资源一号02D卫星控制分系统设计及在轨验证

王胜刚 潘立鑫 刘捷 魏懿 程莉 杨晓龙 张恒 袁军

(北京控制工程研究所，北京 100094)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)是基于《国家民用空间基础设施中长期发展规划》和国务院批复的《陆海观测卫星业务发展规划(2011-2020年)》，开展建设的一颗业务卫星。该卫星用于接替超期服役的资源一号02C卫星，服务于环保、住建、交通、农业、林业、减灾等行业[1]。

近些年，随着卫星需求的不断放大，对业务卫星的开发提出了新的要求。作为平台服务核心分系统之一的控制分系统，怎么样快速、经济、实用地满足研制要求，是值得探讨的问题；同时，好用、易用、可靠也是卫星工程实现上追求的重要目标。资源一号02D卫星作为一颗业务卫星，要求采用“一步正样”的研制模式，由于没有初样的验证改错过程，对设计、开发、测试提出了更高的要求。同时，相对于资源一号02C卫星，资源一号02D卫星对控制分系统的指标要求，如姿态测量精度、姿态控制精度及稳定度、卫星机动能力、寿命、可靠性等要求都有所提高，这些都导致控制分系统要进行相应的改进、提升。

本文围绕“一步正样”的研制要求，并结合资源一号02D卫星控制分系统的系统复杂度高、单机部件多、系统集成难度大的任务特点，提出了一种快速、经济的控制分系统研制思路。为了使卫星在轨更好用，针对控制分系统制定了在轨故障预案和处理措施，保障卫星在轨安全可靠运行；为了使卫星在轨更易用，控制分系统采用一种小推力轨道控制方法，可简化变轨操作流程，提高变轨精度。

1 控制分系统软硬件设计及实现

1.1 控制分系统“一步正样”设计思路

一般情况下，卫星设计和研制需要经历模样设计阶段、初样研制阶段和正样研制阶段[2]。其中，初样阶段是验证卫星设计的重要过程。在此研制阶段，要对各个分系统的硬件、软件、分系统之间的匹配性进行测试验证，找出其中的问题，并在正样中进行改正和再验证。

“一步正样”，在研制流程中去掉了初样研制阶段，硬件、软件设计的时间减少，测试验证的时间也减少，各环节都存在验证不充分的风险。在资源一号02D卫星控制分系统的研制过程中，针对“一步正样”的研制要求，对应“计划、实施、检查，行动”(PDCA)质量控制过程，采取如下措施控制风险，高质量地完成控制分系统的研制。

策划阶段(Plan)：首先，对控制分系统的指标进行详细分析，并将这些指标与类似卫星进行对比，这些卫星包括基线卫星，还包括指标要求类似的其他卫星(如高分三号卫星)，找出各重要指标(如轨道类型、机动和姿态指标、寿命、可靠性等)的相同点和差异[3]；从类似卫星的硬件配置中找出适合使用的产品，确定控制分系统的硬件配置。原则上，尽量选择经过飞行验证的产品，减少单机产品自身软件的修改，将必需的软件更改都放在姿态、轨道和控制计算机(AOCC)软件中进行，并控制更改的总量。

设计开发阶段(Do)：将控制计算机软件列为工作重点，在策划的基础上先期开展研制工作，保留和继承原基线卫星软件中与方案有关的部分，包括系统工作模式、故障诊断和处理等。针对硬件产品的驱动，则通过调整软件中与硬件产品相关的取数和控制等接口，调整与外系统相关的接口模块，尽快地开发出接口验证版本。在正样硬件产品生产的同时，利用控制器电性产品和控制系统模拟器，开展控制分系统软件的接口版本的测试，验证控制分系统内的接口匹配性。

检查测试阶段(Check)：在控制分系统内部接口都调通后，完成全功能软件版本的开发和自测试，并在控制分系统正样硬件产品环境下完成全功能软件版本的测试，以及完成与控制分系统有直接接口的系统联试，如与数管分系统、天线分系统、GPS分系统的联合测试，提早发现并改正与其他分系统间的接口匹配问题，特别是硬件接口问题，避免将来整星正样测试时出现测试问题，导致被动。

