欧空局控制工程标准和手册简析

宋轶姝 李小龙

（中国航天标准化研究所，北京，100071）

文 摘：对ECSS-E-60A控制工程标准和ECSS-E-HB-60A控制工程手册两项文件技术内容进行研究，列出ECSS控制工程任务简表，与国内相关标准的各研制阶段技术内容进行对比分析，提出借鉴意见及相应的国内标准制定建议。

欧洲空间局 （ESA）作为负责组织、管理、协调与统一各成员国航天产品研制、生产、发射活动的机构，为保证其航天产品的高质量、高可靠和低成本，在调研国际标准化组织 （ISO）、美国宇航局 （NASA）及航天公司标准现状基础上，制定了一套系统、全面的标准体系 （即ECSS标准），并以此约束和指导欧洲航天产品保证活动，具有一定的先进性和实用性。

ECSS标准拥有系统、科学、完善的标准、手册、指南等文件，并清楚地划分各分支系统，作为管理、设计、制造、试验等活动的依据，通过标准的实施应用，有效规范了各项工作，大大提高了工作效率，降低了产品开发的成本和风险，保证了产品质量[1]。

在我国航天控制系统标准的规划和制定过程中，为提高标准的总体策划水平，提高标准内容的总体性、系统性和全面性，对ECSS控制工程（E-60）系列标准化文件进行了系统的研究和分析。本文将对其中总体性的两项文件ECSS-E-60A控制工程标准和ECSS-E-HB-60A控制工程手册的研究情况和研究收获进行介绍。

1 ECSS相关文件介绍

欧洲空间标准化合作组织 （ECSS）是欧洲标准的权威机构，ECSS协调现有航天项目的标准需求，提供了应用于欧洲航天系统开发和运行的唯一持续有效的一系列面向用户文件。ECSS面向用户的文件为标准或支撑性文件，文件的类型包括标准、手册和备忘录。这些文件规定了以下技术领域的内容：

● ECSS系统的描述和实施 （ECSS-S-ST-00）；

● 航天项目管理 （ECSS-M系列文件）；

● 航天产品保证 （ECSS-Q系列文件）；

● 航天工程 （ECSS-E系列文件）；

● 空间可持续性 （ECSS-U系列文件）。

其中，涉及航天控制工程分支的文件包括：E-10系列，系统工程；E-20系列，电子和光学工程；E-30系列，机械工程；E-40系列，软件工程；E-50系列，通信；E-60系列，控制工程；E-70，地面系统和运行[1]。

目前，ECSS-E-60已发布的标准及手册列表见表1。 本文研究的ECSS-E-60A《Control engineering》 （控制工程）标准和ECSS-E-HB-60A 《Control engineering handbook》 （控制工程手册）是ECSS-E-60系列中的总体性文件。

表1 ECSS-E-60系列文件列表

2 《控制工程》标准和 《控制工程手册》的技术内容

《控制工程》标准 （ECSS-E-60A）和 《控制工程手册》 （ECSS-E-HB-60A）是配套使用的两个文件，所讲述的技术内容一致。首先就 《控制工程手册》的内容进行介绍。

