王文平，袁 ，元 勇，鄭桂波，趙會(huì)光

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 總體部，北京 100094)

實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星自主安全控制策略設(shè)計(jì)

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 總體部，北京 100094)

自主運(yùn)行和健康管理是航天技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)；為確保實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星在飛行中的設(shè)備安全、整星能源安全和自主運(yùn)行需求，從衛(wèi)星系統(tǒng)層面進(jìn)行了自主安全控制設(shè)計(jì);首先，可以使衛(wèi)星在測(cè)控弧段之外出現(xiàn)地面無(wú)法反應(yīng)的故障時(shí)能夠啟動(dòng)自主安全保護(hù)模式；其次，可以使衛(wèi)星自主執(zhí)行程序化的功能，減輕地面人員的遙控?cái)?shù)據(jù)上注壓力;實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星在軌飛行中所采取的系統(tǒng)級(jí)自主安全控制策略以及工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，是對(duì)航天自主運(yùn)行和健康管理技術(shù)的有益探索和嘗試，對(duì)后續(xù)航天器的設(shè)計(jì)有很大的借鑒意義。

返回式衛(wèi)星；自主安全；控制策略；健康管理

0 引言

目前，航天器在軌運(yùn)行的健康管理主要依靠地面測(cè)控站的支持，依靠設(shè)計(jì)人員對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，在發(fā)生故障情況下，也主要依靠專家的決策。然而，由于我國(guó)的地域限制，地面站不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的全程跟蹤，在不可控弧段發(fā)生故障，將無(wú)法采取糾正措施；即使在可控時(shí)段，單靠地面采取補(bǔ)救措施，其有效性和實(shí)時(shí)性都相當(dāng)有限，可能錯(cuò)過(guò)了最佳的處理時(shí)機(jī)而導(dǎo)致航天器失敗。這就對(duì)航天器提出了更高的星上自主性要求，即要求航天器具有不依賴地面支持的自主進(jìn)行管理的能力，這是提高航天器生存能力的需要，也是維護(hù)國(guó)家安全的需要。我國(guó)航天器的設(shè)計(jì)也在朝著不斷增強(qiáng)星上自主能力、減少地面人工遙控干預(yù)的方向發(fā)展。

相比當(dāng)前國(guó)內(nèi)航天器發(fā)展現(xiàn)狀，實(shí)踐十號(hào)(SJ-10)衛(wèi)星在星上自主性方面進(jìn)行了多個(gè)功能的設(shè)計(jì)，為我國(guó)航天器的發(fā)展做出有益嘗試和實(shí)踐。SJ-10衛(wèi)星是我國(guó)空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)“十二五”立項(xiàng)研制、專門用于微重力和空間生命科學(xué)研究。SJ-10衛(wèi)星是一個(gè)短期在軌飛行的低軌航天器。與其他衛(wèi)星擁有少數(shù)載荷相比，SJ-10衛(wèi)星一共攜帶有19項(xiàng)載荷，在軌飛行過(guò)程中載荷實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)序安排非常緊張，衛(wèi)星過(guò)境監(jiān)視時(shí)間較短，遙控上注數(shù)據(jù)量較大，能源消耗量較大；返回過(guò)程中需要對(duì)著陸點(diǎn)進(jìn)行精確控制。如何確保衛(wèi)星在軌飛行期間平臺(tái)的安全，確保載荷實(shí)驗(yàn)有序進(jìn)行，確保衛(wèi)星返回過(guò)程一次性圓滿成功是SJ-10衛(wèi)星飛行任務(wù)成敗的關(guān)鍵。因此，SJ-10衛(wèi)星在各分系統(tǒng)自主安全控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)返回式衛(wèi)星的關(guān)鍵特性，設(shè)計(jì)了整星系統(tǒng)級(jí)的自主安全控制策略，具體包括：蓄電池放電電量自主計(jì)算、載荷自主安全監(jiān)控、過(guò)境測(cè)控區(qū)域自主管理、微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄、熱控自主控溫功能。

