柴建國（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

操作概念是在一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初對(duì)系統(tǒng)中所用到的所有操作及其之間的接口關(guān)系進(jìn)行定義的文件，該文件有三個(gè)作用：通過這個(gè)定義可以向客戶說明其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠達(dá)到的期望結(jié)果；作為系統(tǒng)頂層定義文件，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)的下層操作文件基于操作概念進(jìn)行編寫。在大型系統(tǒng)工程項(xiàng)目中，操作概念文件的編寫是非常重要的，有利于指導(dǎo)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員圍繞項(xiàng)目的頂層目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文基于遙感衛(wèi)星項(xiàng)目介紹航天系統(tǒng)工程中的操作概念。

1 引言

在大型系統(tǒng)工程項(xiàng)目中，操作概念文件的編寫是非常重要的，有利于指導(dǎo)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員圍繞項(xiàng)目的頂層目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在操作概念的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)人員要編寫詳細(xì)的系統(tǒng)操作程序，包括系統(tǒng)出現(xiàn)故障后如何進(jìn)行應(yīng)急處理的操作程序。在系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)測中的故障的時(shí)候，操作人員只要按照相關(guān)的操作程序進(jìn)行處理就可以了，不需要把許多技術(shù)人員臨時(shí)召集起來進(jìn)行分析討論。

操作概念是對(duì)系統(tǒng)中相關(guān)操作的頂層定義，因此首先要對(duì)系統(tǒng)的頂層目標(biāo)進(jìn)行定義，比如對(duì)于一個(gè)遙感衛(wèi)星項(xiàng)目，系統(tǒng)的目標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：

1）給未來客戶提供遙感圖像產(chǎn)品；

2）要提供一顆遙感衛(wèi)星；

3）要提供一個(gè)數(shù)據(jù)接收站來接收衛(wèi)星下傳的遙感數(shù)據(jù)；

4）要提供一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，處理遙感數(shù)據(jù)生成圖像產(chǎn)品；

5）要提供一個(gè)任務(wù)中心來管理和協(xié)調(diào)客戶的需求和產(chǎn)品獲得及提供；

6）要提供一個(gè)衛(wèi)星控制中心來管理控制衛(wèi)星；

7）要提供測控站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行測控；

8）其他功能備份設(shè)施。

系統(tǒng)的目標(biāo)確定之后，系統(tǒng)中應(yīng)該包括的功能劃分及分系統(tǒng)就可以明確了，各分系統(tǒng)之間的接口關(guān)系也可以明確下來。

操作概念所包括的時(shí)間跨度跨越整個(gè)項(xiàng)目的壽命期，從項(xiàng)目開始研制到項(xiàng)目的壽命結(jié)束，包括了在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期中所有的操作事件。對(duì)于一個(gè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，其操作事件可以劃分成以下幾個(gè)階段：

1）衛(wèi)星發(fā)射之前；

2）發(fā)射及早期軌道階段；

3）系統(tǒng)現(xiàn)場功能測試及開通階段；

4）系統(tǒng)運(yùn)行階段；

5）衛(wèi)星離軌。

2 衛(wèi)星發(fā)射之前的操作事件

衛(wèi)星發(fā)射之前的操作包括了從項(xiàng)目合同簽訂后到衛(wèi)星發(fā)射之前這個(gè)階段的所有操作事件，這些事件主要由項(xiàng)目承包商負(fù)責(zé)完成，用戶負(fù)責(zé)參與及監(jiān)督。其操作包括：

