高分三号卫星发射前状态设置的优化

安亮 于忠江 侯锐 王华茂

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号卫星发射前状态设置的优化

安亮 于忠江 侯锐 王华茂

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

归纳了高分三号(GF-3)卫星发射前状态设置与监视的工作,介绍了使用自动化测试工具的优点,并阐述了应用该自动化测试工具实施发射前状态设置工作的方法,给出未简化发射前状态设置流程的前提下,将5 h工作项目压缩至3 h完成的优化方案。通过GF-3卫星发射场试验的数据对方案进行了验证与测算,实践证明该方案可行,具有可靠性高、规范性强、动作执行时长受控的优点,将GF-3卫星发射前状态设置时间减少了40%,对后续遥感卫星乃至各类航天器射前状态设置工作具有借鉴意义。

高分三号卫星;发射;状态设置;流程优化

1 引言

根据卫星运行轨道、自身质量和应用需求不同,遥感卫星一般会选择相对应的运载火箭和发射基地执行发射任务。目前,我国已发射的遥感卫星基本以长征二号和长征四号运载火箭为主。按照测试发射工艺流程,遥感卫星在发射基地要完成一系列自身测试检查以及与运载火箭之间的联合检查,同时,卫星在发射当天还须完成发射前的状态设置和监视[1]。其中,卫星在发射前的状态设置与监视对于卫星成功发射至关重要:须在保证准确、可靠地进行设置的前提下在规定时间内完成动作,同时要全面监视卫星的健康状态,及时提供支撑运载火箭发射工作开展的信息。遥感卫星功能愈加复杂也给发射前状态设置与监视带来了新的挑战和思考。

卫星的发射流程和工作时机受到火箭测试发射模式制约,当前国内外的运载火箭在路基发射场内主要有二平二垂模式、一平二垂模式、三垂模式和三平一竖模式,其中三垂模式和三平一竖模式可以将发射时间缩短到2～3天,已实现航天器快速发射[2]。当前,我国运载火箭平均发射时间为9～12天,其中,有部分时间用于卫星测试和健康检查,特别是在发射前要进行详细的状态设置与监视,因此,为了提高卫星快速响应能力,在优化运载测试发射模式的同时,也需要优化卫星测试发射模式和流程,提高卫星发射前状态设置的工作效率。

在我国遥感卫星领域,传统执行发射任务卫星须综合考虑准确、可靠完成状态设置所需要的时间,均遵循发射前5 h加电的工作流程。在5 h中安排以星地状态确认、卫星加电、部件预热、蓄电池补充电、卫星健康检查、软硬件状态配置、星体表面操作设置以及撤收测试设备为主的任务作为关键步骤。根据我国遥感卫星多个型号发射经验,当前遥感卫星在发射前状态设置上花费的时间较长。测试发射人员需要提前6～7个小时开展卫星发射准备工作,人员容易处于疲惫状态,给卫星发射带来了不确定风险。同时,长时间准备工作也降低我国遥感卫星快速响应发射的效率。

本文对执行高分三号(GF-3)卫星状态设置与监视的自动化测试系统的优点进行了分析,开展了卫星发射前测试用例设计与实现,对发射前工作流程进行了合理安排,给出未简化发射前操作步骤的前提下将传统的遥感卫发射前5 h工作项目压缩至3 h内完成的优化方案,并在GF-3卫星发射场试验中进行了试验与验证,实践证明该方案可行,具有可靠性高、规范性强、动作执行时长受控的优点,并将传统的遥感卫星发射前加电时间减少了40%,提高了遥感卫星发射响应速度,值得在后续遥感卫星发射任务中所借鉴。

2 典型遥感卫星发射前状态设置与监视

我国研制的遥感卫星主要包含资源卫星、测绘卫星、气象卫星、海洋卫星等。根据上述卫星历年的发射流程,均从发射前5 h开始准备工作,包含了星地状态确认、卫星加电、部件预热、蓄电池不充电、卫星健康检查、软硬件状态配置、星体表面操作设置、撤收测试设备等。星地状态确认,主要对卫星设备和电缆状态、地面设备和软件状态以及星地电缆连接状态进行检查,确认其符合发射前技术要求;卫星加电,主要按照发射前规定程序对卫星各分系统和各单机进行加电设置,配置好设备组合状态;部件预热,主要针对遥感卫星陀螺、动量轮等有特殊要求的部件进行预热,保证其满足正常工作条件要求;蓄电池补充电,是为了保证蓄电池电量满足卫星发射要求;卫星健康检查,是对卫星发射前各分系统的基本工作状态进行巡检,确保其各项功能参数符合要求,系统工作稳定;软硬件状态配置,主要根据卫星发射前要求对软件的工作参数注入、延时指令注入等进行配置,以及对硬件的开机状态和主备份组合状态进行设置;星体表面操作设置,主要对星表插头、防护装置、防护罩、星地电缆等进行设置;撤收测试设备,主要指对发射塔架上临时使用的测试设备、电缆、工具等进行撤收。

