資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在軌驗(yàn)證

王勝剛 潘立鑫 劉捷 魏懿 程莉 楊曉龍 張恒 袁軍

(北京控制工程研究所，北京 100094)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)是基于《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和國(guó)務(wù)院批復(fù)的《陸海觀測(cè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，開(kāi)展建設(shè)的一顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星。該衛(wèi)星用于接替超期服役的資源一號(hào)02C衛(wèi)星，服務(wù)于環(huán)保、住建、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、減災(zāi)等行業(yè)[1]。

近些年，隨著衛(wèi)星需求的不斷放大，對(duì)業(yè)務(wù)衛(wèi)星的開(kāi)發(fā)提出了新的要求。作為平臺(tái)服務(wù)核心分系統(tǒng)之一的控制分系統(tǒng)，怎么樣快速、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用地滿足研制要求，是值得探討的問(wèn)題；同時(shí)，好用、易用、可靠也是衛(wèi)星工程實(shí)現(xiàn)上追求的重要目標(biāo)。資源一號(hào)02D衛(wèi)星作為一顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星，要求采用“一步正樣”的研制模式，由于沒(méi)有初樣的驗(yàn)證改錯(cuò)過(guò)程，對(duì)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試提出了更高的要求。同時(shí)，相對(duì)于資源一號(hào)02C衛(wèi)星，資源一號(hào)02D衛(wèi)星對(duì)控制分系統(tǒng)的指標(biāo)要求，如姿態(tài)測(cè)量精度、姿態(tài)控制精度及穩(wěn)定度、衛(wèi)星機(jī)動(dòng)能力、壽命、可靠性等要求都有所提高，這些都導(dǎo)致控制分系統(tǒng)要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)、提升。

本文圍繞“一步正樣”的研制要求，并結(jié)合資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的系統(tǒng)復(fù)雜度高、單機(jī)部件多、系統(tǒng)集成難度大的任務(wù)特點(diǎn)，提出了一種快速、經(jīng)濟(jì)的控制分系統(tǒng)研制思路。為了使衛(wèi)星在軌更好用，針對(duì)控制分系統(tǒng)制定了在軌故障預(yù)案和處理措施，保障衛(wèi)星在軌安全可靠運(yùn)行；為了使衛(wèi)星在軌更易用，控制分系統(tǒng)采用一種小推力軌道控制方法，可簡(jiǎn)化變軌操作流程，提高變軌精度。

1 控制分系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 控制分系統(tǒng)“一步正樣”設(shè)計(jì)思路

一般情況下，衛(wèi)星設(shè)計(jì)和研制需要經(jīng)歷模樣設(shè)計(jì)階段、初樣研制階段和正樣研制階段[2]。其中，初樣階段是驗(yàn)證衛(wèi)星設(shè)計(jì)的重要過(guò)程。在此研制階段，要對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)的硬件、軟件、分系統(tǒng)之間的匹配性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，找出其中的問(wèn)題，并在正樣中進(jìn)行改正和再驗(yàn)證。

“一步正樣”，在研制流程中去掉了初樣研制階段，硬件、軟件設(shè)計(jì)的時(shí)間減少，測(cè)試驗(yàn)證的時(shí)間也減少，各環(huán)節(jié)都存在驗(yàn)證不充分的風(fēng)險(xiǎn)。在資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的研制過(guò)程中，針對(duì)“一步正樣”的研制要求，對(duì)應(yīng)“計(jì)劃、實(shí)施、檢查，行動(dòng)”(PDCA)質(zhì)量控制過(guò)程，采取如下措施控制風(fēng)險(xiǎn)，高質(zhì)量地完成控制分系統(tǒng)的研制。

策劃階段(Plan)：首先，對(duì)控制分系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析，并將這些指標(biāo)與類似衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)比，這些衛(wèi)星包括基線衛(wèi)星，還包括指標(biāo)要求類似的其他衛(wèi)星(如高分三號(hào)衛(wèi)星)，找出各重要指標(biāo)(如軌道類型、機(jī)動(dòng)和姿態(tài)指標(biāo)、壽命、可靠性等)的相同點(diǎn)和差異[3]；從類似衛(wèi)星的硬件配置中找出適合使用的產(chǎn)品，確定控制分系統(tǒng)的硬件配置。原則上，盡量選擇經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的產(chǎn)品，減少單機(jī)產(chǎn)品自身軟件的修改，將必需的軟件更改都放在姿態(tài)、軌道和控制計(jì)算機(jī)(AOCC)軟件中進(jìn)行，并控制更改的總量。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段(Do)：將控制計(jì)算機(jī)軟件列為工作重點(diǎn)，在策劃的基礎(chǔ)上先期開(kāi)展研制工作，保留和繼承原基線衛(wèi)星軟件中與方案有關(guān)的部分，包括系統(tǒng)工作模式、故障診斷和處理等。針對(duì)硬件產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)，則通過(guò)調(diào)整軟件中與硬件產(chǎn)品相關(guān)的取數(shù)和控制等接口，調(diào)整與外系統(tǒng)相關(guān)的接口模塊，盡快地開(kāi)發(fā)出接口驗(yàn)證版本。在正樣硬件產(chǎn)品生產(chǎn)的同時(shí)，利用控制器電性產(chǎn)品和控制系統(tǒng)模擬器，開(kāi)展控制分系統(tǒng)軟件的接口版本的測(cè)試，驗(yàn)證控制分系統(tǒng)內(nèi)的接口匹配性。

