宇航團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《衛(wèi)星控制分系統(tǒng)極性測試要求》的研究和實(shí)踐

謝任遠(yuǎn) 余維 吳敬玉 史康 徐曉雄

（上海航天控制技術(shù)研究所， 上海， 201109）

2011 年以來， 我國的航天事業(yè)持續(xù)快速發(fā)展， 自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)， 進(jìn)入空間的能力也大幅提升[1]。 傳統(tǒng)的空間應(yīng)用衛(wèi)星， 如提供通訊和氣象觀測的服務(wù)繼續(xù)穩(wěn)步前進(jìn)； 同時(shí)新興的空間科學(xué)衛(wèi)星也得到了井噴式發(fā)展， 如暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”、 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 “墨子號”、 硬 X 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星等空間科學(xué)衛(wèi)星相繼發(fā)射上天，為我國空間科學(xué)探索提供了強(qiáng)有力的工具[2]。

然而在航天事業(yè)繁榮的背后， 也出現(xiàn)了不少挫折， 一些衛(wèi)星由于設(shè)計(jì)、 制造等環(huán)節(jié)的極性錯(cuò)誤導(dǎo)致整星失效[3]。 日本被寄予厚望、 代表 “新一代 X 射線天文學(xué)” 未來的衛(wèi)星 “瞳”， 于 2016年2 月17 日發(fā)射成功， 但一個(gè)半月后由于控制分系統(tǒng)出現(xiàn)極性錯(cuò)誤， 推力器往相反的方向點(diǎn)火， 導(dǎo)致衛(wèi)星自身高速旋轉(zhuǎn)直至解體， 損失了2.86 億美元。 這些挫折也進(jìn)一步說明， 對衛(wèi)星控制分系統(tǒng)來說， 極性是特別重要的一環(huán)， 是衛(wèi)星能正常工作的基本要求和必要條件[4]。

由于控制分系統(tǒng)的組成及內(nèi)外部關(guān)聯(lián)比較復(fù)雜， 因此其極性的測試和確認(rèn)， 一直是包括衛(wèi)星在內(nèi)的各類航天器控制分系統(tǒng)研制工作中的重要環(huán)節(jié)[5]。控制分系統(tǒng)在單機(jī)、 分系統(tǒng)、 整星層面極性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一致性、 正確性， 事關(guān)衛(wèi)星任務(wù)成敗。

1 控制分系統(tǒng)的極性

典型航天器控制分系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。 由圖可知其控制分系統(tǒng)由敏感器、 控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3 類產(chǎn)品組成， 具體衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的單機(jī)配置根據(jù)系統(tǒng)在軌任務(wù)特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)要求確定。

極性的定義指的是： 產(chǎn)品特定的安裝方向、連接對應(yīng)關(guān)系、 介質(zhì)流向關(guān)系、 運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系等。 控制分系統(tǒng)的極性包括： 產(chǎn)品特定的坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系、 運(yùn)動(dòng)類產(chǎn)品指定的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系、 敏感器測量與輸出的對應(yīng)關(guān)系、 軟件計(jì)算要求與實(shí)際數(shù)據(jù)輸出的對應(yīng)關(guān)系等。

2 極性測試要求的技術(shù)內(nèi)容

衛(wèi)星控制分系統(tǒng)極性測試涵蓋了各產(chǎn)品在各研制階段的極性測試內(nèi)容， 具體內(nèi)容包含了整個(gè)研制周期中的單機(jī)級、 分系統(tǒng)級、 整星級極性測試及發(fā)射場極性確認(rèn)工作， 并體現(xiàn)了不同研制階段測試的區(qū)別。 根據(jù)衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的工作原理、 研制流程及設(shè)計(jì)要求， 分解出極性測試和確認(rèn)的項(xiàng)目以及相應(yīng)的測試方法。

