“东方红”四号增强型卫星平...统技术状态统一化研究与实践_梁静静.pdf

2022年第12期59航天工业管理Research and Practice of Subsystem-Level Productization分系统级产品化研究与实践“东方红”四号增强型平台（DFH-4E 平台）是中国空间技术研究院开发的大容量地球同步轨道公用平台，它在“东方红”四号（DFH-4 平台）的基础上，通过继承“东方红”三号 B（DFH-3B平台）的综合电子架构等先进设计思想，实现了卫星服务寿命、有效载荷重量、载荷功率和容量的极大提升1，成为新一代地球同步轨道大容量通信卫星主流平台，使我国卫星平台技术能力达到世界先进水平，显著提高了我国通信卫星平台的国际竞争力。DFH-4E 平台开发始于 2012 年，首颗卫星于2016 年初正式立项，受早期平台开发和型号研制模式的影响，DFH-4E 平台前几颗卫星控制系统在方案设计、产品配置等方面存在差异。为提高型号梁静静、吕楠、肖帅、刘蕊、刘忠汉/北京控制工程研究所摘 要：为适应我国民商用通信卫星应用需求持续增长和国际通信卫星竞争不断加剧的形势，中国空间技术研究院研制了“东方红”四号增强型通信卫星平台，极大提升了卫星服务寿命、有效载荷重量和容量，成为新一代地球同步轨道大容量通信卫星主流平台。基于该平台，北京控制工程研究所进行了控制系统的技术状态统一化研究，确定了“充分继承已有平台成果、注重模块化标准化柔性化设计、提升控制系统的好用易用性”的技术状态统一化思路，从方案、软件、配置等方面进行了全面统一，同时兼顾了可配置性。通过多颗卫星的实践结果表明，控制系统技术状态的统一显著提升了研制效率和用户体验。关键字：“东方红”四号增强型；控制系统；统一化；实践“东方红”四号增强型卫星平台控制系统技术状态统一化研究与实践2022年第12期60航天工业管理Research and Practice of Subsystem-Level Productization分系统级产品化研究与实践研制效率，改进用户体验，真正实现“三高”发展，作为该平台控制系统的研制单位，北京控制工程研究所开展了 DFH-4E 卫星平台控制系统技术状态统一化研究工作，并在中星 9B、中星 6D等多颗卫星上进行了实践。一、技术状态统一化思路DFH-4E 平台卫星为地球同步轨道通信卫星，整星发射重量约 5500kg，在轨服务寿命大于15 年。平台采用以中心管理单元(CMU)为核心的综合电子架构，控制系统以 CMU 和执行机构驱动单元(ADU)为控制器，形成“控制单元+驱动单元”的体系结构，与敏感器、执行机构共同完成卫星的姿态轨道控制任务,同步轨道段卫星姿态控制精度可达到滚动 0.04、俯仰 0.04、偏航 0.1,优于 DFH-4 平台。DFH-4E 平台控制系统技术状态统一工作，主要针对控制方案、软件设计以及硬件配置等方面开展，综合各种因素，确定了该项工作的总体思路：一 是 充 分 继 承 DFH-4 和DFH-3B 的技术成果，采用新技术进行优化升级。通过对未来卫星市场的研制需求进行研究 判 断，DFH-4E 卫 星 平 台 控制系统在继承现有的 DFH-4 和DFH-3B 平台的优秀技术成果的基础上，引入新技术对现有成果进行优化升级，在保证控制系统可靠性的同时，全面提升新平台的能力。时，将对平台技术状态进行统一升级，以不断提升平台的能力。二、控制方案与软件统一化DFH-4E 平台卫星控制系统研制采取“柔性可配置”思想，按“A+B+C”模式开展研制工作，“A”表示平台卫星控制系统的通用化设计方案，“B”是根据不同型号的质量特性、配置等不同设计出的控制器、敏感器、执行机构等软件配置参数，“C”表示不同型号的扩展功能需求。其中，“A”作为 DFH-4E 平台卫星控制系统的通用化设计方案，从姿态确定、姿态控制、模式设计、自主性设计、健壮性设计等方面进行了统一化研究，“B”和“C”部分由各型号根据自身的状态进行选择或配置。