调整改正阶段(Action)：在整个设计、研制、测试过程中，不断地改正发现的问题，对控制分系统的控制计算机软件进行迭代，直至发射在轨运行。

1.2 设计及实现

资源一号02D卫星控制分系统的研制按照上述思路进行。首先，对控制分系统的关键指标进行分析，与基线卫星及类似卫星进行对比。资源一号02D卫星与资源一号02C卫星及高分三号卫星的重要技术指标对比，如表1所示。

表1 控制分系统重要技术指标对比Table 1 Comparison of control subsystem important technical indexes

通过与资源一号02C卫星和高分三号卫星重要技术指标的对比可以发现：资源一号02D卫星相对于资源一号02C卫星的轨道未变，但技术指标均有提高，更接近高分三号卫星。因此，在软、硬件设计上，资源一号02D卫星控制分系统充分借鉴这两颗卫星的产品和经验。

(1)硬件产品。敏感器中，太阳敏感器选择与资源一号02C卫星完全一致的敏感器；红外地球敏感器、惯性敏感器选择继承高分三号卫星；星敏感器在满足指标的情况下，选择经济性更好的第4代分体式有源像素传感器(APS)星敏感器。控制器上，选择继承高分三号卫星的3U配置，即中心控制单元、信息采集单元、驱动控制单元。执行机构中，动量轮选择配置5个动量轮，产品类型与高分三号卫星一致，安装使用上仍然沿用资源一号02C卫星的方式，3正交+2斜装；磁力矩器为3根磁棒，完全继承资源一号02C卫星，推进系统的配套选择继承资源一号02C卫星，改变部分推力器的安装和使用方式；太阳翼驱动机构和线路的选择继承资源一号02C卫星，其中太阳翼驱动线路盒为了配合控制器，总线形式改为1553B总线。控制分系统的硬件配置继承性参见表2。

表2 控制分系统硬件继承性Table 2 Control subsystem hardware and its inheritance

(2)软件配置中，除了控制计算机软件外的其他软件，均为I、II类继承软件[4]，是完全不需要修改或者仅修改参数的软件；在控制计算机的软件中，方案相关的部分，如工作模式及转换、故障诊断及处理，继承自资源一号02C卫星，其他接口部分(包括控制分系统内接口和外接口)则根据选用产品的继承性，选择继承的卫星。

软、硬件的继承性控制，减少了开发过程中更改的总量，降低了出错的可能。在测试中，完成控制分系统内接口、外接口、系统功能的各级验证，对发现的问题和其他卫星“举一反三”的问题进行闭环。通过上述举措，资源一号02D卫星控制分系统完成了“一步正样”的研制，保证了研制进度和质量。

2 在轨故障预案及处理措施

作为业务卫星，为了保障卫星在轨安全可靠运行，尽量较少人员的干预，除了提高卫星在轨故障自诊断、自恢复的能力之外，还要制定完备的故障预案，方便操作人员在第一时间进行故障处理。

资源一号02D卫星故障处置的原则为：在确保卫星安全的前提下，最大可能减少对任务的影响。紧急、重大故障时要优先保电源，争取更多的时间研究和实施拯救对策；在故障原因一时不能查明时，要使卫星处于安全工作模式，并按照保电源的原则关闭部分设备；对于有备份冗余的设备，卫星上尽可能在识别到故障后自主或者由地面设置，使用备份设备，确保任务不受影响。

资源一号02D卫星控制分系统按照《Q/QJA 542-2018航天器在轨故障预案编写要求》[5]的规定，结合卫星飞行程序，在卫星出厂前制定了在轨故障预案，对在轨可能发生的各种故障模式、影响及危害进行分析(FMECA)，形成故障模式清单，并进行层级划分，如设备级、分系统级、系统级(整星级)；同时，根据故障发生的概率和危害程度[6]进行区分，根据不同发生概率分为A(频繁)、B(很可能)、C(偶然)、D(很少)、E(极少)5个等级，根据危害程度分为I类(灾难性的)、II类(严重的)、III类(一般的)、IV类(轻微的)4个等级。最终，控制分系统共形成故障预案卡36项，建立故障卡索引，涵盖了重要单机的故障模式(如敏感器故障、执行机构故障、控制器异常)，分系统级的故障模式(如总线故障、进入安全模式故障)，也包含不同在轨阶段的故障，如分离姿态异常、轨道控制异常等。对于故障预案卡中的指令，均在地面进行了验证，确保在轨一旦发生预想的故障，能够按照预案卡上的指令进行处理。