2.1 單機(jī)級極性測試

在控制分系統(tǒng)產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)， 對單機(jī)自身的極性進(jìn)行測試， 一般使用目標(biāo)模擬器和運(yùn)動(dòng)模擬器等專用模擬器對單機(jī)進(jìn)行測試， 驗(yàn)證有極性單機(jī)的極性是否與任務(wù)書、 技術(shù)要求等輸入文件的規(guī)定一致。

根據(jù)常規(guī)衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的構(gòu)成， 該類測試應(yīng)包含星敏感器、 地球敏感器、 數(shù)字式太陽敏感器、 0-1 式太陽敏感器、 模擬式太陽敏感器、 慣性器件、 磁強(qiáng)計(jì)、 飛輪、 磁力矩器等控制分系統(tǒng)部組件極性測試的內(nèi)容、 方法、 所用儀器設(shè)備及確認(rèn)要求 （表格）。

2.2 控制分系統(tǒng)級單機(jī)極性測試

各部組件通過電氣連接電纜、 分系統(tǒng)軟件等連接成控制分系統(tǒng)后， 按分系統(tǒng)進(jìn)行開閉環(huán)測試前， 在分系統(tǒng)級仿真試驗(yàn)環(huán)境下開展系統(tǒng)級下的單機(jī)極性測試， 包括各單機(jī)與系統(tǒng)控制器之間的極性接口檢查， 一般使用目標(biāo)模擬器和運(yùn)動(dòng)模擬器等專用模擬器對單機(jī)進(jìn)行測試， 驗(yàn)證單機(jī)與系統(tǒng)之間極性信息是否一致、 正確。

根據(jù)各部組件在控制分系統(tǒng)內(nèi)的工作方式及分系統(tǒng)測試環(huán)境， 該類測試應(yīng)包含星敏感器、 地球敏感器、 數(shù)字式太陽敏感器、 0-1 式太陽敏感器、 模擬式太陽敏感器、 慣性器件、 磁強(qiáng)計(jì)、 飛輪、 磁力矩器等部組件在分系統(tǒng)條件下的極性測試的內(nèi)容、 方法、 所用儀器設(shè)備、 用例、 數(shù)據(jù)記錄及極性確認(rèn)要求 （表格）。

2.3 控制分系統(tǒng)極性測試

控制分系統(tǒng)極性測試是在各單機(jī)部件與測試設(shè)備一起連成分系統(tǒng)后， 在姿態(tài)角、 角速度、 狀態(tài)等控制輸入人為設(shè)置偏差的情況下將閉環(huán)狀態(tài)在動(dòng)力學(xué)模型執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入位置斷開， 進(jìn)行分系統(tǒng)的開環(huán)特性測試， 驗(yàn)證控制分系統(tǒng)在給定的輸入下， 解算輸出的極性正確性和相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的正確性。

分系統(tǒng)極性測試一般包括的內(nèi)容： 分系統(tǒng)各工作模式中姿態(tài)角、 角速度正負(fù)偏差下的飛輪、磁力矩器、 推力器極性測試； 飛輪的推力器、 磁力矩器卸載極性測試； 太陽電池陣的驅(qū)動(dòng)極性測試； 安全模式下對日定向控制的極性測試等。 并對極性確認(rèn)要求進(jìn)行表格化說明。

2.4 控制分系統(tǒng)整星極性測試

在控制分系統(tǒng)整星極性測試前， 控制分系統(tǒng)各單機(jī)， 根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過安裝面、 支架等固連于星體艙內(nèi)或艙外， 除安裝精度外， 安裝極性、電纜連接關(guān)系也必須經(jīng)過確認(rèn)。 安裝正確、 連接正確是分系統(tǒng)單機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法的基礎(chǔ)保障。

按照控制分系統(tǒng)極性規(guī)定， 控制分系統(tǒng)各單機(jī)裝星后， 與衛(wèi)星其他分系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作時(shí)， 使用目標(biāo)模擬器、 整星運(yùn)動(dòng)等方式對控制分系統(tǒng)及其單機(jī)進(jìn)行極性測試， 驗(yàn)證單機(jī)與分系統(tǒng)之間極性信息是否一致、 正確。 測試的內(nèi)容主要包括對控制分系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 太陽陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、 推進(jìn)分系統(tǒng)在整星條件下進(jìn)行極性的測試。

