馬利 袁莉芳 王璐 張蕓香 張旭 李懿

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

導航衛(wèi)星在軌運行分析與管理

馬利 袁莉芳 王璐 張蕓香 張旭 李懿

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

為加強導航衛(wèi)星在軌管理,提高在軌處置效率,提升星座服務整體性能,在充分總結導航星座在軌三方協(xié)同管理經驗的基礎上,創(chuàng)新性地開展了星座在軌分級管理工作實踐。通過在軌組織分級管理、異常問題分級處置、遙測參數分級監(jiān)視、支持系統(tǒng)分類管控等管理實踐,對星座衛(wèi)星星上產品特性及趨勢分析進行周期性評估、關注衛(wèi)星長期穩(wěn)定運行健康狀況、持續(xù)開展衛(wèi)星使用策略優(yōu)化,有效保證星上狀態(tài)可控,最大程度提高衛(wèi)星在軌處置能力。通過在軌分級管理實踐,提高了異常處置效率,確保判讀全面、處置準確,實現了在軌管理的模式化、專業(yè)化運行,對星座系統(tǒng)在軌管理工作具有重要的參考價值。

星座;在軌管理;分級管理;異常處置

1 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后,第三個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2012年12月27日,北斗二號區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供服務[1]。

導航系統(tǒng)需要全天候24小時不間斷地提供導航服務,隨著衛(wèi)星在軌運行時間的不斷增長,導航衛(wèi)星部分設備出現故障或工作異常的概率將逐漸增大,某些衛(wèi)星故障不可避免地會導致衛(wèi)星服務中斷,影響導航星座系統(tǒng)完好性、連續(xù)性和可用性等核心指標[2]。因此,加強導航星座的在軌管理,及時發(fā)現并快速解決出現的問題,減少單星不可用時間,提高星座整體服務性能成為導航系統(tǒng)建設的一項重要工作[3]。

通過幾十年的發(fā)展,GPS系統(tǒng)的建設已經比較成熟,而且根據需求還在不斷地升級完善,在這個過程中形成了星座在軌管理的模式,并積累了豐富的經驗。而我國北斗導航系統(tǒng)的建設還不夠完善,同時也缺乏大型星座的在軌管理經驗,在軌地面支持手段薄弱,“地面強星”的能力需要持續(xù)提升。

本文在挖掘導航衛(wèi)星在軌運行規(guī)律的基礎上,不斷總結經驗、固化成果,優(yōu)化在軌異常處置流程。通過在軌組織分級管理、異常問題分級處置、遙測參數分級監(jiān)視、監(jiān)控報告分級評估、支持系統(tǒng)分類管控等分級管理實踐,對導航衛(wèi)星星上產品特性及趨勢分析進行周期性評估、關注衛(wèi)星長期穩(wěn)定運行的健康狀況、持續(xù)開展衛(wèi)星使用策略優(yōu)化,有效保證星上狀態(tài)可控,最大程度提高衛(wèi)星在軌處置能力,減少單星不可用時間,提升導航星座整體服務性能,開創(chuàng)我國大型星座運行管理的新模式。

2 導航衛(wèi)星在軌分級管理實踐

2.1 在軌分級組織管理

導航星座單星的可用性直接影響到星座的服務性能。衛(wèi)星發(fā)射入網后,如何提高單星可用性,除了必要的技術支持外,落實管理職責、縮短管理鏈條成為減少衛(wèi)星不可用時間的一個重要方面。

按照工程大總體關于導航星座穩(wěn)定運行職責分工,導航衛(wèi)星在軌異常處置由衛(wèi)星方、運控方、測控方協(xié)同完成,簡稱“三方聯?！薄Ｔ谲壒芾淼慕M織機構見圖1。導航衛(wèi)星在軌管理項目辦公室根據“三方聯?！钡奶攸c,實施分級組織管理。

(1)與大系統(tǒng)之間。通過與運控和測控方反復溝通協(xié)調,促成三方共同編制并簽署了導航衛(wèi)星運行管理三方協(xié)調機制,并根據實際情況進行了多次優(yōu)化。該機制明確了三方的職責分工,以及在軌管理主要工作分工接口和工作流程,確保了三方協(xié)同工作的順暢開展。

(2)衛(wèi)星方內部各單位之間。以導航衛(wèi)星在軌管理項目辦公室第三層次文件的形式,對相關的在軌工作,如“單星履歷書編制”等均提出明確要求。目前已發(fā)布第三層次文件33份,覆蓋了在軌管理所有的工作內容,確保各項工作規(guī)范、有序。

