)幾何定標(biāo)等測試項(xiàng)目。

4.4 載人飛船

載人飛船的任務(wù)特點(diǎn)與衛(wèi)星存在較大差異，一是載人飛船的任務(wù)為完成交會對接并安全返回， 沒有交付用戶的概念； 二是載人飛船飛行全過程均為任務(wù)階段， 沒有專門的在軌測試階段。載人飛船的在軌測試目的在于提前驗(yàn)證關(guān)鍵功能、 性能正常， 確?？煽客瓿? 項(xiàng)任務(wù)： 交會對接、 ?？亢头祷?。 由于載人飛船一撤離就進(jìn)入返回準(zhǔn)備狀態(tài)， 撤離后沒有專門的時間進(jìn)行返回測試， 返回任務(wù)的在軌測試項(xiàng)目也在停靠階段進(jìn)行， 因此停靠階段的在軌測試需要全面覆蓋飛船的關(guān)鍵功能與性能， 包括信息管理、 姿態(tài)與軌道控制、 能源管理、 人機(jī)環(huán)境和交會測量等。 而交會對接階段的在軌測試則只針對交會測量設(shè)備、空空通信設(shè)備、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)備。

4.5 空間站

空間站屬于長期在軌自主飛行、 長期有人照料的空間飛行器， 在軌飛行過程中長期處于長管模式的自主運(yùn)行階段， 需要利用在軌測試對平臺功能進(jìn)行檢查； 同時， 空間站需要支持交會對接、 航天員出艙等專項(xiàng)任務(wù)， 在執(zhí)行任務(wù)前需要對相應(yīng)功能進(jìn)行在軌測試， 以確保順利開展后續(xù)任務(wù)。 空間站的在軌測試適用于空間站系統(tǒng)的各個艙段 （包括核心艙、 實(shí)驗(yàn)艙等） 及其組合體，涉及空間站控制與推進(jìn)、 能源、 信息、 艙體結(jié)構(gòu)、 熱管理、 載人環(huán)境、 交會對接、 組裝建造、出艙活動支持、 空間應(yīng)用支持等分系統(tǒng)及功能。相比于衛(wèi)星， 空間站有效載荷的種類繁多， 且處于動態(tài)變化中， 因此標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定有效載荷的測試項(xiàng)目。 但考慮到空間站后續(xù)將裝載大量應(yīng)用載荷， 為保證空間站與應(yīng)用載荷的兼容性， 標(biāo)準(zhǔn)中對空間站與應(yīng)用載荷支持接口的測試進(jìn)行了規(guī)定。

航天器在軌測試方法標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了航天器在軌測試的指標(biāo)體系和對應(yīng)的檢驗(yàn)方法， 同時還規(guī)定了各大系統(tǒng)間的工作界面和任務(wù)分工，在實(shí)際工作中具有重要的作用， 是制定航天器在軌測試大綱、 在軌測試細(xì)則等操作文件的重要依據(jù)。 航天器在軌測試的測試項(xiàng)目較多， 航天器在軌測試方法標(biāo)準(zhǔn)確定了測試項(xiàng)目的基線，明確了哪些測試項(xiàng)目是必測項(xiàng)， 哪些是選測項(xiàng)，哪些是不測項(xiàng)， 可有效保障航天器在軌測試的底線和降低在軌測試的風(fēng)險， 從而在保證航天器安全性和可靠性的前提下， 最大限度獲得航天器在軌狀態(tài)下的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。 航天器的種類較多， 即使是同一類衛(wèi)星， 由于執(zhí)行的任務(wù)不同， 在軌測試的具體實(shí)施也存在較大差異，對于某一個測試項(xiàng)目可能存在多種測試方法，不同的測試方法又有其對應(yīng)的使用場景。 航天器在軌測試方法標(biāo)準(zhǔn)明確了各測試項(xiàng)目對應(yīng)測試方法的選用原則， 可以保證測試數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性， 有利于對航天器在軌測試結(jié)果進(jìn)行有效分析和準(zhǔn)確評價。