1）研制一顆遙感衛(wèi)星；

2）研制衛(wèi)星測控系統(tǒng)；

3）研制衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)；

4）研制火箭；

5）發(fā)射場工作準(zhǔn)備；

6）衛(wèi)星測控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝測試；

7）數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)現(xiàn)場安裝測試；

8）整個(gè)地面系統(tǒng)的調(diào)試測試；

9）發(fā)射前對(duì)接測試；

10）發(fā)射前測控系統(tǒng)演練。

在這個(gè)階段用戶需要參與的操作事件包括：

1）衛(wèi)星及地面設(shè)備研制過程中的一些關(guān)鍵的評(píng)審；

2）衛(wèi)星研制過程中一些關(guān)鍵測試；

3）地面設(shè)備研制過程中的一些關(guān)鍵測試；

4）系統(tǒng)操作培訓(xùn)；

5）合同中規(guī)定的其他操作事件。

3 發(fā)射及早期軌道階段的操作事件

這個(gè)階段從發(fā)射倒計(jì)時(shí)開始，包括發(fā)射和主動(dòng)段、軌道注入、星箭分離、衛(wèi)星變軌及到達(dá)最終軌道。期間兩個(gè)控制中心將參與控制工作，發(fā)射場衛(wèi)星控制中心及早期軌道段衛(wèi)星控制中心。期間還要完成衛(wèi)星平臺(tái)的在軌測試，由衛(wèi)星制造商負(fù)責(zé)完成。

衛(wèi)星控制中心負(fù)責(zé)接收遙測并對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，在星箭分離之后還要監(jiān)視衛(wèi)星的太陽能帆板展開和衛(wèi)星天線展開。同時(shí)還要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道測試并完成預(yù)定的軌道機(jī)動(dòng)控制操作。

用戶的地面測控系統(tǒng)也將參與對(duì)衛(wèi)星的跟蹤及接收遙測，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)也將跟蹤衛(wèi)星并接收數(shù)據(jù)。

用戶的操作人員負(fù)責(zé)對(duì)地面設(shè)備進(jìn)行操作，承包商的技術(shù)人員負(fù)責(zé)現(xiàn)場技術(shù)支持。

這個(gè)階段對(duì)衛(wèi)星的控制在早期軌道段衛(wèi)星控制中心進(jìn)行，用戶的控制中心只能進(jìn)行跟蹤及接收遙測，不能對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制。在這個(gè)階段完成時(shí)，對(duì)衛(wèi)星的控制從早期軌道段衛(wèi)星控制中心轉(zhuǎn)移到用戶的地面測控中心。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場測試及開通階段的操作事件

這個(gè)階段從早期軌道階段結(jié)束到系統(tǒng)正式開始使用。主要操作事件包括系統(tǒng)端到端測試及遙感圖像校準(zhǔn)。端到端測試由任務(wù)中心發(fā)起，衛(wèi)星和測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)參加。圖像校準(zhǔn)包括輻射校準(zhǔn)和幾何校準(zhǔn)。

這個(gè)階段系統(tǒng)操作由用戶操作人員負(fù)責(zé)，承包商人員負(fù)責(zé)技術(shù)支持及數(shù)據(jù)分析和部分關(guān)鍵操作。對(duì)衛(wèi)星的所有控制操作都必須經(jīng)過衛(wèi)星制造商書面批準(zhǔn)，所有的操作都必須按照操作文件及培訓(xùn)給出的操作步驟進(jìn)行。

5 系統(tǒng)運(yùn)行階段的操作事件

這個(gè)階段占據(jù)了整個(gè)衛(wèi)星壽命期間，也是系統(tǒng)主要的操作階段，是給潛在客戶提供正式服務(wù)的階段。主要操作集中在保障衛(wèi)星安全、保障系統(tǒng)正常運(yùn)行和為客戶提供圖像產(chǎn)品上。主要操作事件包括：

1）日常操作；

2）緊急任務(wù)操作；

3）校準(zhǔn)操作；

4）衛(wèi)星軌道維持；

5）衛(wèi)星碰撞規(guī)避；

6）打補(bǔ)丁和應(yīng)急操作。

日常操作

日常操作包括以下幾個(gè)操作場景：

1）接到客戶圖像需求，圖像中心操作人員查看存儲(chǔ)的圖像，如果有滿足客戶的圖像產(chǎn)品，則直接把存儲(chǔ)的產(chǎn)品提供給客戶；

2）接到客戶圖像需求，圖像中心操作人員查看存儲(chǔ)的圖像，如果沒有滿足客戶要求的圖像產(chǎn)品，則任務(wù)中心安排計(jì)劃完成圖像拍攝和產(chǎn)品生產(chǎn)；