2.2 在軌異常分級處置

相比單星,導航系統(tǒng)的在軌異常存在如下特點:重復輕度異常占異?？倲档?7%以上;影響用戶使用的異?；径夹枰\控方、衛(wèi)星方、測控方協(xié)同處置;異常處置的中間環(huán)節(jié)是影響衛(wèi)星處置效率的一個主要因素。為提高異常處置效率,減少異常導致的單星不可用時間,從兩個方面實施了分級管理。

2.2.1 按處置等級進行在軌異常分類

國內航天器目前一般依據《航天器在軌故障等級規(guī)定》進行在軌異常分類。此標準中,在軌故障的分類原則包括:①故障所在航天器系統(tǒng)的層次;②故障的可修復性;③故障對飛行任務成功的影響程度。上述故障分類方法均未考慮異常處置對單星安全性、可用性的影響,以及導航星座服務24小時不間斷的需求。為此,導航衛(wèi)星首先提出并實施了按“處置等級”進行異常分類的方法。即,綜合考慮異常對衛(wèi)星安全及服務性能的影響,異常處置的風險等因素,最大限度地減少異常處置的中間環(huán)節(jié),提高處置效率。故障等級定義如下:

(1)1級故障:由衛(wèi)星各分系統(tǒng)研制單位提前給測控方“異常處置授權傳真”,測控方通過工程遙測發(fā)現故障后緊急處置,之后通知衛(wèi)星方。該類異常包括影響衛(wèi)星安全的緊急異常;影響單星可用性的重復異常,如載荷某單機的狀態(tài)跳變異常;重復發(fā)生且處置無風險的輕度異常,如衛(wèi)星平臺某單機的狀態(tài)位跳變異常。目前,已經授權測控方直接處置的在軌異常9類,約占異?？倲档?%。

(2)2級故障:提前將簽署好的指令單存放于運管中心。運管中心發(fā)現或運控系統(tǒng)通報運管中心故障后,判斷故障,并直接將對應的處置指令單傳真發(fā)給測控方處置,之后通知設計師。這類異常主要是只能由運控系統(tǒng)通過業(yè)務數據發(fā)現的載荷重復、輕度異常。該類異常約占異?？倲档?3%。

(3)3級故障:由運管中心提前準備好指令單,發(fā)現異常后先通知設計師確認故障,并經設計師確認后,將對應的指令單傳真發(fā)給測控方處置。該類異常包括處置程序較為復雜,發(fā)生概率較低,存在一定處置風險的異常。該類異常約占異?？倲档?%。

(4)4級故障為:除處置等級為1、2、3級故障以外的其它故障。該類異常一般為新增的非緊急異常,占異?？倲档?%以內。

2.2.2 按異常分類進行處置流程

上述四類故障中處置流程如圖2所示。

(1)1級故障由測控方通過地面軟件自動處置,無中間環(huán)節(jié)。

(2)2級故障異?，F象較復雜,需要運控方發(fā)現后,由衛(wèi)星方判斷并確認異常,并給測控方發(fā)送傳真,再由測控方發(fā)令處置。這類異常發(fā)生概率較高,且部分異常影響單星可用性,之前衛(wèi)星方每次的處置時間都在30分鐘以上。為了盡可能提高該類異常的處置效率,通過對所有的異?，F象進行分類總結,形成載荷異常處置表格。運控方發(fā)現異常后,直接在對應的現象后打“√”,運管中心可直接將對應的指令單傳真發(fā)給測控方應急發(fā)令處置,實現了表格化異常處理。采取該措施后,衛(wèi)星方處置該類故障時間明顯縮短。

(3)3級故障發(fā)生的概率較低,處置具有一定風險。相比1,2級故障,需要設計師提前確認后,方可進行處置,避免了處置風險。

(4)4級故障發(fā)生的概率極低。該類異?，F象可能與“故障預想與對策”報告中預想的故障現象不完全一致,需現場制定處置策略。為確保異常處置及時、有效。制定了圖2所示的處置流程。該流程詳細規(guī)定了異常發(fā)現、異常上報、異常處置、異常閉環(huán)等各個環(huán)節(jié)的具體要求。實踐表明,該流程可確保新增異常處置有序,風險可控。

2.3 遙測參數分級管理

導航衛(wèi)星每顆星有上千個遙測參數,整個星座運行將有上萬個參數。為確保關鍵遙測參數不漏判、誤判。在管理上從以下三個方面實施了遙測參數分級管理。

1)遙測參數分級

按照核心、重要、一般三個等級對所有遙測參數進行分類。明確各參數的判讀方法,對于需要根據不同條件進行判讀的參數,同時對判讀條件和參數正常值范圍進行量化。并形成規(guī)范“遙測參數重要性等級及判讀方法”。