1 自主安全控制

航天器系統(tǒng)級(jí)自主安全控制策略設(shè)計(jì)的一般思路是根據(jù)航天器實(shí)際任務(wù)需求和系統(tǒng)特點(diǎn)，建立系統(tǒng)級(jí)的自主安全控制模式，通過(guò)在星載中心計(jì)算機(jī)的軟件中實(shí)施控制策略進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)際飛行過(guò)程中的遙測(cè)參數(shù)作為輸入，當(dāng)飛行中出現(xiàn)符合安全控制預(yù)案中的觸發(fā)條件時(shí)，則星載軟件自動(dòng)啟動(dòng)安全控制程序，并調(diào)度相應(yīng)的智能終端進(jìn)行執(zhí)行。

1.1 蓄電池放電電量自主計(jì)算

目前，遙感、通信、導(dǎo)航和深空等各領(lǐng)域的航天器，所使用的電源分系統(tǒng)主要是太陽(yáng)電池陣/蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng)。而對(duì)于返回式衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，由于飛行任務(wù)周期很短，不采取太陽(yáng)翼及太陽(yáng)電池陣的方案設(shè)計(jì)，只將貯備電池作為一次性使用的蓄電池[1]。因此，衛(wèi)星在軌飛行壽命完全取決于蓄電池的剩余電量。

自從蓄電池發(fā)明以來(lái)，人們就一直在研究有效實(shí)用的蓄電池剩余電量監(jiān)測(cè)方法。但由于蓄電池本身原理的復(fù)雜性，對(duì)蓄電池剩余電量的監(jiān)測(cè)一直是一個(gè)難題，到現(xiàn)在都沒(méi)有被很好的解決。蓄電池剩余電量的監(jiān)測(cè)一般通過(guò)蓄電池的外部電特性(電池電壓U、電流I、內(nèi)阻R和電池溫度T等參數(shù))的測(cè)量來(lái)間接實(shí)現(xiàn)，但剩余電量的大小與上面這些參數(shù)的關(guān)系會(huì)隨著電池老化而變化。對(duì)于航天器蓄電池在軌運(yùn)行過(guò)程中，還會(huì)有很多因素影響蓄電池的電特性，進(jìn)而會(huì)影響到剩余電量大小的估計(jì)，所以剩余電量或電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題[2]。

返回式衛(wèi)星蓄電池放電電量自主計(jì)算主要是為了解決：

1)衛(wèi)星剩余壽命預(yù)測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題，而實(shí)際上返回式衛(wèi)星的在軌剩余壽命完全取決于蓄電池剩余電量(蓄電池出廠額定容量-蓄電池放電電量)；

2) 根據(jù)星上蓄電池放電電量的實(shí)時(shí)自主計(jì)算結(jié)果，地面飛行控制人員隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整各有效載荷的在軌實(shí)驗(yàn)時(shí)序，優(yōu)先安排重要關(guān)鍵的載荷開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，確保本次衛(wèi)星的核心實(shí)驗(yàn)任務(wù)能夠圓滿完成，并在蓄電池剩余電量仍然有足夠余量的情況下，盡可能開(kāi)展更多的拓展實(shí)驗(yàn)。

SJ-10衛(wèi)星蓄電池在軌運(yùn)行期間，可以測(cè)量的遙測(cè)參數(shù)只有電壓和電流，最簡(jiǎn)單有效的剩余電量計(jì)算方法是安時(shí)積分法。安時(shí)積分法通過(guò)累積電池在充電或放電時(shí)的電量來(lái)估計(jì)電池的SOC。安時(shí)積分法預(yù)測(cè)SOC比較簡(jiǎn)單，已商品化的電動(dòng)汽車上大多采用這種方法。安時(shí)積分法基于的原理比較簡(jiǎn)單，它把蓄電池看成一個(gè)黑箱系統(tǒng)，不關(guān)注蓄電池內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)變化，而只關(guān)心進(jìn)出蓄電池的電量，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄這個(gè)物理量，進(jìn)入的電量為正，放出的電量為負(fù)，以累加的方法求出某一個(gè)時(shí)刻蓄電池的放電量。

