超期运行航天器在轨管理精细化实践

张志国

(中国航天科技集团有限公司，北京 100048)

自1970年我国首颗人造地球卫星成功发射至今，中国“长征”系列运载火箭发射次数超过300次，目前中国的通信、导航、遥感等各类在轨航天器超过300个[1]，其中大量航天器已经接近或超过其设计寿命，进入超期运行阶段。

充分发挥应用价值，合理利用和开发太空资源，是国内外超期运行航天器在轨管理的普遍共识。例如，在德国“X频段陆地合成孔径雷达”(TerraSAR-X)卫星达到设计寿命后，通过任务扩展将最高分辨率从1 m提高至0.25 m[2]；美国通过发射任务拓展飞行器-1(MEV-1)，利用其携带的燃料将一颗地球静止轨道卫星的设计寿命延长5年[3]。同时，根据机构间空间碎片协调委员会(IADC)建议[4-5]，航天器在寿命终结前应实施离轨操作，以减缓空间碎片。例如：地球静止轨道卫星应离轨进入高于地球静止轨道约300 km的坟墓轨道；低轨卫星在任务完成后应主动离轨，并在25年内再入大气层烧毁。国内超期运行航天器在延寿、退役、离轨方面也开展了一些研究和实践，在轨服务及维护技术也已纳入国家科技创新规划[6-9]。

本文针对超期运行航天器，提出了系统的状态评估模型，建立了健全的在轨管理机制，制定了科学的在轨管理方案，开展了精细化实践。对于应用价值较好的超期航天器实行延寿管理，继续纳入业务运行体系，动态调整运行策略；对于应用效能较低的实行退役管理，及时退出业务应用模式，开展频率/轨位资源保护、技术试验等工作；对于存在严重运行风险的遵循国际惯例，及早进入报废程序，实施离轨钝化等处置。

1 超期运行航天器在轨管理思路

超期运行航天器在轨管理以系统的在轨状态评估模型为指导，精细的在轨管理方案为基础，由用户协同机制、动态评估机制和队伍保障机制为支撑，如图1所示。

(1)在轨状态评估模型：主要包括应用效能、维护成本和运行风险3个方面，对航天器超期运行后的综合效益和失效风险进行评价，其评价结果是制定在轨管理方案的依据。

(2)在轨管理机制：用户单位、测控单位和研制单位三方协调完成状态评估，确定管理方案；采取动态评估机制，及时识别状态变化，调整管理方案；建立队伍保障机制，明确各岗位人员责任，保证各项工作顺利推进。

(3)在轨管理方案：根据在轨状态评估情况，按照延寿、退役和报废3个类别制定精细的管理方案。

图1 超期运行航天器在轨管理思路Fig.1 In-orbit management strategy for overdue spacecraft

2 系统的在轨状态评估模型

超期运行航天器在轨状态评估，需要综合考虑技术、成本、风险等多种要素。首先，要对与用户应用相关的核心指标和主要功能进行梳理和评价，评估其应用价值；其次，应考虑超期运行期间的维护成本增加情况，对效费比进行综合评估，为判断是否具备延寿价值提供依据；最后，需要对航天器平台的运行风险进行分析和识别，评估其失效风险，为是否需要及时开展离轨报废工作提供依据。

2.1 效费比评估

航天器超期运行期间，由于设备发生故障或性能退化，应用效能可能有所降低；同时，在轨运行期间的地面日常管理、维护成本可能有所增加。因此，本文建立了效费比评估模型，其各要素/子要素如表1所示。

(1)核心指标：指影响用户应用的重要指标，如遥感图像信噪比、卫星等效全向辐射功率(EIRP)值等。每项核心指标与任务要求进行比较，视指标下降程度打分，评估值范围为0～1，“0”表示该指标已无法接受，“1”表示该指标未下降。

(2)主要功能：指影响用户应用的重要功能，如机动观测、数据实时下传等。每项主要功能与任务要求进行比较，评估值范围为0～1，“0”表示该功能丧失，“1”表示该功能完全正常。

(3)维护成本：超期运行期间，各系统的维护成本与寿命期内维护成本之比，最小值为1，表示超期运行期间未增加维护成本。该值如果大于1，则表示超期运行期间的维护成本有所增加。