2.1 《控制工程手册》的范围

控制工程手册将控制系统作为航天项目的一部分进行开发。它适用于航天系统的所有元素，包括空间段、地面段和发射服务段。

手册覆盖了航天控制工程的所有方面，包括需求定义、分析、设计、生产、确认和验证、转运、操作和维护。

手册定义了航天控制工程的过程以及其与管理和质量保证的接口界面，并解释了它们是怎样应用于控制工程过程之中的。

2.2 《控制工程手册》中定义的通用控制结构

《控制工程手册》中定义的通用控制结构图如图1所示。

图1 通用控制结构图

由上述通用控制结构可见，控制工程至少包括：

● 分析任务目标以确定控制目标；

●对被控对象以及与其交互作用的环境的分析和建模；

● 根据控制需求，对敏感器和执行机构（包括结构和特性）的分析、建模以及详细规定；

●控制器的需求分析和详细规定，控制器的设计和配置；

● 控制性能验证；

● 控制系统相关的地面操作。

2.3 《控制工程手册》中对控制工程过程的定义

控制工程是多学科的综合 （需要具有对机械、动力学、空间环境及效应、数字和模拟电路、控制理论、计算机系统与网络、软件工程、操作等学科的深入了解方可执行）；控制工程是系统工程的一部分并与系统工程中的其他过程在很大程度上相互作用，系统工程内容参见ECSS-E-ST-10。按照系统工程标准 （ECSS-E-ST-10）中对于工程活动的分解，控制工程中的工程活动分解情况如下：

● 集成和控制：确保在项目所有阶段，根据受控系统的全部定义和实现集成各个控制相关的学科；

●需求工程：包括对任务和系统需求的正确解释、连贯正确的控制需求来源、下级的部件或设备级的需求定义、连续的状态监督与追溯；

● 分析：在所有层次和领域实行，解析控制相关的功能和性能要求、评估控制设计的可替代性；加强和确认控制性能、补充试验；

●设计和配置：包括得到可满足控制需求（由正确的分析和权衡来支撑）的物理控制架构和控制器设计。设计还包括通过正确的预算方法学和裕度原则得到控制预算；

●确认和验证：通过指定过程验证受控系统达到其控制目标和需求。

2.4 不同控制工程活动的相互关系

在系统开发的各个阶段，不同的控制工程活动并行工作相互支持，其相互作用关系如图 2所示。

图2 控制工程活动的相互作用

2.5 控制工程在每个项目阶段中的任务

在详述控制系统功能后，硬件、软件和操作支持项可能在通过平行的路径设计开发或者通过以相应的学科形成控制工程过程的分支。控制工程是在系统工程与较低层级组件或设备级工程间的相互作用，控制工程过程被定义为使这些交互过程合理可行。控制工程是从初步设计至设计确认和飞行验证的循序渐进的过程。控制工程是在需求工程、设计和配置、确认和验证与分析间的重复过程。对应每项活动的控制工程任务简表见表2。

表2 控制工程任务简表

2.6 《控制工程》标准的内容补充

相较于 《控制工程手册》， 《控制工程》的内容更注重于标准的格式，在各章内容的描述中更多地采用了 “应该怎样”的说法，并且尽量分条来表述，在内容表述方面更加清晰。此外，《控制工程》标准还包含了一些附录，这些附录分别为：

● 控制工程文件；

● 控制系统设计报告文件要求定义；

● 控制算法规范文件要求定义；

● 受控系统分析报告文件要求定义；

● 受控系统确认方案文件要求定义；

● 受控系统确认报告文件要求定义。

每项附录分别规定了这些文件的目的、意义、范围和内容，形成了对于控制工程全过程应形成的文件的规范性要求。

3 《控制工程》标准和 《控制工程手册》与国内标准的对比

《控制工程》和 《控制工程手册》主要是从系统工程的角度，讲述了控制系统的通用结构、实现的基本功能，控制工程在每个任务阶段应执行的特定任务，并规定了相应的文件要求。在标准中始终贯穿了系统策划和管理的思路与方法。通过梳理和研究我国现有标准，涉及卫星、航天器、运载火箭控制系统研制程序等相关内容。

在 《控制工程》和 《控制工程手册》中简单阐述了通用控制结构的组成以及基本的控制功能的要求。这些内容源于通用的控制理论，仅为航天控制系统提供了基本的功能限定，并没有涉及到某些控制系统设计中对其任务详细的、特定的需求。