2.5 控制分系統(tǒng)發(fā)射場整星極性測試

衛(wèi)星運(yùn)往發(fā)射場時(shí)， 一些部組件需要拆卸后單獨(dú)運(yùn)輸， 發(fā)射場極性測試主要針對單獨(dú)運(yùn)輸后在發(fā)射場安裝、 連接的部組件以及有插拔電纜過程的單機(jī)開展， 其他單機(jī)極性測試可結(jié)合光路測試和功能測試進(jìn)行。 一般使用目標(biāo)模擬器等專用模擬器對單機(jī)進(jìn)行極性測試， 再次驗(yàn)證重新裝星后部組件與控制分系統(tǒng)之間極性信息是否一致、正確。 用多媒體記錄的方式， 測試確認(rèn)各單機(jī)在整星坐標(biāo)系中的安裝極性與規(guī)定要求的一致、正確。

3 極性測試要求的實(shí)踐

按照前文所述的控制分系統(tǒng)極性測試分類及方法， 在某型號衛(wèi)星的研制中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 單機(jī)級極性測試

a） 0-1 式太陽敏感器單機(jī)級極性測試

0-1 式太陽敏感器 （簡稱 “LSS”） 一般具有 3個(gè)正交方向的電池片 （LSSX、 LSSY、 LSSZ）， 運(yùn)用太陽電池片將光信號轉(zhuǎn)換成電信號這一基本原理， 制作成為衛(wèi)星測量產(chǎn)品。 該產(chǎn)品在單機(jī)級極性測試時(shí)， 通過手持式光源照射不同的電池片，產(chǎn)生電信號， 采集設(shè)備將電流輸出至不同通道，確認(rèn)其極性的正確性。 極性測試表格見表1。

表1 0-1 式太陽敏感器單機(jī)級極性測試表

b） 反作用飛輪單機(jī)級極性測試

反作用飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要器件， 它接收星載計(jì)算機(jī)的控制指令， 通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)對飛輪輪體加、 減速產(chǎn)生反作用力矩， 與衛(wèi)星本體進(jìn)行動(dòng)量交換， 從而達(dá)到控制衛(wèi)星姿態(tài)的目的。 該產(chǎn)品在單機(jī)級極性測試時(shí)， 將其安裝在專用工裝上， 通過地測設(shè)備發(fā)送正/負(fù)向轉(zhuǎn)速指令，觀察并使用多媒體設(shè)備記錄其轉(zhuǎn)動(dòng)方向， 確認(rèn)其極性的正確性。 極性測試表格見表2。

表2 反作用飛輪單機(jī)級極性測試表

3.2 控制分系統(tǒng)級單機(jī)極性測試

a） 光纖陀螺組合控制分系統(tǒng)級極性測試

光纖陀螺組合是衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)的重要敏感器件， 用于敏感衛(wèi)星星體的慣性角速度， 輸出其在星體坐標(biāo)系上的分量， 為衛(wèi)星各個(gè)工作模式和飛行階段提供連續(xù)的三軸慣性角速度信息。 該產(chǎn)品在控制分系統(tǒng)級極性測試時(shí)， 將其接入系統(tǒng)后放置在試驗(yàn)臺(tái)上， 通過轉(zhuǎn)動(dòng)光纖陀螺組合的X、 Y、 Z 軸， 觀察并記錄控制分系統(tǒng)星載計(jì)算機(jī)采集到的角速度大小及方向， 確認(rèn)其極性的正確性。 極性測試表格見表3。