表1 超期运行航天器效费比评估模型

要素/子要素的选取和权值，可根据航天器具体特点，与用户及工程各系统单位协调确定。其中：要素/子要素的权值范围为0～1，且∑j1i=1，∑j2i=1，∑ki=1，∑qi=1；j1i和E1i分别为各项核心指标的权值和评估值，n为核心指标的项数；j2i和E2i分别为各项主要功能的权值和评估值，m为主要功能的项数；ki和Ci分别为维护成本需要考虑的要素的权值和评估值，p为需要考虑的要素个数；q1和q2分别为核心指标和主要功能在应用效能中所占的权值。核心指标评估值E1、主要功能评估值E2、维护成本C、效费比M的计算公式分别见式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

M=E1q1E2q2/C

(4)

效费比M的最大值为1，表示航天器超期运行期间核心指标、主要功能未下降，维护成本无增加。一般情况下，当0.8≤M<1时，可认为具有较好使用价值；当0.6≤M<0.8时，可认为具有一定使用价值；当M<0.6时，可认为延寿价值不高，在实践过程中，可综合考虑用户意见予以判断。

2.2 在轨运行风险评估

超期运行的航天器可能由于设备老化、故障等原因失效或失控，无法主动实施离轨等报废程序，由此可能带来再入地球落点不受控、轨位资源浪费、解体并产生空间碎片等风险。因此，必须对航天器的运行风险进行全面评估，当航天器存在严重故障可能随时失效时，应立即开展报废工作。

评估要素包括故障类、衰退类和消耗类。其中：故障类主要指控制、推进、能源、测控及其他关键分系统设备故障造成的风险；衰退类指太阳电池阵、蓄电池等自然缓慢衰退造成的风险；消耗类指推进剂等正常消耗后剩余量不足的风险。3个类别间不重复统计，其他特殊风险可参照评估。评估要素说明及评估标准分别如表2和表3所示，各要素风险Ri最低为“0”，最高为“4”。各要素的权值si默认为“1”，如遇特殊情况可由专家审议确定。航天器运行风险综合指数R的计算公式如式(5)所示。结合在轨运行管理实践经验，一般情况下，当R≥12时，说明航天器存在严重风险，风险等级为“高”；当8≤R<12时，说明航天器存在重要风险，风险等级为“中”；当R<8时，说明航天器风险可控，风险等级为“低”。

(5)

表2 在轨运行风险评估要素

表3 在轨运行风险各要素评估标准

2.3 评估结果应用建议

根据航天器在轨运行评估结果，应采取相应的管理措施，总体原则如下。①效费比较高且运行风险较低：建议纳入业务应用，进行延寿管理，部分风险略高的航天器可进行退役管理。②运行风险高或效费比低：以退役或报废为主要管理建议，部分风险相对可控、应用价值高的航天器，可进行延寿管理。③运行风险高、且效费比低：无应用价值，且存在随时失效的可能，建议及早报废，如表4所示。具体情况需要与用户沟通后确定。

表4 在轨状态评估结果及管理建议

3 健全的管理机制

为充分发挥超期运行航天器的在轨应用价值，同时履行国际空间碎片减缓要求，首先应建立队伍保障机制，落实各岗位人员在航天器全生命周期的管理责任，并根据在轨状态评估结果分级分类配置队伍，动态调整优化；同时，要建立动态评估机制，及时识别效费比和重大运行风险变化情况，为调整在轨保障队伍和在轨管理方案提供依据；最后，要建立用户协同机制，为协调用户单位、测控单位完成在轨状态评估、制定管理方案提供支撑。

3.1 队伍保障机制

建立并强化在轨航天器全生命周期责任制，保障每个航天器超期运行后得到精细管理，最大限度发挥作用；及时识别重大在轨运行风险，协调启动退役及报废管理工作，化解航天器失控失效风险，合理开发和利用空间资源，遵守联合国有关规定，维护我国作为航天大国的良好形象。因此，在航天器超期运行期间，仍要按照项目管理模式[10]，建立并保持由总体院组织、总体单位牵头、专业单位参加，航天器系统级负责人负责、各分系统及产品负责人参加的矩阵式队伍保障机制，确保超期运行阶段的状态评估、用户沟通、应急处置等工作落实到人，制定的延寿、退役及报废方案科学、合理。

根据航天器在轨状态评估结果和管理方案，分级分类配置和调整保障队伍。对于应用价值较高、实行延寿管理的航天器，与寿命期内航天器一样配置技术支持人员；对于运行风险较高的航天器，适当增加技术支持队伍力量；对于退役航天器，酌情调减在轨管理支持人员；对于需要采取离轨、钝化及再入地球等操作的航天器，组建专题工作组，配合用户和测控单位实施[11]。