3）沒有客戶需求，任務(wù)中心可以根據(jù)對(duì)市場的預(yù)估安排拍攝計(jì)劃，生產(chǎn)部分產(chǎn)品以滿足未來客戶需求。

產(chǎn)品生產(chǎn)操作流程：

1）衛(wèi)星控制中心根據(jù)測控系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星軌道；

2）衛(wèi)星控制中心把衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)送到任務(wù)中心；

3）任務(wù)中心根據(jù)衛(wèi)星軌道及客戶需求安排拍攝任務(wù)計(jì)劃；

4）任務(wù)中心把拍攝計(jì)劃發(fā)到衛(wèi)星控制中心；

5）衛(wèi)星控制中心對(duì)拍攝計(jì)劃進(jìn)行檢查，確認(rèn)計(jì)劃可以執(zhí)行；

6）衛(wèi)星控制中心根據(jù)任務(wù)計(jì)劃生成衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)塊；

7）衛(wèi)星控制中心把控制數(shù)據(jù)塊上注到衛(wèi)星；

8）衛(wèi)星根據(jù)指令完成拍攝，并下傳圖像數(shù)據(jù)；

9）數(shù)據(jù)處理中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成產(chǎn)品；

10）把產(chǎn)品提供給客戶。

遙感衛(wèi)星每天過境可見弧段為4～5軌，一軌最長703s，最短51s。對(duì)于方位俯仰座架天線，在衛(wèi)星仰角高于83°的時(shí)候，天線將自動(dòng)由自跟蹤轉(zhuǎn)到程序引導(dǎo)，低于83°時(shí)再轉(zhuǎn)到自跟蹤。

在上午衛(wèi)星第一次過境時(shí)，控制中心將把地面計(jì)算的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)上注到衛(wèi)星。

任務(wù)計(jì)劃生成：第二天的任務(wù)計(jì)劃在任務(wù)中心收到衛(wèi)星控制中心發(fā)來的軌道數(shù)據(jù)后生成，然后在當(dāng)天晚上第一軌過境之前任務(wù)中心把計(jì)劃發(fā)給衛(wèi)星控制中心，衛(wèi)星控制中心把生成的控制數(shù)據(jù)塊在晚上第一軌過境時(shí)發(fā)到衛(wèi)星上。

緊急任務(wù)操作

緊急任務(wù)主要是指任務(wù)中心接到一個(gè)緊急的拍攝任務(wù)，需要把這個(gè)任務(wù)插入到已經(jīng)計(jì)劃好的任務(wù)之前。緊急任務(wù)操作流程如下：

1）任務(wù)中心在接到一個(gè)緊急任務(wù)后，首先需要計(jì)算這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先級(jí)別和客戶的優(yōu)先級(jí)以及任務(wù)的緊急程度有關(guān)。如果不能接受該緊急程度，則拒絕任務(wù)，如果可以接受其緊急程度，則需要修改前面的任務(wù)計(jì)劃；

2）任務(wù)中心修改任務(wù)計(jì)劃；

3）修改后的任務(wù)計(jì)劃必須要在前一個(gè)計(jì)劃被上注到衛(wèi)星前15分鐘發(fā)送到衛(wèi)星控制中心；

4）衛(wèi)星控制中心在上注第二天計(jì)劃之前收到新的計(jì)劃，則將用新的計(jì)劃代替原來的計(jì)劃；

5）已經(jīng)上注的計(jì)劃在沒有開始執(zhí)行之前可以被檫除，用新的計(jì)劃代替舊的計(jì)劃。已經(jīng)開始執(zhí)行的計(jì)劃不能被檫除。

校準(zhǔn)操作

衛(wèi)星圖像校準(zhǔn)包括幾何校準(zhǔn)和輻射校準(zhǔn)。

幾何校準(zhǔn)主要有兩個(gè)目的：

1）校準(zhǔn)相機(jī)方向與衛(wèi)星跟蹤方向之間的角度；

2）校準(zhǔn)相機(jī)安裝位置和衛(wèi)星軸線之間的角度。

輻射校準(zhǔn)主要有以下幾個(gè)目的：

1）相對(duì)校準(zhǔn)；

2）絕對(duì)校準(zhǔn)；

3）條帶校準(zhǔn)；

4）多時(shí)段校準(zhǔn)。

衛(wèi)星軌道維持

軌道分析計(jì)算軟件對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行計(jì)算分析。如果發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星軌道偏離超過一定范圍，則利用控制軟件制定控制策略，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道控制機(jī)動(dòng)?？刂浦行脑谶M(jìn)行軌道維護(hù)之前應(yīng)通知任務(wù)中心，在這段時(shí)間不能進(jìn)行任務(wù)拍攝。完成軌道機(jī)動(dòng)后，把新的軌道數(shù)據(jù)上注到衛(wèi)星。