檢查測(cè)試階段(Check)：在控制分系統(tǒng)內(nèi)部接口都調(diào)通后，完成全功能軟件版本的開(kāi)發(fā)和自測(cè)試，并在控制分系統(tǒng)正樣硬件產(chǎn)品環(huán)境下完成全功能軟件版本的測(cè)試，以及完成與控制分系統(tǒng)有直接接口的系統(tǒng)聯(lián)試，如與數(shù)管分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)、GPS分系統(tǒng)的聯(lián)合測(cè)試，提早發(fā)現(xiàn)并改正與其他分系統(tǒng)間的接口匹配問(wèn)題，特別是硬件接口問(wèn)題，避免將來(lái)整星正樣測(cè)試時(shí)出現(xiàn)測(cè)試問(wèn)題，導(dǎo)致被動(dòng)。

調(diào)整改正階段(Action)：在整個(gè)設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試過(guò)程中，不斷地改正發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)控制分系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行迭代，直至發(fā)射在軌運(yùn)行。

1.2 設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的研制按照上述思路進(jìn)行。首先，對(duì)控制分系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，與基線衛(wèi)星及類似衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)比。資源一號(hào)02D衛(wèi)星與資源一號(hào)02C衛(wèi)星及高分三號(hào)衛(wèi)星的重要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比，如表1所示。

表1 控制分系統(tǒng)重要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of control subsystem important technical indexes

通過(guò)與資源一號(hào)02C衛(wèi)星和高分三號(hào)衛(wèi)星重要技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：資源一號(hào)02D衛(wèi)星相對(duì)于資源一號(hào)02C衛(wèi)星的軌道未變，但技術(shù)指標(biāo)均有提高，更接近高分三號(hào)衛(wèi)星。因此，在軟、硬件設(shè)計(jì)上，資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)充分借鑒這兩顆衛(wèi)星的產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)。

(1)硬件產(chǎn)品。敏感器中，太陽(yáng)敏感器選擇與資源一號(hào)02C衛(wèi)星完全一致的敏感器；紅外地球敏感器、慣性敏感器選擇繼承高分三號(hào)衛(wèi)星；星敏感器在滿足指標(biāo)的情況下，選擇經(jīng)濟(jì)性更好的第4代分體式有源像素傳感器(APS)星敏感器?？刂破魃?，選擇繼承高分三號(hào)衛(wèi)星的3U配置，即中心控制單元、信息采集單元、驅(qū)動(dòng)控制單元。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，動(dòng)量輪選擇配置5個(gè)動(dòng)量輪，產(chǎn)品類型與高分三號(hào)衛(wèi)星一致，安裝使用上仍然沿用資源一號(hào)02C衛(wèi)星的方式，3正交+2斜裝；磁力矩器為3根磁棒，完全繼承資源一號(hào)02C衛(wèi)星，推進(jìn)系統(tǒng)的配套選擇繼承資源一號(hào)02C衛(wèi)星，改變部分推力器的安裝和使用方式；太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和線路的選擇繼承資源一號(hào)02C衛(wèi)星，其中太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)線路盒為了配合控制器，總線形式改為1553B總線。控制分系統(tǒng)的硬件配置繼承性參見(jiàn)表2。

表2 控制分系統(tǒng)硬件繼承性Table 2 Control subsystem hardware and its inheritance

(2)軟件配置中，除了控制計(jì)算機(jī)軟件外的其他軟件，均為I、II類繼承軟件[4]，是完全不需要修改或者僅修改參數(shù)的軟件；在控制計(jì)算機(jī)的軟件中，方案相關(guān)的部分，如工作模式及轉(zhuǎn)換、故障診斷及處理，繼承自資源一號(hào)02C衛(wèi)星，其他接口部分(包括控制分系統(tǒng)內(nèi)接口和外接口)則根據(jù)選用產(chǎn)品的繼承性，選擇繼承的衛(wèi)星。