3.2 动态评估机制

建立超期运行航天器在轨状态动态评估机制，在航天器达到设计寿命前、延寿或退役管理期间，以及发生重要异常时，及时评价航天器的在轨运行效费比，识别存在重大运行风险的航天器，调整在轨管理方案。效费比较高、风险较低且具备延寿条件的航天器，继续延寿使用；效费比低、不具备延寿条件的，实行退役处理；存在重大突发风险的，及早报废。同时，为调整在轨技术支持队伍配置情况提供依据。

(1)航天器到达设计寿命前3个月，开展延寿状态评估，由航天器运行管理责任人确定在轨管理方案。

(2)延寿或退役管理期间，实行自动实时判读和人工定期分析相结合的机制。每日通过在轨航天器智能化自动判读系统，对在轨数据进行实时判读，及时处理异常信息；每3个月或半年，由设计师对在轨运行数据进行分析，由航天器运行管理责任人对运行状态进行评估，提出下一阶段的管理方案(延寿、退役或报废)。

(3)突发重要在轨异常时，由航天器运行管理责任人牵头完成应急处置，评估在轨运行状态，必要时调整在轨管理方案。

3.3 用户协同机制

建立与用户单位、测控单位的沟通机制，及时通报在轨运行风险，沟通运行效能和维护成本情况，提出后续管理方案建议。

(1)用户单位、测控单位和研制单位的三方协同工作机制。用户单位主要负责提出航天器在轨使用意见与建议，对应用效能的部分主观要素、有关系统的维护成本进行评估，对研制单位提出的评估要素、权值分配、评估结果、管理方案进行确认。测控单位主要负责日常测控任务，开展异常应急处置，评估超期运行期间的测控成本。研制单位负责配合用户开展航天器效费比、运行风险综合评价，并提供各类在轨技术支持。

(2)定期回访机制。定期走访用户，主动向用户了解在轨运行效能和维护情况，沟通在轨状态评估结果，提出下一阶段的在轨管理方案及调整建议。存在重大在轨运行风险时，及时向用户提出退役或报废建议。

(3)用户座谈会机制。在每年底邀请所有航天器用户召开座谈会，介绍一年内的在轨管理工作开展情况，听取用户的意见和建议，分享航天器在轨管理经验，研究下一年度管理措施。

4 精细的管理方案

根据状态评估结果，结合航天器自身特点和当前的技术水平，按照“一星一策”的原则，逐一为每个航天器制定精细化的超期运行管理方案。目前，在实践过程中主要形成了延寿、退役、报废3个方面共11类方案，如表5所示。

表5 延寿、退役、报废方案及实例

(1)延寿管理：对于效费比较高、运行风险较低的航天器，可进入延寿管理阶段。根据航天器在轨状态，制定正常使用、降级使用、任务拓展等方案。其中，降级使用包括降低精度、降低使用强度、关闭部分载荷、损失部分功能等。

(2)退役管理：对于效费比较低、运行风险较低的航天器，可建议用户实行退役管理，不再纳入业务运行体系，可开展频率/轨位资源维护、技术试验等工作。

(3)报废管理：对于运行风险较高的在轨航天器，可建议用户进行报废管理，包括离轨及钝化、受控再入、钝化并自然陨落等方案。

5 实践成果

通过近几年来的精细化实践，超期运行航天器在轨管理工作取得了显著的成效，主要体现在以下几个方面。

(1)延寿价值充分发挥。通过“一星一策”精心管理，动态调整在轨运行策略，目前80余个航天器处于延寿管理阶段，在轨运行故障率持续下降，累计稳定运行超过200星年。其中，约40%的航天器业务运行时间达到设计寿命的2倍，在轨应用价值得到了充分发挥；约25%的航天器与其业务接替航天器组网运行，进一步提升了应用效能。

(2)退役报废规范有序。近年来，通过用户协同、动态评估等机制，10余个低效费比的超期运行航天器先后退出业务运行，履行了退役程序，并开展了频率/轨位资源保护、任务拓展、技术试验等工作120余项，进一步发掘了潜在价值；20余个存在严重运行风险的航天器，及时通过采取离轨、钝化、再入大气层等方式，进行了报废处置，有效减缓了空间碎片风险，释放了空间频率轨位资源。

(3)用户满意度持续提升。通过精细化管理实践，达到了超期运行航天器“有价值延寿使用、低效费比退役管理、高风险报废处置”的管理效果，在轨服务质量得到了航天器用户的好评，用户满意度不断提升，连续数年用户满意率达到99%以上。