衛(wèi)星碰撞規(guī)避

對(duì)于低軌衛(wèi)星，由于相同軌道高度上的衛(wèi)星比較多，衛(wèi)星之間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)還是比較大的，我們的用戶也都一直在提出這個(gè)問題。如何才能躲避碰撞，保障衛(wèi)星安全，是一直在研究討論的問題。實(shí)際上到目前為止，真正發(fā)射碰撞的事件并不多，因此國際上并沒有形成一套完善的標(biāo)準(zhǔn)做法。一般都由衛(wèi)星用戶或制造商進(jìn)行關(guān)注并在緊急時(shí)刻采取一定的規(guī)避措施。

對(duì)于我們整星出口項(xiàng)目中的衛(wèi)星，我們?cè)仍O(shè)想的策略是由用戶提供衛(wèi)星當(dāng)前軌道位置，我方負(fù)責(zé)計(jì)算潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)并通知用戶，再由用戶給出衛(wèi)星機(jī)動(dòng)策略，由我方確認(rèn)用戶給出的策略，最后由用戶實(shí)施衛(wèi)星機(jī)動(dòng)。但后來發(fā)現(xiàn)這個(gè)策略有缺陷，主要是用戶沒有足夠的能力提出衛(wèi)星機(jī)動(dòng)策略。新的策略還在討論中。

給衛(wèi)星打補(bǔ)丁

當(dāng)衛(wèi)星軟件需要升級(jí)的時(shí)候，按照如下流程操作。

1）衛(wèi)星制造商提出打補(bǔ)丁申請(qǐng)；

2）任務(wù)中心停止任務(wù)計(jì)劃；

3）衛(wèi)星控制中心生產(chǎn)補(bǔ)丁數(shù)據(jù)塊，在下一圈衛(wèi)星過境時(shí)上注到衛(wèi)星；

4）衛(wèi)星制造商通過遙測確認(rèn)打補(bǔ)丁的效果；

5）衛(wèi)星回歸正常工作模式，任務(wù)中心開始新的任務(wù)計(jì)劃。

應(yīng)急操作

這里是指當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障或衛(wèi)星進(jìn)入緊急模式，地面操作人員需要進(jìn)行相關(guān)操作使衛(wèi)星恢復(fù)正常。

1）當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障或進(jìn)入緊急模式后，用戶第一時(shí)間需要通知衛(wèi)星制造商；

2）控制中心停止向衛(wèi)星上注數(shù)據(jù)；

3）任務(wù)中心停止規(guī)劃新的任務(wù)；

4）由衛(wèi)星制造商根據(jù)需要提供新的遙控命令；

5）控制中心上注新的控制命令；

6）衛(wèi)星制造商根據(jù)遙測判斷衛(wèi)星狀態(tài)；

7）當(dāng)衛(wèi)星狀態(tài)恢復(fù)正常后，可以開始新的任務(wù)操作。

6 衛(wèi)星離軌操作

在衛(wèi)星壽命末期，當(dāng)確認(rèn)衛(wèi)星已經(jīng)不能正常完成任務(wù)后，就需要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行離軌操作。其操作包括以下流程：

1）降低衛(wèi)星軌道；

2）關(guān)閉動(dòng)量輪；

3）關(guān)閉電池。

操作概念只是對(duì)頂層的一些操作事件和其操作流程進(jìn)行了定義，具體到設(shè)備的操作程序還需要有大量的文件支撐。也有許多操作是系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行的，不需要操作人員干涉。在設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)的過程中，對(duì)于出現(xiàn)的新的事件的操作流程需要不斷的討論優(yōu)化，最后找到一個(gè)最好的操作流程。

系統(tǒng)在不斷利用新技術(shù)，不斷改進(jìn)和優(yōu)化配置的同時(shí)，其操作方式也會(huì)不斷發(fā)生變化。通過以文件的形式把這些概念明確下來，有利于后來人員借鑒提高。