遥测状态监视工作与状态设置工作同时开展,至遥感卫星发射前加电持续至发射为止。需采取自动化手段,对涉及遥感卫星安全及健康的参数进行持续监视。一旦参数超限,则报警提示工作人员暂停发射活动。涉及卫星安全及健康的参数监视工作不受卫星状态设置工作影响,当前多数航天器发射过程中能够实现自动化监视,不在本文做重点讨论。

在遥感卫星发射前状态设置过程中,星地状态确认、星体表面操作设置、撤收测试设备环节主要通过工作人员手动操作来完成;卫星加电、卫星健康检查、软硬件状态配置环节主要依托计算机发送指令和判读参数来完成相关工作。可见,在发射前的状态设置上相对来说,人工操作的工作量比例还是很高,也是无法避免的。随着信息技术的发展,卫星自动化测试技术取得了长足进步,当前多数航天器的指令发送可由自动测试序列完成,参数的判读实现了计算机判读。但发射前状态设置流程中穿插的工作人员手动操作的工作,还需要经过纸质文件进行规范与确认,状态设置工作未做到全自动化受控。

本文以GF-3卫星为例,对发射前状态设置过程进行说明,并给出发射前状态设置工作的耗时情况。根据GF-3卫星飞行程序要求,制定了卫星发射前要完成的加电、健康检查、软硬件状态设置与检查内容,根据所需的时长,安排在发射前5 h、2 h、30 min、15 min、10 min、5 min完成,共计900余项操作步骤。在发射前5 h到2 h之间操作步骤最多,按照传统少量指令配合多个简单序列的发令模式,需占用3 h完成(见表1)。

为配合后续论述,记录GF-3卫星控制与推进部件预热时间需约5 min,蓄电池补充电工作需约10 min。

表1 高分三号卫星发射前状态设置工作内容Table 1 Pre-launch status configuration of GF-3 satellite

3 一键化测试方法构建

3.1 自动化测试平台

为了提高发射前状态设置效率和质量,GF-3卫星在实践过程中采用了一键化测试方法来完成发射前状态设置,与传统方法相比可以缩短状态设置时间,提高状态设置的准确率。一键化测试方法,是将卫星发射前状态设置与监视中的发指令判参数、监视参数、控制人工操作等需求综合考虑并付诸设计,做到利用计算机控制完整的发射前卫星状态设置与监视工作,在必要的人工操作与确认时,提供接口供操作人员执行与记录,全部工作受控自动完成。一键化测试方法需要应用自动化测试平台和测试用例来实现,测试用例已在软件测试领域广泛应用,当前,随着航天器数量增多以及测试任务周期缩短,自动化测试平台逐渐向通用化、小型化、智能化等方向发展,测试用例的设计方法也逐渐完善[3],针对GF-3卫星射前状态设置与监视需求,为支撑一键化测试,自动化测试平台应具备以下特性。

(1)可覆盖发射前状态设置的全流程,自动化执行连贯性、连续性,尤其是将手动操作类的状态设置工作纳入自动化控制;

(2)具备完备、及时的判读能力;

(3)执行全过程受控;

(4)人工可随时暂停;

(5)应急事件处理,确保安全。

GF-3卫星所采用的是STS3000自动化测试平台(见图1)。该平台实现了“测试设计通用化、测试实施自动化、测试过程信息化、测试评估智能化”,通过设置断点,填写记录操作结果方式提供人机交互接口,实现了手动操作类状态设置的自动化受控[4],具备了支持一键式实现GF-3卫星发射前状态设置的工具手段条件[5-6]。

3．2 发射前准备与状态设置应用

GF-3卫星在发射前状态设置中工作人员手动操作与发指令操作存在交叉,同时在卫星系统状态设置过程中,火箭系统也需要进行安全检查和健康维护。GF-3卫星系统在发射塔架工作人员需要手动操作主要有测试天线架设、调试、撤收和星表插头更换操作,其它状态设置均可通过发送遥控指令来实现。为了实现发射前状态设置的连贯性,在进行发射前测试用例设计时,充分考虑了配合运载火箭操作的需求,选择时间资源安排工作人员手动操作的时机,形成发射前状态设置过程,如图2所示,并通过自动化测试平台利用一键化测试方法进行搭建。

图3为采用遥控指令进行状态设置的测试用例在一键化测试方法中皆通过测试平台来实现,不需要人工来干预,能够根据逻辑顺序自动发送指令并判读相对应的遥测参数和卫星工作状态。同时手动操作类工作也纳入测试用例进行规范,通过人机交互实现手动操作类工作内容与结果可控,实现自动化测试用例执行的衔接。