由于蓄電池的放電量一般表示為放電電流與放電時(shí)間的乘積，且放電電流一般是變化的，所以安時(shí)積分法在具體實(shí)施時(shí)是以放電電流對(duì)時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算某一個(gè)時(shí)刻蓄電池的電量[3-4]，即：

式中，Soc(t)為t時(shí)刻的蓄電池容量，即剩余電量；Soc(t0)為蓄電池放電前的剩余電量，電池完全充滿的狀態(tài)為100%；η為電池放電效率；i(t)為電池工作時(shí)放電電流的瞬時(shí)值；Q為蓄電池的額定容量。

SJ-10衛(wèi)星電源分系統(tǒng)為星上各分系統(tǒng)提供一次電源，由12塊鋰電池提供，一次電源通過(guò)兩組母線進(jìn)行供電：第一組母線電源，由4塊鋰電池并聯(lián)而成，為控制、數(shù)管、測(cè)控提供一次電源，放電前的剩余電量為Soc1，電池放電效率為η1，額定容量為Q1；第二組母線電源，由8塊鋰電池并聯(lián)而成，為熱控、載荷分系統(tǒng)提供一次電源，放電前的剩余電量為Soc2，電池放電效率為η2，額定容量為Q2。SJ-10衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，可以測(cè)得的遙測(cè)參數(shù)為：第一組母線控制分系統(tǒng)電流IK，數(shù)管分系統(tǒng)電流IS，測(cè)控分系統(tǒng)電流IC；第二組母線熱控分系統(tǒng)電流IR，載荷分系統(tǒng)電流IZ。

因此，第一組母線電源電池剩余電量為：

第二組母線電源電池剩余電量為：

星載數(shù)管軟件在計(jì)算電池放電電量時(shí)，同時(shí)需要判斷對(duì)應(yīng)分系統(tǒng)是否處于加電狀態(tài)，如處于斷電狀態(tài)，此分系統(tǒng)本次電量計(jì)算值為0。

1)當(dāng)?shù)谝唤M電池每次計(jì)算放電電量時(shí)，由于數(shù)管、測(cè)控分系統(tǒng)處于長(zhǎng)期加電狀態(tài)，衛(wèi)星加電后一直處于工作狀態(tài)，這兩個(gè)分系統(tǒng)工作狀態(tài)不需要判斷；因此只需要判斷控制分系統(tǒng)加斷電狀態(tài)。

2)當(dāng)?shù)诙M電池每次計(jì)算放電電量時(shí)，分別需要根據(jù)熱控、載荷分系統(tǒng)加斷電狀態(tài)來(lái)進(jìn)行本次電量計(jì)算。

星載數(shù)管軟件在計(jì)算電池放電量時(shí)，需要對(duì)遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行自主判斷，當(dāng)遙測(cè)采集失敗，即參與電量計(jì)算的遙測(cè)數(shù)據(jù)均為無(wú)效數(shù)據(jù)時(shí)，則本次電量計(jì)算結(jié)果值為0。

1.2 載荷自主安全監(jiān)控策略

由于SJ-10衛(wèi)星有效載荷單機(jī)設(shè)備功率較大，耗電較多，如果出現(xiàn)持續(xù)大電流導(dǎo)致超過(guò)正常工作時(shí)間范圍的故障，會(huì)對(duì)整星電源帶來(lái)極大的安全隱患。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，SJ-10衛(wèi)星在整星系統(tǒng)級(jí)和載荷分系統(tǒng)級(jí)兩級(jí)分別設(shè)置了自主電流監(jiān)控策略，確保載荷分系統(tǒng)的部分單機(jī)出現(xiàn)耗電異常時(shí)，使整星處于能源安全可控狀態(tài)。