《控制工程》和 《控制工程手册》重点的部分是对于控制工程过程的定义和描述，这里是按照系统工程的方法，将控制工程过程分解为7个项目阶段 （从时间维度来看）的5项工程活动（从任务分解维度来看）。在ECSS-E-ST-10C《系统工程通用要求》中定义的这7个项目阶段分别为：0阶段：任务分析—需求确认；A阶段：可行性；B阶段：初步定义；C阶段：详细定义；D阶段：鉴定和产品；E阶段：运行/使用；F阶段：退役处置。

定义的5项工程活动分别为：集成和控制；需求工程；分析；设计和配置；确认和验证。

在 《控制工程》和 《控制工程手册》中，先给出了控制工程在5项活动中对应每项活动的特定任务简表；然后给出了在每个任务阶段中，控制工程需要执行的详细工程任务，包括其详细的输入、任务和输出的内容。在这里将阶段0与A、C与D、E与F合并进行描述。通过对这部分的内容描述，使控制工程的过程、工作任务和具体内容要求都非常清楚明确。此外， 《控制工程》标准中还以规范性附录的形式规定了控制工程必须生成的文件和支撑性的文件列表。对于必须生成的文件， 《控制系统设计报告》、 《受控系统分析报告》、 《控制算法规范》、 《受控系统确认方案》、 《受控系统确认报告》均进行了详细的要求，保证了控制工程全过程结束后生成文件和存档内容的最基本要求。

在我国卫星控制系统研制程序中划分了可行性论证阶段、方案阶段、初样研制阶段、正样研制阶段和应用改进阶段。在每一个阶段中，也基本上按照任务、准则、主要工作内容和完成标准来进行规定。对于方案阶段、初样研制阶段和正样研制阶段又分别进行了细分。如方案阶段划分为方案论证、初步方案设计、初步技术设计、模样设计、方案阶段总结、方案阶段结束的标志；初样阶段，又划分为初样设计、初样设计评审、初样生产、初样试验、初样阶段总结、初样阶段完成的标志。有些内容的规定也较为详细，例如：在初步技术设计的主要内容中提到 “协调并确定控制系统各部件的技术要求 （包括精度、误差分配、电器性能、机械性能、电磁兼容性、可靠性、互换性、功耗、质量、提及、寿命等），检测要求，贮存条件和验收规则”。

我国的有关标准没有对控制系统组成和基本控制功能的描述与要求，可见在国内的研制程序标准中不包括对这部分内容的简单交代。这一部分内容更多地是在产品规范的 “要求”一章来规定的，通常是在 “要求”一章中的最前面进行介绍，包括系统组成、功能、性能的要求，且这些组成、功能、性能是针对特定产品的具体的、明确的要求。

4 结论

a）ECSS《控制工程》和 《控制工程手册》中对于通用控制结构的组成以及基本的控制功能的要求的简要介绍从逻辑上更为合理，是作为工程活动的总体目标来提出的。

b）ECSS《控制工程》和 《控制工程手册》的7个项目阶段和5个工程活动的划分，将要求的内容划分为矩阵的形式，同时，每一部分按照输入、任务、输出分别进行规定，这样可以有效地避免内容要求的重复或缺失，也使表达更加清晰明了。此外，如果不同的文件都采用这样的形式，也非常有利于整个航天系统工程的策划和实施，在各分系统间更容易进行对接。

c）尽管我国的控制系统研制程序标准在某些技术点的规定上较为详细，但对研制过程关于形成的文件和进行评审的内容要求不够清晰明确，大多数也没有给出固定的格式和要求。应该注意要求的规范性。

建议按照ECSS-E-60A 《控制工程》、ECSSE-HB-60A《控制工程手册》两项文件的思路、内容结合我国控制工程项目和控制工程活动的实际情况制定相应的总体性标准。拟制定标准为《航天控制系统通用要求》，标准级别以国家标准或国家军用标准为宜。通过标准的制定和实施，可以更好地规范控制工程的工作内容、程序和要求，明晰控制系统与航天项目中其他分系统的任务划分、性能功能要求。同时，也可以为航天控制系统分支下其他的标准提供框架，能够起到较好的标准策划作用。