3 小推力轨道维持方法及实现

为了提高资源一号02D卫星的易用性，针对资源一号02C卫星在轨使用中测控人员的痛点，控制分系统在资源一号02C卫星变轨策略的基础上进行了改进。太阳同步轨道卫星由于受到大气阻力的影响，轨道高度将不断下降，这是轨道半长轴衰变的结果。由此引起的轨道周期的缩短使得地面轨迹的位置向东漂移，轨迹的重复性受到破坏，卫星要进行周期性的轨迹保持[7]。资源一号02C卫星大约每两个月进行一次轨道调节，速度增量在0.02～0.03 m/s，使用2个1 N推力器变轨，轨道控制时长为20～30 s。轨道控制时，姿态控制推力器进行姿态调整，控制轨道控制对姿态的干扰，使用的在轨操作流程为：第n圈，注入数据块，切除偏流角，注入变轨数据块(地面操作)；第n+1圈，变轨(星上自主操作)；第n+2圈，注入目标轨道块，注入数据块，重新引入星敏感器确定姿态(地面操作)。轨道控制前后均要进行地面干预，每次轨道维持都需要至少3个轨道圈次，每个轨道圈100 min左右，时间拖得比较长，特别是随着在轨卫星的增多，测控人员都是一个人管数颗卫星，测控压力大。资源一号02D卫星在轨道维持操作上进行了优化，采用基于轮控模式的轨道控制方法[8]。轨道维持时，控制分系统仍然处于正常模式，陀螺+星敏感器确定姿态方式下，由动量轮吸收变轨的干扰力矩；变轨结束后，由磁力矩器进行卸载，慢慢将动量轮吸收的干扰卸载掉，使动量轮转速回到标称转速附近。其操作流程简化为：第n圈，注入变轨数据块，星上确认变轨数据块有效时，自主切除偏流角(地面操作)；第n+1圈，变轨(星上自主操作)；地面操作简化为轨控前操作一次，圈次减少，减轻了测控人员的压力和负担，提高了效率和可靠性。资源一号02C卫星进行轨道控制时，使用姿态控制推力器进行姿态调整，由于推力器不严格过质心而在3轴上都可能产生干扰力矩，姿态会偏向一个方向；而在资源一号02D卫星中采用正常模式1 N变轨后，动量轮可以实时吸收轨道控制对姿态的干扰，姿态始终保持正常运行时的零姿态，轨道维持的精度相对提高。

4 在轨验证

资源一号02D卫星入轨后，完成了状态建立和在轨测试，控制分系统长期处于正常模式——陀螺+星敏感器确定姿态方式。控制分系统工作稳定，软、硬件工作正常，相关指标均满足要求，为有效载荷任务的圆满完成提供了非常有利的条件。

图1和图2是资源一号02D卫星某圈过境的姿态角估值和姿态角速度估值曲线，卫星长期是引入偏流角修正的，图上也附有实时的偏流角理论值和偏流角速度理论值。可以看出：卫星3轴的控制精度优于0.005°(3σ)，3轴稳定度优于0.000 4(°)/s(3σ)，控制分系统的表现优于指标要求，控制分系统的整个设计验证过程，满足了卫星“一步正样”、指标提升的要求。

图1 正常运行姿态角估值曲线Fig.1 Attitude angle trajectory under normal operation

图2 正常运行姿态角速度估值曲线Fig.2 Attitude angular velocity trajectory under normal operation

5 结束语

资源一号02D卫星作为资源一号02C卫星的后继业务卫星，在控制分系统的研制过程中，合理继承，优化软、硬件设计，保证采用“一步正样”研制流程的整个分系统的可靠性；根据FMECA结果，制定完备的故障预案，并通过地面测试验证每个故障处理策略，以确保在轨发生故障时能够及时按照预案对在轨故障进行处置；通过改进轨道控制方法，优化地面操作，切实减少操作人员负担。上述措施对其他业务卫星的研制与在轨管理均有一定的借鉴意义。