1.2.1 分系統(tǒng)級(jí)自主電流監(jiān)控策略

有效載荷根據(jù)分系統(tǒng)內(nèi)部單機(jī)不同情況，分別由回收艙載荷管理器軟件和密封艙載荷管理器軟件對(duì)耗電量較大的載荷單機(jī)實(shí)施自主電流監(jiān)控。具體策略如下：

1)回收艙載荷電流監(jiān)控：回收艙載荷管理器軟件每5秒記錄一次“回收艙綜合電控箱電流遙測(cè)”(包括回收艙綜合電控箱、多功能爐、基因輻射盒、骨髓培養(yǎng)箱)，如果1分鐘內(nèi)累計(jì)超過(guò)9安培的次數(shù)大于10次，則認(rèn)為回收艙綜合電控箱設(shè)備是以大電流在工作。在回收艙載荷電流軟件監(jiān)控功能允許時(shí)，當(dāng)監(jiān)控到以大電流連續(xù)工作4小時(shí)后，則軟件自動(dòng)連續(xù)發(fā)送3次“多功能爐關(guān)機(jī)指令”，并設(shè)置回收艙載荷電流軟件監(jiān)控功能為禁止?fàn)顟B(tài)。

2)密封艙載荷電流監(jiān)控：密封艙載荷管理器軟件每5秒記錄一次“密封艙綜合電控箱電流遙測(cè)”(包括密封艙綜合電控箱、煤燃燒箱、導(dǎo)線特性箱、膠體材料箱、蒸發(fā)對(duì)流箱)，如果1分鐘內(nèi)累計(jì)超過(guò)8安培的次數(shù)大于10次，則認(rèn)為密封艙綜合電控箱設(shè)備是以大電流工作。在密封艙綜合電控箱電流軟件監(jiān)控功能允許時(shí)，當(dāng)監(jiān)控到以大電流連續(xù)工作3小時(shí)后，則軟件自動(dòng)連續(xù)發(fā)送3次“煤燃燒箱和導(dǎo)線特性箱關(guān)機(jī)指令”，并設(shè)置密封艙綜合電控箱電流軟件監(jiān)控功能為禁止?fàn)顟B(tài)。

密封艙載荷管理器軟件每5秒記錄一次“非金屬燃燒箱和顆粒物質(zhì)箱電流遙測(cè)”，如果1分鐘內(nèi)累計(jì)超過(guò)8安培的次數(shù)大于10次，則認(rèn)為非金屬燃燒箱設(shè)備和顆粒物質(zhì)箱設(shè)備是以大電流工作。在非金屬燃燒箱和顆粒物質(zhì)箱電流軟件監(jiān)控功能允許時(shí)，當(dāng)監(jiān)控到以大電流連續(xù)工作3小時(shí)后，則軟件自動(dòng)連續(xù)發(fā)送3次“非金屬燃燒箱關(guān)機(jī)指令”，并設(shè)置非金屬燃燒箱和顆粒物質(zhì)箱電流軟件監(jiān)控功能為禁止?fàn)顟B(tài)。

1.2.2 整星級(jí)自主電流監(jiān)控策略

整星根據(jù)載荷分系統(tǒng)耗電情況，在星載數(shù)管軟件中實(shí)施了載荷自主關(guān)機(jī)控制策略，具體如下：

SJ-10衛(wèi)星在軌飛行過(guò)程中，數(shù)管軟件中的載荷自主關(guān)機(jī)控制功能處于使能狀態(tài)，數(shù)管軟件以500毫秒為周期判斷“載荷分系統(tǒng)電流”遙測(cè)參數(shù)，如果載荷分系統(tǒng)連續(xù)4小時(shí)耗電量超過(guò)閾值100安時(shí)，則認(rèn)為載荷分系統(tǒng)用電異常，需要載荷設(shè)備關(guān)機(jī)；數(shù)管分系統(tǒng)通過(guò)給密封艙載荷管理器和回收艙載荷管理器分別發(fā)送“密封艙載荷應(yīng)急模式指令”和“回收艙載荷應(yīng)急模式指令”，通知載荷管理器對(duì)相關(guān)載荷設(shè)備進(jìn)行斷電。當(dāng)數(shù)管發(fā)送指令后，軟件自動(dòng)進(jìn)入載荷安全關(guān)機(jī)功能禁止?fàn)顟B(tài)，相關(guān)參數(shù)恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)。有效載荷自主電量監(jiān)控策略流程見(jiàn)圖1所示。