軟、硬件的繼承性控制，減少了開(kāi)發(fā)過(guò)程中更改的總量，降低了出錯(cuò)的可能。在測(cè)試中，完成控制分系統(tǒng)內(nèi)接口、外接口、系統(tǒng)功能的各級(jí)驗(yàn)證，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和其他衛(wèi)星“舉一反三”的問(wèn)題進(jìn)行閉環(huán)。通過(guò)上述舉措，資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)完成了“一步正樣”的研制，保證了研制進(jìn)度和質(zhì)量。

2 在軌故障預(yù)案及處理措施

作為業(yè)務(wù)衛(wèi)星，為了保障衛(wèi)星在軌安全可靠運(yùn)行，盡量較少人員的干預(yù)，除了提高衛(wèi)星在軌故障自診斷、自恢復(fù)的能力之外，還要制定完備的故障預(yù)案，方便操作人員在第一時(shí)間進(jìn)行故障處理。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星故障處置的原則為：在確保衛(wèi)星安全的前提下，最大可能減少對(duì)任務(wù)的影響。緊急、重大故障時(shí)要優(yōu)先保電源，爭(zhēng)取更多的時(shí)間研究和實(shí)施拯救對(duì)策；在故障原因一時(shí)不能查明時(shí)，要使衛(wèi)星處于安全工作模式，并按照保電源的原則關(guān)閉部分設(shè)備；對(duì)于有備份冗余的設(shè)備，衛(wèi)星上盡可能在識(shí)別到故障后自主或者由地面設(shè)置，使用備份設(shè)備，確保任務(wù)不受影響。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星控制分系統(tǒng)按照《Q/QJA 542-2018航天器在軌故障預(yù)案編寫(xiě)要求》[5]的規(guī)定，結(jié)合衛(wèi)星飛行程序，在衛(wèi)星出廠前制定了在軌故障預(yù)案，對(duì)在軌可能發(fā)生的各種故障模式、影響及危害進(jìn)行分析(FMECA)，形成故障模式清單，并進(jìn)行層級(jí)劃分，如設(shè)備級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)(整星級(jí))；同時(shí)，根據(jù)故障發(fā)生的概率和危害程度[6]進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)不同發(fā)生概率分為A(頻繁)、B(很可能)、C(偶然)、D(很少)、E(極少)5個(gè)等級(jí)，根據(jù)危害程度分為I類(災(zāi)難性的)、II類(嚴(yán)重的)、III類(一般的)、IV類(輕微的)4個(gè)等級(jí)。最終，控制分系統(tǒng)共形成故障預(yù)案卡36項(xiàng)，建立故障卡索引，涵蓋了重要單機(jī)的故障模式(如敏感器故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、控制器異常)，分系統(tǒng)級(jí)的故障模式(如總線故障、進(jìn)入安全模式故障)，也包含不同在軌階段的故障，如分離姿態(tài)異常、軌道控制異常等。對(duì)于故障預(yù)案卡中的指令，均在地面進(jìn)行了驗(yàn)證，確保在軌一旦發(fā)生預(yù)想的故障，能夠按照預(yù)案卡上的指令進(jìn)行處理。

3 小推力軌道維持方法及實(shí)現(xiàn)