图4给出了相同的发射前状态设置内容,相同的最小发送指令间隔下,GF-3卫星在发射场利用传统实施方法与使用了一键化测试方法执行发射前状态设置所需要的时长数据差异。从数据图中可见,在使用传统方法实施发射前状态设置时,射前5 h至射前2 h间的设置工作所需时间更长,而在使用一键化测试方法后,集中在1 h内便完成了该时间段全部工作,出现整块空闲时间,期间仅需进行不间断的状态监视。而发射前2 h内的操作与耗时基本一致,原因是根据发射基地统一调度配合运载火箭操作执行命令。达到优化目的原因包括:①一键化测试方法取消了传统测试序列与测试序列间的“确认-再执行”的人为确认环节;②一键化测试方法对状态设置所需要全部动作进行了固化,过程中最大限度地减少了人为干预,提高了工作效率。

3.3 发射前状态设置优化方案

应用GF-3卫星一键化测试方法数据验证结果,充分结合遥感卫星、运载火箭等相关方发射前状态设置要求,提出如下优化方案。卫星于发射前3 h加电,通过一键化测试方法进行发射前状态设置与监视。在发射前2 h完成传统方法发射前2 h前全部工作。随后状态设置工作开展时间间隔与传统方法维持一致。该优化方案可行的原因包括:①方案仅影响卫星系统工作时间节点,不影响运载火箭等其它系统工作;②在某次发射演练中实施并获得成功,耗时情况见图5;③使用该方法执行发射前状态设置所需时间精确,多次执行耗时误差小;④一旦卫星出现意外故障,在发射前2 h至射前30 min时间内,尚有较充分时间排查定位,风险可以接受。

基于GF-3卫星发射前状态设置提出的一键化测试方法优化方案,在遥感卫星乃至各类航天器发射前状态设置设计中均具有一定适用性。一键化测试方法面向解决卫星状态设置的流程化、自动化问题,减少了人为的反复确认环节与不必要的干预,使状态设置工作更加固化、确定,节约了时间。一键化测试方法同时兼顾了必不可少的人工操作步骤与配合其它如运载火箭系统操作的要求,与自动执行的指令序列较好地进行了结合,做到了过程受控。

4 优化方案约束条件分析

GF-3卫星发射前状态设置方案经过优化后,可由原来的5 h缩短至3 h,缩短了发射前状态设置的流程和所需时间,对遥感卫星乃至各类航天器射前状态设置有一定借鉴作用。在实际借鉴本方案时,应结合自身卫星特点与地面支持系统开展分析,建议重点关注以下几个方面因素和约束条件。

(1)航天器状态设置需应用自动化实施测试序列或测试用例的平台工具,并需要解决航天器的遥测判读与状态监视,从而完整替代人为判读与决策。

(2)结合型号特点构建的一键化测试用例需进行完整验证。在实际应用前,应通过仿真方式进行模拟,并通过前期测试完成验证后方可在发射场实施。

(3)各航天器发射前状态设置中的人工操作部分需求各不相同,在流程优化过程中应充分考虑自身操作需求的制约条件,例如复杂的星表操作、敏感的无线信号环境要求等,经模拟演练实践后确定消耗时长。

5 结束语

遥感卫星发射前状态设置,仍然继承于我国航天事业发展早期的流程和操作方式,随着快速响应计划和商业遥感卫星的发展,必须提高遥感卫星快速测试与发射能力,本文介绍了GF-3卫星发射前状态设置流程和工作内容,并应用STS3000自动化测试平台,给出基于一键化测试方法的发射前状态设置方案与实施结果,并通过对实践数据进行分析,提出了发射前状态设置的优化方案,该方案在缩短发射前状态设置时间40%的基础上,提高了测试数据判读的准确性和可靠度,所采用的思路和方法对于后续遥感卫星乃至各类航天器发射前状态设置工作具有借鉴意义。

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Pre-launch Status Configuration Optimization for GF-3 Satellite

AN Liang YU Zhongjiang HOU Rui WANG Huamao
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

This paper sums up the work contents of pre-launch status configuration and monitoring for GF-3 satellite,and also introduces the advantage of automated test tool based on that the work method of pre-launch status configuration is given．An optimization scheme that can reduce time-consuming from five hours to three hours is presented in this paper without simplifying pre-launch status configuration process．The scheme is proved through verifying and calculating GF-3 satellite test and launched data in satellite launch center．The scheme has the advantages of high reliability,high standardization and controlled operation time．In addition,GF-3 satellite pre-launch status configuration time is shortened by 40%．The optimization strategy and automatic tool have reference value for the pre-launch status configuration of follow-up remote sensing satellites and other type of spacecraft．

GF-3 satellite;launch;status configuration;process optimization

V554．3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.023

2017-10-23;

2017-11-16

国家重大科技专项工程

安亮,男,硕士,高级工程师,从事航天器电性能综合测试技术研究与管理工作。Email:anliang00＠126．com。

(编辑:李多)