數(shù)管軟件每次自主計(jì)算載荷耗電量時(shí)，如果判斷出遙測(cè)參數(shù)采集失敗時(shí)，即參與載荷電量計(jì)算的遙測(cè)數(shù)據(jù)均為無(wú)效數(shù)據(jù)時(shí)，則本次載荷安全關(guān)機(jī)電量計(jì)算結(jié)果值為0。

圖1 有效載荷自主電量監(jiān)控

1.3 過(guò)境測(cè)控區(qū)域自主管理

對(duì)于SJ-10返回式科學(xué)衛(wèi)星，由于飛行任務(wù)周期很短，無(wú)太陽(yáng)翼及太陽(yáng)電池陣，在軌飛行壽命完全取決于蓄電池剩余電量，為了節(jié)約整星能源，設(shè)計(jì)了過(guò)境測(cè)控區(qū)域自主管理策略：

SJ-10衛(wèi)星在近地軌道圍繞地球飛行，星載數(shù)管軟件實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前星下點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)值，以1次/秒為周期自主判斷衛(wèi)星是否已進(jìn)入預(yù)先設(shè)定好的地面測(cè)控范圍內(nèi)：當(dāng)衛(wèi)星飛入與地面測(cè)控范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)管軟件自主打開(kāi)相應(yīng)的應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)，進(jìn)行衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的下傳；當(dāng)衛(wèi)星飛出地面測(cè)控范圍時(shí)，數(shù)管軟件自主關(guān)閉相應(yīng)的應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)，停止進(jìn)行衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的下傳。測(cè)控區(qū)域自主管理及指令發(fā)送見(jiàn)圖2和表1所示。

由于SJ-10衛(wèi)星通過(guò)境內(nèi)測(cè)控區(qū)域的時(shí)間很短，可監(jiān)視的范圍較小，絕大多數(shù)時(shí)間都在境外自主飛行。因此，通過(guò)對(duì)SJ-10衛(wèi)星的測(cè)控區(qū)域進(jìn)行星上自主管理，可以使應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)平均能耗降低85%左右，有效節(jié)約了整星能源。

1.4 微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄

SJ-10衛(wèi)星是專門為“微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)”實(shí)驗(yàn)研究量身定做。SJ-10衛(wèi)星正是利用其在太空飛行時(shí)所營(yíng)造的微重力環(huán)境，揭示被地球表面重力所掩蓋的“秘密”[5]。SJ-10衛(wèi)星發(fā)射升空，相當(dāng)于我國(guó)科學(xué)家將實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在太空微重力環(huán)境下建立“太空實(shí)驗(yàn)室”。SJ-10衛(wèi)星在軌飛行過(guò)程中，能否對(duì)微重力數(shù)據(jù)高效得獲取就顯得尤為重要。

圖2 測(cè)控區(qū)域自主管理

SJ-10衛(wèi)星由工程測(cè)量分系統(tǒng)的微重力傳感器完成微重力數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)獲取，而微重力數(shù)據(jù)的采集周期和存儲(chǔ)控制則是由數(shù)管分系統(tǒng)來(lái)完成。因此，為了確保衛(wèi)星在軌飛行過(guò)程中，在有限的數(shù)管存儲(chǔ)容量下，實(shí)現(xiàn)對(duì)微重力數(shù)據(jù)的最大化采集，SJ-10衛(wèi)星在星載數(shù)管軟件中設(shè)計(jì)了微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能，具體策略如下：