控制系统软件设计以通用化、可扩展为目标，统一规划系统信息流与数据流，采用模块化、标准化的软硬件接口设计，通过优化软件体系架构，打破传统设计方式的型号定制约束，按最大包络实现软件功能模块开发，同时使各功能模块尽量解耦，形成了 DFH-4E 卫星平台化软件。各型号在此基础上，只需更改软件的配置参数和选择相应的扩展功能，极大提升了软件的研制效率。1姿态确定与控制方案随着激光通信等新型通讯技术的应用，对卫星的姿态稳定度也提出了要求。为了提高姿态测量精度，DFH-4E 平台在国产通二是注重模块化、标准化和柔性化设计。为了满足对未来同一类卫星任务需求的通用性，DFH-4E 平台在技术状态统一过程中注重模块化、标准化、柔性化设计。模块化是指将系统功能分解成多个功能模块，各模块功能相互独立，方便进行维护和功能升级。标准化主要是指采用标准化的接口，以便于进行单机产品的替换、升级和扩展。柔性化是指系统具备可配置能力，对于配置的单机个数、是否使用电推进等可以进行配置，以满足不同型号任务的要求。三是提升卫星控制系统的自主性、健壮性。注重用户体验、提升用户满意度是卫星研制所坚持的重要原则。一方面，DFH-4E 平台通信卫星对业务连续性要求高，技术状态统一工作需要注重在轨稳定能力建设，注重提升控制系统的健壮性。通过对系统故障自主快速诊断实现故障自恢复或者系统自重构，做到“一重故障不影响航天器业务连续、二重故障不影响航天器安全”。另一方面，强化用户意识，注重提升控制系统自主工作能力，通过自动飞控、自主位保等功能设计，极大提升卫星变轨、日常位保等操作的自主性，提升卫星好用易用性，减轻用户地面测控管理负担。此外，在坚持上述工作思路的同时，注重把握技术状态统一和技术发展的辩证关系，技术状态统一并不代表一成不变，当平台能力不能满足未来任务需求2022年第12期61航天工业管理Research and Practice of Subsystem-Level Productization分系统级产品化研究与实践信卫星中率先进入了“星敏+长寿命陀螺”组合定姿时代，采用长寿命、高可靠、小型化、高数据更新率的一体化星敏感器提供精确的姿态指向信息，采用较高冗余度的陀螺构型组合获得姿态角速度信息并配合星敏进行组合定姿，从而实现全方位的姿态捕获与机动。正常情况下，卫星采用“星敏+陀螺”组合定姿的方式，即基于陀螺测量的角速度数据计算姿态预估值，通过星敏感器提供的精确姿态信息对姿态预估值进行滤波校正，得到卫星本体相对惯性系的姿态，再利用轨道信息得到卫星本体相对轨道系的姿态。当无三轴陀螺可用时，则采用无陀螺角速度反馈的纯星敏几何定姿方式，同样可满足卫星的姿态控制要求。只有在出现星敏和陀螺均不可用的极端情况时，采用类似 DFH-4 平台的“地敏+太敏”进行三轴姿态测量。考虑到DFH-4E 平台在敏感器配置上有足够的冗余，DFH-4 平台的“偏航观测器”定姿方式被取消。同步轨道运行期间，姿态控制采用 4 个呈金字塔型安装的飞轮，可以工作在偏置动量或整星零动量方式，具备三轴主动轮控能力。控制系统具备在飞轮故障情况下由推力器和其他反作用轮重组进行卫星姿态控制的能力，当 1 个飞轮出现故障时，控制系统可使用剩余 3 个飞轮进行控制，卫星姿态不受影响；多个飞轮故障时，转为推力器控制，保证卫星对地指向姿态。2模式设计DFH-4E 平台卫星在控制模式设计时，考虑了卫星从发射到入轨、在轨长期工作运行以及故障情况下的所有任务需求，涉及太阳捕获、远地点变轨、位置保持、长期高精度对地姿态控制、故障安全及恢复等方面。同时，考虑到星敏感器的全天球姿态捕获能力，取消了 DFH-4 平台卫星的地球捕获、地球指向等模式，最终设计了太阳捕获模式、惯性指向模式、远地点模式、位保模式、正常模式等。