表3 光纖陀螺組合控制分系級極性測試表

b） 磁力矩器控制分系統(tǒng)級極性測試

磁力矩器是控制分系統(tǒng)的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 用磁力矩器的磁矩與磁場作用產(chǎn)生力矩， 以補(bǔ)償航天器上的殘余磁場或由小干擾力矩引起的姿態(tài)漂移， 或?qū)?dòng)量交換系統(tǒng)進(jìn)行卸載。 該產(chǎn)品在控制分系統(tǒng)級極性測試時(shí)， 將其接入系統(tǒng)后放置在試驗(yàn)臺(tái)上， 通過星載計(jì)算機(jī)向其注入磁控電流， 使用指北針確認(rèn)產(chǎn)生的磁場方向， 確認(rèn)其極性的正確性。 極性測試表格見表4。

表4 磁力矩器控制分系級極性測試表

3.3 控制分系統(tǒng)極性測試

a） 角速度偏差下的控制分系統(tǒng)極性測試

在角速度偏差下的控制分系統(tǒng)極性測試時(shí)， 輸入點(diǎn)為角速度敏感器的角速度偏差量， 輸出檢測點(diǎn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出方向。 以某衛(wèi)星使用推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行速率阻尼極性測試為例， 當(dāng)初始輸入角速度大于系統(tǒng)控制目標(biāo)值時(shí)， 推力器輸出本體系下負(fù)力矩； 反之， 當(dāng)初始輸入角速度小于控制目標(biāo)值時(shí)， 推力器輸出本體系下正力矩。 通過觀察記錄角速度偏差設(shè)置與推力器輸出對應(yīng)關(guān)系， 考核姿軌控軟件的控制極性。 極性測試表格見表5。

表5 角速度偏差下的控制分系統(tǒng)極性測試表

b） 角度偏差下的控制分系統(tǒng)極性測試

在角度偏差下的控制分系統(tǒng)極性測試時(shí)， 在各軸向上輸入正向或反向角度偏差量， 觀察并記錄對應(yīng)通道上飛輪的輸出結(jié)果。 以某衛(wèi)星使用反作用飛輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行對日定向機(jī)動(dòng)極性測試為例， 當(dāng)初始輸入角度相對于系統(tǒng)控制目標(biāo)值有正向偏差時(shí)， 反作用飛輪輸出本體系下負(fù)向力矩； 反之， 當(dāng)初始輸入角度相對于系統(tǒng)控制目標(biāo)值有負(fù)向偏差時(shí)， 反作用飛輪輸出本體系下正向力矩。 通過觀察記錄角度偏差設(shè)置與反作用飛輪輸出對應(yīng)關(guān)系， 考核姿軌控軟件的控制極性。 極性測試表格見表6。

表6 角度偏差下的控制分系統(tǒng)極性測試表

3.4 控制分系統(tǒng)整星極性測試

a） 磁強(qiáng)計(jì)整星級極性測試

磁強(qiáng)計(jì)是衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)磁力控制模式中的地磁測量敏感部件， 用于地球磁場強(qiáng)度矢量的在軌測量， 其測量結(jié)果送星載計(jì)算機(jī)， 以保證磁力矩器控制力矩的正確產(chǎn)生。 該產(chǎn)品在整星級極性測試時(shí)， 將其按照設(shè)計(jì)的位置和方向安裝在衛(wèi)星本體上， 使用磁塊N 級和S 級分別作為磁強(qiáng)計(jì)頭部的敏感對象， 通過星載計(jì)算機(jī)采集到的磁場強(qiáng)度和理論磁場強(qiáng)度的方向和大小相比， 確認(rèn)其極性的正確性。 極性測試表格見表7。

表7 磁強(qiáng)計(jì)整星級極性測試表

b） 與推進(jìn)分系統(tǒng)接口整星級極性測試

推進(jìn)分系統(tǒng)作為姿軌控分系統(tǒng)姿態(tài)、 軌道控制的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 在整星級狀態(tài)下與姿軌控分系統(tǒng)之間進(jìn)行極性測試， 確認(rèn)其與姿軌控系統(tǒng)間極性設(shè)計(jì)、 實(shí)現(xiàn)的正確性， 顯得至關(guān)重要。 以某衛(wèi)星進(jìn)行姿軌控分系統(tǒng)與推進(jìn)分系統(tǒng)整星級極性測試為例，通過姿軌控星載計(jì)算機(jī)發(fā)送指令， 控制推進(jìn)分系統(tǒng)推力器噴出一定時(shí)長的氣體， 用套在相應(yīng)推力器上的氣球有無明顯鼓起進(jìn)行測試可視化， 并同時(shí)使用多媒體工具進(jìn)行記錄。 極性測試表格見表8。