數(shù)管軟件中的微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄模式以“輪/90分鐘”為一個(gè)記錄周期，當(dāng)前1輪記錄結(jié)束2分鐘后開(kāi)始下1輪記錄；每輪包含14個(gè)記錄時(shí)段，其中第1個(gè)記錄時(shí)段時(shí)長(zhǎng)為10分鐘，其余13個(gè)記錄時(shí)段時(shí)長(zhǎng)均為1分鐘，前1個(gè)記錄時(shí)段結(jié)束5分鐘后開(kāi)始下1個(gè)記錄時(shí)段。圖3所示為微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄周期。

地面可以通過(guò)上注數(shù)管內(nèi)務(wù)指令來(lái)啟動(dòng)或者停止微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能。數(shù)管軟件內(nèi)部將“微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄狀態(tài)”作為重要數(shù)據(jù)保存，該參數(shù)初始狀態(tài)為“停止”。當(dāng)從“停止”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“啟動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，數(shù)管軟件重新開(kāi)始新一輪的自主循環(huán)記錄過(guò)程。

當(dāng)數(shù)管軟件收到地面上注的“回收艙直采模式開(kāi)啟”指令時(shí)，將微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能中的自主指令發(fā)送功能進(jìn)行禁止。當(dāng)數(shù)管軟件收到地面上注的“回收艙直采模式關(guān)閉”指令時(shí)，將微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能中的自主指令發(fā)送功能進(jìn)行使能。數(shù)管軟件將“自主指令發(fā)送使能禁止?fàn)顟B(tài)”作為重要數(shù)據(jù)保存，該參數(shù)初始值設(shè)置為“禁止”。圖4為微重力自主循環(huán)記錄控制流程圖。

1)當(dāng)?shù)孛嫱ㄟ^(guò)上注內(nèi)務(wù)指令啟動(dòng)了微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能后，數(shù)管軟件從第一個(gè)記錄時(shí)段開(kāi)始進(jìn)行判斷：

(1)當(dāng)軟件處于微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能使能狀態(tài)時(shí)，自主發(fā)送指令“回收艙直采模式開(kāi)啟”和“回收艙直采模式關(guān)閉”。

表1 過(guò)境測(cè)控區(qū)域自主指令控制

圖3 微重力數(shù)據(jù)循環(huán)記錄周期

(2)當(dāng)軟件處于微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能禁止?fàn)顟B(tài)時(shí)，禁止自主發(fā)送指令回收艙直采模式開(kāi)啟”和“回收艙直采模式關(guān)閉”。

(3)在自主控制時(shí)，每次記錄開(kāi)始時(shí)，軟件發(fā)送“回收艙直采模式開(kāi)啟”；每次記錄結(jié)束時(shí)，發(fā)送“回收艙直采模式關(guān)閉”。

圖4 微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄控制

(4)在自主控制時(shí)，數(shù)管軟件發(fā)送“回收艙直采模式開(kāi)啟”指令和“回收艙直采模式關(guān)閉”指令，不影響自主指令發(fā)送使能禁止?fàn)顟B(tài)。

(5)當(dāng)數(shù)管軟件自主發(fā)送指令“回收艙直采模式開(kāi)啟”和“回收艙直采模式關(guān)閉”時(shí)，通過(guò)遙測(cè)下傳“微重力自主指令發(fā)送計(jì)數(shù)”計(jì)數(shù)。

2)當(dāng)?shù)孛嫱ㄟ^(guò)上注內(nèi)務(wù)指令停止了微重力數(shù)據(jù)自主循環(huán)記錄功能后，數(shù)管軟件停止進(jìn)行記錄時(shí)段的判斷，禁止自主發(fā)送指令“回收艙直采模式開(kāi)啟”和“回收艙直采模式關(guān)閉”。