為了提高資源一號(hào)02D衛(wèi)星的易用性，針對(duì)資源一號(hào)02C衛(wèi)星在軌使用中測(cè)控人員的痛點(diǎn)，控制分系統(tǒng)在資源一號(hào)02C衛(wèi)星變軌策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星由于受到大氣阻力的影響，軌道高度將不斷下降，這是軌道半長(zhǎng)軸衰變的結(jié)果。由此引起的軌道周期的縮短使得地面軌跡的位置向東漂移，軌跡的重復(fù)性受到破壞，衛(wèi)星要進(jìn)行周期性的軌跡保持[7]。資源一號(hào)02C衛(wèi)星大約每?jī)蓚€(gè)月進(jìn)行一次軌道調(diào)節(jié)，速度增量在0.02～0.03 m/s，使用2個(gè)1 N推力器變軌，軌道控制時(shí)長(zhǎng)為20～30 s。軌道控制時(shí)，姿態(tài)控制推力器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，控制軌道控制對(duì)姿態(tài)的干擾，使用的在軌操作流程為：第n圈，注入數(shù)據(jù)塊，切除偏流角，注入變軌數(shù)據(jù)塊(地面操作)；第n+1圈，變軌(星上自主操作)；第n+2圈，注入目標(biāo)軌道塊，注入數(shù)據(jù)塊，重新引入星敏感器確定姿態(tài)(地面操作)。軌道控制前后均要進(jìn)行地面干預(yù)，每次軌道維持都需要至少3個(gè)軌道圈次，每個(gè)軌道圈100 min左右，時(shí)間拖得比較長(zhǎng)，特別是隨著在軌衛(wèi)星的增多，測(cè)控人員都是一個(gè)人管數(shù)顆衛(wèi)星，測(cè)控壓力大。資源一號(hào)02D衛(wèi)星在軌道維持操作上進(jìn)行了優(yōu)化，采用基于輪控模式的軌道控制方法[8]。軌道維持時(shí)，控制分系統(tǒng)仍然處于正常模式，陀螺+星敏感器確定姿態(tài)方式下，由動(dòng)量輪吸收變軌的干擾力矩；變軌結(jié)束后，由磁力矩器進(jìn)行卸載，慢慢將動(dòng)量輪吸收的干擾卸載掉，使動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速回到標(biāo)稱轉(zhuǎn)速附近。其操作流程簡(jiǎn)化為：第n圈，注入變軌數(shù)據(jù)塊，星上確認(rèn)變軌數(shù)據(jù)塊有效時(shí)，自主切除偏流角(地面操作)；第n+1圈，變軌(星上自主操作)；地面操作簡(jiǎn)化為軌控前操作一次，圈次減少，減輕了測(cè)控人員的壓力和負(fù)擔(dān)，提高了效率和可靠性。資源一號(hào)02C衛(wèi)星進(jìn)行軌道控制時(shí)，使用姿態(tài)控制推力器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，由于推力器不嚴(yán)格過(guò)質(zhì)心而在3軸上都可能產(chǎn)生干擾力矩，姿態(tài)會(huì)偏向一個(gè)方向；而在資源一號(hào)02D衛(wèi)星中采用正常模式1 N變軌后，動(dòng)量輪可以實(shí)時(shí)吸收軌道控制對(duì)姿態(tài)的干擾，姿態(tài)始終保持正常運(yùn)行時(shí)的零姿態(tài)，軌道維持的精度相對(duì)提高。

4 在軌驗(yàn)證

資源一號(hào)02D衛(wèi)星入軌后，完成了狀態(tài)建立和在軌測(cè)試，控制分系統(tǒng)長(zhǎng)期處于正常模式——陀螺+星敏感器確定姿態(tài)方式?？刂品窒到y(tǒng)工作穩(wěn)定，軟、硬件工作正常，相關(guān)指標(biāo)均滿足要求，為有效載荷任務(wù)的圓滿完成提供了非常有利的條件。

圖1和圖2是資源一號(hào)02D衛(wèi)星某圈過(guò)境的姿態(tài)角估值和姿態(tài)角速度估值曲線，衛(wèi)星長(zhǎng)期是引入偏流角修正的，圖上也附有實(shí)時(shí)的偏流角理論值和偏流角速度理論值?？梢钥闯觯盒l(wèi)星3軸的控制精度優(yōu)于0.005°(3σ)，3軸穩(wěn)定度優(yōu)于0.000 4(°)/s(3σ)，控制分系統(tǒng)的表現(xiàn)優(yōu)于指標(biāo)要求，控制分系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程，滿足了衛(wèi)星“一步正樣”、指標(biāo)提升的要求。

圖1 正常運(yùn)行姿態(tài)角估值曲線Fig.1 Attitude angle trajectory under normal operation

圖2 正常運(yùn)行姿態(tài)角速度估值曲線Fig.2 Attitude angular velocity trajectory under normal operation

5 結(jié)束語(yǔ)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星作為資源一號(hào)02C衛(wèi)星的后繼業(yè)務(wù)衛(wèi)星，在控制分系統(tǒng)的研制過(guò)程中，合理繼承，優(yōu)化軟、硬件設(shè)計(jì)，保證采用“一步正樣”研制流程的整個(gè)分系統(tǒng)的可靠性；根據(jù)FMECA結(jié)果，制定完備的故障預(yù)案，并通過(guò)地面測(cè)試驗(yàn)證每個(gè)故障處理策略，以確保在軌發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)按照預(yù)案對(duì)在軌故障進(jìn)行處置；通過(guò)改進(jìn)軌道控制方法，優(yōu)化地面操作，切實(shí)減少操作人員負(fù)擔(dān)。上述措施對(duì)其他業(yè)務(wù)衛(wèi)星的研制與在軌管理均有一定的借鑒意義。