表8 與推進(jìn)分系統(tǒng)接口整星級極性測試表

3.5 控制分系統(tǒng)發(fā)射場整星極性測試

a） 安裝極性測試

衛(wèi)星在發(fā)射場的控制系統(tǒng)極性測試為最后一次極性測試， 因此主要測試項(xiàng)目為對經(jīng)過單獨(dú)拆裝運(yùn)輸?shù)膯螜C(jī)進(jìn)行極性測試， 測試方法一般同控制系統(tǒng)整星級測試。 產(chǎn)品在重新裝星后進(jìn)行電測試之前， 會(huì)首先確認(rèn)各單機(jī)在整星坐標(biāo)系中的安裝極性與規(guī)定要求的一致、 正確， 并使用多媒體進(jìn)行記錄。 安裝確認(rèn)表格示例見表9。

表9 星敏感器控制分系級極性安裝確認(rèn)表

b） 光路極性測試

數(shù)字式太陽敏感器是通過計(jì)算太陽光線在探測器上相對中心的位置的偏差來計(jì)算太陽光角度的敏感器， 因?yàn)楫a(chǎn)品進(jìn)行了長距離的運(yùn)輸， 在發(fā)射場還需測試產(chǎn)品光路的極性。 將其按照設(shè)計(jì)位置和方向接入衛(wèi)星本體上后， 使用強(qiáng)光太陽燈照射數(shù)字式太陽敏感器， 通過星載計(jì)算機(jī)采集到的光斑坐標(biāo)與已知判據(jù)相比， 確認(rèn)其極性的正確性。 極性測試表格見表10。

表10 數(shù)字式太陽敏感器發(fā)射場極性測試表

綜上所述， 某型號使用宇航團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn) 《衛(wèi)星控制分系統(tǒng)極性測試要求》 中規(guī)定的控制分系統(tǒng)測試的流程和方法， 在控制分系統(tǒng)研制過程中通過逐步極性測試， 避免了系統(tǒng)測試中可能出現(xiàn)的極性錯(cuò)誤、 極性負(fù)負(fù)得正的情況， 充分考核驗(yàn)證了控制分系統(tǒng)研制流程中各層級極性的正確性。

4 結(jié)論

控制分系統(tǒng)對測量部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等單機(jī)的極性、 安裝方位、 計(jì)算使用方法都有一定的要求。 在單機(jī)研制至發(fā)射場工作的整個(gè)控制分系統(tǒng)研制過程中， 唯有對控制分系統(tǒng)進(jìn)行極性測試及確認(rèn)， 保證控制分系統(tǒng)極性的正確性， 才能保證衛(wèi)星在軌發(fā)射后控制分系統(tǒng)的正常工作， 避免系統(tǒng)失控導(dǎo)致任務(wù)的失敗。 本文對衛(wèi)星控制分系統(tǒng)極性測試按照研制流程進(jìn)行了測試階段和項(xiàng)目分解， 并通過在某衛(wèi)星研制過程中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用， 列舉了每階段個(gè)別單機(jī)極性測試內(nèi)容和方法， 充分驗(yàn)證了控制分系統(tǒng)在單機(jī)、 分系統(tǒng)、 整星、 發(fā)射場層面極性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一致性、 正確性， 確保了控制分系統(tǒng)極性的正確性， 對整星任務(wù)成功提供有力支撐， 也驗(yàn)證了本文對控制分系統(tǒng)極性測試各階段任務(wù)分解的可行性和正確性， 可進(jìn)一步在其他衛(wèi)星型號研制過程的控制分系統(tǒng)極性測試中應(yīng)用推廣。