2)分級監(jiān)視判讀

通過如下3條措施,確保了在參數判讀全面性的基礎上,加強對核心、重要參數的監(jiān)視,進行趨勢分析和壽命預測,對可能出現的異常情況提前進行預報,并采取可能的規(guī)避措施:①所有參數按3級報警門限錄入自動監(jiān)視判讀系統(tǒng),進行24小時連續(xù)判讀;②重要參數每個月進行一次趨勢判讀分析;③核心參數每天進行趨勢判讀分析。

3)分級參數分析

為規(guī)避單一參數判讀可能導致誤判或漏判,建立并逐漸完善專家知識庫,從多個層面提高判讀能力:①單個參數的歷史變化趨勢與同類星參數變化趨勢的對比分析;②關聯參數的變化趨勢分析;③參數變化與空間環(huán)境的關聯分析。

2.4 星座衛(wèi)星分級健康評估

為準確把握導航星座在軌狀態(tài),及時采取有效的措施,在如下層面實施了星座衛(wèi)星的分級健康評估。

(1)關注在軌狀態(tài)實時監(jiān)控的周報分級評估。根據在軌衛(wèi)星的工作狀態(tài),衛(wèi)星各分系統(tǒng)對重點項目進行分析,衛(wèi)星在軌管理主任設計師負責編制,并分級編寫。

(2)關注星座性能的月健康評估。每月對在軌衛(wèi)星的異常及健康狀態(tài)進行統(tǒng)計分析,評估異常對單星可用性、連續(xù)性等系統(tǒng)性能的影響。

(3)關注產品特性及趨勢分析的半年健康評估;每半年對衛(wèi)星的全面健康狀況進行診斷,對整個半年的健康趨勢進行分析,并完成健康評估報告。

(4)每年更新一次衛(wèi)星在軌狀態(tài)報告和故障預案。每年根據衛(wèi)星在軌表現進行一年評估,對在軌處理方法進行補充,完善在軌故障預案;

(5)每一期的健康評估都對上一期的問題及措施落實情況進行復查確認,確保每個在軌現象或在軌異常閉環(huán),實現指針式在軌管理。

2.5 在軌技術支持系統(tǒng)分步建設

為加強運控、測控、衛(wèi)星三方之間的信息溝通和協(xié)調,提升衛(wèi)星系統(tǒng)對星座在軌運行管理的技術支持能力,強化系統(tǒng)穩(wěn)定性保障手段,確保星座長期穩(wěn)定運行,創(chuàng)新性提出導航星座衛(wèi)星在軌技術支持系統(tǒng)建設。

該系統(tǒng)采取“邊建設邊優(yōu)化”的思路,即在系統(tǒng)建設過程中,為確保系統(tǒng)的實用性,每建完一個模塊即投入試運行,對不實用的部分進行優(yōu)化完善。逐步建成了一個完善實用的高效在軌支持系統(tǒng)。系統(tǒng)由管理與監(jiān)控、信息交互、信號監(jiān)測、故障診斷、故障及對策驗證、健康評估與維護共6個子系統(tǒng)構成,每個子系統(tǒng)都針對不同的在軌業(yè)務,分別處理、分類管控。各子系統(tǒng)各具不同的功能,又彼此關聯,通過接口信息交互,數據共用。此系統(tǒng)的建設,實現了自動讀取在軌數據庫、實時提供控制預報、分析、計算類在軌維護策略,提升了在軌維護效率,提高了維護策略的準確性。衛(wèi)星在軌信息實時獲取,在軌維護策略實時更新,全面提升在軌決策自動化程度,確保了導航星座的長期穩(wěn)定運行。

3 取得的成果

針對導航衛(wèi)星星座管理經驗缺乏、地面支持能力有限的情況,面對在軌管理復雜、情況多變的難題,導航衛(wèi)星在軌管理項目辦公室創(chuàng)新性地提出了導航衛(wèi)星在軌分級管理方法,并積累了大量的實踐經驗,取得了一系列成果,力爭把在軌管理工作打造成“精品工程”。主要成果如下:

(1)建立制度,明確責任,有力推進“三方聯保”機制。

探索并逐步建立了一系列在軌管理的工作制度,編制了一系列共9本在軌管理工作手冊,形成了整套完善的在軌管理技術文件體系,首次實現星座衛(wèi)星的表格化管理。

根據在軌組織分級管理的要求,衛(wèi)星方站在總體高度,積極主動與運控方、測控方協(xié)調外部接口,明確用戶的需求,理清關系,明確責任,明晰接口,三方共同簽署了衛(wèi)星長期運行管理協(xié)議。該協(xié)議的簽訂,有力推進了導航衛(wèi)星“三方聯?！睓C制的有效運行,確保了北斗導航衛(wèi)星在軌管理工作順利開展,也為后續(xù)北斗三號衛(wèi)星在軌管理工作提供了經驗。