1.5 熱控自主控溫

SJ-10衛(wèi)星研制過(guò)程中，要解決多個(gè)載荷實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在太空協(xié)同工作且互不影響的問(wèn)題。特別是載荷生命科學(xué)項(xiàng)目對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全過(guò)程的溫度要求精確控制。因此SJ-10衛(wèi)星設(shè)計(jì)了熱控自主控溫功能：數(shù)管分系統(tǒng)對(duì)返回艙內(nèi)的主動(dòng)控溫回路進(jìn)行自主閉環(huán)控制，根據(jù)熱敏電阻的溫度數(shù)據(jù)和控制規(guī)律，通過(guò)控制加熱器的通斷，完成自主控溫功能，見(jiàn)圖5所示。自主控溫詳細(xì)控制策略如下：

圖5 熱控自主控溫

1)地面可以上注指令來(lái)設(shè)置自主加熱回路的使能或禁止?fàn)顟B(tài)，默認(rèn)為自主加熱使能狀態(tài)；

2)自主加熱回路控溫模式為[Tlow,Thigh]，Tlow為控溫閾值下限，Thigh為控溫閾值上限；每個(gè)回路的控溫閾值Tlow和Thigh可通過(guò)上注指令進(jìn)行設(shè)置，并且需要作為重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；

3)數(shù)管自主加熱回路具有異常保護(hù)功能，即當(dāng)加熱回路發(fā)生故障時(shí)，可以采取相應(yīng)保護(hù)措施關(guān)閉加熱回路；

4)當(dāng)前加熱回路的通斷狀態(tài)通過(guò)數(shù)管分系統(tǒng)的下行遙測(cè)參數(shù)反映；

5)衛(wèi)星地面及正常運(yùn)行時(shí)，加熱回路控溫值閾值可通過(guò)地面上注指令的方式進(jìn)行更改；

6)控溫?zé)崦綦娮枘J(rèn)為主份控溫?zé)崦綦娮?；?dāng)衛(wèi)星地面集成測(cè)試以及在軌飛行時(shí)，可以通過(guò)地面上注指令來(lái)更改加熱回路對(duì)應(yīng)的溫?zé)崦綦娮?，使得控制加熱回路的熱敏電阻在?duì)應(yīng)的主份控溫?zé)崦綦娮枧c備份控溫?zé)崦綦娮柚g進(jìn)行切換；地面可以通過(guò)遙測(cè)來(lái)確定自主加熱回路當(dāng)前參與控溫的熱敏電阻；7)自主加熱回路可通過(guò)遙控上注指令設(shè)定為常開(kāi)或常關(guān)的狀態(tài)；同時(shí)具備將自主加熱回路設(shè)定為全部使能或全部禁止的功能；

8)數(shù)管切機(jī)或者復(fù)位后，所有自主加熱回路的狀態(tài)重置到默認(rèn)狀態(tài)。

2 經(jīng)驗(yàn)和建議

通過(guò)SJ-10衛(wèi)星的全生命周期在軌飛行，充分驗(yàn)證了衛(wèi)星所采取的多個(gè)系統(tǒng)級(jí)自主控制策略是安全可靠的，也同樣適用于長(zhǎng)期在軌飛行的衛(wèi)星。SJ-10衛(wèi)星自主安全控制策略設(shè)計(jì)是對(duì)航天器自主運(yùn)行與健康管理技術(shù)[6]的有益嘗試和探索。

隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)等方面都對(duì)航天器提出了新的更高的要求，航天器飛行任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高、在軌壽命越來(lái)越長(zhǎng)。建議國(guó)內(nèi)航天器自主運(yùn)行與健康管理技術(shù)研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1)航天器自主運(yùn)行與健康管理技術(shù)理論研究：航天器自主運(yùn)行與健康管理技術(shù)理論研究方面應(yīng)該在充分借鑒國(guó)外現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)航天器研究的實(shí)際情況，在技術(shù)理論方面進(jìn)行深入研究，從理論角度解決工程需要問(wèn)題，指導(dǎo)后續(xù)的工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