卫星与火箭分离后，控制系统进入太阳捕获模式，自主进行速率阻尼，消除由运载产生的分离干扰角速度，自动完成太阳捕获保证太阳帆板法向对日；在惯性指向模式下利用星敏和陀螺组合定姿完成地球捕获维持对地稳定姿态，并在变轨前建立点火姿态；在远地点模式进行 490N 变轨点火，克服液体晃动和其它干扰力矩的影响，使变轨期间的姿态控制精度满足要求；正常模式是卫星长期在轨的稳定运行模式，可进行化推东西位保和电推南北位保控制（混推型卫星采用）；由于正常模式采用轮控方式进行姿态控制，当采用化推南北位保或东西位保速度增量比较大时，需定期转入位保模式进行，保证卫星的控制精度满足要求。3自主性设计为提升卫星的好用易用性，减少地面操作，DFH-4E 平台卫星设计了自动飞控、自主位保、SADA 自主跟踪太阳等功能。自动飞控实现了转移轨道段的自动变轨。通过提前设置卫星的点火姿态、点火时刻、点火时长等点火参数，卫星按预先设计的程序逻辑自主开启推力器、转入远地点点火模式并进行 490N变轨点火等操作，同时自主进行点火前的 SADA 归零和点火结束后的太阳自动跟踪控制，极大提高了飞控工作的效率和可靠性。自主位保主要用于在轨长期稳定运行期间的日常位保操作，分别包括化学推进和电推进的程控位保、自主位保。程控位保需要提前注入位保点火参数（化推包括点火时刻、姿态、模式、方向等，电推包括点火点赤经、电推力器分支选择、点火时长等），卫星按星上软件逻辑在预先设置的时间自动转模式进行东西或南北位保等；而自主位保则实现了真正意义上的自主，由星上自动计算平经度、偏心率、轨道倾角的偏差量，自主制定位保策略。相比于 DFH-4 平台，DFH-4E 平台卫星还新增了 SADA 的自主控制功能，实现太阳帆板对为提升卫星的好用易用性，减少地面操作，DFH-4E平台卫星设计了自动飞控、自主位保、SADA 自主跟踪太阳等功能。2022年第12期62航天工业管理Research and Practice of Subsystem-Level Productization分系统级产品化研究与实践太阳的自动跟踪。星上软件实时计算 SADA 理论转角，自主进行SADA 转角的闭环控制，可以高效保证能源供应，同时也解放了地面测控所需人力。4健壮性设计相对于 DFH-4 平台，DFH-4E 平台卫星提升系统健壮性的一个重要手段是改用了长寿命陀螺，长期工作时将角速度引入闭环，有效提高了控制系统的稳定性。同时，设计了单机级和系统级的冗余备份功能，卫星全生命周期在各个模式下均具备自主检测隔离与恢复能力（见表 1）。根据各模式下敏感器和执行机构的选用情况，设计了地敏故障、太敏故障、星敏故障、陀螺故障、反作用轮故障、推力器故障等单机级 FDIR 策略，以及姿态超差、角速度过大等系统级 FDIR 策略。对于单机级 FDIR 策略，当星上控制单机或模块出现故障时，通过切换至冗余备份单机或模块的方式，实现自主故障处理；对于系统级 FDIR 策略，当出现系统级故高轨卫星研制经验，统筹考虑重量、功耗、可靠性等因素，确定敏感器配置如下。对于太阳敏感器和地球敏感器两种传统敏感器，由于太阳敏感器重量轻、功耗小，继承了DFH-4 平台 4 个数字太敏的配置方案，其中 2 个用于太阳捕获模式下搜索太阳，2 个用于对地备份模式下偏航姿态的确定。地球敏感器数量由 2 台减少为 1 台，仅作为极端情况下的系统降级使用手段。DFH-4E 平台卫星在轨长期运行期间采用“星敏感器+陀螺”组合定姿的方式，其中星敏感器配置 2 台，在轨热备份工作，故障时可自主切换；陀螺构型为“3+1S 二浮陀螺+3S光纤陀螺”，7 轴陀螺均为异轴安装，任意 3 个陀螺均可实现三轴姿态角速度策略。这种陀螺配置的优点在于全部为长寿命陀螺，整体冗余度高，2 种原理不同的陀螺实现了异构备份，既有正交陀螺也有斜装陀螺，可以通过原始测量信息迅速判断卫星姿态。障时，进行系统重构的方式实现故障的恢复与隔离，保证整个系统的安全稳定运行。上述设计实现了从“单机切换与故障隔离模式切换保对地姿态和业务连续太阳捕获保能源安全停控确保星体结构安全”的分层故障处理，确保任何情况下都不会影响卫星的结构安全、能源安全和燃料安全，显著提升了系统的故障容限能力。三、控制系统配置统一化D