(2)優(yōu)化流程,提高效率,有效縮短在軌處理故障時間。

基于多個維度對導航衛(wèi)星5年來的在軌異常規(guī)律大數據分析評估結果,提出的異常問題分級處置管理方法以及對在軌故障處理的流程,最大程度地減少了重復異常處置的中間環(huán)節(jié),大幅提升了工作效率。在軌處理故障時間由最初的30多分鐘縮短至10分鐘以內,有效地減少了衛(wèi)星不可用時間,為在軌故障及時處理、星座穩(wěn)定運行提供了有力的保障。

(3)建立系統(tǒng),打通鏈路,全力確保星座長期穩(wěn)定運行。

在軌支持系統(tǒng)的建立,打通了運控、測控和衛(wèi)星三方之間的數據交互鏈路,實現了三方的信息共享和多方聯動,提高了在軌衛(wèi)星故障處理和日常維護的工作效率。系統(tǒng)的建立,豐富了衛(wèi)星在軌監(jiān)測手段和數據來源,提高了在軌異常技術發(fā)現及快速診斷能力,有力保障了導航衛(wèi)星在軌運行服務,提高了衛(wèi)星在軌運行保障能力,確保了星座長期穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)的建立得到了用戶的極大好評。

該系統(tǒng)完成了57臺(套)硬件設備和47個子軟件的配套,形成設計類、測試試驗類、手冊類等相關文件共計337份。目前該系統(tǒng)已經完成8項專利的受理和9篇論文。

4 結束語

導航衛(wèi)星在軌管理是一項復雜的系統(tǒng)工程管理,與其他衛(wèi)星在軌管理不同,它強調的是星座的穩(wěn)定性,參與管理的部門較多,具有一定的難度。針對導航衛(wèi)星星座管理,探索并總結出了一套導航衛(wèi)星分級管理實踐經驗,明確了在軌管理的責任,提高了在軌管理的效率,縮短了在軌衛(wèi)星故障處理時間,強化了對在軌衛(wèi)星的狀態(tài)管控,提高了用戶滿意度。

References)

[1]范麗,張育林.區(qū)域覆蓋混合星座設計[J].航天控制,2007,25(6):52-55 Fan Li,Zhang Yulin.Regional coverage hybrid constellation design[J].Aerospace Control,2007,25(6):52-55(in Chinese)

[2]鄭恒,李海生,楊卓鵬.衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座可用性分析[J].航天控制,2011,29(3):87-97 Zheng Heng,Li Haisheng,Yang Zhuopeng.Analysis of constellation availability for satellite navigation system[J].Airspace Control,2011,29(3):87-97(in Chinese)

[3]Heng Zheng,Liming Ren.Availability analysis of satellite constellation[C]//8th International Conference on Reliability,Maintainability and Safety.Beijing:Chinese Mechanical Engineering Society,2009:245-248

Analysis and Management of On-orbit Navigation Satellite Operation

MA Li YUAN Lifang WANG Lu ZHANG Yunxiang ZHANG Xu LI Yi
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

On the basis of fully summing up the experience of a tripartite collaborative management of on-orbit navigation satellites,hierarchical management is carried out creatively,in order to strengthen the management of the navigation satellite,to improve the efficiency of on-orbit disposal and to enhance the overall performance of the constellation service.There are many hierarchical management methods,such as on-orbit organization classification management,abnormal problem classification processing,telemetry parameter hierarchical monitoring,and support system classification management control and so on.Through the hierarchical management,we can periodically evaluate the satellite product characteristics and trend analysis,focus on long-term stability of the satellite health,and continue to optimize the use of satellite strategy.And then,we can effectively ensure the state of the satellite is under control,maximize the satellite disposal capacity.Meanwhile,we can also improve the efficiency of on-orbit anomalies disposal to ensure the data is comprehensive and the disposal is correct,and we can achieve a model and professional on-orbit management.It is an important reference for the management of the constellation system.

constellation;on-orbit management;hierarchical management;anomalies disposal

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.018

2017-09-22;

2017-09-28

國家重大科技專項工程

馬利,女,高級工程師,研究方向為衛(wèi)星總體設計。Email:920953149@qq.com。

(編輯:張小琳)