2)航天器平臺(tái)內(nèi)務(wù)自主管理技術(shù)研究：航天器平臺(tái)內(nèi)務(wù)自主管理包括能源的自主管理、熱控的自主管理、自主導(dǎo)航與控制、信息自主調(diào)度和管理等方面，目前在這些方面已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，但面對(duì)未來(lái)航天器更高的自主管理要求還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，提高航天器平臺(tái)的內(nèi)務(wù)自主管理水平。

3)自主任務(wù)規(guī)劃：航天器自主運(yùn)行的一個(gè)重要體現(xiàn)就是自主任務(wù)規(guī)劃，自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究主要研究在沒(méi)有地面測(cè)控系統(tǒng)支援的情況下，根據(jù)空間環(huán)境、自身飛行狀態(tài)以及各種約束條件自主規(guī)劃航天器飛行任務(wù)，減小對(duì)地面的依賴，提高生存能力。對(duì)于在軌航天器，研究如何根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行任務(wù)自動(dòng)規(guī)劃，形成控制策略來(lái)控制航天器，以便完成各種任務(wù)要求。

4)故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)研究：航天器自主故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)，主要研究不依賴地面監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)航天器進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)航天器故障，包括在故障發(fā)生時(shí)或之前做出及時(shí)的反應(yīng)，對(duì)航天器子系統(tǒng)進(jìn)行重組，或使航天器進(jìn)入安全模式運(yùn)行，或平穩(wěn)降級(jí)使用，阻止更大的連續(xù)性故障發(fā)生，從而提高航天器的安全可靠性、長(zhǎng)壽命，保障設(shè)備的安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)SJ-10衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)自主安全控制策略進(jìn)行了介紹，衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)自主安全控制的核心目的在于通過(guò)實(shí)施能源自主安全控制、溫度自主控制等策略確保整星安全運(yùn)行，減少地面人員的干預(yù)。

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)控方式越來(lái)越受束縛，作為航天器未來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，航天器自主運(yùn)行與健康管理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于全面提高我國(guó)的航天器運(yùn)行管理水平，克服地面站的不足，降低成本預(yù)算，對(duì)我國(guó)的航天器技術(shù)躍上新的臺(tái)階具有十分重要的意義[7]。

[1] 李春華, 倪潤(rùn)立. 中國(guó)返回式衛(wèi)星與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(1):124-129.

[2] 付華圓. 電動(dòng)汽車蓄電池剩余電量估計(jì)算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2010.

[3] 周 奇. 鉛酸蓄電池能量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 湘潭：湘潭大學(xué)，2014.

[4] 嚴(yán)加朋. 蓄電池電量計(jì)量與管理系統(tǒng)的研究[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2011.

[5] 胡文瑞. 空間的物理學(xué)[J]. 物理，2008，37(9):637-642.

[6] 代樹(shù)武, 孫輝先. 航天器自主運(yùn)行技術(shù)的進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2003，24(1):17-22.

[7] 曹國(guó)榮. 航天器在軌自主健康管理技術(shù)的研究和應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

Design of Autonomous Safety Control Strategy for SJ-10 Reentry Satellite

Wang Wenping, Yuan Jun, Yuan Yong, Zheng Guibo, Zhao Huiguang

(Institute of Spacecraft System Engineering, CAST, Beijing 100094, China)

With the space technology advancing, the spacecraft autonomous flight and self-management is important. To satisfy the demand for equipment safety, energy safety and autonomy, systemic strategies are designed for the SJ-10 reentry satellite. Firstly, survival capability can be improved to against major fault beyond instant ground responses. Secondly, data transfer overhead between aerospace and ground station can be lowered with the self-management. This paper discusses the systemic design of autonomous safety control and self-management of SJ-10 satellite. The engineering practices are useful for the development of space autonomy and maintenance.

SJ-10 reentry satellite; autonomous safety control; self-management

2017-04-25；

2017-05-10。

中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技項(xiàng)目(XDA04020200)。

王文平(1984-)，男，山西朔州人，碩士，工程師，主要從事航天器空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方向的研究。

趙會(huì)光(1972-)，男，博士，研究員，主要從事航天器總體設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)12-0060-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.016

V474.1

A